Trong bài viết này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp lưới hình học để mô phỏng sóng biển và chiếu Render texture lên bề mặt sóng nhằm tạo ra hình ảnh vệt dầu loang trên bề mặt biển bằng phần mềm Unity3D...
TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY MÔ PHỎNG SỰ CỐ TRÀN DẦU TRÊN BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU RENDER TEXTURE LÊN MỘT BỀ MẶT SIMULATION AN OIL SPILL AT SEA BASED ON RENDER TEXTURE PROJECTION TECHNIQUE ĐỖ VĂN CƯỜNG*, TRẦN GIA NINH Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: dovancuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong báo này, chúng tơi sử dụng phương pháp lưới hình học để mơ sóng biển chiếu Render texture lên bề mặt sóng nhằm tạo hình ảnh vệt dầu loang bề mặt biển phần mềm Unity3D Đây phương pháp mới, hiệu chương trình mơ cao, khơng u cầu cấu hình máy tính cao mơ diện tích vệt dầu loang phạm vi rộng, phù hợp cho việc tích hợp vào chương trình mơ để huấn luyện cho thuyền viên sinh viên buồng mô trường Đại học Cao đẳng chuyên ngành liên quan đến hàng hải bảo vệ môi trường biển Từ khóa: Render texture, Unity3D, tràn dầu, mơ Abstract In this paper, we used the geometric method to render waves and projected the Render texture on the wave surface to simulate the oil film at sea by the Unity3D game engine We provided a new method, very quickly, does not require high computer configuration and can simulate a large area of the oil spill over a wide range, very suitable for integration into the simulator system to educate and train crews and students in the simulators of Maritime Universities and Colleges which related the major in navigation and environmental protection Keywords: Render texture, Unity3D, oil spill, simulation Đặt vấn đề Trong bối cảnh kinh tế toàn cầu phát triển cách nhanh chóng, việc vận chuyển khai thác dầu mỏ ngày gia tăng số lượng quy mô Theo thống kê Liên đoàn chủ tàu chở dầu quốc tế (ITOPF) tính từ năm 1970 tới 2019 có 5.86 triệu dầu bị tràn biển [1] Hậu vụ tràn dầu xảy biển vô 88 nghiêm trọng khủng khiếp, việc xây dựng chương trình mơ ứng phó khẩn cấp tình tràn dầu, nâng cao lực ứng phó khẩn cấp giảm thiểu thiệt hại người tài sản quản lý an tồn vơ quan trọng Một chương trình mơ cố tràn dầu có nhiều ưu điểm: (1) dễ dàng kiểm tra dự đoán hướng di chuyển diện tích vệt dầu, tùy ý thay đổi điều kiện thời tiết môi trường; (2) xác thực độ tin cậy kế hoạch dự phịng ứng phó khẩn cấp; (3) tồn khiếm khuyết tiềm ẩn kế hoạch khẩn cấp để sửa đổi cải thiện thêm; (4) khơng cần tốn nhiều chi phí để thực tập, diễn tập ngồi thực địa khơng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Việc xây dựng chương trình mơ tràn dầu hệ thống chiều nhiều nhà khoa học quan tâm thực Vũ Duy Vĩnh [2] sử dụng mơ hình Delft3D để mơ q trình lan truyền dầu sơng Bạch Đằng, nhiên độ xác mơ hình phụ thuộc vào việc chia lưới liệu hình học đầu vào đồ địa hình, mực nước thủy văn Dư Văn Tốn, Nguyễn Quốc Trinh [3] sử dụng mơ hình số trị để mô số kịch tràn dầu khu vực Đông Nam Bộ, điểm hạn chế phương pháp cung cấp thông tin ngắn hạn (2, ngày) có cố tràn dầu xảy Trần Duy Kiều [4] sử dụng mơ hình MIKE để xây dựng mơ hình nguy tràn dầu cho vùng biển Phú Quốc, giống mơ hình Vũ Duy Vĩnh, mơ hình Mike bị phụ thuộc vào tính xác việc phân chia lưới liệu địa hình Nguyễn Quốc Trinh, Nguyễn Quang Vinh [5] sử dụng phương pháp mô tràn dầu ngược thời gian khu vực Biển Đông, nhiên để kiểm chứng độ xác cần có kết thực nghiệm để so sánh, hạn chế mơ hình biến đổi vệt dầu lớn cần cải thiện độ xác định lượng Hiện nay, để xây dựng chương trình mơ thực tế ảo VR (Virtual Reality) lĩnh vực nước giới Reed cộng [6] sử dụng mơ hình OSCAR cung cấp công cụ để đánh giá định lượng, khách quan chiến lược ứng phó cố tràn dầu Cơng ty TRANSAS sử dụng mơ hình PISCES tích hợp hệ thống mơ 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 NTPRO5000 để mơ q trình ứng phó cố tràn dầu 3D khu vực cảng biển, mơ hình áp dụng phương pháp dán Texture lên bề mặt biển sau dùng Shader để tạo hiệu ứng chuyển động dầu Lehr [7] cộng sử dụng mơ hình GULKSLIK để mơ tình tràn dầu ngồi khơi vịnh Ả rập, điểm hạn chế phương pháp chưa dự đoán thay đổi tỷ trọng dầu q trình mơ mà thay liệu thực nghiệm Trong lĩnh vực đồ họa máy tính, để mơ chất lỏng chia làm hai phương pháp: phương pháp hình học phương pháp vật lý Phương pháp hình học dựa việc chia vật thể thành lưới hình học (tam giác, tứ giác), sau kết xuất hình dạng chất lỏng hình Ưu điểm phương pháp đơn giản, nhanh chóng, khơng cần địi hỏi cấu hình phần cứng máy tính cao Phương pháp vật lý dựa vào phương trình tính tốn chất lỏng khơng nén để giải tốn tính chuyển động phần tử chất lỏng, điển hình dựa vào phương trình Navier-Stokes Tuy nhiên phương pháp làm chậm chương trình mô số lượng phần tử chất lỏng lớn yêu cầu cao cấu hình phần cứng máy tính Trong phạm vi báo này, chúng tơi sử dụng phương pháp hình học để thể hình dạng vệt dầu, sau dùng cơng nghệ chiếu Render Texture Unity3D để mơ hình ảnh vệt dầu mặt biển Phương pháp cho hiệu cao, thỏa mãn yếu tố thời gian thực (Real-time), mơ lượng dầu tràn diện tích lớn thể trình phân tách màng dầu thành vệt dầu nhỏ hơn, điều mà nghiên cứu trước chưa thực mức độ đơn giản Mơ hình tốn học q trình dầu tràn Về mặt tốn học, sau dầu tràn biển trải qua trình lan rộng, trơi dạt, sau vài ngày q trình phong hóa Q trình phong hóa có tính đến q trình bay lắng đọng Tuy nhiên, mơ hình tràn dầu chúng tơi tích hợp hệ thống mơ ứng phó khẩn cấp tràn dầu biển nên hành động ứng phó triển khai, khơng tính đến q trình phong hóa mà tính đến hai q trình: lan rộng trơi dạt Ở giai đoạn đầu, sử dụng quan điểm Lehr [8] để tính tốn hình dạng diện tích màng dầu, vệt dầu tác động gió lan rộng dạng hình elip Q trình trơi dạt tác động gió tính đến để dự đốn hướng di chuyển màng dầu biển SỐ 66 (4-2021) 2.1 Quá trình lan rộng Màng dầu lan rộng diện tích bị tràn mặt nước Theo thuyết cổ điển Fay [9] lan tràn màng dầu mơ tả dạng hình tròn mặt nước yên tĩnh, tức chưa xét tới ảnh hưởng điều kiện gió, thủy triều Lehr, nghiên cứu tính đến yếu tố gió, dịng chảy tính tốn diện tích màng dầu dạng hình elip với bán trục lớn bán trục nhỏ Diện tích màng dầu tính theo cơng thức sau: (1) A ( / 4)QR Dựa thực nghiệm, bán trục lớn bán trục nhỏ tính tốn dựa vào thể tích, thời gian, mật độ chất lỏng, (1) viết lại sau: A 2270 V t 0 40 V 3W t 0 (2) Amax 105V (3) Trong đó: A diện tích màng dầu (m2); Amax diện tích lớn màng dầu (m2); V thể tích dầu bị tràn (barrel); W tốc độ gió (knot); t thời gian (phút); khối lượng riêng dầu; biến thiên khối lượng riêng nước biển - dầu; Q bán trục nhỏ; R bán trục lớn; 2.2 Q trình trơi dạt phân tách Khi dầu bị tràn biển, q trình lan rộng trơi dạt diễn đồng thời Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ trơi dạt độ xác việc dự đoán đường vệt dầu gió, sóng dịng chảy bề mặt Ngồi ra, tác động yếu tố này, màng dầu bị xé thành mảnh nhỏ M.Fingas [10] nghiên cứu khẳng định tràn dầu xảy khu vực cảng ven bờ tốc độ gió khơng q 10km/h gió ảnh hưởng khoảng 3% dòng chảy 100% tới tốc độ trơi dạt Hình thể ảnh hưởng gió dịng chảy tới hướng trơi dạt dầu Chúng phân chia màng dầu thành hàng ngàn hạt dầu nhỏ có kích thước tùy ý, sau dịch chuyển màng dầu tính toán dựa di chuyển hạt dầu Vận tốc trơi dạt hạt thứ i tính theo cơng thức sau: dX i Vdrift ( xi , yi , t ) Vdiff ( xi , yi , t ) dt (4) Trong đó: X i ( xi , y i ) vị trí hạt thứ i; Vdiff 89 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tốc độ phân tán; t thời gian (s) 3.2 Kỹ thuật chiếu Render Texture Vdrift ( xi , yi ) awVw ( xi , yi ) acVc ( xi , yi ) (5) Trong đó, Vw tốc độ gió 10m mặt nước biển; Vc tốc độ dịng chảy; aw = 0,03 hệ số gió; ac = 1