TẠP CHÍ

ISSN: 1859-316X

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI

KHOA H C - CÔNG NGH

JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY

S

D NG B L C KALMAN
L C NHI U KHI O M C NHIÊN LI U
TRONG KÉT TRÊN TÀU B NG C M BI N RADAR
USING KALMAN FILTER TO FILTER INTERFERENCE (NOISES OR
DISTURBANCES) WHEN MEASURING FUEL LEVEL IN THE TANK ON THE
VESSEL BY RADAR SENSOR
TH HI N1, TR N TH NAM2, TR N H NG HÀ1*
Khoa Máy tàu bi n, Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam
2
Phòng Khoa h c - Công ngh , Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam
*Email liên h :
1

Tóm t t
Theo các quy đ nh m i c a IMO v vi c các công
ty tàu bi n ph i báo cáo th ng xuyên d li u
nhiên li u tàu bi n t 2019. Do v y các tàu bi n
ph i th ng xuyên đo đ c và báo cáo d li u v
các công ty b ng s d ng các ph ng pháp nh

đo két, đ ng h l u l ng ho c phi u nh n d u.
Khi tàu bi n đang ho t đ ng trên bi n, vi c đo và
giám sát m c nhiên li u trong két ch a c a tàu là
v n đ h t s c khó kh n và khơng chính xác do tàu
ln b nghiêng l c m nh các đi u ki n sóng gió
khác nhau. Do đi u ki n tàu nghiêng l c m nh đã
làm m c nhiên li u trong két luôn dao đ ng và
không n đ nh. Bài báo t p trung nghiên c u vi c
s d ng thu t toán Kalman đ l c nhi u khi đo
m c nhiên li u đ có đ c d li u v m c nhiên
li u trong két chính xác theo th i gian th c. T đó
có th tính tốn chính xác l ng nhiên li u còn l i
trong các két trên tàu và t đ ng báo cáo liên t c
s li u nhiên li u v công ty theo th i gian th c
các đi u ki n ho t đ ng khác nhau c a tàu.
T khóa: Tàu bi n, Kalman, nhiên li u.

Abstract
Under new IMO regulations, shipping companies
must regularly report fuel data from 2019.
Therefore, ships must regularly measure and
report data on companies using methods such as
tank measurements, flow meters or oil receipts.
When a ship is operating at sea, measuring and
monitoring the fuel level in the ship's tank is a very
difficult and inaccurate problem because the ship
is always tilted strongly in different sea
conditions. Due to the strong tilting and shaking
conditions, the fuel level in the tank is always
fluctuating and unstable. This paper focuses on

studying the use of Kalman algorithm to filter
noise when measuring fuel level to get accurate
data on fuel level in the tank in real time. From
24

there it is possible to accurately calculate the
amount of fuel remaining in the tanks on board
and automatically report the fuel data to the
company in real time under different operating
conditions of the new IMO ships in terms of fuel
consumption. Shipping companies must regularly
report ship fuel data from November 1, 2021.
Therefore, ships must regularly measure and
report data on companies using methods such as
tank measurements, flow meters or oil receipts.
When a ship is operating at sea, measuring and
monitoring the fuel level in the ship's tank is a very
difficult and inaccurate problem because the ship
is always tilted strongly in different windy
conditions. Due to the strong tilting and shaking
conditions, the fuel level in the tank is always
fluctuating and unstable. This paper focuses on
studying the use of Kalman to filter noise when
measuring fuel level to get accurate data of fuel
level in the tank in real time. From there, it is
possible to accurately calculate the amount of fuel
remaining in the tanks on board and automatically
continuously report fuel data to the company in
real time under different operating conditions of
the ship.

Keywords: Ship, Kalman, fuel oil.

1. M đ u
B t đ u t n m 2013, t ch c hàng h i qu c t
IMO đã ban hành các quy đ nh m i liên quan đ n vi c
thu th p nhiên li u và báo cáo v d li u nhiên li u
c a t ng tàu hàng n m cho c quan đ ng ki m v i
m c đích b o v môi tr ng bi n và b o v mơi
tr ng khơng khí [1]. Các tàu có t ng dung tích t
5000 MT tr lên, ho t đ ng t hành và ch y tuy n
qu c t đ u ph i báo cáo d li u tiêu th nhiên li u
hàng n m cho IMO.
L ng tiêu th nhiên li u trên tàu ph i báo cáo bao
g m c máy chính, máy ph , n i h i và các thi t b
khác s d ng nhiên li u trên tàu k c tàu đang hành
trình trên bi n ho c khơng hành trình trên bi n. Trong
S

70 (04-2022)


TẠP CHÍ

ISSN: 1859-316X

KHOA H C - CƠNG NGH

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY


các ph ng pháp thu th p nhiên li u trên tàu nh s
d ng phi u giao nh n nhiên li u, thi t b đo l ng và
giám sát két nhiên li u trên tàu thì ph ng pháp giám
sát két nhiên li u là ph ng pháp thu th p chính xác
nh t. Vi c đo két nhiên li u b ng ph ng pháp này
đ c th c hi n hàng ngày khi tàu ch y trên bi n và t i
th i đi m tàu vào b đ nh n nhiên li u. Khi tàu ch y
trên bi n do ln b sóng gió tác đ ng v i các m c đ
khác nhau, tàu b nghiêng l c m nh làm m c nhiên
li u trong các két b dao đ ng m nh. V i các thi t b
đo t đ ng ho c b ng tay hi n nay đ c trang b trên
các tàu bi n, khi th c hi n đo két s cho k t qu đo
khơng chính xác và gây khó kh n cho vi c thu th p
nhiên li u b ng ph ng pháp giám sát các két. Trong
các nghiên c u v h th ng giám sát nhiên li u t xa
và t đ ng v n ch a có nghiên c u nào đ c p đ n v n
đ đo các két đi u ki n nghiêng l c. T v n đ c p
thi t nêu trên nhóm nghiên c u đã thi t k h th ng
giám sát két nhiên li u trên c s ng d ng thu t toán
Kalman đ l c các nhi u v m c nhiên li u trong các
két khi b dao đ ng do tác đ ng c a sóng bi n bên
ngồi tàu.

2. Thu t tốn Kalman ng d ng trong h
th ng giám sát nhiên li u
Thu t toán Kalman s th c hi n th t c đ quy nh
g m 2 th t c “đo l ng” và “d đoán”:
- Th t c c p nh t đo l ng (Measurement): Th c
hi n tính h s Kalman và c p nh t giá tr đ u ra;
- Th t c d đoán (Prediction): S c p nh n b n

tr ng thái và tính ma tr n hi p ph ng sai.
▪ Q trình d đốn
B l c Kalman d a vào tr ng thái c l ng đi u
ch nh | - Là c l ng c a đ
c l ng tr ng
thái +1| - Là c l ng d đoán c a +1 cho phép
đo +1 Tr ng thái d đoán:
(1)
+1| =F
| +G
Hi p ph
P
ol

+1|

ng sai

cl

+1| +1 =

Hi p ph

+1|

ng sai

+K
cl


+1r +1

(7)

ng đi u ch nh:

(8)
P +1| +1 = (I − K +1H +1)P +1|
Cùng v i các đi u ki n ban đ u trong c l ng và
ma tr n hi p ph ng sai l i c a nó đã đ nh ngh a m t
gi i thu t r i r c hóa v th i gian và đ quy đ xác
đ nh hi p ph ng sai c l ng tuy n tính t i thi u
đ c g i là b l c Kalman. B l c Kalman đ c s
d ng đ đ a vào ch ng trình c a ph n m m giám sát
nhiên li u v i m c đích đ l c nhi u khi m c nhiên
li u bi n đ ng các đi u ki n l c khác nhau c a két
nhiên li u và gi n đ nh m c nhiên li u đ c đo t
c m bi n radar.

3. H th ng đo m c nhiên li u s d ng c m bi n
3.1. C u hình h th ng giám sát nhiên li u

ng d đoán:

=F P | F +Q

(2)

ng d đốn:


+1| = H +1 +1|
▪ Q trình đi u ch nh

l ch đo l
r

+1 =

Hi p ph
S

+1 =

z

(3)

ng:
+1

-H

(4)

+1|

+1

H


+1P +1|

H

+1 +

K

+1 =

P

Tr ng thái

70 (04-2022)

+1|

cl

H

Hình 2. C u trúc c a h th ng thu th p, qu n lý và
giám sát nhiên li u tiêu th

ng sai đ l ch:
R

+1


(5)

l i Kalman:

S

Hình 1. S đ thu t tốn Kalman

+1Sk+1-1

ng đi u ch nh:

(6)

H th ng t đ ng qu n lý và giám sát l ng nhiên
li u trong két s bao g m: Thi t b đo m c nhiên li u
s đ c l p trong két nhiên li u c a tàu, h th ng x
lý d li u c m bi n và h th ng truy n thông tin v

25


TẠP CHÍ

KHOA H C - CƠNG NGH
trung tâm giám sát. M c nhiên li u trong két nhiên
li u s đ c đo liên t c sau đó truy n d li u v máy
ch đ x lý k t qu đo.
Các thành ph n trong h th ng:


JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY

B ng 1. Các thông s c a c m bi n radar
Tham s

Endress houser
FMP51

- C m bi n góc nghiêng: C m bi n đo đ nghiêng
c a két đ xác đ nh m c nhiên li u trong két;

Ph m vi đo áp su t

- Máy ch IoT: Máy ch s d ng đ k t n i thi t
b phát và thi t b nh n qua m ng internet.
C m bi n đo m c d ng radar đ c l p trong két
d u. M c l ng nhiên li u trong két đ c c m bi n
đo và chuy n đ i thành tín hi u dịng đi n 4-20mA là
tín hi u t ng t t l v i m c nhiên li u đ c đ a t i
kh i thu th p và s hóa và x lý. đây tín hi u dịng
đi n 4-20mA đ c chuy n đ i thành tín hi u s . T i
đây các d li u v l ng nhiên li u trong két s đ c
tính tốn d a trên d li u nh n đ c t c m bi n m c
sau đó đ c đóng gói thành các d li u g i t i máy
ch IoT thông qua m ng di đ ng 3G/4G. Máy ch IoT
ti p nh n các thơng tin đó và thi t l p các d li u và
g i đ n trung tâm giám sát t xa.
T i trung tâm giám sát, thi t b nh n s thu th p d
li u g i t i t server và th c hi n phân tách d li u đ

thu đ c k t qu đo. Sau khi phân tách d li u thì d
li u s đ c g i t i máy tính đ hi n th và th c hi n
thi t l p các báo cáo tiêu th nhiên li u t đ ng.
Ch c n ng c a h th ng:
- Giám sát l

ng nhiên li u trong két;

- Truy n thông v trung tâm giám sát liên t c theo
chu k 1 giây/l n;
- Báo cáo th ng kê chi ti t, tr c quan quá trình s
d ng nhiên li u c a tàu và g i v trung tâm theo quy
đ nh.

3.2. C m bi n radar FMP51
C m bi n radar FMP51 ho t đ ng theo ph ng
pháp ToF (ToF = Th i gian truy n). Kho ng cách t
đi m chu n đ n b m t s n ph m đ c đo. Xung t n
s cao đ c đ a vào m t đ u dò và d n d c theo đ u
dò. Các xung đ c ph n x t b m t s n ph m, sau
đó đ c c m biên t ti p nh n và chuy n thành thông
tin. Ph ng pháp này c ng đ c bi t đ n d i d ng
TDR ( o ph n x mi n th i gian). Các xung ph n x
đ c truy n t đ u dò đ n thi t b đi n t . đó, m t
b vi x lý phân tích tín hi u và xác đ nh ti ng v ng

26

nv


Lo i c m bi n
Nhi t đ làm vi c

- HMI (Human Machine Interface): Màn hình hi n
th giá tr đo;

Giá tr

Nhà s n xu t

- C m bi n radar: C m bi n đo m c nhiên li u
trong két d a trên nguyên lý ph n x sóng radar;

- C m bi n nhi t đ : C m bi n đo nhi t đ nhiên
li u đ xác đ nh đ c kh i l ng nhiên li u;

ISSN: 1859-316X

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI

Ph m vi đo m c
Truy n tín hi u
chính xác

0C

-196 450
0 45

m


-1 400
Bus

bar

1450

v/ph

m c đ c t o ra b i s ph n x c a các xung t n s
cao t i b m t s n ph m. H th ng phát hi n tín hi u
v i xung quy trình th i gian bay đã đ c tích h p vào
s phát tri n c a ph n m m PulseMaster®.
Kho ng cách D đ n b m t s n ph m t l v i th i
gian truy n t c a xung l c:
D=c.t/2

(9)

Trong đó: c: Là t c đ ánh sáng; t: Th i gian
truy n xung.
D a trên kho ng cách tr ng E đã bi t, m c L đ
tính:
L=E-D

c

(10)


C m bi n radar FMP51 có que d n h ng sóng ra
đa, chi u dài đ c ch t o theo đ sâu c a t ng két
khác nhau, ch ng d ng c n nh p các thông s t
đ ng đi u ch nh thi t b phù h p v i các đi u ki n đo.
i v i các mơ hình v i đ u ra hi n t i, đi u ch nh
c a máy đ i v i đi m không E và kho ng F là 4mA
và 20mA, đ i v i k thu t s đ u ra và mô-đun hi n
th 0% và 100%. M t ch c n ng tuy n tính hóa v i t i
đa 32 đi m, d a trên trên b ng đ c nh p th công
ho c bán t đ ng, có th đ c kích ho t t i ch ho c
thông qua thao tác t xa. Ch c n ng này cho phép
chuy n đ i m c đ thành đ n v th tích ho c kh i
l ng.

3.3. Th nghi m h th ng giám sát nhiên li u
H th ng đo và giám sát nhiên li u trong phịng thí
nghi m đ c bao g m m t két ch t l ng đ c đ t trên
b t o rung l c b ng lò xo, b đ c đi u khi n b ng xi
lanh khí nén đ rung l c các m c đ khác nhau t 515 đ . S đ đo m c trong két t i phịng thí nghi m.
S đ thí nghi m th c t nh trên hình 4 bao g m
các thi t b sau:
- Két hình tr đ
cm, cao 80cm;

c làm b ng nh a đ

ng kính 40

- B rung l c đ c đi u khi n b ng khí nén l p trên
ba lị xo đàn h i có th l c đ n 45 đ ;


S

70 (04-2022)


TẠP CHÍ

ISSN: 1859-316X

KHOA H C - CƠNG NGH

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY

- C m bi n radar FMP51;
Internet

- B phát tín hi u: o ba thông s là đ nghiêng
l c c a két, nhi t đ và m c c a nhiên li u. B phát
tín hi u s d ng internet 3G đ phát tín hi u;

TANK RADAR
SENSOR

QU
TRANSMISTER

RECEIVER


TEMPERATURE
SENSOR

- Máy tính giám sát: Có ph n m m giám sát l
nhiên li u trong t ng két.

C

CONTROL
PANEL
B
FUEL OIL TANK

Computer
OSCILATION
SENSOR
PNEUMATIC
VAVLE

SPRING

AIR COMPESSOR
AIR CYLINDER

Hình 3. S đ thí nghi m h th ng
giám sát nhiên li u

- B thu tín hi u: Thu tín hi u t b phát sau đó
truy n t i máy tính qua c ng USB;
ng


Két nhiên li u đ c đ t trên b , b đ c n m trên
ba lị xo. Ba lị xo này có tác d ng t o ra l c đ y đàn
h i và t o ra đ l c theo chu k , do v y t o ra đ m
nghiêng l c m m cho két nhiên li u. B đ c xy lanh
khí nén đi u khi n đ l c theo các m c đ khác nhau
nh các van ti t l u đi u ch nh l u l ng khí nén ra
và vào các xy lanh. B đ c đi u khi n nghiêng l c
theo chu k . Trong két đ c l p ng kim lo i đ ng
kính 250mm có chi u dài 2m đ d n h ng cho sóng
radar phát ra và ph n x t các b m t ch t l ng t i
radar.
B thu s l y tín hi u c a ba c m bi n: c m bi n
m c b ng radar, c m bi n đ nghiêng l c, c m bi n
nhi t đ . Các tín hi u này đ c truy n đ n b thu, t i
b thu các tín hi u đ c x lý và truy n t i máy tính
đ hi n th các thơng s đ c đo qua giao di n c a
ph n m m giám sát két nhiên li u.

4. K t qu đo và phân tích s li u
4.1. Thu th p và x lý s li u th c nghi m

Tank Level (mm)

Hình 4. S đ thí nghi m

M c nhiên li u 500mm đ c đo theo th i gian
th c đ c ghi l i trong nh t ký c a ph n m m, s li u
có th đ c ghi l i thành file world. T tr ng nhiên
li u thay đ i thay nhi t đ đo đ c trong két. Nhi t đ

18,50C t tr ng 860kg/m3 v i két trịn kh i l ng
đ c tính là 148,95kg.

Hình 5. M c nhiên li u trong két đ

S

70 (04-2022)

c đo

500 mm

27


TẠP CHÍ

ISSN: 1859-316X

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI

KHOA H C - CƠNG NGH

JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY

Hình 6.

l c ngang c a m c nhiên li u trong két


500mm

Hình 7.

l c ngang c a m c nhiên li u trong két

500mm

Hình 8. M u báo cáo d li u tiêu th nhiên li u tàu

M c nhiên li u trong két đ c đo th c t màu đ
là m c trong ng đo đi u ki n nghiêng l c qua b
l c Kalman m c trong két đ c gi n đ nh là đ ng

28

màu xanh là 500mm theo th i gian th c. Th c nghi m
cho th y m c dù m c trong két b thay đ i theo đ l c
c a két nh ng qua b l c Kalman, m c c a két có giá

S

70 (04-2022)


TẠP CHÍ

ISSN: 1859-316X

KHOA H C - CƠNG NGH


KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY

tr đo n đ nh không thay đ i theo th i gian nh trong
Hình 6.
Trong Hình 7 th hi n đ l c ngang c a két đ c
đo theo th i gian th c. C m bi n l y góc 900 làm g c
“0” đ đo biên đ l c ngang c a két.
Nhiên li u trong két trên tàu trên tàu đ c đo sau
đó đ c ph n m m qu n lý và giám sát tính tốn. K t
qu đ c t đ ng ghi vào bi u m u theo quy đ nh c a
IMO nh Hình 8.

5. K t lu n
H th ng h th ng t đ ng thu th p, qu n lý, báo
cáo nhiên li u s d ng c a các h th ng k thu t trên
tàu th y do nhóm tác gi thi t k , ch t o đã th
nghi m thành công, tuân th theo các tiêu chu n c a
IMO. i u này mang l i ý ngh a th c ti n l n, th
hi n n ng l c làm ch công ngh k thu t, h ng t i
vi c th ng m i hóa s n ph m v i giá thành th p h n
so v i s n ph m cùng lo i trên th gi i. Ngoài l i ích
v m t kinh t , nghiên c u này cịn có ý ngh a l n v
m t góp ph n vào nhi m v th ng kê tiêu th nhiên
li u trong ho t đ ng hàng h i c a IMO, làm ti n đ
cho vi c đánh giá toàn di n l ng phát th i các ch t
gây ơ nhi m khơng khí t các ph ng ti n v n t i
trên th gi i.
H th ng t đ ng thu th p nhiên li u m i ch đ c

th nghi m v i các đi u ki n c a phịng thí nghi m.
H th ng s đ c th nghi m trên tàu đ đánh giá
đ c s n đ nh và đ chính xác c a h th ng. Khi
đ c áp d ng trên tàu, h th ng s giúp cho ng i khai
thác tàu có th giám sát l ng nhiên li u m t cách liên
t c, t đó có nh ng bi n pháp đ ti t ki m nhiên li u
và gi m thi u ô nhi m môi tr ng.

S

70 (04-2022)

L ic m n
Nghiên c u này đ c tài tr b i Tr ng i h c
Hàng h i Vi t Nam trong đ tài mã s : DT21-22.18.

TÀI LI U THAM KH O
[1] IMO, ANNEX 19 RESOLUTION MEPC. Vol.
203(62) Adopted on 15 July 2011.
[2] T Qu c D ng, Lê Th Hà, Ph m Duy Khang, ng
d ng m ng neuron nhân t o (ANN) trong d báo
đ r ng, T p chí D u khí, S 7, tr.18-27, 2019.
[3] Henric Lassesson, Karin E Andersson, Energy
efficiency in shipping - Review and evaluation of
the state of knowledge, Göteborg, Sweden, 2009.
[4] Energy Management System, Praxis Automation
Technology, The Netherlands.
[5] Cheng Xie, Liwen Huang, Dan Jiang, Research on
quantitative risk assessment of fuel leak of LNGfuelled ship during lock transition process,
Reliability Engineering & System Safety1

February 2022.
[6] Fan Zhou, Yunli Fan, Bowen An
Ship emission monitoring sensor web for research
and application Ocean Engineering7 March 2022
Ngày nh n bài:
Ngày nh n b n s a:
Ngày duy t đ ng:

10/03/2022
15/03/2022
31/03/2022

29