Nghiên cứu về sử dụng phương trình ảnh hưởng để đánh giá hệ số đâm va giữa các tàu

Trong bài viết này, hệ số nguy cơ đâm va mới, gọi là Hệ số nguy cơ tiềm ẩn, dựa trên phương trình ảnh hưởng được xây dựng. Chiều dài tàu, vận tốc tàu cũng được xem xét đến. Hệ số mới này có khả năng biểu thị mức độ nguy hiểm của tình huống, đánh giá được nguy cơ đâm va theo thời gian thực. Do đó, hệ số này rất có triển vọng trong việc đảm bảo an toàn hàng hải.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU VỀ SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH ẢNH HƯỞNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ HỆ SỐ ĐÂM VA GIỮA CÁC TÀU A STUDY ON USING INFLUENCE FUNCTION TO ASSESS COLLISION RISK INDEX BETWEEN SHIPS LƯƠNG TÚ NAM*, MAI XUÂN HƯƠNG Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: luongtunam@vimaru.edu.vn Tóm tắt Ngày nay, hỗ trợ hệ thống công nghệ đại, tai nạn đâm va tàu biển tiếp tục xảy Vì vậy, việc hạn chế nguy đâm va cấp thiết Hệ số nguy đâm va giữ vai trò quan trọng việc đánh giá nguy đâm va tàu biển chủ đề nghiên cứu tránh va phổ biến Từ giá trị hệ số nguy đâm va thu từ thông số tàu tình cụ thể, sĩ quan hàng hải định điều động tránh va xác Trong báo này, hệ số nguy đâm va mới, gọi Hệ số nguy tiềm ẩn, dựa phương trình ảnh hưởng xây dựng Chiều dài tàu, vận tốc tàu xem xét đến Hệ số có khả biểu thị mức độ nguy hiểm tình huống, đánh giá nguy đâm va theo thời gian thực Do đó, hệ số có triển vọng việc đảm bảo an tồn hàng hải Từ khóa: Hệ số nguy tiềm ẩn, tránh va, hệ số nguy đâm va, phương trình ảnh hưởng, mức độ nguy hiểm Abstract Nowadays, despite all advantageous technological support systems in marine traffic, ship collision accidents continue to occur Thus, it is essential to minimize collision risk Collision risk index plays an important role in assessing ship collision risk and is one of the attractive issues in the research field of ship collision avoidance With accurate collision risk index obtained through ship characteristics, movement parameters and encounter situation, the navigator can make correct decisions of avoidance action In this article, a new approach of collision risk index model, named Potential Risk Index, based on influence function is proposed The length and speed of the ship have been fully considered This index can express the degree of risk level of 10 situation and show the ability to evaluate collision risk in real time Therefore, the index proposed in this paper has promising application in the field of safe marine navigation Keywords: Potential Risk Index, collision avoidance, collision risk index, influence function, risk level Mở đầu Trong nghiên cứu đảm bảo an toàn hàng hải, sớm xác định tồn nguy đâm va để có hành động tránh va hợp lý vấn đề quan trọng cần giải Điều Công ước qui định quốc tế phòng ngừa đâm va biển (COLREGs) quy định rằng, tàu thuyền phải áp dụng tất biện pháp hiệu sẵn có thích hợp với hồn cảnh điều kiện thực tế đế phán đốn có tồn nguy đâm va hay không [1] Một số để đánh giá nguy đâm va hệ số nguy đâm va (Collision Risk Index - CRI) Trên thực tế, hệ số bị ảnh hưởng nhiều yếu tố, chẳng hạn điểm tiếp cận gần (CPA), phương vị tới tàu mục tiêu, vận tốc tương đối hai tàu tầm nhìn xa Do đó, cách tính hệ số nguy đâm va theo chuyển động tàu vị trí tương quan tàu nhiệm vụ đầy thử thách Hệ số nguy đâm va giá trị phản ánh nguy đâm va tàu chủ với tàu mục tiêu Thông thường, giá trị lớn, nguy xảy tai nạn đâm va cao Hệ số nguy đâm va nghiên cứu dựa theo COLREGs từ năm 1972, bao gồm số phương pháp chủ yếu sau: đánh giá dựa khoảng cách tiếp cận gần (DCPA) thời gian tiếp cận gần (TCPA) mục tiêu; đánh giá dựa thuật toán Logic Mờ (Fuzzy Logic); đánh giá dùng Mạng Nơron nhân tạo (Artificial Neural Network- ANN) Dựa tính tốn DCPA TCPA kết hợp với tham số, Kearon giới thiệu phương pháp SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tính hệ số nguy đâm va theo kinh nghiệm thực tế tránh va biển [2] Cũng dựa DCPA TCPA, Kim tính tốn thêm số yếu tố khoảng cách tới tàu mục tiêu, vị trí, vận tốc tương đối để xây dựng thuật tốn tính hệ số nguy đâm va Logic Mờ Tuy nhiên, yếu tố thông số tàu, khu vực hàng hải chưa đề cập đến [3] Bằng liệu Radar từ trạm VTS, Bukhari thể mức độ nguy hiểm hai tàu khoảng giá trị từ -1,0 đến 1,0 [4] Simsir dùng ANN kết nguy đâm va có tồn hay không [5] Một phương pháp khác nghiên cứu hệ số nguy đâm va khảo sát với sỹ quan hàng hải, chuyên gia Dựa vào kinh nghiệm thực tế họ trường hợp cụ thể, hệ số nguy đâm va xây dựng [6] Các phương pháp đánh giá tình Tuy nhiên, hệ thống chưa tối ưu mặt hiệu thời gian thực chưa tính đến kích thước tàu Trong nghiên cứu hai vấn đề giải quyết: - Hệ số nguy đâm va mới, gọi Hệ số nguy tiềm ẩn, xây dựng phương trình ảnh hưởng dựa chiều dài vận tốc tàu; - Hệ số nguy tiềm ẩn đưa đánh giá cảnh báo thời gian thực Khi hai tàu điều động tránh va, hệ số nguy hiểm thay đổi theo tình trạng tương ứng fBy (x1 )  fBy (x ) (2) Phương trình ảnh hưởng Gauss tính sau: fGauss (x , y )  e  d (x ,y )2 2 (3) Hình mơ tả ảnh hưởng điểm với dựa phương trình ảnh hưởng Gauss Giá trị ảnh hưởng biến thiên khoảng [0,1] Các điểm gần tác động qua lại chúng lớn Tính chất phù hợp với yêu cầu xây dựng hệ số nguy đâm va tàu (càng gần mức độ nguy hiểm lớn) Hình Ví dụ áp dụng phương trình ảnh hưởng Gauss lên tập hợp điểm Xây dựng hệ số nguy tiềm ẩn (PRI) Hệ số nguy đâm va đánh giá nguy hiểm thời gian thực giá trị thực từ đến Giá trị hệ số chia khoảng để thể mức độ nguy hiểm tình huống, qua ưu việt so với phương pháp tại, giúp sỹ quan hàng hải đưa định nhanh chóng xác điều động tránh va Khi tàu hành trình, tác động lên tất điểm xung quanh Coi điểm lân cận quanh tàu chủ tàu ảo tĩnh Tàu ảo chịu ảnh hưởng tàu chủ tác động lên Sự ảnh hưởng lớn tàu ảo gần tàu chủ nhỏ dần xa tàu chủ Mỗi tàu ảo nhận giá trị ảnh hưởng từ tàu chủ khác nhau, gọi hệ số nguy tiềm ẩn Phương trình ảnh hưởng Giả sử vị trí tàu chủ S(xS, yS), tàu ảo P(xp, yp) Tàu chủ có chiều dài L, vận tốc v hướng φ Khoảng cách từ tàu chủ đến tàu ảo P Dφ Từ điểm P kẻ đường vng góc với hướng tàu điểm A Khi tàu chủ đến điểm A, AP khoảng cách gần tàu chủ tàu ảo P (Hình 2) Trong tập hợp điểm, điểm chịu ảnh hưởng điểm khác bao quanh Sự ảnh hưởng tính tốn dựa hàm tốn học, gọi phương trình ảnh hưởng [7] Phương trình ảnh hưởng mô tả tác động điểm lên khu vực xung quanh tất điểm khác vùng bị ảnh hưởng Giả sử có điểm x y thuộc không gian F Sự ảnh hưởng điểm x lên điểm y thể theo biểu thức: fBy (x )  fB (x, y) (1) Tùy theo khoảng cách mà ảnh hưởng điểm khác Gọi khoảng cách từ điểm x1 đến y d(x1, y) khoảng cách từ điểm x2 đến y d(x2, y) Nếu d(x1, y) ≤ d(x2, y) thì: SỐ 66 (4-2021) Để áp dụng phương trình ảnh hưởng Gauss vào việc xây dựng hệ số nguy tiềm ẩn, trước tiên phải có hàm khoảng cách R Gọi khoảng cách đến điểm tiếp cận gần tàu chủ tàu ảo P DCP thời gian để tàu chủ hành trình đến điểm tiếp cận gần TCP Ta có đại lượng khơng thứ ngun DCP TCP tính sau: DCP  (D  sin p ) / L  ( (x p  x S )2  (y p  yS )2  sin p ) / L (4) 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ TCP   JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY D  sin p Lv (x p  x S )2  (y p  yS )2  sin p (5) Lv Trong φp góc mạn tàu chủ tàu ảo P p  arctan x p  xS y p  yS ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI  (6) đến tàu mục tiêu P lại tiếp tục tính tốn dựa thay đổi Như coi thay đổi vị trí bao hàm dịch chuyển tàu mục tiêu P Mặt khác, coi tàu mục tiêu P tàu chủ với vận tốc, chiều dài hướng biết, quan sát tới tàu mục tiêu (là tàu chủ S), hệ số PRI từ tàu P đến tàu S tính tốn tương tự Hệ số nguy tiềm ẩn PRI phụ thuộc vào chiều dài vận tốc tàu Với giá trị PRI, Giả sử hai tàu có chiều dài vận tốc tàu khác nhau, khoảng cách từ tàu đến đường đồng mức giá trị PRI khác nhau, cụ thể chiều dài vận tốc lớn, tầm ảnh hưởng tàu môi trường xung quanh rộng nên khoảng cách lớn (Hình 4) Hình Vị trí tương quan tàu chủ tàu ảo Hàm khoảng cách R tàu chủ tàu ảo tính tốn DCP TCP dựa phương pháp Kearon theo cơng thức (7) Có thể thấy rằng, DCP đại lượng khơng có thứ ngun, nhiên TCP cịn thứ ngun Vì vậy, trọng số λ thêm vào trước TCP để khử thứ ngun, phù hợp cho việc tính tốn R TCP  DCP Hình Giá trị PRI xung quanh tàu chủ (7) Áp dụng hàm nguy vào phương trình ảnh hưởng Gauss, ta có hệ số nguy tiềm ẩn (PRI) tàu chủ tàu ảo P PRI  e  R2 2 (8) Giá trị PRI dùng để thể nguy đâm va tiềm ẩn tàu chủ tàu ảo, có giá trị từ đến Trên Hình 3, giá trị PRI biểu đường đồng mức từ 0,1 (ngoài cùng) đến 0,9 (trong cùng) Tàu ảo đường đồng mức nhận giá trị PRI từ tàu chủ Khi tàu ảo gần với tàu chủ, giá trị PRI tăng dần Hệ số PRI tính tốn dựa TCP DCP thời gian thực, nghĩa PRI tính tốn liên tục với khoảng thời gian giãn cách nhỏ Giả sử tàu ảo tàu mục tiêu P di chuyển, thời điểm định nhanh, coi tàu mục tiêu điểm Khi tàu mục tiêu di chuyển vị trí thay đổi, PRI từ tàu chủ S 12 Hình Cùng giá trị PRI với tàu có vận tốc khác Khi thay tàu ảo tàu mục tiêu thật, PRI thể mức độ nguy đâm va, PRI lớn, khả xảy đâm va cao PRI đạt giá trị lớn vị trí tàu mục tiêu trùng với vị trí tàu chủ (tai nạn đâm va xảy ra) tiến dần đến xa tàu chủ (an tồn) Mơ đánh giá kết Để xác thực hiệu hệ số nguy tiềm ẩn điều động tránh va, mô số tai nạn đâm va vùng biển Hàn Quốc thực phần mềm MATLAB Vị trí tai SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Thông số hai tàu tai nạn đâm va t (s) Khoảng cách Tàu A Tàu B (nm) Vận tốc (kn) Hướng Vận tốc (kn) Hướng 0,76 12,8 105,6 12,5 88,6 60 0,66 12,7 104,2 12,3 87,7 120 0,56 12,9 102,7 12,6 89,5 180 0,44 12,8 101,5 12,6 89,7 240 0,34 12,8 98,1 12,4 90,4 300 0,23 12,7 93,1 12,5 92,6 360 0,19 12,5 95,2 12,7 94,6 420 0,16 12,3 92,3 12,5 97,5 480 0,19 12,2 89,2 12,2 95,0 540 0,18 12,6 86,1 12,1 85,1 600 0,17 12,2 88,4 12,0 75,4 660 0,11 11,6 94,3 11,9 75,8 720 0,06 11,5 91,5 11,8 75,7 780 10,3 85,1 11,7 74,7 Hình Tai nạn đâm va vùng biển Hàn Quốc Hình PRI hai tàu hành trình nạn 34,35°N, 126,09°E, đánh dấu chấm đỏ Hình Vết di chuyển tàu thể lại dựa liệu AIS thu từ tàu Đây khu vực có mật độ tàu thuyền qua lại cao nhiều đảo nhỏ, khoảng cách tàu nhỏ so với đại dương Vì vậy, phương pháp đồ giải tránh va truyền thống ARPA dựa DCPA TCPA không hiệu Các thông số vận tốc hướng tàu, khoảng cách tàu thời điểm tai nạn đâm va nêu Bảng Chọn mốc thời gian bắt đầu quan sát PRI quan sát từ tàu thể Hình 6, với đường màu xanh PRI tàu A quan sát từ tàu B, đường màu đỏ PRI tàu B quan sát từ tàu A tàu tăng nhanh, thể nguy đâm va tăng lên (PRI tàu A tăng từ lên 0,35 tàu B tăng từ lên 0,45) Có chênh lệch số PRI phụ thuộc vào kích thước vận tốc tàu nên PRI tàu quan sát từ tàu khác Trong khoảng thời gian từ đến 240, số PRI tàu chưa thay đổi Khi khoảng cách hai tàu từ thời điểm 240s đến thời điểm 420s, số PRI SỐ 66 (4-2021) Trong trường hợp này, tàu B tàu nhường đường Theo Điều 17 COLREGs 72, lý đó, tàu thuyền có trách nhiệm giữ nguyên hướng tốc độ nhận thấy gần tàu thuyền tránh khỏi nguy đâm va dựa vào điều động tàu thuyền kia, tàu thuyền nhường đường phải có biện pháp tốt để điều động tàu tránh đâm va Nhận thấy tàu A khơng có hành động tránh va hợp lý, tàu B chuyển hướng sang phải, khoảng cách tàu tăng lên Cùng với đó, số PRI hai tàu giảm xuống 0,2, nguy đâm va giảm Tuy nhiên, đề cập trên, khu vực có số đảo nhỏ nên tàu B khơng thể tiếp tục trì 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY hướng đổi hướng sang trái Từ thời điểm 480s đến 600s, PRI hai tàu tăng lên 0,3, nguy xảy tai nạn đâm va tăng lên Từ thời điểm 600s, khoảng cách hai tàu giảm rõ rệt từ 0,17 đến 0,06nm, hai tàu khơng có hành động tránh va thích hợp PRI hai tàu tăng lên cách đáng kể từ 0,3 đến 0,9 Lúc này, nguy đâm va rõ rệt Khi PRI hai tàu lên đến 1, tai nạn đâm va xảy DANH MỤC KÝ HIỆU Qua mơ trên, ta thấy hiệu số PRI việc thể mức độ nguy hiểm hay nguy đâm va tiềm ẩn hàng hải Chỉ số tính toán dựa chiều dài vận tốc tàu, hướng Do thay đổi theo thời gian thực, từ đưa hành động tránh va nhanh chóng Điều động tránh va hành động nên thực hai tàu để hai tàu khơng tiến đến vị trí [8] Từ số PRI, sỹ quan hàng hải biết tàu có gây nguy hiểm cho tàu mục tiêu hay không ngược lại Qua có phối hợp hành động hợp lý hai tàu DCP Kết luận Bài báo tìm hiểu ảnh hưởng tàu đến khu vực xung quanh tàu hành trình, từ áp dụng chiều dài vận tốc tàu vào phương trình ảnh hưởng để xây dựng hệ số nguy hiểm mới, có khả đánh giá nguy hiểm hai tàu Hệ số nguy tiềm ẩn phát triển để cảnh báo nguy hiểm tàu thời gian thực dựa chiều dài vận tốc tàu đưa đánh giá cảnh báo, thể ảnh hưởng tàu chủ đến tàu khu vực lân cận Đồ giải tránh va ARPA dựa DCPA TCPA phương pháp truyền thống phổ biến để xác định nguy đâm va Tuy nhiên số vùng nước hẹp luồng hàng hải có mật độ tàu thuyền qua lại cao, phương pháp khơng áp dụng Hệ số nguy đâm va đánh giá nguy hiểm thời gian thực giá trị thực từ đến 1, qua ưu việt so với phương pháp tại, giúp sỹ quan hàng hải đưa định nhanh chóng Tính khả dụng hệ số kiểm chứng tình cụ thể mô MATLAB Trong tương lai, mô loại tàu có chiều dài khác MATLAB phòng thực hành để chứng minh hệ số nguy tiềm ẩn áp dụng cho loại tàu phổ biến Sau kiểm chứng, phần mềm hệ số nguy hiểm xây dựng, kết nối với hệ thống AIS, lấy liệu tàu, đưa kết đánh giá thời gian thực 14 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI xS, yS xP, yP L v φ φP R TCP PRI λ Vị trí tàu chủ Vị trí điểm P (tàu ảo) Chiều dài tàu chủ Vận tốc tàu chủ Hướng tàu chủ Góc mạn tàu chủ tàu ảo Hàm khoảng cách Khoảng cách đến điểm tiếp cận gần tàu chủ tàu ảo P Thời gian để tàu chủ hành trình đến điểm tiếp cận gần Hệ số nguy tiềm ẩn Trọng số khử thứ nguyên TCP Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số DT20-21.08 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] International Maritime Organization, Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea, 1972 [2] Kearon J., Computer programs for collision avoidance and traffic keeping, Conference on mathematical aspects on marine traffic, London: Academic Press, 1977 [3] Kim S.G., Kim Y.G., An autonomous navigation system for unmanned underwater vehicle, Inzartsev AV (ed.) Underwater vehicle, pp.279-294, 2009 [4] Bukhari A.C., Tusseyeva I., Lee B.-G., Kim, Y.-G., An intelligent real-time multivessel collision risk assessment system from VTS view point based on fuzzy inference system, Expert Syst Appl 40, pp.1220-1230, 2013 [5] Simsir U., Amasyali M.F., Bal M., Çelebi U.B., Ertugrul S., Decision support system for collision avoidance of vessels, Appl Soft Comp Vol.25, pp.369-378, 2014 [6] Lopez-Santander, A., Lawry J., An ordinal model of risk based on Mariner's judgement, J Navig Vol.70 (2), pp.309-324, 2017 [7] Hinneburg A., Keim D., 1998, An efficient approach to clustering in large multimedia databases with noise, Proceedings of The Fourth International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, 1998 SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [8] Liu Y., Xiao Y., Model and application of risk degree for vessel-bridge collision based on theory of ship collision avoidance, Int J Sci.: Basic Appl Res 14, pp.574-585, 2014 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: SỐ 66 (4-2021) 16/3/2021 24/3/2021 29/3/2021 15 ... chịu ảnh hưởng tàu chủ tác động lên Sự ảnh hưởng lớn tàu ảo gần tàu chủ nhỏ dần xa tàu chủ Mỗi tàu ảo nhận giá trị ảnh hưởng từ tàu chủ khác nhau, gọi hệ số nguy tiềm ẩn Phương trình ảnh hưởng. .. dụ áp dụng phương trình ảnh hưởng Gauss lên tập hợp điểm Xây dựng hệ số nguy tiềm ẩn (PRI) Hệ số nguy đâm va đánh giá nguy hiểm thời gian thực giá trị thực từ đến Giá trị hệ số chia khoảng để thể... Hệ số nguy đâm va mới, gọi Hệ số nguy tiềm ẩn, xây dựng phương trình ảnh hưởng dựa chiều dài vận tốc tàu; - Hệ số nguy tiềm ẩn đưa đánh giá cảnh báo thời gian thực Khi hai tàu điều động tránh va,