Sử dụng bộ điều khiển PLC và phần mềm unity 3d trong thiết kế hệ thống mô phỏng thực tế ảo chống chìm tàu

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 Sử dụng điều khiển PLC phần mềm Unity 3D thiết kế hệ thống mơ thực tế ảo chống chìm tàu ■ 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 số phương pháp xây dựng mơ hình tàu thủy với cố chìm tàu xảy dựa tảng Unity 3D Trên giới, an toàn tàu vấn đề quan trọng từ tàu phát minh Do đó, xây dựng hệ thống mơ tàu giúp khắc phục thiệt hại tài sản người huấn luyện Bên cạnh đó, báo trình bày bước tối ưu để giao tiếp phần cứng PLC, kính thực tế ảo phần mềm Unity 3D Cuối cùng, thiết kế hệ thống thực tế ảo chống chìm tàu giúp thử nghiệm, đánh giá học viên sĩ quan trước xảy tình thực tế TỬ KHĨA: Mơ chống chìm tàu, VR Unity 3D chống chìm tàu thủy, thiết kế thực tế ảo tàu thủy ABSTRACT: The purpose of the paper is the simulation of model ship based on the virtual reality platform of Unity 3D In the world, Ship safeties were an important problem since the ship invention Therefore, building a simulation system to help overcome the damage to property and people when training In addition, this paper presents the optimal steps for communication between PLC hardware, VR headset and Unity 3D software Finally, the design of an anti-sink virtual reality system helps to test and evaluate cadets and officers before a real-life situation occurs KEYWORDS: Ship simulation, VR ship, Anti-Sink Ship, safety transportation ĐẶTVẤNĐỂ Tàu thủy đời sống xã hội người có vai trị khơng thể thay vận chuyển người, hàng hóa, quân sự, khoa học nghiên cứu số mục đích khác Do đó, vận hành biển khơng tránh khỏi tình nguy hiểm đâm băng, va chạm lật tàu dẫn đến nguy chìm tàu gây thương vong thiệt hại vể tài sản khắc phục tàu Titanic Năm 2020, tàu Xin Hong quốc tịch Panama chở đất sét bị chìm gấn đào Phú Quý khiến 15 người tích Năm 2021, cano chở 13 người khu vực Cửa Đại khiến 13 người tử vong Vì vậy, việc xây dựng hệ thống tổ hợp mô thực tế ảo chống chìm tàu thủy cần thiết, đáp ứng yêu cầu huấn luyện [1,2], Việt Nam nước có bờ biển dài 3.260 km với nhiều tuyến hàng hải quốc tế quan trọng qua Do đó, nhu cầu cung cấp nguồn nhân lực chất lượng cao ngành Hàng hải ngày quan trọng nâng tầm khu vực Hiện nay, hệ thống mơ chống chìm tàu với cơng nghệ thực tế ảo chưa có Việt Nam Đối với hệ thống này, trang thiết bị phục vụ cứu hộ, chống chìm mơ hình tàu bao gồm buồng lái, buồng máy vị trí thực tế tàu nhóm tác giả xây dựng khơng gian ảo từ mơ hình tàu thật Từ đây, người vận hành tương tác trực tiếp với thiết bị giống với thực tế tàu thật Đặc biệt, hệ thống kết nối thành công với hệ thống mơ lái tàu để mơ hải trình dẫn đến xảy cố đâm va biển Vì vậy, học viên hồn tồn cảm nhận rung lắc, âm thực tế buồng máy số khu vực tàu giúp trình huấn luyện đạt độ xác cao Ngồi ra, hệ thống mô xây dựng dựa tiêu chuẩn nêu bảng A-VI/1 -2 Công ước STCW78 sửa đổi năm 2010 Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) Tiêu chuẩn vể khẩn cấp, an toàn nghề nghiệp, an ninh, chăm sóc y tế chức nàng cứu sinh để xây dựng lên hệ thống mô chống chìm; xây dựng huấn luyện sát với thực tế để học viên nắm vững kiến thức, kĩ cứu sinh biển , chuẩn bị kiến thức tâm lý tốt để đối phó với cố bất thường biển Bài báo xếp theo thứ tự sau: Mục trình bày số sở lý thuyết thuật toán xây dựng mơ hình Mục trình bày bước thiết kê' mơ hình tàu giao diện điểu khiển Mục thực q tình mơ chống chìm tàu với yêu cầu cho trước phần cuối kết luận Cơ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DựNG CẤU TRÚC, THUẬT TỐN MƠ PHỎNG 2.1 Cơ SỞ lý thuyết thiết kê tàu thủy Trước xây dựng hệ thống mơ chống chìm tàu, nhóm tác giả tiến hành khảo sát kết cấu tàu thật, đồng thời nghiên cứu vẽ cấu trúc tàu Độ mớn nước hay cịn gọi độ chìm tàu tính từ đáy tàu đến mặt nước với phương thẳng đứng vng góc với mặt nước Khi tàu bị hư hỏng, phận gia công tàu chuyển sang trạng thái có diện tích mớn nước lớn thời gian ngắn, tránh tình trạng chìm tàu Đây yếu tố quan trọng liên quan đến thiết kế tàu Nhóm tác giả khảo sát tàu Ocean Right đóng năm 2009 với thơng số Bảng 2.1: 127 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 Bảng 2.1 Thõng số tàu Ocean Right STT Thông số Thực tê' Chiểu dài 160 m Chiều rộng 30 m Chiều cao mạn 14,7 m Chiều chìm 9,0 m Mớn nước chuẩn 9,75 m Tải trọng 34.000 T đảm bảo hàng hóa người an toàn 2.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống mô Sau nghiên cứu cấu trúc tàu, nhóm tác giả tiến hành xây dựng cấu trúc hệ thống mơ Hình 2.4 Nguồn: Tài liệu thiết kế tàu Ocean Right Hình 2.1: cấu trúc khoang tàu Hình 2.4: cấu trúc phần cúng hệ thống mõ Hình 2.1 thể thân tàu chia làm khoang, có khoang hàng hóa khoang bng máy Cấu trúc hệ thống mơ Hình 2.4 chia làm phần sau: - Phần 1: Máy tính giáo viên: Có chức giám sát đưa yêu cầu huấn luyện học viên Bên cạnh đó, sau học viên kết thúc thực hành có bảng chấm điểm để theo dõi đánh giá - Phần 2: Máy tính mơ có nhiệm vụ thiết lập không gian thực tê' tàu vận hành biển Máy tính mỏ nhận liệu từ máy tính giáo viên hiển thị tình cho trước thêm vận hành giáo viên Ngồi ra, học viên trang bị kính thực tế ảo, giúp học viên có cảm giác tàu thật Các học viên khác quan sát trình kiểm tra hình máy chiếu - Phần 3: Bộ điểu khiển trung tâm (PLC) hình cảm ứng (HMI) có chức hiển thị trạng thái tàu, khu vực chìm tàu đưa tín hiệu đầu điều khiển để hiển thị giúp học viên dễ dàng theo dõi 2.3 Xây dựng thuật tốn hệ thống mơ Sau thiết kế cấu trúc phần cứng hệ thống mơ phỏng, nhóm tác giả tiến hành xây dựng thuật tốn cho hệ thống mơ chống chìm tàu Hình 2.2: cấu trúc đáy tàu Ngồi ra, tàu thiết kế với đáy đơi độ dày kích thước đáy mạn tàu cho trước Hình 2.2 Dựa vào đó, nhóm tác giả tính tốn xây dựng phần mềm họa 3D Dựa cách bố trí hàng hóa tàu kết hợp với độ mớn nước tàu, nhóm tác giả nghiên cứu số nguy dẫn đến chìm tàu Hình 2.3: Các trạng thái vị trí thủng vỏ tàu Một số vị trí tàu bị đâm thủng trạng thái cửa chắn đáy tàu thể Hình 2.3 Trong trường hợp nguy hiểm, nút đáy rò rỉ nước máy dị gửi tín hiệu báo động cho buồng lái đồng thời báo động toàn tàu [4], Khi đó, thủy thủ đóng, mở cửa chắn dùng thiết bị chuyên dụng để chống chìm tàu, qua giúp 128 Hình 2.5: Thuật toán truyền nhận xử lý liệu hệ thống mơ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 cấu trúc thuật tốn mơ thể hình bao gồm khối sau: - Khối đầu vào: Trong khối liệu ban đầu nhóm tác giả xây dựng với 10 kịch khác Tuy nhiên, giáo viên tự tạo tình để đưa vào máy tính giáo viên - Khối máy tính giáo viên nhận liệu từ giáo viên chạy chương trình, khởi tạo kết nối truyền nhận liệu Tại đây, liệu truyền theo chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP giúp đảm bảo xác liệu Bên cạnh đó, hình ảnh 2D, giao diện điều khiển hiển thị để sẵn sàng chạy hệ thống - Khối máy tính mó sau nhận liệu cài đặt thông số lấy liệu mơ hình 3D từ sở liệu để mô thực tế ảo - Khối phần cứng: PLC hình HMI nhận tín hiệu từ phẩn mểm mô thông qua mạng truyền thông ModbusTCP để hiển thị cho học viên - Khối phản hói: Sau kết thúc q trình mơ phỏng, phần mểm xuất báo cáo đánh giá dựa sở đưa mức điểm cho giáo viên Bên cạnh đó, liệu sau q trình thực hành lưu lại sở liệu phục vụ sau THIẾT KÊ MƠ HÌNH TÀU TRONG UNITY3D 3.1 Thiết kế phần cứng hệ mô Để hiển thị trạng thái hệ thống mô thông qua phần cứng, nhóm tác giả thiết kế lập trình PLC hình HMI hãng Delta Đây thiết bị với cấu hình mạnh, qua giúp dễ dàng tương tác với người vận hành Hình 3.2: Tủ phẩn cúng PLC TìíHình 3.2, điểu khiển PLC kết nối với mô-đun mở rộng đấu vào, sau đưa cầu đấu để đến thiết bị còi đèn báo động 3.2 Xây dựng mơ hình 3D tàu thủy Hiện nay, có nhiều phẩn mềm hỗ trợ đồ họa thiết kế vật thể 3D với ưu điểm riêng Trong hệ thống mơ này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm đố họa Blender Sketchup Đây hai phần mềm hỗ trợ xây dựng 3D với nhiều công cụ, mô hình kết xuất hình ảnh chất lượng cao Dựa vẽ thiết kế tàu Ocean Right, buồng lái buổng máy, nhóm tác giả tập trung xây dựng số thiết bị khu vực THONG HUÂN LUYỆN MỌ PHONG CHONG CHIM TAƯ THÚY Hình 3.1: Màn hình giao diện HMI Hình 3.1 bao gồm vị trí khoang máy với buồng máy chính, buồng máy phụ hệ thống két dẩu DO Ngoài ra, nhóm tác giả thiết kế thêm đèn báo có chìm số vị trí quan trọng tàu để thuyền viên dễ dàng quan sát Các giao diện lịch sử báo động, cài đặt cho hệ thống lập trình mơ Tiếp theo, nhóm tác giả kết nối hình cảm ứng, điểu khiển PLC để hiển thị hướng đến huấn luyện báo động tồn tàu Khi có báo động rị rỉ tàu, học viên quan sát bảng điện tử bảng đèn thiết kế vị trí tầu thật Đổng thời, học viên tương tác hình cảm ứng xác nhận cố, xem lịch sử báo động sau xảy cố Hình 3.3: Bản vẽ bõ'trí bng máy Chi tiết vị trí thiết bị nhóm tác giả dựng khơng gian 3D phẩn mềm Blender thể Hình 3.3 Máy chính, buổng điểu khiển máy lái buồng điện tác giả dựng lên với kích thước số chức sát với thực tế thể Hình 3.4 129 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 0Ĩ/2022 Hình 3.4: Mơ hình buồng máy 3D Yếu tố hiệu ứng có nước rị rỉ vào thân tàu quan trọng mị chống chìm tàu, nhóm tác giả đâ tạo nhiều hiệu ứng cho đối tượng nước tùy theo mức độ mơ Hình 4.1: cửa sổ chỉnh thời tiết Bên cạnh thời tiết, môi trường băng tuyết gây nên cố chìm tàu Do đó, nhóm tác giả tạo mơi trường với nhiều vật thể băng trơi q trình huấn luyện Để thiết kế môi trường này, tác giả xây dựng mơ hình phần mểm 3D sau thêm chúng vào phần mềm Unity 3D.Tiếp theo, gán từ tập lệnh vào đối tượng để thực chức mơ Hình 4.2 Hình 3.5: Hiệu ứng nuớc Hình 3.5 mơ tả nhiều hình dạng mức độ nước, đối tượng cài đặt điểu chỉnh thông số thông qua tập lệnh WaterParticle.cs Dữ liệu truyền nhận đến máy tính giáo viên giúp dễ dàng điều chỉnh trình mơ phù hợp tốn cụ thể MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CHỐNG CHÌM 4.1 Yếu tố tác động đến tàu thủy Để mô đối tượng tàu thật, yếu tố động lực học tàu thủy mơi trường ảnh hưởng đến tàu hành trình biển Do đó, để tăng mức độ mơ thực tế hơn, nhóm tác giả thêm số tác động gây nên thời tiết môi trường vào hệ thống mơ Trước tiên, nhóm tác giả tạo môi trường biển với số chức nhiễu dịng hải lưu, bể mặt sóng mức độ sóng Các chức chuyển đổi sang ngơn ngữ lập trình C# gán vào đối tượng trước tiến hành chạy hệ thống Tiếp theo, yếu tố tác động thời tiết môi trường, hệ thống này, nhóm tác giả mơ thời tiết thay đổi theo mùa, thời gian ban ngày đêm sau: - EnviroSky.es: Dùng để tạo bầu trời; - SkyRendering.es: Tạo hình ảnh chất lượng mơ phỏng; - VolumeClouds.es: Hiệu ứng đám mây; - VolumeLight.es: Hiệu ứng ánh sáng Sau tạo thuộc tính, tác giả thiết lập đưa vào không gian 3D thể Hình 4.1 BO Hình 4.2: Hiển thị mõi truòng băng 4.2 Chạy thử nghiệm hệ thống Trong phẩn này, nhóm tác giả tập trung thử nghiệm mơ chống chìm với số chức giao tiếp phần cứng HMI, PLC phần mềm mô Tiếp theo, thử nghiệm không gian thực tế ảo Để thử nghiệm tính này, hệ thống mơ cần kết nối kính thực tế ảo VR Hình 4.3: Kính ƯR máy tính mơ * Thử nghiệm hoạt động hai tàu đâm va: Trước tiên, nhóm tác giả chọn tình hai tàu hành trình biển có đâm va dẫn đến rị rỉ, thủng tàu chủ Hình 4.4 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 0612022 Bảng 4.1 Đánh giá chúc hệ thống Tham số STT Transas Hệ mô Mô tàu 100% 90% Mô va chạm 100% 85% Mơ hiệu ứng chìm tàu 100% 95% Mơ bảng điện, buồng máy 100% 78% Hình 4.4: Hình ảnh tàu đâm Khi xuất hiện tượng rò ri nước vào số khoang tàu, người vận hành xác định vị trí đeo kính VR tiến hành mơ q trình chống chìm tàu Chức Từ kết q trình mơ Bịng 4.1, nhóm tác giả thử nghiệm hệ thống đưa số chỉnh định hệ thống mơ chống chìm sát với thực tế KẾT LUẬN Hình 4.5: Nuớc rị vào khoang máy Ngồi ra, liệu cịn gửi đến PLC hình cảm ứng HMI để giám sát Qua đó, học viên quan sát thao tác khắc phục cố * Thử nghiệm hoạt động với yếu tố mơi trường: Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm với môi trường băng tuyết, tàu di chuyển mòi trường va chạm vào băng dẫn đến thủng tàu Với thiết bị chuyên dụng, thuyền viên sử dụng thực hành huấn luyện chống chìm Hệ thống mơ chống chìm tàu thủy bước đầu mô thành công số khu vực chìm tàu ảnh hưởng nghiêm trọng tới tàu vận hành Dựa kết so sánh với hệ thống số hãng lớn hệ thống mơ đạt đến 80 - 85% yêu cầu tốn chức mơ Ngồi ra, nhóm tác giả kết nối thành công phần cứng PLC, HMI phấn mềm mô Tuy nhiên, tương lai, để đáp ứng yêu cầu huấn luyện cao, nhóm tác giả tiến hành khảo sát nhiều loại tàu khác nhau, từ xây dựng nhiều mơ hình tàu 3D để phục vụ huấn luyện mơ tồn tàu 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], Resobowo D 5, Buda K A, Dinariyana A A B (2014), Using sensitivity analysis for selecting of ship maintenance variables for improving reliability of military ship, Academic Research International, (2): 127 [2] Stumme G, Taouil R, Bastide Y, et al (2002), Computing iceberg concept lattices with TITANIC, Data & knowledge engineering, 42 (2): 189-222 [3] https://www.transas.com/voyage/simulation-andtrainingNTPR4000 - Leaflet - prev/ simulation-and-training (truy cập ngày 02/3/2022) [4], Yan Ji (2017), Anti-Sink Ship Safety Realized by Hull Mechanical Structure Design: Mobile Carry Cargo Buoyancy Tanks, American Journal of Mechanical and Industrial Engineering, 194-197 Hình 4.6: Sự cố tàu chạm với băng * Thử nghiệm yếu tố chim tàu: Trong báo này, nhóm tác giả tạo nhiều huấn luyện chống chìm tùy thuộc vào yêu cầu đặt Một số kịch xây dựng với nhiều cố khác dẫn đến phải rời tàu, từ giúp học viên giáo viên có nhiều kinh nghiệm kiến thức Từ trình mơ phỏng, nhóm tác giả so sánh với hệ thống mơ giới, điển hình Transas đưa kết đánh giá phần trăm dựa chức Bảng 4.1: Ngày nhận bài: 17/4/2022 Ngày chấp nhận đăng: 04/5/2022 Người phản biện: PGS.TS.Trần Anh Dũng ThS Lé Văn Tâm 131 ... thực hành lưu lại sở liệu phục vụ sau THIẾT KÊ MƠ HÌNH TÀU TRONG UNITY3 D 3.1 Thiết kế phần cứng hệ mô Để hiển thị trạng thái hệ thống mơ thơng qua phần cứng, nhóm tác giả thiết kế lập trình PLC. .. hình 3D tàu thủy Hiện nay, có nhiều phẩn mềm hỗ trợ đồ họa thiết kế vật thể 3D với ưu điểm riêng Trong hệ thống mơ này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm đố họa Blender Sketchup Đây hai phần mềm hỗ... trường băng tuyết, tàu di chuyển mòi trường va chạm vào băng dẫn đến thủng tàu Với thiết bị chuyên dụng, thuyền viên sử dụng thực hành huấn luyện chống chìm Hệ thống mơ chống chìm tàu thủy bước đầu