Metodologia innovativa basata su simulazioni operative e modellazione 3D per la progettazione concettuale di una nave da crociera di lusso

The ship design of a luxury cruise ship has long represented a complex engineering challenge. Traditionally, it relies on iterative and often time-consuming techniques, such as the design spiral or basic multi-attribute decision-making methods. However, with the emergence of increasingly effective technologies, such as three-dimensional parametric modelling and, in the future, artificial intelligence, traditional design frameworks can be reconsidered by integrating parametric 3D models already in the early design stages. Moreover, the enforcement of increasingly stringent regulations on pollutant emissions makes it sense to adopt operational models to support the selection of the best possible design. This work therefore proposes a multi-stage approach to concept design based on the integration of parametric modelling with a mathematical model for luxury cruise ships, together with the use of probabilistic software to estimate fuel consumption and pollutant emissions. The first stage consists of generating design solutions through Monte Carlo sampling, starting from a parametric model of a luxury cruise ship. Each individual design is analysed by a mathematical model that discards configurations not satisfying technical, topology, propulsion, stability, and shipowner constraints. By defining design attributes and their associated objective or subjective weights, multi-attribute decision-making techniques can be applied to obtain, after a Pareto filtering, a ranking of the non-dominated solutions. The second stage then follows, in which, after defining one or more typical itineraries of a luxury cruise ship, a probabilistic operational simulation software is used to determine a realistic average of fuel consumption and pollutant emissions only on non-dominated designs from first step. Hence, the first-stage acts as pre-screening to reduce the computational load associated with the simulations. After defining additional operational attributes and their corresponding weights, a second and final ranking can be defined. The main objectives are to assess how operational conditions influence the decision-making process, while also exploiting parametric modelling to accurately define passenger areas, spaces, and volumes from a three-dimensional model since the very beginning of the design process.

La progettazione navale di una nave da crociera di lusso ha da tempo rappresentato una complessa sfida ingegneristica. Tradizionalmente, essa si basa su tecniche iterative e spesso dispendiose in termini di tempo, come la spirale di progetto o metodi di decisione multi-attributo di base. Tuttavia, con l’emergere di tecnologie sempre più efficaci, quali la modellazione parametrica tridimensionale e, in futuro, l’intelligenza artificiale, i tradizionali schemi di progettazione possono essere riconsiderati integrando modelli 3D parametrici già nelle fasi iniziali del progetto. Inoltre, l’applicazione di normative sempre più stringenti sulle emissioni inquinanti rende sensato adottare modelli operativi a supporto della selezione della migliore soluzione progettuale possibile. Questo lavoro propone pertanto un approccio multi-stadio alla progettazione concettuale basato sull’integrazione della modellazione parametrica con un modello matematico per navi da crociera di lusso, insieme all’uso di software probabilistici per stimare il consumo di carburante e le emissioni inquinanti. Il primo stadio consiste nella generazione di soluzioni progettuali mediante campionamento Monte Carlo, a partire da un modello parametrico di una nave da crociera di lusso. Ogni singolo progetto viene analizzato da un modello matematico che scarta le configurazioni che non soddisfano vincoli tecnici, topologici, di propulsione, di stabilità e dell’armatore. Definendo gli attributi di progetto e i relativi pesi, oggettivi o soggettivi, è possibile applicare tecniche di decisione multi-attributo per ottenere, dopo un filtraggio di Pareto, una classifica delle soluzioni non dominate. Segue quindi il secondo stadio, nel quale, dopo aver definito uno o più itinerari tipici di una nave da crociera di lusso, un software di simulazione operativa probabilistica viene utilizzato per determinare una media realistica del consumo di carburante e delle emissioni inquinanti solo per i progetti non dominati del primo stadio. In tal modo, il primo stadio agisce come un pre-screening per ridurre il carico computazionale associato alle simulazioni. Dopo aver definito ulteriori attributi operativi e i relativi pesi, può essere definita una seconda e finale classifica. Gli obiettivi principali sono valutare come le condizioni operative influenzino il processo decisionale, sfruttando al contempo la modellazione parametrica per definire accuratamente aree passeggeri, spazi e volumi a partire da un modello tridimensionale fin dalle prime fasi del processo di progettazione.