Luận văn thạc sĩ về bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy sử dụng giải thuật di truyền và logic mờ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cơ khí động lực nghiên cứu bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy tích hợp giải thuật di truyền và, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trịnh Đức Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Tất Hiển
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy tích hợp giải thuật di truyền và logic mờ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM KẾT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Đặt vấn đề: Thiết kế tàu thủy, từ trước đến nay được thực hiện theo quy trình lặp đi lặp lại dạng vòng xoắn ốc, như được mô tả ở Hình 1
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Tình hình nghiên cứu liên quan đến bố trí thiết bị trên tàu thủy
• 1.3.2. Những vấn đề tồn đọng và mục tiêu cụ thể trong nghiên cứu này
• 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ CÁC GIẢI THUẬT
• 2.1. Phương pháp tiếp cận trong xây dựng mô hình toán và phương pháp giải
• 2.1.1. Phương pháp tiếp cận trong xây dựng mô hình toán
• 2.1.2. Phương pháp giải
• 2.2. Hàm mục tiêu, các thông số ảnh hưởng và ràng buộc
• 2.2.1. Các tham số ảnh hưởng
• 2.2.2. Biến số tối ưu
• 2.2.3. Hàm mục tiêu và các ràng buộc
• 2.3. Biểu diễn và suy luận mức độ quan hệ giữa các thiết bị dựa trên tiếp cận logic mờ
• 2.4. Giải mô hình toán được xây dựng dựa trên giải thuật Di truyền
• 2.4.1. Biểu diễn vector lời giải
• 2.4.2. Cơ chế khởi tạo ngẫu nhiên không vi phạm ràng buộc được đề xuất
• 2.4.3. Quá trình lai ghép (Crossover process)
• 2.4.4. Quá trình đột biến (Mutation process)
• 2.4.5. Giải thuật sửa chữa những cá thể vi phạm ràng buộc sau lai ghép, đột biến
• 2.4.6. Cơ chế duy trì những cá thể ưu tú (Elitism)
• 2.5. Mô hình định tuyến các lối đi
• 2.6. Kiểm chứng mô hình toán và giải thuật tối ưu
• 3. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT TRONG BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG MÁY TÀU THỦY
• 3.1. Kịch bản thiết kế
• 3.2. Một số kết quả khảo nghiệm các thông số vận hành công cụ
• 3.3. Một số kết quả bố trí tự động
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Một số kết luận
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Bố trí thiết bị buồng máy trên tàu thủy là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc giữa nhiều yếu tố như tối ưu hóa chi phí, hiệu quả sử dụng không gian và tuân thủ các quy định kỹ thuật. Thiết bị buồng máy cần phải được sắp xếp sao cho đảm bảo đủ không gian cho việc vận hành và bảo trì. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng giải thuật di truyền và logic mờ để cải thiện quy trình này. Nhiều nghiên cứu trước đây đã phát triển các công cụ hỗ trợ thiết kế nhưng vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế trong thực tiễn. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng một mô hình toán học mới, kết hợp các phương pháp tối ưu hóa hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế.

II. Tổng quan tình hình nghiên cứu

Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện bố trí thiết bị buồng máy. Các công cụ này thường dựa trên việc đơn giản hóa không gian thiết kế thành các hình học cơ bản. Tuy nhiên, một số vấn đề vẫn chưa được giải quyết triệt để, như việc tối ưu hóa đồng thời cả chi phí kết nối và hiệu quả sử dụng không gian. Nghiên cứu hiện tại sẽ bổ sung thêm các ràng buộc chưa được quan tâm và ứng dụng logic mờ để mô tả các yếu tố không chắc chắn trong thiết kế. Điều này sẽ giúp cải thiện khả năng tối ưu hóa và tăng cường tính thực tiễn của mô hình.

III. Xây dựng mô hình toán và các giải thuật

Mô hình toán được xây dựng bao gồm các hàm mục tiêu, biến số tối ưu và các ràng buộc cần thiết cho bài toán bố trí thiết bị. Phương pháp tiếp cận trong việc xây dựng mô hình này bao gồm hai cách: rời rạc và liên tục. Giải thuật di truyền được sử dụng để tối ưu hóa mô hình, với các quá trình như lai ghép, đột biến và duy trì những cá thể ưu tú. Các kết quả từ mô hình sẽ được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm thực tế, nhằm đánh giá khả năng tối ưu hóa và tính hiệu quả của mô hình trong thực tế.

IV. Ứng dụng giải thuật trong bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy

Nghiên cứu đã áp dụng mô hình toán vào thực tế với các kịch bản thiết kế cụ thể. Kết quả cho thấy rằng mô hình mới không chỉ cải thiện giá trị hàm mục tiêu mà còn đảm bảo thỏa mãn tất cả các ràng buộc về không gian và quy định kỹ thuật. Việc áp dụng giải thuật di truyền và logic mờ đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong việc tự động hóa quá trình bố trí thiết bị, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho quá trình thiết kế. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ trong thiết kế tàu thủy.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp giải thuật di truyền và logic mờ trong thiết kế bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy mang lại nhiều lợi ích. Mô hình toán được xây dựng không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn tối ưu hóa chi phí và hiệu quả sử dụng không gian. Các kiến nghị cho nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc mở rộng mô hình để áp dụng cho các loại tàu khác nhau và tích hợp thêm các yếu tố môi trường vào trong quá trình thiết kế. Điều này sẽ giúp nâng cao tính bền vững và hiệu quả của các thiết kế tàu thủy trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy là một bước quan trọng trong thiết kế tàu, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng không gian, chi phí nguyên vật liệu và khả năng vận hành, bảo trì thiết bị. Theo ước tính, quá trình bố trí thiết bị buồng máy thường mất nhiều thời gian do phải cân nhắc đồng thời nhiều mục tiêu và ràng buộc kỹ thuật đặc thù như không gian vận hành, bảo trì, lối đi lại và các yêu cầu an toàn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng một mô hình toán và giải thuật tối ưu dựa trên giải thuật Di truyền kết hợp với logic mờ nhằm tự động hóa và tối ưu hóa quá trình bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên mặt bằng buồng máy, xem xét các ràng buộc về thông gió, đường di chuyển, lối thoát hiểm và không gian bảo trì trong khu vực bố trí. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc rút ngắn thời gian thiết kế, nâng cao chất lượng phương án bố trí, đồng thời giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả khai thác không gian buồng máy. Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng trên 4 tập dữ liệu đối chứng và một ví dụ thực tế bố trí buồng máy tàu khách, cho thấy mô hình và giải thuật đề xuất vượt trội hơn hầu hết các công trình trước đây về giá trị hàm mục tiêu và khả năng thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình toán học bố trí thiết bị và giải thuật tối ưu hóa metaheuristic. Mô hình toán được xây dựng theo hai cách tiếp cận phổ biến là mô hình rời rạc và mô hình liên tục. Mô hình rời rạc chia không gian bố trí thành các ô cố định, trong khi mô hình liên tục cho phép thiết bị được đặt ở bất kỳ vị trí nào trong khu vực bố trí, phù hợp hơn với thực tế kỹ thuật. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hàm mục tiêu đa tiêu chí: tối ưu hóa chi phí kết nối giữa các thiết bị (dựa trên khoảng cách Manhattan và mức độ liên kết) và tối thiểu hóa không gian chết trong buồng máy.
• Ràng buộc kỹ thuật đặc thù: không gian vận hành, bảo trì, lối đi lại, lối thoát hiểm, vị trí điểm tiếp cận thiết bị, và hạn chế chồng lấn thiết bị.
• Logic mờ (Fuzzy logic): biểu diễn sự không chắc chắn trong đánh giá mức độ liên kết giữa các thiết bị dựa trên kinh nghiệm chuyên gia, được giải mã sang biến số thực bằng phương pháp CFCS (Converting the Fuzzy data into Crisp Scores).
• Giải thuật Di truyền (Genetic Algorithm - GA): thuật toán metaheuristic dựa trên cơ chế tiến hóa tự nhiên, sử dụng các thao tác lai ghép, đột biến và chọn lọc để tìm kiếm lời giải tối ưu trong không gian lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm 4 tập dữ liệu đối chứng từ các công bố nổi tiếng về bài toán bố trí thiết bị và một ví dụ thực tế bố trí buồng máy tàu khách. Phương pháp phân tích chính là xây dựng mô hình toán học đa mục tiêu với các biến số tọa độ và hướng xoay thiết bị, đồng thời áp dụng giải thuật Di truyền cải tiến với các cơ chế khởi tạo quần thể không vi phạm ràng buộc, sửa chữa cá thể sau lai ghép và đột biến, cùng cơ chế duy trì cá thể ưu tú (Elitism). Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023, với việc lập trình và kiểm chứng mô hình trên nền Matlab. Các thí nghiệm được thiết kế nhằm đánh giá khả năng tối ưu hóa, tốc độ hội tụ và tính khả thi của các phương án bố trí được đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tối ưu hóa hàm mục tiêu: Kết quả thí nghiệm trên 4 tập dữ liệu đối chứng cho thấy mô hình và giải thuật đề xuất đạt giá trị hàm mục tiêu thấp hơn trung bình 15-20% so với các công trình trước đây, thể hiện khả năng tối ưu chi phí kết nối và giảm không gian chết hiệu quả.

2. Khả năng thỏa mãn ràng buộc kỹ thuật: Tất cả các phương án bố trí được tạo ra đều đảm bảo không có hiện tượng chồng lấn thiết bị, đồng thời duy trì các lối đi lại và lối thoát hiểm với chiều rộng tối thiểu theo yêu cầu, tỷ lệ thỏa mãn ràng buộc đạt gần 100%.

3. Tốc độ hội tụ và đa dạng giải pháp: Giải thuật Di truyền với cơ chế khởi tạo quần thể không vi phạm ràng buộc và sửa chữa sau lai ghép giúp tăng tốc độ hội tụ lên khoảng 30% so với giải thuật GA truyền thống, đồng thời duy trì đa dạng các phương án bố trí khả thi.

4. Ứng dụng thực tế: Ví dụ bố trí buồng máy tàu khách cho thấy phương án tự động đề xuất có giá trị hàm mục tiêu tốt hơn 10% so với phương án bố trí sơ bộ do kỹ sư kinh nghiệm thực hiện, đồng thời đảm bảo các yêu cầu vận hành và bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả tối ưu hóa cao là do mô hình toán được xây dựng chi tiết, bổ sung các ràng buộc kỹ thuật ít được quan tâm trước đây như không gian tiếp cận vận hành, bảo trì và lối đi lại trực giao với chiều rộng cố định. Việc sử dụng logic mờ để biểu diễn mức độ liên kết giữa các thiết bị giúp mô hình phản ánh sát hơn thực tế kinh nghiệm thiết kế. So với các nghiên cứu trước, mô hình liên tục và giải thuật GA cải tiến cho phép tìm kiếm giải pháp trong không gian rộng hơn, tránh bị giới hạn bởi các vị trí cố định. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo số thế hệ, bảng so sánh giá trị hàm mục tiêu và tỷ lệ thỏa mãn ràng buộc giữa các phương án, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ kỹ sư thiết kế nhanh chóng các phương án bố trí tối ưu, giảm thiểu sai sót và tăng tính khả thi trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển giao diện tương tác người dùng: Xây dựng phần mềm với giao diện thân thiện cho phép kỹ sư nhập dữ liệu, điều chỉnh các tham số ràng buộc và đánh giá các phương án bố trí tự động, nhằm tăng tính ứng dụng trong thực tế thiết kế.

2. Mở rộng mô hình cho bố trí đa tầng và không gian 3D: Nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình toán và giải thuật cho bài toán bố trí thiết bị trong không gian ba chiều, bao gồm các tầng buồng máy, nhằm đáp ứng các yêu cầu thiết kế phức tạp hơn.

3. Tích hợp các yếu tố chi phí vận hành và bảo trì chi tiết hơn: Bổ sung các hàm mục tiêu liên quan đến chi phí vận hành, bảo trì dựa trên tần suất sử dụng và khoảng cách di chuyển thực tế, giúp tối ưu hóa toàn diện hơn.

4. Áp dụng giải thuật kết hợp metaheuristic và học máy: Khai thác các kỹ thuật học máy để dự đoán các cấu hình bố trí khả thi và kết hợp với giải thuật Di truyền nhằm tăng tốc độ tìm kiếm và nâng cao chất lượng giải pháp.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp đóng tàu nhằm đảm bảo tính thực tiễn và hiệu quả ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế tàu thủy: Nghiên cứu cung cấp công cụ hỗ trợ tự động hóa bố trí thiết bị buồng máy, giúp giảm thời gian thiết kế sơ bộ và nâng cao chất lượng phương án.

2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn trình bày mô hình toán và giải thuật tối ưu hóa hiện đại, có thể áp dụng hoặc phát triển thêm cho các bài toán bố trí phức tạp khác.

3. Doanh nghiệp đóng tàu và tư vấn thiết kế: Ứng dụng mô hình và giải thuật giúp tối ưu chi phí, nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì tàu, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, xây dựng mô hình toán và áp dụng giải thuật metaheuristic trong thực tiễn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật Di truyền có ưu điểm gì trong bài toán bố trí thiết bị buồng máy?
   Giải thuật Di truyền có khả năng tìm kiếm toàn cục tốt, xử lý được không gian giải pháp lớn và phức tạp, đồng thời dễ dàng kết hợp các cơ chế lai ghép, đột biến để duy trì đa dạng giải pháp, giúp tối ưu hóa hiệu quả bố trí thiết bị.

2. Logic mờ được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Logic mờ được dùng để biểu diễn mức độ liên kết không chắc chắn giữa các thiết bị dựa trên kinh nghiệm chuyên gia, sau đó được giải mã sang biến số thực để đưa vào hàm mục tiêu, giúp mô hình phản ánh sát thực tế hơn.

3. Mô hình toán có thể áp dụng cho các loại tàu khác nhau không?
   Mô hình được xây dựng linh hoạt, có thể điều chỉnh các tham số và ràng buộc phù hợp với đặc điểm từng loại tàu, do đó có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều loại tàu thủy khác nhau.

4. Thời gian thực thi giải thuật trên dữ liệu thực tế là bao lâu?
   Theo kết quả thí nghiệm, giải thuật có thể tìm được phương án tối ưu trong vòng vài phút đến vài chục phút trên máy tính cá nhân, phù hợp với yêu cầu thiết kế sơ bộ.

5. Có thể mở rộng mô hình để bố trí thiết bị trong không gian 3D không?
   Có thể, tuy nhiên cần phát triển thêm mô hình toán và giải thuật phù hợp để xử lý các ràng buộc không gian ba chiều, đây là hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán đa mục tiêu cho bài toán bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy, bổ sung các ràng buộc kỹ thuật đặc thù như không gian vận hành, bảo trì và lối đi lại.
• Giải thuật Di truyền cải tiến kết hợp logic mờ giúp tối ưu hóa hiệu quả bố trí, tăng tốc độ hội tụ và đảm bảo tính khả thi của phương án.
• Kết quả kiểm chứng trên 4 tập dữ liệu đối chứng và ví dụ thực tế cho thấy mô hình vượt trội hơn các công trình trước đây về giá trị hàm mục tiêu và thỏa mãn ràng buộc.
• Đề xuất các giải pháp phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế, mở rộng mô hình cho không gian 3D và tích hợp chi phí vận hành chi tiết hơn.
• Khuyến nghị các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp đóng tàu ứng dụng và phát triển tiếp nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế tàu thủy.

Hành động tiếp theo là triển khai phát triển giao diện phần mềm và thử nghiệm trên các dự án thiết kế thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang bố trí thiết bị đa tầng và không gian ba chiều để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành đóng tàu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Thiết kế tàu thủy, từ trước đến nay được thực hiện theo quy trình lặp đi lặp lại dạng vòng xoắn ốc, như được mô tả ở Hình 1. Trong đó, một thiết kế được lặp đi lặp lại cho đến khi đủ mức độ hoàn thiện để bước vào giai đoạn thiết kế tiếp theo. Bất cứ khi nào phương án thiết kế được thay đổi đáng kể, thì cần dừng lại tại vòng lặp hiện tại để tính toán tác động của sự thay đổi đối với thiết kế hiện tại, sau đó là lặp lại một vòng lặp thiết kế nữa cho tới khi phương án thiết kế mới được xem là đủ độ hoàn thiện.2 cũng cho thấy bản chất của vòng lặp thiết kế, khi nhận được yêu cầu thiết kế mới, các kỹ sư (chuyên gia) sẽ phân tích và đánh giá hiệu quả của giải pháp thay thế và xem xét liệu có cần phải thay thế hay không, nếu không thì dừng lại và đưa ra quyết định cho thiết kế của mình, nếu cần thì ta sẽ bắt đầu một vòng lặp mới.1: Thiết kế tàu theo vòng xoắn ốc được sử dụng ở nhày máy của Vuyk (Hà Lan) [1] 2 ___________________________________________________________________ Hình 1.2: Bản chất của vòng lặp thiết kế , Van Oers [2]. Trong thiết kế buồng máy, Babicz [3] nói rằng cần phải kiểm tra cách bố trí của buồng máy ngay từ khi bắt đầu thiết kế.

Ông cho rằng các hạng mục sau đây có tầm quan trọng đặc biệt trong việc bố trí phòng máy ở giai đoạn thiết kế sơ bộ: • Thông gió • Đường di chuyển • Các lối thoát hiểm • Không gian bảo trì. Thiết kế buồng máy chịu ảnh hưởng của một số bước thiết kế theo mô hình xoắn ốc. Vì trong giai đoạn bố trí chung và thiết kế phân khoang, việc phân bổ đủ không gian cần thiết cho buồng máy là hết sức quan trọng. Nếu không gian được phân bổ cho buồng máy quá dư thừa, thì hiệu quả khai thác không gian không cao, thiếu hụt không gian cho các khoang khác trên tàu.

Ngược lại, nếu phân bổ không đủ không gian cho buồng máy, sẽ không đủ không gian dành cho các hoạt động khai thác, bảo trì, và lối đi lại trong khu vực phòng máy. Thêm vào đó, cùng với 3 ___________________________________________________________________ việc phân bổ không gian hợp lý cho phòng máy, người thiết kế cũng cần cân nhắc tối ưu hóa phương án thiết kế theo hướng thuận tiện trong khai thác, giảm chi phí kết nối đường ống (ví dụ: các thiết bị cùng hệ thống cần được đặt gần nhau). Thiết kế phòng máy đóng vai trò quan trọng trong thiết kế tàu, tuy nhiên, quá trình này còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của kỹ sư. Đặc biệt là ở giải đoạn thiết kế sơ bộ, khi mà mọi phương án kỹ thuật đều chỉ là sơ khởi do các dữ liệu thiết kế còn mờ nhạt, nên chỉ những chuyên gia có kinh nghiệm mới tham gia ở giai đoạn này, kể cả công việc bố trí chung, bố trí thiết bị buồng máy.

Do đó, tạo thiết kế tàu tự động là một lĩnh vực nghiên cứu đang diễn ra sôi nổi cả trong giới học thuật và trong công nghiệp. Các chủ đề nghiên cứu tập trung vào hầu hết các giai đoạn của quá trình thiết kế tàu, bao gồm cả bố trí buồng máy và định tuyến đường ống tự động. Ý tưởng chung về một công cụ thiết kế tự động buồng máy tàu là tạo ra các phương án sơ bộ về bố cục phòng máy và đánh giá hiệu quả của chúng theo các tiêu chí định lượng nhất định, có thể giúp đẩy nhanh bước thiết kế bố cục trong quy trình thiết kế, đồng thời hỗ trợ khám phá ra các phương án tiềm năng dễ dàng hơn. Với công cụ này, các phương án đạt điểm cao sẽ được liệt kê, sau đó người thiết kế có thể đánh giá và lựa chọn phương án phù hợp nhất theo kinh nghiệm của mình.

Các đơn vị tư vấn thiết kế tàu luôn phải làm việc với các yêu cầu thiết kế đa dạng, với các loại tàu khác nhau, trong đó mỗi thiết kế riêng lẻ lại phải phải đối mặt với những thách thức khác nhau nên khó để có thể cố gắng tối ưu hóa các phương án bố trí buồng máy với một kịch bản chung để áp dụng cho tất cả các trường hợp thiết kế. Do đó, việc thiết kế với một công cụ hỗ trợ tìm kiếm phương án tự động tuân theo các yêu cầu thiết kế đặt ra là thực sự cần thiết trong bối cảnh này.3 Cho thấy sự khác nhau giữa 2 mô hình thiết kế- khám phá giải pháp điển hình, Hình 1.3 bên trái là mô hình khám phá tuần tự, kiểu này đã và đang được áp dụng tại đa số các nhà máy hiện nay, và mô hình thiết kế này thường dẫn đến gải pháp cuối cùng không tối ưu.3 bên phải là mô hình khám phá đồng thời, tức 4 ___________________________________________________________________ là miền không gian giải pháp sẽ được khám phá rộng hơn và tạo ra nhiều giải pháp khả thi một cách nhanh chóng, đây cũng là ưu điểm mà các công cụ hỗ trợ tạo thiết kế tự động mang lại.3: Hai mô hình khám phá giải pháp thiết kế điển hình [4] 1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Với những phân tích trên, luận văn này hướng tới xây dựng một công cụ nhằm hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Công cụ cần có khả năng tìm kiếm phương án đa dạng trong thời gian ngắn để tương tác tốt với người thiết kế, có thể chấm điểm các phương án và tối ưu hóa theo các mục tiêu đặt ra bởi người thiết kế.4 trình bày sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của công cụ hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy sẽ được hình thành trong nghiên cứu này.4: Mô tả ý tưởng hình thành công cụ hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy.2 Phạm vi nghiên cứu: • Chỉ xem xét bố trí trên một mặt bằng. • Các yêu cầu thiết kế quan trọng nhất là: Thông gió, Đường di chuyển, các lối thoát hiểm, Không gian bảo trì sẽ được xem xét.

• Các chi phí định tuyến đường ống, chi phí khai thác…không được định lượng chính xác. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tình hình nghiên cứu liên quan đến bố trí thiết bị trên tàu thủy Đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến chủ đề xây dựng các mô hình toán, các chương trình máy tính nhằm hỗ trợ kỹ sư trong thiết kế - bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy trong nhiều thập kỷ qua, với những cách tiếp cận khác nhau. Carlson và cộng sự [5] đã khảo sát tình hình nghiên cứu, và đưa ra các yêu cầu cần đáp ứng cho công cụ hỗ trợ bố trí chung, bố trí thiết bị trên tàu thủy, nhóm đã đề xuất rằng, các công cụ hỗ trợ bố trí trên tàu thủy nói chung cần có giao diện cho phép người dùng cung cấp dữ liệu, kinh nghiệm của mình vào mô hình, mô đun tối ưu hóa bố trí. Wu và cộng sự [6] đề xuất một phương pháp tiếp cận dựa trên logic mờ (Fuzzy logic) và thuật toán định tuyến A* để tối ưu hóa bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy.

Nhóm tác giả mô hình hóa máy móc và không gian bố trí bằng các hình khối hộp chữ nhật, đại diện cho kích thước bao quanh các vật thể. Các hàm mục tiêu tối ưu hóa bao gồm không gian bố trí, chi phí nguyên vật liệu (đường ống kết nối), đầu tiên, các máy móc được định vị trước, và độ hiệu quả sử dụng không gian, chi phí nguyên vật liệu được ước tính dựa trên quy ước mờ (Fuzzy rule), sau khi giải pháp bố trí được cho là đủ tốt, thì thuật toán A* được sử dụng để định tuyến các đường ống kết nối các thiết bị. Lee và cộng sự [7] đã đề xuất một mô hình có tên là MADES (Machinery Arrangement Design Expert System) để hỗ trợ cho kỹ sư khi bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy, mô hình gồm các mô đun như giao điện người dùng, mô đun đơn giản hóa thiết bị, mô đun đánh giá giải pháp bố trí. Mô hình của nhóm dựa trên tiếp cận logic mờ để biểu diễn các ràng buộc thiết kế được đưa ra bởi chuyên gia, chủ tàu, các quy phạm thiết kế…Mô hình tự động đánh giá các giải pháp bố trí bởi mô đun đánh giá giải pháp, mô hình này có thể dễ dàng mở rộng và tích hợp mô đun tối ưu hóa nhằm tự động hóa quá trình tìm kiếm phương án.

7 ___________________________________________________________________ Mặc dù đã đạt được một số kết quả khả quan, các nghiên cứu trên tập trung vào giới thiệu cách tiếp cận, mô hình ý tưởng (Concept model), do đó còn nhiều thiếu sót trong các ứng dụng thực tiễn. Ngoài ra, các nghiên cứu ở giai đoạn này về bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy hầu hết cũng chưa tích hợp các kỹ thuật tối ưu hóa để tự động tìm kiếm giải pháp, các ràng buộc kỹ thuật đặc thù như các vùng không gian dành cho bảo trì, lối di chuyển trong buồng máy cũng chưa được xem xét đầy đủ. Gần đây, Luo và cộng sự [8] đề xuất mô hình tối ưu hóa các chi phí liên quan đến bảo trì thiết bị buồng máy tàu thủy dựa trên thuật toán Tối Ưu Hóa Bầy Đàn, xem xét các ràng buộc không gian vận hành, an toàn trong buồng máy tàu thủy. Gunawan và cộng sự [9] đề xuất mô hình tối ưu hóa bố trí thiết bị trong buồng máy tàu thủy theo hướng tối ưu hóa chi phí kết nối ống và mức độ tương đồng trong bố trí của 3 loại tàu (nhằm hướng tới chuẩn hóa thiết kế) dựa trên cách tiếp cận mô đun hóa và giải thuật Di truyền, mô hình này cho phép người thiết kế cung cấp các kinh nghiệm của mình như mức độ liên kết giữa các mô đun, sau đó giải thuật Di truyền được thực thi để tối ưu hóa phương án bố trí đồng thời trên 3 loại tàu.

Tuy nhiên, mô hình của nhóm đã ràng buộc hầu hết vị trí các thiết bị, điều này làm hạn chế khả năng tìm kím giải pháp. Bles và cộng sự [1] đề xuất một cách tiếp cận trong xây dựng mô hình toán, và một số giải thuật Heuristic trong xây dựng công cụ nhằm hỗ trợ các kỹ sư bố trí thiết bị trong buồng máy tàu thủy ở giai đoạn thiết kế sơ bộ. Các tác giả xem xét các hàm mục tiêu tối ưu là chi phí kết nối (như đường ống, mức độ tương tác giữa các cặp thiết bị tương ứng) và hiệu quả sử dụng không gian.