Nghiên cứu thuật toán và lập trình tính sức cản tàu cá Việt Nam theo các công thức gần đúng

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH<br /> TÍNH SỨC CẢN TÀU CÁ VIỆT NAM THEO CÁC CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG<br /> TS. Trần Gia Thái<br /> Khoa Kỹ thuật Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Bài báo trình bày vấn đề thuật toán và chương trình tính gần đúng sức cản tàu đánh cá Việt Nam<br /> theo các công thức gần đúng, đặc biệt là theo công thức của Võ Văn Trác và Kaomuko.<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Như đã biết, sức cản tàu được xác định<br /> <br /> sức cản theo các công thức này thực tế không<br /> đơn giản vì phải tra cứu hàng loạt đồ thị thực<br /> <br /> chính xác bằng cách thử kéo mô hình tàu<br /> trong bể thử, tuy nhiên do việc tổ chức thử<br /> <br /> nghiệm phức tạp nên mất nhiều thời gian,<br /> công sức và ít chính xác do phải tính nội suy,<br /> <br /> nghiệm kéo các mô hình tàu trong bể thử<br /> không đơn giản và rất tốn kém mặt khác trong<br /> <br /> dẫn đến khó đáp ứng bài toán chọn tàu tối ưu<br /> theo hàm mục tiêu sức cản ở giai đoạn thiết kế<br /> <br /> quá trình thiết kế tàu, nhất là giai đoạn thiết kế<br /> <br /> sơ bộ. Do đó cần đặt vấn đề nghiên cứu thuật<br /> <br /> sơ bộ khi chưa có đường hình tàu và cần lựa<br /> chọn mẫu hợp lý theo hàm mục tiêu đã cho<br /> <br /> toán và lập trình tính tự động sức cản theo các<br /> công thức này, trong đó trở ngại lớn nhất khi<br /> <br /> nên thường sử dụng các công thức tính gần<br /> đúng. Về mặt phương pháp, các công thức<br /> <br /> lập trình bài toán này là việc xác định chính<br /> xác giá trị của các đồ thị. Thực tế cho thấy đồ<br /> <br /> gần đúng được xây dựng trên cơ sở xử lý hệ<br /> thống các số liệu thực nghiệm nhận được khi<br /> <br /> thị thực nghiệm trong các công thức tính sức<br /> cản hiện nay đều là ảnh in đã lâu, thường cũ<br /> <br /> thử kéo hàng loạt mô hình tàu trong bể thử<br /> <br /> và mờ nên rất khó xác định được chính xác<br /> <br /> hoặc thử kéo tàu thật và do phụ thuộc vào<br /> nhiều yếu tố nên thường được trình bày dưới<br /> <br /> giá trị của các đường cong nằm trên đồ thị.<br /> Do đó để đảm bảo độ chính xác, cần đặt vấn<br /> <br /> dạng các đồ thị thực nghiệm phức tạp hoặc<br /> hàm đa thức với biến số là các đại lượng đặc<br /> <br /> đề nghiên cứu thuật toán số hóa đồ thị thực<br /> nghiệm để xác định chính xác giá trị các<br /> <br /> trưng hình học tàu dưới dạng không thứ<br /> nguyên. Với cách làm như thế nên có nhiều<br /> <br /> đường cong trên đồ thị để lập trình bài toán<br /> tính sức cản trên máy.<br /> II. PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> công thức tính gần đúng sức cản áp dụng cho<br /> cùng một loại tàu với độ chính xác phụ thuộc<br /> sự sai khác giữa đường hình tàu đang tính và<br /> <br /> 2.1.Thuật toán số hóa đồ thị thực nghiệm<br /> <br /> đường hình làm mô hình. Riêng với tàu cá Việt<br /> Nam, đa số các cơ quan thiết kế thường sử<br /> <br /> cong thực nghiệm bằng một trong ba phương<br /> pháp sau:<br /> <br /> dụng các công thức gần đúng dùng cho tàu cá<br /> <br /> - Hàm hóa các đường cong bằng các<br /> <br /> hoặc tàu kéo đang có hiện nay như công thức<br /> Oortsmesen (Tiệp Khắc), Kaomuko (Nhật) Võ<br /> <br /> hàm thông dụng.<br /> - Chuyển đồ thị thành ma trận điểm tạo<br /> <br /> Văn Trác (Việt Nam), công thức Viện thiết kế<br /> tàu Leningrad (Liên Xô cũ), Doust và O'Brient<br /> <br /> bản đồ dữ liệu số<br /> - Sử dụng thuật toán nội suy Spline để<br /> <br /> (Anh), trong đó các công thức tính của<br /> Kaomuko và của Võ Văn Trác cho kết quả<br /> <br /> biểu diễn các các đường cong trên đồ thị<br /> Thuật toán sử dụng ma trận điểm pixel<br /> <br /> tương đối phù hợp nhất. Tuy nhiên, việc tính<br /> <br /> của màn hình để biểu diễn các đường cong<br /> <br /> Về lý thuyết, có thể số hoá các đường<br /> <br /> 45<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> trên đồ thị đã được trình bày trong tài liệu [1],<br /> <br /> cản tàu của Võ Văn Trác được thực hiện theo<br /> <br /> trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu<br /> thêm với bạn đọc về việc sử dụng thuật toán<br /> <br /> trình tự sau :<br /> • Dùng máy Scan để quét các đồ thị cần<br /> <br /> nội suy spline để số hóa các đường cong phức<br /> <br /> số hóa dưới dạng ảnh Bitmap trung thực nhất<br /> <br /> tạp bằng cách xác định các điểm đặc biệt trên<br /> đường cong, sau đó dùng thuật toán nội suy<br /> <br /> có thể vì độ chính xác của quá trình số hoá sẽ<br /> phụ thuộc vào độ trung thực của ảnh đồ thị.<br /> • Sử dụng phần mềm Raster to Vector,<br /> <br /> spline để tìm những vị trí điểm còn lại.<br /> Ví dụ, về quá trình số hoá đồ thị thực<br /> nghiệm có trong công thức tính gần đúng sức<br /> <br /> Hình 1 : Đồ thị scan dạng ảnh Bitmap<br /> <br /> phần mềm chuyển File ảnh Bitmap (hình 1)<br /> sang dạng vector (hình 2) để sử dụng trên<br /> Auto CAD.<br /> <br /> Hình 2 : Đồ thị chuyển dạng Vector<br /> <br /> • Mở File ảnh Vector nói trên trong phần<br /> <br /> điểm cận trên (x1, y1) và điểm cận dưới (x2,<br /> <br /> mềm AutoCAD và tiến hành loại bỏ các đường<br /> thừa, sau đó dùng đường Spline vẽ theo các<br /> <br /> y2) của điểm y, có thể xác định được giá trị x<br /> tương ứng với y theo công thức nội suy như<br /> <br /> đường cong với sự chính xác cao nhất có thể.<br /> <br /> sau:<br /> <br /> • Xác định vị trí các điểm đặc biệt để tạo<br /> bảng cơ sở dữ liệu cho chương trình số hoá<br /> <br /> trên Microsoft Access.<br /> • Từ bảng số liệu thực hiện ở trên, tiến<br /> hành xác định các điểm còn lại bằng thuật<br /> toán nội suy, ví dụ sau khi tìm được tọa độ của<br /> <br /> x<br /> <br /> =<br /> <br /> (x 2 − x1 ) (y − y )<br /> 1<br /> (y 2 − y1 )<br /> <br /> +<br /> <br /> x1<br /> <br /> Ví dụ trên hình 3 là kết quả xác định giá trị<br /> các điểm trên đồ thị tính sức cản của Võ Văn<br /> Trác sau khi nhập giá trị các thông số của đồ<br /> thị B/T, Fr, L/B, φ để tìm các giá trị lân cận<br /> bằng cách nội suy.<br /> <br /> Hình 3 : Xác định giá trị các điểm nằm trên đường cong của đồ thị Võ Văn Trác<br /> 46<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 2.2. Sơ đồ thuật toán các công thức tính gần<br /> <br /> công thức đều đã được giới thiệu khá kỹ trong<br /> <br /> đúng sức cản Võ Văn Trác và Kaomuko<br /> <br /> các tài liệu chuyên ngành nên phần này sẽ chỉ<br /> giới thiệu sơ đồ thuật toán tính theo công thức<br /> <br /> Như đã biết, việc lập trình tính gần đúng<br /> sức cản tàu cá Việt Nam theo các công thức<br /> <br /> Võ Văn Trác (hình 4) Kamuko (hình 5), hai<br /> <br /> giới thiệu, thì ngoài hai công thức Võ Văn Trác<br /> và Kaomuko, không khó do chúng có dạng<br /> <br /> công thức tính sức cản cho kết quả phù hợp<br /> nhất đối với các mẫu tàu đánh cá dân gian<br /> <br /> công thức giải tích. Do trình tự tính theo các<br /> <br /> Việt Nam.<br /> <br /> Bắt đầu<br /> <br /> Dữ liệu nhập vào<br /> (L, B, T, D, V, δ, φ)<br /> <br /> Kiểm tra dữ liệu đầu vào<br /> L > 0, B > 0, T > 0, D > 0, V > 0, δ > 0, φ > 0<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> Tính B/T, L/B, Fr=V/ gL<br /> <br /> Kiểm tra φ<br /> 0.55≤φ≤0.75<br /> <br /> Kiểm tra B/T<br /> 2.2≤B/T≤3.0<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> Nhập lại B,T<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> <br /> Nhập lại φ<br /> <br /> Kiểm tra Fr<br /> 0.22≤Fr≤0.38<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> <br /> Nhập lại V, L<br /> <br /> Kiểm tra L/B<br /> 3.0≤L/B≤4.6<br /> <br /> Sai<br /> Đúng<br /> Nhập lại L,B<br /> <br /> Diện tích mặt ướt<br /> Tra đồ thị tìm tỷ số Rd/D<br /> <br /> B<br /> <br /> S = L.T1,16 + 1,25.δ. <br /> T<br /> <br /> 2<br /> <br /> Sức cản dư Rd=D.Rd/D<br /> <br /> Sức cản ma sát R f = ξ. ρ.V .S<br /> 2<br /> <br /> Sức cản toàn phần<br /> R = Rd +Rf<br /> <br /> Kết thúc<br /> <br /> Đồ thị sức cản<br /> R=f(V)<br /> <br /> Công suất có ích<br /> EHP = RV/75<br /> <br /> Hình 4 : Sơ đồ thuật toán tính sức cản tàu theo công thức Võ Văn Trác<br /> 47<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Bắt đầu<br /> <br /> Dữ liệu nhập vào<br /> (L, B, T, D, V, δ, φ, β )<br /> <br /> Kiểm tra dữ liệu đầu vào<br /> L > 0, B > 0, T > 0, D > 0, V > 0, δ > 0, φ > 0, β >0<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> 3<br /> <br /> Tính B/T, Dn=D/(0.1.L) , Fr<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Kiểm tra Fr<br /> 0.22≤Fr≤0.38<br /> <br /> Kiểm tra φ<br /> 0.55≤φ≤0.75<br /> <br /> Kiểm tra B/T<br /> 2.2≤B/T≤3.0<br /> <br /> Đúng<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Nhập lại φ<br /> <br /> Nhập lại B,T<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> <br /> Kiểm tra L/D<br /> 6≤L/D≤15<br /> <br /> Sai<br /> <br /> Đúng<br /> <br /> Nhập lại V,L<br /> <br /> Đúng<br /> Nhập lại L,D<br /> <br /> Tra đồ thị các hàm ξx100, Kβ, f(L,Fr), f(L,D/(0.1.L)<br /> <br /> Diện tích mặt tiếp nước<br /> 0.5<br /> S=Ks.Kβ.Ka.(∇L)<br /> <br /> Hiệu suất thặng dư<br /> 3<br /> 3<br /> EHPd= f(L,D/(0,1L) . ξ.100.Fr<br /> <br /> Hiệu suất ma sát<br /> EHPf= f(L,Fr).S<br /> <br /> Hiệu suất toàn phần<br /> EHP=EHPd+EHPf<br /> <br /> Kết thúc<br /> <br /> Đồ thị sức cản<br /> R=f(V)<br /> <br /> Sức cản toàn phần<br /> R=75EHP/V<br /> <br /> Hình 5 : Sơ đồ thuật toán tính theo công thức Kamuko<br /> <br /> 48<br /> <br /> 3<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 2.3. Chương trình tính sức cản tàu cá Việt<br /> <br /> liệu (hình 6a), form xuất kết quả và đồ thị sức<br /> <br /> Nam theo các công thức gần đúng khác nhau<br /> <br /> cản theo công thức Võ Văn Trác (hình 6b) và<br /> form xuất kết quả và đồ thị sức cản của các<br /> <br /> Dựa trên sơ đồ thuật toán nói trên, phần<br /> dưới đây giới thiệu tóm tắt chương trình tính<br /> <br /> công thức khác nhau (hình 6c).<br /> <br /> sức cản theo các công thức gồm form nhập<br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (c)<br /> <br /> Hình 6 : Chương trình tính sức cản tàu theo các công thức gần đúng<br /> 49<br /> <br />