Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa trên khả năng quay trở của tàu

Bài viết Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa trên khả năng quay trở của tàu đề xuất mô hình mới về vùng nguy hiểm quanh tàu, xem xét khả năng quay trở của tàu mục tiêu và xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa hai phương pháp thống kê (statistical approach) và giải tích (analytical approach). Mô hình áp dụng trong tình huống đối hướng giữa hai tàu và áp dụng được trên nhiều vùng biển khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải Xác định Vùng Nguy Hiểm Xung Quanh Tàu Dựa Trên Khả Năng Quay Trở Của Tàu Đinh Gia Huy Viện Hàng Hải Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam huy.dinh@ut.edu.vn Trần Anh Kha Sinh viên Viện Hàng Hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 1951220060@sv.ut.edu.vn Tóm tắt—Vùng nguy hiểm xung quanh tàu (ship safety domain) lý thuyết quan trọng để đánh giá rủi ro nguy đâm va biển, nhắc đến lần vào năm 1971 Fuji, nghiên cứu vấn đề đạt nhiều thành tựu tiếp tục phát triển theo thời gian Bài báo đề xuất mơ hình vùng nguy hiểm quanh tàu, xem xét khả quay trở tàu mục tiêu xây dựng dựa kết hợp hai phương pháp thống kê (statistical approach) giải tích (analytical approach) Mơ hình áp dụng tình đối hướng hai tàu áp dụng nhiều vùng biển khác Mơ hình đóng góp đáng kể việc đánh giá rủi ro đâm va thuộc lĩnh vực an tồn hàng hải tâm nhiều vùng nguy hiểm xung quanh tàu (ship safety domain-SSD) SSD đề cập lần vào năm 1971 Fuji nghiên cứu SSD đạt nhiều thành tựu tiếp tục phát triển Các phương pháp để xác định SSD đa dạng, trước chủ yếu dựa vào phương pháp khảo sát thống kê phân tích liệu [2]-[4] Phương pháp tiếp tục phát triển thay radar AIS để có nguồn liệu tiên tiến, tối ưu [5] Mặc dù phương pháp cần lượng lớn liệu liên tục cập nhật khu vực khảo sát bị hạn chế áp dụng cho nhiều khu vực khác nhau, nhiên phương pháp tính tốn đến yếu tố người việc xác định vùng nguy hiểm SSD Bên cạnh đó, số SSD áp dụng phương pháp toán học (dựa vào yếu tố như: tốc độ, vị trí, hướng tàu,…) đưa mơ hình có độ xác cao áp dụng cho nhiều khu vực khác với liệu [6] Tuy nhiên phương pháp tốn học cịn khó khăn việc tính tốn yếu tố mơi trường người Bài báo giới thiệu ý tưởng việc xây dựng SSD áp dụng cho nhiều khu vực khác nhau, tính tốn hạn chế tác động môi trường đến hành động tránh va cách xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu không phép xâm nhập trường hợp đối hướng, hỗ trợ việc lựa chọn thời điểm tránh đâm va cho sỹ quan tàu biển hướng tới áp dụng cho hệ thống tránh va tự động tàu biển tương lai Từ khóa—Vùng nguy hiểm, phương pháp đánh giá rủi ro, khả quay trở I GIỚI THIỆU Tai nạn đâm va tai nạn xảy thường xuyên biển Tại Việt Nam theo báo cáo tình hình tai nạn hàng hải năm gần Cục Hàng hải Việt Nam, số lượng tai nạn đâm va chiếm gần 80% vụ tai nạn xảy cho tàu biển Việt Nam Các vụ tai nạn xảy đến từ nhiều nguyên nhân khác hậu vô nghiêm trọng người, vật chất môi trường biển Trong nhiều thập kỷ qua, vấn đề thu hút nhiều nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp hạn chế ngăn ngừa tai nạn đâm va, nhiên đến tỉ lệ xảy tai nạn biển xảy mức cao có nhiều nguyên nhân dẫn đến tai nạn người khơng thể kiểm sốt Theo thống kê có đến 80% nguyên nhân vụ tai nạn đâm va xảy đến từ lực xử lý tình thuyền viên [1] Do đó, việc tự động hóa tàu nhằm giảm bớt áp lực hỗ trợ cho thuyền viên nhà nghiên cứu giới hướng đến, có lĩnh vực nhận nhiều quan II CƠ SỞ XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH Từ việc xây dụng SSD dựa khả quay trở tàu, cần phân tích lựa chọn khoảng cách liên quan đến việc thực tránh va để xây dựng mơ hình cách tối ưu 245 Đinh Gia Huy, Trần Anh Kha Hình Vịng quay trở tàu Các khoảng cách áp dụng để xây dựng mơ hình là:  Advance: Khoảng cách tính từ trọng tâm tàu vị trí từ bắt đầu bẻ lái đến quay 90º theo chiều dọc tính hướng chuyển dịch, gọi khoảng dịch chuyển dọc;  Transfer: Khoảng dịch chuyển theo chiều ngang khoảng cách tính từ trọng tâm tàu quay 90ºđến hướng ban đầu theo chiều ngang Trong tình tiếp cận tàu, chia làm ba loại là: Đối hướng, cắt hướng, vượt Cơ sở xác định mơ hình báo áp dụng trường hợp đối hướng có góc từ 6-7 độ hai bên mũi tàu theo quy tắc 14 COLREG 72 Hình Phân biệt tình tiếp cận Để xác định SSD, việc lựa chọn tiêu chí an tồn cho SSD quan trọng Theo khảo sát tiêu chí an tồn SSD khác nhau, nhìn chung tiêu chí an tồn thường lựa chọn là:  Tiêu chí 1: Tàu mục tiêu khơng nên vào vùng phía SSD tàu chủ;  Tiêu chí 2: Tàu chủ khơng nên vào vùng phía SSD tàu mục tiêu; 246 Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa khả quay trở tàu  Tiêu chí 3: Cả hai SSD tàu chủ tàu mục tiêu không nên xâm phạm nhau; hành động tránh xâm nhập vào SSD tàu mục tiêu đảm bảo khoảng cách an toàn hai tàu  Tiêu chí 4: Cả hai SSD tàu chủ tàu mục tiêu nên xâm phạm vào Bên cạnh lựa chọn tiêu chí an tồn cho SSD, phương pháp để xác định đường biên SSD quan trọng không Khoảng cách tối thiểu để tránh va điều kiện hàng hải phụ thuộc vào khả điều động tàu, yếu tố môi trrường điều kiện giao thông thực tế tạo nên độ phức tạp cho tình tránh va Phần lớn SSD thiết kế theo tiêu chí tiêu chí Đối với hai tiêu chí này, quan điểm xác định khoảng cách an toàn tránh va hồn tồn đối ngược Với tiêu chí 1, dẫn đến việc tàu chủ bị động việc tránh va trường hợp tàu chủ giữ hướng tàu mục tiêu nhường đường, tàu mục tiêu không thực hay thực hành động tránh va không kịp thời buộc tàu chủ phải hành động, lúc nguy đâm va xảy Thay vào đó, tiêu chí tương tự tiêu chí giúp tàu chủ chủ động đưa Vì vậy, yếu tố liên quan đến xác định đường biên mơ hình cân nhắc phương pháp xác định miền khác Bảng I mô tả số yếu tố thường lựa chọn nghiên cứu SSD BẢNG I CÁC YẾU TỐ THƯỞNG ĐƯỢC TÍNH ĐẾN TRONG NGHIÊN CỨU SSD Tốc độ Tác giả Chiều dài tàu Khả quay trở OS TS OS TS Fuji and Tanaka, 1971 No No Yes Yes No Goodwin, 1975 Yes Yes Yes No No Coldwell, 1983 Yes No No No No Zhu et al., 2001 No No Yes Yes Yes Wang et al., 2010 Yes Yes Yes Yes Yes Dinh and Im, 2016 No Yes Yes Yes Yes Trong báo này, tiêu chí lựa chọn, kết hợp với mơ hình SSD tàu mục tiêu trường hợp đối hướng Các yếu tố môi trường yếu tố khả điều động tàu xem xét lựa chọn làm tham số để xác định đường biên SSD Để định lượng khả quay trở tàu mục tiêu tác động môi trường q trình tránh va, phương pháp tốn học cân nhắc áp dụng III.ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH SSD Bài báo sử dụng khả quay trở tàu ngun tắc để xác định mơ hình SSD Các đoạn dịch chuyển dọc (Advance) dịch chuyển ngang (Transfer) vòng quay trở, khoảng cách vượt qua an toàn (the minimum distance for a safe passing) mục tiêu tính tốn sở để xác định mơ hình SSD Hình mơ tả hình dạng mơ hình SSD đề xuất Hình Mơ hình SSD trường hợp đối hướng đề xuất 247 Đinh Gia Huy, Trần Anh Kha Các vùng nguy hiểm xung quanh tàu xác định dựa việc tính tốn chiều dài khoảng cách phía trước mũi tàu, mạn trái, mạn phải phía sau lái kí hiệu là: Da, Dp, Ds Da A Xác định khoảng cách phía trước mũi tàu Khoảng cách an tồn phía trước mũi tàu mục tiêu phải xem xét đến khả điều động hai tàu, tình hai tàu đối hướng nhau, lúc khoảng cách Df nhỏ tổng hai đoạn dịch chuyển phía trước vịng quay trở (Advance of turning circle) tàu mục tiêu (Advt) tàu chủ (Advo) Hình mơ tả khoảng cách tránh va phía trước mũi tàu Hình Mơ tả khoảng cách phía trước tình đối hướng phía trước Trong đó, Advt khơng phát hệ thống nhận dạng tự động (AIS), cần xây dựng cơng thức dự đốn Advt tàu mục tiêu Một khảo sát thực với việc ghi lại giá trị Advt 150 tàu thương mại [7] Công thức xây dựng thông qua việc sử dụng phương pháp hồi quy có lựa chọn, mối quan hệ chiều dài, chiều rộng tàu mục tiêu kết hợp với đường hồi quy bậc 1, thiết lập, so sánh đưa kết cuối qua công thức: 𝐴𝑑𝑣𝑡 = - 0.0028513𝐿2𝑡 + 4.2668𝐿𝑡 - 81.015 ∆ = 𝑚𝑎𝑥0≤𝑖≤𝑛 √(𝑌̂𝑖 − 𝑌𝑖 )2 = 𝑚𝑎𝑥0≤𝑖≤𝑛 √𝑑𝑖2 Trong đó, Lt chiều dài tàu mục tiêu Sai số lớn việc thực hồi quy (∆) xác định giá trị dự đốn Advt (kí hiệu: 𝑌̂𝑖 ) giá trị 𝐿𝑡 (kí hiệu: 𝑌𝑖 ) hiệu suất vòng hồi quy Sai số lớn việc triển khai hồi quy (∆) tính khoảng 134,1614 m B Xác định khoảng cách phía hai bên mạn tàu Trong q trình tránh va, việc xác định thời điểm bắt đầu tránh va kết thúc hành động tránh va cần thiết nhằm đảm bảo an toàn hai tàu Trong báo, xác định điểm kết thúc hành động tránh tàu đạt góc 900 so với ban đầu theo chiều ngang tàu mục tiêu, tức khoảng cách dịch chuyển ngang trọng tâm tàu đạt 900 so với hướng ban đầu theo chiều ngang (transfer of turning circle) tàu mục tiêu (Trt) Nguyên nhân việc lựa chọn này, hai tàu hành động bẻ lái theo quy định COLREG góc lớn để xác định kết thúc tránh va tàu đạt 900 so với hướng ban đầu để đảm bao an toàn Hai tàu bẻ lái với góc vừa đủ (< 90º) để qua tàu ln chịu ứng suất mơi trường (gió, dịng chảy) lên thân tàu làm cho tàu bị trôi dạt q trình tránh va dẫn đến nguy đâm va tránh khỏi 248 Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa khả quay trở tàu Hình Ảnh hưởng gió lên vịng quay trở Khoảng cách an tồn cho tàu chủ vượt qua trường hợp đối hướng Ds Dp tàu mục tiêu tính đoạn dịch chuyển ngang Trong thực tế, Ds Dp không phụ thuộc vào chiều quay chân vịt tàu mục tiêu Bài báo giả định Ds Dp tàu mục tiêu Hình mô tả khoảng cách tránh hai bên mạn tàu mục tiêu Hình Mơ tả khoảng cách phía hai bên mạn tàu mục tiêu tình đối hướng Tương tự Advt, Trt không phát AIS, cần xây dựng cơng thức dự đốn Trt tàu mục tiêu Một khảo sát thực với việc ghi lại giá trị Trt 40 tàu thương mại Công thức xây dựng thông qua việc sử dụng phương pháp hồi quy có lựa chọn, mối quan hệ chiều dài, chiều rộng tàu mục tiêu với đường hồi quy bậc 1, thiết lập, so sánh đưa kết cuối qua công thức: ∆ = 𝑚𝑎𝑥0≤𝑖≤𝑛 √(𝑌̂𝑖 − 𝑌𝑖 )2 = 𝑚𝑎𝑥0≤𝑖≤𝑛 √𝑑𝑖2 Trong đó, Lt chiều dài tàu mục tiêu Sai số lớn thực hồi quy (∆) xác định giá trị dự đốn Trt (kí hiệu: 𝑌̂𝑖 ) giá trị 𝐿𝑡 (kí hiệu: 𝑌𝑖 ) hiệu suất vịng hồi quy Mối quan hệ chiều dài đoạn dịch chuyển ngang tàu thể qua biểu đồ (hình 7) 𝑇𝑟𝑡 = 0.0013𝐿2𝑡 + 0.7736𝐿𝑡 + 75.7891 249 Đinh Gia Huy, Trần Anh Kha 600 y = 0.0013x2 + 0.7736x + 75.7891 500 TRANSFER 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 350 LOA Hình Biểu đồ phân tán đường cong phù hợp C Xác định khoảng cách vượt an tồn TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong tình đối hướng khoảng cách Da đóng vai trị khoảng cách nhỏ để hai tàu qua an toàn sau tình tránh va, khoảng cách MinPD (Minimum passing distance) Hình mơ tả khoảng cách Da Một khảo sát thực với 60 sĩ quan hàng hải tham gia [7], từ thiết lập cơng thức sau: [1] M X Hương, “Nghiên cứu lực sỹ quan hàng hải Việt Nam xử lý tình có đâm va tàu biển trực ca độc lập,” Luận văn Tiến sĩ, Khoa học hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Hải Phòng, Việt Nam, 2020 MinPD = 7.896𝐵𝑡 + 381.03 (m) [3] E M Goodwin, “A statistical study of ship domains," The Journal of navigation”, vol 28, no 3, pp 328-344, 1975 DOI:10.1017/S0373463300041230 Trong đó, Bt chiều rộng tàu mục tiêu, MinPD khoảng cách qua an toàn IV KẾT LUẬN Bài báo cho thấy vai trò SSD ứng dụng cơng tác tránh đâm hành hải Đồng thời, đề xuất mơ hình SSD tình đối hướng kết hợp nhiều phương pháp áp dụng nhiều khu vực biển, có khả giảm thiểu rủi ro từ điều kiện tự nhiên tình đâm va Dựa vào kết nghiên cứu định hướng phát triển nghiên cứu tối ưu hóa SSD cách tính toán đến yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên vịng quay trở tàu (sóng, gió, dịng chảy,…) yếu tố cố định tàu (kích thước tàu, động cơ, bánh lái) nhằm nâng cao tính xác SSD Bên cạnh nghiên cứu thuật toán tránh va áp dụng SSD đề xuất tiến hành [2] Y Fujii, K Tanaka, “Traffic Capacity”, The Journal of Navigation, vol 24, no 4, pp 543-552, 1971 DOI:10.1017/S0373463300022384 [4] T Coldwell, “Marine traffic behaviour in restricted waters,” The Journal of Navigation, vol 36, no 3, pp 430-444, 1983 DOI:10.1017/S0373463300039783 [5] M G Hansen, T K Jensen, T Lehn-Schiøler, K Melchild, F M Rasmussen, F Ennemark, “Empirical ship domain based on AIS data,” The Journal of Navigation, vol 66, no 6, pp 931-940, 2013 DOI:10.1017/S0373463313000489 [6] N Wang, “An intelligent spatial collision risk based on the quaternion ship domain,” The Journal of Navigation, vol 63, no 4, pp 733-749, 2010 DOI:10.1017/S0373463310000202 [7] G H Dinh, N K Im, “The combination of analytical and statistical method to define polygonal ship domain and reflect human experiences in estimating dangerous area,” International Journal of e-Navigation Maritime Economy, vol 4, pp 97-108, 2016 DOI:10.1016/j.enavi.2016.06.009 250 ... Tiêu chí 1: Tàu mục tiêu khơng nên vào vùng phía SSD tàu chủ;  Tiêu chí 2: Tàu chủ khơng nên vào vùng phía SSD tàu mục tiêu; 246 Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa khả quay trở tàu  Tiêu... tàu ln chịu ứng suất mơi trường (gió, dịng chảy) lên thân tàu làm cho tàu bị trôi dạt q trình tránh va dẫn đến nguy đâm va tránh khỏi 248 Xác định vùng nguy hiểm xung quanh tàu dựa khả quay trở. .. sở để xác định mơ hình SSD Hình mơ tả hình dạng mơ hình SSD đề xuất Hình Mơ hình SSD trường hợp đối hướng đề xuất 247 Đinh Gia Huy, Trần Anh Kha Các vùng nguy hiểm xung quanh tàu xác định dựa việc