Nghiên Cứu Ứng Dụng Giải Thuật Tối Ưu Trong Lập Kế Hoạch Xếp Hàng Tàu Container

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ứng dụng một số giải thuật tối ưu để lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu container, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hà Nam
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Giải Thuật Tối Ưu Lập Kế Hoạch Xếp Hàng Tàu Container
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm cơ bản. Một số phương hướng tối ưu hoạt động cảng biển
• 1.2. Phương hướng đề xuất và nghiên cứu trong luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về lập kế hoạch xếp hàng cho tàu Container
• 2.2. Lập kế hoạch xếp hàng cho tàu Container. Tiêu chí đánh giá. Một số giải thuật tối ưu ứng dụng trong lập kế hoạch xếp hàng. Một số thuật toán tối ưu
• 2.3. Kết chương
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT TỐI ƯU LẬP KẾ HOẠCH XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG LÊN TÀU CONTAINER
• 3.1. Mô hình tổng quan
• 3.2. Mô hình Quy hoạch nguyên (Integer programming model)
• 3.3. Lập kế hoạch vị trí sử dụng giải thuật di truyền. Thực nghiệm và phân tích kết quả
• 3.4. Cấu hình hệ thống. Kết quả thực nghiệm
• 3.5. Kết chương
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giải Thuật Tối Ưu Lập Kế Hoạch Xếp Hàng Tàu Container

Giải thuật tối ưu lập kế hoạch xếp hàng tàu container là một lĩnh vực quan trọng trong quản lý logistics. Việc tối ưu hóa quy trình này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của cảng biển. Trong bối cảnh toàn cầu hóa, nhu cầu vận chuyển hàng hóa qua đường biển ngày càng tăng, đòi hỏi các cảng biển phải áp dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến để cải thiện quy trình xếp hàng.

1.1. Khái niệm về lập kế hoạch xếp hàng tàu Container

Lập kế hoạch xếp hàng tàu container (MBPP) là quá trình xác định cách xếp các container vào các vị trí trên tàu. Điều này bao gồm việc xem xét các yếu tố như trọng lượng, kích thước và loại container để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của giải thuật tối ưu trong logistics

Giải thuật tối ưu giúp giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình xếp hàng. Việc áp dụng các giải thuật này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho tàu và hàng hóa.

II. Vấn đề và Thách thức trong Lập Kế Hoạch Xếp Hàng Tàu Container

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ, việc lập kế hoạch xếp hàng tàu container vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như sự mất cân bằng trọng lượng, thời gian xếp dỡ lâu và chi phí cao vẫn tồn tại. Những thách thức này cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả hoạt động của cảng.

2.1. Các vấn đề về an toàn trong xếp hàng

An toàn là yếu tố hàng đầu trong lập kế hoạch xếp hàng. Việc phân bổ trọng lượng không đồng đều có thể dẫn đến nguy cơ lật tàu và gây thiệt hại lớn.

2.2. Thời gian xếp dỡ và chi phí

Thời gian xếp dỡ lâu có thể làm tăng chi phí vận chuyển. Việc tối ưu hóa quy trình xếp hàng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí này.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Lập Kế Hoạch Xếp Hàng Tàu Container

Để giải quyết các vấn đề trong lập kế hoạch xếp hàng, nhiều phương pháp và giải thuật tối ưu đã được phát triển. Các giải thuật này giúp tìm ra cách xếp hàng tối ưu nhất, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

3.1. Giải thuật di truyền trong lập kế hoạch xếp hàng

Giải thuật di truyền là một trong những phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa quy trình xếp hàng. Nó sử dụng các nguyên tắc của chọn lọc tự nhiên để tìm ra giải pháp tối ưu.

3.2. Quy hoạch nguyên trong lập kế hoạch xếp hàng

Mô hình quy hoạch nguyên giúp xác định cách xếp các container vào các vị trí trên tàu một cách hiệu quả nhất, đảm bảo tuân thủ các ràng buộc về an toàn và trọng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Giải Thuật Tối Ưu trong Lập Kế Hoạch Xếp Hàng

Việc áp dụng các giải thuật tối ưu trong lập kế hoạch xếp hàng đã mang lại nhiều lợi ích cho các cảng biển. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng giải thuật này giúp giảm thiểu chi phí và thời gian xếp dỡ hàng hóa.

4.1. Kết quả nghiên cứu ứng dụng tại cảng biển Việt Nam

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật tối ưu đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất xếp hàng tại các cảng biển lớn ở Việt Nam.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc tối ưu hóa quy trình

Tối ưu hóa quy trình xếp hàng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng lực cạnh tranh của cảng biển Việt Nam trên thị trường quốc tế.

V. Kết Luận và Tương Lai của Giải Thuật Tối Ưu Lập Kế Hoạch Xếp Hàng

Giải thuật tối ưu lập kế hoạch xếp hàng tàu container là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến với sự phát triển của công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ trong logistics

Công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình lập kế hoạch xếp hàng.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ giúp tìm ra các giải pháp mới, nâng cao hiệu quả và an toàn trong vận chuyển hàng hóa qua đường biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành vận tải biển đóng vai trò trọng yếu trong phát triển kinh tế toàn cầu, chiếm hơn 90% lưu lượng vận tải hàng hóa thế giới, trong đó khu vực Biển Đông chiếm khoảng 45%. Việt Nam với hơn 3.200 km bờ biển, vị trí chiến lược trên tuyến đường hàng hải quốc tế, sở hữu hệ thống cảng biển gồm 45 cảng đang hoạt động với công suất thiết kế khoảng 543,7 triệu tấn hàng/năm. Tốc độ tăng trưởng bình quân của lĩnh vực vận tải và lưu trữ trong nước đạt từ 16-20%/năm, phản ánh nhu cầu ngày càng cao về quản lý logistics hiệu quả.

Tuy nhiên, hệ thống cảng biển Việt Nam còn tồn tại nhiều hạn chế như thiếu hạ tầng kết nối, ứng dụng công nghệ thông tin chưa đồng bộ, dẫn đến ùn tắc và giảm hiệu quả khai thác. Trong bối cảnh đó, việc lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container trở thành một bài toán cấp thiết nhằm tối ưu hóa chi phí, giảm thiểu rủi ro và nâng cao an toàn vận tải. Bài toán Master Bay Plan Problem (MBPP) tập trung vào việc xác định cách xếp các Container lên tàu sao cho thỏa mãn các ràng buộc về trọng lượng, an toàn, ổn định và chi phí xếp dỡ.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển và ứng dụng các giải thuật tối ưu, kết hợp mô hình quy hoạch nguyên (Integer Programming - IP) và giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA), để xây dựng kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container tại các cảng biển Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào mô hình Offline MBPP và Online MBPP, phù hợp với đặc thù hoạt động của các cảng miền Bắc và miền Trung, Nam. Kết quả kỳ vọng góp phần nâng cao hiệu quả khai thác cảng, giảm chi phí vận tải và tăng cường an toàn trong vận chuyển hàng hải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quy hoạch nguyên (Integer Programming - IP): Mô hình hóa bài toán xếp Container dưới dạng hàm mục tiêu tuyến tính với các biến số nguyên, ràng buộc tuyến tính về trọng lượng, vị trí, an toàn và ổn định tàu. IP cho phép tìm lời giải tối ưu với độ chính xác cao, phù hợp với bài toán MBPP.

• Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA): Phương pháp tối ưu dựa trên mô phỏng quá trình tiến hóa sinh học, sử dụng các phép lai tạo, đột biến và chọn lọc để tìm kiếm lời giải gần tối ưu trong không gian tìm kiếm lớn. GA giúp xử lý các bài toán phức tạp, giảm thiểu sự can thiệp thủ công và tăng tính linh hoạt trong lập kế hoạch.

• Khái niệm chính:

  • Container: Đơn vị vận chuyển hàng hóa với kích thước tiêu chuẩn 20’, 40’, 45’, trọng lượng tối đa từ 24 đến 32 tấn.
  • MBPP (Master Bay Plan Problem): Bài toán lập kế hoạch xếp Container lên tàu tại một cảng.
  • Cân bằng tải trọng: Đảm bảo trọng lượng phân bố đều giữa hai mạn tàu và giữa mũi, lái tàu để đảm bảo an toàn.
  • Ràng buộc an toàn: Bao gồm giới hạn trọng lượng, chiều cao xếp chồng, vị trí Container đặc biệt (lạnh, nguy hiểm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế thu thập từ các cảng biển Việt Nam, bao gồm danh sách Container, thông số tàu, lịch trình vận chuyển và các ràng buộc kỹ thuật. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hàng trăm Container với đa dạng kích thước và loại hàng hóa.

Phương pháp phân tích gồm:

• Xây dựng mô hình quy hoạch nguyên (IP) dựa trên các ràng buộc thực tế, chuyển đổi bài toán MBPP thành bài toán tối ưu hóa hàm mục tiêu giảm chi phí xếp dỡ và đảm bảo cân bằng tải trọng.
• Phát triển giải thuật di truyền (GA) để tìm kiếm lời giải tối ưu hoặc gần tối ưu, kết hợp với mô hình IP nhằm khởi tạo và đánh giá các kế hoạch xếp hàng.
• Thực nghiệm trên bộ dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực tế năm 2016 từ cảng biển Việt Nam, so sánh hiệu quả giữa mô hình IP thuần túy, GA và mô hình kết hợp.
• Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phát triển giải thuật, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả mô hình IP trong lập kế hoạch xếp hàng: Mô hình IP đạt độ chính xác cao trong việc phân bổ Container theo các ràng buộc an toàn và cân bằng tải trọng. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình IP giảm chi phí xếp dỡ trung bình khoảng 15% so với phương pháp thủ công hiện tại.

2. Giải thuật GA cải thiện tính linh hoạt và thời gian xử lý: GA giúp giảm thời gian tính toán xuống còn khoảng 60% so với mô hình IP thuần túy, đồng thời tạo ra nhiều phương án xếp hàng khả thi với chi phí và cân bằng tải trọng tương đương. GA cũng xử lý tốt các tình huống thay đổi Container trong thời gian thực (Online MBPP).

3. Mô hình kết hợp IP và GA tối ưu hơn: Việc sử dụng GA để khởi tạo và đánh giá kế hoạch, sau đó tinh chỉnh bằng mô hình IP giúp tăng hiệu quả tối ưu hóa, giảm chi phí xếp dỡ thêm khoảng 5% so với từng giải thuật riêng lẻ. Mô hình kết hợp cũng đảm bảo cân bằng tải trọng ngang và chéo tốt hơn, giảm thiểu việc sử dụng nước dằn tàu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.

4. Ứng dụng thực tế tại cảng Việt Nam: Thực nghiệm trên dữ liệu cảng năm 2016 cho thấy kế hoạch xếp hàng tự động giúp giảm thiểu số lần dịch chuyển Container không cần thiết khoảng 20%, tăng hiệu suất xếp dỡ lên 10%, đồng thời giảm thiểu rủi ro mất cân bằng tải trọng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng các giải thuật tối ưu trong lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container tại Việt Nam. Mô hình IP cung cấp cơ sở toán học vững chắc, đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật được thỏa mãn, trong khi GA giúp giải quyết bài toán phức tạp với không gian tìm kiếm lớn và yêu cầu thời gian thực.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mô hình kết hợp IP và GA phù hợp với đặc thù hoạt động cảng biển Việt Nam, nơi có nhiều ràng buộc đặc thù và hạ tầng chưa đồng bộ. Việc giảm thiểu sử dụng nước dằn tàu không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường biển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chi phí xếp dỡ, cân bằng tải trọng, số lần dịch chuyển Container giữa các phương pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống lập kế hoạch xếp hàng tự động tại các cảng trọng điểm: Áp dụng mô hình kết hợp IP và GA để tự động hóa quy trình lập kế hoạch, giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện đề xuất trong 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là Ban quản lý cảng và các đơn vị công nghệ thông tin.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực cho nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ tối ưu và quản lý hệ thống cho đội ngũ lập kế hoạch và vận hành cảng, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống mới. Thời gian đào tạo trong 6 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo logistics và công nghệ.

3. Nâng cấp hạ tầng công nghệ thông tin và thiết bị cảng: Đầu tư trang thiết bị hiện đại hỗ trợ quá trình xếp dỡ và kết nối dữ liệu với hệ thống lập kế hoạch tự động, đảm bảo tính chính xác và kịp thời trong vận hành. Thời gian thực hiện 24 tháng, chủ thể là các nhà đầu tư và quản lý cảng.

4. Phát triển phần mềm quản lý tích hợp: Xây dựng phần mềm quản lý kế hoạch xếp hàng tích hợp các giải thuật tối ưu, hỗ trợ cập nhật dữ liệu thời gian thực và xử lý các tình huống phát sinh. Thời gian phát triển 12 tháng, chủ thể là các công ty phần mềm chuyên ngành.

5. Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu tiếp tục cải tiến giải thuật, ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để nâng cao hiệu quả lập kế hoạch xếp hàng trong tương lai. Chủ thể là các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp logistics.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Quản lý và vận hành cảng biển: Giúp nâng cao hiệu quả quản lý, tối ưu hóa quy trình xếp dỡ, giảm chi phí và rủi ro trong vận hành cảng.

2. Chuyên gia và nhà nghiên cứu lĩnh vực logistics và vận tải biển: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp ứng dụng giải thuật tối ưu trong bài toán thực tế, làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

3. Doanh nghiệp vận tải và logistics: Hỗ trợ xây dựng kế hoạch vận tải chính xác, giảm thiểu chi phí và nâng cao chất lượng dịch vụ vận chuyển hàng hóa.

4. Nhà phát triển phần mềm và công nghệ thông tin: Cung cấp mô hình và thuật toán để phát triển các giải pháp phần mềm quản lý cảng và vận tải hiện đại, đáp ứng nhu cầu tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container?
   Lập kế hoạch tự động giúp giảm thiểu sai sót do con người, tối ưu chi phí xếp dỡ, đảm bảo cân bằng tải trọng và nâng cao an toàn vận tải. Ví dụ, tại các cảng lớn, việc xếp hàng thủ công không còn đáp ứng được tốc độ và độ phức tạp của tàu Container hiện đại.

2. Giải thuật di truyền có ưu điểm gì trong bài toán này?
   GA xử lý tốt không gian tìm kiếm lớn, tìm ra nhiều phương án khả thi và thích nghi với các thay đổi trong thời gian thực. Nó giúp giảm thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống mà vẫn đảm bảo chất lượng lời giải.

3. Mô hình quy hoạch nguyên (IP) được áp dụng như thế nào?
   IP mô hình hóa bài toán dưới dạng hàm mục tiêu và các ràng buộc tuyến tính, cho phép tìm lời giải tối ưu chính xác. Tuy nhiên, IP có thể tốn nhiều tài nguyên tính toán khi bài toán phức tạp, do đó thường kết hợp với GA để cải thiện hiệu quả.

4. Lập kế hoạch Online MBPP khác gì so với Offline MBPP?
   Online MBPP xử lý các tình huống thay đổi Container trong quá trình xếp dỡ như hủy, chậm trễ hoặc bổ sung, giúp kế hoạch linh hoạt và cập nhật kịp thời. Offline MBPP dựa trên dữ liệu cố định, phù hợp với cảng có lịch trình ổn định.

5. Làm thế nào để đảm bảo cân bằng tải trọng trên tàu Container?
   Kế hoạch xếp hàng phải phân bổ trọng lượng đều giữa hai mạn và giữa mũi, lái tàu, tuân thủ nguyên tắc "nặng dưới, nhẹ trên". Việc này giảm thiểu rủi ro mất ổn định tàu, tránh thảm họa và giảm chi phí sử dụng nước dằn tàu.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển mô hình kết hợp quy hoạch nguyên và giải thuật di truyền để lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container, phù hợp với đặc thù cảng biển Việt Nam.
• Mô hình tối ưu hóa chi phí xếp dỡ, đảm bảo cân bằng tải trọng và an toàn vận tải, giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả khai thác cảng.
• Thực nghiệm trên dữ liệu thực tế cho thấy giảm chi phí xếp dỡ khoảng 20%, tăng hiệu suất xếp dỡ 10% và giảm số lần dịch chuyển Container không cần thiết.
• Đề xuất triển khai hệ thống tự động tại các cảng trọng điểm, đồng thời nâng cấp hạ tầng và đào tạo nhân sự để đảm bảo vận hành hiệu quả.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm quản lý tích hợp, mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới và đánh giá hiệu quả thực tế sau triển khai.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp tối ưu trong quản lý vận tải biển nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững ngành logistics Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Hiện nay, các hoạt động vận tải đường biển đang phát triển mạnh, chiếm lưu lượng chủ yếu trong lĩnh vực phát triển kinh tế biển. Vậy Việt Nam một đất nước có biển trải dọc chiều dài đất nước với hơn 3.200 km đường bờ biển, có vị trí thuận lợi, là nút trọng điểm tiềm năng trong tuyến đường hàng hải quốc tế cũng như trong khu vực Châu Á, Đông Nam Á nói riêng, là cửa ngõ kết nối hệ thống đường vận tải hàng hải xuyên Á và hành lang kết nối Đông - Tây nối liền các quốc gia trên thế giới và trong khu vực, là điểm sáng trong việc kết nối kinh tế, giao thương, vận tải hàng hóa, là tiềm năng to lớn trong việc nâng cao vị thế, phát triển kinh tế biển Việt Nam. “Trong nền kinh tế nói chung, ngành Hàng hải nói riêng, cảng biển Việt Nam đóng vai trò quan trọng.

Các hoạt động cảng biển, công tác quy hoạch, đầu tư xây dựng và quản lý cảng biển Việt Nam đã đạt được nhiều kết quả tốt, hỗ trợ tích cực cho sự phát triển các ngành kinh tế, quốc phòng, thúc đẩy phát triển mở rộng các ngành, lĩnh vực liên quan. Tuy vậy, vẫn còn những khó khăn, bất cập trong mô hình tổ chức quản lý khai thác cảng biển Việt Nam, nhất là những cảng trọng điểm”. Theo Tạp chí Giao thông vận tải, 2015 [2]. Vận tải hoạt động đường biển là hình thức sử dụng phương tiện cầu cảng, phương tiện giao thông, cơ sở hạ tầng đường biển để vận chuyển hàng hóa.

Các phương tiện chính là tàu thuyền, còn cần cẩu, xe cẩu tự hành là các phương tiện vận chuyển, phương tiện đóng vai trò xếp dỡ hàng hóa hoạt động trong cảng và hoạt động liên cảng. Cảng biển, cảng trung chuyển là hệ thống cơ sở hạ tầng đường biển cung cấp vị trí neo đậu xếp dỡ hàng hóa, phục vụ cho việc vận chuyển hàng hóa. Với sự phát triển công nghệ hiện nay, mặc dù Việt Nam đã từng bước sử dụng, ứng dụng công nghệ thông tin và logistics vào quy hoạch, tối ưu quản lý, hệ thống hoạt động, lưu trữ của cảng biển. Tuy nhiên cảng biển cần có mô hình quản lý mà công nghệ thông tin và logistics phải được thực hiện phù hợp.

16 Một trong số những hoạt động ứng dụng logistics tối ưu cảng biển đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí, rủi ro là lập kế hoạch xếp dỡ hàng hóa trên tàu Container. Chính vì vậy trong nghiên cứu này tôi tiếp cận nghiên cứu khả năng ứng dụng, kết hợp một số giải thuật để giải quyết vấn bài toán này. Khái niệm cơ bản “Cảng biển là khu vực bao gồm vùng đất cảng và vùng nước cảng, được xây dựng kết cấu hạ tầng và lắp đặt trang thiết bị cho tàu biển ra, vào hoạt động để bốc dỡ hàng hóa, đón trả hành khách và thực hiện các dịch vụ khác”. Theo Luật Hàng hải Việt Nam năm 2005.

Cảng biển là khu vực có một hoặc nhiều bến cảng, bến cảng có một hoặc nhiều cầu cảng. Những chức năng cơ bản của cảng biển[3]: - Cung cấp các dịch vụ hỗ trợ, nhân lực, trang thiết bị, phương tiện cần thiết cho tàu biển neo đậu xếp - dỡ, lưu trữ hàng hóa, đón trả khách; - Cung cấp tuyến đường giao thông, đầu mối kết nối với hệ thống giao thông bên ngoài và các hệ thống giao thông liên cảng khu vực, cung cấp dịch vụ cung ứng, sửa chữa, …; - Bảo đảm an toàn cho tàu thuyền neo đậu tại cảng và trong các trường hợp khẩn cấp, bảo đảm vệ sinh môi trường, phòng chống cháy nổ. - Kiểm tra, giám sát tiêu chuẩn an toàn của tàu thuyền kiểm soát ô nhiễm môi trường; đăng ký tàu thuyền, khảo sát thủy đạc, lập hải đồ; Các cầu cảng, kho bãi, nhà xưởng, trụ sở, cơ sở dịch vụ là cơ sở vật chất thuộc trong hệ thống cảng và để hệ thống cảng biển hoạt động cần có hệ thống thông tin, giao thông liên lạc, điện, nước, luồng vào bến cảng và các công trình phụ trợ khác; Cầu cảng là được xây dựng cố định thuộc bến cảng, là vị trí phục vụ tàu neo đậu, bốc dỡ hàng hóa, đón - trả hành khách và thực hiện các dịch vụ khác [3]. Tổng hợp khối lượng hàng hóa qua cảng biển của 6 nhóm của Việt Nam: (i) Nhóm cảng biển phía bắc (nhóm 1); (ii) Nhóm cảng biển Bắc Trung Bộ (nhóm 2); (iii) Nhóm cảng biển Trung Trung Bộ (Nhóm 3); (iv) Nhóm cảng biển Nam 17 Trung Bộ (Nhóm 4); (v) Nhóm cảng biển Đông Nam Bộ (Nhóm 5); (vi) Nhóm cảng biển Đồng Bằng Sông Cửu Long (Nhóm 6); Tổng hợp khối lượng hàng hóa qua cảng biển (đơn vị: Tr.T) theo đề án: “Quy hoạch tổng thể phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050.

Thuyết minh báo cáo cuối kỳ,2021” [4]: TTBQ GD Nhóm Năm Năm Năm Năm Năm Năm 2015- cảng 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2019 (%) Nhóm 1 128,06 138,57 139,12 165,59 183,96 196,21 9,5% Nhóm 2 19,07 22,46 36,77 60,60 75,65 84,17 41,1% Nhóm 3 31,13 34,11 34,60 41,67 46,81 54,17 10,7% Nhóm 4 34,37 30,70 27,14 29,68 34,27 36,01 -0,1% Nhóm 5 147,28 177,22 255,44 280,29 301,65 298,82 19,6% Nhóm 6 11,59 13,33 19,11 18,73 22,28 22,91 17,8% Tổng 371,49 416,37 512,17 596,56 664,61 692,29 15,7% Bảng 1.1 Tổng hợp khối lượng hàng hóa qua cảng biển (đơn vị: Tr.T) Tàu Container là tàu vận chuyển các Container dạng hộp trên một tuyến đường cố định theo chu kỳ. Khoang hàng của tàu được chia thành các khoang. Mỗi khoang được chia thành phần trên boong và phần dưới boong bằng một nắp hầm, đây là một cấu trúc phẳng, chống rò rỉ, ngăn không cho tàu vào nước và cho phép các Container được xếp chồng lên nhau. Các bộ phận trên và dưới boong của một khoang được chia theo chiều ngang thành các ngăn xếp có chiều rộng bằng một Container và bao gồm hai ngăn xếp tương đương dài 20’ (TEU) và một ngăn xếp tương đương dài 40’ (FEU).

Vị trí là một phần khoang bao gồm một tập hợp các ngăn xếp ở trên hoặc dưới boong. Các ngăn xếp này không nhất thiết phải liền kề. Một ngăn xếp chứa các ô được sắp xếp theo chiều dọc được lập chỉ mục theo các tầng. Mỗi ngăn xếp có giới hạn về trọng lượng và chiều cao mà các thùng chứa được phân bổ ở đó phải thỏa mãn.

Các ô trong ngăn xếp được chia thành hai rãnh, một phía trước và một phía sau. Rãnh phía sau được bố trí về phía đuôi tàu, trong khi rãnh phía trước được phân bổ ở phía mũi tàu. Một số rãnh có phích cắm điện để cung cấp điện cho các Container trong trường hợp hàng hóa của chúng 18 cần được làm lạnh. Các rãnh như vậy được gọi là rãnh lạnh.

Cần trục quay tại các cảng thực hiện việc xếp - dỡ các Container từ tàu chỉ tiếp cận các Container trên cùng trong các khu vực xếp quy hoạch xếp đống Container. Container là một hộp kim loại, trong đó hàng hóa có thể được lưu trữ. Mỗi Container có trọng lượng, chiều cao, chiều dài và cổng phải dỡ hàng (cảng dỡ hàng) và có thể cần được cung cấp điện (Container lạnh). Các thùng chứa dài 20’, 40’ hoặc 45’ và cao 8’6’’ hoặc 9’6’’ (Container hình khối cao).

Các Container rỗng 20’ và 40’ có trọng lượng khoảng 2 tấn trong khi trọng lượng tối đa của chúng lần lượt là 24 tấn và 30 tấn. Ngoài ra còn có một số công đặc thù như: “Pallet wide Containers”, “IMO Containers”, “Out-of-Gauge Containers” ba loại Container cuối cùng thường được đặt trong các khu vực bảo quản đặc biệt của tàu.1 Thông số kích thước Container 20’ 19 Hình 1.2 Thông số kích thước Container 40’ Hình 1.3 Cấu trúc Container lạnh Một số thông số tiêu chuẩn của các Container phổ biến thường được sử dụng trong vận tải hàng hóa đường biển. 20 Kích thước Container Trọng lượng Hệ Anh (ft) Hệ mét (m) lớn nhất Tiêu Chiều Chiều Chiều Chiều Chiều Chiều Pound Tấn chuẩn dài rộng cao dài rộng cao (lbs) (ton) 20’ 8’ 8’ 2.2 Thông số cơ bản của các Container phổ biến Những tàu Container vận hành, di chuyển theo một lịch đã được quy định nghiêm khắc được các công ty chủ tàu công bố để khách hàng theo dõi và nâng cao uy tín, chất lượng và tăng cường sức cạnh tranh. Do yêu cầu về mặt thời gian tàu nằm tại cầu cảng xếp – dỡ hàng, bổ sung nhu yếu phẩm ngắn, dẫn tới công việc lập kế hoạch xếp hàng cho tàu Container cần phải tiến hành nhanh chóng, tối ưu với chi phí thấp.

Với sự phát triển vượt trội của khoa học kỹ thuật và công nghê thông tin hiện nay đã cải thiện, hỗ trợ cho việc lập kế hoạch xếp hàng tự động cho tàu Container thuận lợi, nhanh chóng trong thời gian ngắn, xúc tiến tốc độ khai thác tàu nâng cao lợi ích khai thác một cách hiệu quả và đã có nhiều đề xuất, phương hướng thúc đẩy tối ưu hoạt động cảng biển. Một số phương hướng tối ưu hoạt động cảng biển Tại hệ thống cảng biển trên thế giới cũng như tại Việt Nam, việc lập kế hoạch luôn là vấn đề quan trọng và là hoạt động cốt lõi đảm bảo sự vận hành thông 21 suốt của cả hệ thống. Tuy nhiên, tại Việt Nam hiện đang hoàn thiện trong khâu quản lý các nghiệp vụ cảng và bắt đầu quan tâm đến các vấn đề tối ưu trong hoạt động sản xuất mà bắt đầu là lập kế hoạch. Các vấn đề tối ưu điển hình tại hệ thống cảng hiện tại bao gồm: - Lập kế hoạch xếp dỡ hàng hóa trên tàu - Lập kế hoạch xếp dỡ kho bãi - Lập kế hoạch vận tải hàng hóa Đây là 3 vấn đề liên quan chặt chẽ và hỗ trợ nhau trong việc tối ưu hoạt động sản xuất.

Trong đề xuất, tôi tập trung vào việc tối ưu hàng hóa trong cảng chính là xếp dỡ hàng hóa trên tàu Container. Lập kế hoạch xếp dỡ hàng lên tàu có thể mô tả một cách đơn giản là việc xếp những Container vỏ/ hàng hóa với các kích thước cố định vào tập hợp thùng chứa hàng trên tàu đáp ứng những ràng buộc nhằm giảm thiểu chi phí xếp dỡ hàng hóa lên xuống tàu. Các ràng buộc khi xếp hàng bao gồm ràng buộc về trọng lượng, an toàn, điều kiện xếp dỡ và cân bằng tải trọng của tàu. Một quy trình tối ưu được mô tả như sơ đồ dưới đây: Người lập kế Dữ liệu Kế hoạch hoạch xếp Công cụ tối tư đầu vào xếp hàng hàng Hình 1.4 Quy trình tối ưu khi xếp hàng lên tàu [18].