1.3. Hướng tiếp cận cải tiến tuyến hình tàu container nhằm giảm sức cản dựa trên giải thuật tối ưu
1.3.1 Tiếp cận tối ưu hóa hình dáng dựa trên xây dựng tuyến hình từ tàu mẫu phù hợp với tuyến
hợp với tuyến luồng sông biển Việt Nam
Việc thiết kế hình dáng tàu từ tàu mẫu thơng qua hiệu chỉnh, biến đổi lượng chiếm
nước, thực chất là biến đổi các hệ số béo hình học và hồnh độ tâm nổi LCB thường
được ưa chuộng vì có thể giảm thiểu tối đa các rủi ro so với thiết kế mới và vẫn giữưu điểm vềđặc tính thủy tĩnh và thủy động lực học của tàu mẫu đang hoạt động tại tuyến luồng sông biển Việt Nam. Với đường cong diện tích sườn SAC, tâm diện tích hình nằm dưới đường cong đó đóng vai trị tâm nổi tàu. Hiện nay, nhóm phương pháp thiết kế phổ biến là biến đổi đường cong diện tích sườn lý thuyết (SAC) theo 1 – Cp, Swing, Lackenby.
• Phương pháp 1 – Cp được áp dụng hiệu quả và thuận tiện, theo đó phần thân
ống được thêm vào hoặc bớt đi một cách phù hợp sao cho vẫn đảm bảo độđầy đặn khu vực mũi và lái tàu và sự chênh lệch Cp + δCp.
• Phương pháp Swing cực kỳ đơn giản và thực tế công việc chỉ là hiệu chỉnh khoảng sườn từmũi đến lái tàu tương ứng với sự chênh lệch hệ sốgóc θ. Trường hợp
này thường gặp trong q trình thiết kế, tâm nổi tàu thiết kế không trùng với tâm nổi tàu mẫu. Để đảm bảo tâm nổi tàu nằm đúng vị trí mong muốn, chuyển dịch ngang
đường cong diện tích sườn của tàu được triển khai theo phương pháp Swing.
• Phương pháp Lackenby cho phép hiệu chỉnh độc lập chiều dài phần thân ống
đoạn trước và sau sườn giữa tàu Lpf & Lpa với hệ sốlăng trụ Cp, nhằm thay đổi lượng chiếm nước ∇ so với tàu mẫu.
Với sự hỗ trợ của máy tính trong tựđộng hóa thiết kế, học máy được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, đánh dấu bước ngoặc quan trọng thay đổi nền tảng nghiên cứu của Trí tuệ nhân tạo. Học máy liên quan đến việc xây dựng các chương trình máy tính
21
có thể tựđộng thu thập tri thức, cải thiện khảnăng của mình thơng qua các kinh nghiệm, việc nghiên cứu các nguyên lý của q trình học [25]–[29]. Các kết quả và cơng nghệ
của học máy được thể hiện qua các ứng dụng đa dạng trong thực tếtrong các lĩnh vực kỹ thuật, được mơ tả trong hình 1.10. Thời gian gần đây, các nghiên cứu tối ưu dựa trên thuyết tiến hóa, cả tuyến tính và phi tuyến, đang được áp dụng rộng rãi trong bài toán thiết kếphương tiện thủy dựa trên liệt kê các tập khả thi hệ số hình dáng tàu mẫu và chọn lọc ngẫu nhiên [30], [31].
Hình 1.10 Tối ưu tồn cục sử dụng trí tuệ nhân tạo
Đặc điểm thiết kế của loại tàu container là hình dáng vùng mũi tàu cần tạo diện tích mặt boong lớn có thể chứa đủ container, trong khi ở góc vào nước cần phải xuyên
qua sóng và đạt hiệu suất thủy động lực cao, được mô tả theo Bảng 1.19. Từnăm 1995,
Ray và cộng sự đã nghiên cứu giải thuật mô phỏng tôi luyện (simulated annealing) nhằm đề xuất thông số tối ưu cho tàu container cỡ lớn, chủ yếu là kích thước cơ bản và hệ sốhình dáng, theo hướng giảm trọng lượng [32]–[34]. Tương tự, tối ưu hình dáng hướng đến giảm sức cản sử dụng thuật giải toàn phương tuần tự với các nhân tử
Lagrange (SQP) cho kết quả sức cản tàu mẫu Wigley giảm xấp xỉ 0.32% [35]. Các nghiên cứu này cho kết quảđáng tin cậy nhưng lời giải phụ thuộc vào tập hợp cơ sở
dữ liệu và nghiệm ban đầu nên dễ thuộc nhóm nghiệm cục bộ trong bài tốn thiết kế. Nghiên cứu liên quan đến giảm sức cản tàu container dựa trên hoành độ tâm nổi LCB,
mũi quảlê và vịm đi được trình bày trong các nghiên cứu của Bertram, Kim và cộng sự [36], [37]. Theo đó, LCB được hiệu chỉnh tại vị trí phù hợp ở khu vực giữa tàu giúp cải thiện giảm xấp xỉ 2 – 4 % sức cản toàn tàu.
tai lieu, luan van39 of 98.
Bảng 1.19 Mối quan hệ½ góc vào nước tối ưu theo hệ sốhình dáng lăng trụ
theo Pophanken (1939)
Cp 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85
ie 8° 9° 9-10° 10-14° 21-23° 33° 37°
Về giải thuật tiến hóa trong bài tốn sức cản sóng, Jun và cộng sự giới thiệu thuật toán tối ưu di truyền trong việc cải thiện sức cản sóng tàu 2 thân [38]. Tương tự, Sun và cộng sự đề xuất tối ưu thành phần sức cản sóng dựa trên thơng số diện tích mặt
đường nước, lượng chiếm nước, và mớn nước [39]. Năm 2012, Han và cộng sựđã đề
xuất kết hợp phần mũi tàu chở khí hóa lỏng LPG vào thiết kế hình dáng tàu container, kết quả sức cản giảm xấp xỉ 5% [40]. Tương tự, nghiên cứu trình bày về cải tiến hệ số
hình dáng tàu dầu KVLCC hướng đến giảm sức cản sóng bằng giải thuật di truyền,
theo đó sức cản giảm xấp xỉ 14% khi thơng sốkích thước cơ bản giảm 4,2%. Tuy nhiên, các giải thuật tiến hóa trong nghiên cứu chỉ xem xét sức cản sóng cho dãy vận tốc cao của tàu cao tốc. Các nghiên cứu này đã chỉ ra mối quan hệ giữa hệ số hình dáng lăng
trụCp và đường cong diện tích sườn ảnh hưởng đến giá trị sức cản sóng [41], [42]. Trên thực tế, các thơng số hình dáng tàu có tác động phụ thuộc lẫn nhau, việc xem xét thơng số kích thước cần đặt trong sựtương quan với các thơng số hình dáng khác trong bài tốn thiết kếphương tiện thủy. Năm 2018, Ang và cộng sựđề xuất giải pháp tích hợp trí tuệ nhân tạo trong quy trình thiết kế tàu dựa trên giải thuật tối ưu di
truyền [43]. Theo đó, hình dáng tàu đề xuất được tổng hợp từcơ sở dữ liệu các nhóm và loại tàu mẫu khác nhau, lai ghép và chọn lọc lẫn nhau đểcó được hình dáng sơ bộ
tuyến hình thỏa mãn yêu cầu về sức cản và khả năng xoay trở. Các giải thuật tối ưu
trong thiết kế hình dáng tàu được nhóm Priftis và các cộng sự [44] tích hợp vào phương pháp tính Holtrop để cải thiện sức cản xấp xỉ 3% cho các mẫu container Post-Panamax. Hiệu quả của giait thuật di truyền so với các giải thuật tối ưu khác được phân tích và liệt kê trong Bảng 1.20.
Bảng 1.20 So sánh giải thuật di truyền với các phương pháp truyền thống [45]
Phương
pháp liệt kê
Phương pháp giải tích Phương pháp tìm
kiếm ngẫu nhiên
Giải thuật di truyền
23 Tìm cực trị trong vùng khảo sát. Tìm cực trị bằng cách cho Gradient bằng 0. Kết hợp phương pháp giải tích và liệt kê. Theo hướng tiến hóa, xác định cực trị tồn cục. Hạn chế: Phương pháp này khơng thích hợp khi dữ liệu đầu quá lớn. Hạn chế: Để xét được Gradient phải tính đạo hàm của hàm số. Phức tạp khi hàm số khơng liên tục hoặc khơng có đạo hàm. Giá trị cực trị tìm được có thể cục bộđịa phương Hạn chế: Thiếu tính hiệu quả do khơng có định hướng Hạn chế: Thời gian tính tốn chậm do tn thủ quy luật tiến hóa
Trong luận án này, khác với mơ hình tối ưu hình dáng của các nghiên cứu đã cơng
bố, NCS tập trung xây dựng lời giải tối ưu toàn cục cho tàu container, dựa trên việc phân tích ảnh hưởng của hệ sốhình dáng đến thành phần sức cản sóng, ma sát và các thành phần sức cản khác, có xem xét các ràng buộc vềđiều kiện độ sâu luồng lạch sông biển trong hàm mục tiêu.