KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 08/2022 Thiết kế hệ thống mô phỏng thực tế ảo báo cháy và chữa cháy tàu thủy ■ ThS NGUYỄN THANH VÂN; PGS TS ĐINH ANH TUẤN; KS NGUYỄN VĂN HÙNG Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TÓM[.]
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 Thiết kế hệ thống mô thực tế ảo báo cháy chữa cháy tàu thủy ■ ThS NGUYỄN THANH VÂN; PGS TS ĐINH ANH TUẤN; KS NGUYỄN VĂN HÙNG Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TĨM TẮT: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế, xây dựng hệ thống báo cháy chữa cháy mô không gian thực tế ảo, nhằm mục đích giảm thiệt hại người tài sản q trình huấn luyện Hệ thống mơ thiết kế bao gồm tủ điều khiển trung tâm, máy tính giáo viên máy tính mơ khơng gian Học viên có khả tương tác với phần cứng phần mểm giúp nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ an ninh, an tồn hàng hải Bên cạnh đó, xây dựng kết nối thành cơng thiết bị phần cứng HMI phần mềm mô phỏng, vỉ báo cháy số thiết bị phục vụ cứu hộ cứu nạn biển Thông qua đó, người vận hành thao tác trực tiếp giống tàu thật ngồi thực tế TỪ KHĨA: Mô chống cháy tàu, VR Unity 3D chống cháy tàu thủy, thiết kế thực tế ảo tàu thủy ABSTRACT: This paper presents a method of designing and building a fire alarm and fighting system in virtual reality, aiming to reduce damage to people and property during the training process The simulation system is designed to include a control panel, a teacher computer, and a space simulation computer, students will interact with hardware and software, which will help improve their professional level and professionalism in maritime security and safety In addition, building a successful connection between HMI hardware devices and simulation software, lifeboats, and some equipment for rescue at sea, through which evaluation cadets and officers before a real-life situation occurs KEYWORDS: Ship simulation, VR ship, Fire Alarm Ship, safety transportation nghiêm trọng Tháng 10/2021, tàu MV Zim Kingston gắn cờ Malta vận chuyển 52 xanthates bốc cháy phát tán khí độc bên ngồi môi trường gây nguy hại cho sinh vật biển Năm 2022, tàu container APL CAIRO quốc tịch Singapore bốc cháy vùng biển Vũng Tàu gây thiệt hại tài sản người Do đó, để đảm bảo tính mạng thuyền viên hàng hóa an tồn hành trình biển địi hỏi hệ thống báo chữa cháy phải đảm bảo yêu cầu cao Bên cạnh đó, kĩ ứng phó thuyền viên để xử lý tình phải thục Đáp ứng yêu cầu trên, học viên cần trang bị kiến thức, trau dổi kĩ kinh nghiệm, nghiệp vụ chuyên môn với hệ thống mô chống cháy nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối biển, thời xây dựng hệ thống báo cháy, chữa cháy có chất lượng cập nhật liên tục yêu cẩu đặt [1] Hệ thống mô chống cháy xây dựng dựa theo tiêu chuẩn Công ước STCW78 sửa đổi năm 2010 Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) vể khả cứu sinh, tiêu chuẩn an toàn nghề nghiệp, an ninh hàng hải Ngoài ra, hệ thống bao gồm tủ điểu khiển, máy tính mơ kính thực tế ảo Qua đó, học viên đào tạo loại tàu khác giúp nâng cao lực, kĩ hành trình biển Từ lý trên, nhóm tác giả để xuất tập trung xây dựng mơ hình chống cháy không gian ảo kết hợp với phẩn cứng hệ thống báo cháy giúp đáp ứng yêu cẩu huấn luyện đào tạo học viên, sỹ quan có trình độ cao Ngồi ra, khả làm chủ cơng nghệ để xây dựng hệ thống mô chống cháy thực tế đáp ứng nhu cầu đào tạo thực tiễn Bài báo chia bao gồm: Mục lý thuyết cháy thuật tốn điểu khiển Mục trình bày bước thiết kế xây dựng đổ họa thiết lập thực tế ảo Mục thực mô chống cháy cuối kết luận XÂY DỰNG LÝ THUYẾT CHÁY VÀ THUẬT TOÁN ĐIỂU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG ĐẶTVẤNĐẾ Tai nạn cháy tàu chiếm tỷ lệ lớn thảm họa hàng hải có ý nghĩa sống cịn khả sống sót tàu Khi tàu gặp cố cháy nổ, ngồi trang thiết bị cứu hộ trình độ kỹ an toàn thuyền viên yếu tố định Trong năm gần đây, giới Việt Nam xảy vụ hỏa hoạn tàu vô 144 2.1 Cơ sở lý thuyết cháy Bản chất cháy phản ứng oxy hóa khử nhiệt độ cao xảy chất cháy với oxy khơng khí, q trình kèm theo tỏa nhiệt phát sáng, tập hợp khí hạt chất lỏng sinh nguyên liệu sau phản ứng tạo khói màu Khi q trình cháy xảy cháy khí từ vật bị cháy KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 cháy thân vật thể thể thuật tốn khác 2.2 Xây dựng thuật tốn xử lý liệu mơ iện Hình 2.1 Hệ thống chống cháy xây dựng với nhiều thuật tốn điểu khiển khác để mơ tồn tính thực tế Một số thuật tốn trọng tâm thuật toán xử lý liệu Hình 2.2 Hình 2.1: cấu trúc đám cháy Từ Cấu trúc đám cháy, nhóm tác giả xây dựng )hương pháp để mô phỏng: phương pháp công nghệ kết :ấu, phương pháp hệ thống hạt phương pháp mô hình /ật lý Đối với phương pháp cơng nghệ kết cấu mô igọn lửa nhanh dấu vết nhân tạo rõ chông chuyển động mô Tiếp theo, phương jháp hệ thống hạt mơ số q trình cháy, :hi tiết đốt định khơng hồn tồn giả lập lại ửa Cuối cùng, phương pháp mơ hình vật lý dựa tính :hấtvật lý, thay đổi chuyển động lửa để mơ tả thực tế q trình cháy Vì vậy, phương pháp tác giả sử dụng hệ thống mơ Để đơn giản hóa, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu yếu tố hình thành kích thước, hình dạng, khói số lượng hạt lửa Tham Trên Hình 2.2 thể thuật tốn liệu tác giả số khí thải xác định tổng số lượng hạt lửa phát xây dựng Ban đầu, chương trình khởi tạo kiểm tra điều phương sai đám cháy diện tích Do đó, số kiện nhận liệu địa IP, cổng Port mạng LAN Tiếp lượng hạt lửa xác định diện tích xác theo, tiến hành nhận liệu so sánh, X tín định cơng thức (1): A/() = Emission + NQ.Ky hiệu từ máy tính giáo viên, Y giá trị thiết lập (1) Trong đó: M() - Số lượng hạt lửa; Emission - Tham số khí thải; N() - Kích thước đám cháy bắt đầu; Kv - Giá tri lệch hướng cùa đám cháy Tuy nhiên, kích thước đám cháy cịn phụ thuộc vào kích thước hạt lửa yếu tố bên chất liệu cháy, yếu tố thời tiết công thức (2): I() = Es+N0.Ks + Yn (2) phần mềm Sau đủ điều kiện máy tính chạy chức mơ so sánh giá trị K trình với Y, Giá trị đầu vào đẩu khác báo lỗi j , , ” ■ hình mơ Q trình nhận liệu thông qua phương thức truyền thông TCP/IP với khả đảm bảo liệu xác giúp tăng độ tin cậy cho hệ thống 2.3 Thuật toán xử lý nhận diện thực tê' ảo Tiếp theo, nhóm tác giả xây dựng hệ thống khơng gian thực tế ảo với tương tác trực tiếp từ người Trong cơng thức (2), l() - Kích thước hạt lửa; Es, KsGiá trị kích thước ban đầu lệch hướng ban đầu hạt; dùng Với thiết bị kính VR hỗ trợ mơ phỏng, nhóm tiến Yn - Giá trị nhiễu từ yếu tố môi trường [2] gian Hình 2.3 Trong thuật tốn Hình 2.3, kính VR kết nối với máy tính mơ kiểm tra trạng thái Với Từ công thức (1), (2) hình thành lên kích thước đám cháy kết hợp với thời gian cháy thể công hành xây dựng thuật toán xử lý nhận diện không nút tay điểu khiển gán giá trị khác thức (3): (3) để thực nhiệm vụ riêng Tiếp theo, phần mềm thực Trong đó: D() - Kích thước đám cháy; ts - Thời gian xảy lệnh so sánh giá trị đầu vào Xvi với giá trị lập trình Xdi thực thao tác giống DQ=[MOxIQ]xts cháy Từ đây, nhóm tác giả xây dựng đám cháy khác với thơng số thay đổi thông qua với người, ngược lại hệ thống thông báo lỗi kết thúc q trình huấn luyện 145 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 3.2 Xây dựng giao tiếp thực tế ảo VR Hiện nay, thiết bị mô không gian ảo ngà ứng dụng huấn luyện đào tạo Nhór tác giả sử dụng kính thực tê' ảo VR Oculus Rift Hình với cấu hình mạnh giúp mơ chất lượng tốt Hình 3.2: Phẫn cúng kính Oculus Rift Chức tay cầm thiết lập Bảng với chức khác nhau: Bảng 3.1 Thõng sốcài đặt cho tay điểu khiển STT Hình 2.3: Thuật tốn thực tế ảo THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG MỒ PHỎNG 3.1 Thiết kế phần cứng hệ mơ Nhóm tác giả xây dựng cấu trúc phẩn cứng hệ thống mô bao gồm hình cảm ứng HMI vỉ báo cháy Tủ báo cháy bao gồm hình cảm ứng HMI vỉ báo cháy.Trong đó, hình HMI Delta DOP Soft B4.07 có chức điều khiển trung tâm để giao tiếp vỉ báo cháy phần mểm mơ Trên hình thể giao diện vị trí lắp đặt cảm biến tàu Từ đó, thuyền viên dễ dàng quan sát xác định vị trí xảy cháy Ngồi ra, hình cịn thiết kế thêm tính lịch sử báo động, ngày xảy báo động giao diện kiểm tra chức hệ thống định kì Tiếp theo, nhóm tác giả sử dụng vỉ báo cháy bao gồm zones đầu vào tương ứng với đầu Mỗi zone kết nối với cảm biến khói cảm biến nhiệt, nút ấn trường hợp xảy cháy nổ đầu vào vỉ báo cháy nhận giá trị, vượt ngưỡng báo động hệ thống thơng báo cịi, đèn Đổng thời, đưa tín hiệu hiển thị lên hình đầu vỉ giúp người vận hành dễ dàng quan sát xử lý [3] Hình 3.1 bao gồm tủ báo cháy với hình cảm ứng HMI Ngồi ra, nhóm tác giả đưa bên ngồi với zones để thử nghiệm cháy khu vực tàu khác Khi có cháy, tín hiệu đưa đèn cịi để Hình 3.1: Tủ báo cháy cảnh báo vị trí cháy 146 Nút chức Hai bàn tay trái, phải Phím A,B Nhảy qua vật cản Nút D,E Đẩy, ấn chạm đối tượng NútG Va chạm hai chân NútH Cẩm, nắm vật thể Xuất phát từ thuật toán xử lý nhận diện mục 2.3 nhóm tác giả chuyển đổi xây dựng chương trình điều khiển tảng Unity với ngơn ngữ lập trình c#nhưsau - ArmAnimator.es: Được dùng để giả lập chức năn cánh tay; HeadAnimator.es: Thiết lập đầu nhân vật; LegAnimator.es: Được hoạt động giống chân n Để tương với đối tượng khơng gian xung quanh, nhóm tác giả xây dựng va chạm phận với vật thể giống thực tế [4] - HumanoidCollisionHandler.es: Tương tác tay đ tượng vật thể; - FootPhysics.cs:Thiết lập lực vật lý với chân Sau lập trình, nhóm tác giả nhúng code lệnh vằo đối tượng nhân vật Trên Hình 3.3 thể vị trí điều khiển, đường thẳng giống xương người Để nhân vật hoạt động nhóm tác giả điểu khiển thơng số gán vào đố tượng Ngồi ra, xung quanh kính bao gồm camera để quét mơi trường xung quanh, từ tác giả xây dựng khơng gian mơ Hình 3.3: Mơ hình ngi không gian VR 3.3 Xây dựng hiệu ứng đám cháy Để đám cháy mơ giống thực tế, nhóm tác giả tạo hiệu ứng mô giống mục 2.1 Từ công thức (1), (2) (3) chuyển đổi đưa vào tập lệnh KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 10 mơ-đun thêm vào đối tượng - FireChange.cs: Được điểu chỉnh thông qua thời gian háy, vật liệu cháy; - FireParticle.cs:Thay đổi hiệu ứng cháy, khói độ ao phủ; - FireSound.es: Tạo âm phụ thuộc vào kích gian ảo, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm hệ thống phịng thí nghiệm mơ Vỉ báo cháy kết nối với hình cảm ứng HMI, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm cháy giả với loại cảm biến khói cảm biến nhiệt vị trí tàu tước đám cháy; - FireCollision.cs: Giúp tương tác có thiết bị hữa cháy Tiếp theo, nhóm tác giả thêm đoạn code vào đối ượng mô đám cháy để tạo hiệu ứng sát thực ế Khi xảy cháy vị trí khác nhau, đám cháy ẽ xuất hình thành dựa theo yếu tố có sẵn ihiều tùy thuộc môi trường mô loại tàu iình 3.4 Hình 4.1: Phần cúng hệ thống mõ phổng Khi đó, hình cảm ứng xuất đèn màu đỏ nhấp nháy vị trí phịng máy, thời đèn đỏ tủ sáng báo hệ thống chữa cháy hoạt động Tiếp theo, Hình 3.4: Đám cháy mõ Tiếp theo, nhóm tác giả xây dựng đám khói, hướng chói phụ thuộc vào vị trí cháy Với vị trí có yếu tố ánh hưởng khác thời tiết, điểu kiện mơi trường thư Hình 3.5 nhóm tác giả tiến hành mơ khơng gian ảo Khi có tín hiệu cháy xuất hiện, máy tính mị nhận tín hiệu hiển thị khu vực cháy Nhóm tác giả thử nghiệm với khoang máy gặp cố dẫn đến hỏa hoạn, cảm biến khói cảm biến nhiệt lắp kết nối đến Zone Đèn báo khu vực buồng máy cháy sáng nhấp nháy tủ điểu khiển, cịi kêu Từ đó, tín hiệu xử lý đưa vào phần mềm mô Hình 4.2 Hình 3.5: Mơ phóng khói Ngồi ra, xảy hỏa hoạn, hệ thống chữa cháy kích hoạt kịp thời dập tắt đám cháy Để mô tính này, nhóm tác giả tạo hạt nước với tốc độ, hình dạng hướng khác Hình 3.6 - WaterFall.cs: Thực chức điểu chỉnh tốc độ, hướng nước, mức nước Khi hệ thống chữa cháy kích hoạt, tùy thuộc vào mức nước, nhóm tác giả xây dựng tương tác đám cháy dịng nước để dập tắt đám cháy Hình 4.2: Khoang máy xảy hỏa hoạn Để người vận hành có nhìn trực quan, nhóm tác giả thử nghiệm với kính thực tế ảo VR Học viên đeo kính thực tế ảo tay điéu khiển để thao tác với thiết bị chữa cháy tàu giống với thực tế thể Hình 4.3 Hình 3.6: Hiệu ứng tia nuúc CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Sau thiết kế xong giao diện điều khiển, phần cứng hệ thống báo cháy phần mềm mơ khơng Hình 4.3: Kết họp kính ƯR mơ phóng 147 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 Trên Hình 4.3 thể học viên thao tác với hệ thống mô Học viên thao tác tay thơng qua tay điểu khiển kính thực tế ảo Kính qt khơng cầu huấn luyện, đáp ứng yêu cấu đặt ngànl Hàng hải gian bên tiến hành xây dựng không gian KẾT LUẬN mô Đối với không gian hẹp, hệ thống tự động kết Hệ thống mô báo cháy, chữa cháy bước đẩi thúc mơ gửi tín hiệu vể máy tính giáo viên Qua đó, q trình tương tác người với hệ thống dễ xây dựng thành công mơ hình tàu, thiết bị chữa chá) Chất lượng hệ thống đạt 85% so với hệ thống trêr dàng giới giảm đáng kể vế giá thành Mơ cá< Nhóm tác giả thử nghiệm tình có cháy xảy hiệu ứng, thuật tốn điều khiển giao tiếp phấr ra, thuyền viên tiến hành mặc áo chống cháy tìm đến khu vực xảy cháy để tiến hành dập lửa Quẩn áo thiết bị phù hợp với tính chất hoạt động cứu hỏa Thời gian trình tự hoạt động riêng rẽ phù hợp với hoàn cảnh tình trạng mơ sẵn có Thuyền viên phải sử dụng thiết bị động để dập tắt đám cháy chập điện, cháy dẩu, cháy proban Tại thao tác đúng, nhóm tác giả lập trình để đưa kết cho trình huấn luyện đánh giá học viên Kết mô trình mặc áo bảo hộ mang bình chữa cháy đến khu vực cháy Hình 4.4 cứng tủ báo cháy, phần mềm mơ kính thực tế ảo Hình 4.4: Mơ quẩn áo bảo hộ chống cháy Từ q trình thử nghiệm, nhóm tác giả so sánh đánh giá chức hệ thống mô so với số hãng giới, kết thể Bảng 4.1 Bảng 4.1 Đánh giá chúc hệ thống Tham số STT Chức Mô tàu Mô đám cháy Mô hiệu ứng cháy Mô hiệu ứng nước Mơ thực tế ảo trình trang bị quần Transas Hệ mô 100% 90% 85% 100% 100% 95% 100% 78% 90% 100% Mô 100% 80% áo bảo hộ Kết so sánh Bảng 4.1, nhóm tác giả nhận thấy hệ thống đáp ứng bàn yêu cầu huấn luyện báo cháy chữa cháy tàu thủy đảm bảo u 148 qua giúp nâng cao q trình huấn luyện nhằm đảm bảc chất lượng đào tạo hạn chế rủi ro thực tế Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Đề tài mã số DT21-22.51 Tài liệu tham khảo [1] Lei Zhang, Gaofeng Wang (2009), Design an Implementation of Automatic Fire Alarm System basec on Wireless Sensor Networks, Proceedings of the 200S International Symposium on Information Processing [2] Ge Beibei, Liang Jingguo, Li Yizhen (2011), Ship fi emergency management simulation system [J], Heilongjiang Science and Technology Information, 6, pp.20-21 [3] Đoàn Hữu Khánh, Lưu Văn Thủy, Nguyễn Văn Hùn Bùi Thành Đạt, Nguyên Xuân Thịnh, Phạm Minh Thảo (2018), Thiết kế hệ thống báo cháy xây dựng ứng dụng giám sát, điều khiển, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ hàng hải [4] Song Qiaoqiao (2011), Research and implementatio of ship intelligent damage management system based on VirtoolsfD], Central South University, 1, pp.46-49 Ngày nhận bài: 18/5/2022 Ngày chấp nhận đăng: 27/7/2022 Người phản biện: PGS.TS.Trần Anh Dũng TS Nguyễn Hữu Quyền ... Thuật tốn thực tế ảo THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG MỒ PHỎNG 3.1 Thiết kế phần cứng hệ mơ Nhóm tác giả xây dựng cấu trúc phẩn cứng hệ thống mô bao gồm hình cảm ứng HMI vỉ báo cháy Tủ báo cháy bao... chúc hệ thống Tham số STT Chức Mô tàu Mô đám cháy Mô hiệu ứng cháy Mô hiệu ứng nước Mô thực tế ảo trình trang bị quần Transas Hệ mô 100% 90% 85% 100% 100% 95% 100% 78% 90% 100% Mô 100% 80% áo bảo... kính thực tế ảo VR Học viên đeo kính thực tế ảo tay điéu khiển để thao tác với thiết bị chữa cháy tàu giống với thực tế thể Hình 4.3 Hình 3.6: Hiệu ứng tia nuúc CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Sau thiết