MỞ ĐẦU 1. Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện nay, theo số liệu cục đường thủy nội địa năm 2019, ngành vận tải thủy Việt Nam đạt 250 triệu tấn/năm, trong đó riêng vận tải ven biển đã chiếm hơn 60 triệu tấn/năm. Với tổng khối lượng luân chuyển hàng hóa và quãng đường vận chuyển (tấn.km) cao nhất trong các phương thức vận tải hàng hóa, trong đó đội tàu vận tải container sông biển (SB) đã và đang góp phần thúc đẩy ngành vận tải đa phương thức logistic và chuỗi cung ứng, phát triển theo hướng hội nhập kinh tế giữa các vùng miền và quốc tế, phát huy tối đa điều kiện ven biển tự nhiên của Việt Nam. Ngày nay, vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả cho phương tiện thủy ngày càng mang tính cấp thiết vì liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu trong khai thác tàu và các yêu cầu bắt buộc của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) về giảm ô nhiễm môi trường và lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu.
Đối với các tàu chạy tuyến sông biển, mặc dù nằm ngoài đối tượng áp dụng các quy định trên, cũng cần thỏa mãn các quy định, nghị quyết, luật Việt Nam về mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. Chính vì vậy, bài toán nghiên cứu các giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đang là chủ đề có tính thời sự không những đối với đội tàu chạy chuyến quốc tế của Việt Nam nói chung mà còn đối với cả đội tàu SB nói riêng. Trong giai đoạn thiết kế, bài toán nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho tàu được giải quyết bằng việc tối ưu hóa thiết kế hình dáng thân tàu và hệ động lực của tàu, nhằm giảm sức cản thân tàu, tăng hiệu suất của chân vịt từ đó tiết kiệm được nhiên liệu cho tàu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho tàu cũng như góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam, tháng 7-2014, sau một thời gian chuẩn bị, Bộ Giao thông vận tải (GTVT) chính thức công bố mở ba tuyến vận tải ven biển.
Khi mới mở tuyến, số lượng tàu SB chỉ có vài chục chiếc, nhưng đến cuối tháng 12-2020, tổng số phương tiện đã tăng lên gần 2000 tàu nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng cao. Dự báo, trong thời gian tới, số lượng tàu SB còn tiếp tục tăng do Cục Ðăng kiểm Việt Nam đang thẩm định rất nhiều hồ sơ đăng ký đóng mới. Như vậy, có thể thấy đội tàu luan an 2 SB của Việt Nam đã và đang có sự phát triển rất nhanh về số lượng. Tuy nhiên, theo các đánh giá thì trong công tác thiết kế tàu SB nói chung và tàu container chạy tuyến SB còn tồn tại nhiều vấn đề như việc tối ưu hóa hình dáng thân tàu còn chưa được quan tâm đúng mức dẫn tới chưa có mẫu hình dáng thân tàu container chuẩn phù hợp với tuyến luồng SB Việt Nam.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán đề xuất hình dáng và xây dựng mô hình toán toàn tàu nói chung và mẫu tàu container SB nói riêng, có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng có tính khoa học và thực tiễn cao, làm phong phú các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan trong mảng thiết kế tàu. Do đó, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, NCS đã lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM”. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất mô hình toán cải tiến hình dáng tàu chở container trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm giảm lực cản tàu trên cơ sở có tính đến các điều kiện ràng buộc về tuyến luồng sông biển Việt Nam. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Phương tiện thủy container hoạt động trong vùng chịu ảnh hưởng bởi độ sâu tuyến luồng • Phạm vi nghiên cứu: xây dựng giải thuật tối ưu hình dáng dựa trên hàm mục tiêu sức cản và xây dựng hàm toán NUBS cho nhóm tàu container dưới 5000 tấn sau tối ưu, hoạt động phổ biến tại các tuyến luồng sông biển khu vực phía Nam.
Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thiết kế, kết hợp các công cụ tính toán số cụ thể như sau: • Nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp luận chung trong thiết kế tàu, tích phân số và biến đổi hình học hình dáng tàu • Nghiên cứu tính toán số: Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền (GA), thuật toán dựa trên các hàm toán xấp xỉ Non-Uniform B-spline (NUBS) cho tuyến hình tàu • Nghiên cứu ứng dụng: Đánh giá chất lượng tuyến hình dựa trên đặc tính trơn, liên tục và mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng luan an 3 5. Ý nghĩa khoa học-thực tiễn và tính mới • Ý nghĩa khoa học: Kết quả đạt được của luận án thông qua mô hình toán hình dáng tàu container là bước đầu quá trình tích hợp tự động hóa thiết kế hình dáng tàu vào các hướng nghiên cứu chuyên sâu trong mảng tính toán lưu chất và kết cấu tàu. • Ý nghĩa thực tiễn: o Kết quả tính toán là cơ sở để hỗ trợ các đơn vị tư vấn thiết kế có thể xây dựng và lựa chọn phương án đề xuất hình dáng mẫu tàu container phù hợp với điều kiện tuyến luồng khác nhau tại Việt Nam. o Kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác đào tạo trong nhà trường nói riêng và công tác nghiên cứu khoa học nói chung trong mảng thiết kế tàu.
• Những đóng góp mới của luận án: o Luận án đã tổng hợp, phân tích và lựa chọn được phương pháp tính toán lực cản tàu với độ tin cậy chấp nhận được trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, điều mà các đơn vị tư vấn thiết kế chưa có điều kiện thực hiện. o Luận án đã xây dựng thành công thuật giải tối ưu di truyền bằng ngôn ngữ Matlab, nhằm đề xuất các hệ số hình dáng và hoành độ tâm nổi phù hợp tàu container có xem xét ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng sông biển. Kết quả nhận được từ giải thuật tính toán là hoàn toàn đáng tin cậy. o Luận án đã xây dựng thành công mô hình toán cho hình dáng tàu sau tối ưu dưới dạng hàm NUBS.
Đây là mô hình toán hình học hiệu quả và có tính ứng dụng cao trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật, và có khả năng phục vụ các tính toán số trong các nghiên cứu chuyên sâu. o Chương trình tính toán là chương trình tổng hợp, có thể sử dụng là công cụ hỗ trợ đề xuất hình dáng tàu phù hợp và hoàn toàn có khả năng thương mại hóa. Kết quả của luận án là đề xuất tuyến hình tàu container hợp lý hơn trên cơ sở có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng, trong đó giải thuật tối ưu di truyền được xây dựng nhằm giảm luan an 4 sức cản, hướng đến tiết kiệm nhiên liệu và xây dựng mô hình toán tàu container sau tối ưu, thể hiện qua sơ đồ nghiên cứu sau. Sơ đồ nghiên cứu của luận án luan an 5 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM 1.
Tổng quan về tuyến vận tải thủy sông biển trong hệ thống vận tải đa phương thức 1.1 Vai trò, thực trạng vận tải thủy trên thế giới và tại Việt Nam Trong hệ thống vận tải đa phương thức, vận tải thủy (đường sông, đường biển) góp phần hiện thực hóa chiến lược biển của nhiều quốc gia, là nhân tố quan trọng của nền kinh tế. Từ năm 2000, sự đóng góp của các nước đang phát triển đối với vận tải thủy đã thay đổi, phản ánh vai trò ngày càng tăng trong xuất khẩu nguyên liệu thô, cũng như xuất nhập khẩu hàng hóa thành phẩm và bán thành phẩm. Năm 2019, theo số liệu thống kê từ tổ chức kinh tế thương mại thuộc hệ thống liên hợp quốc (UNCTAD) như trong bảng 1.1 tại [1], hoạt động khai thác vận tải thủy ở khu vực châu Á chiếm tỉ trọng lớn nhất trên thế giới, tập trung ở Trung Quốc và khu vực lân cận. Theo đó, xu hướng phát triển vận tải container đường thủy phục vụ các tuyến nội địa và biển sẽ có tiếp tục gia tăng tại khu vực Đông Nam Á trong tương lai được minh họa hình 1.1 Tỉ lệ phân bố vận tải thủy trên thế giới theo UNCTAD, 2019 Tỉ lệ phân bố Châu Á Châu Mỹ Châu Phi Châu Âu Châu Úc Xếp hàng, [%] 41 22 7 16 14 Dỡ hàng, [%] 61 14 5 19 1 Hình 1.1 Xu hướng vận tải thủy theo container trên thế giới và Đông Nam Á Với bờ biển dài, mật độ sông ngòi lớn, Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi để phát huy tối đa lợi thế vận tải thủy nội địa.
Khai thác tốt vận tải thủy nội địa sẽ mang lại hiệu quả cao về kinh tế, môi trường và an toàn giao thông, góp phần chủ đạo tạo luan an 6 nên hiệu quả hoạt động sản xuất và lưu thông trong chuỗi cung ứng. Năm 2016, chỉ tính số liệu từ cục đường thủy nội địa, vận chuyển bằng đường thủy nội địa chiếm hơn 17% thị phần toàn ngành giao thông vận tải, cao hơn so với bất kỳ quốc gia nào khác, ngoại trừ Hà Lan. Năm 2016, vận chuyển hàng hóa trên tuyến vận tải ven biển tăng trưởng 254% so với năm 2015. Về sản lượng hàng hóa thông qua cảng, vận tải container trong khoảng từ năm 2016 - 2018 mức tăng trưởng đạt 9%, chứng tỏ vai trò của đội tàu container tuyến sông biển đang ngày càng phát triển [2].
Đồng thời, tính chung về vận tải thủy nội địa và ven biển, theo số liệu thống kê từ Hội nghị Liên Hiệp Quốc về Thương mại và Phát triển 2019, Việt Nam có tỷ lệ đảm nhận vận chuyển hàng hóa trong nước cao hơn nhiều so với Trung Quốc, Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu [1], [3]. Trong đó, khối lượng vận tải container đạt khoảng 3,45 triệu TEU; khối lượng vận chuyển hàng hóa sông pha biển đạt khoảng 17,1 triệu tấn.