Xây dựng mô hình toán mô phỏng giám sát hoạt động của ME 6S46MC-C7 trên tàu biển chở hàng tổng hợp, tải trọng 34000 tấn

nh: 
PE(i), Pi(i), ở đó chỉ số e, i - thể hiện „có ích - Effective; chỉ thị - Indication“, còn „i „ - số thứ tự cho xi 
lanh, i = 1,2,..., z. Động cơ MAN 6S 46 MC-C7 có 6 xy lanh, i = 1-6. 
Tổng số các thông số giám sát: Nmonitoring = 22 + 6x8 = 70. 
2.2. Cơ sở lý thuyết cho xây dựng các mô hình toán học 
Đối với HĐLC diesel lai chân vịt liên quan tới thân tàu, ba thông số cơ bản đặc trưng cho hoạt 
động an toàn và hiệu quả hệ thống được thể hiện qua các đồ thị tổng hợp công suất (kW) - vòng 
quay (rpm) - vận tốc tàu (knots) [1]. Phương pháp mô hình giải tích có thể được sử dụng để nghiên 
cứu mối quan hệ vật lý thủy động giữa vỏ tàu - chân vịt và môi trường nước, mối quan hệ năng 
lượng giữa chân vịt và DME. Phương pháp giải tích thuận tiện cho tính toán, thiết kế cũng như xác 
định các đặc tính của chế độ bình thường và đặc biệt trong khai thác kỹ thuật đối tượng. Điều kiện 
bình thường: sóng yên, biển lặng; tàu chạy toàn tải hàng; độ sâu không hạn chế; không bị hạn chế 
chiều rộng luồng kênh rạch. Các trường hợp đặc biệt khác - là một trong các trường hợp không bình 
thường. 
 Đối với DME. Các quá trình vật lý: nhiệt động học, hóa học, cơ học, trao đổi nhiệt diễn ra rất 
phức tạp trong quá trình cháy và công tác của từng xy lanh, từng hệ thống phục vụ. Kết quả của các 
quá trình đó cho phép chúng ta thiết lập mối quan hệ giữa đầu ra (thông số cần giám sát) với các 
thông số đầu vào của từng quá trình. Các quá trình đó diễn ra với mức độ nhanh (động) và phức 
tạp khác nhau. Mô hình hóa các quá trình thường thiết lập các phương trình toán tương ứng với các 
định luật, các giả thiết tương ứng. Nhìn chung, các quá trình đều rất phức tạp. 
Phương pháp được nhóm tác giả tập trung nghiên cứu dưới cơ sở phân tích quy luật của các 
quá trình, phân tích và xử lý thống kê số liệu thu được từ thử nghiệm đường dài của nhà máy đóng 
tàu cũng như số liệu đưa ra từ nhà máy chế tạo động cơ. Một kinh nghiệm có tính định hướng trong 
xây dựng mô hình toán từ số liệu thực nghiệm là lựa chọn dạng đường (mô hình) phù hợp và sử 
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 48 - 11/2016 15 
dụng lý thuyết thống kê để kiểm tra độ tin cậy của mô hình. Một quá trình vật lý diễn ra trong một 
phạm vi điều kiện nhất định (giả thiết giới hạn) của quá trình giám sát sẽ tuân thủ theo một vài quy 
luật (mô hình) nào đó, sao cho tiêu chuẩn sai số sử dụng được đáp ứng. Ví dụ, xây dựng mô hình 
đặc tính chân vịt của HĐLC dùng DME lai chân vịt thông thường được biểu diễn dưới dạng hàm số 
mũ, PP = Cnx, tuy nhiên nhiều nhà khoa học dùng mô hình đa thức bậc 2 để biểu diễn: PP = a0 + a1n 
+ a2n2. Trong bái báo này, nhóm tác giả sẽ lựa chọn, xây dựng mô hình dạng đa thức bậc 2 cho hầu 
hết các thông số giám sát. 
Cơ sở toán học. 
Giả thiết số liệu đưa ra dưới dạng bảng cho hai đại lượng đo được x và y tại các thời điểm 
quan sát j, j=1, 2,..., N. 
Bảng 1. Trích mẫu dữ liệu tại các thời điểm quan sát 
x(j) =xj  x1 x2 ... XN 
y(xj) =yj y1 y2 ... YN 
Ta xây dựng hàm hồi quy dạng đa thức bậc 2: 
𝑦 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2= a.X, (1) 
A = [𝑎0, 𝑎1, 𝑎2]; X=[1, 𝑥, 𝑥
2]T; 
Xác định tổng các bình phương sai số giữa số liệu quan sát được và số liệu tính được theo 
mô hình. Tại một thời điểm quan sát bất kỳ j, sai số bình phương được xác định: 
 [y(j)]2 = [y(j) –ym(j)]2; j =1, 2, ...,N. (2) 
m - chỉ số chỉ mô hình. 
Cần tìm hệ số (véc tơ a) sao cho tổng các bình phương sai sai số là nhỏ nhất, có nghĩa là: 
 J = ∑ [y(j)] 2𝑁𝑗=1 = ∑ [y(j) – y𝑚(j)] 
2 → 𝑚𝑖𝑛𝑁𝑗=1 (3) 
Hàm số hồi quy y𝑚 = 𝑓(𝑎), với véc tơ các hệ số a cần tìm, thỏa mãn: 
𝜕𝐽
𝜕𝑎𝑘
= 0; 𝑘 = 0,1,2 (4) 
Ta thu được hệ gồm m phương trình bậc nhất viết cho 3 ẩn: 
 H. a = V (5) 
Trong đó, ma trận vuông H3x3 và véc tơ cột V3x1 được xác định từ các điều kiện (4). 
Trong đó: 
𝐻3𝑥3 = [
ℎ(1,1) ℎ(1,2) ℎ(1,3)
ℎ(2,1) ℎ(2,2) ℎ(2,3)
ℎ(3,1) ℎ(3,1) ℎ(3,1)
]; 𝑉3𝑥1 = [
𝑉(1,1)
𝑉(2,1)
𝑉(3,1)
] 
ℎ11 = 𝑁; ℎ12 = ℎ12 = ∑[𝑋(𝑘)]
1
𝑁
𝑘=1
; ℎ13 = ℎ31 = ∑[𝑋(𝑘)]
2;
𝑁
𝑘=1
ℎ22 = ∑[𝑋(𝑘)]
2;
𝑁
𝑘=1
ℎ23 = ℎ32 = ∑[𝑋(𝑘)]
3
𝑁
𝑘=1
; ℎ33 = ∑[𝑋(𝑘)]
4;
𝑁
𝑘=1
𝑉1 = ∑ 𝑌(𝑘);
𝑁
𝑘=1
𝑉2 = ∑ 𝑋(𝑘)𝑌(𝑘); 𝑉3 = ∑ 𝑌(𝑘)[𝑋(𝑘)]
2.
𝑁
𝑘=1
𝑁
𝑘=1
Ta tìm được nghiệm: 
 a = H-1. V (6) 
Đánh giá độ tin cậy (độ chính xác của mô hình). 
Tổng số N lần quan sát, tương đương với số bậc tự do s = N; 
Phương trình có 3 ẩn cần tìm, như vậy số bậc tự do 1 = 3; 
Số bậc tự do còn lại đặc trưng cho bậc tự do khuyếch tán, 2 = N-3-1 = N - 4. 
Sai số tổng, ứng với số bậc tự do s = N: 
 ES = ∑ (�̅� − 𝑌(𝑘))2𝑁𝑘=1 ;�̅� =∑ 𝑌(𝑘)
𝑁
𝑘=1 (7) 
Sai số mô hình với số bậc tự do 1 = 3: 
 EM =∑ (𝑌𝑚 − 𝑌(𝑘))
2𝑁
𝑘=1 (8) 
Sai số nhiễu (phân tán dư) với số bậc tự do 2 = N - 4: 
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 48 - 11/2016 16 
 ER = ES - EM (9) 
Thiết lập tiêu chuẩn Fisher theo biểu thức (10) và kiểm tra điều kiện (11): 
 𝐹𝑡 =
𝐸𝑅
2⁄
𝐸𝑀
1⁄
, (10) 
 𝐹𝑡 > 𝐹1−𝛼(1 , 2 ) (11) 
Giá trị phân bố 𝐹1−𝛼(2 , 1 ) được đưa ra từ các tài liệu chuyên ngành thống kê. Nếu điều kiện 
(11) đúng, mô hình thu được là tin cậy với độ chính xác đạt (1-α) %. 
2.3. Cơ sở dữ liệu cho xây dựng mô hình và kết quả thu được 
Số liệu đưa ra từ nhà máy chế tạo động cơ [2], từ nhà máy đóng tàu Phà Rừng - qua thử 
nghiệm đường dài [3] được xác định theo các chế độ tải (công suất) 25 - 50 - 75 -100%. 
Nếu chỉ sử dụng 4 mẫu quan sát, N = 4 không đủ độ tin cậy để chúng ta xây dựng mô hình 
hồi quy dạng đa thức bậc 2, vì số bậc tự do 2 = N - 4 = 0. Do vậy, ta cần tăng lượng trích mẫu N. 
Từ 4 giá trị chúng ta nội suy tuyến tính để có N = 7 giá trị, tương ứng với 7 mẫu tải LI%: 
LI% = X = [100 87.5 75 62.5 50 37.5 25]%, và tương ứng với ta có các giá trị của các thông 
số cần xây dựng mô hình đều được trích 7 mẫu. Nhóm tác giả thu được 69 mô hình hồi quy viết cho 
các đại lượng cần giám sát trên. Trong phạm vi bài báo này, các tác giả xin được đưa ra một số mô 
hình hồi quy mang tính chất minh họa cho ứng dụng lý thuyết nêu trên, thể hiện trong bảng số 2 
dưới đây. Trong bảng 2, mô hình tương đối Y = f(X) là các hàm số viết dưới dạng đa thức bậc 2: Y 
= a.X với véc tơ hệ số hồi quy a = [a0 a1 a2] được xác định theo (6); X = [1, x, x2] ; x - đại lượng 
tương đối của thông số được xây dựng mô hình, ở đây x là LI%. Đại lượng Y tương đối biểu thị cho 
PE, nE, nT hoặc PS tương đối. 
2.4. Phân tích và đánh giá kết quả 
Bảng 2. Kết quả thử nghiệm đường dài ME 6S 46 MCC, tàu 34000 DWT [3] và mô hình hóa 
TS ĐV 
% Tải công suất định mức Véc tơ a-hệ số mô 
hình tương đối 
a=[a0 a1 a2 ] 
Y=f(X) F-tính 
100 75 50 25 
PE kW 7863 5897 3933 1965 - - - 
nE rpm 128.9 117 101.9 81.2 [0.0841 0.0114 0.9060] nE%=f(LI%) 2344 
nT rpm 17410 15070 11720 6850 [0.4432 0.8142 -0.2595] nT%=f(LI%) 1707 
PS Bar 3.68 2.90 1.97 1.34 [0.0549 1.4939 -0.5526] PS%=f(LI%) 405.8 
Trong các mô hình tương đối trên nE%= nE / nE.100% = nE /128.9; nT%= nT /17410; PS%= PS/3.68. 
Với tiêu chuẩn Fisher, độ tin cậy 99%, bậc tự do tương ứng là 1 =3; 2 = 7-3-1=3 có giá trị 
ngưỡng lý thuyết Ft (0.99; 3, 3) = 29.6, ta thấy Ft >> F(0.99; 3, 3) = 29.6. 
Kết quả chứng minh các mô hình thu được có độ tin cậy cao 99%. 
Hình 1. Kết quả mô hình hồi quy 
𝐟𝐧𝐄(𝐋𝐈) với dữ liệu vào 
Hình 2. Kết quả mô hình hồi quy 
𝐟𝐏𝐒(𝐋𝐈) với dữ liệu vào 
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 48 - 11/2016 17 
Kết quả mô hình hóa số 70 cho suất tiêu hao nhiên liệu (SFOC) không đáp ứng độ tin cậy 
99%, cũng như 95% khi lựa chọn mô hình bậc 2 đã nêu trên. Nguyên nhân được giải thích từ bản 
chất của quy luật cấp nhiên liệu của nhà sản xuất đáp ứng TIER II (xem hình 4) [4]. 
CSDL đưa ra từ hồ sơ mà máy chế tạo động cơ đưa ra [2, TESTBED DATA] 
LI% = [25 50 75 100]; n= [81.2 109.9 117.0 129]; % rpm 
ge = [182.63 178.28 171.18 177.22]; % g/kWh. 
Mô hình hồi quy được tìm dưới dạng đa thức bậc 2. Độ lệch giữa dữ liệu đầu vào và giá trị 
tính từ mô hình thu được thể hiện trên hình 3. 
Kết hợp với phương thức tối ưu hóa điều khiển cấp nhiên liệu của MAN MC/MCC, chúng ta 
thấy rằng dạng đa thức bậc 2 không đáp ứng dùng để mô hình hóa đặc tính SFOC, mà cần lựa chọn 
dạng mô hình khác phù hợp hơn. Vấn đề này sẽ được đề cấp đến trong bài báo tiếp sau. 
Hình 3. Kết quả mô hình hồi quy 
𝐟𝐠𝐞(𝒏𝑬% ) với dữ liệu vào 
Độ tin cậy của mô hình nhỏ hơn 95% 
Hình 4. Đồ thị SFOC cho MAN MC/MC-C [4] 
1 -Tối ưu theo phương thức tải cao; 
2 - Tối ưu theo phương thức tải bộ phận; 
3 - Tối ưu theo phương thức tải thấp. 
3. Kết luận 
Bài báo đưa ra phương pháp xử lý thống kê hồi quy dữ liệu thử tàu đường dài để xây dựng 
các mô hình toán cho giám sát các thông số kỹ thuật quan trọng của HĐLC diesel tàu biển. Áp dụng 
triển khai trên tàu 34000 DWT chở hàng tổng hợp, sử dụng DME loại MAN 6S 46 MC-C7, các tác 
giả thu 69 mô hình hồi quy dạng đa thức bậc 2 đều có độ tin cậy rất cao 99%, trừ đặc tính đặc thù 
cấp nhiên liệu của hãng chế tạo động cơ. Đối với đặc tính SFOC (gam/kWh) cần nghiên cứu thêm 
để lựa chọn mô hình phù hợp, đảm bảo độ tin cậy cho phép. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Đỗ Đức Lưu, Lương Công Nhớ, Trần Ngọc Tú (2016).Modelling reasonable operation regimes 
of the main propulsion plant main diesel engine - propeller - hull on the general cargo ship. Kỷ 
yếu Hội nghị thường niên lần thứ 17 của Hiệp hội các trường Đại học Hàng hải Quốc tế (IAMU 
17th AGA 2016.) tổ chức tại Đại học Hàng hải Việt Nam, 26 - 28 tháng 10 năm 2016. 
[2]. HHM - Sanghai. Hujiang Diessel Engine Emission Test Dcie-Tech Co. Ltd. Technical File. 
[3]. Nhà máy đóng tàu Phà Rừng. Hồ sơ tàu 34000 DWT. 
[4]. MAN Diesel Turbo. Marine Engine IMO Tier II & III Programme 
(2015).l
00d9d156f0bf5969569b45ff0200499204.pdf. Truy cập 27-9-2016. 
Ngày nhận bài: 9/10/2016 
Ngày phản biện: 4/11/2016 
Ngày duyệt đăng: 9/11/2016