Bài viết giới thiệu việc cải tiến hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 thật thành thiết bị mô phỏng phục vụ huấn luyện bằng cách dùng máy tính mô phỏng chuyển động của con tàu và giả lập các thông tin cung cấp cho hải đồ.
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY CẢI TIẾN HẢI ĐỒ ĐIỆN TỬ NAVI-SAILOR 4000 THÀNH THIẾT BỊ MÔ PHỎNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC HUẤN LUYỆN DEVELOPMENT THE NAVI-SAILOR 4000 ECDIS INTO A TRAINING SIMULATOR EQUIPMENT NGUYỄN CÔNG VỊNH Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: vinhnc@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài viết giới thiệu việc cải tiến hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 thật thành thiết bị mô phục vụ huấn luyện cách dùng máy tính mơ chuyển động tàu giả lập thông tin cung cấp cho hải đồ Trong viết đề cập đến kỹ thuật mô đơn giản chuyển động tàu (vị trí, hướng mũi tàu), mơ máy lái tàu thủy (lái tay, lái tự động) kỹ thuật chuyển đổi truyền liệu máy tính thiết bị hải đồ theo chuẩn quy định Từ khóa: Mô phỏng, GPS, ECDIS, NAVI-SAILOR 4000 Abstract The article introduces the improvement of the real NAVI-SAILOR 4000 electronic chart into a training simulator by using a computer to simulate the ship's movements and simulate the information provided to the electronic chart It is also mention simple simulation techniques of ship's motion (position, heading), autopilot device simulation (manual steering, autopilot) as well as data conversion and transmission data between computer and electronic chart Keywords: Simulator, NAVI-SAILOR 4000 GPS, ECDIS, Đặt vấn đề Hiện Khoa Hàng hải trang bị Hải đồ điện tử, nhãn hiệu NAVI-SAILOR 4000 ECDIS phòng thực hành khoa Đây hải đồ điện tử đại, hoạt động tốt tàu biển nên phù hợp với việc đào tạo, huấn luyện cho sinh viên Do nguyên lý hoạt động hải đồ điện tử cần tín hiệu đầu vào từ máy thu GPS để hiển thị vị trí tàu hải đồ Ngồi ra, hải đồ điện tử cịn hiển thị thông số tốc độ tàu, hướng mũi tàu, thơng tin gió, dịng, hình nên cần kết nối với nhiều thiết bị buồng lái khác tốc độ kế, máy đo gió, la bàn, Để khai thác đầy đủ tính hải đồ điện tử 22 NAVI-SAILOR 4000 ECDIS tàu biển thật phục vụ công tác huấn luyện cần phải cải tiến phù hợp Đó hệ thống tạo tín hiệu giả thiết bị hỗ trợ hàng hải máy thu GPS, la bàn, tốc độ kế, máy đo gió với thơng số thông số đo tàu chạy biển để cung cấp cho hải đồ NAVI-SAILOR 4000 ECDIS Bài viết đề cập đến việc sử dụng máy tính để tạo tín hiệu nêu kết nối với hải đồ NAVI-SAILOR 4000 ECDIS để tạo thành hải đồ điện tử mô Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống Hình Khối “Mơ chuyển động tàu” sử dụng thuật tốn mơ chuyển động tàu với dịch chuyển vị trí, hướng mũi tàu tác dụng lực đẩy chân vịt, bánh lái gió, dịng chảy Khối “Mơ chuyển động tàu” sử dụng thuật toán với đầu vào lực đẩy máy chính, góc bẻ bánh lái, tốc độ, hướng gió dịng tính tốn cho kết gửi đầu vị trí tàu, tốc độ tàu hướng mũi tàu Định dạng tín hiệu máy đo gió Mơ gió, dịng chảy Mơ chuyển động tàu Máy lái Định dạng tín hiệu GPS Định dạng liệu la bàn NAVI-SAILOR 4000 Định dạng liệu tốc độ kế Hình Sơ đồ khối hệ thống Để hải đồ NAVI-SAILOR 4000 tiếp nhận liệu từ khối “Mơ chuyển động tàu” cần có chuyển đổi tín hiệu cho định dạng yêu cầu Các khối “Định dạng liệu ” Hình có nhiệm vụ định dạng liệu kết tính khối “Mơ chuyển động tàu” cho với định dạng mà hải đồ tiếp nhận Với hải đồ NAVI-SAILOR 4000 tín hiệu gửi cổng COM theo chuẩn NMEA0183 SỐ 69 (01-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Khối “Máy lái” mô chức máy lái tàu thủy bao gồm lái lặp lái tự động Đầu vào khối hướng mũi tàu đầu góc bẻ bánh lái Khi hoạt động chế độ lái tự động, người dùng cần nhập thêm hướng yêu cầu Mô chuyển động tàu Việc mô chuyển động tàu để cung cấp liệu cho hải đồ điện tử không yêu cầu độ xác cao, đầy đủ thuộc tính mơ lái tàu Thơng tin mà khối mô cần tạo tọa độ, hướng mũi tàu vận tốc tàu Do thuật tốn sử dụng cần mơ tả chuyển động bậc tự tàu bao gồm chuyển động đường kinh tuyến, chuyển động đường vĩ tuyến chuyển động quay theo trục thẳng đứng tàu (hướng tàu) Hình Hệ tọa độ sử dụng Để giải tốn mơ cần sử dụng hai hệ tọa độ: Hệ tọa độ XOY gắn với tàu hệ tọa độ XoOYo gắn với trái đất Trong hệ tọa độ XOY, phương trình chuyển động tàu sau [3]: 𝑚(𝑢̇ − 𝑟𝑣) = 𝑋𝑇𝑂𝑇 𝑚(𝑢̇ − 𝑟𝑢) = 𝑌𝑇𝑂𝑇 𝐼𝑧 𝑟̇ = 𝑁𝑇𝑂𝑇 (1) (2) (3) Trong đó: u tốc độ tiến tới theo trục dọc tàu (X); v tốc độ dạt ngang theo trục ngang tàu (Y); r tốc độ quay trở tàu m khối lượng tàu Iz mô men quán tính trục Z tàu; Các đại lượng XTOT, YTOT NTOT tổng hợp lực tác dụng trục X, Y mô men trục Z tàu Các lực sinh máy tàu 𝐸𝑛𝑔 , bánh lái tàu , lực cản nước 𝑅 , lực tác động sóng 𝑠 , gió 𝑤 , Các lực mơ tả sau: = {𝑋, 𝑌, 𝑁} (4) 𝑇𝑂𝑇 = 𝐸𝑛𝑔 + 𝑅 + + 𝑠 + 𝑤 (5) Trong hệ thống mô này, phần mềm sử dụng số liệu từ mơ hình tàu chở hàng điển hình lực cản (𝑅 ), cơng suất/lực đẩy máy SỐ 69 (01-2022) (𝐸𝑛𝑔 ), mơ men tạo bẻ lái bánh lái ( ) Các yếu tố tác động sóng, gió tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm đưa vào vế phải công thức (1), (2) (3) để tính tốn yếu tố cần mơ tốc độ tàu (u), tốc độ quay trở (𝑟) theo công thức từ (1) đến (5) nêu Yếu tố dịng chảy đưa vào tính tốn chuyển động tàu so với đáy biển thông qua tính tọa độ (kinh, vĩ độ) tàu Hình Đồ thị biểu diễn số đặc tính động lực học tàu mơ Bảng mô tả thông số tàu mô nêu Bảng Thông số tàu mô Lượng dãn nước 3738 MT Mớn nước 5,414m Chiều dài 102.00m Tốc độ hàng hải 15,25 knots Công suất máy 4000 BHP x 200 RPM 3400 BHP x 189,5 RPM Việc đánh giá kết mô chuyển động tàu dựa kết thực thử tính điều động tàu IMO quy định Đó thử điều động quay phải, quay trái thử zigzag Kết thử với liệu tàu mơ Hình Qua so sánh, thấy kết điều động thử tàu, quỹ đạo chuyển động tàu mơ 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY có đặc tính hồn toàn tương đồng với quỹ đạo chuyển động tàu hàng điển hình thực thử Máy lái Máy lái hệ thống mơ có hai chế độ lái: Lái tay lái tự động Máy lái tự động sử dụng điều khiển PID với thuật toán điều khiển sau: 𝑀𝑉(𝑡) = 𝑃𝑜𝑢𝑡 + 𝐼𝑜𝑢𝑡 + 𝐷𝑜𝑢𝑡 (6) Trong đó: Pout, Iout, Dout, thành phần đầu từ ba khâu điều khiển PID, xác định 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) (7) 𝑡 (8) 𝑑 𝑒 𝑑𝑡 (𝑡) (9) 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖 ∫0 𝑒() 𝑑 𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑑 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI thống mơ với nhiều tình khác Trên Hình tình tàu ổn định hướng 90o với tốc độ tới hết máy đặt sang hướng 120o giây thứ 120 Các đồ thị cho thấy điều khiển bẻ tới 150 để nhanh chóng đưa hướng mũi tàu tới hướng sau điều chỉnh giảm dần để hướng mũi tàu ổn định hướng sau khoảng thời gian 180 giây giữ ổn định mũi tàu hướng với sai số ±30 Với kết hoạt động máy lái tự động hoàn toàn đáp ứng nhiệm vụ mơ chuyển động tàu để học viên thực thao tác hải đồ điện tử Với: Kd, Ki, Kp hệ số khâu điều khiển; e sai số Việc điều chỉnh hệ số Kd, Ki, Kp có tác động trực tiếp tới chất lượng máy lái tự động Hình Kết thực nghiệm máy lái tự động Kết nối máy tính mơ hải đồ điện tử o o a) Quay trái, góc bẻ lái 20 , b) Quay phải, góc bẻ lái 20 , máy tới hết máy tới hết o c) Thử Zigzag 20 , máy tới hết Hình Đặc tính điều động tàu mô Trong hệ thống mô này, máy lái tự động có nhiệm vụ tự động giữ hướng tàu theo hướng đặt trước để học viên thực thao tác hình hải đồ giống tàu hành trình biển Máy lái tự động thử nghiệm hệ 24 Hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 ECDIS có cổng COM vật lý cho phép kết nối với thiết bị khác buồng lái bao gồm máy thu GPS, la bàn từ/la bàn điện, tốc độ kế, máy đo gió, AIS, Chuẩn giao tiếp hải đồ điện tử sử dụng loại IEC 61162-1 hoặc/ NMEA0183 Hệ thống mô lấy liệu sinh từ khối mô chuyển động tàu định dạng lại cho cú pháp chuẩn NMEA0183 IEC 61162-1 sau gửi qua cổng COM máy tính sang hải đồ Định dạng liệu loại thiết bị sử dụng hệ thống sau [1]: GPS: $ GLL, llll.ll, a, yyyyy.yy, a, hhmmss.ss, A, a*hh La bàn: $ HDG, x.x, x.x, a, x.x, a*hh Máy đo gió: $ MWD, x.x, T, x.x, M, x.x, N, x.x, M*hh Tốc độ kế: $ VBW, x.x, x.x, A, x.x, x.x, A, x.x,A, x.x, A*hh SỐ 69 (01-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Các máy tính phổ thơng khơng có cổng COM loại chân nên để kết nối với hải đồ cần có chuyển đổi chuẩn kết nối từ cổng USB sang cổng RS422 [2] (là chuẩn sử dụng hải đồ NAVI-SAILOR 4000 ECDIS) Hình Đối với hải đồ điện tử, học viên thực chức hải đồ tàu chạy biển Do thiết bị thật nên học viên có trải nghiệm làm việc với thiết bị tàu thật Học viên thực tập dẫn tàu luồng với hải đồ thông qua việc điều khiển tàu giao diện máy tính Hình thể việc hiển thị tàu hình hải đồ Kết luận Hình Thiết bị chuyển đổi cổng Làm việc với hệ thống mô Khi làm việc với thiết bị mô phòng, học viên thao tác với hai thiết bị: Máy tính mơ chuyển động tàu hải đồ điện tử Hệ thống đáp ứng yêu cầu đề ra, giúp người dùng sử dụng hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 ECDIS lắp đặt tàu biển Trong q trình sử dụng, người dùng thực đầy đủ hoạt động máy tính mơ với tàu thật thay đổi tốc độ tàu thay đổi hướng đi, sử dụng lái tay hay tự động lái Hệ thống mơ sử dụng phục vụ huấn luyện cho sinh viên Khoa Hàng hải sĩ quan tàu biển muốn tìm hiểu, khai thác hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 ECDIS Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT2021.01 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] NAVI-SAILOR 4000/4100 ECDIS (VERSION 2.00.009) INSTALLATION GUIDE, © Transas Ltd March, 2009 Hình Giao diện làm việc hệ thống Với máy tính mô phỏng, trước bắt đầu chạy mô phỏng, học viên cần nhập tọa độ, hướng ban đầu tàu tốc độ hướng gió, tốc độ hướng dịng Trong q trình thực tập, học viên điều khiển tốc độ tàu, sử dụng chế độ lái tự động hay lái tay Mọi điều khiển thực giao diện hình máy tính Hình [2] NAVI-SAILOR 4000/4100 ECDIS (VERSION 2.00.009) USER MANUAL © Transas Ltd March, 2009 [3] Witold Gierusz, Nguyen Cong Vinh, Andrzej Rak, Maneuvering control and trajectory tracking of very large crude carrier, Ocean Engineering (34) pp.932-945, 2007 [4]http://www.electrotech.net.au/wp-content/uploads /2014/01/NTPRO5000_Leaflet-prev.pdf Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 12/12/2021 21/12/2021 24/12/2021 Hình Màn hình làm việc hải đồ SỐ 69 (01-2022) 25 ... chuẩn sử dụng hải đồ NAVI-SAILOR 4000 ECDIS) Hình Đối với hải đồ điện tử, học viên thực chức hải đồ tàu chạy biển Do thiết bị thật nên học viên có trải nghiệm làm việc với thiết bị tàu thật Học... phịng, học viên thao tác với hai thiết bị: Máy tính mơ chuyển động tàu hải đồ điện tử Hệ thống đáp ứng yêu cầu đề ra, giúp người dùng sử dụng hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 ECDIS lắp đặt tàu... thống mô sử dụng phục vụ huấn luyện cho sinh viên Khoa Hàng hải sĩ quan tàu biển muốn tìm hiểu, khai thác hải đồ điện tử NAVI-SAILOR 4000 ECDIS Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải