Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS NGUYỄN XUÂN LONG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH THEO THỜI GIAN THỰC CHO TÀU HÀNG RỜI Luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Khoa học hàng hải ; mã số: 9840106 Chuyên ngành: Khoa học hàng hải Hải Phòng - 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS., TS Nguyễn Kim Phương PGS., TS Nguyễn Công Vịnh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Xuân Phương Phản biện 2: TS Mai Bá Lĩnh Phản biện 3: TS Nguyễn Mạnh Cường Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi phút, ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong q trình hàng hải, tàu ln chịu tác dụng ngoại lực sóng gió, khả tự trở lại vị trí cân ngoại lực ngừng tác động yêu cầu để tiếp tục hành trình an tồn biển, khả tính ổn định tàu Để đảm bảo tính ổn định tàu, sỹ quan hàng hải bên liên quan phải tính tốn, đánh giá đảm bảo tính ổn định tàu theo tiêu chuẩn IMO Tính ổn định tàu biển nói chung, tàu hàng rời nói riêng đặc trưng hai thơng số bản, chiều cao vững (G0M) cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z) Vấn đề ổn định tàu chủ yếu phát sinh trình tàu làm hàng, bơm xả nước dằn yếu tố bất thường ảnh hưởng đến ổn định tàu trình chạy biển Theo thống kê tổ chức Allianz, từ năm 2009 đến 2018, có tất 1036 vụ tai nạn có mức thiệt hại nghiêm trọng, tai nạn chìm tàu chiếm số lượng lớn (551 vụ) giữ mức cao hàng năm (từ 46÷132 vụ) Cũng theo báo cáo tai nạn tổ chức này, số vụ nạn liên quan đến tàu hàng rời 93 vụ hầu hết (80%) nguyên nhân dẫn đến chìm tàu tàu không đảm bảo ổn định nguyên vẹn ổn định tai nạn [46] Đặc điểm chung tai nạn suy giảm ổn định tàu khơng phát sớm tính ổn định tàu bị tàu hành trình biển Như vậy, liên tục cập nhật tính ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực suốt trình hàng hải, đưa cảnh báo suy giảm ổn định tàu trợ giúp hiệu quả, quan trọng với người hàng hải Do vấn đề ổn định cho loại tàu rộng, đồng thời tàu chở hàng rời thường phải vận chuyển số loại hàng có khả gây suy giảm ổn định hành trình biển, nên tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời” để nghiên cứu cho luận án tiến sĩ nhằm góp phần nâng cao an tồn hàng hải Tổng quan cơng trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài luận án nước nước Tình hình nghiên cứu giới liên quan đến đề tài luận án Tình hình nghiên cứu nước liên quan đến đề tài luận án Từ kết cơng bố cơng trình, nhận thấy, cơng trình khoa học chưa đưa phương pháp tính tốn đánh giá ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực điều kiện hành trình, hệ thống thiết bị hồn chỉnh cho phép tự động tính tốn, hiển thị thơng số đặc trưng cho tính ổn định tàu theo thời gian thực đưa cảnh báo tính ổn định tàu có xu hướng suy giảm Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài luận án thiết lập hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời có khả hiển thị liên tục thông số đặc trưng cho ổn định nguyên vẹn theo thời gian thực, xu hướng thay đổi giá trị đưa cảnh báo tính ổn định tàu không thỏa mãn tiêu chuẩn quy định Bộ luật ổn định nguyên vẹn (IS Code 2008) Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài luận án xác định cụ thể sau: - Đối tượng nghiên cứu: Tàu hàng rời, tính ổn định tàu hàng rời, phương pháp đánh giá ổn định tàu hàng rời; - Phạm vi nghiên cứu: Ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời hành trình biển, điều kiện tàu cân bằng, không bị nghiêng ngang tĩnh Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp lựa chọn để thực đề tài luận án: - Phương pháp phân tích tổng hợp; - Phương pháp mơ hình hóa; - Phương pháp chuyên gia; - Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin; - Phương pháp thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học Đề tài luận án tổng hợp hệ thống hóa sở lý luận ổn định tàu đặc trưng ổn định tàu hàng rời; Đề tài luận án đưa phương pháp xác định ổn định tàu cách liên tục theo thời gian thực dựa chuyển đông lắc ngang tàu - Ý nghĩa thực tiễn Xây dựng hệ thống tích hợp (phần cứng, phần mềm) cho phép đo, xử lý thông tin ổn định tàu theo thời gian thực, đưa cảnh bảo ổn định tàu bị suy giảm, hệ thống thực nghiệm cho kết tốt; Hệ thống áp dụng tàu hàng rời nhằm hỗ trợ thuyền trưởng sĩ quan hàng hải q trình dẫn tàu, góp phần đảm bảo an toàn hàng hải Những điểm đóng góp luận án Sản phẩm nghiên cứu đề tài hướng đến áp dụng cho tàu hàng rời, hoạt động nghiên cứu gắn liền với hoạt động tàu hàng rời, điểm đóng góp luận án: - Xây dựng phần mềm thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực cho phép: tính tốn hiển thị tự động giá trị chiều cao vững đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh cách liên tục theo thời gian thực; cảnh báo ổn định tàu suy giảm, không đảm bảo tiêu chuẩn quy định - Thiết lập hồn chỉnh hệ thống thơng báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực bao gồm thiết bị phần cứng chương trình phần mềm Hệ thống xem công cụ hỗ trợ sĩ quan hàng hải cơng tác dẫn tàu an tồn - Hệ thống ứng dụng công tác đào tạo, huấn luyện sĩ quan hàng hải, sinh viên ngành điều khiển tàu biển góc độ kiến thức, kỹ ổn định tàu hàng nói chung tàu hàng rời nói riêng Kết cấu luận án Luận án gồm 109 trang A4 (không kể phụ lục), thứ tự gồm phần sau: Mở đầu; nội dung (được chia thành bốn chương); kết luận; kiến nghị; danh mục cơng trình khoa học công bố kết nghiên cứu đề tài luận án (01 công bố quốc tế, 03 công bố nước, 01 đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ); danh mục tài liệu tham khảo (19 tài liệu tham khảo tiếng Việt, 27 tài liệu tham khảo tiếng Anh, 10 tham khảo từ website) phụ lục (12 phụ lục) CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC 1.1 Khái niệm chung tàu hàng rời 1.1.1 Kích thước thơng thường số tàu chở hàng rời 1.1.2 Các loại tàu hàng rời 1.2 Ổn định tàu hàng 1.2.1 Khái niệm ổn định tàu hàng 1.2.1.1 Ổn định tàu góc nghiêng nhỏ Điểm M tâm quỹ đạo tâm B, góc nghiêng nhỏ, quỹ đạo coi cung tròn điểm M coi cố định Hình 1.1: Chiều cao vững Tại góc nghiêng nhỏ, ổn định tàu đánh giá độ lớn GM GM gọi chiều cao vững tàu Từ Hình 1.1 có: GM = KM - KG (1.1) Trong đó: KM chiều cao tâm nghiêng, cho bảng thủy tĩnh thước trọng tải tàu với đối số lượng giãn nước D (hoặc mớn nước) KG chiều cao trọng tâm tàu tính theo cơng thức: D x KG0 + ∑ Pi x KGi KG= (1.2) D 1.2.1.2 Ổn định tàu góc nghiêng lớn Tại góc nghiêng lớn, quỹ đạo tâm B khơng cung tròn nên tâm nghiêng M khơng phải cố định Do đó, khơng thể dùng chiều cao vững GM để đánh giá ổn định tàu mà dùng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh G0Z để đánh giá ổn định tàu góc nghiêng lớn Hình 1.2: Ổn định góc nghiêng lớn (1.3) Từ Hình 1.2 có: G0 Z = KN - KJ KJ = KG0 x Sinθ KN ứng với góc nghiêng tra hồ sơ tàu bảng đường cong hoành giao (Stability Cross Curves) với đối số lượng giãn nước KG0 chiều cao trọng tâm tàu xét đến ảnh hưởng mặt thoáng chất lỏng 1.2.2 Quy định Bộ luật quốc tế ổn định nguyên vẹn 1.2.2.1 Tiêu chuẩn đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh [29] a Diện tích cánh tay đòn ổn định (đường cong G0Z) khơng nhỏ 0,055 m-rad tính đến góc nghiêng 30o khơng nhỏ 0,090 m-rad tính tới góc nghiêng 40o góc ngập nước góc nhỏ 40o Ngồi ra, phần diện tích đường cong G0Z nằm góc nghiêng 30o 40o góc ngập nước góc nhỏ 40o không nhỏ 0,030 m-rad b Độ lớn cánh tay đòn G0Z tối thiểu phải 0,20 m góc nghiêng lớn 30o c Cánh tay đòn ổn định tĩnh G0Z phải đạt giá trị cực đại góc nghiêng tốt vượt 30o không nhỏ 25o d Chiều cao vững ban đầu sau hiệu chỉnh ảnh hưởng mặt thoáng chất lỏng G0M khơng nhỏ 0,15 m Hình 1.3: Diện tích đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 1.2.2.2 Tiêu chuẩn ổn định có tác động gió giật lắc ngang (tiêu chuẩn ổn định thời tiết) [29] 1.3 Ổn định tàu hàng rời Trong hồ sơ ổn định xếp tải tàu hàng rời đưa tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn theo yêu cầu, quy định IMO tính toán ổn định cho trường hợp xếp tải tàu ổn định tàu trạng thái tàu khơng, có nước dằn có tải Các tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời tuân thủ tiêu chuẩn ổn định tàu hàng quy định Bộ luật quốc tế ổn định nguyên vẹn (IS Code 2008) trình bày Mục 1.2 [29], [30] 1.3.1 Ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực 1.3.1.1 Cơ sở liệu theo thời gian thực 1.3.1.2 Ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực Theo cách tính tốn truyền thống máy tính xếp tải trang bị tàu hàng rời thơng số ổn định tàu xác định trình lập kế hoạch xếp dỡ hàng Khi tàu hành trình biển hệ thống máy tính xếp tải tàu khơng có khả tính tốn ổn định tàu theo thời gian thực Mỗi muốn kiểm tra độ ổn định tàu, sỹ quan phải xác định chu kỳ lắc ngang tàu thời điểm để làm sở cho việc tính tốn ổn định Việc thực tính tốn ổn định tàu theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang tàu suốt chuyến đưa cảnh báo suy giảm ổn định tàu theo thời gian thực mang lại nhiều lợi ích giúp cho sỹ quan hàng hải nắm bắt kịp thời việc thay đổi liệu ổn định tàu cách liên tục, nhanh chóng phát ổn định tàu bị suy giảm họ có thời gian phân tích để đưa biện pháp phù hợp nâng cao ổn định tàu 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng bất lợi đến ổn định tàu hàng rời 1.3.3 Một số phương pháp hiệu chỉnh chiều cao vững nhằm gia tăng tính ổn định tàu hàng rời 1.4 Kết luận chương Chương đề tài luận án đạt số kết quả: - Tổng quan quy định ổn định nguyên vẹn, tiêu chuẩn đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh tiêu chuẩn ổn định thời tiết theo Bộ luật quốc tế ổn định nguyên vẹn (IS Code) từ xác định tiêu chuẩn ổn định cho tàu hàng rời; - Thơng qua cơng thức thực nghiệm tính tốn ổn định tàu IMO hồ sơ tàu hàng rời, xác định chu kỳ lắc ngang yếu tố quan trọng để đánh giá nhanh ổn định tàu theo thời gian thực; - Xác định yếu tố ảnh hưởng đến ổn định tàu hàng rời sở phân tích số vụ tai nạn liên quan đến tàu hàng rời; - Đưa số phương pháp hiệu chỉnh chiều cao vững nhằm gia tăng tính ổn định tàu hàng rời; - Chỉ vai trò quan trọng sở liệu theo thời gian thực so với sở liệu truyền thống liên quan đến tính tốn ổn định tàu CHƯƠNG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC THÔNG QUA CHU KỲ LẮC NGANG 2.1 Tổng quan chuyển động lắc tàu 2.2 Phương pháp xác định chu kỳ lắc ngang tàu từ thiết bị đo góc nghiêng đặt tàu Trong phạm vi nghiên cứu liên quan đến rung lắc thân tầu, thông số đo đạc biên độ lắc ngang tàu dạng tín hiệu liên tục χ(t) [17] Hình 2.1: Lắc ngang thân tàu ảnh hưởng sóng Bằng cách sử dụng quan trắc (đo đạc) sau thời điểm ∆t định, dễ dàng biểu diễn χ(t) thành dạng tín hiệu với tham số thời gian x(t) [13] Hình 2.2 thể biện pháp đo đạc chuyển đổi thông tin biên độ dao động lắc ngang tàu từ tương tự sang rời rạc Hình 2.2: Biện pháp đo đạc, chuyển đổi dao động lắc ngang sang dạng tín hiệu rời rạc Thơng qua việc xác định tần số tín hiệu thu x(t), tính tốn chu kỳ lắc thân tàu cách gần Tuy nhiên giá trị chưa dao động lắc riêng tàu, bị ảnh hưởng sóng biển nhiều yếu tố khác Các yếu tố thể tín hiệu thu việc thay đổi giá trị xác góc nghiêng thân tàu thời điểm đo, gọi chung nhiễu đo đạc/sai số [16] Như dao động lắc ngang thân tàu hàm trộn lẫn thông tin dao động riêng tàu dao động ảnh hưởng sóng biển Hình 2.3: Nhiễu làm ảnh hưởng đến giá trị đo (2.1) x(n)=r(n)+e(n) Trong với r(n) tín hiệu kỳ vọng đo e(n) dạng tín hiệu thuộc dạng nhiễu can dự làm ảnh hưởng đến kết đo Để tìm r(n) cách xác khó khăn, tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên khơng có quy luật để đốn định trước Hiện có nhiều phương pháp nhằm giảm thiểu tác động nhiễu đến tín hiệu gốc qua phương pháp lọc khác Như thay tìm r(n) cách xác, nghiên cứu tìm cách biến đổi e(n) dạng khơng ảnh hưởng đến tín hiệu gốc ε(n) biểu diễn phương trình (2.2) x(n)=r(n)+ε(n) (2.2) Trong đo lường dao động lắc ngang tàu e(n) kết hợp tác động dao động sóng mơi trường xung quanh cộng với sai số đo đạc biểu diễn phương trình (2.3), w(n) biểu diễn tác động sóng biển d(n) biểu diễn sai số kết đo e(n)=w(n)+d(n) (2.3) Như vậy, dao động lắc ngang tàu đo đạc thực tế tín hiệu rời rạc x(n) tổng hợp đến từ dao dộng riêng r(n), phần nhiễu động ảnh hưởng dao động sóng biển w(n) nhiễu trình đo đạc d(n) Việc giải phương trình để tìm r(n) cho nhiều nghiệm khả thi, tiến hành phân tách trực tiếp e(n) khỏi x(n) không khả thi Trong phạm vi đề tài, nghiên cứu sinh đề xuất cách tiếp cận gần đúng, nhằm giảm thiểu lượng e(n) qua số bước tiếp cận mơ tả trực quan lưu đồ thuật tốn sau (Hình 2.4) Tiếp theo tiến hành giảm thiểu lượng thành phần w(n) x(n) Giả sử ký hiệu tín hiệu thu bước quan sát thứ j theo cửa sổ có kích thước V vxi(k) với i ≥ phương trình (2.4) Ký hiệu PSDi phổ lượng tương ứng với vxi(k), với kỳ vọng khoảng thời gian ∆v, tần số dao động r(n) trì giá trị ℱ 𝑟𝑟 chưa kịp thay đổi lớn, tần số dao động ℱ 𝑤𝑤 w(n) lại biến đổi với độ lệnh lớn nhiều so với ℱ 𝑟𝑟 cửa sổ quan sát Khi lượng dao động điều hòa ln trì lượng định tần số dao động (Đồng nghĩa với việc tần số dao động có xác xuất lớn phân bổ lượng mức cao), tần số khác đóng góp lượng khơng liên tục thường có độ lệch lớn Dựa vào tính chất này, tác giả xây dựng hàm loại bỏ (điều chỉnh) phân bổ lượng tần số dựa xác suất đóng góp lượng lần quan sát Ký hiệu 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑗𝑗 phương trình (2.5) vxi (k)=x(i*∆v+k) ∀k∈[1,V] (2.4) f (2.5) Powerj =� AVG∀i,f �PSDi � � Các cơng thức làm sở cho tính toán lập bảng nhằm tra cứu G0M từ chu kỳ lắc ngang tàu, sau: a Công thức tổng quát đưa Bộ luật IS code [29] T= 2xCx B � G0 M G0 M = (2 x C x 𝐵𝐵 𝑇𝑇 ) (2.9) C hệ số qn tính chuyển động lắc Có nhiều cách để xác định giá trị C, tra hồ sơ đóng tàu tính tốn theo hướng dẫn IMO (IS Code) sau: B Lwl d 100 C = 0.373 + 0.023 x � � - 0.043 x � � (2.10) d: mớn nước định hình trung bình tàu (tương ứng với lượng dãn nước D tàu thời điểm khảo sát) (m) B: Chiều rộng định hình tàu (m) Lwl: chiều dài đường nước tàu (m) T: Chu kỳ lắc ngang tàu (s) b Công thức thực nghiệm hồ sơ tàu hàng rời Trong chuyến hành trình, G0M tàu xác định cách gần xác định chu kỳ lắc ngang mớn nước trung bình tàu thời điểm Chu kỳ lắc tàu xác định cơng thức tốn học sau: [41], [42] Ts =2π × Hay: G0 M= � K �g×G0 M =2,01× K (2.11) �G0 M 2,01×K Ts � (2.12) Với: K xác định theo cơng thức sau: H H d B 𝐾𝐾 =B*�f× �Cb ×Cu +1,10×Cu ×(1-Cb )× � s γ-2.20� + � s � � (2.13) Trong đó: K bán kính quay (radius of gyration) (m): việc xác định theo cơng thức (2.13) K xác định theo đồ thị 𝐾𝐾 đường cong � � cho sẵn hồ sơ tàu (Hình 2.6) 𝐵𝐵 B chiều rộng định hình (m) HS hệ số ảnh hưởng chiều chìm tàu CU hệ số diện tích phần hứng gió Cb hệ số béo f hệ số có giá trị từ 0,136 (tàu nhẹ tải) đến 0,131 (tàu đầy tải) 𝛾𝛾 hệ số xác định công thức: 11 γ=1- e-28×(d⁄d0 ) d mớn nước trung bình tàu d0 mớn nước tàu trạng thái đầy tải (2.14) Hình 2.6: Đồ thị xác định bán kính quay (radius of gyration) 2.3.2 Vẽ đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh xác định thông số đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn IMO 2.4 Kết luận chương Để tính tốn, đánh giá thông số ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang tàu, Chương đề tài luận án đạt số kết quả: - Tổng quan chuyển động lắc tàu, xác định dạng chuyển động lắc tàu ảnh hưởng chúng đến ổn định an toàn tàu; - Xây dựng thuật toán xác định chu kỳ lắc ngang theo thời gian thực từ giá trị góc nghiêng ngang thay đổi theo thời gian tàu; - Xây dựng phương pháp tính tốn thơng số đặc trưng cho ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời thông qua chu kỳ lắc ngang Ứng với giá trị chu kỳ lắc ngang, tính tốn giá trị chiều cao vững (G0M) đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z) theo thời gian thực Các kết đạt sở cho việc thiết kế, xây dựng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thực nội dung đề tài luận án 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC 3.1 Mơ hình kiến trúc hệ thống 3.1.1 Mơ hình kiến trúc hệ thống Trên sở nội dung phân tích Chương Chương 2, mơ hình kiến trúc hệ thống thơng báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực đề xuất: Khối Khối vào Khối nhập thông số tàu Khối nhập thông chuyến Khối xử lý trung tâm Khối hiển thị thông tin Khối cảnh báo Khối cảm biến Hình 3.1: Mơ hình kiến trúc hệ thống thông báo ổn định tàu 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 3.2 Các yêu cầu hệ thống 3.2.1 Yêu cầu chức hệ thống 3.2.2 Phạm vi áp dụng hệ thống 3.3 Xây dựng hệ thống phần cứng 3.3.1 Khối cảm biến - Cảm biến gia tốc góc Cảm biến gia tốc góc hệ thống cảm biến chuyển động có tới trục cảm biến bao gồm quay hồi chuyển (axis gyroscope), gia tốc kế (axis accelerometer) Trong phạm vi luận án, cảm biến gia tốc Module GY-521 6DOF lựa chọn để xác định chuyển động tàu với thơng số như: + Điện áp sử dụng: 3~5V DC + Điện áp giao tiếp: 3~5V DC + Chuẩn giao tiếp: I2C + Giá trị Gyroscopes khoảng: ± 250, ± 500, ± 1.000, ± 2.000 độ/giây (dps) + Giá trị Acceleration khoảng: ± 2g, ± 4g, ± 8g, ± 16g - Thiết bị đo góc nghiêng tàu Thiết bị đo góc nghiêng tàu xem phận quan trọng hệ thống, tín hiệu từ thiết bị sau đưa vào chương trình xử lý thuật toán chuyên dụng cho kết chu kỳ lắc ngang tàu Do đó, thiết bị đòi hỏi phải 13 có độ xác cao kết tính tốn đảm bảo độ tin cậy sử dụng để tính tốn thơng số ổn định tàu theo thời gian thực Để đánh giá độ tin cậy thiết bị đo góc ngiêng tàu, nghiên cứu sinh tham khảo yêu cầu nghị MSC.363(92) Tiêu chuẩn thi hành thiết bị đo nghiêng điện tử sau [32], [52], [53]: Thiết bị đo độ nghiêng điện tử phải có khả đo góc nghiêng thực tế xác định biên độ dao động lắc ngang tàu phạm vi ± 90 độ Máy đo độ nghiêng điện tử phải có khả đo thời gian giá trị dao động lắc tối đa xác định thời gian chu kỳ lắc phạm vi tối thiểu từ 4s đến 40s Máy đo độ nghiêng điện tử phải cung cấp liệu với độ xác đủ để đánh giá trạng thái động tàu Độ xác tối thiểu phép đo phải 5% giá trị đọc ± độ, tùy theo giá trị lớn phép đo góc 5% giá trị đọc ± 1s, tùy theo giá trị lớn cho phép đo thời gian Trong phạm vi luận án, thiết bị đo góc nghiêng sử dụng chip MPU 6050 lựa chọn Để đảm bảo yêu cầu IMO thiết bị đo góc nghiêng tàu, thiết bị đo góc nghiêng sử dụng chip MPU 6050 gửi đến Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng Hải Phòng để thực nghiệm, đánh giá kết đo cho thấy thỏa mãn yêu cầu phép đo góc nghiêng phép đo thời gian (Mục Phụ lục) 3.3.2 Khối xử lí trung tâm Khối xử lí trung tâm với chức xử lý thuật toán xác định chu kỳ lắc ngang cơng thức tính tốn thơng số ổn định tàu dùng máy tính (PC) Vi điều khiển 3.3.3 Khối hiển thị Hiển thị thông tin theo thời gian thực: Chu kỳ lắc ngang; chiều cao vững; đồ thị chiều cao vững cánh tay đòn ổn định tĩnh theo thời gian thực; bảng so sánh thông số ổn định tàu với tiêu chuẩn Bộ luật IS; đưa cảnh báo thông số ổn định tàu có xu hướng bị suy giảm 3.3.4 Khối cảnh báo Đưa cảnh báo âm thanh, ánh sáng cho sỹ quan biết thông số ổn định (G0M, G0Z) tàu nằm tiêu chuẩn yêu cầu quy định Bộ luật IS đồ thị biểu diễn biến thiên giá trị chiều cao vững (G0M) theo thời gian thực tàu có xu hướng bị suy giảm 3.3.5 Hệ thống nhớ 3.4 Xây dựng chương trình phần mềm 14 3.4.1 Thuật toán điều khiển hệ thống Như đề cập mục trước (Mục 3.1), từ mô hình kiến trúc nguyên lý hoạt động hệ thống, thuật toán điều khiển hệ thống đề xuất (Hình 3.2) Từ lưu đồ thuật tốn thấy q trình xử lí tín hiệu hệ thống tập trung vào hai pha chính: Tính chu kì lắc ngang tàu thông số ổn định tàu Bắt đầu Cài đặt thông số tàu Nhập tham số chuyến Thu thập tín hiệu từ cảm biển Tính tốn thơng số ổn định Tính chu kỳ lắc ngang So sánh thông số ổn định với tiêu chuẩn IMO Không phù hợp Phù hợp Trạng thái ổn định tàu giới hạn cho phép Cảnh báo Kết thúc Hình 3.2: Thuật tốn điều khiển hệ thống thông báo ổn định tàu 3.4.2 Xây dựng phần mềm tính tốn thơng số ổn định tàu - Cơ sở liệu phục vụ cho việc xây dựng chương trình phần mềm hệ thống 15 Để tính tốn thông số ổn định tàu hàng rời thông qua chu kỳ lắc ngang tàu cần phải nhập liệu liên đến tính tốn ổn định cho Sổ tay ổn định xếp tải tàu hàng rời cụ thể Các liệu cần thiết để trình xây dựng phần mềm hệ thống là: + Bảng tra G0M từ chu kỳ lắc ngang tàu; + Bảng thủy tĩnh; + Bảng đường cong hoành giao; + Chiều dài đường nước tàu (Lwl); + Chiều rộng định hình (B); + Bán kính quay (K) - Giao diện chương trình Hình 3.3: Giao diện chương trình phần mềm - Cửa sổ điều khiển (control): sử dụng để khởi chạy chương trình sau hồn tất cơng tác chuẩn bị, cài đặt thông số ban đầu dừng chương trình cần thiết Trên cửa sổ điều khiển có chức lưu trữ “Saving data” phép người sử dụng lưu lại liệu kỳ lắc ngang (T), số lần dao động lắc ngang (F) góc nghiêng ngang (Theta) thời điểm quan sát khác nhau, giá trị lưu trữ tự động tệp tin có định dạng *.txt thư mục định từ trước máy tính - Cửa sổ thị tín hiệu đầu vào (input signal) lấy từ cảm biến lắp bên hệ thống Khi tàu lắc ngang, cảm biến góc gia tốc hoạt động, tín hiệu nhận từ cảm biến phần mềm chuyển hóa thành dao động phổ lượng dao động Phần mềm loại bỏ dao động có lượng bất thường (Random) chọn lọc phổ lượng dao động lặp lại thường xuyên (Periodic) để xác định tần số dao động lắc ngang tàu khoảng thời gian quan sát (như trình bày chi tiết Mục 2.2) 16 Sau có chu kỳ lắc ngang (T) xác định thời điểm quan sát Thì hệ thống tự động tính tốn thơng số ổn định tàu thời điểm đưa cảnh báo cửa sổ “Show GoM;GoZ” (Hình 3.4) - Giao diện hiển thị kết thông số ổn định tàu thời điểm quan sát Hình 3.4: Cửa sổ hiển thị thơng số ổn định tàu thời điểm quan sát - Cửa sổ thông báo kết ổn định đánh giá ổn định: đưa giá trị liên quan đến việc đánh giá ổn định tàu theo quy định IMO như: + Diện tích phía cánh tay đòn ổn định tĩnh từ 0o đến 30o; + Diện tích phía cánh tay đòn ổn định tĩnh từ 0o đến 40o; + Diện tích phía cánh tay đòn ổn định tĩnh từ 30o đến 40o; + Giá trị G0Z, G0M Ngoài giao diện hiển thị kết thơng số ổn định tàu có hình ảnh đồ thị biến thiên theo thời gian G0M G0Z sỹ quan hàng hải đánh giá nhanh xu hướng ổn định tàu khoảng thời gian 3.5 Kết luận chương Chương luận án tập trung nghiên cứu xây dựng phần cứng phần mềm hệ thống đạt kết sau: - Xây dựng mơ hình kiến trúc hệ thống, ngun lý hoạt động yêu cầu hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực, sở để triển khai xây dựng phần cứng chương trình phần mềm hệ thống; -Xác định bước cần thực để xây dựng hệ thống hoàn chỉnh, bước bao trùm tồn tiến trình thực xây dựng, thực nghiệm, đánh giá hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống; - Lựa chọn thiết bị phần cứng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thiết bị đo góc nghiêng 17 tàu, cấu hình máy tính hệ thống, hệ thống thiết bị đầu vào đầu hệ thống; - Thiết bị đo góc nghiêng tàu Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng Hải Phòng đánh giá thỏa mãn yêu cầu phép đo góc nghiêng phép đo thời gian Việc đánh giá làm tăng độ tin cậy thiết bị, đảm bảo độ xác trình thực tính tốn liên quan đến chu kỳ lắc ngang tàu; - Chương trình phần mềm thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực xây dựng sở lưu đồ thuật tốn xác định từ trước, cơng nghệ tảng công cụ hỗ trợ phát triển hệ thống phần mềm, sở lý thuyết liên quan đến việc tính tốn đánh giá thơng số ổn định tàu Để thuận tiện cho việc thực nghiệm hệ thống chương trình phần mềm thơng báo ổn định xây dựng dựa số liệu tàu hàng rời cụ thể, chương trình phần mềm đảm bảo chức tính tốn, hiển thị thông tin ổn định đánh giá trạng thái ổn định tàu theo yêu cầu quy định Bộ luật IS Code - 2008 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC 4.1 Bố trí hệ thống tàu thực nghiệm 4.1.1 Hệ thống thiết bị phục vụ cho công tác thực nghiệm 4.1.2 Vận hành hệ thống 4.2 Các bước tiến hành thực nghiệm Sau lắp đặt hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực vị trí phù hợp tiến hành bước sau để thực nghiệm hệ thống: Tiến hành khởi động hệ thống Sau khoảng phút, hệ thống chạy ổn định tiến hành thực nghiệm; Thực thực nghiệm nhiều lần (từ đến lần); + So sánh kết thu được: + So sánh chu kỳ lắc ngang xác định việc đếm dao động lắc ngang tàu với chu kỳ lắc ngang hệ thống tính tốn; + So sánh giá trị G0M hệ thống tính tốn từ chu kỳ lắc ngang với giá trị G0M máy tính xếp tải tàu tính tốn - Phân tích, đánh giá kết thu sau thực phương pháp so sánh 4.3 Kết thực nghiệm số tàu hàng rời 4.3.1 Thực nghiệm tàu Tàu hàng rời CHANG CHANG NAN HAI 4.3.2 Thực nghiệm tàu Tàu hàng rời SERENE JUNIPER 4.3.3 Thực nghiệm tàu hàng rời LI DIAN 4.3.4 Thực nghiệm tàu LUCKY STAR 18 4.3.5 Thực nghiệm tàu hàng rời BMC BRAVO Tàu hàng rời BMC BRAVO thuộc quản lý Công ty CP VTB Quốc tế Bình Minh Thời điểm thực nghiệm, tàu hành trình từ Cửa Lò- Nghệ An Quảng Ninh Trong lần thực nghiệm này, nghiên cứu sinh tiến hành xác định thông số ổn định tàu G0M thơng qua chu kỳ lắc ngang q trình tàu tiến hành trao đổi nước dằn - Tình trạng tàu thực nghiệm Lượng dãn nước: 10.383 Mớn nước: 8,00 m Lượng tiêu thụ nước chạy biển: 5MT Lượng tiêu thụ nhiên liệu chạy biển: 13 MT Tư thế: Không nghiêng ngang; chúi lái với trim 0,01 m - Kết thực nghiệm trình tàu trao đổi nước dằn Bảng 4.1: Chu kỳ lắc ngang G0M trình tàu trao đổi nước dằn tàu BMC BRAVO (Mục 11, phần Phụ lục) Chu kỳ lắc quan sát Thời gian/ TT vị trí G0M Chu kỳ lắc hệ (đo tay) thống Ts (s) Cấp T0 (s) sóng T0 (s) Ghi hoạt động bơm ballast Theo phần mềm Lượng xếp dỡ Tên két nước tàu ballast (m) két Ngày: Lần 28/03/2019 Khi chưa Giờ: 06h00m 14,5 bơm o Vĩ độ: 20 23.7N ballast vào Kinh độ: 107o05.2E Lần 14,81 1,26 WBT 5P/S 03T 14,64 1,32 WBT 5P/S 80T Ngày: 28/03/2019 Khi Giờ: 07h05m, 14,4 bơm nước Vĩ độ: 20o31,8N ballast vào Kinh độ: 107o14,1E 19 Chu kỳ lắc quan sát Thời gian/ TT Lần Khi bơm đủ lượng nước ballast vào vị trí Chu kỳ lắc hệ (đo tay) thống Ts (s) Cấp T0 (s) sóng T0 (s) Ngày: 28/03/2019 Giờ: 07h46m, 14,8 Vĩ độ: 20o37,5N Kinh độ: 107o15,0E Ngày: 28/03/2019 Giờ: 08h05m, 15,1 Vĩ độ: 20o39,8N Kinh độ: 107o12,9E Ngày: Lần 28/03/2019 Khi kết Giờ: 09h00m, 14,6 thúc bơm Vĩ độ: 20o46,7N nước Kinh độ: ballast 107o09,4E Lần Khi bơm nước ballast G0M Ghi hoạt động bơm ballast Theo phần mềm Lượng xếp dỡ Tên két nước tàu ballast (m) két 14,25 1,40 WBT 5P/S 200T 14,75 1,28 WBT 5P/S 40T 14,80 1,26 WBT 5P/S 06 T Hình 4.1: Đồ thị biến thiên G0M theo thời gian trao đổi nước dằn Từ số liệu thu thập Bảng 4.1, lập bảng so sánh chu kỳ lắc quan sát (T0) với chu kỳ lắc báo hệ thống (Ts) lập bảng so sánh G0M xác định theo chu kỳ 20 lắc báo hệ thống G0M tính tốn từ phần mềm xếp dỡ tàu đăng kiểm phê duyệt, cụ thể sau: Bảng 4.2: So sánh số liệu thực nghiệm đo chu kỳ lắc tàu BMC BRAVO CHU KỲ LẮC QUAN SÁT (s) T0 Cấp sóng tương ứng CHU KỲ LẮC ĐO ĐƯỢC BẰNG HỆ THỐNG, Ts (s) 14,5 14,4 SAI LỆCH (s) % SAI LỆCH 14,81 0,31 2,14 14,64 0,24 1,67 14,8 14,25 0,55 3,72 15,1 14,75 0,35 2,32 14,6 14,80 0,20 1,37 TT Bảng 4.3: So sánh G0M theo chu kỳ lắc đo thiết bị G0M theo chương trình xếp dỡ tàu BMC BRAVO (Mục 11, phần Phụ lục) TT Chu kỳ lắc đo hệ thống (s) G0M (m) xác định từ chu kỳ lắc ngang G0M (m) Theo phần mềm xếp dỡ tàu SAI LỆCH (m) % SAI LỆCH 14,81 1,24 1,26 0,02 1,59 14,64 1,27 1,32 0,05 3,78 14,25 1,34 1,40 0,06 4,29 14,75 1,25 1,28 0,03 2,34 14,80 1,24 1,26 0,02 1,59 4.3.6 Thực nghiệm tàu hàng rời TÂN BÌNH 234 - Tình trạng tàu thực nghiệm Lượng dãn nước: 39.675,16 Mớn nước: 10,02 m 21 Tư thế: Không nghiêng ngang; không chúi với trim 0,0 m Trạng thái hoạt động tàu: Hành trình từ Nosco Dock đến Cẩm Phả, Quảng Ninh Vĩnh Tân, Bình Thuận - Kết đo chu kỳ lắc Bảng 4.4: Số liệu thực nghiệm đo chu kỳ lắc tàu TÂN BÌNH 234 (Mục 12, phần Phụ lục) CHU KỲ LẮC CHU KỲ LẮC QUAN SÁT (s) ĐO ĐƯỢC SAI % SAI BẰNG THIẾT LỆCH LỆCH TT Cấp sóng T0 BỊ (s) (s) tương ứng 11,1 10,91 0,19 1,71 5-6 10,7 5-6 10,86 0,16 1,50 11,2 5-6 11,03 0,17 1,52 11,4 5-6 11,17 0,23 2,02 11,6 5-6 11,21 0,39 3,36 10,9 5-6 11,08 0,18 1,65 11,3 5-6 11,15 0,15 1,33 - Kết xác định G0M Bảng 4.5: Số liệu thực nghiệm xác định G0M tàu TÂN BÌNH 234 (Mục 12, phần Phụ lục) Chu kỳ lắc G0M (m) G0M (m) A đo xác định Theo phần SAI % SAI TT hệ từ chu kỳ mềm xếp LỆCH LỆCH thống (s) lắc ngang dỡ tàu (m) 10,91 3,62 3,59 0,03 0,84 10,86 3,65 3,59 0,06 1,67 11,03 3,55 3,59 0,04 1,11 11,17 3,46 3,59 0,13 3,62 11,21 3,43 3,59 0,16 4,46 11,08 3,52 3,59 0,07 1,95 11,15 3,47 3,59 0,12 3,34 22 4.3.7 Đánh giá kết thực nghiệm Trên sở số liệu thực nghiệm thu thập từ 06 tàu hàng rời trên, có số nhận xét sau: - Sai lệch đo chu kỳ lắc ngang tàu hệ thống quan sát 1s - Sai lệch giá trị G0M xác định hệ thống phần mềm xếp dỡ hàng tàu đăng kiểm phê duyệt 5% Hệ thống hiển thị cách tự động thay đổi chu kỳ lắc ngang giá trị G0M trình bơm, xả nước dằn tàu Kết cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy 4.4 Kết luận chương Chương luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng kết đề cập chương luận án Việc nghiên cứu thực nghiệm tiến hành tàu hàng rời hoạt động biển Kết đạt chương cụ thể sau: - Đưa hướng dẫn, yêu cầu lưu ý lắp đặt hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực tàu thực nghiệm Xây dựng bước cần thực trình tiến hành thực nghiệm tàu - Tiến hành thực nghiệm tàu hàng rời trạng thái khác nhau, có tàu trao đổi nước dằn hành trình (BMC BRAVO) Các kết thực nghiệm thu liên quan đến chu kỳ lắc ngang G0M tàu thời điểm quan sát thỏa mãn mục đích, yêu cầu mà đề tài đưa quy định IMO ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Bằng phương pháp nghiên cứu thực luận án “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời”, luận án đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết cụ thể sau: 1.1 Hệ thống hóa quy định liên quan đến ổn định nguyên vẹn tàu hàng nói chung tàu hàng rời nói riêng Các tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời tuân thủ tiêu chuẩn ổn định quy định Bộ luật quốc tế ổn định nguyên vẹn (IS Code 2008) Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến ổn định tàu hàng rời để đưa cảnh báo ổn định tàu suy giảm cho thuyền trưởng sỹ quan trình xếp dỡ vận chuyển hàng rời 1.2 Đề tài luận án xây dựng thuật toán xác định chu kỳ lắc ngang tàu từ góc nghiêng ngang theo thời gian thực 1.3 Phân tích, lựa chọn cơng thức làm sở để xác định chiều cao vững (G0M) tàu theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang, công thức đề cập đến nhiều hồ sơ xếp tải 23 tàu hàng rời, phù hợp với yêu cầu Bộ luật quốc tế ổn định nguyên vẹn (IS Code) Trên sở đó, đưa phương pháp vẽ đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z) 1.4 Xây dựng mơ hình kiến trúc hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực, nguyên lý hoạt động u cầu hệ thống Trên sở mơ hình kiến trúc hệ thống, luận án thiết kế, xây dựng phần cứng phần mềm hoàn chỉnh cho hệ thống Phần mềm có khả tự động tính tốn hiển thị theo thời gian thực giá trị chu kỳ lắc ngang, chiều cao vững, đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu; đưa tín hiệu cảnh báo chiều cao vững tàu có xu hướng giảm khơng đảm bảo tiêu chuẩn ổn định 1.5 Triển khai thực nghiệm thành công hệ thống số tàu hàng rời Trong có 01 tàu (tàu BMC BRAVO) thực nghiệm điều kiện chạy biển, có trao đổi nước dằn tàu Kết cho thấy sai lệch chu kỳ lắc ngang chiều cao vững G0M xác định từ hệ thống theo thời gian thực mức độ cho phép an toàn hàng hải Hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy KIẾN NGHỊ Kiến nghị luận án vấn đề cần quan tâm hướng nghiêm cứu tiếp theo, cụ thể: 2.1 Trong luận án xây dựng hồn thiện phần cứng, phần mềm hệ thống thơng báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời hoạt động độc lập lắp đặt tàu hàng rời, hệ thống phần cứng tốn diện tích lắp đặt tàu Vì vậy, thời gian tới, nghiên cứu nghiên cứu sinh tích hợp hệ thống vào thiết bị có tàu máy tính xếp tải, hải đồ điện tử để tiết kiệm không gian đặt thiết bị tạo thuận tiện cho sỹ quan hàng hải khai thác sử dụng hệ thống tàu hành trình biển 2.2 Các tàu hàng rời triển khai thực nghiệm hệ thống tàu neo đậu làm hàng hoạt động ven bờ điều kiện thời tiết cho phép Các kết thực nghiệm thu thập được, sau phân tích, đánh giá đáp ứng yêu cầu mà luận án đưa Tuy nhiên, để hệ thống có độ tin cậy cao trước triển khai áp dụng vào thực tiễn nghiên cứu sinh cần tiếp tục liên hệ thực nghiệm tàu hàng rời chạy tuyến xa bờ hoạt động điều kiện thời tiết khó khăn 2.3 Sau hệ thống tinh giản, gọn nhẹ có độ tin cậy cao, nghiên cứu sinh tiến hành tìm hiểu nhu cầu công ty quản lý khai thác tàu hàng rời việc trang bị hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời để hướng tới thương mại hóa sản phẩm đề tài có đơn vị đặt hàng 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN PGS TS Nguyễn Kim Phương (Chủ nhiệm đề tài), NCS Nguyễn Xuân Long thành viên khác Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát trạng thái hành trình tàu hàng rời có trọng tải từ 20.000 trở lên Đề tài Khoa học công nghệ cấp Bộ giao thông vận tải; mã số: DT183037, năm 2018 ThS Nguyễn Xuân Long, PGS TS Nguyễn Kim Phương, PGS TS Nguyễn Công Vịnh, TS Nguyễn Trung Đức, ThS Từ Mạnh Chiến Xây dựng hệ thống giám sát trạng thái hành trình tàu hàng rời có trọng tải từ 20.000 trở lên Tạp chí Giao thơng vận tải, tháng 3/2019 Nguyen Xuan Long, Assessing Intact Stability of Bulk Carriers through the Rolling Period, The Journal of the AMFUF, 2019 ThS Nguyễn Xuân Long, PGS TS Nguyễn Kim Phương Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định tàu hàng rời Tạp chí Giao thơng vận tải, tháng 12/2019 ThS Nguyễn Xuân Long, PGS TS Nguyễn Kim Phương, TS Nguyễn Trung Đức Xây dựng chương trình hiển thị thông tin ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực Tạp chí KHCN Hàng hải số 61 – tháng 1/2020 ISSN 1859-316X ... thực Các kết đạt sở cho việc thiết kế, xây dựng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thực nội dung đề tài luận án 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH... phương pháp nghiên cứu thực luận án Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời , luận án đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết cụ thể sau: 1.1 Hệ thống hóa... hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời hoạt động độc lập lắp đặt tàu hàng rời, hệ thống phần cứng tốn diện tích lắp đặt tàu Vì vậy, thời gian tới, nghiên cứu nghiên cứu