ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRỊNH ĐỨC MINH

NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG MÁY TÀU THỦY
TÍCH HỢP GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ LOGIC MỜ
RESEARCH ON SHIP ENGINE-ROOM LAYOUT USING
GENETIC ALGORITHM AND FUZZY LOGIC
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Tất Hiển
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trần Đăng Long
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Thị Ngọc Hoa
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch: TS. Trần Hữu Nhân

2. Thư Ký: TS. Trần Hải
3. Phản biện 1: TS. Trần Đăng Long
4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Thị Ngọc Hoa
5. Ủy viên: TS. Nguyễn Văn Trạng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Trần Hữu Nhân

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TS. Trần Hữu Nhân


i
___________________________________________________________________
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRỊNH ĐỨC MINH ; .................................... MSHV:2070442
Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1998 ; ......................................... Nơi sinh: ĐăkLăk
Chuyên ngành: kỹ thuật cơ khí động lực ; ................................. Mã số : 8520116
I. TÊN ĐỀ TÀI: BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG MÁY TÀU THỦY TÍCH HỢP GIẢI
THUẬT DI TRUYỀN VÀ LOGIC MỜ
(Research on Ship Engine-Room Layout Using Genetic Algorithm and Fuzzy

Logic)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ : Xây dựng mơ hình tốn và giải thuật tối ưu dựa trên giải thuật Di
truyền phục vụ bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy.
Nội dung nghiên cứu:
− Nghiên cứu tổng quan các mơ hình và giải thuật hỗ trợ bố trí thiết bị
buồng máy tàu thủy.
− Xây dựng mơ hình tốn, gồm hàm mục tiêu, các biến số tối ưu và ràng
buộc cho bài toán bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy.
− Xây dựng giải thuật tối ưu hóa dựa trên giải thuật Di Truyền để giải hiệu
quả mơ hình tốn được xây dựng.
− Kiểm chứng mơ hình tốn và giải thuật tối ưu được đề xuất thông qua các
nguồn dữ liệu tin cậy, từ đó ứng dụng trong bố trí tự động buồng máy tàu
thủy dựa trên tiếp cận logic mờ.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài):
05/09/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài):
21/05/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
PGS.TS. Lê Tất Hiển


ii
___________________________________________________________________

Tp. HCM, ngày . . . . tháng. . . . năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Lê Tất Hiển

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)

TS. Trần Hữu Nhân


iii
___________________________________________________________________
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên và chân thành nhất, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Lê Tất Hiển. Cảm ơn Thầy vì những lời tư vấn, giảng giải nhiệt tình trong
suốt hành trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này. Khơng chỉ có những kiến
thức chun mơn, mà cịn cả về cách xử lí vấn đề và nhiều khía cạnh khác em được
học hỏi từ Thầy. Thêm vào đó, Thầy đã gợi mở ra nhiều ý tưởng hay và luôn thúc
đẩy em xử lý sáng tạo hơn với các vấn đề mình gặp phải, đ

ối với em đó là bài

học cũng như món quà vơ giá mình nhận được từ Thầy.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy trong khoa Kỹ Thuật Giao
Thông - đại học Bách Khoa tp.HCM. Cảm ơn vì những kiến thức chun mơn và sự
chia sẻ nhiệt tình từ các Thầy. Được đồng hành cùng các Thầy đã giúp em trau dồi
thêm nhiều kỹ năng cần thiết và phát triển bản thân mình hơn. Ngồi những tiết học
bổ ích thì cịn có cả những câu chuyện thú vị về các thầy đã khiến em cảm thấy
thoải mái hơn. Sự tận tụy, tâm huyết và thân thiện là những hình ảnh em ln nghĩ
tới khi nhớ về những bài giảng và câu chuyện của các Thầy.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các anh kỹ sư ở công ty Vard

Vũng Tàu, đặc biệt là anh Nguyễn Trần Hưng và anh Ngô Quang Hưng, vì những
chia sẻ nhiệt tình từ những kinh nghiệm quý báu của mình đã giúp em hồn thành
tốt luận văn này.
Cuối cùng và quan trọng nhất, gia đình ln là hậu phương vững chắc không
thể nào thay thế, con vô cùng biết ơn ba má và hai em. Cảm ơn ba má vì cơng lao
dưỡng dục, sự tin tưởng và cả những lời động viên đã thôi thúc con luôn cố gắng
thực hiện ước mơ của mình. Cảm ơn hai em vì những kỹ niệm đẹp mà chúng ta đã
có, cảm ơn đã luôn tin tưởng và dành mọi sự kính trọng đối với anh hai. Một lần
nữa, con xin cảm ơn gia đình mình đã ln tin tưởng và ủng hộ, cũng như tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để con có thể tự tin vững bước trên con đường mưu cầu tri
thức và khám phá ra những chân trời mới cho riêng mình.


iv
___________________________________________________________________
TP. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2023

Trịnh Đức Minh.


v
___________________________________________________________________
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Bố trí thiết bị buồng máy trên tàu thủy là giai đoạn mất nhiều thời gian, người
thiết kế phải xem xét đồng thời rất nhiều mục tiêu như: tối ưu chi phí nguyên vật
liệu (đường ống, kết cấu lắp đặt), hiệu quả sử dụng không gian. Trong khi đó
phương án thiết kế phải thỏa mãn đồng thời các ràng buộc kỹ thuật đặc thù, quy
phạm, và các yêu cầu từ chủ tàu (chẳng hạn như phải đảm bảo đủ khơng gian cho
việc vận hành, bảo trì các thiết bị trong buồng máy, đảm bảo có các lối đi lại thuận
lợi trong buồng máy…). Do đó, có nhiều công bố trong những thập kỷ qua đã giới

thiệu các cơng cụ hỗ trợ trong cả bố trí thiết bị buồng máy và bố trí chung tồn tàu.
Nhìn chung, các công cụ này được phát triển trên cơ sở đơn giản hóa khơng gian
thiết kế thành các hình học đơn giản (hình chữ nhật, hình trịn bao quanh khu vực
bố trí và các thiết bị tương ứng), thơng qua đó, việc xây dựng mơ hình tốn trở nên
đơn giản hơn. Sau đó, mơ hình tốn được xây dựng dựa trên 2 cách tiếp cận: (1) rời
rạc, lúc này vị trí của mỗi thiết bị sẽ được khảo sát trong một danh sách các vị trí
tiềm năng đã được định trước; (2) liên tục, lúc này vị trí của từng thiết bị sẽ được
khảo sát trên phạm vi toàn khu vực bố trí. Sau đó, các hàm mục tiêu, ràng buộc
được xây dựng trên cơ sở dữ liệu đầu vào được định nghĩa bởi người thiết kế. Có 2
cách tiếp cận phổ biến trong mơ tả dữ liệu đầu vào, đó là: (1) logic mờ (nhằm thuận
tiện trong biểu diễn các quan điểm không chắc chắn của chuyên gia trong quá trình
thiết kế); (2) biến số thực (đối với các dữ liệu đã được thống kê, ví dụ như chi phí
kết nối ống…). Sau đó, các cơng cụ tối ưu hóa được áp dụng để khảo sát nghiệm
dựa trên cơ sở tối ưu hóa các hàm mục tiêu trong mơ hình tốn được xây dựng.
Mặc dù đã có nhiều cơng bố giới thiệu các công cụ hỗ trợ thiết kế bố cục trên
tàu, với sự tích hợp của các mơ đun mã hóa dữ liệu mờ và các cơng cụ tối ưu hóa
nhằm tự động hóa q trình tạo các phương án thiết kế sơ bộ. Tuy nhiên, các công
bố hiện có vẫn cịn nhiều hạn chế trong thực tiễn kỹ thuật, chẳng hạn như bố trí thiết
bị trong một khơng gian hạn chế, với nhiều chướng ngại vật, phải tối ưu đồng thời
cả chi phí kết nối và hiệu quả sử dụng không gian, trong khi phải thỏa mãn đồng


vi
___________________________________________________________________
thời tất cả các ràng buộc về không gian dành cho vận hành-bảo trì và lối đi lại trong
buồng máy.
Do vậy, trong nghiên cứu này, học viên đề xuất một mơ hình tốn cho bài tốn
thiết kế bố cục, trong đó bổ sung thêm những ràng buộc cịn ít được quan tâm trong
các cơng bố hiện có, sau đó giải thuật Di truyền cùng một số giải thuật Heuristic
được đề xuất nhằm giải hiệu quả mơ hình tốn được hình thành. Tồn bộ mơ hình

được lập trình bằng ngơn ngữ Matlab thành một chương trình, nhằm kiểm chứng
mơ hình tốn và các giải thuật được hình thành thơng qua 4 thí nghiệm và 1 ví dụ áp
dụng. Trong đó, 4 thí nghiệm được tiến hành nhằm đánh giá khả năng tối ưu hóa
của mơ hình được xây dựng trên 4 tập dữ liệu đối chứng trong các công bố nổi tiếng
về vấn đề thiết kế bố cục, kết quả cho thấy mơ hình được đề xuất cho kết quả khá
tốt, cụ thể là vượt trội hơn hầu hết các kết quả đã công bố được sử dụng để so sánh
trong bài. Cuối cùng, 1 ví dụ áp dụng nhằm mơ tả khả năng ứng dụng của mơ hình
tốn và các giải thuật được xây dựng trong bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy. Kết
quả cho thấy với sự hỗ trợ của chương trình, các phương án bố trí được đề xuất
tương đồng, thậm chí là tốt hơn về giá trị hàm mục tiêu so với phương án bố trí sơ
bộ của một tàu khách (hoàn toàn theo kinh nghiệm của kỹ sư), trong khi vẫn đảm
bảo thỏa mãn tất cả các ràng buộc được đưa ra bởi nhóm kỹ sư có kinh nghiệm.


vii
___________________________________________________________________
ABSTRACT
Layout design of engine room equipment on ships is a time-consuming stage,
designers must consider many aspects simultaneously such as: optimizing material
costs (pipelines, foundation structures), and efficient Use of space. Meanwhile, the
design plan must simultaneously satisfy specific technical constraints, regulations,
and requirements from ship owners (such as ensuring enough space for the
operation and maintenance of equipment, ensuring that there are convenient
passages in the engine room, etc.). Consequently, there have been numerous
publications over the past decades that have introduced expert systems in both
engine room equipment arrangements and the general arrangement design of ships.
In general, these tools are developed based on simplifying the design space into
simple geometries (rectangles, circles surrounding the layout area, and
corresponding equipment), through which, modeling mathematical models becomes
simpler. Then, the mathematical model is modeled based on two common

approaches: (1) discrete, the position of each machine will be assigned in a
predefined list of potential locations; (2) continuously, at this time the location of
each machine can be placed anywhere throughout the layout area. Then, the
objective functions and constraints are formulated on the input database defined by
the designer. There are two common approaches in describing input data, which are:
(1) fuzzy logic (for convenience in representing uncertain opinions of experts in the
design process); (2) crisp score (for statistical data, such as pipe connection costs,
etc.). Then, the optimization tools are applied to solve the mathematical model
based on the optimization of the objective functions.
Although there have been many publications introducing algorithms to assist
engineers in the ship layout design process, with the integration of fuzzy data
decoding modules and optimization tools to automate the process of creating
alternatives in the preliminary design. However, the available algorithms still have
many limitations in technical practice, such as the arrangement of equipment in a


viii
___________________________________________________________________
limited space, with the presence of obstacles, and the need to simultaneously
optimize both connection costs and efficient use of space, while satisfying all space
constraints for operation-maintenance and aisles.
In this study, the author proposes a mathematical model for the layout design
problem, which adds constraints that are less interested in literature, then the
Genetic algorithm with some proposed Heuristic strategies to effectively solve the
formed mathematical model. The entire model is programmed in Matlab language
to verify the proposed mathematical model and the algorithms through 4
experiments and 1 application example. In which, 4 experiments were conducted to
evaluate the performance of the algorithms on 4 benchmark data sets in famous
publications on the layout design problem. The results show that the proposed
algorithms are superior to most of the published algorithms used for comparison in

this work. Finally, an application example is presented to describe the applicability
of mathematical models and algorithms in ship engine room layouts. The results
show that with the support of the program, the proposed layout options are similar,
or even better in objective function values than the preliminary design of a
passenger ship by engineer's experience while ensuring that all constraints are
satisfied.


ix
___________________________________________________________________
LỜI CAM KẾT
Tôi cam kết:
-

Đây là luận văn tốt nghiệp do chính tơi thực hiện.

-

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

-

Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này
đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết
của tơi.

TP. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2023
Học viên thực hiện


Trịnh Đức Minh


x
___________________________________________________________________
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. v
ABSTRACT .............................................................................................................vii
LỜI CAM KẾT .......................................................................................................... ix
MỤC LỤC

............................................................................................................... x

DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xvi
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................................xvii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề: ..................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 4
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 4
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................. 5
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU........................................ 6
2.1 Tình hình nghiên cứu liên quan đến bố trí thiết bị trên tàu thủy ................... 6
2.2 Những vấn đề tồn đọng và mục tiêu cụ thể trong nghiên cứu này .............. 11
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ CÁC GIẢI THUẬT ................. 12
3.1 Phương pháp tiếp cận trong xây dựng mơ hình tốn và phương pháp giải . 12
3.1.1 Phương pháp tiếp cận trong xây dựng mô hình tốn .......................... 12
3.1.2 Phương pháp giải ................................................................................. 13



xi
___________________________________________________________________
3.2 Hàm mục tiêu, các thông số ảnh hưởng và ràng buộc ................................. 19
3.2.1 Các tham số ảnh hưởng ....................................................................... 21
3.2.2 Biến số tối ưu ...................................................................................... 22
3.2.3 Hàm mục tiêu và các ràng buộc .......................................................... 22
3.2.4 Các ràng buộc ...................................................................................... 23
3.3 Biểu diễn và suy luận mức độ quan hệ giữa các thiết bị dựa trên tiếp cận
logic mờ ................................................................................................................. 25
3.4 Giải mơ hình tốn được xây dựng dựa trên giải thuật Di truyền ................. 27
3.4.1 Biểu diễn vector lời giải ...................................................................... 30
3.4.2 Cơ chế khởi tạo ngẫu nhiên không vi phạm ràng buộc được đề xuất . 32
3.4.3 Quá trình lai ghép (Crossover process) ............................................... 38
3.4.4 Quá trình đột biến (Mutation process) ................................................ 38
3.4.5 Giải thuật sửa chữa những cá thể vi phạm ràng buộc sau lai ghép, đột
biến

............................................................................................................. 39

3.5 Cơ chế duy trì những cá thể ưu tú (Elitism)................................................. 44
3.6 Mơ hình định tuyến các lối đi ...................................................................... 44
3.7 Kiểm chứng mơ hình tốn và giải thuật tối ưu ............................................ 52
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT TRONG BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG
MÁY TÀU THỦY .................................................................................................... 54
4.1 Kịch bản thiết kế .......................................................................................... 54
4.2 Một số kết quả khảo nghiệm các thông số vận hành công cụ ...................... 61
4.3 Một số kết quả bố trí tự động ....................................................................... 63



xii
___________________________________________________________________
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 68
5.1 Một số kết luận ............................................................................................. 68
5.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 70
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ............................................................ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 72
PHỤ LỤC

............................................................................................................. 82

1. Tổng hợp kết quả thí nghiệm với tỉ lệ ElitismRate thay đổi ................................. 82
2. Thử nghiệm và kiểm chứng mơ hình .................................................................... 83
2.1 Thí nghiệm 1 ................................................................................................... 83
2.2 Thí nghiệm 2 ................................................................................................... 85
2.3 Thí nghiệm 3 ................................................................................................... 86
2.4 Thí nghiệm 4 ................................................................................................... 87


xiii
___________________________________________________________________
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Thiết kế tàu theo vịng xoắn ốc được sử dụng ở nhày máy của Vuyk (Hà
Lan) [1] .......................................................................................................................1
Hình 1.2: Bản chất của vịng lặp thiết kế , Van Oers [2]. ...........................................2
Hình 1.3: Hai mơ hình khám phá giải pháp thiết kế điển hình [4] .............................4
Hình 1.4: Mơ tả ý tưởng hình thành cơng cụ hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy. ..........5
Hình 2.1: Bố trí buồng máy tàu thủy tối ưu các chi phí bảo trì [8]. ..........................10
Hình 2.2: Bố trí buồng máy tàu ngầm xem xét các mục tiêu tối ưu không gian, chi

phí kết nối giữa các thiết bị [12]. ..............................................................................10
Hình 2.3: Bố trí buồng máy tàu thủy xem xét mục tiêu tối ưu chi phí kết nối các
thiết bị [9] ..................................................................................................................10
Hình 2.4: Bố trí buồng máy tàu thủy xem xét các mục tiêu tối ưu khơng gian, chi
phí kết nối các thiết bị, các ràng buộc khơng gian bảo trì/an tồn, lối đi [1]. ...........10
Hình 3.1: Mơ hình tốn rời rạc (trái) và liên tục (phải) ............................................13
Hình 3.2: Biểu diễn thiết bị trong buồng máy tàu thủy.............................................20
Hình 3.3: Mơ tả trực quan cách hình thành các hàm mục tiêu tối ưu .......................23
Hình 3.4: Biểu diễn tập mờ và các hàm liên thuộc cho mức độ quan hệ giữa các
thiết bị ........................................................................................................................27
Hình 3.5: Lưu đồ vận hành Giải thuật 1....................................................................30
Hình 3.6: Biểu diễn vector lời giải trong giải thuật Di truyền (Nhiễm sắc thể/cá thể)
...................................................................................................................................31
Hình 3.7: Mơ tả trực quan cách tiếp cận trong xây dựng mơ hình tốn ...................32
Hình 3.8: Một số bố cục được khởi tạo ngẫu nhiên. .................................................33


xiv
___________________________________________________________________
Hình 3.9: Lưu đồ vận hành Giải thuật 2....................................................................34
Hình 3.10: Lưu đồ vận hành Giải thuật 3..................................................................36
Hình 3.11: Cách xác định phạm vi dịch chuyển trong Giải thuật 3 ..........................37
Hình 3.12: Một số bố cục được khởi tạo ngẫu nhiên khơng vi phạm ràng buộc
chồng lấn. ..................................................................................................................37
Hình 3.13: Mơ tả thủ tục lai ghép .............................................................................38
Hình 3.14: Xác định phạm vi di chuyển sau lai ghép-đột biến .................................40
Hình 3.15: Các phương án dịch chuyển sau lai ghép-đột biến. ................................41
Hình 3.16: Điều kiện di chuyển sau lai ghép-đột biến. .............................................41
Hình 3.17: Lưu đồ vận hành Giải thuật 4..................................................................43
Hình 3.18: Mạng định tuyến .....................................................................................45

Hình 3.19: Quy ước các phân đoạn đường dẫn .........................................................46
Hình 3.20: Mô tả các điều kiện khả thi của phân đoạn .............................................48
Hình 3.21: Lưu đồ vận hành Giải thuật 5..................................................................51
Hình 3.23: Đồ thị định tuyến lối thốt hiểm. ............................................................52
Hình 4.1: Hình chiếu bằng của một buồng máy tàu thủy. ........................................55
Hình 4.2: Biểu diễn thơng qua mơ hình tốn được xây dựng, giá trị hàm mục tiêu =
0.1199 ........................................................................................................................55
Hình 4.3: Đồ thị thống kê kết quả chạy thử trong thí nghiệm trên ...........................63
Hình 4.4: Tổng hợp các bố cục tốt nhất thu được trong 10 lần chạy thử..................66
Hình 4.5: Kết quả chạy thử với giá trị hàm mục tiêu tốt nhất...................................66


xv
___________________________________________________________________
Hình PL2-1 Bố cục tốt nhất cùng với đồ thị hội tụ ở lần chạy thử tương ứng thu
được từ thí nghiệm 1 .................................................................................................89
Hình PL2-2 Bố cục tốt nhất cùng với đồ thị hội tụ ở lần chạy thử tương ứng thu
được từ thí nghiệm 2 .................................................................................................89
Hình PL2-3 Bố cục tốt nhất cùng với đồ thị hội tụ ở lần chạy thử tương ứng thu
được từ thí nghiệm 3 .................................................................................................90
Hình PL2-4 Bố cục và tập giải pháp tối ưu Pareto thu được từ thí nghiệm 4...........91


xvi
___________________________________________________________________
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Tổng hợp các phương pháp giải và các ứng dụng phổ biến trong bài toán
FLP ............................................................................................................................17
Bảng 3.2: thang đo mức độ liên kết và hàm liên thuộc tương ứng ...........................26
Bảng 3.3: Các trường hợp dịch chuyển trong Giải thuật 2 .......................................35

Bảng 3.4: Các trường hợp tính tốn bước dịch chuyển trong Giải thuật 3 ...............36
Bảng 3.5: các trường hợp dịch chuyển trong Giải thuật 4 ........................................43
Bảng 3.6: Xác định các nút ảo trong phân đoạn tuyến dường dẫn ...........................47
Bảng 4.1: Kích thước các thiết bị buồng máy ...........................................................55
Bảng 4.2: Thông tin khoảng trống và tọa độ các điểm kết nối, tiếp cận...................56
Bảng 4.3: Cơ cấu ưu tiên của nhóm kỹ sư tại cơng ty Vard Vũng Tàu. ...................57
Bảng 4.4: Ma trận đánh giá của các kỹ sư ................................................................59
Bảng 4.5: Ma trận RM sau khi được giải mã dựa trên phương pháp CFCS .............59
Bảng 4.6: Một số kết quả khảo nghiệm nhằm chọn kích thước quần thể phù hợp
trong bài tốn bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy ......................................................62
Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả thống kê sau 10 lần chạy thử ứng với kích thước quần
thể Npop=400 và số thế hệ NGener=400, tất cả ràng buộc được áp dụng. ..............64
Bảng PL2-1: Bảng tổng hợp kết quả so sánh trong thí nghiệm 1 .............................85
Bảng PL2-2: So sánh kết quả trong thí nghiệm 2 .....................................................86
Bảng PL2-3: So sánh kết quả trong thí nghiệm 3 .....................................................87
Bảng PL2-4: so sánh mức độ cải thiện ở 2 giá trị hàm mục tiêu ở một bố cục điển
hình trong thí nghiệm 4. ............................................................................................88


xvii
___________________________________________________________________
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
CFCS
FBS
FLP
FMS
GA
MINLP
MIP

NSGA
P/D
PSO
QAP
RM
SA
TS
UA-FLP

Viết đầy đủ
Converting the Fuzzy Data
into Crisp Scores
Flexible Bay Structure
Facility Layout Problem
Flexible Manufacturing
System
Genetic Algorithm
Mixed Integer Nonlinear
Programming
Mixed Interger
Programming
Non-Dominated Sorting
Genetic Algorithm
Pick-up/Drop-off
Particle Swarm
Optimization
Quadratic Assignment
Problems
Relationship Matrix
Simulated Annealing

Tabu Search
Unequal Area Facility
Layout Problem

Nghĩa tiếng Việt
Chuyển dữ liệu mờ sang biến
số rõ (số thực)
Cấu trúc vịnh linh hoạt
Vấn đề bố trí cơ sở vật chất
Hệ thống sản xuất linh hoạt
Giải thuật Di Truyền
Quy hoạch phi tuyến
Quy hoạch tuyến tính
Giải thuật Di truyền sắp hạng
không vượt trội
Điểm tiếp nhận/ điểm trả vật
liệu
Thuật toán tối ưu bầy đàn
Gán bậc hai
Ma trận quan hệ
Thuật tốn mơ phỏng luyện
thép
Thuật tốn tìm kiếm Tabu
Vấn đề bố trí cơ sở vật chất với
các ơ có diện tích khơng đồng
đều


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 vịng xoắn ốc, như được mơ tả ở Hình 1.1. 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 vịng
lặp hiện tại để tính tốn 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 hồn thiện. Hình 1.2 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 khơng, nếu khơng thì
dừng lại và đưa ra quyết định cho thiết kế của mình, nếu cần thì ta sẽ bắt đầu một
vịng lặp mới.

Hình 1.1: 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 vịng 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 phịng máy ở giai đoạn thiết kế sơ bộ:
• Thơng gió
• Đường di chuyển

• Các lối thốt hiểm
• Khơng 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 khơng gian khơng 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 phịng máy. Thêm vào đó, cùng với


3
___________________________________________________________________
việc phân bổ khơng gian hợp lý cho phịng 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 phịng máy đóng vai trị quan trọng trong thiết kế tàu, tuy nhiên, q
trình này cịn 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 cơng 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 ln 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 cơng 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.
Hình 1.3 Cho thấy sự khác nhau giữa 2 mơ hình thiết kế- khám phá giải pháp
điển hình, Hình 1.3 bên trái là mơ hình khám phá tuần tự, kiểu này đã và đang được
áp dụng tại đa số các nhà máy hiện nay, và mơ hình thiết kế này thường dẫn đến gải
pháp cuối cùng khơng tối ưu. Hình 1.3 bên phải là mơ 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 cơng cụ hỗ trợ tạo thiết
kế tự động mang lại.

Hình 1.3: Hai mơ hình khám phá giải pháp thiết kế điển hình [4]
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.2.1 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. Cơng 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. Hình 1.4 trình bày sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của cơng
cụ hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy tàu thủy sẽ được hình thành trong nghiên cứu
này.



5
___________________________________________________________________

Hình 1.4: Mơ tả ý tưởng hình thành cơng cụ hỗ trợ bố trí thiết bị buồng máy.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu:
• Chỉ xem xét bố trí trên một mặt bằng.
• Các yêu cầu thiết kế quan trọng nhất là: Thơng gió, Đường di chuyển, các
lối thốt hiểm, Khơng gian bảo trì sẽ được xem xét.
• Các chi phí định tuyến đường ống, chi phí khai thác…khơng được định
lượng chính xác.


6
___________________________________________________________________
CHƯƠNG 2.

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 cơng trình nghiên cứu liên quan đến chủ đề xây dựng các mơ hình
tốn, 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 cơng cụ hỗ trợ bố trí chung, bố trí thiết bị trên tàu thủy, nhóm đã đề
xuất rằng, các cơng 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 mơ hình, mơ 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 mơ hình hóa máy móc và khơng 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 khơng 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 khơng
gian, chi phí ngun 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 mơ 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, mơ hình gồm các mô đun như giao điện
người dùng, mô đun đơn giản hóa thiết bị, mơ đun đánh giá giải pháp bố trí. Mơ
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…Mơ hình tự động đánh giá
các giải pháp bố trí bởi mơ đun đánh giá giải pháp, mơ hình này có thể dễ dàng mở
rộng và tích hợp mơ đun tối ưu hóa nhằm tự động hóa q trình tìm kiếm phương
án.