3.2. Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền trong đề xuất hình dáng phương tiện thủy
3.2.3 Cơ chế đột biến
Đột biến là một sự biến đổi tại một (hay một số) gen của cá thểban đầu để tạo ra một cá thể mới, xảy ra thứ yếu trong giải thuật di truyền, xác suất xảy ra đột biến thấp
hơn lai ghép. Như đã trình bày ở trên, khác với cơ chế lai ghép có thể dẫn đến sự hội tụ
cục bộ cho một hàm mục tiêu nào đó, cơ chế đột biến sẽgiúp tăng sựđa dạng trong quần thể, nhưng có thể sựtăng đột ngột khơng có tác dụng hoặc làm hội tụ sớm dẫn đến một lời giải kém tối ưu. Tuy nhiên trong giải thuật di truyền thì ta ln muốn tạo ra những
phép đột biến cho phép cải thiện lời giải qua từng thế hệ mặc dù cơ chế đột biến có thể
tạo ra một cá thể mới tốt hơn hoặc xấu hơn cá thểban đầu.
Hình 3.18 Nguyên lý đột biến trong giải thuật GA
Trong nghiên cứu này, cơ chế đột biến của hệ sốbéo lăng trụ Cp, các nhóm mã nhị phân được lựa chọn ngẫu nhiên giữa cặp Cha mẹ1. Cp để tạo ra cá thể Con 1. Cp, được mơ tả trong Hình 3.18 - 3.19.
Hình 3.19 Kỹ thuật đột biến trong giải thuật GA trong luận án
Cũng giống với cơ chếlai ghép, quá trình đột biến những cá thể này hoàn toàn ngẫu nhiên ở tất cả các thế hệ. Tập hợp này sẽ tiếp tục được chọn lọc lặp đi lặp lại trong các thế hệ kế tiếp của giải thuật. Phương án đột biến cho hệ số béo diện tích sườn giữa CM và
tai lieu, luan van81 of 98.
hoành độ tâm nổi LCB được thực hiện tương tự. Các hệ số hình dáng hình học khác như
hệ số béo thể tích CB, hệ số diện tích mặt đường nước Cwp được cập nhật tính tốn tự động theo các biến đổi trên.
Trong từng thế hệ, tính thích nghi của tập hợp này được ước lượng, nhiều cá thể được chọn lọc định hướng từ tập hợp hiện thời (dựa vào thể trạng), được sửa đổi (bằng
đột biến hoặc tổ hợp lại) để hình thành một tập hợp mới.
3.2.4 Các ràng buộc thơng số hình dáng tàu tiếp cận dựa trên đường cong diện tích sườn SAC
Đường cong diện tích sườn SAC cung cấp thông tin hiệu quả và đơn giản vềđặc
trưng hình dáng tàu. Theo phương án tiếp cận này, thơng số hình dáng tàu dựa trên chuyển
đổi đường cong SAC là một trong những phương pháp hiệu quảtrong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Cụ thể, diện tích đường cong SAC chính là thể tích chiếm nước, góc nghiêng của
đường cong SAC thể hiện phân đoạn mũi và lái tàu tại đường nước thiết kế. Khu vực giữa
đường cong SAC thể hiện đặc trưng phần thân ống của tàu container. Biên dạng đường cong SAC thể hiện các đặc trưng về hệ số béo thể tích CB, hệ sốbéo lăng trụ Cp, và hệ số
diện tích sườn giữa CM, được mơ tả trong Hình 3.20 – 3.21. Trong các nghiên cứu về tối
ưu thơng số hình dáng tàu, biến số liên quan đến đường cong SAC như Cp, Lpf & Lpa, ∇, LCB thường được lựa chọn phân tích, đánh giá [103][104][105]. Do vậy, trong luận án này, các ràng buộc thiết kế trong bài toán tối ưu được tiếp cận từquan điểm đường cong diện tích sườn SAC.
Hình 3.20 Hồnh độ tâm nổi và đường cong diện tích sườn SAC
65
Hình 3.21 Tối ưu hình dáng tàu thơng qua hiệu chỉnh thiết kếtrên đường cong diện
tích sườn SAC
Hồnh độ tâm nổi LCB
Hoành độ tâm nổi (LCB) chỉ ra mức độ đầy đặn được phân bố theo chiều dài tàu. Việc xác định và hiệu chỉnh LCB cho tàu container đóng vai trị quan trọng bên cạnh việc
xem xét hoành độ trọng tâm LCG. Nếu khoảng cách giữa LCB và LCG quá lớn sẽ ảnh
hưởng đến góc chúi tàu. Đặc biệt, độ chúi tàu phía lái thuận lợi hơn vì gia tăng mớn nước của chân vịt và bánh lái. Theo khuyến nghị của Jensen [106], LCB nên ởphía sau sườn giữa tàu trong trường hợp hệ số béo CB thấp hơn 0,7. Hoành độ tâm nổi được thể hiện như
trong Hình 3.22 và Hình 3.23.
Hình 3.22 Phạm vi giới hạn LCB theo vận tốc cho Series 60 và Series Wageningen (Lap) theo công thức thực nghiệm Guldhammer–Harvard (1974)
tai lieu, luan van83 of 98.
Hình 3.23 Phạm vi giới hạn LCB theo vận tốc dựa trên các công thức thực nghiệm Todd, Holtrop, Jensen, Delft
Hệ số béo lăng trụ Cp
Kếđến, hệ sốbéo lăng trụ Cp thể hiện tỉ lệ thể tích phần chìm tàu ∇ so với ống trụ
bao quanh, có quan hệ mật thiết đến hình dáng và diện tích sườn giữa tàu. Hệ số Cp thấp cho phép sự phân bố thể tích theo chiều dọc tập trung ở khu vực giữa tàu giúp sức cản ma sát toàn tàu giảm, tuy nhiên có thể dẫn đến sựthay đổi đột ngột từ khu vực mũi sang đoạn giữa tàu, thể hiện như trong Hình 3.24.
Hình 3.24 Ràng buộc hệ sốbéo lăng trụ Cp theo vận tốc tàu [88]
67
Hệ số béo sườn giữa CM
Việc xem xét đánh giá hệ sốbéo lăng trụ Cp cần tiến hành đồng thời với hệ số béo
sườn giữa tàu CM, thể hiện tỉ lệ diện tích sườn giữa tàu AM so với diện tích hình chữ nhật bao quanh B x T. Trong các cơng trình cơng bố, hệ sốlăng trụđược khảo sát có liên quan
đến tối ưu về sốFroude, cũng như là vận tốc thiết kế tàu. Các công thức kinh nghiệm phổ
biến liên quan đến hệ số CM được đề xuất bởi Benford, Schneekluth & Bertram, Jensen,
được trình bày như sau. Các cơng thức kinh nghiệm phổ biến liên quan đến hệ số CM được
đề xuất bởi Benford, Schneekluth & Bertram, Jensen, được trình bày trong Bảng 3.2. Bảng 3.2 Hệ số CM cho nhóm tàu container, với lượng chiếm nước 120.000 tấn (C. B.
Barras)
Benford Schneekluth & Bertram Jensen Nogid Tàu Container 0.9855 0.986 0.985 0.984
Hệ số béo thể tích CB
Hệ số béo thể tích CB, dựa trên cơ sở dữ liệu thống kê tàu mẫu, được xác định bởi các công thức khác nhau, tương ứng với đặc thù từng loại tàu khác nhau. Công thức kinh nghiệm xác định CB được đề xuất bởi C. B. Barras liên quan đến số Froude và giảđịnh rằng đó là những giá trị giới hạn cho các loại tàu khác nhau. Theo kết quả nghiên cứu trình bày tại Hình 3.25 và Bảng 3.3, hệ số béo thể tích CB tàu container nên điều chỉnh giảm để cải thiện tốc độ và giảm trọng lượng buồng máy và nhiên liệu.
Hình 3.25 Phân bốđường cong diện tích sườn tàu DTMB Seríe 60 [107]
tai lieu, luan van85 of 98.
Bảng 3.3 Hệ sốhình dáng kích thước cơ bản tàu đề xuất cho nhóm tàu container, với
lượng chiếm nước 120.000 tấn (C. B. Barras)
Lpp/B B/T B/D Lpp/D1/3 CB Fn
Tàu
Container 7.04-7.45 2.94-3.5 1.65-1.75 6.0-6.5 0.57-0.66 0.23-0.24
Mớn nước thiết kế
Đối với các mẫu tàu container tiêu chuẩn, không bị hạn chế bởi độ sâu tuyến luồng, việc tính tốn thiết kếthường dựa trên các công thức và đồ thị thực nghiệm đểxác định sức cản, từđó đề xuất cơng suất máy chính phù hợp. Phương tiện thủy SB có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi độ sâu luồng lạch khi hoạt động trong vùng thủy nội địa, tại cảng biển và ven biển. Tùy thuộc vào yêu cầu về thiết kế của cảng và khu vực ven biển, độsâu nước của tuyến luồng có thểảnh hưởng đến sức cản nhớt, sức cản sóng, chiều chìm, độ chúi
mũi và lái, hiệu suất thiết bị đẩy. Theo đó, các cơng trình nghiên cứu về ảnh hưởng của sóng biển đến tàu cao tốc được đề cập khá nhiều trong các tài liệu chuyên ngành. Tuy
nhiên, đối với tàu container hoạt động ở tốc độ thấp, ảnh hưởng của sức cản nhớt có ý
nghĩa thực tiễn và điều kiện áp dụng rộng rãi hơn. Tàu container SB thuộc nhóm tàu có trọng tải lớn, với đặc tính phần thân ống dài song song và đáy phẳng, khi hoạt động trong tuyến luồng hạn chế vềđộ sâu, cần các nghiên cứu và đánh giá về mối quan hệ giữa độ
sâu tuyến luồng và sự sụt giảm vận tốc [108].
Vềcơ bản, độ sâu luồng lạch thể hiện rõ nét qua hiệu ứng Bernoulli, trong đó tốc độ
dịng chảy bao quanh thân tàu được tăng tốc do hạn chếđộ sâu [109], [110], được mơ tả
trong Hình 3.26. Giả sử trường vận tốc dịng nước đến là V (hệ tọa độ dựa trên tàu) và
trường vận tốc nước bên dưới đáy tàu được tăng tốc bởi ΔV (do chuyển vị của tàu và / hoặc giới hạn của vùng nước nông). Sựgia tăng vận tốc dòng chảy dẫn đến hiện tượng sụt áp và gia tăng sức cản vỏ tàu.
69
Hình 3.26 Phân bố vận tốc dòng chảy bao dưới đáy tàu
Các nghiên cứu độc lập của Schlichting, Lackenby [70] đã cung cấp các phương
pháp dựđoán sức cản ởvùng nước nơng cho các mẫu tàu có lượng chiếm nước, hoạt động
ở vận tốc thấp. ITTC 1987 [111] chỉ ra rằng các hiệu ứng nước nông thể hiện dấu hiệu rõ rệt khi tỷ lệđộ sâu của nước so với mớn nước thiết kế tàu nhỏhơn 4.0. Năm 2001, Jiang
[112] đề xuất cơng thức tính vận tốc hữu hiệu cho vùng nước nơng, có thể áp dụng cho tỉ
lệ H/T dưới 2.0, tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa chứng minh được tính hiệu quả và
chưa được áp dụng rộng rãi. Năm 2013, phương pháp của Karpov được Hekkenberg đề
xuất trong các hướng nghiên cứu sức cản vùng nước nông [113]. Phương pháp Karpov
hiệu chỉnh các tác động của vùng nước nông bằng cách cung cấp giá trị vận tốc hiệu chỉnh cho sức cản sóng và dịng chảy ngược, chủ yếu ảnh hưởng đến lực cản nhớt. Năm 2012,
Raven nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh các thành phần sức cản dựa trên
ảnh hưởng của độsâu vùng nước hoạt động của tàu [Raven, 2012].
Tóm lại, các hệ sốhình dáng tàu thường được chọn theo kinh nghiệm trong phạm vi cho phép của các nghiên cứu, khảo sát thực nghiệm đã được cơng bố. Về mặt tốn học, việc tính tốn giá trị tối ưu đồng thời các thông số này là rất phức tạp nếu khơng có phương
án tìm kiếm nghiệm tồn cục phù hợp. Ngồi ra, trong q trình khai triển giải thuật tối
ưu hóa, tập hợp hàm ràng buộc nhằm hạn chế sự biến đổi hình dáng khơng mong muốn và hình dáng tàu tối ưu gần với mẫu tàu thiết kếban đầu. Giải thuật tối ưu hóa hình dáng tàu được xây dựng trong luận án được mơ tả trong Hình 3.27.
tai lieu, luan van87 of 98.
Hình 3.27 Quy trình vận hành của GA trong luận án
BƯỚC 1 Mã hóa thơng số hình dáng tàu gồm LCB, CP, CM theo cơ chế nhị
phân, các hệ sốhình dáng liên quan khác được cập nhật thay đổi tương ứng
BƯỚC 2 Khởi tạo quần thể từ N cá thể ngẫu nhiên
BƯỚC 3 Tính giá trị thích nghi từng cá thể trong quần thể dựa trên hàm mục tiêu sức cản Holtrop
[CHỌN KẾT QUẢ] Đánh giá nghiệm phù hợp dựa trên hàm ràng buộc hệ số hình dáng theo độ sâu tuyến luồng và điều kiện dừng của giải thuật GA, tiến hành GIẢI MÃ DI TRUYỀN và đề xuất NGHIỆM PHÙ HỢP (tập hợp hệ số hình dáng phù hợp)
BƯỚC 4 Nếu chưa thỏa – Chọn lựa, sắp xếp từng cá thể trong quần thể
BƯỚC 5 Lai ghép - Lựa chọn cặp cá thể ngẫu nhiên để hốn đổi tồn phần / từng phần vịtrí mã hóa để tạo cặp cá thể thế hệ tiếp theo.
BƯỚC 6 Đột biến – Lựa chọn cá thể ngẫu nhiên, hoán đổi tồn phần / từng phần vị trí mã hóa trên chính cá thểđó để tạo cá thể thế hệ tiếp theo, quay trở lại bước 3 cho vòng lặp của thể hệ tiếp theo.
71
3.3. Kết luận
Chương 3 đã xây dựng thuật tốn tối ưu hóa và các lưu đồ thực hiện giải thuật di truyền áp dụng cho bài tốn phân tích, chọn lựa thơng số hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển theo hướng giảm sức cản. Kết quả tính tốn thể hiện GA là phương
pháp tối ưu phù hợp và cho kết quảđáng tin cậy với cách tiếp cận thiết kế theo tàu mẫu. - Luận án đã mã hóa được các biến số tối ưu và điều kiệnràng buộc gồm hoành độ tâm nổi LCB, các hệ số béo hình học CP, CM, các hệ số hình dáng khác được cập nhật tương ứng. Tập biến số hình dáng tàu được mô tả dưới dạng cá thể trong bài tốn GA, là
cơ sở cho việc đề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng SB.
o Cá thể. x1 = Hoành độ tâm nổi LCB
o Cá thể. x2 = Hệ số béo lăng trụ CP
o Cá thể. x3 = Hệ số béo diện tích sườn giữa CM
o Cá thể. x4 … xn = Các hệ số hình dáng khác trong hàm mục tiêu sức cản Holtrop được cập nhật thay đổi theo 3 biến số trên
- Luận án thiết lập nhóm ràng buộc khơng thay đổi về kích thước cơ tiếp cận thiết kế dựa trên tàu mẫu, các phạm vi cho phép của ràng buộc được liệt kê gồm:
o Chiềudài tàu thiết kế L = const
o Chiềurộng tàu thiết kế B = const
o Chiều chìm tàu thiết kế T = const
- Luận ánthiết lập nhóm ràng buộc thay đổi lượng chiếm nước và hệ số hình dáng trong phạm vi giới hạn cho phépcủa tàu container tuyến luồng sông biển, bao gồm:
o Giới hạn thay đổi lượng chiếm nước δΔ < 3 %
o Giới hạn thay đổi hoành độ tâm nổi LCB = [-5%, 5%], o Giới hạn thay đổi hệ số béo lăng trụ Cp, = [0.80 – 0.90]
o Giới hạn thay đổi hệ số béo sườn giữa CM = [0.90 – 0.99] tai lieu, luan van89 of 98.
CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB THEO HÀM THAM SỐ NUBS
Giải thuật tối ưu di truyền dựa trên hàm mục tiêu sức cản đã đề xuất được các hệ số hình dáng tàu và hồnh độ tâm nổi phù hợp, trong khi vẫn giữnguyên được kích thước
cơ bản tàu như chiều dài, chiều rộng thiết kế và mớn nước. Trong chương này, từ tập hợp các thơng số hình dáng tàu tối ưu từ giải thuật di truyền, đường cong diện tích sườn và tập hợp sườn lý thuyết được nghiên cứu mơ hình hóa theo hàm tốn NUBS.
4.1. Cơ sở hiệu chỉnh hình dáng tàu dựa trên đường cong SAC
4.1.1 Phương pháp hiệu chỉnh hình dáng tàu 1 – Cp
Hiệu chỉnh thiết kế 1 – Cp là quá trình điều chỉnh hệ sốbéo hình dáng lăng trụ δCP
và chênh lệch hoành độ tâm nổi δLCB từ tàu mẫu, được mơ tả trong Hình 4.1.
Hình 4.1 Hiệu chỉnh 1 – Cp của đường cong SAC [64]
Dựa trên thông số tàu mẫu ban đầu, khoảng cách của trọng tâm δCPf a, tính từ vị trí giữa tàu đến phía trước mũi, sau lái được trình bày như sau:
( ) , , , , 1 2 1 f a f a f a f a Cp x h Cp − ≅ − (4-1)
73 Do đó: ( ) ( ) { } 2 a f f a Cp h LCB LCB Cp Cp Cp h h δ δ δ δ = + + + + (4-2) ( ) ( ) { } 2 f a f a Cp h LCB LCB Cp Cp Cp h h δ δ δ δ = − − + + (4-3)
Theo đó, độ dịch chuyển vị trí sườn lý thuyết theo chiều dài tàu đến vị trí trước mũi,
sau lái δxf a, tỉ lệ với hệ sốbéo hình dáng lăng trụ.
( , , ) ( , , ) , , 1 1 1 1 f a f a f a f a f a f a x x Cp Cp x Cp δ δ + + − = − − − (4-4) Trong đó: , f a
x : khoảng cách ban đầu của sườn lý thuyết tính từ vịtrí sườn giữa đến phía trước
mũi, sau lái tàu
,
f a
x
δ : độ lệch của sườn lý thuyết đang xét đến phía trước mũi, sau lái tàu
,
f a
Cp : hệ sốhình dáng lăng trụban đầu tính từ vịtrí sườn giữa đến phía trước mũi,
sau lái tàu