Phương pháp đánh giá khả năng va chạm tàu thuyền dựa trên hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy

Bài viết xem xét các yếu tố chính của va chạm tàu, phát triển một mô hình toán học để đánh giá khả năng và mô phỏng đánh giá va chạm tàu dựa trên thông tin AIS, từ đó đưa ra cảnh báo cần thiết cho thủy thủ đoàn để phòng tránh đâm va.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG VA CHẠM TÀU THUYỀN DỰA TRÊN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THỦY THE METHOD FOR ASSESSMENT PROBABILITY SHIP COLLISION BASED ON AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM NGUYỄN MẠNH CƯỜNG*, TRƯƠNG THANH BÌNH Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nguyenmanhcuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Việc xác định khả va chạm tàu thuyền biển nội dung quan trọng quản lý an toàn hàng hải Các thuật toán đánh giá khả va chạm sở hệ thống phát ngăn ngừa cố, trọng tâm công nghệ điều hướng tàu Hệ thống nhận dạng tự động (AIS) từ đời sử dụng để hỗ trợ điều hướng, ước tính tuyến đường, dự đốn va chạm phát giao thông bất thường Bài viết xem xét yếu tố va chạm tàu, phát triển mơ hình tốn học để đánh giá khả mô đánh giá va chạm tàu dựa thơng tin AIS, từ đưa cảnh báo cần thiết cho thủy thủ đồn để phịng tránh đâm va Từ khóa: Tránh va chạm, Chỉ số rủi ro va chạm, Đánh giá rủi ro va chạm, AIS Abstract Determining the possibility of ship collision at sea is an important content in maritime management and safety The assessment for ship collision by algorithmics is the basis of an incident detection and prevention system, which is a focus ofship navigation technology The automatic identification system (AIS) has been used since its inception to assist with navigation, route estimation, collision prediction, and unusual traffic detection This paper examines the key elements of ship collision, developing a mathematical model to assess the ability and simulating ship collision assessment based on AIS information, thereby issuing warnings for the crew to prevent collisions Keywords: Collision avoidance, Collision risk index, Assessment collision, AIS Giới thiệu Ngày nay, việc quản lý an toàn hàng hải phịng chống nhiễm mơi trường biển nhiệm vụ quan trọng ngành hàng hải quốc tế Mỗi vụ va chạm không gây thiệt hại vật chất mà cịn đe dọa đến tính mạng người mối đe dọa lớn mơi trường biển [1] Do đó, Quy ước quốc tế phòng ngừa va chạm biển (COLREGS) đề tuân thủ đầy đủ, với kết hợp hệ thống hỗ trợ hàng hải để giảm thiểu cố, chẳng hạn khuyến nghị sử dụng thiết bị AIS Radar ARPA thực tế [2].Tuy nhiên, nhiều điều tra tai nạn hàng hải cho thấy 75% - 96% vụ tai nạn hàng hải lỗi người va chạm biển liên quan đến không xác quy tắc COLREGS q trình thực [3].Trong thực tế, tàu nhỏ tàu cá khơng trang bị hệ thống ARPA, cần thiết phải sử dụng hiệu thông tin hệ thống AIS để đánh giá khả va chạm Các thuật toán khác phát triển sử dụng điều hướng, dẫn đường điều khiển, trọng tâm đánh giá khả va chạm, sở hệ thống phát ngăn ngừa cố Các thuật toán quan trọng việc phát cảnh báo tức thời nguy va chạm, từ đảm bảo an toàn hàng hải tránh thương vong Việc cảnh báo nguy va chạm dựa số rủi ro va chạm (CRI) [4] Giá trị CRI bị ảnh hưởng nhiều yếu tố, bao gồm thời gian đến điểm tiếp cận gần (TCPA), khoảng cách tới điểm tiếp cận gần (DCPA), khoảng cách từ tàu mục tiêu góc tiếp cận hai tàu yếu tố ảnh hưởng quan trọng Phương pháp tính CRI thơng qua mạng nơ ron lý thuyết mờ có độ xác cao Tuy nhiên phương pháp khó để thiết lập hàm chức xác định điều kiện ban đầu, dẫn đến hạn chế việc áp dụng phương pháp thực tế [5] Thiết bị AIS tàu sử dụng thông số DCPA TCPA để đánh giá va chạm cho kết khơng thật xác số tình đặc biệt đối đầu vượt tàu Do đó, báo đề cập SỐ 64 (11-2020) 31 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY đến cách tiếp cận tổng quát để tính tốn CRI, xem xét u cầu thực tế để tránh va chạm dựa thông tin bao gồm DCPA, TCPA, khoảng cách góc hai tàu, bao gồm tất tình tàu di chuyển biển với yếu tố điều kiện thời tiết sóng biển ước tính thơng qua hệ số an toàn đặt mức cao Sau xây dựng mơ hình thuật tốn tiến hành mơ để tính tốn xác suất va chạm cho tàu biển để đưa cảnh báo kịp thời theo mức độ khác Đóng góp viết xây dựng mơ hình tính tốn CRI với trọng số định theo mức độ nguy hiểm liên quan đến tình va chạm thuật tốn phân tích trọng số (AHP) [4] Bài báo nhấn mạnh yếu tố người quan trọng nhất, khơng tích hợp quy tắc COLREGS vào mơ hình, nguy va chạm cao hệ thống cảnh báo thủy thủ đồn ý hành động Mơ hình thuật tốn đặc biệt có hiệu cho tàu nhỏ tàu cá vốn có thiết bị hạn chế, thường không trang bị đầy đủ Radar ARPA ECDIS Bài báo thiết kế sau: Phần trình bày mơ hình thuật tốn tính tốn khả va chạm CRI; Phần xây dựng chương trình mơ kết đạt được; Kết luận khả ứng dụng trình bày phần Mơ hình tính tốn khả va chạm Khu vực va chạm định kích thước hai tàu, vị trí xác, độ lệch chuyển động không gian hoạt động tàu Sự va chạm xảy khoảng cách hai tàu nhỏ bán kính khu vực va chạm xác định cách lấy tàu làm trung tâm Trong thuật toán tránh va chạm, điều quan trọng xác định thông số chuyển động tàu so với tàu mục tiêu để làm sở tính tốn phân loại trường hợp Trên mặt biển mở, hai tàu coi hai điểm chuyển động với vectơ vận tốc biết Hình mơ tả vị trí vector chuyển động hai tàu hệ tọa độ Decac Vị trí xác định theo GPS tàu ( 0 ,  ) Tốc độ tàu với mặt đất (SOG) hướng hành trình (COG) Vo Co Vị trí xác định theo GPS tàu mục tiêu ( T ,  T ) SOG COG tàu mục tiêu làVt Ct Chúng ta có thơng số sau: R khoảng cách tương đối hai tàu,Votlà vector tốc độ hai tàu, Bot góc phương vị hai tàu 00≤ Bot≤ 1800 Tốc độ tàu tàu mục tiêu trục tọa độ [6]: vx0  v0 sin 0  v y0  v0 cos 0 vxT  vT sin T  v yT  vT cos T (1) Trong tàu chủ có tọa độ ( x0 , y0 ) , vận tốc v0 hướng  Tàu mục tiêu có tọa độ ( xT , yT ) , vận tốc vT hướng T Vận tốc tương đối hai tàu trục x y xác định bởi:  vxR  vxT  vx0   v yR  v yT  v y0 (2) Giá trị độ lớn vận tốc tương đối hướng tương đối hai tàu [6]: v  v  v xR yR  R  vxR  R  arctan v yR  (3) Trong đó: 0  π   π 2π  vxR  0, v yR  vxR  0, v yR  vxR  0, v yR  (4) vxR  0, v yR  Khoảng cách tương đối hai tàu là: R  ( xT  x0 )2  ( yT  y0 )2 (5) Y(N) Ct Co Góc mạn tàu với tàu mục tiêu [6]: x x   arctan T   y0  yT ΔC Vt Cot Vot RY Vt Bot Bt Vo Khi đó, DCPA TCPA hai tàu [6,7]: R RX X(E) Hình Vector chuyển động hai tàu 32 (6)  DCPA  R sin(R   T  π)  R cos(R   T  π)  TCPA  vR  (7) SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Mối quan hệ góc phương vị tàu tàu mục tiêu sau [6,7]: B  Bt  Bo Trong B0 = C0 (8) 1  r r π 1 U R    sin[ ( R  )] r2  r1 2 0 R  r1 r1  R  r2 (14) R  r2 Hệ số tốc độ Kđược xác định [6,7]: K  Vo Vt (9) Khi TCPA nhỏ 0, có nghĩa hai tàu vượt qua điểm tiếp cận gần DCPA, TCPA, R, ∆B K thành phần mơ hình đánh giá khả va chạm R DCPA đại diện cho không gian va chạm, TCPA đại diện cho thời gian va chạm, ∆B K đại diện cho độ khó việc tránh va chạm, tùy theo giá trị ∆B K mà ảnh hưởng đến hành vi tránh va tàu Các tham số mơ hình tốn học chương trình mơ khả va chạm gọi hàm chức [8] Hàm chức DCPA [8]: U DCPA 1 DCPA  d1  d1  d π 1    sin[ ( DCPA  )] d1  DCPA  d d  d1 2 0 d  DCPA Trong d1 khoảng cách xảy va chạm d2 khoảng cách an tồn d1 d2 thể dạng [8]: d1  SDA  N (11) d  K  d1 Trong SDA khoảng cách tiếp cận an toàn tàu, tính theo mơ hình Goodwin [6] N giá trị tương đối đại diện cho khả hiển thị tức thời hệ thống, hệ thống AIS N = SDA  D(B)  K1  K2 (12) Trong K1 độ nhạy hệ thống tác động lên SDA, AIS K1 = K2 ảnh hưởng khu vực hành hải đến SDA, trường hợp hai tàu di chuyển vùng biển mở, điều kiện thời tiết tốt K2 coi D(∆B) giá trị mơ hình miền tàu sau [8]: B  1.1  0.2 1800  1.0  0.4 B  1800 D(B)   1.0  0.4 360  B  1800  1.1  0.4 360  B  1800 00  B  112.50 112.50  B  1800 (13) 1800  B  247.50 247.50  B  3600 Hàm chức R [8]: SỐ 64 (11-2020) Trong r1 khoảng cách tương ứng với hành động muộn (DLA) trước va chạm Khoảng cách khơng cố định, phụ thuộc vào kích cỡ, tốc độ, loại tàu, điều kiện thời tiết, khả điều khiển sĩ quan, Trong thực tế, khoảng cách thường phạm vi 0,4 đến hải lý Trong tính tốn mơ phỏng, viết chọn r1 = 1.r2 bán kính vùng nguy hiểm tàu tàu mục tiêu, r2 = r1 + d2 Hàm chức TCPA [8]: U TCPA 1   t  TCPA  t2  0  TCPA  t1 t1  TCPA  t2 (15) t2  TCPA Trong t1 thời gian tới điểm va chạm t2 thời gian để vượt qua điểm va chạm cách an tồn Thơng thường, khoảng cách 6-8 hải lý coi khoảng cách lý tưởng để tàu đạt thái lái tự động Autopilot Để đảm bảo an toàn, viết lấy giá trị hải lý khoảng cách tàu bắt đầu hình thành tình va chạm Hàm chức TCPA tính tốn với giá trị t1, t2 [8]:  DLA2  DCPA2  Vot  t1    DCPA  DLA  Vot  t2  DCPA  DLA (16) DCPA  DLA 82  DCPA2 Vot (17) Hàm chức chức ∆B [4,8]: 440 U B  [cos(B  190 )   cos (B  190 )]  (18) 289 17 Chỉ số rủi ro va chạm (CRI), tính tốn sau: CRI   DCPAU DCPA  TCPAUTCPA  RU R  BUB (19) Trong UDCPA, UTCPA, UR U∆B, hàm thành phần đại diện tương ứng cho khoảng cách đến điểm tiếp cận gần nhất, thời gian đến điểm tiếp cận gần nhất, khoảng cách góc phương vị tàu tàu mục tiêu, yếu tố có tác động khác đến nguy va chạm Các hệ số αDCPA , αTCPA, αR, α B trọng số từ đến 1, có tổng 1, cho biết trọng số ảnh hưởng đến khả va chạm yếu tố 33 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Xây dựng chương trình mơ Bắt đầu Dữ liệu đầu vào chương trình mơ giả định tàu có chiều dài lớn 50m, Anten AIS đặt có chiều cao không 50m so với mặt nước biển, liệu trích xuất từ thiết bị AIS, tàu di chuyển vùng biển mở, tầm nhìn tốt, tốc độ gió, cường độ sóng bình thường Trích xuất liệu AIS Trọng số cho tham số phân tích theo thuật tốn AHP trường hợp xếp hạng định lượng khơng có sẵn Trong yếu tố ảnh hưởng đến va chạm, TCPA quan trọng đặt αTCPA = 0,5 Khoảng cách hai tàu yếu tố ảnh hưởng lớn, đặc biệt khu vực có mật độ tàu thuyền cao, đó, đặt αR = 0,3 DCPA bị ảnh hưởng kích cỡ tàu, đặt αDCPA = 0,1 Góc phương vị hai tàu ảnh hưởng đến khả quay trở thay đổi hướng tàu để tránh va, đó, đặt α∆B = 0,1 Mơ hình đánh giá rủi ro va chạm áp dụng cách mô thông số tàu tàu mục tiêu, cách sử dụng cơng cụ C++ Qt Các tiêu chí để tính toán CRI đưa cảnh báo sau: CRI ≥ 0,6667, có khả xảy va chạm cao, tàu cần hành động để tránh va chạm Khi CRI < 0,6667, có khả va chạm, sỹ quan trực ca cần ý, với CRI < 0,3333, xác suất va chạm thấp, hệ thống tự động giám sát Tính tốn khả va chạm Sai Khả va chạm cao? Đúng Cảnh báo Kết thúc Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình mơ Bảng Mối tương quan hai tàu Trường Hướng Lưu đồ thuật toán chương trình mơ trình bày Hình Nếu xác suất va chạm tàu tàu mục tiêu cao, hệ thống đưa cảnh báo yêu cầu sỹ quan trực ca xem xét tình hợp (o ) Hình mơ tả hình ảnh chương trình mơ tính tốn khả va chạm tàu di chuyển xung quanh tàu khác Khả va chạm phụ thuộc vào vị trí, hướng hành trình, tốc độ khoảng cách tàu với CRI tương ứng Phương vị (o ) Tốc độ (kn) Khoảng cách (NM) 175 12 180 15 275 30 15 200 25 13 10 162 33 15 12 130 110 11 356 8 280 15 10 Bảng Giá trị thông số tương ứng DCPA TCPA (NM) (hr) 0,6959 0,4126 0,2925 0,4358 0,3321 0,3286 7,2505 0,2254 0,5325 0,8716 0,7663 0,1968 9,3258 0,5035 0,5395 3,7622 1,7228 0,0001 0,2093 0,3741 0,4266 4,9810 0,0436 0,6077 Trường hợp Hình Hình ảnh chương trình mơ 34 CRI SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng mô tả cụ thể mối tương quan tàu tàu mục tiêu theo trường hợp gặp phải biển, bao gồm tình đối đầu, cắt mạn trái, cắt mạn phải tình vượt Bảng thông số DCPA, TCPA CRI tương ứng Kết luận Bảng cho thấy khả va chạm đánh giá qua số CRI, khả va chạm tăng lên khoảng cách hai tàu giảm xuống tăng tốc độ hai tàu Khả va chạm thường lớn hai tàu di chuyển làn, nhỏ trường hợp giao cắt hai bên mạn tàu CRI phản ánh khả va chạm xác so với trường hợp dùng TCPA DCPA So sánh trường hợp Bảng cho thấy hiệu phương pháp sử dụng viết Trường hợp nguy hiểm trường hợp khoảng cách đến điểm tiếp cận gần 0,8716 hải lý gần so với 7.2505 hải lý Tuy nhiên, trường hợp 3, khoảng cách hai tàu nhỏ so với trường hợp tốc độ lại nhanh hơn, với ảnh hưởng hướng hành trình góc phương vị khác nhau, trường hợp nguy hiểm trường hợp Kết mơ cho thấy mơ hình đánh giá rủi ro va chạm áp dụng thực tế Mơ hình đánh giá rủi ro va chạm sử dụng trạm gốc, trung tâm VTS NoC để giám sát, quản lý đưa cảnh báo nguy hiểm cho tàu khu vực hoạt động trạm Mơ hình tích hợp vào hệ thống AIS để giúp sỹ quan trực ca đánh giá nhanh chóng xác nguy va chạm, từ áp dụng nguyên tắc tránh va chạm để xử lý tình huống, chế tạo hệ thống nhúng sau trang bị tàu nhỏ, tàu cá khơng có Radar ARPA để cảnh báo tránh va Lời cảm ơn Bài báo sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường năm học 2019-2020, tên đề tài: “Nghiên cứu phương pháp đánh giá mô xác suất va chạm tàu thuyền biển dựa AIS”, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ collisions avoidance,Adv Eng Res, Vol.82, pp 248-252, 2016 [3] Jinfen Zhang, Di Zhang, Xinping Yan, Stein Haugen, C Guedes Soares, A distributed anticollision decision support formulation in multiship encounter situations under COLREGs, Ocean Engineering, Vol.105, pp.336-348, 2015 [4] Yuxin Zhao, Wang Li, Peng Shi, A real-time collision avoidance learning system for Unmanned Surface Vessels Neuro computing, Vol 182, pp.255-266, 2016 [5] Weibin Zhang, Cole Kopca, Jinjun Tang, Dongfang Ma, Yinhai Wang, A Systematic Approach for Collision Risk Analysis based on AIS Data, the journal of navigation, Vol.70, pp.11171132, 2017 [6] Wu Gongxing, Shi Danda, Guo Jiamin, Deliberative Collision Avoidance for Unmanned Surface Vehicle Based on the Directional Weight, J Shanghai Jiaotong Univ (Sci.) 2016, Vol 21, pp.307-312, 2016 [7] Chen Dejun, Dai Chu, WanXuechao, Mou Junmin, A Research on AIS-based Embedded System for Ship, The 3rd International Conference on Transportation Information and Safety, Wuhan, China, pp.512-517, June 2015 [8] Wu, H.S, Design of Ship Collision Avoidance Terminal Based on AIS/Radar Fused Information A Dissertation for the Degree of Master Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, China, 2012 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 20/04/2020 25/05/2020 02/06/2020 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.P Mujeeb-Ahmed, Jung Kwan Seo, Jeom Kee Paik,bProbabilistic approach for collision risk analysis of powered vessel with offshore platforms, Ocean Engineering, Vol.151, pp.206-221, 2018 [2] Nguyen ManhCuong, Zhang ShuFang, Vietnam waterway transportation research and recommendation of ARPA and AIS used in SỐ 64 (11-2020) 35 ... có khả xảy va chạm cao, tàu cần hành động để tránh va chạm Khi CRI < 0,6667, có khả va chạm, sỹ quan trực ca cần ý, với CRI < 0,3333, xác suất va chạm thấp, hệ thống tự động giám sát Tính tốn khả. .. thấy khả va chạm đánh giá qua số CRI, khả va chạm tăng lên khoảng cách hai tàu giảm xuống tăng tốc độ hai tàu Khả va chạm thường lớn hai tàu di chuyển làn, nhỏ trường hợp giao cắt hai bên mạn tàu. .. suất va chạm tàu tàu mục tiêu cao, hệ thống đưa cảnh báo yêu cầu sỹ quan trực ca xem xét tình hợp (o ) Hình mơ tả hình ảnh chương trình mơ tính tốn khả va chạm tàu di chuyển xung quanh tàu khác Khả