BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN THÁI DƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG ĐÀI BỜ MF TRONG HỆ THỐNG GMDSS VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn Tai Lieu Chat Luong PGS.TS Trần Xuân Việt HẢI PHÒNG – 2017 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Với đường bờ biển dài 3260 km, Việt Nam có vị trí địa lý trung tâm khu vực châu Á mắt xích quan trọng tuyến hàng hải huyết mạch thơng thương Ấn Độ Dương Thái Bình Dương, châu Âu Trung Cận Đông với Trung Quốc, Nhật Bản Đầu năm 80 kỷ trước, Việt Nam xây dựng mạng lưới đài bờ MF hệ thống thông tin cứu nạn an toàn hàng hải toàn cầu - GMDSS, đáp ứng công ước quốc tế phù hợp với điều kiện quốc gia Tuy nhiên, để có hệ thống GMDSS bảo đảm cung cấp tốt dịch vụ thông tin truyền thông cho người phương tiện hoạt động vùng biển, đảo; phục vụ công tác quản lý điều hành, phịng chống thiên tai, tìm kiếm, cứu nạn; an toàn, an ninh hàng hải, bảo vệ môi trường biển, thực không đơn giản Nhận thức tầm quan trọng vấn đề này, Chính phủ đưa nhiều sách nhằm bước quy hoạch, quy hoạch tối ưu hệ thống GMDSS phù hợp với điều kiện địa lý, trị, kinh tế - xã hội Việt Nam, đồng thời theo kịp xu hướng phát triển kinh tế công nghệ giới, định hướng phát triển Tổ chức Hàng hải Quốc tế - IMO Để có giải pháp quy hoạch mang tính tổng thể vậy, số vấn đề cần quan tâm nghiên cứu sau: Thứ nghiên cứu xác định sở pháp lý, khoa học thực tiễn cho việc thiết lập hệ thống GMDSS Thứ hai cần phải xây dựng sở liệu đài bờ hệ thống GMDSS Việt Nam cho phép quản lý, hoạch định chiến lược phát triển lâu dài bền vững Vấn đề quy hoạch, lộ trình quy hoạch tiến tới quy hoạch tối ưu mạng đài bờ theo mục tiêu như: số lượng đài sử dụng nhất; đài phân bố dọc theo vùng biển, đảo cho phạm vi vùng phủ (xếp chồng) phù hợp, tính tới sở hạ tầng sẵn có yếu tố kinh tế, quốc phịng an ninh, Tình hình nghiên cứu ngồi nước Một số tài liệu, cơng trình nghiên cứu khoa học nước liên quan đến chủ đề đề tài luận án công bố gần đây: Công ước, nghị quyết, hướng dẫn IMO: SOLAS, GMDSS manual, Resolution A.801 (19), GMDSS.1/Circ , Resolution A.804, Khuyến nghị ITU: Recommendation R P.368-9, Recommendation R P 372-11, R M.1467-1, Marcos Crego Gacía (2009) “Calculation of radio electrical coverage in MediumWave Frequencies” Universitat de Vic Technical Industrial Engineering Daniel Humire “MF Groundwave Propagation Modelling for Maritime Networks” 11/2008 Quyết định số 597/QĐ - TTg ngày 30/07/1997 Thủ tướng việc phê duyệt dự án khả thi đầu tư xây dựng hệ thống đài thông tin duyên hải đến năm 2000 định hướng sau năm 2000 Chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 1996-2000 (KC.10) Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: “Nghiên cứu ứng dụng định vị toàn cầu ngành Hàng hải Việt Nam” Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Trần Đắc Sửu - 1997 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu thiết lập hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam hệ thống thơng tin an tồn cứu nạn hàng hải toàn cầu (GMDSS)”, Trần Xuân Việt, 2000 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu đánh giá quy hoạch tổng thể hệ thống thông tin an toàn cứu nạn hàng hải toàn cầu (GMDSS)” Trương Thanh Bình, 2011 Trần Xuân Việt, “Cơ sở khoa học đánh giá kế hoạch tổng thể phát triển hệ thống GMDSS”, Tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải số 31 - 2012 Báo cáo cuối kỳ: “Quy hoạch phát triển hệ thống thông tin duyên hải đến năm 2020, định hướng đến năm 2030”, Cục hàng hải Việt Nam, Bộ giao thông vận tải, 2014 Nhận xét: Vấn đề quy hoạch, quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS đề cập mức độ tổng quan, đưa tiêu chuẩn, khuyến nghị Hệ thống GMDSS nói chung, mạng đài bờ MF nói riêng xây dựng, quy hoạch có tính đặc thù phù hợp với điều kiện kinh tế, địa lý trị nước Báo cáo dự án Marcos Crego Gacía trình bày việc ứng dụng phần mềm MATLAB với giao diện GUI (Graphical User Interface) tính tốn truyền lan sóng đất cho đài phát quảng bá Công cụ phần mềm Daniel Humire giải pháp ATDI phát triển nhằm hướng tới thị trường ứng dụng mô hình hóa mơi trường truyền sóng dải tần 30 MHz, lĩnh vực truyền thông dân qn Các cơng trình khoa học nước có liên quan đến đề tài có đề xuất, thử nghiệm hạn chế Cơ sở liệu mạng đài bờ chưa thống nhất, phương pháp tính tốn cự ly vùng thơng tin biển cịn thủ công rời rạc Các tham số kỹ thuật phương pháp tính tốn cự ly vùng biển A2 chưa xem xét, đánh giá đầy đủ sở khoa học Đặc biệt, giải pháp quy hoạch chưa thực khoa học thiếu tính thuyết phục Do vậy, đề tài thực nhằm bước khắc phục hạn chế nêu hướng tới giải pháp quy hoạch tối ưu cho hệ thống Mục đích nghiên cứu Quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mạng đài bờ MF Phạm vi nghiên cứu: Mạng đài MF hệ thống GMDSS Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết: Cơ sở khoa học thiết lập hệ thống GMDSS Phương pháp giải tích: Tính tốn xây dựng phần mềm hỗ trợ Phương pháp phân tích: Phân tích kinh nghiệm quốc gia khác Phương pháp mô phỏng: Để thử nghiệm, kiểm chứng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu sở pháp lý, khoa học, thực tiễn cho việc thiết lập hệ thống đề xuất giải pháp quy hoạch, quy hoạch tối ưu mạng đài MF hệ thống GMDSS Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: Luận án xây dựng sở liệu đài bờ MF, phần mềm quản lý quy hoạch, quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Giảỉ pháp đề xuất có tính mở, phát triển áp dụng cho vùng biển A2 khác Những đóng góp đề tài Trên sở sây dựng sở liệu chung vị trí đài bờ MF Việt Nam, kết hợp với thuật tốn hình học quy hoạch tổng qt, sử dụng thuật toán di truyền, luận án giải thành cơng mục đích nghiên cứu “Quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF Việt Nam”, với kết cụ thể, tin cậy kiểm chứng mô Nội dung luận án Luận án có bố cục gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận trình bày 122 trang, với chương, 10 bảng 62 hình vẽ minh họa Nội dung sau: Chương - Tổng quan mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Chương - Xây dựng sở liệu cho đài bờ MF Chương - Các giải pháp quy hoạch mạng đài bờ MF Chương - Quy hoạch tối ưu mạng đài MF sử dụng thuật toán di truyền CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐÀI BỜ MF TRONG HỆ THỐNG GMDSS VIỆT NAM 1.1 Giới thiệu hệ thống GMDSS 1.1.1 Chức thông tin hệ thống GMDSS 1.1.2 Hệ thống thông tin thành phần GMDSS 1.1.3 Vùng thông tin biển hệ thống GMDSS 1.2 Vấn đề quy hoạch hệ thống GMDSS 1.2.1 Về quy hoạch tổng thể hệ thống GMDSS 1.2.2 Quy hoạch hệ thổng GMDSS số nước điển hình 1.3 Quy hoạch hệ thống GMDSS Việt Nam 1.3.1 Về vấn đề quy hoạch 1.3.2 Hệ thống đài thông tin duyên hải Việt Nam 1.3.2.1 Mạng đài bờ VHF 1.3.2.2 Mạng đài bờ HF 1.3.2.3 Mạng đài bờ MF Việt Nam có kế hoạch phát triển hệ thống đài MF phủ tồn vùng biển A2 Theo cơng bố thơng tư GMDSS.1/Circ.18, hệ thống đài bờ MF Việt nam gồm 13 đài hoạt động Tất đài MF đăng ký đài có vùng phủ 200 hải lý Tuy nhiên điều kiện địa lý, kinh tế kế thừa lịch sử nên mạng đài MF tồn số vấn đề cần nghiên cứu để phát triển hồn thiện theo định hướng đến năm 2030 định số 1054/QĐ-TTg Việc bố trí đài chưa thật hợp lý, nhiều khu vực đài gần Ví dụ khoảng cách từ đài Hải Phịng đến đài Móng Cái 77 hải lý, đặt bốn đài bờ MF nên khoảng cách đài ngắn, từ 19 ÷ 45 hải lý Vùng phủ đài chồng lấn gây lãng phí Như vậy, cần có lựa chọn phân bố mạng đài bờ MF hợp lý Quan điểm phát triển hệ thống GMDSS Việt Nam tồn diện, có tính lịch sử, không cung cấp dịch vụ thông tin ngành hàng hải mà cịn cung cấp dịch vụ thơng tin phát triển kinh tế biển đảo; nhiệm vụ quốc phòng, an ninh, giữ vững chủ quyền Cùng với hướng khai thác triệt để dịch vụ thông tin vệ tinh thơng tin hàng hải, cần có kế hoạch phát triển hợp lý hệ thống đài thông tin duyên hải sử dụng phương thức thơng tin sóng mặt đất Việt Nam không cần quan tâm đến cung cấp dịch vụ thông tin cho vùng biển A4 Hệ thống đài bờ HF cung cấp dịch vụ thông tin kết hợp với INMARSAT cho vùng biển A3 cần trì hoạt động đài Hải Phịng đài Hồ Chí Minh Hệ thống đài bờ VHF trực canh vùng biển A1 quy hoạch hợp lý, với ý nghĩa đảm bảo thông tin cho vùng biển có mật độ tàu thuyền cao, cảng biển, luồng lạch đảo lớn Hệ thống đài bờ MF Việt Nam phủ sóng vùng biển A2 theo quy hoạch giai đoạn trước năm 2010 cần phân bố cách hợp lý Trên sở pháp lý kết phân tích đánh giá mạng đài bờ hệ thống GMDSS Việt Nam, hướng phát triển quy hoạch chủ yếu tập trung vào vùng biển A2 Vấn đề quy hoạch mạng đài bờ MF cần có đầy đủ sở khoa học phù hợp với định hướng Chính phủ Giải pháp quy hoạch, quy hoạch tối ưu cần xem xét có lộ trình thực Việt Nam cần tập trung phát triển quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF phù hợp điều kiện thực tế, tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế Như vậy, có điều kiện tập trung nâng cấp đài quy hoạch có đài dự phịng cần áp dụng tiêu chuẩn quốc gia 1.4 Kết luận chương Chương trình bày khái niệm hệ thống thông tin cứu nạn an tồn hàng hải tồn cầu Trong trọng đề cập tới chức thông tin hệ thống thành phần GMDSS Cũng chương này, vấn đề quy hoạch hệ thống GMDSS đề cập Để đưa giải pháp quy hoạch tổng thể cho hệ thống GMDSS nói chung hệ thống GMDSS Việt Nam nói riêng, vấn đề như: đặc điểm vùng biển Việt Nam, thực trạng hệ thống GMDSS Việt Nam, đặc biệt hệ thống đài bờ (VHF, MF, HF) nghiên cứu cách chi tiết Khi quy hoạch mạng lưới đài bờ MF, thông tin mặt đất vùng biển A2 xem sở tảng cho giải pháp quy hoạch Phương pháp tính tốn bán kính vùng biển A2 cho đài bờ MF tổ chức IMO quy định tiêu chuẩn áp dụng Liên minh viễn thông quốc tế ITU đưa khuyến nghị hướng dẫn thực cụ thể Tuy nhiên, việc tính tốn cịn thủ cơng rời rạc, có sử dụng hai phần mềm NOISEDAT GRWAVE ITU đề xuất Trong chương tiếp theo, tác giả tập trung nghiên cứu xây dựng phần mềm tích hợp kết tính tốn thủ cơng sử dụng phần mềm ITU đề xuất để xác định cự ly phủ sóng vùng biển A2 Xây dựng sở liệu chung cho đài bờ, từ kết đưa giải pháp quy hoạch, quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU CÁC ĐÀI BỜ MF 2.1 Tiêu chuẩn thiết lập vùng thông tin biển A2 Vùng biển A2 vùng biển nằm ngồi vùng A1 vịng trịn có bán kính R, tâm vị trí đặt ăng-ten thu đài bờ Bán kính R xác định cho đài bờ dựa khuyến nghị R P.368-9 R P.372-11 ITU cho thông tin liên lạc thoại đơn biên J3E với điều kiện tiêu chuẩn quy định bảng 2.1: Bảng Điều kiện tính bán kính vùng phủ R cho đài bờ MF Tần số 2182 kHz Băng thông kHz Phương thức truyền Sóng đất sóng Cơng suất phát đài tàu Hiệu suất anten đài tàu S/N (RF) 60W 25% 9dB (voice) 8dB (dưới Độ dự trữ Pha-đing suất đỉnh) 3dB Công suất khai thác Thời gian * ngày Mùa * công (*) Cần xác định khoảng thời gian mùa phù hợp với khu vực địa lý dựa mức độ tạp âm Cự ly thông tin vùng biển A2 cần phải thẩm định việc đo đạc cường độ điện trường thực tế Vùng biển A2 phải trực canh sóng trung tần số báo động cứu nạn số lượng đài bờ MF đảm bảo phủ tồn vùng biển ven bờ Cơ sở tính tốn cự ly phủ sóng vùng biển A2 vấn đề quy hoạch hệ thống GMDSS cần tuân thủ tiêu chuẩn IMO, khuyến nghị ITU phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam 2.2 Phương pháp tính bán kính vùng phủ R cho đài bờ MF 2.2.1 Đặc điểm truyền sóng MF 2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn cự ly vùng biển A2 Theo quy định điều IV/2.13 - SOLAS 74/88 phụ chương – nghị A.801 (19) IMO, bán kính vùng phủ R đài bờ MF phụ thuộc vào nhiều tham số: R = f (P, ht , hr ,σ, 𝜀′, EG) Với: - P: Vị trí đài bờ ht : độ cao anten đài tàu hr : độ cao anten đài bờ 𝜀 ′ : số điện môi tương đối mặt biển σ: độ dẫn điện mặt biển EG : cường độ trường tín hiệu tương đương Các tham số P, ht , hr , σ, 𝜀′ xác định dựa kết khảo sát Riêng cường độ trường tín hiệu tương đương EG cần tính tốn theo điều kiện nghị A.801 khuyến nghị ITU-R M.1467–1 với bước cụ thể sau: Bước 1: Tính cường độ trường tạp âm EN Khuyến nghị ITU-R P.372-12 phiên ITU phê chuẩn vào tháng 07 năm 2015 cung cấp số liệu tạp âm ảnh hưởng tới máy thu Tạp âm tín hiệu khơng mong muốn không cần thiết hệ thống thông tin, ln yếu tố hạn chế hiệu thông tin Đối với anten đơn cực ngắn (h R N1 Ma < R, chọn đài thứ nhất: T1 ≡ Ma Bước 2: Tiếp tục từ điểm T1 ≡ Ma, xác định khoảng cách từ Ma tới N1, N2, N3,… MaNb+1 > R, chọn vị trí trung gian thứ Nb; Từ điểm trung gian thứ Nb , tiến hành xác định khoảng cách từ Nb tới Ma+1, Ma+2, Ma+3,… NbMa+x+1 > R, chọn đài thứ hai: T2 ≡ Ma+x ; Lặp lại bước chọn đài thứ n: Tn ≡ Ma+m thỏa mãn điều kiện Ma+m Nq < R Nếu Ma+mMp< R đài Tn đài cuối cùng, ngược lại đài cuối Tn+1Mp Với điều kiện nêu, chứng minh số lượng đài bờ có bán kính R phủ toàn vùng biển A2 (miền xác định từ đường bờ “C” tới đường giới hạn “S”) n n+1 3.2.2 Xây dựng chương trình 14 Trên sở thuật toán đề xuất, phần mềm mơ xây dựng tích hợp vào phần mềm tính tốn cự ly phủ sóng vùng biển A2 Bộ sở liệu xây dựng có tính linh hoạt cho phép thêm, bớt hiệu chỉnh vị trí đài cách đơn giản Phần mềm cho phép quy hoạch tự động với bán kính R từ 100 ÷ 250 hải lý Thử nghiệm với R = 144 hải lý, giá trị trung bình kính phủ sóng 82 đài đề xuất, quy hoạch 09 đài (hình 3.5) Hình 3.5 Quy hoạch với bán kính thử nghiệm R = 144 hải lý Nhận xét Phần mềm quy hoạch hình học cho phép thực với giá trị bán kính khác Các trường hợp thử nghiệm cho thấy, với bán kính giả định đài có giá trị từ Rmin = 131 hải lý ÷ Rmax = 163 hải lý, số lượng đài quy hoạch thay đổi từ 08 ÷ 11 đài Trường hợp thử nghiệm với bán kính lớn R = 215 hải lý, cần 05 đài bố trí hợp lý phủ toàn vùng A2 3.3 Kết luận chương Phần mềm tính bán kính phủ sóng vùng biển A2 sở liệu đài bờ xây dựng chương Ngoài chức tra cứu thông tin đài bờ, sở liệu giúp cho việc quy hoạch mạng đài bờ MF tự động hóa, trực quan xác Chương nghiên cứu phương pháp quy hoạch hình học theo khoảng cách Hausdorff Phương pháp áp dụng cho vùng biển A2 lãnh thổ khác Trên sở thuật toán đề xuất, phần mềm tự động quy hoạch mạng đài MF cài đặt, tích hợp vào mềm tính tốn cự ly phủ sóng vùng biển A2 thử nghiệm, kiểm chứng mô Kết đề xuất thử nghiệm quy hoạch hình học đăng tải [CT5] 15 Tuy nhiên, giải pháp quy hoạch hình học đề xuất cịn nhiều hạn chế như: thừa nhận đài bờ bán kính phủ sóng, chưa tính tới yếu tố thực tế tồn đài hệ thống cũ, vị trí đặt đài xa bờ, mật độ tàu thuyền hoạt động, Để khắc phục hạn chế này, giải pháp quy hoạch tối ưu cần xem xét chương CHƯƠNG QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG ĐÀI BỜ MF SỬ DỤNG THUẬT TỐN DI TRUYỀN 4.1 Bài tốn quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF Các giải pháp đề xuất (chương 3) phần giải yêu cầu toán quy hoạch với mục tiêu ràng buộc định Tuy nhiên, để có hệ thống GMDSS bảo đảm cung cấp tốt dịch vụ thông tin cho người phương tiện hoạt động vùng biển, đảo; phục vụ công tác quản lý điều hành, phịng chống thiên tai, tìm kiếm, cứu nạn; an toàn, an ninh hàng hải, bảo vệ môi trường biển, đặc biệt phải phù hợp với điều kiện địa lý, trị, kinh tế - xã hội Việt Nam đồng thời theo kịp xu hướng phát triển kinh tế công nghệ giới, định hướng phát triển Tổ chức hàng hải quốc tế IMO vấn đề khơng phải đơn giản Khi đó, mục tiêu cho hệ thống tối ưu tập trung yếu tố: - Cung cấp tốt dịch vụ thông tin theo tiêu chuẩn Quốc tế Việt Nam - Phạm vi bao phủ tối đa - Số lượng đài tối thiểu - Có tính tới sử dụng hạ tầng sẵn có - Đảm bảo đồng với quy hoạch phát triển ngành hàng hải - Phù hợp định hướng phát triển mạng thơng tin truyền thơng quốc gia, Như vậy, tốn quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF xem toán tối ưu cho hàm nhiều biến: - Nếu coi số lượng đài biến (x1) hàm, x1 số nguyên khoảng: ≤ x1 ≤ 82 (số lượng đài tối thiểu tính theo phương pháp thao tác trực tiếp dựa khoảng cách hai đài liền kề quy hoạch hình học sử dụng khoảng cách Hausdorff số lượng đài tối đa 82 theo sở liệu vị trí đài MF vùng biển Việt Nam) - Nếu coi phạm vi phủ sóng đài biến (x2), khoảng giá trị x2: 50 ≤ x2 ≤ 163 hải lý (khoảng chồng lấn tối thiểu bán kính vùng phủ tối đa đài) Khi đó, 2 phạm vi phủ sóng tất đài: fw = ∑82 𝑥2𝑖 khoảng cách đài fd = √𝑅𝐴 − ℎ + √𝑅𝐵2 − ℎ2 , với RA, RB bán kính h độ rộng vùng phủ sóng xếp chồng hai đài liền kề - Nếu việc sử dụng đài có sẵn biến (x3), x3 số nguyên khoảng: ≤ x3 ≤ 13 ( mức kế thừa 13 đài có) 16 Có thể thấy rõ quan hệ biến khơng hồn tồn tuyến tính Thêm vào đó, sau đưa phương án quy hoạch phải hiệu chỉnh trường hợp cần bổ sung đài vùng biển có mật độ tàu thuyền lớn, hiệu chỉnh tham số đài vị trí đặt đài tìm khơng thực tế (mặt biển),… Vì vậy, để có lời giải tốt cho toán hàm đa biến, thuật toán tối ưu cần xem xét áp dụng 4.2 Các thuật toán tối ưu Các thuật toán tối ưu đa dạng, vấn đề quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF thống GMDSS Việt Nam ngồi khó khăn sở tốn học phải kể đến yếu tố thực tế Như đề cập, vấn đề quy hoạch tối ưu xem toán tối ưu hàm nhiều biến, có nhiều nghiệm thỏa mãn mục tiêu Thêm vào đó, q trình giải, ”vết giải” cần lưu trữ kế thừa qua lần thực thuật tốn Vì vậy, nghiên cứu sinh sử dụng thuật toán di truyền quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF 4.3 Quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF 4.3.1 Nguyên lý thuật toán di truyền (GA) 4.3.2 Quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF sử dụng thuật toán di truyền Như đề cập mục trước, hệ thống tối ưu theo GA với tiêu chí chính: phạm vi bao phủ tối đa, số lượng đài tối thiểu, tham số mục tiêu cho GA bao gồm: - Số đài sử dụng - Các đài phân bố theo bờ biển, đảo cho phạm vi vùng phủ (xếp chồng) phù hợp - Có tính tới đài có, bổ sung đài vùng biển có mật độ tàu thuyền, phương tiện hoạt động biển lớn - Đưa khuyến cáo hiệu chỉnh tham số đài vị trí đặt đài tìm khơng thực tế (mặt biển) Thuật toán di truyền cho toán quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam hình 4.1 17 Hình 4.1 Thuật toán di truyền cho toán tối ưu mạng đài bờ MF 4.3.2.1 Các bước thuật toán Bước 1: Nhập thông tin tham số đài: nhập liệu lấy từ sở liệu xây dựng, số đài khởi tạo 82 vị trí đài sở Bước 2: Khởi tạo ngẫu nhiên nhiễm sắc thể (vị trí đài) Mỗi nhiễm sắc thể bao gồm chuỗi 82 bit nhị phân, bit (1, 0) chuỗi thể có mặt hay khơng đài Bước 3: Tính tốn đối sánh với tham số mục tiêu theo hàm nhiều biến Bước 4: Lựa chọn nhiễm sắc thể phù hợp từ bước 3, thực Lai ghép Đột biến để kết tối ưu 4.3.2.2 Các tốn tử di truyền Các tham số: - Kích thước quần thể (popsize): trình bày bước 2, NST bao gồm 82 bit nhị phân, số NST có 282 NST Với tốn quy hoạch tối ưu mạng đài bờ, kích thước quần thể khởi tạo ban đầu 100 NST (nếu lấy nhiều dẫn tới tượng bùng nổ tổ hợp) - Xác suất lai ghép pc: NST quần thể có pc % hội chọn để thực lai ghép, toán xác suất lai ghép pc = 0.25 (25/100NST quần thể có hội 18 chọn để thực lai ghép) Từ 100 NST ban đầu, sau trình chọn lọc giữ lại 80 NST có độ thích nghi tốt nhất, bổ sung 20 NST mới, chọn 25/100 NST để thực lai ghép có 05/80 NST cũ lai ghép – tránh tình trạng có NST bổ sung lai ghép NST giữ lại có khả thích nghi cao tính bước chọn lọc trước đó) - Xác suất đột biến pm: pm % số GEN NST bị đột biến, toán xác suất đột biến pm = 0.01 (số NST quần thể s=100, số bit 1NST 82 số bit quần thể 8200, lấy pm = 0.01, số bit bị đột biến 82 – vừa với kích thước NST tiện cho q trình xử lí lập trình, thêm vào đó, thực tế sinh học: tỷ lệ đột biến nhỏ nhiều so với tỷ lệ lai ghép) Toán tử chọn lọc Xác suất lựa chọn nhiễm sắc thể (NST) vi tỷ lệ thuận với giá trị độ thích nghi nó, tính theo cơng thức: 𝑝𝑖 = 𝑓 (𝑣𝑖 ), 𝑖 = 1, … , 𝑝𝑜𝑝𝑠𝑖𝑧𝑒 𝐹 Trong đó: - popsize: kích thước quần thể - f(vi): giá trị thích nghi NST vi xác định theo hàm đa biến - F: tổng giá trị thích nghi quần thể Việc chọn lọc cá thể phụ thuộc vào vị trí xác suất qi NST: 𝑖 𝑞𝑖 = ∑ 𝑝𝑗 𝑗=1 Các NST quần thể xếp theo thứ tự giảm dần theo giá trị độ thích nghi Mỗi lần chọn lọc, tiến hành chọn 80% số NST tốt từ quần thể (80 NST) để chép (di truyền) tới quần thể Toán tử lại ghép Toán tử lại ghép nhằm tạo NST sở cặp NST bố - mẹ cách ghép đoạn GEN NST bố - mẹ lại với Toán tử lai ghép thực với xác suất pc Với tốn quy hoạch tối ưu mạng đài bờ dùng GA, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp lai ghép đa điểm Toán tử đột biến Đột biến tượng NST mang số đặc tính khơng có NST bố mẹ Toán tử đột biến thực với xác suất pm nhỏ nhiều so với xác suất lai ghép pc tự nhiên đột biến GEN thường xảy Trong tốn quy hoạch tối ưu mạng đài bờ, phương pháp đột biến sử dụng đột biến đảo ngược: chọn hai vị trí ngẫu nhiên NST sau thực nghịch đảo chuỗi GEN hai vị trí 4.3.2.1 Quy hoạch tổng quát 19 Trường hợp quy hoạch tổng qt, khơng tính tới đài bờ sẵn có, thử nghiệm với mức xếp chồng 50 hải lý Hình 4.2 Quy hoạch tổng quát với số lần lặp 20000 Thử nghiệm chương trình với số lần lặp : 10, 100, 1000, 5000, 10000, 20000 – kết cho số lượng đài tương ứng là: 29, 11, 08, 08, 08, 07 Hình 4.2 thể kết mơ cho danh sách đài vùng phủ sóng Nhận xét: Thử nghiệm với số lần lặp tăng dần, tương tự tiến hóa quy luật di truyền tự nhiên, kết quy hoạch hội tụ theo tiêu chí tốn tối ưu đặt ra; số lượng đài nhất, kế thừa sở hạ tầng sẵn có, diện tích bao phủ lớn nhất,… Thử nghiệm chương trình nhiều lần, số lần lặp đủ lớn 20000 vòng , phương án quy hoạch xuất quy luật hội tụ tiêu chí số lượng vị trí đặt đài Xuất hội tụ cục tương đối vùng biển sau: - Khu vực phía Bắc: Hải Phịng / Hịn Gai - Khu vực phía Nam: Vũng Tàu / Hồ Chí Minh - Khu vực miền Trung: Đà Nẵng / Nha Trang - Khu vực Tây Nam bộ: Mũi Cà Mau / TP Cà Mau Kết thử nghiệm sở để kế thừa đài sẵn có lựa chọn đặt vị trí đài khu vực mật độ tàu thuyền lớn nâng cao tính kinh tế hay vùng có u cầu thơng tin hàng hải phục vụ quốc phòng an ninh biển 4.3.2.2 Quy hoạch tính đến đài sẵn có 20 Hình 4.3 Quy hoạch kế thừa đài Mũi Cà Mau Trên sở kết thử nghiệm quy hoạch tổng quát, tiếp tục thử nghiệm quy hoạch kế thừa với số lần lặp ổn định 20000 sau: - Kế thừa đài Hải Phòng, kết thu được: 08 đài - Kế thừa đài Đà Nẵng, kết thu được: 07 đài - Kế thừa đài Hồ Chí Minh, kết thu được: 07 đài - Kế thừa đài Mũi Cà Mau, kết hình 4.3: 08 đài Phân tích kết quy hoạch kế thừa lựa chọn trước 01 đài nằm 04 nhóm hội tụ cục theo đánh giá quy hoạch tổng quát nhận thấy: phương án thử nghiệm đảm bảo tiêu chí tốn tối ưu đặt cho có hội tụ ÷ vị trí cịn lại 21 Hình 4.4 Quy hoạch kế thừa đài Hồ Chí Minh Mũi Cà Mau Tiếp tục thử nghiệm quy hoạch kế thừa với số lần lặp 20000, chọn trước 02 vị trí đài nằm nhóm hội tụ cục bộ, chương trình chạy cho kết danh sách vị trí đài nhiễm sắc thể tương ứng chọn sau: - Kế thừa đài Hải Phòng - Đà Nẵng thu kêt quả: 08 đài Kế thừa đài Hải Phịng - Hồ Chí Minh thu kết quả: 07 đài Kế thừa đài Đà Nẵng - Hồ Chí Minh thu kết quả: 07 đài Kế thừa đài Hải Phòng - Mũi Cà Mau thu kết quả: 08 đài Kế thừa đài Hồ Chí Minh - Mũi Cà Mau hình 4.4: 08 đài Phân tích kết quả, phương án thử nghiệm đảm bảo tiêu chí tốn tối ưu đặt có hội tụ ÷ vị trí cịn lại Thử nghiệm kế thừa đài nhóm hội tụ cục , kết sau: - Kế thừa đài Đà Nẵng - Hồ Chí Minh – Mũi Cà Mau, quy hoạch: đài - Kế thừa đài Hải Phòng - Đà Nẵng – Mũi Cà Mau, quy hoạch: 08 đài - Kế thừa đài Hải Phịng - Đà Nẵng - Hồ Chí Minh: quy hoạch danh sách đài vùng phủ sóng hình 4.5 22 Hình 4.5 Quy hoạch kế thừa đài Hải Phịng - Đà Nẵng - Hồ Chí Minh Nhận xét: Qua bước thử nghiệm trình bày cho thấy: phần mềm quy hoạch di truyền hồn tồn giúp cho việc quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF cách tổng quát dựa sở liệu xây dựng Mặt khác, sở phân tích thử nghiệm, xác định mức độ hội tụ cục tương đối để nâng cao tính định hướng cho tiêu chí như: tận dụng sở hạ tầng sẵn có, tăng cường thơng tin hàng hải cho khu vực có mật độ tàu thuyền lớn; tập trung cho vùng nước cảng biển có tiềm kinh tế cao; cung cấp thơng tin cho phục vụ an ninh quốc phịng; triển khai đài xa bờ nhằm mục đích bảo vệ tồn vẹn chủ quyền biển đảo vùng đặc quyền kinh tế Việt Nam 4.4 Kết luận chương Tối ưu hệ thống toán phức tạp, vấn đề quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF khó khăn sở tốn học cịn phải kể đến yếu tố thực tế tồn đài hệ thống cũ, vị trí đặt đài (bờ biển, đảo) mật độ tàu thuyền hoạt động vùng biển Các thuật toán tối ưu đa dạng, chương này, nghiên cứu sinh đề xuất xây dựng thành công phần mềm cho phép quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF dùng giải thuật di truyền Qua đó, trợ giúp cho nhà hoạch định vấn đề quy hoạch tối ưu mạng lưới đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Kết nghiên cứu chương đề xuất, thử nghiệm công bố [6], [8] 23 KẾT LUẬN Quy hoạch quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam vấn đề quan trọng mang tính thời Các giải pháp quy hoạch đề xuất khơng nằm ngồi mục đích xây dựng hệ thống GMDSS phù hợp với điều kiện địa lý, trị, kinh tế - xã hội Việt Nam đồng thời theo kịp xu hướng phát triển kinh tế công nghệ giới, định hướng phát triển Tổ chức hàng hải quốc tế Từ cơng trình nghiên cứu cơng bố tạp chí, kỷ yếu, hội thảo khoa học thuyết minh luận án cho thấy nội dung mục tiêu nghiên cứu đặt ban đầu hồn thành Các đóng góp khoa học luận án cụ thể sau: Xây dựng sở liệu thông tin chung cho mạng đài bờ MF Việt Nam Kết đăng tải cơng trình số (3) (4) danh mục cơng trình cơng bố tác giả Đề xuất thuật tốn hình học xây dựng phần mềm cho phép quy hoạch hiệu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Kết đăng tải công trình số (5) danh mục cơng trình cơng bố tác giả Quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam ứng dụng thuật toán di truyền Kết đăng cơng trình số (6) (8) danh mục cơng trình cơng bố tác giả Bộ sở đài nghiên cứu xây dựng mang tính tổng quan tính mở cao, phát triển thành CSDL dùng chung cho nhà quản lý, người dùng Các giải pháp quy hoạch, quy hoạch tối ưu mà luận án đạt hoàn toàn phù hợp với mục tiêu đặt ban đầu, xem khuyến nghị nhà hoạch định chiến lược vấn đề quy hoạch tối ưu mạng lưới đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Thái Dương Nghiên cứu quy hoạch hệ thống phối hợp tìm kiếm cứu nạn hàng hải vùng biển Việt Nam Tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải số 35, 2013 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt Cơ sở khoa học thiết lập hệ thống thông tin cứu nạn an toàn hàng hải toàn cầu Việt Nam Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ giao thông vận tải 2015 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt Xác định cự ly phủ sóng vô tuyến trung tần vùng biển A2 đài thông tin dun hải Hải Phịng Tạp chí giao thơng vận tải số 09, 2015 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt, ThS Cao Đức Hạnh, TS Nguyễn Trọng Đức Xây dựng phần mềm tính toán cự ly vùng biển A2 hệ thống GMDSS Việt Nam Tạp chí Khoa học – Cơng nghệ Hàng hải số 44, 2015 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt, ThS Cao Đức Hạnh, TS Nguyễn Trọng Đức Cơ sở toán học quy hoạch mạng lưới đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Tạp chí Giao thơng vận tải, tháng 03/2016 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt, ThS Cao Đức Hạnh, TS Nguyễn Trọng Đức.Quy hoạch tối ưu hệ thống đài thông tin duyên hải Việt Nam ứng dụng thuật tốn di truyền Tạp chí Khoa học – Công nghệ Hàng hải số 46, 2015 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt, ThS Cao Đức Hạnh, TS Nguyễn Trọng Đức Nghiên cứu quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF hệ thống GMDSS Việt Nam Hội nghị Quốc tế Khoa học Công nghệ Hàng hải 2016 Nguyễn Thái Dương, PGS.TS Nguyễn Cảnh Sơn, PGS.TS Trần Xuân Việt, ThS Cao Đức Hạnh, TS Nguyễn Trọng Đức Optimization Vietnam Coast Station System Using Genetic Algorithm The International Conference on Signal Processing, Telecommunications and Computing (SigTelCom2017) Accepted 25