Luan an TS - Nguyen Xuan Long_Tóm tắt

T ừ kết quả công bố của các công trình, có thể nhận thấy, các công trình khoa h ọc trên chưa đưa ra được phương pháp tính toán và đánh giá ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực [r]

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

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

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án

Trong 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 khơng đảm bảo ổn định nguyên vẹn ổn định tai nạn [46]

Đặc điểm chung tai nạn suy giảm ổn định tàu không 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 toàn hàng hải

2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài luận án nước nước ngồi

Tình hình nghiên cứu giới liên quan đến đề tài luận án Tình hình nghiên cứu nước liên quan đến đề tài luận án

thời gian thực đưa cảnh báo tính ổn định tàu có xu hướng suy giảm

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu đề tài luận án thiết lập hệ thống thơng 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 khơng thỏa mãn tiêu chuẩn quy định Bộ luật ổn định nguyên vẹn (IS Code 2008) Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)

4 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

5 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

6 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 trình dẫn tàu, góp phần đảm bảo an tồn hàng hải

7 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:

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 hoàn chỉnh hệ thống thông 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 cơng 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

7 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 trịn điểm M coi cố định

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:

KG=D0 x KG0+ ∑Pi x KGi

D (1.2)

1.2.1.2 Ổn định tàu góc nghiêng lớn

Tại góc nghiêng lớn, quỹ đạo tâm B khơng cịn cung trịn 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

Từ Hình 1.2 có: G0Z = KN - KJ KJ = KG0 x Sinθ (1.3) 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 địn ổn định tĩnh [29]

a Diện tích cánh tay địn 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 hoặc góc ngập nước góc

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 30onhưng không nhỏ 25o

d Chiều cao vững ban đầu sau hiệu chỉnh ảnh hưởng mặt thống 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 tốn 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

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;

- Thông 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]

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, cịn 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

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 môi 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 q 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 mô 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 ℱ𝑟𝑟 chưa kịp thay đổi lớn, tần số dao động ℱ𝑤𝑤 w(n) lại biến đổi với độ lệnh lớn nhiều so với ℱ𝑟𝑟 cửa sổ quan sát Khi lượng dao động điều hịa 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)

Powerj=� AVG∀i,f �PSDi f

Hình 2.4: Mơ hình xử lý dự đốn tần số dao động tín hiệu

Tại lần quan sát thứ j với cửa số có kích thước V (Ký hiệu Vj),

ta thu phổ phân bổ lượng Powerjđại diện,

năng lượng dao động tần số f với xác xuất xuất cao tín hiệu thành phần trì, cịn trường hợp khác bị giảm thiểu mơ tả Hình 2.5

Tần số cịn trì lượng mức cao nhất, tần số dao động kỳ vọng tín hiệu quan sát cửa sổ Vj Tuy với quan sát đơn, khó định tần số 𝐹𝐹𝑗𝑗 cửa sổ Vj tần số dao động tàu Do vậy, để khách quan, nghiên cứu sinh tiến hành quan sát biến động tần số f q cửa sổ liên tiếp Vì lượng w(n) giảm thiểu, nên lượng phổ biến tín hiệu quan sát tập trung xung quanh tần số dao động x(n) Bằng cách xây dựng hàm Predict, tính giá trị tần số dao động gần F r(n) khoảng thời gian xem xét (T tính theo s), dựa vào tần số dao động q tín hiệu quan sát Tần số xem tần số dao động tàu thời điểm bắt đầu kỳ quan sát thứ q+1

Fq+1= predict({PowerJ | j ∈ [1,q]})= AVG∀j ϵ[1 q]�Fj� (2.6)

Bên cạnh trường hợp xem xét, dao động lắc ngang tàu có biến thiên tăng/giảm theo thời gian (Khơng có thay đổi đột ngột) Ta xây dựng hàm nội suy đa thức P(x) để dự đoán

P(x)=∏∀i∈[1 q](x-Fi) (2.7) Khi tần số dao động lần quan sát thứ q+1 kỳ vọng tính gần Fq+1 = P(q+1)

Sau có tần số dao động gần tàu, chu kỳ dao động tàu kỳ quan sát thứ k (Ck) tính bẳng tỉ số thời gian quan

sát T(s) cố định, với tần số Fk tính cơng thức (2.8)

Ck= T

Fk

(số lần dao động/s) (2.8)

2.3 Xác định thông số ổn định tàu hàng rời từ chu kỳ lắc ngang

2.3.1 Xác định chiều cao vững tàu hàng rời thông qua chu kỳ lắc ngang

Trong thực tế, để tiện cho việc kiểm tra G0M tàu, hồ

sơ tàu lập sẵn bảng kiểm tra G0M (Rolling Period Table) đồ thị

các đường cong kiểm tra G0M (Rolling Period-G0M Curves) thông qua

chu kỳ lắc mớn nước trung bình tàu, (mục phần Phụ lục)

Mớn nước trung bình lượng dãn nước tương ứng tàu xác định thời điểm trước tàu hành trình Hai giá trị lấy từ sơ đồ xếp hàng tàu (Cargo stowage plan), sau hiệu chỉnh với lượng tiêu thụ nhiên liệu, nước thời điểm khảo sát

Trên sở bảng tra nói lập chương trình tra cứu giá trị G0M từ đối số chu kỳ lắc đo (T), mớn nước trung bình

Các cơng thức làm sở cho tính tốn 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=2 x C x B

�G0M

G0M = (2 x C x 𝐵𝐵

𝑇𝑇)

2

(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:

C = 0.373 + 0.023 x �B

d �- 0.043 x � Lwl

100 � (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 × K

�g×G0M

=2,01× K

�G0M

(2.11)

Hay:

G0M=� 2,01×K

Ts �

2

(2.12) Với: K xác định theo công thức sau:

𝐾𝐾 =B*�f× �Cb×Cu+1,10×Cu×(1-Cb)× � Hs

d γ-2.20� + � Hs

B� 2

� (2.13) Trong đó:

K bán kính quay (radius of gyration) (m): ngồi việc xác định theo cơng thức (2.13) K cịn xác định theo đồ thị đường cong �𝐾𝐾𝐵𝐵�2được cho sẵn hồ sơ tàu (Hình 2.6)

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

γ=1- e-28×(d d⁄ )02 (2.14)

d mớn nước trung bình tàu

d0 mớn nước tàu trạng thái đầy tải

Hình 2.6: Đồ thị xác định bán kính quay (radius of gyration) 2.3.2 Vẽ đường cong cánh tay địn ổn định tĩnh xác định thơng số đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn IMO

2.4 Kết luận chương

Để tính tốn, đánh giá thơng 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 thông 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

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 thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực đề xuất:

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 thông 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

Khối vào Khối nhập thông số tàu Khối nhập thông chuyến

Khối cảm biến

Khối xử lý trung tâm

Khối Khối hiển thị

thông tin

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 công 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 thơng số ổn định (G0M, G0Z) tàu nằm ngồi 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

của tàu có xu hướng bị suy giảm 3.3.5 Hệ thống nhớ

3.4.1 Thuật toán điều khiển hệ thống

Như đề cập mục trước (Mục 3.1), từ mơ hình kiến trúc ngun 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 thơng số ổn định tàu

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

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

Trạng thái ổn định tàu giới hạn cho phép So sánh thông số ổn

định với tiêu chuẩn IMO

Cảnh báo

Kết thúc

Phù hợp

Để tính tốn thơng 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 thơng 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

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 thông 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 địn ổn định tĩnh từ 0ođến 30o;

+ Diện tích phía cánh tay đòn ổn định tĩnh từ 0o đến 40o;

+ Diện tích phía cánh tay địn ổn định tĩnh từ 30ođến 40o ;

+ Giá trị G0Z, G0M

Ngoài giao diện hiển thị kết thơng số ổn định tàu cịn có hình ảnh đồ thị biến thiên theo thời gian G0M G0Z để

cho 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, nguyên 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 toàn tiến trình thực xây dựng, thực nghiệm, đánh giá hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống;

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 q 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

4.3.5 Thực nghiệm tàu hàng rời BMC BRAVO

Tàu hàng rời BMC BRAVO thuộc quản lý Cơng ty CP VTB Quốc tế Bình Minh Thời điểm thực nghiệm, tàu hành trình từ Cửa Lị- Nghệ An Quảng Ninh Trong lần thực nghiệm này, nghiên cứu sinh tiến hành xác định thông số ổn định tàu G0M thông

qua chu kỳ lắc ngang 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)

TT

Thời gian/ vị trí

Chu kỳ lắc quan sát

T0 (s) (đo tay)

Chu kỳ lắc

hệ thống

Ts (s)

G0M Theo phần mềm xếp dỡ của tàu (m)

Ghi hoạt động bơm ballast Tên két ballast Lượng nước trong két T0 (s) sóng Cấp

Lần Khi chưa bơm ballast vào Ngày: 28/03/2019 Giờ: 06h00m Vĩ độ: 20o23.7N

Kinh độ: 107o05.2E

14,5 14,81 1,26 WBT 5P/S 03T

Lần Khi bơm nước ballast vào Ngày: 28/03/2019 Giờ: 07h05m, Vĩ độ: 20o31,8N

Kinh độ: 107o14,1E

TT

Thời gian/ vị trí

Chu kỳ lắc quan sát

T0 (s) (đo tay)

Chu kỳ lắc

hệ thống

Ts (s)

G0M Theo phần mềm xếp dỡ của tàu (m)

Ghi hoạt động bơm ballast Tên két ballast Lượng nước trong két T0 (s) Cấp

sóng Lần Khi bơm đủ lượng nước ballast vào Ngày: 28/03/2019 Giờ: 07h46m, Vĩ độ: 20o37,5N

Kinh độ: 107o15,0E

14,8 14,25 1,40 WBT

5P/S 200T

Lần Khi bơm nước ballast Ngày: 28/03/2019 Giờ: 08h05m, Vĩ độ: 20o39,8N

Kinh độ: 107o12,9E

15,1 14,75 1,28 WBT 5P/S 40T

Lần Khi kết thúc bơm nước ballast Ngày: 28/03/2019 Giờ: 09h00m, Vĩ độ: 20o46,7N

Kinh độ: 107o09,4E

14,6 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

lắc báo hệ thống G0M tính tốn từ phần mềm xếp dỡ

trên tàu đăng kiểm phê duyệt, cụ thể sau:

Bảng 4.2: So sánh số liệu thực nghiệm đo chu kỳ lắc tàu BMC BRAVO

TT

CHU KỲ LẮC QUAN SÁT (s)

CHU KỲ LẮC ĐO ĐƯỢC BẰNG HỆ

THỐNG, Ts (s)

SAI LỆCH (s) % SAI LỆCH T0 Cấp sóng tương ứng

1 14,5 14,81 0,31 2,14

2 14,4 14,64 0,24 1,67

3 14,8 14,25 0,55 3,72

4 15,1 14,75 0,35 2,32

5 14,6 14,80 0,20 1,37

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)

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

TT

Chu kỳ lắc đo

được 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

1 14,81 1,24 1,26 0,02 1,59

2 14,64 1,27 1,32 0,05 3,78

3 14,25 1,34 1,40 0,06 4,29

4 14,75 1,25 1,28 0,03 2,34

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)

TT

CHU KỲ LẮC QUAN SÁT (s)

CHU KỲ LẮC ĐO ĐƯỢC BẰNG THIẾT

BỊ (s)

SAI LỆCH

(s)

% SAI LỆCH T0 tương ứng Cấp sóng

1 11,1 5-6 10,91 0,19 1,71

2 10,7 5-6 10,86 0,16 1,50

3 11,2 5-6 11,03 0,17 1,52

4 11,4 5-6 11,17 0,23 2,02

5 11,6 5-6 11,21 0,39 3,36

6 10,9 5-6 11,08 0,18 1,65

7 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)

A 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

1 10,91 3,62 3,59 0,03 0,84

2 10,86 3,65 3,59 0,06 1,67

3 11,03 3,55 3,59 0,04 1,11

4 11,17 3,46 3,59 0,13 3,62

5 11,21 3,43 3,59 0,16 4,46

6 11,08 3,52 3,59 0,07 1,95

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 1 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 công thức làm sở để xác định chiều cao vững (G0M) tàu theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc

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 thơng báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực, nguyên lý hoạt động yêu cầu hệ thống Trên sở mơ hình kiến trúc hệ thống, luận án thiết kế, xây dựng phần cứng phần mềm hồn 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 không 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

2 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 cịn 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

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

1 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

2 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

3 Nguyen Xuan Long, Assessing Intact Stability of Bulk Carriers

through the Rolling Period, The Journal of the AMFUF, 2019

4 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

thông vận tải, tháng 12/2019

5 ThS Nguyễn Xuân Long, PGS TS Nguyễn Kim Phương, TS Nguyễn Trung Đức Xây dựng chương trình hiển thị thơng tin ổn

định tàu hàng rời theo thời gian thực Tạp chí KHCN Hàng hải số