Bài viết tìm hiểu ảnh hưởng của gió được xem xét đối với bài toán điều khiển tàu cập cầu tự động sử dụng mạng nơ ron tách kênh. Các kết quả mô phỏng được thực hiện chỉ ra ưu điểm của hệ thống cập cầu tàu sử dụng mạng nơ ron tách kênh là tốt hơn so với không tách kênh khi xét đến ảnh hưởng của gió.
TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TÀU CẬP CẦU XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON TÁCH KÊNH AUTOMATIC SHIP BERTHING UNDER THE EFFECT OF WIND USING A NEURAL NETWORK WITH DECOUPLE STRUCTURE NGUYỄN VĂN SƯỚNG Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: nguyenvansuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong nghiên cứu trước đây, mạng nơ ron với cấu trúc tách kênh giới thiệu cho toán điều khiển tàu cập cầu tự động So với điều khiển nơ ron khác, cấu trúc tách kênh đem lại hiệu tốt điều khiển góc bẻ lái vịng tua chân vịt Tuy nhiên, ảnh hưởng gió chưa xem xét đến sử dụng điều khiển Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng gió xem xét toán điều khiển tàu cập cầu tự động sử dụng mạng nơ ron tách kênh Các kết mô thực ưu điểm hệ thống cập cầu tàu sử dụng mạng nơ ron tách kênh tốt so với không tách kênh xét đến ảnh hưởng gió Từ khóa: Tự động cập cầu tàu, mơ hình tàu, ảnh hưởng gió, mạng nơ ron tách kênh động tàu trở lên khó khăn hiệu điều khiển bánh lái tàu thấp Nói cách khác, điều động tàu vào cập cầu, tàu khó nghe lái, dẫn đến cần phải điều khiển bánh lái cách hợp lý Do đó, q trình cập cầu tàu thường chia làm ba giai đoạn cụ thể: giai đoạn thứ bẻ lái đưa vào hướng tiếp cận cầu, giai đoạn cần thực nhanh chóng để lợi dụng việc tàu điều khiển thay đổi hướng mũi bánh lái; giai đoạn thứ hai máy tàu thay đổi để tiếp cận cầu với tốc độ hợp lý; giai đoạn cuối máy dừng máy tiếp cận cầu với trớn phù hợp để tiếp cận cầu tàu Với cách tiếp cận giống não người điều khiển tàu, mạng nơ ron nhân tạo xem cách tiếp cận hiệu để tự động điều khiển tàu cập cầu mạng nơ ron có khả học thực bước cập cầu giống hành động người điều khiển Abstract In previous studies, decouple neural networks have been studied to automatic ship berthing control as main controller Conpared to existing controllers, the decouple structure of networks obtains better efficintive in controlling the rudder angle and the propeller revolution However, the effect of wind disturbance have been still not considered in automatic ship berthing using the decouple structure In this study, the effect of wind has been rearched on automatic ship berthing control based on decouple neural networks Numerical simulation results carried out show that the advantage of proposed berthing system under wind disturbace is better than that using the non-decouple neural network controller Keywords: Automatic ship berthing, ship model, wind effect, decouple neural networks Đặt vấn đề Tự động điều khiển tàu cập cầu tốn khó lĩnh vực điều khiển chuyển động tàu Khi di chuyển điều kiện tốc độ thấp, việc điều 10 Hình Tạo mẫu cập cầu tàu để huấn luyện mạng nơ ron tách kênh Người ứng dụng mạng nơ ron để học thực toán tự động cập cầu nhóm tác giả H Yamato et al [1], nghiên cứu điều khiển đề xuất để điều khiển hai đầu góc bẻ bánh lái tốc độ vịng tua chân vịt Theo ý tưởng tiếp cận này, liệu tạo từ trình cập cầu tàu đó, sau liệu sử dụng để dạy mạng nơ ron Mạng nơ ron bao gồm lớp đầu vào: vị trí địa lý tàu cảng huấn luyện, hướng SỐ 65 (01-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY mũi tàu thời điểm xuất phát, trạng thái tốc độ tàu Lớp đầu mạng bao gồm hai tín hiệu điều khiển góc bẻ bánh lái tốc độ vòng tua chân vịt Các trạng thái tàu thời điểm xuất phát Hình tạo đủ để huấn luyện mạng nơ ron Như kế thừa ý tưởng từ nhóm tác giả [1], nghiên cứu đề xuất để giải toán khác lĩnh vực cập cầu tàu tự động sử dụng mạng nơn ron [2, 3, 4, 5, 6] Trong nghiên cứu [2], nhóm tác giả sử dụng đầu vào góc mạn tiếp cận khoảng cách từ tàu đến cầu cảng, ưu điểm tiếp cận mạng nơ ron áp dụng cho nhiều cầu cảng khác mà không cần phải huấn luyện lại mạng Với mong muốn áp dụng cho tàu khơng người lái, nhóm tác giả [4, 5], sử dụng đầu vào khoảng cách đến cảng thay góc mạn khoảng cách nghiên cứu [2] Trong nghiên cứu [6], điều khiển nơ ron tạo để thực đa nhiệm vụ bao gồm cập cầu cho nhiều cảng khác hai hướng tiếp cận khác mà không cần huấn luyện lại mạng nơ ron Trong nghiên cứu [3], đề xuất điều khiển nơ ron tách kênh cho cập cầu, điểm mạng nơ ron so với nghiên cứu trước thể chỗ làm giảm tác động đầu vào không liên quan đến đầu điều khiển từ mạng Tức việc điều khiển tín hiệu phụ thuộc vào tín hiệu vào liên quan thay phụ thuộc vào tất tín hiệu điều khiển trước Điều làm cho hiệu điều khiển góc bẻ bánh lái tốc độ vịng tua chân vịt đạt hiệu cao Do đó, hiệu điều khiển tàu cập cầu nghiên cứu nâng cao so với nghiên cứu trước Tuy nhiên, thực tế hàng hải, ảnh hưởng ngoại cảnh tác động đến tàu trình cập cầu đáng kể Do vậy, nghiên cứu này, ảnh hưởng gió xem xét đến q trình điều khiển tàu cập cầu tự động sử dụng mạng nơ ron tách kênh Nghiên cứu nghiên cứu để phát triển điều khiển mạng nơ ron tách kênh cho hệ thống tự động cập cầu tàu xét đến ảnh hưởng ngoại cảnh phức tạp khác tàu cập cầu Modeling Group) nhóm tác giả người Nhật Bản sử dụng, hệ thức tốn học mơ hình thể hiện: (𝑚 + 𝑚𝑥 )𝑢̇ − (𝑚 + 𝑚𝑦 )𝑣𝑟 = 𝑋𝐻 + 𝑋𝑃 + 𝑋𝑅 + 𝑋𝑊 (𝑚 + 𝑚𝑦 )𝑣̇ + (𝑚 + 𝑚𝑥 )𝑢𝑟 = 𝑌𝐻 + 𝑌𝑊 (𝐼𝑧𝑧 + 𝐽𝑧𝑧 )𝑟̇ = 𝑁𝐻 + 𝑁𝑅 + 𝑁𝑊 (1) Trong đó: (x, y) toạ độ địa lý tàu cảng, Ψ hướng mũi tàu, m, mx, my khối lượng tàu, khối lượng thêm tàu chuyển động nước theo trục dọc trục ngang; Izz, Jzz mô men khối lượng mô men khối lượng thêm tàu chuyển chuyển động quay; u, v, r tốc độ tàu trục dọc, trục ngang, trục thẳng đứng Lực dọc tác dụng lên chuyển động tàu sinh chân vịt mô tả hệ thức sau: 𝑋𝑃 = (1 − 𝑡𝑃 )𝑇 { 𝑇 = 𝜌𝐷𝑝4 𝑛2 𝐾𝑇 (𝐽) Lực mô men tác dụng lên tàu sinh bánh lái thể qua hệ phương trình đây: 𝑋𝑅 = −(1 − 𝑡𝑅 )𝐹𝑁 sin 𝛿 𝑌𝑅 = −(1 + 𝑎𝐻 )𝐹𝑁 cos 𝛿 𝑁𝑅 = −(𝑥𝑅 + 𝑎𝐻 𝑥𝐻 )𝐹𝑁 cos 𝛿 𝜌 𝐹 = 𝑓 (Λ)𝐴𝑅 𝑈𝑅2 sin 𝛼𝑅 { 𝑁 𝛼 SỐ 65 (01-2021) (3) Trong đó: n tốc độ vịng tua chân vịt, 𝛿 góc bẻ lái Đây hai đầu điều khiển để điều khiển tàu tiếp cận cầu Mơ hình chuyển động tàu dầu tốc độ thấp áp dụng nghiên cứu Chi tiết mơ hình tham khảo nghiên cứu [7] 2.2 Mơ hình tác động gió Trong thực tế hàng hải, yếu tố gió tác động đến tàu hồn tồn xác định thiết bị đo gió, chiều cao mạn khơ tàu Do lực mơ men hồn tồn xác định q trình cập cầu tàu tự động Trong nghiên cứu này, hệ số gió xác định theo phương pháp Isherwood [8] XW = CX ρV2R AT 2 Mơ hình tốn động học chuyển động tàu 2.1 Mơ hình động học chuyển động tàu Để thiết kế hệ thống tự động điều khiển tàu cập cầu, mô hình tốn chuyển động ba bậc tự đề cập cho tàu mặt nước (Surge - Sway - Yaw) Trong nghiên cứu mơ hình tốn MMG (Mathematical (2) YW = CY ρV2R AL { (4) NW = CN ρV2R AL LOA Trong đó: XW lực dọc, YW lực ngang NW mô men tác dụng lên tàu gây gió 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Tự động cập cầu tàu xét đến ảnh hưởng gió sử dụng mạng nơ ron tách kênh 3.1 Đề xuất hệ thống tự động cập cầu xét đến ảnh hưởng gió Trong nghiên cứu trước [3], nhóm tác giả đề xuất điều khiển nơ ron tách kênh ứng dụng cho toán tự động điều khiển tàu cập cầu Ưu điểm điều khiển đề xuất so với cấu trúc không tách kênh thể chỗ: Bộ điều khiển không tách kênh cho kết nối đầu điều khiển (góc bẻ bánh lái tốc độ vòng tua chân vịt) với tất đầu vào, thực tế đầu điều khiển không phụ thuộc vào tất đầu vào mạng Điều làm cho hiệu điều khiển mạng nơ ron không tách kênh so với mạng nơ ron tách kênh Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu hiệu điều khiển cấu trúc tách kênh mạng nơ ron so với cấu trúc không tách kênh có ảnh hưởng gió tác động đến q trình cập cầu tàu Đây xem nghiên cứu phát triển nghiên cứu [3] Các bước thực tốn: ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bước 2: Lựa chọn cấu trúc mạng, nghiên cứu cấu trúc mạng mạng nơ ron tách kênh nghiên cứu [3] Tuy nhiên, xét thêm ảnh hưởng gió, đại lượng: lực tác dụng gió gây trục dọc (Xw), lực tác dụng trục ngang (Yw), mơ men gió (Nw) chia theo hai nhánh riêng biệt để điều khiển bánh lái tốc độ vòng tua chân vịt cách hợp lý so với cấu trúc tách kênh Cụ thể, mạng nơ ron tách kênh thiết kế Hình có cấu trúc hai mạng nơ ron nhỏ riêng biệt để áp dụng cho toán cập cầu tàu tự động xét đến ảnh hưởng gió Trong đó: Mạng nơ ron thứ có cấu trúc gồm: lớp vào gồm đầu vào (toạ độ địa lý tàu cảng (x, y), tốc độ tàu trục dọc (u)), lực tác dụng gió lên tàu theo trục dọc (XW); lớp ẩn, lớp tốc độ vòng tua chân vịt (n) Mạng nơ ron thứ hai có cấu trúc gồm: lớp vào gồm đầu vào (tốc độ tàu trục ngang tốc độ góc (v, r), hướng mũi tàu (Ψ)), lực tác dụng gió lên tàu theo trục ngang (YW), mô men tác dụng quay tàu (NW); lớp ẩn, lớp góc bẻ bánh lái (δ) Bước 1: Tạo liệu cập cầu để huấn luyện điều khiển Cũng giống nghiên cứu trước đây, liệu ghi lại để tạo thành liệu tổng hợp Đầu vào liệu bao gồm: vị trí tàu, hướng mũi tàu, tốc độ tàu theo trục dọc, ngang, tốc độ góc quay Đầu bao gồm hai tín hiệu điều khiển góc bẻ bánh lái tốc độ vịng tua chân vịt Trong trình tạo liệu, gió đề cập cách đề cập lực mô men hệ thức (4) Việc tạo liệu huấn luyện thực phần mềm MATLAB minh hoạ Hình Hình Cấu trúc mạng nơ ron không tách kênh lựa chọn đề cập đến ảnh hưởng gió Hình Mơ tả q trình tạo liệu huấn luyện đề cập ảnh hưởng gió MATLAB 12 cho tốn cập cầu tàu SỐ 65 (01-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Để huấn luyện mạng, nghiên cứu sử dụng phương pháp học giám sát kỹ thuật lan truyền ngược để đảm bảo sau huấn luyện mạng, đầu phản hồi mạng gần giống với đầu liệu dạy học cho mạng Hàm mục tiêu để huấn luyện phương pháp lan truyền ngược thể hệ thức đây: P L M E = desired_Oi - f (Wij f1 (W jk I k +b j )) - bi i=1 j=1 k=1 (5) đỏ quỹ đạo tàu chạy điều khiển điều khiển khơng tách kênh Trường hợp thứ nhất: Hình 5a, tàu xuất phát từ vị trí ban đầu (vĩ độ, kinh độ) = (6, 7.5), hướng mũi tàu 260 độ, hướng gió 340 độ tốc độ gió 10 (m/s) Kết mô số cho thấy quỹ đạo tự động điều khiển chuyển động tàu điều khiển khác có khác rõ rệt tác dụng gió Nhiệm vụ huấn luyện tối ưu hệ thức (5) Kết thúc trình huấn luyện mạng, giá trị trọng số tính tốn cập nhật đảm bảo hàm mục tiêu Bước 3: Tự động cập cầu tàu, đặt tàu vị trí ban đầu có trạng thái đầu vào giống gần giống với liệu huấn luyện mạng Bước 1, điều khiển tính tốn giá trị góc bẻ lái thay đổi tốc độ vòng tua chân vịt để đưa tàu vào cập cầu ảnh hưởng gió cách tự động Sơ đồ khối hệ thống biểu diễn Hình 4, đầu vào ban đầu giá trị trạng thái tàu thời điểm xuất phát, qua điều khiển tính tốn giá trị góc bẻ lái tốc độ vịng tua chân vịt để đưa mơ hình tốn MMG, qua mơ hình toán MMG, trạng thái tàu bước thời gian tính tốn phản hồi điều khiển để thực vòng lặp ban đầu Trong sơ đồ này, gió đề cập cho điều khiển Vì gió (bao gồm hướng tốc độ hồn tồn xác định thơng qua thiết bị đo gió) nên tác động gió hồn tồn xác định a) Hình Sơ đồ tự động điều khiển cập cầu ảnh hưởng gió sử dụng điều khiển tách kênh 3.2 Mô số phân tích kết Để xác thực hiệu hệ thống điều khiển đề xuất xét đến ảnh hưởng gió, mơ số thực sử dụng phần mềm MATLAB Toạ độ khu vực cảng chuyển thành dạng thứ nguyên để dễ dàng thực cho việc mơ máy tính, thang kinh vĩ độ thuộc giải từ -2 đến Kết nghiên cứu mơ thể Hình Hình vẽ màu xanh thể quỹ đạo tàu chạy điều khiển điều khiển tách kênh Còn màu SỐ 65 (01-2021) 13 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY đạo chuyển động tàu điều khiển điều khiển tách kênh bị dạt so với quỹ đạo điều khiển điều khiển không tách kênh Kết là, ảnh hưởng gió, vị trí tàu cập cầu điều khiển điều khiển tách kênh gần vị trí mong muốn so với vị trí tàu cuối điều khiển điều khiển không tách kênh b) c) Hình Kết mơ tự động cập cầu tàu sử dụng mạng nơ ron tách kênh so sánh với cấu trúc không tách kênh Phân tích trường hợp này, thấy ảnh hưởng gió thổi từ mạn phải sang mạn trái (ký hiệu hoa gió hình vẽ), ban đầu hai điều khiển bẻ bánh lái phía mạn trái để đưa tàu tiếp cận cầu hướng hợp lý, điều khiển tách kênh sử dụng góc bẻ lái nhỏ để chống lại ảnh hưởng gió thổi từ mạn phải sang tốt Điều làm cho quỹ 14 Trường hợp thứ hai: Hình 5b, tàu xuất phát có trạng thái tàu giống trường hợp thứ nhất, vị trí ban đầu tàu (vĩ độ, kinh độ) = (6, 7.5), hướng mũi tàu 260 độ, tốc độ gió 10 (m/s) Tuy nhiên, hướng tác dụng gió hướng 135 độ (Gió thổi từ mạn trái sang mạn phải tàu) Phân tích kết thấy rằng: ban đầu để tiếp cận hướng vào cầu hợp lý, hai điều khiển bẻ lái sang mạn trái Tuy nhiên, điều khiển tách kênh bẻ lái góc lái lớn để tránh cho tàu bị dạt phía mạn phải Kết quỹ đạo tàu điều khiển điều khiển tách kênh gần với đường tiếp cận cầu mong muốn Điều có nghĩa hiệu điều khiển điều khiển nơ ron tách kênh tốt so với điều khiển không tách kênh trường hợp Trường hợp thứ ba: Hình 5c, tàu xuất phát vị trí ban đầu tàu (vĩ độ, kinh độ) = (4, 7.5), hướng mũi tàu 220 độ, tốc độ gió 10 (m/s) Hướng tác dụng gió hướng 250 độ (gần gió thổi ngược với hướng tàu chạy) Phân tích kết thấy rằng: hai điều khiển bẻ góc bánh lái sang bên phải để tiếp cận cầu (đồ thị phần Rudder phía trên), nhiên, góc bẻ bánh lái điều khiển nơ ron tách kênh có xu hướng lớn tốc độ thay đổi lớn hơn, điều giải thích gió thổi vát mũi tàu nên ảnh hưởng gây dạt ngang không nhiều mục đích bám đường tiếp cận nên điều khiển cho góc bẻ lái thay đổi liên tục lúc bẻ sang hết phía mạn phải Quỹ đạo chuyển động tàu điều khiển tách kênh trường hợp gần đường mong muốn so với quỹ đạo điều khiển điều khiển không tách kênh Kết ba trường hợp mô cho thấy ứng dụng điều khiển nơ ron tách kênh cho tốn cập cầu có hiệu điều khiển tốt so với điều khiển khơng tách kênh đề cập ảnh hưởng gió tác động đến chuyển động tàu Kết luận Bài báo đề xuất nghiên cứu ứng dụng mạng nơ ron có cấu trúc tách kênh cho toán tự động cập cầu tàu xét đến ảnh hưởng gió Kết mơ rằng: tác động gió, quỹ đạo chuyển động tàu điều khiển điều khiển đề SỐ 65 (01-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY xuất bám sát đường tiếp cận cầu mong muốn so với quỹ đạo chuyển động tàu điều khiển điều khiển nơ ron khơng tách kênh Điều hiểu điều khiển đề xuất nghiên cứu có hiệu tốt so với điều khiển có cấu trúc tách kênh đề cập ảnh hưởng gió Trong nghiên cứu tiếp theo, tiếp tục phát triển điều khiển nơ ron để điều khiển tàu tự động cập cầu tính đến ảnh hưởng gió động học (gió thay đổi hướng liên tục q trình cập cầu), gió giật, tác dụng dịng chảy đến q trình cập cầu Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT20-21.01 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Yamato and etc “Automatic Berthing by the Neural Controller”, Proc Of Ninth Ship Control Systems Symposium, Vol.3, pp.183-201, Bethesda, U.S.A., Sep 1990 [2] Nam Kyun Im, Van Suong Nguyen “Artificial neural network controller for automatic ship berthing using head-up coordinate system” International Journal of Naval Architechture and Ocean Engineering, Vol.10, pp.235-249, 2018 doi:10.1016/j.ijnaoe.2017.08.003 [3] Nguyễn Văn Sướng “Nghiên cứu tự động cập cầu tàu sử dụng mạng nơ ron tách kênh” Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 64, tr.36-40, 2020 SỐ 65 (01-2021) KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [4] Van Suong Nguyen, Van Cuong Do, Nam Kyun Im “Development of Automatic Ship Berthing System Using Artificial Neural Network and Distance Measurement System” International journal of fuzy logic and intelligent systems, Vol.18, pp.41-49, 2018 doi:10.5391/IJFIS.2018.18.1.41 [5] Van Suong Nguyen “Investigation on a novel support system for automatic ship berthing in marine practice” Journal of marine science and engineering, Vol.4, pp.1-22, 2019 doi: 10.3390/jmse7040114 [6] Van Suong Nguyen “Investigation of a multitasking system for automatic ship berthing based on an integrated neural controller Mathematics, Vol.8, Issue 7, pp.1-23, 2020 doi: /10.3390/math8071167 [7] K Kose et al, On a Mathematical Model of Maneuvering Motions of Ships in Low Speeds, Journal of Ship and Naval Architecute of Japan, Vol.155, pp.132-138, June 1984 (In Japanese) [8] Isherwood, R.M Wind Resistance of Merchant Ship Trans RINA 1972, Vol.115, pp.327-338, 1972 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 04/12/2020 08/01/2021 16/01/2021 15 ... NGHỆ Tự động cập cầu tàu xét đến ảnh hưởng gió sử dụng mạng nơ ron tách kênh 3.1 Đề xuất hệ thống tự động cập cầu xét đến ảnh hưởng gió Trong nghiên cứu trước [3], nhóm tác giả đề xuất điều khiển. .. đạo chuyển động tàu điều khiển điều khiển tách kênh bị dạt so với quỹ đạo điều khiển điều khiển không tách kênh Kết là, ảnh hưởng gió, vị trí tàu cập cầu điều khiển điều khiển tách kênh gần vị... động đến tàu trình cập cầu đáng kể Do vậy, nghiên cứu này, ảnh hưởng gió xem xét đến q trình điều khiển tàu cập cầu tự động sử dụng mạng nơ ron tách kênh Nghiên cứu nghiên cứu để phát triển điều