TELKOM NIKA , Vol.16, No .2, April 2018 , pp. 533~5 4 3   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v16i2.7753    533      Re cei v ed  No vem ber 7, 20 17; Re vised Janua ry 2 9 , 20 18; Accepted  February 17,  2018   Analyzing the Sea Weather Effects to the Ship  Maneuvering in Vietnam’s Sea from BinhThuan  Province to Ca Mau Province Based on   Fuzzy Control Method       Xuan-Kien Dang*, Le Anh - Ho ang Ho, Viet-Dung Do  Graduate Sc ho ol of Ho Ch i Mi nh Cit y Un ivers i t y  of T r ansport   Number 2, D3  street, W a rd 25, Binh T hanh  Disctrict, HoCh iMinh C i t y , Vi et Nam  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : dang xua n kie n @hcmutr ans. edu.vn       A b st r a ct     Vietna m  is l o cated  in th e tr opic a l  monso o n  cli m ate, so   there  are  man y  storms  affec t ing th e  mar i ne  envir o n ment eac h year. How e ver,  Vietna m’ s se a also h a s di stinct characte ristics due to  the   contin enta l  she l f factors, salini t y,  sea currents and viscosity  w a ter.  In th is  pap er, the sea w eather effects to  the shi p  i n  the  sea ar ea fro m  BinhT h u a n  pr ovinc e  to  C a   Mau pr ovinc e   are a naly z e d .  Specific ally, w a ve,   w i nd and curr e n t w h ich are the three  ma in  factors affect ing the safety of ship are thor o ugh ly exa m i n e d .    Import antly, th e survey  para m eters  hav e b een  bui lt fr om the actua l  op eratin g env iro n m e n t. In add iti on,   m a intaini ng t h e stability  of  dy nam i c  pos itioni ng system in  V i etnam w eather conditions   is  the m a in point of  this study.    Ke y w ords :  Ac tual operating env ir onm e nt,  Dynam i c  positioning syst em ,  Sea  c u rrents, Tropical m o ns oon  cli m ate, W eath e r cond itions       Copy right  ©  2018 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Maintaining the stability is  important  for fishing vessel  because of its operating  cha r a c t e ri st ic s a n d  si ze.  S pecif i c ally ,  it   can  en su re  t h at  t he f i shing   v e ss els  a r e  n o t  ca psi z e d  a nd  can  create fa vorable  co ndi tions fo r the  cre w  to  wo rk safely when  enga ging i n   fishing [1 -2].  In  addition, fishi ng tech niqu e s  by tra w l or fin mesh  pl ay a very important role i n  stablin g sh ip  positio n an d  deci s io n success of n e ts.  Due to   the tropical mo nso on  climate of  Vietnam' s   sea  area, m any  storms affectin g the fishing  environ ment  every year le ad to  sea goi ng conditio n s of  contin uou s m o vement [3]. I n  real  con d itions,  with  an  i m pact  of the   vibration, it i s  very difficult  for  the fishi ng v e ssel s to b e  keft movin g  in a  straigh t  dire ction. A l so,  whe n  o peratin g in  the  particula r we ather  co nditio n s, for examp l e win d  o r   sto r m, it is  easy for the fi shing vessel to go  in  a wro ng direction espe ciall y  when the sea su rf ace ch ange s bea ca use  ship sta b ility is influence d   by chan ge s in ship  stru ctu r e pa ramete rs or  sea  cha r acteri stics a s   sho w n in Fig u re 1.           Figure 1. A new ki nd of a fishin g vessel i n  Vietnam’s  sea   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 16, No . 2, April 2018 :  533 – 543   534 This p ape r ai ms to analy z e the impa cts of Vi etnam sea environme n t from Binh  Thuan  provin ce  to Ca M au p r ovince to  mai n tain sta b ility of vessel p o s ition  whe n  e ngagi ng in fi shing. Th e ma in   environ menta l  impact co mpone nts in clud e wave ,  wind and  current su rve y ed with sp ecific  cha r a c teri stics  of weath e r con d ition s   in Vietnam's  wa ters. In  additi on, moving  trains in traje c tory  in the abn ormal we ather  con d ition s  of the ope rati ng  environm ent  is a matter o f  con c ern in thi s   study.      2. T y pical effects o f  Vietn a m's marine  env i ronment  Storms and  tropical d epression  u s ually  o c cur from  Ma y to Novem b er; fo cu s on   July and  Septembe r. Meteorology weath e r at  se a in recent years h a s  bee n  very compli cated. E s pe ci ally  storm s , tropi cal de pre s sion  is i n crea sin g  in n u mbe r ,  seriou sn ess  a nd  cau s in g  seriou s  dam a g e   to fishing bo a t s [7]. In this  study, the re sea r ch  group  analyze d  the  impact of the environ men t al  con d ition s  of Vietnam se a area from  Binh Thuan  province to Ca Mau province in clud ing   element s  su ch as wave, wind an d  curre n t, which  a r e  the no nline a rity has the  stronge st imp a c t  on the  safety of the o p e r ating  shi p  [ 2 ]. The  wav e , win d  a n d  cu rrent p a rameters  are  built   according to  the Vietnam environ ment  con d ition  that  is cha nge  a b le by the monsoon  clima t e.  Based  on Vie t nam Building  Cod e  Natu ra l Physical   an d Climati c  Da ta for Co nst r u c tion(QCX D V N   02:200 8/BXD)to find out wind spe ed an d wave heig h t   which affect ing to the vessel into actu al  operating case, are illust rat ed in Figu re 2  and Figu re 3 .           Figure 2. Status of Wave,  Wind a nd Curr ent of Vietna m’s Sea in Augu st 2017           Figure 3. Status of Wave,  Wind a nd Current  of Vietna m’s Sea in Septembe r 20 17     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis the  Sea Weather  Effects to the sh ip Maneuvering in Vietnam ' s ... (Xuan Kien Dang)  535 2.1. Wav e  surfac e contru ction model   Oce an  wave s a r e  physi cal phe nom en a that o c cur in the  wate r layer ne ar  the sea   surfa c e. T he  velocity of wa ve depe nds  o n  the c han ge  in dra g , the  decrea s e i n  p e rform a n c e a s   well a s  the i n crea sed  ma neuverability. The res earch gro up u s e d  mathem atical  wave mo del   introdu ce d by  Ho LAH [1 1] for modeli n g  the wa ve su rface co ntru ct ion  and determine  the  wave  height which affected the system stablin g ship p o sitio n  as in the eq uation (1 ).       , ,  2  , ∆ ∆            (1)       In that, wave amplitude  aqr z  is given by equ ation (2 ).     2  , ∆ ∆   (2)     Whe r e ∆ and  ∆ repre s e n ts o ne the h a rmonic  wave  amplitude, , ,  and   rep r e s ent s di rectio n, frequ ency, pha se  angle a nd wa ve spe c trum.  The ph ase  a ngle of all wa ve   comp one nts is  between  0  and  2 . In  the Earth-fixed  coo r din a te system, the surface in th e  c o or d i na te    ,  is given by equ ation(3 ) .      , ,            (3)       Whe r e  2 /  is the wave  nu mber,  is the  wave len g th, the disp ersion  relatio n    with   is the a c celeration of gravity. The  to tal surfa c e elevation of wave com p o nents  at coordi nate   , and time    for  freque nce s  and  direction is illustrat ed in Figure 4 b y   usin g Matlab.           Figure 4. Simulation Result of a Torseth auge n Spect r um      2.2. Wind co ntruc t ion mo del  The spee d, wind di re ctio n depe nd s o n  the location and p r e s sure differen c e of the  atmosp he re. Ho wever, in  each geog ra phic regio n   on earth, the wind ha s its  own  cha r a c te ristic  rule. The  win d  spe ed [11]  whi c h takes  a n  effect on th e vessel is  d e fined a s   V w  and  w b  the win d   dire ction i s  m odele d  by the slo w  varia b l e quantit ie s. The force of  the wind i n  surge,  sway and  yaw moveme nt is illustrate d acco rding t o  wind p o we r regul ations i n  Vietnam an d is de scrib e d  in  the equatio n (4).        ,  ,  (4)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 16, No . 2, April 2018 :  533 – 543   536 Whe r e:   ,    and  a r e the windfo r ce s actin g  on the vessel can be expre s sed   as Equatio n 5 :      0 . 5   0.5  0 . 5  (5)   whe r e and  are  the  traction,  is a moment coefficient,  is  the density of  air,  ,    are   are a s of ichn ography,   is the  overall  length of the   vessel,  is  the  wind sp eed a nd  i s  t he  wind di re ction  that effect on the vessel a r e defined a s :             (6)       2.3. Curren t   model  Curre n t is continuo us o r i entation mov e m ent of the sea int o  the ocean.  Curre n t  gene rated  by  forces  actin g  like  earth 's  magneti c  fi el d, wind, tem p eratu r e, salt salinity, and m oon  gravity.Assu me that the  current is con s tant in  both  dire ction  and  amplitud e, so that the  cu rrent   rate  and the  dire ction  are modele d  as t he slo w  varia b le paramete r s in the ea rt h axis. The   c u rrent veloc i ty relative to  ves s el c o ordinat es i s  intro duced by Fossen [4] as e q uation(7).              , ,0    (7)   Whe r e , are a ngula r  comp onent s affect ed by low freque ncy an d  high freq ue ncy  quantitie s,  an d  are comp on ents of the cu rre nt velocity.      3. The mathe m atical mod e l of the s y stem stabling  ship’s positi on  The mod e l system  stabli ng shi p ’s p o s iti ona ccordin g  to three d egre e s of freedom   inclu d ing  surge, sway and  yaw [4], which are sho w ed  in Figure 5.           Figure 5. Defi nition of the Earth-Fix ed an d the Ship-Fi x ed Referen c e Fram es      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis the  Sea Weather  Effects to the sh ip Maneuvering in Vietnam ' s ... (Xuan Kien Dang)  537 The po sition  ,  and hea din g    of the ship  in the absol ute coo r din a te systema r e   expre s sed in  the vector  , , . The vector , ,  rep r es ent s  su rge  v e locit y , s w ay   veloc i ty  and y a w   of the shi p  on the  body -fixed fram e [5 ]. Model rep r esentation  of the dynam i c   positio ning  system with three deg ree s  o f  freedom,  na mely, surg e, sway, yaw an d external force   acting i s  sh o w n in eq uatio ns (8 )-(9 ).         (8)          (9)     The rotation matrix  , the inertia matrix and the dampin g  matrix  are g i ven by     0   0 00 1 (10 )     00 0   0   (11 )     00 0   0     Whe r e  is a  shipmass,  is the mom ent  of iner tia a b out the bo dy-fixed  -ax i s,    rep r e s ent s the lcation  of  in  -axis di re cti on,  is velo city compo nent  at mid-ship. The ine r tia   quantitie s are  expresse d a s  follows:     ≜   , ≜   , ≜   , ≜   , ≜   (12 )     In most DP application s ,   is the dampin g  matrix and   is the inertia matrix including  adde d ma ss effects, whi c h i s  symm etric a nd p o s itive definit e. Ho wever,  for low  sp eed  appli c ation s  the dam ping  matrix has  . The force  co mpone nts an d moment s  of linear  decli ne are gi ven by equati on (13 ) :     ≜   , ≜   , ≜  , ≜  , ≜   (13 )   The cont rol vector  prod uced by propell e r and th ru st er system s. Vector   represents  the imp a ct fo rce s  from  envi r onm entalfa ctors,  in cludi ng   wave,   wi nd a nd cu rre nt co mpone nt  effe ct  on the vessel  follows:      , , (14 )      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 16, No . 2, April 2018 :  533 – 543   538 4.    S i mulation Results and Remark  4.1. PID controller design    The PID  cont rolle r p a rame ters sho w n i n  eq uation  (1 5)  are   con s tructed  ba se   with the   Ziegle r -Nicho ls meth od a s  sho w n in  Figure 6. Co mpared to t he coefficie n t s in [11], th us  corre c ting the  optimal cont rol coeffici ent with  the dyna mic structu r e  of the fishing  ship.                (15 )   Whe r e: , and  are the controll er gain s  with   6 ,6 ,6 ,  10 ,10 , 150   and   9 ,9 ,9 .             Figure 6. PID Controll er Schematic fo r Stabling Ship’ s  Position       4.2. Fuzzy  controller de s i gn   In oder to re duce nonlin e a r ch aracte ri stics of  the dynamic po siti oning  system  that are  cau s e d  by unexpe cted ef fects from Bi nh Thua n  province to Ca  Mau provin ce waters. We   con s id ers the fuzzy contro ller has a do uble-i nput s e , de /dt , and  sin g le-o utput  τ  as shown in   Figure 7.          Figure 7. Fuzzy Cont rolle r Schem atic for Stablingshi p’ s Position       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis the  Sea Weather  Effects to the sh ip Maneuvering in Vietnam ' s ... (Xuan Kien Dang)  539 The  pro c e ss of fu zzy i n feren c e   syste m  is conn ect ed  with m e m bership  fun c ti ons, fu zzy lo gic  operators, an d if-then  rule s. In this  pa per, u s ing  T a ka gi-sug eno  fuzzy infe re nce  method,  the   membe r ship functio n  coll ections are set  as bel ow:     e    ∶ NE NS ZE PS PO   de /dt ∶ NS ZE PS   τ    ∶ NE NSS N S ZE PS  PSS P O     The fuzzy rul e s a r e u s ing  same  as in T able 1. In ord e r to de sign  a  Taka gi-sug e no fuzzy  logic  with a  comp act rule  base, the  rule notation  form within  B  is a bina ry variable tha t   determi ne s the con s e que n c e of the rule  given as follo w:    R : If    e  is  A  ……… .and  e  is  A   then   u   is B ,    whe r e   ,  ,…   and   are fu zzy set s . By usin g th e Max-Prod i n feren c e  rul e , the sin g leton   fuzzifie r  and t he ce nter ave r age d defu zzi fier.T he fuzzy  output can b e  expre s sed  as bell o ws:     u  ∑ θ   ∏ μ  e   ∑ ∏ μ e    θ φ e   (16 )     For  μ  e  is the fu zzy memb ership function,  h   is the total number of If-Th en rule s,  θ    is the point at which  μ θ   1  and  φ e  φ ,φ ,…,φ ∈R is the fuzzy basi s  vector  wi th    φ  is defined a s :  φ e  ∏ μ  e   ∑ ∏ μ e      (17 )     In fact, environmental im pact s  often  make th e co ntrol si gnal t o  be e rro ne ous th at  cau s e d  by the cha nge of  obje c t dyna mic ch arac te ristic. If the controlle r do es not cover the   control erro r, the quality control is n o t  high.  The  automatic tu ning con c ept s of the fuzzy  controlle r is d eployed in  co rre sp ondi ng to the input  e r ror. Th ere b y, the cont rol e rro r is  red u ce d  as well as the  control g oal is maintain ed.  The  membe r ship fun c tion s describ e the s e input/outp u t  cha r a c teri stics of the vessel transl a tion  motion as a d e tail in Figure  8.                Figure 8. The  membershi p functio n s of error in put e t , velo c i ty of error  de/dt  and impa ct force  τ .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 16, No . 2, April 2018 :  533 – 543   540 The fuzzy co ntrol rule s are a context function s  that  combine  prefix  state varia b l e s to the  pro c e s s cont rol va riabl es.  Com p o s ition  law an d inf e ren c e  me ch anism  of fu zzy relation  a r e  sho w n in Ta b l e 1.      Table 1. The  synthe sis of compo s ition la w  / /   de/dt   NS ZE  PS  et   NE  NE /N E /N E   NSS /N S S /NSS   NS /N S /NS   NS  NSS /N S S /NSS   NS /N S /NS   ZE /Z E /Z E   ZE  NS /N S /NS   ZE /Z E /Z E   PS /P S /P S   PS  ZE /Z E /Z E   PS /P S /P S   PSS /P S S /P SS   PO  PS /P S /P S   PSS /P S S /P SS   PO /P O /P O       4.3. Simulation parame te rs  The stru ctural   paramete r s  of fishing ve ssel s a r e  sho w ed i n  Ta ble  2. The resea r ch g r o up  has  simulate d adverse e ffects with d e tailedp aram eters fo r ea ch of the compon ents  as  follows:wave effect  model are 0 . 8 , 0 / ,  3 0 , 2 , 20, 10, 3, 0. 005 and  0 ; wind eff e ct mod e l 2 . 4 ,  9 . 3 4 , 2 / an d 2 0 ; c u rrent  effec t 2 / ,  0  and 3 0 .       Table 2. The  stru ctural par ameters of fishing vessel s  DESCRIPTI O N  DIMENSION   Length overall (L MAX)  30.8 m   Length bet ween  perpendiculars ( L PP)  27.8 m   Beam (B)   7.5 m  Design draft (d )   2.7 m  Main machine(N _e)   820 HP        5. 02424 0 0 0 2 .72295 4.39336 0 4.39336 4 .18948      5 . 31226 0 0 0 8 .28316 0 0 0 3.74549       4.4. Results and An aly s is  To evaluate t he pe rform a n c e a nd the  st ability  of the prop osed fu zzy co ntrol m e thod, we  comp ared the  PID control method [11]  and ou r fuzz y  control pro p o se d metho d  in the simul a tion.  The sim u latio n  re sults in  case of id eal  con d ition s  of the sea  (sma ll environm en tal impact), t he  positio n of th e shi p  is  ke pt stable, p r e c i s ely w hen t r a v erse d in eith er the  dire cti on an d surg e  or  yaw in  both  method  usi n g  the PID  co ntrolle r an d fu zzy  controll er as sh own   in Figure  9. Wh en   c o ns ide r ed  in te r m s  o f  ac tua l  e ffe c t s  un de r  th e   influe n c e of un want ed effects, th e positio n of the   ship i s  n o  longe r sta b le  and flu c tuat es g r ad ually  with varyin g amplitud e. In addition,  the  maneuve r ing  of a given tra j ectory i s  al so unli k el y to occur  be cau s e the angl e e rro r of deviati on   and th e di re ction of m o ve ment i s   relati vely large.  T he  simulatio n  re sult s a r e  shown in  Fig u r e  9   and Figu re 1 0 .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis the  Sea Weather  Effects to the sh ip Maneuvering in Vietnam ' s ... (Xuan Kien Dang)  541      Figure 9. The  system outp u ts X, Y, Psi in ca se  of the effect of smal l environm ent al impact    (Level 1 )             Figure 10. Th e outputs  X, Y, Ps i  of the  simulatio n  in ca se of und er the effect of  big  environ menta l  impact (L evel 5)      Finally, we co nsid er the  si mulation resu lts of  the ship  maneuve r ing  of a given trajecto ry  unde r th e eff e ct of  big  env ironm ental i m pact  (L evel  5 )  sh owed  in  Fi gure  1 1  a nd  Figure 1 2 .   T h e   system i s  st able in  ca se of usin g  fuzzy  control  method, b u t the po sition is b e co mes  una cceptabl e  in ca se of using Do.et,al  method [11 ]. These re sult s sho w  that the pro p o s ed f u zzy  method can eliminate the effect of  of big environm en tal impact (Le v el 5) event whe n  the shi p  is  operating in d i fficulty rating sea  con d ition s  in Vietnam.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA  Vol. 16, No . 2, April 2018 :  533 – 543   542       Figure 11. PID co ntrol for  ship ma neuv ering of  a giv en traje c tory  unde r the effect of big  environ menta l  impact (L evel 5)          Figure 12. Fu zzy control for ship m ane u v ering of  a gi ven trajecto ry  under the eff e ct of big  environ menta l  impact (L evel 5)        5. Conclusio n   In this  pap er,  we  an alyze   environ menta l  facto r s influ enci ng th e m o vement of  the  ship   with the  we ather  ch ara c te ristics fro m  Bi nh Th uan  province to  Ca  Mau  provin ce se a a r ea.  The  ship m ane uvering  process followin g  the  traject o ry  un der the  effect  of big enviro n mental im pa ct  is  controll ed su ccessfully by  t he pro p o s ed fuzzy cont rolle r. The  si mulation  re su lts sh ow th at our   approa ch p r o v ides b e tter p e rform a n c e  a nd can  be  su ccessfully ap plied in  practi cal e ngin eeri n g   whe n  faci ng  with some  ship  co ntrol  probl em s rel a ted to environmental  disturban ce s. T h e   achi eved  re sults a r e  mo re  limited  wh en  the  ship   mov e s i n   real  we ather conditio n s  and  the r ef ore  there is a n e e d  for future re sea r ch with hi gher  req u ire m ents for q u a lity control.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.