Ứng dụng thuật toán lập trình bậc hai tuần tự trong tối ưu hóa mô phỏng chuyển động tàu

 : vận tốc góc lớn nhất của bánh lái 2,70/s 2,70/s 
6 n0: vận tốc vòng quay chân vịt ban đầu 57 rpm 80 rpm 
7 nc: lệnh máy (vận tốc vòng quay chân vịt cần đạt tới) 57 rpm 80 rpm 
8 c: lệnh lái (góc quay bánh lái cần đạt tới) -350 deg ±200 
4.2. Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa 
a) Phép thử Turning Circle: 
Hình 2. Quĩ đạo ban đầu Hình 3. Quĩ đạo tối ưu Hình 4. Bước lặp tính toán tối ưu 
Kết quả tối ưu hóa quĩ đạo: Quĩ đạo mô phỏng ban đầu thể hiện trong Hình 2, với độ lệch trung 
bình giữa quĩ đạo mô phỏng và quĩ đạo thực nghiệm là 68 m. Quĩ đạo sau khi tối ưu hóa thể hiện trong 
Hình 3, với độ lệch trung bình quĩ đạo đạt được là 5,8 m. Hình 4 biểu diễn sự suy giảm của giá trị hàm 
mục tiêu (qui đổi về giá trị đơn vị) với giá trị ban đầu là 1 và giá trị đạt được sau 30 vòng lặp là 0,084. 
Các thông số tối ưu hóa được tổng hợp trong Bảng 4. 
Bảng 4. Tổng hợp kết quả tối ưu hóa cho phép thử Turning Circle 
Thông số tính toán tối ưu Giá trị 
Sai số giới hạn hàm mục tiêu (giá trị đơn vị) 0,0001 
Sai số giới hạn các biến tối ưu 0,0001 
Số bước lặp tính toán 30 
Giá trị cực tiểu đạt được của hàm mục tiêu 
(giá trị đơn vị) 
0,084 
Độ lệch trung bình quĩ đạo trước tối ưu (m) 68 
Độ lệch trung bình quĩ đạo sau tối ưu (m) 5,8 
b) Phép thử Zigzag: 
Kết quả tối ưu hóa góc xoay: góc xoay mô phỏng ban đầu thể hiện trong Hình 5, với độ lệch 
trung bình giữa góc xoay mô phỏng và góc xoay thực nghiệm là 17,30. Góc xoay sau khi tối ưu hóa 
thể hiện trong Hình 6, với độ lệch trung bình góc xoay đạt được là 6,60, dữ liệu mô phỏng tiệm cận 
dần dữ liệu thực nghiệm từ chu kỳ bẻ lái thứ 2. Hình 7 biểu diễn sự suy giảm của giá trị hàm mục 
tiêu (qui đổi về giá trị đơn vị) với giá trị ban đầu là 1 và giá trị đạt được sau 18 vòng lặp là 0,365. 
Các thông số tối ưu hóa được tổng hợp trong Bảng 5. 
Hình 5. Góc xoay ban đầu Hình 6. Góc xoay tối ưu Hình 7. Bước lặp tính toán tối ưu 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 49 
Bảng 5. Tổng hợp kết quả tối ưu hóa cho phép thử Zigzag 
Thông số tính toán tối ưu Giá trị 
Sai số giới hạn hàm mục tiêu (giá trị đơn vị) 0,0001 
Sai số giới hạn các biến tối ưu 0,0001 
Số bước lặp tính toán 18 
Giá trị cực tiểu đạt được của hàm mục tiêu (giá trị đơn vị) 0,365 
Độ lệch trung bình của góc xoay trước tối ưu (độ) 17,3 
Độ lệch trung bình của góc xoay sau tối ưu (m) 6,6 
c) Kết quả lập trình tính toán các hệ số TĐLH tối ưu: 
Bảng 6. Tổng hợp kết quả lập trình tính toán các hệ số TĐLH tối ưu 
STT 
Hệ số 
TĐLH 
Giá trị 
ban đầu 
Giá trị tối 
ưu 
(Turning 
Circle) 
Giá trị tối 
ưu 
(Zigzag) 
Giá trị 
tối ưu 
tổng 
hợp 
STT 
Hệ số 
TĐLH 
Giá trị 
ban 
đầu 
Giá trị tối 
ưu 
(Turning 
Circle) 
Giá trị tối 
ưu 
(Zigzag) 
Giá trị 
tối ưu 
tổng 
hợp 
1 "uX -0,0500 - - -0,050 19 
"
vrN  -0,1200 - - -0,120 
2 
"
vrX 1,0200 - - 
1,0200 20 
"
c c
Y  
0,2080 0,1761 - 0,1761 
3 "vY -0,0200 - - -0,020 21 
"
uvY  0,0000 - - 0,0000 
4 
"
c c
Y   -2,16 - - -2,16 22 
"
uvN  -0,2410 -0,2823 -0,2910 
-0,287 
5 "TY 0,0400 - 0,0300 0,030 23 
"
c c
X  0,1520 0,1684 - 0,1684 
6 "TN -0,0200 -0,0240 -0,0160 -0,020 24 
"
c c
N  -0,0980 -0,0805 -0,0800 -0,080 
7 "rN -0,0728 - -0,0878 -0,087 25 
"
vvX  0,0125 - - 0,0125 
8 
"
v v
Y
 -2,4000 - - -2,400 26 
"
c c
Y   -2,1600 - - -2,160 
9 
"
v r
N
-0,3000 - - -0,300 27 
"
c c
N   0,6880 - - 0,6880 
10 
"
v v
X
 0,3000 - - -1,2050 28 
"
c c
Y   -0,1910 - - -0,191 
11 "uvY -1,2050 - - -0,4510 29 
"
c c
N   0,3440 - - 0,3440 
12 
"
uvN -0,4510 - - 
-0,0500 30 "urY 0,2480 - - 0,2480 
13 "uX  
-0,0500 - - -0,3780 31 
"
urN -0,2070 -0,2105 - -0,210 
14 
"
vY  -0,3780 - - 0,1509 32 
"
u u
X
 -0,0377 - -0,0457 
-0,046 
15 
"
urY  0,1820 0,1598 0,1420 -0,04 33 
"
rN  -0,0045 - -0,0054 -0,005 
16 
"
urN  -0,0470 -0,0416 -0,0380 0,0378 34 
"
u u
X  -0,0061 -0,0073 -0,0073 -0,007 
17 
"
vrX  0,3780 - - -1,500 35 
"
c c
X  
-0,0930 -0,1000 - -0,100 
18 
"
v v
Y  
-1,5000 - - 
Sau khi áp dụng phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu và lập trình theo thuật toán SQP cho 
2 phép thử Turning Circle và Zigzag, bằng phương pháp phân tích độ nhạy để xác định nhóm các 
hệ số TĐLH có độ nhạy lớn nhất (ảnh hưởng lớn nhất tới sự thay đổi giá trị của hàm mục tiêu trong 
quá trình tối ưu hóa) cho từng phép thử, đã tính toán được các giá trị hệ số TĐLH tối ưu tổng hợp 
chung (giá trị trung bình) từ cả 2 phép thử (Bảng 6). Giá trị tối ưu của các hệ số TĐLH này được sử 
dụng cho các nghiên cứu lập trình mô phỏng theo các ứng dụng cụ thể sau này, như mô phỏng điều 
động, mô phỏng tương tác, mô phỏng cảnh báo đâm va, [10, 11, 16, 17]. 
5. Kết luận 
Xuất phát từ thực tế quá trình xây dựng thuật toán và lập trình mô phỏng của một số hệ thống 
mô phỏng hàng hải trong nước, kết quả dự đoán quĩ đạo tàu thường sai khác nhiều so với kết quả 
thực nghiệm và người lập trình mô phỏng không thể giảm được triệt để sự sai khác này do không 
can thiệp được tới giá trị các hệ số thủy động lực học tàu hoặc không tính toán được đầy đủ các lực 
gây nhiễu của môi trường, tác giả đã nghiên cứu xây dựng mô hình toán và xây dựng chương trình 
mô phỏng chuyển động tàu, trên cơ sở áp dụng phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu cụ thể là 
thuật toán tối ưu hóa SQP để tính toán tối ưu hóa các hệ số thủy động lực học của tàu và xác định 
quĩ đạo chuyển động tối ưu của tàu. Kết quả tối ưu hóa được kiểm nghiệm dựa trên so sánh số liệu 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
50 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 
mô phỏng với số liệu thực nghiệm thu thập được theo 2 phép thử thực nghiệm quay vòng (Turning 
Circle) và dích dắc (Zigzag) theo tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng hải quốc tế IMO. Kết quả nghiên cứu 
có thể được ứng dụng để nâng cấp mô hình toán của các hệ thống mô phỏng đối trong việc mở 
rộng các chủng loại tàu mới không có trong thư viện cơ sở dữ liệu mô phỏng, ngoài ra kết quả nghiên 
cứu có giá trị tham khảo tốt đối với các nhà khoa học, các chuyên gia, giảng viên, học viên cao học, 
nghiên cứu sinh, trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực mô phỏng hàng hải. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Khánh Toàn, Thuyết minh đề tài cấp Bộ GTVT “Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu 
hóa để nâng cao độ chính xác dự đoán quĩ đạo tàu của các hệ thống mô phỏng hàng hải”, mã số 
DT154021, nghiệm thu năm 2017. 
[2] International Maritime Organization, Standards for ship manoeuvrability, Resolution MSC 
137(76), 2002. 
[3] Fossen T.I., Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley &Sons, 448 pages, 1994. 
[4] Sutulo S., Moreira L. and Soares C.G., Mathematical models for ship path prediction in 
manoeuvring simulation systems, Ocean Engineering, 2002. 
[5] Trần Khánh Toàn, Hoàng Xuân Danh, Lập trình mô phỏng điều động tàu biển cho phép thử 
Turning Circle và Zig-zag theo tiêu chuẩn IMO, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải (ISSN 
1859-316X), số 37 tháng 02/2014. 
[6] Antoniou A. and Lu W.S., Practical Optimization : Algorithms and Enginnering Applications, 
Springer, 202 pages, 2007. 
[7] Zhang J. and Zhang X., A robust SQP method for optimization with inequality constraints, Journal 
of Computational Mathematics, Vol. 21, No. 2, pp. 247-256, 2003. 
[8] Andrea Saltelli, Sensitivity Analysis for Importance Assessment, Risk Analysis, Vol. 22, No. 3, 2002. 
[9] Clarke D., Patterson D.R., Vfooderson R.K., Manoeuvring trials with the 193000 dwt tanker "Esso 
Bernicia"., Paper : Spring Meeting of the Royal Inst, of Naval Architects, No. 10, 1972. 
[10] Trần Khánh Toàn, Mô phỏng tương tác thủy động lực giữa tàu với bờ và đáy luồng nhằm nâng 
cao hiệu quả công tác bảo đảm an toàn giao thông đường thủy nội địa. Tạp chí Giao thông vận 
tải, Số đặc biệt (ISSN 2354-0818), tr.174-176, tháng 11/2015. 
[11] Trần Khánh Toàn, Nghiên cứu tương tác giữa tàu với tàu phục vụ công tác bảo đảm an toàn hàng 
hải trong luồng hẹp. Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, số 49, tháng 01/2017. 
[12] Tran Khanh Toan, Ouahsine A., Naceur H., Hissel F. and Pourplanche A., A fast simulation 
and identification of hydrodynamic parameters for a freely maneuvering ship vessels , 
International Conference on Multiphysics - MULTIPHYSICS 2009, 09-11 December 2009, 
Lille, France, pp.71, 2009. 
[13] Tran Khanh Toan, Ouahsine A., Naceur H., Hissel F. and Pourplanche A., Coefficient Identification for 
Ship Manoeuvring Simulation Model based on Optimization Techniques, International Conference on 
Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering IV - COUPLED 
PROBLEMS 2011, 20-22 June 2011, Kos, Greece, pp.1261-1272, 2011. 
[14] Tran Khanh Toan, Ouahsine A., Naceur H., Hissel F. and Pourplanche A., Coefficients 
Identification for Ship Manoeuvring Simulation based on Optimization Techniques, International 
Conference on Computational Methods in Marine Engineering IV - MARINE 2011, 28-30 
September 2011, Lisbon, Portugal, pp.369-380, 2011. 
[15] Tran Khanh Toan., Ouahsine A., Naceur H. and El Wasifi K., Assessment of ship manoeuvrability 
by using a coupling between a nonlinear transient manoeuvring model and mathematical 
programming techniques, ELSEVIER/ScienceDirect/Journal of Hydrodynamics/DOI: 
10.1016/S1001-6058(13)60426-6, pp.788-804, ISSN: 1001-6058, 2013. 
[16] Tran Khanh Toan, P.Du, A.Ouahsine, P.Sergent, Simulation of ship manoeuvring in confined 
waterway using a nonlinear model based on optimization techniques, ELSEVIER - OCEAN 
ENGINEERING 142, pp.194-203. ISSN 0029-8018, 2017. 
[17] Tran Khanh Toan, P.Du, A.Ouahsine, P. Sergent, Simulation of the overtaking manoeuver 
between two ships using the non-linear manoeuvring model, SPRINGER - JOURNAL OF 
HYDRODYNAMIC (JHD), pp.791-802, Vol.30, Issue 5, , ISSN: 1001-6058 (Print) 1878-0342 
(Online), Oct. 2018. 
Ngày nhận bài: 22/11/2018 
Ngày nhận bản sửa: 07/01/2019 
Ngày duyệt đăng: 12/01/2019