Nghiên cứu đề xuất hướng tiếp cận tự động hoá điều khiển tàu biển tránh va

Trong bài báo viết, một hướng tiếp cận được đề xuất để xây dựng hệ thống điều khiển tàu tự động tránh va chạm trong tương lai. Cụ thể, nghiên cứu này đưa ra một khung cơ sở gồm ba phần: Yêu cầu hệ thống, cấu trúc hệ thống, và thuật toán điều khiển hệ thống. Khung cơ sở này có thể xem như một sự định hướng tiền đề cho việc phát triển và xây dựng những bộ phận cấu thành của hệ thống tránh va trong tương lai.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CƠNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIểN C U XU T H NG TI P C N T NG HOỄ I U KHI N TÀU BI N TRỄNH VA A STUDY ON AN APPROACH FOR ESTABLISHING AUTOMATIC SHIP COLLISION AVOIDANCE NGUY N V N S NG*, MAI XUỂN H NG Khoa Hàng h i, Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam *Email liên h : nguyenvansuong@vimaru.edu.vn Tóm t t ng d ng t đ ng hoá u n tàu bi n m t nh ng xu h ng nh m nâng cao hi u qu khai thác tàu tinh gi n s l ng thuy n viên i u n tránh va nghi p v đ c th c hi n b i s quan hàng h i, bao g m: nh n d ng m c tiêu, đánh giá nguy c va ch m, đ a hành đ ng x lý Trong báo này, m t h ng ti p c n đ c đ xu t đ xây d ng h th ng u n tàu t đ ng tránh va ch m t ng lai C th , nghiên c u đ a m t khung c s g m ba ph n: Yêu c u h th ng, c u trúc h th ng, thu t toán u n h th ng Khung c s có th xem nh m t s đ nh h ng ti n đ cho vi c phát tri n xây d ng nh ng b ph n c u thành c a h th ng tránh va t ng lai T khóa: Khung c s , u đ ng tránh va, u n tàu t đ ng, t đ ng hoá u n tàu tránh va Abstract Application of automation on ship control is one of tendencies to improve the ship operation efficiency and reduce the number of crew Ship collision avoidance maneuvering, is a duty of deck officers which includes: Ship target recognization, collision risk evaluation, and processing action In this article, a framework approach is proposed to build automatic ship collision avoidance system in the future, which consists of requirements for system, system structure, and algorithm for automatic collision avoidance system This framework is seen as a basic orientation for establishing components in automatic ship collision avoidance system in the future Keywords: Framework, ship collision avoidance maneuvering, automatic ship control, automatic ship collision avoidance S 70 (04-2022) tv nđ Tránh va ch m tàu thuy n m t nh ng nghi p v ph c t p c a s quan hàng h i hành đ ng x lý u đ ng tàu ph thu c vào nhi u y u t khác nh : M t đ tàu thuy n, khu v c hành h i, tính n ng u đ ng tàu, nh h ng c a ngo i c nh, t m nhìn xa, có th tránh va an toàn hi u qu , tàu thuy n ph i nghiêm túc tuân th quy đ nh b quy t c phòng ng a va ch m tàu thuy n bi n (Colreg 1972) C th tu thu c vào t ng tình hu ng t ng quan gi a tàu thuy n, s có nh ng ph ng án u đ ng tránh va ch m t ng ng Theo t ch c hàng h i qu c t (IMO), v va ch m tàu thuy n, dù hay nhi u đ u có l i c a thuy n viên nh : Không tuân th nghiêm túc quy t c tránh va ch m, không m n cán tr c ca, b c ng th ng bi n nhi u ngày, ho c không đánh giá h t m c đ nguy c x y va ch m gi a tàu,… Nh m h tr s quan hàng h i vi c u n tàu hi u qu xác, t đ ng hố u n m t nh ng xu h ng đ c quan tâm Bên c nh đó, t đ ng hố u n cịn gi i pháp nh m gi i phóng s c lao đ ng thuy n viên t ng lai Hi n nay, có r t nhi u h th ng t đ ng u n tàu bi n h tr nghi p v cho s quan hàng h i [2] nh : Lái tàu t đ ng theo h ng, lái tàu theo qu đ o, t đ ng cân b ng tàu, gi m l c ngang, đ nh v đ ng, Tuy nhiên, tránh va ch m tàu thuy n v i c p c u tàu v n ph i s quan hàng h i tr c ti p th c hi n Trong t ng lai không xa, v i s phát tri n c a khoa h c công ngh , h th ng t đ ng c p c u hay t đ ng tàu tránh va hồn tồn có th đ c ch t o đ h tr s quan hàng h i nghi p v u n tàu bi n Trong nghiên c u này, m t đ nh h ng ti p c n t ng quan đ c đ xu t đ phát tri n h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m t ng lai Trên c s nh ng phân tích lý thuy t hi n có c a toán tránh va ch m th c t nh ng d đoán xu h ng phát tri n t đ ng hoá u n tàu 15 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH thu , nh ng đ xu t v c u trúc thu t toán t đ ng hoá c s c a h th ng đ c đ a C th , nghiên c u ch khung c s h th ng tránh va t đ ng bao g m ph n: Th nh t, yêu c u c n có c a h th ng đ c nh n di n; th hai, c u trúc kh i đ x lý đ a hành đ ng u n tàu; cu i thu t toán đ xu t cho h th ng T khung c s đ xu t, có th xây d ng chi ti t thành ph n c ng nh thu t toán t ng lai nh m ch t o h th ng th c t u m c a mơ hình đ xu t xu t phát t th c t v n hành x lý tránh va c a ng i s quan hàng h i, nên h th ng đ c xây d ng sau s có kh n ng làm vi c g n ho c gi ng v i th c t x lý c a s quan thuy n viên h n Nh ng kh i c u trúc đ xu t h th ng s đ c nghiên c u phát tri n sâu h n t ng lai C s lý thuy t tránh va ch m tƠu thuy n 2.1 Các tình hu ng t ng quan Theo quy t c qu c t v phòng ng a va ch m tàu thuy n bi n (Colreg 1972), tàu thuy n nhìn th y b ng m t th ng s có tr ng h p (Hình 1) t ng quan, c th : ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2.2 Trách nhi m hành đ ng Theo quy t c qu c t v phòng ng a va ch m tàu thuy n bi n (Colreg 1972), tàu thuy n c n ph i có nh ng hành đ ng phù h p tu thu c vào t ng tình hu ng (Hình 2), c th : Hình Hành đ ng c a tàu thuy n T ng quan đ i h ng: Trong tr ng h p cho phép, tàu thuy n ph i chuy n h ng m i c a sang m n ph i đ qua m n trái c a nhau; T ng quan v t nhau: Tàu thuy n v t ph i có trách nhi m nh ng đ ng cho tàu thuy n b v t; T ng quan c t h ng (tàu ch ph i nh ng đ ng): Tàu thuy n ph i hành đ ng phù h p đ tránh c t m i tàu đ c nh ng đ ng (b lái sang m n ph i tàu mình); T ng quan c t h ng (tàu ch đ c nh ng đ ng): Tàu thuy n đ c nh ng đ ng c n gi nguyên h ng t c đ c a tàu 2.3 Xác đ nh nguy c đâm va Hình Các tình hu ng g p gi a tàu T ng quan đ i h ng: Khi hai tàu nhìn th y phía tr c m i c a tàu (t ng ng v i góc m n kho ng t 00 đ n 5.70 so v i m i tàu c phía m n tàu); T ng quan c t h ng: Khi tàu thuy n quan sát th y tàu thuy n khác m n tàu thuy n t ng ng v i góc m n t 00 đ n 112.50; T ng quan v t nhau: Khi tàu ch quan sát th y tàu m c tiêu đ ng sau tàu ch , v i góc m n t 112.50 đ n 247.50 16 Hình DCPA TCPA xác đ nh nguy c va ch m, c n thi t ph i xét theo khu v c tàu thuy n hành trình, c th : i v i tàu thuy n hành trình bi n i d ng, c s đ đánh giá nguy c va ch m giá tr DCPA TCPA [1] T n t i nguy c va ch m gi a hai tàu khi:  DCPA  CPA  TCPA  (1) Khi hành trình nh ng khu v c có m t đ S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CƠNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY đơng đúc tàu thuy n, khơng th s d ng thông s DCPA TCPA đ đánh giá nguy c va ch m đ c Trong tr ng h p đó, có th s d ng khái ni m vùng nguy hi m gi i h n (ship domain) [3] ph i đ qua tàu m c tiêu an toàn T i th i m T3, tàu ch b lái chuy n h ng v m n trái đ đ a tàu v đ ng hành trình, k t thúc trình u đ ng tránh va ch m tính tốn giá tr thay đ i h ng, t c đ , hay k t h p c h ng t c đ cho u đ ng tránh va, c n ph i d a vào h th c tính tốn DCPA, TCPA, vùng gi i h n nguy hi m xu t h ng ti p c n t đ ng hoá u n tƠu tránh va ch m Hình Vùng gi i h n nguy hi m (ship domain) Nguy c đâm va tr ng h p đ c xác đ nh kho ng cách gi a hai tàu nh h n kích th c dsafe c a vùng gi i h n nguy hi m 2.4 Ph ng pháp u đ ng tàu Trong ph n này, tác gi đ xu t m t khung c s g m: Yêu c u đ i v i h th ng, c u trúc h th ng, thu t toán đ xu t đ xây d ng h th ng t đ ng hoá u n tàu tránh va ch m Khung c s có th xem nh n n t ng đ ti p t c phát tri n chi ti t h th ng t đ ng tránh va t ng lai 3.1 Nh n di n yêu c u v i h th ng xây d ng h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m, h th ng c n ph i đáp ng nh ng yêu c u c b n nh d i đây: Th nh t: Các hành đ ng u n tàu tránh va ch m ph i phù h p v i quy đ nh đư đ c nêu rõ quy t c qu c t v phòng ng a va ch m tàu thuy n bi n (Colreg 1972); Th hai: x lý thông tin tr ng thái c a tàu ch tàu m c tiêu, thi t b hàng h i ch báo thông tin tàu ch , c m bi n cho bi t thông tin tàu m c tiêu ph i đ c trang b đ y đ ; Hình Ph ng pháp u đ ng tránh va Th c t , có ph ng pháp u đ ng đ tránh va ch m tàu thuy n, c th : Ph ng pháp thay đ i h ng: Là cách th ng xuyên đ c s d ng đ tránh va bi n Theo ph ng pháp này, bánh lái tàu thu đ c xoay v m n đ đ a m i tàu v h ng m i; Ph ng pháp thay đ i t c đ : c s d ng vi c thay đ i h ng b h n ch , ch ng h n nh tàu tránh khu v c m t đ giao thông đông đúc, hay tránh va lu ng; Ph ng pháp k t h p: S d ng đ ng th i thay đ i h ng gi m t c đ Ph ng pháp đ c s d ng ch s d ng nh ng tình hu ng kh n c p m c Ph ng pháp u đ ng tránh va đ c mơ t qua t ví d th c t hay g p bi n (Hình 5) T i th i m T1, tàu ch quan sát th y tàu m c tiêu có nguy đâm va v i tàu T i th i m T2, tàu ch u đ ng tàu chuy n h ng m i sang m n S 70 (04-2022) Th ba: đ a quy t đ nh u đ ng tàu cho phù h p v i tình hu ng quy t c tránh đâm va, h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m b t bu c ph i có m t khâu quy t đ nh; Th t : Sau đư u đ ng đ tránh va ch m, h th ng ph i có kh n ng đ u n đ a tàu quay tr v n đ ng hành trình 3.2 xu t c u trúc h th ng xây d ng h th ng tránh va ch m t đ ng tàu thu , c n ph i tích h p nhi u khâu x lý khác c u trúc h th ng Trong ph n này, tác gi đ xu t m t c u trúc c b n cho h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m (Hình 6), c u trúc g m khâu: Khâu x lý thông tin: nhi m v c a khâu thu th p thông tin tr ng thái c a tàu ch tàu m c tiêu nh : V trí tàu, h ng m i, h ng th c t , t c đ tàu, h ng t c đ gió Các thông tin tr ng thái c a tàu m c tiêu thông qua k t n i v i thi t b l p đ t tàu nh : GPS, AIS, RADAR, ARPA, CAMERA, c m bi n khác, T nh ng tr ng thái 17 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY c a tàu ch tàu m c tiêu, kh i s xác đ nh t ng quan gi a tàu ch v i tàu m c tiêu tình hu ng tình hu ng: i h ng, c t h ng, v t Bên c nh kh i cịn có nhi m v đánh giá xem có nguy c đâm va ti m n gi a tàu ch v i tàu m c tiêu hay không Khâu quy t đ nh: Kh i làm nhi m v đ a quy t đ nh u đ ng tàu, có th xem khâu nh b nưo ng i u n tàu u c a khâu nh ng hành đ ng: Gi h ng đi, thay đ i h ng đi, thay đ i t c đ , k t h p thay đ i c h ng t c đ đ tránh va, hay b lái đ a tàu v đ ng hành trình Các quy t đ nh u đ ng tàu ph thu c vào t ng quan tình hu ng g p gi a tàu ch tàu m c tiêu Khâu tính tốn tham s u đ ng: Kh i có nhi m v tính tốn tham s u đ ng tàu đ tránh va nh : h ng m i tàu m i, t c đ c n gi m, hay h ng m i tàu đ đ a tàu v đ ng hành trình Kh i u n: Kh i làm nhi m v th c thi quy t đ nh u đ ng tàu nh thay đ i h ng, gi m t c đ , hay k t h p c hai đ tránh va v i tàu thuy n có nguy c Kh i s tác đ ng tr c ti p vào c c u lái tàu nh bánh lái đ chuy n h ng m i tàu c c u chân v t đ gi m t c đ 3.3 Thu t toán t đ ng u n tàu tránh va ch m S đ (Hình 6) đ xu t thu t toán tránh va t đ ng cho tàu thuy n: Tr c tiên, tàu đ c yêu c u bám n đ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI ng đư đ nh (tuy n đ ng đ c thi t l p b i s quan hàng h i) B ng trang thi t b l p đ t tàu, thông tin tr ng thái tàu ch (v trí tàu, h ng m i, h ng th c t , t c đ tàu) s đ c đ a vào kh i thu th p x lý thông tin Khi g p tàu thuy n khác, b ng thi t b nh AIS, Raddar, ARPA, CAMERA, LASER h ng ngo i s nh n di n tàu m c tiêu c ng s g i v kh i thu th p x lý thông tin tr ng thái c a tàu thuy n m c tiêu nh : v trí tàu m c tiêu, h ng m i, h ng th c t , t c đ tàu m c tiêu K t h p thông tin tr ng thái tàu m c tiêu tàu ch , h th ng x lý thơng tin s tính tốn nh n di n có nguy c va ch m gi a tàu ch v i tàu m c tiêu hay không, tàu có nguy c cao h n, u c a kh i x lý thông tin s là: Dưy giá tr th hi n nguy c đâm va gi a tàu ch v i tàu m c tiêu Các dưy giá tr s đ c đ a vào kh i quy t đ nh đ đ a hành đ ng tránh va c th Khi nh n đ c dưy giá tr th hi n nguy c va ch m v i t ng tàu thuy n, kh i quy t đ nh s đ a quy t đ nh u đ ng c th Các hành đ ng u n đ c xác đ nh là: Gi h ng (tàu ch đ c nh ng đ ng), chuy n h ng, thay đ i t c đ , hay k t h p chuy n h ng gi m t c đ Kh i đ c xem nh thành ph n quan tr ng nh t c a h th ng t đ ng tránh va ch m gi ng nh b nưo ng i s quan hàng h i ti p nh n thông tin, nh n đ nh tình hu ng đ a quy t đ nh hành đ ng u đ ng tàu cho phù h p Hình C u trúc thu t toán h th ng t đ ng tránh va đ xu t cho tàu bi n 18 S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CÔNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Sau đ a hành đ ng tránh va ch m c th , tham s u đ ng đ tránh va đ c tính tốn d a tr ng thái đ ng h c c a tàu ch tàu m c tiêu c n tránh t i th i m xét nh m đ m b o yêu c u tránh an toàn Các l nh u n nh : Thay đ i h ng bao nhiêu, t c đ nên gi m v bao nhiêu, hay k t h p c hai, chúng đ c đ a đ n kh i u n đ yêu c u kh i u n th c thi hành đ ng mong mu n đ c đ a Kh i u n làm nhi m v u n thay đ i tr ng thái tàu thông qua c c u ch p hành nh : Thay đ i góc b lái thay đ i t c đ vòng tua chân v t Các tr ng thái c a tàu ch tàu m c tiêu th ng xuyên đ c ph n h i v h th ng đ đánh giá tình hu ng t c th i ph c v khâu quy t đ nh Sau đư tránh va ch m an toàn, h th ng l i đ a quy t đ nh đ i h ng đ u n tàu quay tr l i đ ng ban đ u nh m ti p t c hành trình Thu t tốn n n t ng c b n đ ti p t c phát tri n thành ph n c u t o bên h th ng sau V i m i kh i h th ng, thu t toán xác đ nh đ u vào đ u đ c x lý T làm c n c đ nghiên c u t ng lai phát tri n mơ hình c th kh i nh : Kh i đ a quy t đ nh hành đ ng, kh i tính tốn tham s u đ ng, kh i u n Có th nh n th y r ng thu t toán c b n c a h th ng đ c ch xu t phát t th c t x lý hành đ ng c a ng i s quan Do đó, v sau h th ng th c đ c xây d ng s làm vi c g n ho c gi ng v i hành đ ng x lý c a ng i s quan hàng h i vi c x lý tránh va ch m tàu thuy n ây có th xem nh u m c a thu t toán đ xu t M t s đ nh h ng phát tri n h th ng Trên c s mơ hình đ xu t nghiên c u này, tác gi ch m t s đ nh h ng nghiên c u phát tri n t ng lai đ có th xây d ng đ c h th ng th c tàu mơ hình nh d n ng d ng tàu thuy n th ng m i nh m tr giúp s quan hàng h i Các b c nghiên c u ti p theo có th k đ n nh : c ng nh đ tin c y c a h quy t đ nh v i nhi u bi n đ u vào, nhi u tình hu ng khác nhau; Xây d ng h th ng tính tốn tham s u đ ng c th ; Xây d ng h th ng u n c s tham s mơ hình tàu ch đ u n tàu theo l nh u n đ a t kh i quy t đ nh kh i tham s u đ ng K t lu n Trong nghiên c u này, tác gi đư đ xu t m t đ nh h ng ti p c n c b n cho vi c xây d ng h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m nh h ng ch khung c s g m: nh n di n yêu c u c b n đ i v i h th ng u n, c u trúc h th ng đ xu t, thu t toán u n tàu t đ ng tránh va c b n D a khung c s đ xu t c a h ng ti p c n này, có th đ nh h ng cho nghiên c u ti p theo nh m xây d ng chi ti t thành ph n (các kh i) c u thành h th ng tránh va Ngoài khung c s đ xu t c ng có th làm c s đ xây d ng thu t toán cho h th ng nghiên c u sau Trong nghiên c u ti p theo, tác gi s ch chi ti t kh i c b n h th ng đ xu t v i đ u vào đ u c th TÀI LI U THAM KH O [1] Nguy n M nh C ng, Tr ng Thanh Bình Ph ng pháp đánh giá kh n ng va ch m tàu thuy n d a h th ng t đ ng nh n d ng tàu th y T p chí Khoa h c cơng ngh Hàng h i, S 64 (11/2020), Tr.31-35, 2020 [2] TS Nguy n V n S ng T đ ng u n tàu thu , NXB Hàng h i, 160 tr 2021 [3] Rafal Szlapczynski, Joanna Szlapczynsk Review of ship safety domains: Models and applications Ocean Engineering, Vol.14, 15 Nov, pp.277-289, 2017 Ngày nh n bài: Ngày nh n b n s a: Ngày t đ ng: 04/03/2022 21/03/2022 26/03/2022 Th nghi m c m bi n, thi t b đ thu nh n, nh n di n t t c tàu m c tiêu có nguy c xung quanh tàu, ki m tra m c đ tin c y c a thi t b đó; Xây d ng h th ng x lý thông tin đ nh n di n đ c t ng quan gi a tàu ch tàu m c tiêu; Xây d ng thu t tốn ki m ch ng đ xác S 70 (04-2022) 19 ... tình hu ng quy t c tránh đâm va, h th ng t đ ng u n tàu tránh va ch m b t bu c ph i có m t khâu quy t đ nh; Th t : Sau đư u đ ng đ tránh va ch m, h th ng ph i có kh n ng đ u n đ a tàu quay tr v n... hai đ tránh va v i tàu thuy n có nguy c Kh i s tác đ ng tr c ti p vào c c u lái tàu nh bánh lái đ chuy n h ng m i tàu c c u chân v t đ gi m t c đ 3.3 Thu t toán t đ ng u n tàu tránh va ch m... TECHNOLOGY Sau đ a hành đ ng tránh va ch m c th , tham s u đ ng đ tránh va đ c tính tốn d a tr ng thái đ ng h c c a tàu ch tàu m c tiêu c n tránh t i th i m xét nh m đ m b o yêu c u tránh an toàn Các l