Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển thuật toán định tuyến hành trình tàu thủy nhằm tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu phát triển thuật toán định tuyến hành trình tàu thủy nhằm tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ" trình bày các nội dung: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL; Nghiên cứu xây dựng thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu ứng dụng mạng nơ-ron và thuật toán tìm kiếm A*; Thử nghiệm thuật toán đề xuất và đánh giá kết quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển thuật toán định tuyến hành trình tàu thủy nhằm tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ĐOÀN HỮU KHÁNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN HÀNH TRÌNH TÀU THUỶ NHẰM TỐI THIỂU HÓA NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2024
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ......................................................................................vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................3 6. Những điểm đóng góp mới .................................................................................4 7. Kết cấu của luận án ............................................................................................4 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ..............................................................6 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án ..........................6 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án ..........................12 1.3. Nhận xét chung ..............................................................................................12 1.4. Đề xuất hướng nghiên cứu ............................................................................14 1.5. Kết luận chương 1..........................................................................................16 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THEO PHƯƠNG PHÁP HIL .................................................................................................17 2.1. Tổng quan về mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL ........................17 2.2. Đề xuất cấu trúc mô hình mô phỏng HIL ...................................................18 2.3. Xây dựng mô hình động lực học tàu trong môi trường 3D .......................19 2.3.1. Mô hình toán của tàu và nhiễu môi trường .................................................19 2.3.2. Xây dựng mô hình tàu trong môi trường 3D sử dụng phần mềm Unity .....25 2.3.3. Xây dựng sóng biển.....................................................................................28 2.3.4. Xây dựng các mô-đun phần mềm ...............................................................29 2.3.5. Thử nghiệm mô hình động lực học tàu đã xây dựng ..................................30 iii
2.4. Xây dựng mô hình tính toán nhiên liệu tiêu thụ theo thời gian thực .......35 2.4.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................35 2.4.2. Phương pháp xây dựng mô hình tính toán nhiên liệu đề xuất ....................36 2.4.3. Xây dựng mô hình tính toán nhiên liệu cho tàu The Prosperity .................41 2.4.4. Kiểm chứng mô hình đã xây dựng ..............................................................43 2.5. Xây dựng bộ điều khiển quỹ đạo..................................................................46 2.5.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển .....................................................................46 2.5.2. Xây dựng bộ điều khiển quỹ đạo ................................................................47 2.6. Xây dựng mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL ..............................50 2.6.1. Thiết kế, xây dựng mô hình ........................................................................50 2.6.2. Thử nghiệm mô hình đã xây dựng ..............................................................52 2.7. Kết luận chương 2..........................................................................................55 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN HÀNH TRÌNH TÀU THỦY NHẰM TỐI THIỂU HÓA NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ ........56 3.1. Xây dựng mô hình dự báo nhiên liệu tiêu thụ và thời gian hành trình ....56 3.1.1. Giới thiệu chung về mạng nơ-ron ...............................................................56 3.1.2. Mạng nơ-ron truyền thẳng MLP .................................................................57 3.1.3. Xây dựng bộ dữ liệu ....................................................................................58 3.1.4. Xây dựng mô hình dự báo nhiên liệu tiêu thụ và thời gian hành trình .......62 3.1.5. Thử nghiệm, lựa chọn mô hình và đánh giá kết quả ...................................64 3.2. Giới thiệu một số thuật toán tìm kiếm đường đi trong đồ thị ...................70 3.2.1. Thuật toán Dijkstra ......................................................................................70 3.2.2. Thuật toán A* ..............................................................................................72 3.3. Xây dựng thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ ..76 3.3.1. Xây dựng đồ thị di chuyển ..........................................................................76 3.3.2. Xây dựng thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ .....78 3.4. Kết luận chương 3..........................................................................................84 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..............................................................................................................................85 iv
4.1. Xây dựng các kịch bản thử nghiệm .............................................................85 4.1.1. Dữ liệu dự báo thời tiết ...............................................................................85 4.1.2. Xây dựng các kịch bản thử nghiệm và điều kiện ràng buộc .......................86 4.2. Thử nghiệm thuật toán đề xuất ....................................................................88 4.2.1. Tính toán các ma trận chi phí cho hàm mục tiêu ........................................88 4.2.2. Thử nghiệm thuật toán I ..............................................................................88 4.2.3. Thử nghiệm thuật toán II .............................................................................90 4.3. Kiểm chứng, đánh giá thuật toán đề xuất ...................................................91 4.3.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển cho quá trình thử nghiệm ............................91 4.3.2. Chuẩn bị mô hình mô phỏng HIL ...............................................................91 4.3.3. Kiểm chứng, đánh giá thuật toán I ..............................................................93 4.3.4. Kiểm chứng, đánh giá thuật toán II ...........................................................103 4.4. Kết luận chương 4........................................................................................104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................106 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ............................108 I. Công trình công bố trong nước ......................................................................108 II. Công trình công bố quốc tế ...........................................................................108 PHỤ LỤC v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Giải thích  Véc-tơ vị trí và hướng x, y, z Vị trí tàu theo trục dọc x, trục ngang y và trục thẳng đứng z , Góc nghiêng theo phương ngang, phương dọc (độ)  Véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc (m.s-1) c Véc-tơ vận tốc dòng chảy (m.s-1) r Véc-tơ vận tốc tương đối của tàu và dòng chảy (m.s-1) u, v, w Vận tốc tàu theo hướng dọc, hướng ngang và hướng thẳng đứng (m.s-1) p, q, r Vận tốc góc trong hệ trục tọa độ gắn với thân tàu (m.s-1)  Lực và mô-men của chân vịt và bánh lái (N, Nm)  RB Tổng hợp các thành phần lực và mô-men tác động lên tàu (N, Nm) H Lực và mô-men thủy động lực học tác động lên tàu (N, Nm) E Lực và mô-men của nhiễu môi trường tác động lên tàu (N, Nm)  current , wind , waves Lực và mô-men của dòng chảy, gió và sóng tác động lên tàu (N, Nm) X, Y, Z Các lực tác động lên tàu tương ứng theo 3 trục x, y và z (N) K, M, N Các mô-men tác động lên tàu tương ứng theo 3 trục x, y và z (Nm) MRB Ma trận quán tính Ma trận khối lượng thêm vào do quán tính của chất lỏng xung quanh MA thân tàu CRB ( ) Ma trận Coriolis và lực hướng tâm C A ( ) Ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy động lực học C ( ) Ma trận tổng của ma trận CRB ( ) và ma trận C A ( ) J ( ) Ma trận chuyển đổi D( ) Ma trận giảm chấn D Thành phần tuyến tính của ma trận giảm chấn Dn ( ) Thành phần phi tuyến của ma trận giảm chấn  Lượng choán nước của tàu (tấn) GM T , GM L Chiều cao thế vững ngang và dọc của tàu (m) GM Chiều cao thế vững của tàu (m) g ( ) Lực phục hồi (N) L, B Chiều dài và chiều rộng của tàu (m) Lwl Chiều dài tàu với mớn nước mùa hè (m) T (hoặc d) Mớn nước trung bình của tàu (m)  Góc đối đầu giữa hướng sóng và mũi tàu (độ) U Lực tác động vào tàu theo trục dọc của bánh lái và chân vịt (N) V Lực tác động vào tàu theo trục ngang của bánh lái và chân vịt (N) R Mô-men quay trở của bánh lái tác động lên tàu (Nm) tP Hệ số giảm trừ lực đẩy chân vịt np Tốc độ quay của chân vịt (rpm) tR Hệ số giảm trừ lực cản bánh lái Dp Đường kính chân vịt (m) KT Hệ số đẩy chân vịt vi
a ,  Mật độ không khí, mật độ nước (kg.m-3) i Góc pha ngẫu nhiên của thành phần sóng thứ i (độ) si (t ) Độ dốc của thành phần sóng thứ i (m) i ,  ( x, t ) Chiều dài bước sóng và độ cao sóng (m) Ai Biên độ sóng của thành phần sóng thứ i (m) ki , N Số sóng và tổng số thành phần sóng S (i ) Mật độ phủ sóng (m2.s)  Sự sai khác giữa các tần số kế tiếp nhau (rad.s-1) g Gia tốc trọng trường (m.s-2) ei Tần số đối đầu (rad.s-1) Vr Vận tốc gió tương đối (m.s-1) CX , CY , CN Các hệ số lực và mô-men của gió AT, AL Diện tích gió thổi vào mặt trước và mặt bên của tàu (m2) Rtotal Lực cản tổng (N) Rcalm Lực cản tác động vào tàu ở điều kiện thời tiết tốt (N) Radded Lực cản bổ sung (N) Rwind Lực cản do gió (N) RAW Lực cản bổ sung gây ra bởi sóng (N) RAWM Lực cản bổ sung do hiệu ứng bức xạ (N) RAWR Lực cản bổ sung do hiệu ứng phản xạ (N)  Góc tương đối giữa hướng sóng và mũi tàu (độ) Fr Số Froude T * Hệ số mớn nước Ar Diện tích mặt bên bánh lái (m2) CF Hệ số nâng bánh lái FN Lực tác dụng lên bánh lái (N) R Góc tương đối giữa bánh lái và dòng nước (độ) H Hệ số tăng lực bánh lái Lpp Chiều dài tính toán của tàu (m) A p Diện tích mặt nước theo vị trí tàu phương thẳng đứng (m2) xH , xR Tọa độ điểm tác dụng lực bánh lái và tọa độ bánh lái theo chiều dọc TFC Nhiên liệu tiêu thụ tổng của tàu (tấn) Pi Công suất tức thời của máy chính tại thời điểm i (W) SFOCi Suất tiêu hao nhiên liệu tại thời điểm i (g/kW.h) n Tốc độ máy chính (rpm) 0 Hướng đi đặt của tàu (độ)  Hướng đi hiện tại của tàu (độ) 0 Góc bẻ lái đặt của tàu (độ)  Góc bẻ lái hiện tại của tàu (độ) n0 Tốc độ đặt cho máy chính (rpm) R Bán kính trái đất (m)  Hệ số ưu tiên giữa nhiên liệu và thời gian hành trình của tàu vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Giải thích 3D 3-Dimension 3 chiều AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo AIS Automatic Identification System Hệ thống nhận dạng tự động ANN Artificial Neural Networks Mạng trí tuệ nhân tạo AUV Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị tự hành dưới nước CII Carbon Intensity Indicator Chỉ số cường độ carbon DB Deadband Vùng không nhạy DCPA Distance of the closest point of Khoảng cách tiếp cận gần nhất approach DOF Degrees of Freedom Bậc tự do DSS Decision Support System Hệ thống hỗ trợ ra quyết định DWT Deadweight tonnage Trọng tải của tàu (tính bằng tấn) ECU Engine Control Unit Khối điều khiển máy EEDI Energy Efficiency Design Index Chỉ số hiệu quả năng lượng thiết kế EEXI Energy Efficiency Existing Ship Index Chỉ số hiệu quả năng lượng tàu HIL Hardware-In-The-Loop Phần cứng trong vòng lặp IMO International Maritime Organization Tổ chức hàng hải quốc tế IoT Internet of Things Internet vạn vật ISO International Organization for Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Standardization ITTC International Towing Tank Conference Hiệp hội bể thử tàu thế giới MAPE Mean Absolute Percentage Error Sai số tuyệt đối trung bình MARPOL International Convention for the Công ước quốc tế về ngăn ngừa ô Prevention of Pollution from Ships nhiễm từ tàu MLP Multi-layer Perceptron Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp MPE Mean Percentage Error Sai số trung bình phần trăm MSE Mean Squared Error Sai số toàn phương trung bình MSPE Mean Squared Percentage Error Sai số trung bình bình phương OPC Open Platform Communications Tiêu chuẩn giao tiếp hoạt động dựa trên cơ chế Client- Server PID Proportional–Integral–Derivative Bộ điều khiển PID (tỉ lệ-tích phân- controller vi phân) PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn RAO Response Amplitude Operator Toán tử biên độ đáp ứng RMSPE Root Mean Squared Percentage Error Sai số trung bình bình phương lấy căn bậc hai ROV Remotely Operated Vehicle Robot làm việc dưới nước SDRE State-Dependent Riccati Phương trình Riccati TCPA Time to Closest Point of Approach Thời gian tiếp cận gần nhất USV Unmanned Surface Vehicle Thiết bị mặt nước không người lái WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng quốc tế WP Waypoint Điểm chuyển hướng WRS Weather Routing Service Dịch vụ dẫn đường API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Một số thông số chính tàu chở hàng rời The Prosperity ...............................27 Bảng 2.2. Các kịch bản thử nghiệm mô hình động lực học tàu trong môi trường 3D ..30 Bảng 2.3. So sánh chu kỳ lắc ngang tự nhiên giữa mô hình đề xuất và tàu thực ..........33 Bảng 2.4. So sánh chu kỳ lắc ngang và lắc dọc tự nhiên giữa mô hình đề xuất với các tính toán theo hướng dẫn của Bộ luật quốc tế về ổn định của tàu (2008 IS CODE) ....34 Bảng 2.5. Các trường hợp tính toán hệ số c ..................................................................40 Bảng 2.6. So sánh nhiên liệu tiêu thụ giữa mô hình đề xuất với dữ liệu báo cáo buổi trưa .......................................................................................................................................44 Bảng 2.7. Giao thức truyền thông và thời gian lấy mẫu giữa bộ điều khiển và mô hình tàu ..................................................................................................................................52 Bảng 2.8. Các kịch bản thử nghiệm mô hình mô phỏng HIL .......................................52 Bảng 2.9. Kết quả thử nghiệm mô hình mô phỏng đề xuất ...........................................53 Bảng 3.1. Mã giả thuật toán tạo các kịch bản để xây dựng bộ dữ liệu ..........................61 Bảng 3.2. Các thông số chính để huấn luyện mạng ......................................................64 Bảng 3.3. Các kịch bản thử nghiệm mô hình đã huấn luyện .........................................64 Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm (mô hình ANN có 01 lớp ẩn và 30 nơ-ron) ..................68 Bảng 3.5. Giá trị của bốn chỉ số đánh giá kết quả đã tính toán .....................................68 Bảng 3.6. So sánh sai số của mô hình đề xuất với một mô hình ở nghiên cứu [52] .....70 Bảng 3.7. Tìm kiếm đường đi nhỏ nhất sử dụng thuật toán Dijkstra ............................71 Bảng 3.8. Triển khai thuật toán A* theo các bước ........................................................74 Bảng 3.9. Mã giả thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu (thuật toán I) ...81 Bảng 3.10. Mã giả thuật toán con tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu khác thỏa mãn điều kiện ràng buộc................................................................................................82 Bảng 3.11. Mã giả thuật toán tìm tốc độ máy chính phù hợp (thuật toán II) ................83 Bảng 4.1. Thử nghiệm thuật toán II với 02 giá trị thời gian yêu cầu (tr) ......................90 Bảng 4.2. Kết quả kiểm chứng chi tiết thuật toán I với hành trình gợi ý – Route 1 .....93 Bảng 4.3. Kết quả kiểm chứng chi tiết thuật toán I với hành trình gợi ý – Route 3 .....98 Bảng 4.4. Kết quả kiểm chứng chi tiết thuật toán I với hành trình gợi ý – Route 6 ...101 Bảng 4.5. Kết quả tổng hợp với cả 6 tuyến đường ......................................................101 Bảng 4.6. Kiểm chứng thuật toán II với 02 giá trị của thời gian yêu cầu (tr) cho mỗi tuyến ............................................................................................................................104 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các bước nghiên cứu đề xuất ........................................................................15 Hình 2.1. Cấu trúc mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp truyền thống...........17 Hình 2.2. Cấu trúc mô hình mô phỏng HIL đề xuất ......................................................18 Hình 2.3. Hệ tọa độ trái đất và hệ tọa độ gắn với thân tàu [30] ....................................20 Hình 2.4. Giao diện của phần mềm Unity .....................................................................25 Hình 2.5. Một hình ảnh được trích từ hồ sơ thiết kế tàu The Prosperity .......................26 Hình 2.6. Thiết kế mô hình 3D cho tàu sử dụng phần mềm Blender ............................27 Hình 2.7. Đưa mô hình tàu 3D vào phần mềm Unity và cài đặt các thuộc tính ............27 Hình 2.8. Mặt biển tĩnh ..................................................................................................29 Hình 2.9. Mặt biển với gió cấp 3/12 ..............................................................................29 Hình 2.10. Thử nghiệm mô hình mô phỏng tàu 3D đã xây dựng .................................31 Hình 2.11. Góc lắc ngang (roll) trong 9 kịch bản thử nghiệm ......................................31 Hình 2.12. Góc lắc dọc (pitch) trong 9 kịch bản thử nghiệm ........................................32 Hình 2.13. Vận tốc trượt đứng của tàu trong 9 kịch bản thử nghiệm............................32 Hình 2.14. Góc lắc ngang qua bộ lọc thông thấp trong trường hợp gió đông (3/12) ....34 Hình 2.15. Góc lắc dọc qua bộ lọc thông thấp trong trường hợp gió bắc (3/12) ..........34 Hình 2.16. Các bước xây dựng mô hình tính toán nhiên liệu cho tàu thủy ...................36 Hình 2.17. Các tham số đường nước xác định lực cản bổ sung ....................................39 Hình 2.18. Đồ thị làm việc của chân vịt ........................................................................40 Hình 2.19. Đường cong suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn của diesel tàu thủy [13] ...40 Hình 2.20. Các đường đồ thị làm việc của chân vịt xây dựng cho tàu The Prosperity .42 Hình 2.21. Đường cong suất tiêu hao nhiên liệu của tàu The Prosperity ......................42 Hình 2.22. Mô hình tính toán nhiên liệu được xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink .......................................................................................................................................43 Hình 2.23. Một hình ảnh trong bảng dữ liệu báo cáo buổi trưa của tàu The Prosperity .......................................................................................................................................44 Hình 2.24. NLTT thực và NLTT tính bằng mô hình đề xuất trong 10 ngày tiêu biểu ..45 Hình 2.25. NLTT trong 10 ngày tiêu biểu .....................................................................45 Hình 2.26. NLTT của máy chính với các điều kiện khác nhau .....................................45 Hình 2.27. Cấu trúc điều khiển ......................................................................................46 Hình 2.28. Hướng đi đặt cho bộ điều khiển PID ...........................................................48 x
Hình 2.29. Mối quan hệ tương quan giữa tàu chủ và điểm waypoint (WP) .................48 Hình 2.30. Giao diện bộ điều khiển quỹ đạo đã xây dựng trong Matlab/Simulink ......49 Hình 2.31. Hình ảnh mô hình mô phỏng sau khi xây dựng theo phương pháp HIL .....51 Hình 2.32. Khai báo các biến và địa chỉ truyền thông ..................................................51 Hình 2.33. Quỹ đạo tàu trong kịch bản 1, 2, 3, 4 ..........................................................54 Hình 2.34. Quỹ đạo tàu trong kịch bản 1, 5, 6, 7 ..........................................................54 Hình 2.35. Quỹ đạo tàu trong kịch bản 1, 8, 9, 10 ........................................................54 Hình 2.36. Quỹ đạo tàu trong tất cả kịch bản ................................................................54 Hình 3.1. Mạng truyền thẳng MLP với một lớp vào, một lớp ẩn và một lớp ra ...........57 Hình 3.2. Một bản tin báo cáo buổi trưa của tàu SAKIZAYA XCEL ngày 24/9/2023 59 Hình 3.3. Điều khiển tàu đi qua tuyến đường mẫu để xây dựng bộ dữ liệu .................62 Hình 3.4. Cấu trúc mô hình mạng đề xuất với số lớp ẩn và số nơ-ron thay đổi............62 Hình 3.5. Một đoạn code luyện mạng nơ-ron ...............................................................63 Hình 3.6. Cửa sổ quá trình luyện mạng nơ-ron với hai lớp ẩn, mỗi lớp ẩn 30 nơ-ron ..63 Hình 3.7. Ảnh hưởng của việc thay đổi số lớp ẩn và số nơ-ron đến sai số MAPE .......65 Hình 3.8. Cấu trúc mạng MLP được chọn với 01 lớp ẩn và 30 nơ-ron.........................66 Hình 3.9. Quá trình huấn luyện mạng kết thúc sau 157 lần luyện ................................66 Hình 3.10. Đường hồi quy luyện mạng với cả hai đầu ra .............................................66 Hình 3.11. Đường hồi quy luyện mạng với đầu ra nhiên liệu tiêu thụ ..........................67 Hình 3.12. Đường hồi quy luyện mạng với đầu ra thời gian hành trình .......................67 Hình 3.13. Tương quan giữa nhiên liệu tiêu thụ của mô hình tàu và giá trị dự báo .....69 Hình 3.14. Tương quan giữa thời gian hành trình của mô hình tàu và giá trị dự báo ...69 Hình 3.15. So sánh sai số giữa mô hình đề xuất với mô hình trong nghiên cứu [52] ...69 Hình 3.16. Ví dụ tìm đường đi ngắn nhất đến các nút còn lại từ nút S .........................71 Hình 3.17. Mô tả hàm chi phí của thuật toán A* ..........................................................72 Hình 3.18. Minh họa về khoảng cách Euclidean và Manhattan giữa 2 điểm ................73 Hình 3.19. Giả thiết giá trị các ước lượng heuristic tại các nút .....................................74 Hình 3.20. Đồ thị di chuyển được xây dựng giữa waypoint WP0 và waypoint WPg ..77 Hình 4.1. Dự báo chiều cao sóng và hướng sóng 13/8/2023 ........................................85 Hình 4.2. Dự báo hướng và tốc độ dòng chảy 13/8/2023 .............................................85 Hình 4.3. Tọa độ điểm WP0 và WPg trong khu vực thử nghiệm .................................86 Hình 4.4. Đồ thị di chuyển và các điều kiện thử nghiệm trong 3 kịch bản ...................87 xi
Hình 4.5. Kịch bản 1 ......................................................................................................89 Hình 4.6. Hành trình được gợi ý (R1) ...........................................................................89 Hình 4.7. Kịch bản 2......................................................................................................89 Hình 4.8. Hành trình được gợi ý (R3) ...........................................................................89 Hình 4.9. Kịch bản 3 ......................................................................................................90 Hình 4.10. Hành trình được gợi ý (R6) .........................................................................90 Hình 4.11. Cấu trúc điều khiển sử dụng để kiểm chứng các thuật toán ........................91 Hình 4.12. Kiểm tra kết nối giữa bộ điều khiển và đối tượng điều khiển .....................92 Hình 4.13. Nhập quỹ đạo được gợi ý từ thuật toán đề xuất ..........................................92 Hình 4.14. Màn hình cài đặt, tạo tình huống mô phỏng ................................................92 Hình 4.15. Màn hình thể hiện quang cảnh được nhìn từ buồng lái ...............................92 Hình 4.16. Cài đặt các thông số trên màn hình tạo tình huống .....................................92 Hình 4.17. Chạy mô hình HIL cho các kịch bản thử nghiệm........................................93 Hình 4.18. Sai lệch nhiên liệu tiêu thụ giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 1) .......................................................................................................................................94 Hình 4.19. Sai lệch thời gian hành trình giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 1) .......................................................................................................................................94 Hình 4.20. Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tàu khi di chuyển qua Route 1, 2 ...........95 Hình 4.21. Sai lệch nhiên liệu tiêu thụ giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 3) .......................................................................................................................................97 Hình 4.22. Sai lệch thời gian hành trình giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 3) .......................................................................................................................................97 Hình 4.23. Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tàu khi di chuyển qua Route 3, 4, 5 .......98 Hình 4.24. Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tàu khi di chuyển qua Route 6 ...............99 Hình 4.25. Sai lệch nhiên liệu tiêu thụ giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 6) .....................................................................................................................................100 Hình 4.26. Sai lệch thời gian hành trình giữa dự báo và kết quả chạy mô hình (Route 6) .....................................................................................................................................100 Hình 4.27. Nhiên liệu tiêu thụ và thời gian di chuyển của 06 tuyến hành trình ..........102 Hình 4.28. So sánh lượng nhiên liệu tiết kiệm hơn nhưng thời gian tiêu tốn hơn khi tàu hoạt động ở tốc độ thấp hơn 70 rpm khi tr>td ..............................................................103 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong những năm gần đây, sự phát thải khí nhà kính từ tàu thủy đang là chủ đề nhận được rất nhiều sự quan tâm. Khi tàu hành trình nó phát ra các chất khí gây ô nhiễm như SOx, NOx, PM và CO2 [21]. Riêng với khí CO2 phát ra từ các phương tiện vận chuyển đường thủy chiếm tới 3.3% tổng lượng khí CO2 phát thải ra trên trái đất và con số này được dự báo sẽ tăng lên khoảng 150%÷250% vào năm 2025 [56]. Các chất khí thải này đều rất độc hại và có những ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của chúng ta. Chính bởi vậy, tổ chức Hàng hải quốc tế IMO cũng đã và đang đưa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các loại khí thải độc hại này. Vận tải đường biển là phương thức vận chuyển chính và rẻ nhất khi vận chuyển hàng hóa giữa các quốc gia và các lục địa. Tuy nhiên, hiện nay giá nhiên liệu đang ngày một tăng cao mà chi phí nhiên liệu là yếu tố tốn kém nhất trong việc vận hành tàu, chi phí này có thể lên tới tới 70% tổng chi phí khai thác tàu tùy vào tải trọng và chủng loại tàu [24]. Vì vậy, chủ tàu, người quản lý và người thuê tàu không muốn chi tiêu nhiều hơn mức cần thiết cho nhiên liệu. Mặt khác, hiện nay số lượng các hãng vận tải đang không ngừng gia tăng khiến cho sự cạnh tranh ngày một gay gắt giữa các chủ tàu. Hơn nữa, theo phụ lục VI/nghị quyết MEPC.328(76) năm 2021 về việc sửa đổi, bổ sung đối với Phụ lục VI “Quy định về ngăn ngừa ô nhiễm không khí từ tàu” của Công ước Quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (MARPOL) quy định về chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng đối với tàu hiện có (EEXI) và chỉ thị cường độ các bon (CII) của tàu. Có một vài phương án chính là giới hạn công suất máy chính, cải tiến mũi tàu hoặc chân vịt, sử dụng nhiên liệu thay thế hoặc sử dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng như sử dụng buồm. Để tuân thủ nghị quyết này, các hãng vận tải biển hiện đa số sử dụng một biện pháp đó giảm tốc độ khai thác bằng việc giới hạn công suất máy chính. Tuy nhiên, khi cần vận chuyển hàng hóa một cách nhanh chóng, kịp thời trong nhiều trường hợp thì đây sẽ là một nhược điểm lớn của biện pháp này. Với những biện pháp còn lại như cải tiến mũi tàu, chân vịt thì sẽ có những hạn chế nhất định như khó áp dụng vào các tàu đang hoạt động vì chi phí có thể sẽ khá cao và không phải tàu nào cũng có thể áp dụng được. Vì 1
vậy, trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu đang đi tìm các giải pháp khác tới từ sự thay đổi hành vi như cách thức vận hành tàu sao cho tối thiểu hóa nhiên liệu, mang lại hiệu quả khai thác lớn hơn. Từ thực tế này, nghiên cứu sinh đề xuất xây dựng một phương pháp để tìm những tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu cho tàu trước mỗi chuyến đi để nâng cao hiệu suất khai thác, tăng tính an toàn, giảm khí thải ô nhiễm ra môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cho các hãng vận tải tàu biển. Cụ thể nghiên cứu sinh đề xuất đề tài: “Nghiên cứu phát triển thuật toán định tuyến hành trình tàu thuỷ nhằm tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ” là một hướng đi có tính thực tiễn hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là xây dựng thuật toán định tuyến hành trình nhằm tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và giảm khí thải ô nhiễm ra môi trường. Để đạt được mục đích này, luận án đặt ra các nhiệm vụ chính như sau: Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học trong môi trường 3D từ các phương trình toán 6 bậc tự do và thông số của tàu thực. Xây dựng mô hình tính toán nhiên liệu tiêu thụ cho tàu theo thời gian thực. Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL. Mô hình này sẽ thực hiện hai nhiệm vụ là tạo ra bộ dữ liệu hoạt động thay thế cho bộ dữ liệu hoạt động trong quá khứ của tàu và thử nghiệm các thuật toán đề xuất. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo lượng nhiên liệu tiêu thụ và thời gian hành trình của tàu sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng MLP. Nghiên cứu xây dựng thuật toán định tuyến hành trình tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ cho tàu trước mỗi chuyến đi dựa trên thuật toán A* và mô hình dự báo sử dụng mạng nơ-ron. Bên cạnh đó, một thuật toán để gợi ý tốc độ phù hợp giúp tàu có thể tới điểm đến đúng giờ trên tuyến đường tối thiểu nhiên liệu đã tìm được trong những trường hợp thời gian vận chuyển hàng hóa yêu cầu khác nhau cũng được đề xuất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là những tàu chở hàng rời, trọng tải lớn. Phần thực nghiệm sử dụng các thông số kỹ thuật của tàu The Prosperity, đây là một tàu chở hàng rời có trọng tải 82000 tấn. 2
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các công trình trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu vấn đề này, ưu, nhược điểm của các công trình đó. Nghiên cứu hệ phương trình 6 bậc tự do, mô hình toán hệ lực đẩy, mô hình toán các nhiễu môi trường có thể áp dụng cho các tàu chở hàng. Nghiên cứu các mô hình tính toán nhiên liệu theo thời gian thực. Nghiên cứu về mạng nơ-ron nói chung và mạng nơ-ron truyền thẳng MLP nói riêng. Nghiên cứu về thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu dựa trên thuật toán A* và mô hình dự báo sử dụng mạng nơ-ron. 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được những mục tiêu đưa ra, luận án sử dụng các phương pháp phân tích, tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng, cụ thể như sau: Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình mới nhất đã được công bố trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án. Mô hình hóa tàu thực dưới dạng một mô hình động lực học trong môi trường 3D. Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và mô phỏng để xây dựng và kiểm chứng các thuật toán đề xuất. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài có ý nghĩa khoa học: Về mặt phương pháp luận, luận án đưa ra một phương pháp để định tuyến hành trình cho tàu với mục tiêu giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ. Cụ thể, thay vì sử dụng các bộ dữ liệu trong quá trình khai thác tàu trong quá khứ, phương pháp này đề xuất một phương pháp để tạo ra một bộ dữ liệu bằng một mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL. Bên cạnh đó, luận án cũng đề xuất những thuật toán để định tuyến hành trình tối thiểu hóa nhiên liệu có ràng buộc thời gian cho tàu dựa trên mạng nơ-ron, thuật toán tìm kiếm A* và bộ dữ liệu đã được tạo ra trước đó. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn: Về mặt thực tiễn, luận án có ý nghĩa thiết thực trong giai đoạn hiện nay khi Việt Nam đang nỗ lực trở thành một quốc gia mạnh về kinh tế biển. Ngoài ra, nếu đề tài được nghiên cứu thành công thì sẽ góp phần giảm ô nhiễm môi trường, đem lại những hiệu 3
quả lớn về kinh tế, nâng cao tính cạnh tranh về giá thuê tàu cho các chủ tàu sở hữu hệ thống này trong điều kiện sự cạnh tranh về cước vận tải đang ngày một lớn. 6. Những điểm đóng góp mới Luận án có 03 điểm đóng góp mới tiêu biểu, đó là: Đầu tiên là xây dựng được một mô hình tính toán nhiên liệu tiêu thụ có thể áp dụng cho các tàu chở hàng sử dụng phương pháp nội suy và các công thức bán kinh nghiệm làm việc tin cậy với sai số thấp. Thứ hai, luận án đã xây dựng được một mô hình dự báo được cả nhiên liệu tiêu thụ và thời gian hành trình sử dụng mạng nơ-ron được huấn luyện bằng bộ dữ liệu được tạo ra từ một mô hình mô phỏng xây dựng theo phương pháp HIL. Cuối cùng, luận án đề xuất thuật toán định tuyến hành trình tối thiểu hóa nhiên liệu tiêu thụ có ràng buộc thời gian dựa thuật toán tìm kiếm A* và mạng nơ-ron ứng dụng trên một đồ thị di chuyển cong nhằm nâng cao tính chính xác và tin cậy. 7. Kết cấu của luận án Luận án được trình bày trong bốn chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Nghiên cứu tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, từ đó làm cơ sở đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng theo phương pháp HIL Tổng hợp và đề xuất xây dựng một mô hình động lực học tàu trong môi trường 3D bằng phần mềm Unity để thay thế cho tàu thực. Mô hình 3D được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình 6 bậc tự do của tàu, các mô hình toán của các nhiễu môi trường, hệ lực đẩy và hồ sơ kỹ thuật của tàu. Bên cạnh đó, một mô hình tính toán nhiên liệu theo thời gian thực cũng được xây dựng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Dựa trên những mô hình đó, một mô hình mô phỏng HIL được nghiên cứu, thiết kế để xây dựng một bộ dữ liệu phục vụ cho việc nghiên cứu các mô hình dự báo và thuật toán điều khiển. Bên cạnh đó, mô hình này còn được sử dụng để thử nghiệm các thuật toán đã đề xuất. Chương 3: Nghiên cứu xây dựng thuật toán tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu ứng dụng mạng nơ-ron và thuật toán tìm kiếm A* Nghiên cứu, xây dựng một mô hình dự báo nhiên liệu tiêu thụ và thời gian di chuyển cho tàu sử dụng mô hình mạng nơ-ron truyền thẳng MLP được huấn luyện bằng thuật 4
toán lan truyền ngược. Bên cạnh đó, một thuật toán để tìm tuyến đường tối thiểu hóa nhiên liệu được đề xuất dựa trên thuật toán tìm kiếm A* và mô hình dự báo đã xây dựng. Hơn nữa, để tàu có thể tới điểm đến đúng giờ, một thuật toán thứ hai cũng được xây dựng để tìm tốc độ phù hợp giúp cho tàu có thể tới điểm đến đúng giờ theo đúng tuyến đường tối ưu đã tìm được ở thuật toán đầu tiên. Chương 4: Thử nghiệm thuật toán đề xuất và đánh giá kết quả Xây dựng các kịch bản để thử nghiệm và kiểm chứng, đánh giá các thuật toán đề xuất ở các kịch bản khác nhau sử dụng mô hình mô phỏng HIL. 5
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Tổng hợp từ các tài liệu liên quan đến những giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho tàu thủy thì các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho tàu trên thế giới và Việt Nam thường được chia làm 02 nhóm giải pháp chính gồm nhóm giải pháp giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu từ quá trình thiết kế tàu và nhóm giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu trong quá trình vận hành, khai thác tàu [6, 16]. 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án Khi nghiên cứu các giải pháp giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho tàu từ quá trình thiết kế, có những giải pháp tiêu biểu hay được sử dụng là:  Tối ưu hình dáng thân tàu;  Tối ưu hóa hoạt động của máy chính;  Sử dụng hệ lực đẩy hỗn hợp;  Sử dụng các nguồn năng lượng thay thế. Ưu điểm lớn nhất của việc sửa đổi thiết kế tàu là khi được thực hiện thì sẽ không yêu cầu giám sát và điều chỉnh liên tục các thông số mà chỉ yêu cầu bảo trì tàu thường xuyên, điều này sẽ mang lại cho tàu hiệu quả tối ưu từ lúc thiết kế cho đến suốt quá trình sử dụng về sau. Các giải pháp chính trong nhóm này gồm: các giải pháp liên quan đến vấn đề nhiên liệu, sử dụng động cơ thay thế, sửa đổi thân tàu và thu hồi nhiệt khí thải. Để đánh giá hiệu quả của các giải pháp này thì có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là sử dụng chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng (EEDI) áp dụng cho tàu mới. Nghiên cứu [69] đã có những cố gắng trong việc tối ưu hình dáng thân tàu với các mục tiêu là tăng hiệu suất thủy động lực học, nâng cao khả năng sống sót và hiệu quả vận chuyển. Kết quả trong nghiên cứu [50] cho thấy khi tối ưu hình dáng thân tàu có thể giảm chỉ số EEDI từ 10÷15% mà không làm giảm sức chứa của hàng hóa. Trong tài liệu [59], với nghiên cứu trên một tàu chở dầu Panamax, các tác giả đã chỉ ra rằng khi tăng 1% của các tham số thiết kế tàu như chiều dài, chiều rộng hay mớn nước với cùng trọng tải tàu thì sẽ làm giảm được hệ số khối của tàu từ đó giảm được lượng nhiên liệu tiêu thụ. Trong khi đó, nếu tăng tốc độ thiết kế tàu lên 1% có thể dẫn đến tăng nhu cầu năng lượng lên đến 2.9% [16]. 6