Xây dựng phần mềm giả lập các tình huống vận động tàu phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành hàng hải tại học viện hải quân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo ĐỖ HỒNG QUÂN XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIẢ LẬP CÁC TÌNH HUỐNG VẬN ĐỘNG TÀU PHỤC VỤ CƠNG TÁC GIẢNG DẠY CHUYÊN NGÀNH HÀNG HẢI TẠI HỌC VIỆN HẢI QUÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HCM 06 - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo ĐỖ HỒNG QUÂN XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIẢ LẬP CÁC TÌNH HUỐNG VẬN ĐỘNG TÀU PHỤC VỤ CƠNG TÁC GIẢNG DẠY CHUYÊN NGÀNH HÀNG HẢI TẠI HỌC VIỆN HẢI QUÂN CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 60840106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN PHÙNG HƯNG TP HCM 06 - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu cá nhân tôi, thực sở nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thực tiễn kết hợp với kinh nghiệm thực tế hướng dẫn khoa học Phó giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Phùng Hưng Các kết luận văn trung thực chưa công bố luận văn khác Các thông tin luận văn rõ nguồn gốc Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả Đỗ Hồng Quân ii LỜI CÁM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận giúp đỡ tận tình thầy cô giáo, đơn vị nơi công tác quan ban ngành khác Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới: Ban Giám hiệu, Viện Sau Đại Học, Viện Hàng Hải trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh; Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc Thầy giáo Phó giáo sư -Tiến sĩ Nguyễn Phùng Hưng trực tiếp hướng dẫn, góp ý giúp đỡ tơi với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Khoa Hàng Hải – Học Viện Hải Quân, đặc biệt ban lãnh đạo huy Khoa Hàng Hải chia sẻ kinh nghiệm chuyên môn tạo điều kiện thuận lợi giúp thu thập số liệu tài liệu nghiên cứu cần thiết liên quan tới đề tài tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè người thân gia đình động viên khuyến khích tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng năm 2020 Tác giả Đỗ Hồng Quân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chương – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu môn Vận động tàu 1.1.1 Khái quát chung Vận động tàu 1.1.2 Khái niệm định nghĩa vận động tàu 1.1.3 Phương pháp chuyển động tương đối vận động tàu 1.2 Cơ sở lý thuyết xác định vị trí tàu mục tiêu phương pháp giải tích 10 1.2.1 Tính tốn thông số tàu 10 1.2.2 Tính tốn thơng số phương vị khoảng cách đến mục tiêu 11 1.3 Giới thiệu chuẩn giao tiếp NMEA 0183 12 1.3.1 Phương thức giao tiếp thiết bị theo chuẩn NMEA 0183 13 1.3.2 Cấu trúc chung câu liệu 13 1.3.3 Cấu trúc số gói tin theo tiêu chuẩn NMEA 0183 giả lập phần mềm 17 1.4 Khái quát phần mềm lập trình Microsoft Visual Studio 21 iv Tổng kết Chương 23 Chương - PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM 24 2.1 Phân tích 24 2.2 Thiết kế phần mềm 25 2.2.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống phần mềm 25 2.2.2 Sơ đồ chức hệ thống phần mềm 28 2.2.3 Yêu cầu, tính hệ thống phần mềm 31 2.3 Thiết kế giao diện người dùng 33 2.3.1 Giao diện phần mềm SMSS-Master 33 2.3.2 Giao diện phần mềm SMSS-Slaver 37 Tổng kết chương 39 Chương - CÀI ĐẶT VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM 40 3.1 Giới thiệu phần mềm bổ trợ cho hệ thống mô 40 3.1.1 Phần mềm Hiển thị thông tin hải đồ điện tử OpenCPN 40 3.1.1 Phần mềm tạo cổng COM ảo Virtual Serial Port Driver 42 3.2 Cài đặt hệ thống phần mềm phần mềm giả lập tình vận động tàu – Ship Maneuvering Simulation Software (SMSS) 43 3.2.1 Cài đặt Phần mềm SMSS-Master cho máy chủ 44 3.2.1 Cài đặt Phần mềm SMSS-Slaver cho máy 47 3.3 Hướng dẫn dử dụng phần mềm SMSS 49 3.3.1 Hướng dẫn sử dụng Phần mềm SMSS-Master máy chủ dành cho giảng viên 49 v 3.3.2 Hướng dẫn sử dụng Phần mềm SMSS-Slaver máy dành cho Học viên 54 3.3.3 Một số tình giả lập phần mềm SMSS 57 3.4 Ứng dụng phần mềm SMSS giảng dạy thực hành môn Vận động tàu Khoa Hàng Hải – HVHQ 58 Tổng kết chương 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chỉ mục A Từ viết tắt AIS ARPA ASCII Ý nghĩa Thuật ngữ Automatic identification Hệ thống nhận dạng system tự động Automatic radar Thiết bị đồ giải radar plotting aid tự động American Standard Chuẩn mã trao đổi Code for Information thông tin Hoa Kỳ Interchange B C COG Course over ground COM Component Hướng tàu Object Cổng nối tiếp Model CPA Closest point approach of Điểm tiếp cận gần Cơ sở liệu CSDL D E ECDIS Electronic Chart Display Hệ thống hiển thị and Information System thông tin hải đồ điện tử EBL Electronic Bearing Line Đường phương vị điện tử F G GNSS Global Navigation Hệ thống định vị vệ Satellite System tinh vii Chỉ mục Từ viết tắt GPS Thuật ngữ Global Ý nghĩa Positioning Hệ thống định vị vệ System tinh toàn cầu H HVHQ Học Viện Hải Quân I IP Internet protocol Gia thức internet LAN Local Area Network Mạng máy tính cục NMEA National J K L M N O Marine Hiệp hội điện tử hàng Electronics Association hải quốc gia Mỹ OS Own Ship Tàu chủ RADAR Radio detection and ran P Q R ging S T SMSS Ship maneuvering Phần mềm giả lập vận simulation software động tàu SOG Speed over ground Vận tốc tàu TCP Transmission Control Giao thức điều khiển Protocol TCPA TTL truyền vận Time to closest point of Thời gian đến điểm approach tiếp cận gần Transistor-transistor Kỹ thuật tiêu chuẩn để logic giao tiếp viii Chỉ mục Từ viết tắt Ý nghĩa Thuật ngữ phần khác thiết bị điều khiển xử lý máy tính U TS Target Ship Tàu mục tiêu USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng máy tính V W X Y Z VRM Variable range marker Vòng cự ly di động 63 động bán kính VM=4 liên/phút điểm b Nối tâm lưới vận động với điểm b vịng ngồi lưới ta nhận hướng tàu vận động HTM=185,50 Từ tam giác vận tốc nhận K0ab ta nhận giá trị vận tốc tương đối: ab = V = 3,4 liên/phút M0 SM SM M1’ SK DZ M1 K0 VK DZ a VM VM K1 b HTM HTK HTM Hình 3.27 Tính tốn vận động tiếp cận đến khoảng cách cho giữ phương vị không đổi Đặt mục tiêu vận động tâm lưới 64 e) Tính thời gian thực vận động: tM  S V  50  14 phút 3, f) Dựng tam giác quãng đường M0M1M1’ tìm vị trí tàu kết thúc vận động Muốn vây, từ điểm M0 kẻ đường thẳng song song với hướng tìm HTM=185,50 từ điểm M1’ kẻ đường thẳng song song với hướng tàu tuần dương HTK=1300 đến chúng cắt điểm M1 Điểm M1 vị trí tàu vận động(tàu chống ngầm) kết thúc vận động Từ tam giác quãng đường nhận M0 M1’M1 ta có: M0 M1’= S= 50 liên; M0 M1= SM= 62 liên; M1’ M1= SK= 39 liên g) Tính thời gian số máy tính đường kế thúc vận động: T3= T2+tM= 09g10ph+ 14 ph= 09g24ph; Smt3= Smt2+ SM/ Kmt= 51,6 Cách giải lưới vận động đặt tàu vận động tâm lưới (Hình 3.28) a) Đặt tàu vận động (tàu chống ngầm) tâm lưới coi khơng chuyển động (điểm M0) b) Định hướng lưới, chọn tỉ lệ để dựng tam giác trận địa vận tốc c) Dựng tam giác trận địa K0K1’M0 Muốn vậy, ta tính phương vị PTM0 từ tàu tuần dương đến tàu chống ngầm: PTM0= HTK± GK0±1800= 1300-850+ 1800=2250 Theo phương vị PTM0=2250 khoảng cách D0=100 liên đánh dấu vị trí mục tiêu vận động ( điểm K0) Đặt từ tâm lưới DZ= 50 liên ta nhận điểm K1’ vị trí tương đối mục tiêu vận động Tam giác trận địa nhận K0K1’M0 trường hợp suy biến thành đường thẳng K0M0, từ ta có K0K1’ = S = K0M0- 65 K1’M0= 50 liên Hướng tương đối từ điểm K0 đến điểm M0, tức HT= 450 HTK M0 VK DZ VM K1’ VK SK b M1 SM K0 a DZ SK HTK HTM K1 Hình 3.28 Tính tốn vận động tiếp cận đến khoảng cách cho giữ phương vị không đổi Đặt tàu vận động tâm lưới d) Tại tâm lưới ta dựng tam giác vận tốc phương pháp dựng thuận tìm V Muốn vậy, từ tâm lưới theo hướng tàu mục tiêu HTK=1300 đặt giá trị vận tốc VK=2,5 liên/phút Từ điểm cuối véc tơ VK (điểm a) kẻ đường thẳng song song với hướng tương đối HT hướng phía 66 ngược lại đến cắt vịng trịn vận tốc tàu vận động bán kính VM=4 liên/phút điểm b nhận véc tơ V= ba Nối tâm lưới vận động với gốc véc tơ V (điểm b), vịng trịn bên ngồi lưới ta nhận hướng tàu chống ngầm để thực vận động HTM=185,50 Từ tam giác vận tốc nhận M0ab ta đo giá trị vận tốc tương đối: ba=V=3,4 liên/phút e) Tính thời gian thực vận động: tM  S V  50  14 phút 3, g) Dựng tam giác quãng đường K0K1’K1 tìm vị trí tàu kết thúc vận động Muốn vây, từ điểm K0 kẻ đường thẳng song song với hướng tàu tuần dương HTK= 1300 từ điểm K1’ kẻ đường thẳng song song với hướng tàu vận động HTM=185,50 đến chúng cắt điểm K1 Điểm K1 xác định vị trí mục tiêu vận động (tàu tuần dương) kết thúc vận động Từ điểm nhận K1 kẻ đường thẳng song song với K0M0 đến giao với hướng HTM ta tìm điểm M1 vị trí tàu vận động (tàu chống ngầm) kết thúc vận động Từ tam giác quãng đường nhận K0K1’K1 ta có: K0K1= SK= 39 liên; K1’K1= SM= 62 liên; K0K1’= S= 50 liên h) Tính thời gian số máy tính đường kế thúc vận động: T3= T2+tM = 09g10ph+ 14 ph = 09g24ph; Smt3= Smt2+ SM/ Kmt= 51,6 Với ba phương pháp giải nêu trên, kết cho hướng tàu chống ngầm để thực vận động HTM=185,50 thời gian thực vận động 14 phút 67 Thực tế giảng dạy Khoa Hàng Hải – HVHQ, nội dung coi hoàn thành với yêu cầu tìm hướng thời gian thực vận động Tuy nhiên thực tế biển thực nhiệm vụ kết phần nhiệm vụ, phần lại phải thực vận động theo kết tính tốn để đạt yêu cầu huy Nội dung cịn hạn chế khơng có đủ điều kiện biển thực tế phần mềm mô chuyên dụng Với phần mềm SMSS vấn đề giải Cụ thể tình ví dụ này, giảng viên mơ tình huống, trình diễn tình ứng với kết tính tốn sau Dựa vào kiện tốn, giảng viên chọn tọa độ vị trí trên biển, nhập thơng số ban đầu tàu mục tiêu vào phần mềm SMSS-Master sau cho chạy tình để thể máy Sử dụng phần mềm SMSS-Slaver để thực vận động với kết tính tốn phần trên, tình mơ theo thơng số nhập Cụ thể với tình này, thông số ban đầu tàu cho bao gồm vị trí tàu (lựa chọn bất kì), hướng ban đầu HTM0 = 1300, vận tốc ban đầu VTM0 = 15HL/h (Hình 3.29) Các thơng số ban đầu mục tiêu bao gồm phương vị PTK0 = 2250, khoảng cách DK0 = 10HL, hướng HTK0 = 1300, vận tốc VTK0 = 15 HL/h Các thông số mục tiêu với nội dung yêu cầu thực tình chuẩn bị trước lưu trữ vào sở liệu (Hình 3.30) Hình 3.29 Nhập thơng số ban đầu tàu vận động vào phần mềm SMSSMaster để truyền cho phần mềm SMSS-Slaver 68 Hình 3.30 Nhập thông số ban đầu mục tiêu vào phần mềm SMSS-Master (lưu CSDL) để truyền cho phần mềm SMSS-Slaver Sau nhập thông số ban đầu tiến hành truyền qua phần mềm SMSS-Slaver để mơ (Hình 3.31, Hình 3.32) Hình 3.31 Tình mơ máy Slaver 69 Hình 3.32 Tình thể giao diện Radar Sử dụng phần mềm SMSS-Slaver thay đổi hướng vận tốc tàu vận động theo kết tính tốn HTM1 = 185,50 VTM1 = 24HL/h để xử lý tình theo yêu cầu (Hình 3.33) Hình 3.33 Dùng phần mềm SMSS-Slaver để thực vận động với kết tính tốn theo u cầu 70 Theo Hình 3.33 thời gian bắt đầu thực vận động 04:22, theo kết tính tốn cần 14 phút để hoàn thành yêu cầu Tức khoảng 18:22 phương vị mục tiêu 2250 (không đổi suốt trình vận động (Hình 3.34)) khoảng cách 50 liên Thực tế mô kết gần tính tốn, cụ thể lúc 19:02 khoảng cách đến mục tiêu 5,1HL = 51 liên (Hình 3.35) Lúc hoàn thành yêu cầu đề ra, tiến hành thay đổi hướng vận tốc theo đội hình biên đội hành trình (Hình 3.36) Kết thúc mơ Hình 3.34 Phương vị mục tiêu khơng đổi (2250) q trình vận động 71 Hình 3.35 Sau thời gian tính tốn tàu đến vị trí theo u cầu Hình 3.36 Kết thúc tình chuyển hướng vận tốc biên đội 72 Hình 3.37 Vị trí tàu biên đội kết thúc tình Trường hợp ứng dụng thực hành, giảng viên chuẩn bị trước tình huống, sau triển khai luyện tập với mơ hình máy giảng viên đóng vai trị Master máy học viên Slaver Giảng viên tình huống, truyền cho máy học viên, học viên tiến hành nhận tình huống, tính tốn kết thực tình theo kết tính tốn Quá trình diễn thực tế thực hành biển đơn vị giúp cho học viên làm quen với môi trường làm việc sau tốt nghiệp hiểu rõ nội dung chất tình học Đồng thời kết giải tình học viên gửi máy giảng viên lưu trữ, giảng viên sử dụng kết để đánh giá trình học tập thực hành học viên 73 Tổng kết chương Chương trình bày phần mềm bổ trợ cho trình sử dụng phần mềm SMSS để giả lập tình vận động OpenCPN Virtual Serial Port Driver Cách cài đặt sử dụng chi tiết phần mềm SMSS-Master SMSSSlaver trình bày Một số tình sử dụng phần mềm SMSS để mơ minh họa ứng dụng phần mềm giảng dạy môn Vận động tàu Khoa Hàng Hải - HVHQ Kết phần mềm SMSS đáp ứng mục tiêu yêu cầu xác định luận văn, ứng dụng cho giảng dạy phục vụ nghiên cứu nội dung điều động tàu ngành Khoa học hàng hải 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành với sản phẩm Phần mềm SMSS-Master SMSS-Slaver giả lập tình vận động tàu, giải vấn đề hạn chế trình giảng dạy vận động tàu Khoa Hàng Hải - HVHQ, cụ thể là: Giảng viên giảng dạy, học viên tự học tập nghiên cứu có thêm cơng cụ mơ tình trực quan phần mềm mơ q trình diễn tình góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập Trong tiết học thực hành, phương pháp đề (triển khai tình huống) thay đổi theo cách đại hơn, thuận tiện nhanh chóng với thực tế biển đồng thời giảng viên bao quát, nắm bắt trình thực hành chung lớp riêng cá nhân thông qua phần mềm, trạng thái thực hành học viên gửi liên tục, giảng viên tương tác, tình huống, yêu cầu, trao đổi với học viên qua phần mềm, đánh giá kết sau kết thúc thực hành học viên Các tình mơ phần mềm hiển thị hải đồ điện tử ECDIS góp phần giúp học viên làm quen với việc thao tác, sử dụng ECDIS, điều quan trọng cần thiết hầu hết tàu trang bị hệ thống KIẾN NGHỊ Phần mềm SMSS – Mơ tình vận động tàu cần tiếp tục hồn thiện thơng qua việc sử dụng để khắc phục hạn chế xảy q trình sử dụng thực tế Ngồi ra, phần mềm cần nâng cấp để đáp ứng nhu cầu thực tế ứng dụng mơ hình tốn học loại tàu cụ thể để tính tốn thơng số tàu mục tiêu xác với 75 điều kiện cụ thể cho; Việc mô máy với máy sử dụng tàu đơn vị; Phát triển thêm module máy lái phần cứng kết nối với phần mềm có với mục tiêu mơ sát với trang thiết bị có buồng lái tàu giúp cho người học làm quen với thao tác sử dụng học tập nghiên cứu nâng cao trình độ, kinh nghiệm chun mơn 76 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ - Bài báo: “Xây dựng phần mềm mô điều động tàu ứng dụng đào tạo chuyên ngành điều khiển tàu biển - Developing of a software for ship maneuvering simulation applied in navigational training ”, Tạp chí Khoa Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải - 05/2019, Trường Đại học Giao thơng vận tải thành phố Hồ Chí Minh 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phùng Hưng, Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Thái Dương (2012), Địa văn Hàng hải Phần 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Đức Hiếu (2008), Nghiên cứu toán vận động tiếp cận mục tiêu sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic giải toan vận động tiếp cận mục tiêu, Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật – Đại Học Hàng Hải, Hải Phòng [3] Đặng Thế Khoa (2002) - Giáo Trình Lập Trình Ứng Dụng Visual Basic Tập 1, Đại Học Quốc Gia TPHCM [4] Đinh Xuân Lâm (2004) - Những Bài Thực Hành Visual Basic.NET Căn Bản, NXB Thống Kê [5] Nguyễn Viết Thành (2007), Điều động tàu, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] Vũ Công Thế, Trần Văn Chiến (2003), Hàng hải địa văn Tập I, Học viện Hải quân, Nha Trang [7] Vũ Công Thế (2008), Thực hành dẫn tàu, Học viện Hải quân, Nha Trang [8]Trần Văn Thuynh (2010), Hướng dẫn tác nghiệp vận động tàu, Học viện Hải quân, Nha Trang Tiếng Anh [9] Pub 1310 - Radar Navigation And Maneuvering Board Manual (2001), National Imagery And Mapping Agency, U.S.A [10] National Marine Electronics Association (2002), NMEA National Office, U.S.A [11] https://opencpm.org/