Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống kinh tế quốc dân, giao thông vận tải đóng vai trò huyết mạch kết nối sản xuất với tiêu thụ và đảm bảo quá trình tái sản xuất xã hội. Trong các phương thức vận tải, vận tải biển có ưu thế vượt trội về sức chở lớn, vốn đầu tư trên đơn vị tải trọng thấp và suất tiêu hao nhiên liệu tối ưu, đặc biệt hiệu quả trong vận chuyển hàng hóa xuất nhập khẩu và luân chuyển liên vùng. Đối với các doanh nghiệp vận tải biển, mục tiêu cốt lõi là tối ưu hóa hiệu quả khai thác phương tiện, giảm thiểu chi phí chuyến đi và hạ giá thành đơn vị vận chuyển.

Đề tài thiết kế môn học "Lập Kế Hoạch và Tổ Chức Khai Thác Đội Tàu Trong quý I năm 2022" của sinh viên Phan Ngọc Hơn (Khoa Kinh tế Vận tải, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh) tập trung giải quyết bài toán tổ chức vận chuyển hàng hóa container trên tuyến vận tải thủy nội địa trọng điểm của Việt Nam.

Nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Phân tích các thông số xuất phát về luồng hàng container, đặc tính kỹ thuật của bến cảng và thông số phương tiện vận tải.
  2. Quy hoạch tuyến đường chạy tàu và xác định phương án tổ chức luồng hàng tối ưu.
  3. Xác định các đặc trưng khai thác của tuyến tàu chợ (tần số khởi hành, khoảng khởi hành, số chuyến đi và khối lượng hàng bình quân mỗi chuyến).
  4. Tính toán các thông số tác nghiệp chuyến đi (thời gian chạy biển, thời gian chạy luồng, thời gian xếp dỡ và thời gian đỗ phụ), từ đó lập kế hoạch điều chỉnh thời gian chuyến đi và phân bổ thời gian dư.
  5. Xác định các khoản mục chi phí khai thác (khấu hao, sửa chữa, bảo hiểm, nhiên liệu, lương thuyền viên, phí cảng biển) và lập phương án bố trí đội tàu.
  6. Lập kế hoạch tác nghiệp, xây dựng lịch vận hành và biểu đồ tác nghiệp của tàu tại các cảng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình lập kế hoạch, tính toán kinh tế - kỹ thuật và tổ chức điều động đội tàu container (xét hai loại tàu là Tàu loại 9 và Tàu loại 12).
  • Phạm vi không gian: Tuyến vận tải khứ hồi giữa Cảng Tiên Sa (Đà Nẵng) và Cảng Tân Cảng - Cát Lái (TP. Hồ Chí Minh).
  • Phạm vi thời gian: Quý I năm 2022 (tổng thời gian hoạt động khai thác $T_{hđ} = 90$ ngày; chu kỳ tính toán năm không nhuận $T_{KT} = 365$ ngày).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Tác giả hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về tổ chức khai thác vận tải biển thông qua các nội dung:

  • Đặc trưng các phương thức vận tải: So sánh ưu - nhược điểm của 6 phương thức vận tải cơ bản gồm vận tải đường biển, đường bộ, đường sắt, hàng không, đường ống và đường thủy nội địa.
  • Cơ sở vật chất kỹ thuật ngành vận tải biển: Phân tích 3 yếu tố cốt lõi gồm tuyến đường hàng hải, bến cảng và đội tàu; làm rõ 4 xu hướng phát triển đội tàu hiện đại (tăng tốc độ, tăng trọng tải, chuyên môn hóa và hiện đại hóa).
  • Phương thức khai thác tàu biển: So sánh hai hình thức khai thác chính là tàu chuyến (Tramp) và tàu chợ (Liner). Với điều kiện tuyến vận chuyển cố định khứ hồi Cát Lái – Tiên Sa và khối lượng hàng container phát sinh đều đặn, phương thức tàu chợ được lựa chọn làm cơ sở tổ chức.
  • Tiêu chuẩn hàng hóa container: Áp dụng tiêu chuẩn kích thước của Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) cho container bách hóa (General Purpose Container), hệ số quy đổi TEU ($k_{tđ} = 1,2$), trọng lượng có hàng từ 24 đến 35 tấn, cùng các quy tắc chằng buộc, xếp chồng trên boong, trong hầm tàu và tại bãi cảng.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  1. Phương pháp lập luận phương án (Quy hoạch tuyến đường): Đề xuất các phương án phối hợp luồng hàng và luồng tàu; tính toán hệ số sử dụng trọng tải ($\alpha$) và khối lượng tấn-hải lý chạy rỗng để lựa chọn phương án tối ưu có $\alpha_{\max}$ và sơ đồ vận hành đơn giản nhất.
  2. Phương pháp toán học trong bố trí tàu: Sử dụng mô hình bài toán quy hoạch tuyến tính tối thiểu hóa chi phí khai thác: $$\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{n} X_{ij} \cdot C_{ij} \to \min$$ với các ràng buộc về khả năng chuyên chở của đội tàu ($\sum_{i} \pi_{ij} \ge B_j$) và số lượng phương tiện huy động ($\sum_{j} X_{ij} \le A_i$).
  3. Phương pháp phân tích kinh tế - kỹ thuật tàu chợ:
    • Xác định tần số khởi hành kỹ thuật ($r$) và điều chỉnh sang tần số khai thác ($r^$) sao cho khoảng khởi hành ($T_u = 1/r^$) là số nguyên ngày, thỏa mãn điều kiện sai số $\frac{|r - r^*|}{r} \le 5%$.
    • Tính toán thời gian chuyến đi thực tế ($T_{ch} = T_c + T_đ$) và điều chỉnh thời gian chuyến đi ($T^*{ch} = a \cdot T_u \ge T{ch}$).
    • Phân bổ thời gian dư ($\Delta T = T^*{ch} - T{ch}$) vào thời gian đỗ tại cảng theo thứ tự ưu tiên kinh tế và kỹ thuật.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu luồng hàng và thông số phương tiện do đề bài thiết kế môn học cung cấp.
  • Cự ly hàng hải trích xuất từ hệ thống dữ liệu hàng hải seadistances.org.
  • Thông số luồng lạch, trang thiết bị xếp dỡ và biểu cước thu phí tại Cảng Tiên Sa lấy từ danangport.com.
  • Thông số kỹ thuật bến bãi, công nghệ khai thác (TOPX/TOPOVN) và biểu cước tại Cảng Cát Lái lấy từ saigonnewport.com.vn.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Phần mở đầu tập trung trình bày tổng quan về vai trò của ngành giao thông vận tải trong việc đảm bảo lưu thông hàng hóa và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế. Tác giả tiến hành so sánh hệ thống ưu điểm và hạn chế giữa 6 phương thức vận tải, khẳng định vị thế của vận tải biển trong việc đảm nhận khối lượng vận chuyển lớn với chi phí thấp.

Nội dung tiếp tục phân tích cơ sở vật chất kỹ thuật của vận tải biển và làm rõ sự khác biệt giữa hai phương thức khai thác tàu chuyến và tàu chợ:

Tiêu chí phân tích Phương thức tàu chuyến Phương thức tàu chợ
Tuyến đường & Bến cảng Không cố định, thay đổi theo hợp đồng thuê tàu Cố định trên tuyến, ghé các cảng xác định
Lịch trình Không cố định, phụ thuộc yêu cầu chủ hàng Lịch trình công bố trước, chạy định kỳ
Tính chất lô hàng Lô hàng lớn, đột xuất, hàng rời/bách hóa Lô hàng vừa và nhỏ, gửi định kỳ, đóng container
Giá cước vận tải Biến động mạnh theo thị trường vận tải Ổn định trong thời gian dài, bao gồm phí xếp dỡ
Khả năng kết nối Khó phối hợp vận tải đa phương thức Thuận tiện kết hợp vận tải đa phương thức

Dựa trên yêu cầu vận chuyển lượng hàng container hai chiều cố định giữa Cảng Tiên Sa ($Q_{AB} = 33.460\text{ TEU}$) và Cảng Cát Lái ($Q_{BA} = 35.640\text{ TEU}$), đề tài khẳng định việc áp dụng phương thức khai thác tàu chợ là phương án phù hợp.

Phần 2: Lập kế hoạch tổ chức vận chuyển

1. Phân tích số liệu xuất phát

  • Luồng hàng: Khối lượng hàng kế hoạch Quý I/2022 gồm $Q_{AB} = 33.460\text{ TEU}$ (Tiên Sa $\to$ Cát Lái) và $Q_{BA} = 35.640\text{ TEU}$ (Cát Lái $\to$ Tiên Sa). Hệ số quy đổi container tiêu chuẩn là $1,2$.
  • Tuyến đường và bến cảng:
    • Cự ly chạy tàu: $L = 518\text{ hải lý}$.
    • Cảng Tiên Sa (Đà Nẵng): Luồng vào dài $6,3\text{ km}$ ($3,4\text{ hl}$), độ sâu $-11\text{m}$, 9 cầu cảng tổng chiều dài $1.700\text{m}$, trang bị 4 cẩu giàn bờ QC (36–40T), 6 cẩu khung RTG; năng suất bốc dỡ container đạt 19 cont/máng/giờ ($456\text{ cont/máng-ngày}$).
    • Cảng Tân Cảng - Cát Lái (TP.HCM): Luồng vào dài $43\text{ hải lý}$ (từ trạm hoa tiêu Vũng Tàu), độ sâu trước bến $-12\text{m}$, cầu tàu $2.040\text{m}$; năng suất bốc dỡ đạt 60 moves/tàu/giờ ($1.440\text{ cont/tàu-ngày}$).
  • Thông số kỹ thuật phương tiện vận tải:
Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Tàu loại 9 Tàu loại 12
Năm đóng / Nơi đóng - 2007 / Nhật Bản 2009 / Hàn Quốc
Dung tích đăng ký (GRT) Tấn 12.800 9.920
Trọng tải toàn phần (DWT) TEU 800 620
Hệ số sử dụng trọng tải TB - 0,91 0,90
Trọng lượng thực chở ($D_t$) TEU 728 558
Tốc độ chạy có hàng / không hàng hl/h 18 / 22 22 / 24
Số máng xếp dỡ ($n_{máng}$) Máng 2 2
Định mức nhiên liệu máy chính (FO) Tấn/ngày 11,4 10,8
Định mức DO (Chạy / Đỗ làm hàng / Đỗ chờ) Tấn/ngày 1,8 / 2,0 / 0,25 1,6 / 1,9 / 0,20
Giá trị nguyên giá tàu Triệu USD 16,0 16,0
Số tiền bảo hiểm thân tàu Triệu USD 10,0 10,0
Định biên thuyền viên Người 22 22

2. Quy hoạch tuyến đường chạy tàu

Tác giả so sánh 3 phương án tổ chức sơ đồ luồng hàng theo phương pháp lập luận phương án:

  • Phương án 1: Đi Tiên Sa và quay về Cát Lái đều chở hàng đầy tải theo nhu cầu $\to \alpha_1 = 0,969$.
  • Phương án 2: Đi Cát Lái có hàng, về Tiên Sa chạy rỗng hoặc ngược lại $\to \alpha_2 = 0,500$.
  • Phương án 3: Đi Cát Lái về Tiên Sa chở lượng hàng cân bằng, phần chênh lệch chạy chuyến phụ $\to \alpha_3 = 0,969$ (nhưng sơ đồ vận hành phức tạp hơn).

$\to$ Kết luận lựa chọn Phương án 1 nhờ đạt hệ số sử dụng trọng tải cao nhất và sơ đồ vận hành đơn giản.

Xác định đặc trưng tàu chợ:

  • Tàu loại 9: Tần số lý thuyết $r = 0,544\text{ tàu/ngày}$. Điều chỉnh chọn phương án $r^* = 0,542\text{ tàu/ngày}$ (sai số $0,368% < 5%$), gồm 2 tàu chạy khoảng $T_{u1} = T_{u2} = 5\text{ ngày}$ và 1 tàu $T_{u3} = 7\text{ ngày}$. Số chuyến thực hiện trong quý $n_{ch} = 48,78\text{ chuyến}$. Sản lượng bình quân $q_{ch}^{A-B} = 686\text{ TEU/chuyến}$, $q_{ch}^{B-A} = 731\text{ TEU/chuyến}$, tổng cộng $q_{ch} = 1.417\text{ TEU/chuyến}$.
  • Tàu loại 12: Tần số lý thuyết $r = 0,710\text{ tàu/ngày}$. Điều chỉnh chọn $r^* = 0,710\text{ tàu/ngày}$ (sai số $0%$), gồm 5 tàu chạy đồng đều với khoảng khởi hành $T_u = 7\text{ ngày}$. Số chuyến thực hiện $n_{ch} = 63,9\text{ chuyến}$. Sản lượng bình quân $q_{ch}^{A-B} = 524\text{ TEU/chuyến}$, $q_{ch}^{B-A} = 558\text{ TEU/chuyến}$, tổng cộng $q_{ch} = 1.081\text{ TEU/chuyến}$.

3. Tính toán thời gian chuyến đi và chi phí khai thác

Thời gian chạy biển thuần túy trên khoảng cách $L_{AB} = 471,6\text{ hl}$ và chạy trên luồng được xác định:

  • Tàu 9: $T_c = 2,490\text{ ngày}$; thời gian xếp dỡ và đỗ phụ $T_đ = 2,364\text{ ngày} \to T_{ch} = 4,854\text{ ngày}$.
  • Tàu 12: $T_c = 2,037\text{ ngày}$; thời gian xếp dỡ và đỗ phụ $T_đ = 1,864\text{ ngày} \to T_{ch} = 3,901\text{ ngày}$.

Tổng hợp điều chỉnh thời gian chuyến đi và phân bổ thời gian dư:

Chỉ tiêu tính toán Đơn vị Tàu loại 9 ($T_u = 5$) Tàu loại 9 ($T_u = 7$) Tàu loại 12 ($T_u = 7$)
Hệ số nguyên chu kỳ ($a$) - 1 1 1
Thời gian chuyến điều chỉnh ($T^*_{ch}$) Ngày 5,0 7,0 7,0
Thời gian dư điều chỉnh ($\Delta T$) Ngày 0,146 2,146 3,099
Thời gian đỗ điều chỉnh ($T^*_đ$) Ngày 2,5 4,5 5,0
Phân bổ đỗ tại Cảng Tiên Sa ($T^*_{đA}$) Ngày 1,5 3,0 3,0
Phân bổ đỗ tại Cảng Cát Lái ($T^*_{đB}$) Ngày 1,0 1,5 2,0

Nguyên tắc phân bổ thời gian dư: Ưu tiên phân bổ thời gian chờ biểu đồ ($\Delta T$) cho Cảng Tiên Sa do năng suất xếp dỡ thấp hơn và đơn giá phí cầu bến rẻ hơn đáng kể so với Cảng Cát Lái.

Cơ cấu tính toán chi phí khai thác bao gồm:

  1. Chi phí theo nguyên giá tàu: Khấu hao cơ bản ($T_{KT} = 365\text{ ngày}$), chi phí sửa chữa lớn ($3%$), sửa chữa thường xuyên ($2%$), vật liệu rẻ tiền ($0,5%$), bảo hiểm thân tàu ($2%$) và bảo hiểm trách nhiệm dân sự P&I ($2\text{ USD/GRT}$).
  2. Chi phí lương thuyền viên và các khoản phụ cấp theo định biên 22 người.
  3. Chi phí nhiên liệu FO, DO (chạy biển, đỗ làm hàng, đỗ chờ) và chi phí nước ngọt.
  4. Lệ phí ra vào cảng, phí hoa tiêu, phí cầu bến, tàu lai dắt, buộc mở dây, đóng mở nắp hầm hàng và nâng hạ container tại hai đầu bến.

4. Kế hoạch tác nghiệp

Tác giả hoàn thiện bảng lịch vận hành cho toàn bộ quý I/2022, kế hoạch điều động vị trí từng tàu trên tuyến và xây dựng biểu đồ tác nghiệp kỹ thuật chi tiết tại cầu cảng Tiên Sa và Cát Lái.

Phần 3: Kết luận

Tổng kết lại các kết quả tính toán kinh tế - kỹ thuật đã đạt được. Việc áp dụng phương pháp lập kế hoạch khoa học giúp xác định chính xác số lượng phương tiện cần thiết, tối ưu hóa thời gian quay vòng tàu, kiểm soát chi phí vận hành chuyến đi và nâng cao hiệu quả khai thác đội tàu container.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

  • Xác định được phương án luồng hàng tối ưu trên tuyến Tiên Sa – Cát Lái với hệ số lợi dụng trọng tải đạt $\alpha = 0,969$.
  • Hoàn thành bảng thông số khai thác chi tiết cho 2 phương án phương tiện:
    • Phương án Tàu loại 9: Huy động 3 tàu, thực hiện $48,78\text{ chuyến/quý}$, đáp ứng vận chuyển $69.100\text{ TEU}$ với chu kỳ điều chỉnh 5 ngày và 7 ngày.
    • Phương án Tàu loại 12: Huy động 5 tàu, thực hiện $63,9\text{ chuyến/quý}$, chu kỳ điều chỉnh đồng nhất 7 ngày.
  • Đưa ra giải pháp phân bổ thời gian dư $\Delta T$ hợp lý giữa hai đầu bến, giúp giảm thiểu chi phí neo đậu và giải tỏa áp lực cầu bến tại cảng có mật độ phương tiện cao (Cát Lái).

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Xây dựng quy trình chuẩn hóa các bước lập kế hoạch khai thác tuyến tàu chợ nội địa: từ phân tích luồng hàng, quy hoạch tuyến, tính toán chu kỳ khởi hành đến lập biểu đồ tác nghiệp cầu bến.
  • Tích hợp số liệu biểu cước thực tế từ các cảng biển lớn của Việt Nam (Đà Nẵng Port, Saigon Newport) vào bài toán chi phí khai thác tàu, tạo độ tin cậy và sát với thực tế vận hành hàng hải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi nghiên cứu mới dừng lại ở bài toán tuyến đơn giản nối 2 cảng (tuyến con thoi Tiên Sa - Cát Lái) trong khung thời gian 1 quý (Quý I/2022); chưa xét đến ảnh hưởng của yếu tố thời tiết bất lợi (mùa mưa bão miền Trung làm gián đoạn hành trình) và biến động bất thường của giá nhiên liệu hàng hải trên thị trường.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng: Mở rộng bài toán quy hoạch đội tàu trên mạng lưới vận tải container đa cảng (ghé từ 3 cảng trở lên dọc bờ biển Bắc - Trung - Nam) sử dụng các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu; tích hợp mô hình dự báo biến động luồng hàng theo mùa vụ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực hành tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kinh tế Vận tải biển, Quản trị Logistics và Vận tải đa phương thức. Cụ thể:

  • Bảng biểu định mức tiêu hao nhiên liệu, định biên lương thuyền viên và phương pháp tính toán các khoản mục chi phí theo nguyên giá phương tiện vận tải thủy.
  • Quy trình chuẩn hóa việc điều chỉnh tần số khởi hành kỹ thuật sang khoảng cách khởi hành nguyên ngày ($T_u$) và thuật toán phân bổ thời gian đỗ chờ biểu đồ ($\Delta T$).
  • Hệ thống dữ liệu thực tế về năng suất thiết bị và biểu cước khai thác tại Cảng Tiên Sa và Tân Cảng Cát Lái.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương thức khai thác tàu chợ thay vì tàu chuyến cho luồng hàng Tiên Sa – Cát Lái?

Tuyến vận tải giữa Cảng Tiên Sa và Cảng Cát Lái có luồng hàng container phát sinh lớn và tương đối ổn định theo cả hai chiều ($Q_{AB} = 33.460\text{ TEU}$, $Q_{BA} = 35.640\text{ TEU}$), hành trình mang tính khứ hồi cố định, yêu cầu thời gian giao nhận thường xuyên. Phương thức tàu chợ đảm bảo lịch trình công bố trước, tính ổn định cao và tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối vận tải đa phương thức.

2. Sự khác biệt về năng suất bốc dỡ container giữa Cảng Tiên Sa và Cảng Cát Lái trong đồ án là bao nhiêu?

Tại Cảng Tiên Sa, năng suất bốc dỡ bằng cẩu bờ Gantry đạt $19\text{ cont/máng/giờ}$ (tương đương $456\text{ cont/máng-ngày}$). Trong khi đó, Cảng Cát Lái áp dụng công nghệ quản lý hiện đại với năng suất bốc dỡ đạt $60\text{ moves/tàu/giờ}$ (tương đương $1.440\text{ cont/tàu-ngày}$).

3. Nguyên tắc phân bổ thời gian dư ($\Delta T$) phát sinh sau khi điều chỉnh chu kỳ chuyến đi là gì?

Khoảng thời gian dư $\Delta T = T^*{ch} - T{ch}$ được phân bổ bổ sung vào thời gian đỗ của tàu tại các cảng theo thứ tự ưu tiên:

  1. Cảng có năng suất xếp dỡ thấp hơn cần nhiều thời gian làm hàng hơn (Tiên Sa).
  2. Cảng có đơn giá cước cầu bến rẻ hơn nhằm tiết kiệm chi phí lưu bến (Tiên Sa có phí đỗ cầu là $35\text{ đ/GT-giờ}$, thấp hơn tương đối so với chi phí tổng hợp và mật độ khai thác tại Cát Lái).
  3. Cảng có mật độ phương tiện lớn hoặc hạn chế về khung giờ hoa tiêu/cầu bến (Cát Lái).

4. Tàu loại 9 và Tàu loại 12 có các thông số kỹ thuật và năng lực chuyên chở khác biệt như thế nào?

Tàu loại 9 (đóng năm 2007 tại Nhật Bản) có dung tích $12.800\text{ GRT}$, sức chở $800\text{ TEU}$, trọng tải thực chở $D_t = 728\text{ TEU}$, tốc độ chở hàng $18\text{ hl/h}$, tiêu thụ $11,4\text{ tấn FO/ngày}$. Tàu loại 12 (đóng năm 2009 tại Hàn Quốc) có dung tích $9.920\text{ GRT}$, sức chở $620\text{ TEU}$, trọng tải thực chở $D_t = 558\text{ TEU}$, tốc độ chở hàng nhanh hơn đạt $22\text{ hl/h}$, tiêu thụ $10,8\text{ tấn FO/ngày}$.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Phan Ngọc Hơn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán kinh tế - kỹ thuật trong việc lập kế hoạch và tổ chức khai thác đội tàu container tuyến Tiên Sa – Cát Lái trong Quý I năm 2022. Thông qua phương pháp lập luận phương án và mô hình toán kinh tế vận tải, công trình đã xác lập được sơ đồ luồng hàng tối ưu, tính toán chuẩn xác các đặc trưng tàu chợ, chu kỳ chuyến đi và chi phí vận hành cho hai phương án phương tiện. Kết quả nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng cao, bám sát các định mức kinh tế - kỹ thuật và biểu cước thực tế của ngành hàng hải Việt Nam.