Sử dụng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu khi đo mức nhiên liệu trong két trên tàu bằng cảm biến radar

Bài viết tập trung nghiên cứu việc sử dụng thuật toán Kalman để lọc nhiễu khi đo mức nhiên liệu để có được dữ liệu về mức nhiên liệu trong két chính xác theo thời gian thực. Từ đó có thể tính toán chính xác lượng nhiên liệu còn lại trong các két trên tàu và tự động báo cáo liên tục số liệu nhiên liệu về công ty theo thời gian thực ở các điều kiện hoạt động khác nhau của tàu.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY S D NG B L C KALMAN L C NHI U KHI O M C NHIÊN LI U TRONG KÉT TRÊN TÀU B NG C M BI N RADAR USING KALMAN FILTER TO FILTER INTERFERENCE (NOISES OR DISTURBANCES) WHEN MEASURING FUEL LEVEL IN THE TANK ON THE VESSEL BY RADAR SENSOR TH HI N1, TR N TH NAM2, TR N H NG HÀ1* Khoa Máy tàu bi n, Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam Phịng Khoa h c - Cơng ngh , Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam *Email liên h : tranhongha@vimaru.edu.vn Tóm t t Theo quy đ nh m i c a IMO v vi c công ty tàu bi n ph i báo cáo th ng xuyên d li u nhiên li u tàu bi n t 2019 Do v y tàu bi n ph i th ng xuyên đo đ c báo cáo d li u v công ty b ng s d ng ph ng pháp nh đo két, đ ng h l u l ng ho c phi u nh n d u Khi tàu bi n ho t đ ng bi n, vi c đo giám sát m c nhiên li u két ch a c a tàu v n đ h t s c khó kh n khơng xác tàu ln b nghiêng l c m nh u ki n sóng gió khác Do u ki n tàu nghiêng l c m nh làm m c nhiên li u két dao đ ng không n đ nh Bài báo t p trung nghiên c u vi c s d ng thu t toán Kalman đ l c nhi u đo m c nhiên li u đ có đ c d li u v m c nhiên li u két xác theo th i gian th c T có th tính tốn xác l ng nhiên li u l i két tàu t đ ng báo cáo liên t c s li u nhiên li u v công ty theo th i gian th c u ki n ho t đ ng khác c a tàu T khóa: Tàu bi n, Kalman, nhiên li u Abstract Under new IMO regulations, shipping companies must regularly report fuel data from 2019 Therefore, ships must regularly measure and report data on companies using methods such as tank measurements, flow meters or oil receipts When a ship is operating at sea, measuring and monitoring the fuel level in the ship's tank is a very difficult and inaccurate problem because the ship is always tilted strongly in different sea conditions Due to the strong tilting and shaking conditions, the fuel level in the tank is always fluctuating and unstable This paper focuses on studying the use of Kalman algorithm to filter noise when measuring fuel level to get accurate data on fuel level in the tank in real time From 24 there it is possible to accurately calculate the amount of fuel remaining in the tanks on board and automatically report the fuel data to the company in real time under different operating conditions of the new IMO ships in terms of fuel consumption Shipping companies must regularly report ship fuel data from November 1, 2021 Therefore, ships must regularly measure and report data on companies using methods such as tank measurements, flow meters or oil receipts When a ship is operating at sea, measuring and monitoring the fuel level in the ship's tank is a very difficult and inaccurate problem because the ship is always tilted strongly in different windy conditions Due to the strong tilting and shaking conditions, the fuel level in the tank is always fluctuating and unstable This paper focuses on studying the use of Kalman to filter noise when measuring fuel level to get accurate data of fuel level in the tank in real time From there, it is possible to accurately calculate the amount of fuel remaining in the tanks on board and automatically continuously report fuel data to the company in real time under different operating conditions of the ship Keywords: Ship, Kalman, fuel oil M đ u B t đ u t n m 2013, t ch c hàng h i qu c t IMO ban hành quy đ nh m i liên quan đ n vi c thu th p nhiên li u báo cáo v d li u nhiên li u c a t ng tàu hàng n m cho c quan đ ng ki m v i m c đích b o v mơi tr ng bi n b o v môi tr ng khơng khí [1] Các tàu có t ng dung tích t 5000 MT tr lên, ho t đ ng t hành ch y n qu c t đ u ph i báo cáo d li u tiêu th nhiên li u hàng n m cho IMO L ng tiêu th nhiên li u tàu ph i báo cáo bao g m c máy chính, máy ph , n i h i thi t b khác s d ng nhiên li u tàu k c tàu hành trình bi n ho c khơng hành trình bi n Trong 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 ph ng pháp thu th p nhiên li u tàu nh s d ng phi u giao nh n nhiên li u, thi t b đo l ng giám sát két nhiên li u tàu ph ng pháp giám sát két nhiên li u ph ng pháp thu th p xác nh t Vi c đo két nhiên li u b ng ph ng pháp đ c th c hi n hàng ngày tàu ch y bi n t i th i m tàu vào b đ nh n nhiên li u Khi tàu ch y bi n ln b sóng gió tác đ ng v i m c đ khác nhau, tàu b nghiêng l c m nh làm m c nhiên li u két b dao đ ng m nh V i thi t b đo t đ ng ho c b ng tay hi n đ c trang b tàu bi n, th c hi n đo két s cho k t qu đo khơng xác gây khó kh n cho vi c thu th p nhiên li u b ng ph ng pháp giám sát két Trong nghiên c u v h th ng giám sát nhiên li u t xa t đ ng v n ch a có nghiên c u đ c p đ n v n đ đo két u ki n nghiêng l c T v n đ c p thi t nêu nhóm nghiên c u thi t k h th ng giám sát két nhiên li u c s ng d ng thu t toán Kalman đ l c nhi u v m c nhiên li u két b dao đ ng tác đ ng c a sóng bi n bên ngồi tàu Thu t tốn Kalman ng d ng h th ng giám sát nhiên li u Thu t toán Kalman s th c hi n th t c đ quy nh g m th t c “đo l ng” “d đoán”: - Th t c c p nh t đo l ng (Measurement): Th c hi n tính h s Kalman c p nh t giá tr đ u ra; - Th t c d đoán (Prediction): S c p nh n b n tr ng thái tính ma tr n hi p ph ng sai ▪ Q trình d đốn B l c Kalman d a vào tr ng thái c l ng u ch nh | - Là c l ng c a đ c l ng tr ng thái +1| - Là c l ng d đoán c a +1 cho phép đo +1 Tr ng thái d đoán: (1) +1| =F | +G Hi p ph P ol +1| ng sai cl +1| +1 = Hi p ph +1| ng sai +K cl +1r +1 (7) ng u ch nh: (8) P +1| +1 = (I − K +1H +1)P +1| Cùng v i u ki n ban đ u c l ng ma tr n hi p ph ng sai l i c a đ nh ngh a m t gi i thu t r i r c hóa v th i gian đ quy đ xác đ nh hi p ph ng sai c l ng n tính t i thi u đ c g i b l c Kalman B l c Kalman đ c s d ng đ đ a vào ch ng trình c a ph n m m giám sát nhiên li u v i m c đích đ l c nhi u m c nhiên li u bi n đ ng u ki n l c khác c a két nhiên li u gi n đ nh m c nhiên li u đ c đo t c m bi n radar H th ng đo m c nhiên li u s d ng c m bi n 3.1 C u hình h th ng giám sát nhiên li u ng d đoán: =F P | F +Q (2) ng d đoán: +1| = H +1 +1| ▪ Quá trình u ch nh l ch đo l r +1 = Hi p ph S +1 = z (3) ng: +1 -H (4) +1| +1 H +1P +1| H +1 + K +1 = P Tr ng thái 70 (04-2022) +1| cl H Hình C u trúc c a h th ng thu th p, qu n lý giám sát nhiên li u tiêu th ng sai đ l ch: R +1 (5) l i Kalman: S Hình S đ thu t toán Kalman +1Sk+1-1 ng u ch nh: (6) H th ng t đ ng qu n lý giám sát l ng nhiên li u két s bao g m: Thi t b đo m c nhiên li u s đ c l p két nhiên li u c a tàu, h th ng x lý d li u c m bi n h th ng truy n thơng tin v 25 TẠP CHÍ KHOA H C - CÔNG NGH trung tâm giám sát M c nhiên li u két nhiên li u s đ c đo liên t c sau truy n d li u v máy ch đ x lý k t qu đo Các thành ph n h th ng: JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY B ng Các thông s c a c m bi n radar Tham s Endress houser FMP51 - C m bi n góc nghiêng: C m bi n đo đ nghiêng c a két đ xác đ nh m c nhiên li u két; Ph m vi đo áp su t - Máy ch IoT: Máy ch s d ng đ k t n i thi t b phát thi t b nh n qua m ng internet C m bi n đo m c d ng radar đ c l p két d u M c l ng nhiên li u két đ c c m bi n đo chuy n đ i thành tín hi u dịng n 4-20mA tín hi u t ng t t l v i m c nhiên li u đ c đ a t i kh i thu th p s hóa x lý tín hi u dòng n 4-20mA đ c chuy n đ i thành tín hi u s T i d li u v l ng nhiên li u két s đ c tính tốn d a d li u nh n đ c t c m bi n m c sau đ c đóng gói thành d li u g i t i máy ch IoT thông qua m ng di đ ng 3G/4G Máy ch IoT ti p nh n thông tin thi t l p d li u g i đ n trung tâm giám sát t xa T i trung tâm giám sát, thi t b nh n s thu th p d li u g i t i t server th c hi n phân tách d li u đ thu đ c k t qu đo Sau phân tách d li u d li u s đ c g i t i máy tính đ hi n th th c hi n thi t l p báo cáo tiêu th nhiên li u t đ ng Ch c n ng c a h th ng: - Giám sát l ng nhiên li u két; - Truy n thông v trung tâm giám sát liên t c theo chu k giây/l n; - Báo cáo th ng kê chi ti t, tr c quan trình s d ng nhiên li u c a tàu g i v trung tâm theo quy đ nh 3.2 C m bi n radar FMP51 C m bi n radar FMP51 ho t đ ng theo ph ng pháp ToF (ToF = Th i gian truy n) Kho ng cách t m chu n đ n b m t s n ph m đ c đo Xung t n s cao đ c đ a vào m t đ u dò d n d c theo đ u dò Các xung đ c ph n x t b m t s n ph m, sau đ c c m biên t ti p nh n chuy n thành thông tin Ph ng pháp c ng đ c bi t đ n d i d ng TDR ( o ph n x mi n th i gian) Các xung ph n x đ c truy n t đ u dò đ n thi t b n t đó, m t b vi x lý phân tích tín hi u xác đ nh ti ng v ng 26 nv Lo i c m bi n Nhi t đ làm vi c - HMI (Human Machine Interface): Màn hình hi n th giá tr đo; Giá tr Nhà s n xu t - C m bi n radar: C m bi n đo m c nhiên li u két d a nguyên lý ph n x sóng radar; - C m bi n nhi t đ : C m bi n đo nhi t đ nhiên li u đ xác đ nh đ c kh i l ng nhiên li u; ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Ph m vi đo m c Truy n tín hi u xác 0C -196 450 0 45 m -1 400 Bus bar 1450 v/ph m c đ c t o b i s ph n x c a xung t n s cao t i b m t s n ph m H th ng phát hi n tín hi u v i xung quy trình th i gian bay đ c tích h p vào s phát tri n c a ph n m m PulseMaster® Kho ng cách D đ n b m t s n ph m t l v i th i gian truy n t c a xung l c: D=c.t/2 (9) Trong đó: c: Là t c đ ánh sáng; t: Th i gian truy n xung D a kho ng cách tr ng E bi t, m c L đ tính: L=E-D c (10) C m bi n radar FMP51 có que d n h ng sóng đa, chi u dài đ c ch t o theo đ sâu c a t ng két khác nhau, ch ng d ng c n nh p thông s t đ ng u ch nh thi t b phù h p v i u ki n đo i v i mơ hình v i đ u hi n t i, u ch nh c a máy đ i v i m không E kho ng F 4mA 20mA, đ i v i k thu t s đ u mô-đun hi n th 0% 100% M t ch c n ng n tính hóa v i t i đa 32 m, d a trên b ng đ c nh p th công ho c bán t đ ng, có th đ c kích ho t t i ch ho c thông qua thao tác t xa Ch c n ng cho phép chuy n đ i m c đ thành đ n v th tích ho c kh i l ng 3.3 Th nghi m h th ng giám sát nhiên li u H th ng đo giám sát nhiên li u phịng thí nghi m đ c bao g m m t két ch t l ng đ c đ t b t o rung l c b ng lò xo, b đ c u n b ng xi lanh khí nén đ rung l c m c đ khác t 515 đ S đ đo m c két t i phịng thí nghi m S đ thí nghi m th c t nh hình bao g m thi t b sau: - Két hình tr đ cm, cao 80cm; c làm b ng nh a đ ng kính 40 - B rung l c đ c u n b ng khí nén l p ba lò xo đàn h i có th l c đ n 45 đ ; 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 - C m bi n radar FMP51; Internet - B phát tín hi u: o ba thông s đ nghiêng l c c a két, nhi t đ m c c a nhiên li u B phát tín hi u s d ng internet 3G đ phát tín hi u; TANK RADAR SENSOR QU TRANSMISTER RECEIVER TEMPERATURE SENSOR - Máy tính giám sát: Có ph n m m giám sát l nhiên li u t ng két C CONTROL PANEL B FUEL OIL TANK Computer OSCILATION SENSOR PNEUMATIC VAVLE SPRING AIR COMPESSOR AIR CYLINDER Hình S đ thí nghi m h th ng giám sát nhiên li u - B thu tín hi u: Thu tín hi u t b phát sau truy n t i máy tính qua c ng USB; ng Két nhiên li u đ c đ t b , b đ c n m ba lị xo Ba lị xo có tác d ng t o l c đ y đàn h i t o đ l c theo chu k , v y t o đ m nghiêng l c m m cho két nhiên li u B đ c xy lanh khí nén u n đ l c theo m c đ khác nh van ti t l u u ch nh l u l ng khí nén vào xy lanh B đ c u n nghiêng l c theo chu k Trong két đ c l p ng kim lo i đ ng kính 250mm có chi u dài 2m đ d n h ng cho sóng radar phát ph n x t b m t ch t l ng t i radar B thu s l y tín hi u c a ba c m bi n: c m bi n m c b ng radar, c m bi n đ nghiêng l c, c m bi n nhi t đ Các tín hi u đ c truy n đ n b thu, t i b thu tín hi u đ c x lý truy n t i máy tính đ hi n th thơng s đ c đo qua giao di n c a ph n m m giám sát két nhiên li u K t qu đo phân tích s li u 4.1 Thu th p x lý s li u th c nghi m Tank Level (mm) Hình S đ thí nghi m M c nhiên li u 500mm đ c đo theo th i gian th c đ c ghi l i nh t ký c a ph n m m, s li u có th đ c ghi l i thành file world T tr ng nhiên li u thay đ i thay nhi t đ đo đ c két Nhi t đ 18,50C t tr ng 860kg/m3 v i két tròn kh i l ng đ c tính 148,95kg Hình M c nhiên li u két đ S 70 (04-2022) c đo 500 mm 27 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình l c ngang c a m c nhiên li u két 500mm Hình l c ngang c a m c nhiên li u két 500mm Hình M u báo cáo d li u tiêu th nhiên li u tàu M c nhiên li u két đ c đo th c t màu đ m c ng đo u ki n nghiêng l c qua b l c Kalman m c két đ c gi n đ nh đ ng 28 màu xanh 500mm theo th i gian th c Th c nghi m cho th y m c dù m c két b thay đ i theo đ l c c a két nh ng qua b l c Kalman, m c c a két có giá 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 tr đo n đ nh không thay đ i theo th i gian nh Hình Trong Hình th hi n đ l c ngang c a két đ c đo theo th i gian th c C m bi n l y góc 900 làm g c “0” đ đo biên đ l c ngang c a két Nhiên li u két tàu tàu đ c đo sau đ c ph n m m qu n lý giám sát tính tốn K t qu đ c t đ ng ghi vào bi u m u theo quy đ nh c a IMO nh Hình K t lu n H th ng h th ng t đ ng thu th p, qu n lý, báo cáo nhiên li u s d ng c a h th ng k thu t tàu th y nhóm tác gi thi t k , ch t o th nghi m thành công, tuân th theo tiêu chu n c a IMO i u mang l i ý ngh a th c ti n l n, th hi n n ng l c làm ch công ngh k thu t, h ng t i vi c th ng m i hóa s n ph m v i giá thành th p h n so v i s n ph m lo i th gi i Ngồi l i ích v m t kinh t , nghiên c u cịn có ý ngh a l n v m t góp ph n vào nhi m v th ng kê tiêu th nhiên li u ho t đ ng hàng h i c a IMO, làm ti n đ cho vi c đánh giá toàn di n l ng phát th i ch t gây nhi m khơng khí t ph ng ti n v n t i th gi i H th ng t đ ng thu th p nhiên li u m i ch đ c th nghi m v i u ki n c a phòng thí nghi m H th ng s đ c th nghi m tàu đ đánh giá đ c s n đ nh đ xác c a h th ng Khi đ c áp d ng tàu, h th ng s giúp cho ng i khai thác tàu có th giám sát l ng nhiên li u m t cách liên t c, t có nh ng bi n pháp đ ti t ki m nhiên li u gi m thi u ô nhi m môi tr ng S 70 (04-2022) L ic m n Nghiên c u đ c tài tr b i Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam đ tài mã s : DT21-22.18 TÀI LI U THAM KH O [1] IMO, ANNEX 19 RESOLUTION MEPC Vol 203(62) Adopted on 15 July 2011 [2] T Qu c D ng, Lê Th Hà, Ph m Duy Khang, ng d ng m ng neuron nhân t o (ANN) d báo đ r ng, T p chí D u khí, S 7, tr.18-27, 2019 [3] Henric Lassesson, Karin E Andersson, Energy efficiency in shipping - Review and evaluation of the state of knowledge, Göteborg, Sweden, 2009 [4] Energy Management System, Praxis Automation Technology, The Netherlands [5] Cheng Xie, Liwen Huang, Dan Jiang, Research on quantitative risk assessment of fuel leak of LNGfuelled ship during lock transition process, Reliability Engineering & System Safety1 February 2022 [6] Fan Zhou, Yunli Fan, Bowen An Ship emission monitoring sensor web for research and application Ocean Engineering7 March 2022 Ngày nh n bài: Ngày nh n b n s a: Ngày t đ ng: 10/03/2022 15/03/2022 31/03/2022 29 ... thu th p nhiên li u tàu nh s d ng phi u giao nh n nhiên li u, thi t b đo l ng giám sát két nhiên li u tàu ph ng pháp giám sát két nhiên li u ph ng pháp thu th p xác nh t Vi c đo két nhiên li... nhiên li u két 500mm Hình l c ngang c a m c nhiên li u két 500mm Hình M u báo cáo d li u tiêu th nhiên li u tàu M c nhiên li u két đ c đo th c t màu đ m c ng đo u ki n nghiêng l c qua b l c Kalman. .. giá tr đo; Giá tr Nhà s n xu t - C m bi n radar: C m bi n đo m c nhiên li u két d a nguyên lý ph n x sóng radar; - C m bi n nhi t đ : C m bi n đo nhi t đ nhiên li u đ xác đ nh đ c kh i l ng nhiên