Luận án nghiên cứu độ lệch tàu do người điều khiển trong thiết kế luồng hàng hải

• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Giao Thông Vận Tải
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Lệch Tàu Do Người Điều Khiển Trong Thiết Kế Luồng Hàng Hải
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu đề tài
• 3. Phương pháp nghiên cứu đề tài
• 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. Tổng quan về nghiên cứu số gia dự phòng bề rộng luồng hàng hải
• 1.1. Các số gia hay các dự phòng bề rộng cho tàu chạy trên luồng
• 1.2. Phương pháp tính toán bề rộng luồng hành hải tại Việt Nam
• 1.3. Mở rộng số gia bề rộng luồng tại những đoạn cong
• 1.4. Dự phòng chiều rộng giữa dải hoạt động của tàu và mái dốc kênh
• 1.5. Hướng dẫn tính các dự phòng số gia chiều rộng chạy tàu theo PIANC

I. Giới thiệu

Việt Nam có một hệ thống giao thông hàng hải phong phú với hơn 100 cảng biển và nhiều tuyến luồng hàng hải. Tuy nhiên, việc thiết kế các luồng hàng hải hiện tại chủ yếu dựa vào các thông số kỹ thuật như độ sâu và chiều rộng luồng mà chưa chú trọng đến yếu tố con người. Độ lệch tàu do người điều khiển tàu gây ra có thể ảnh hưởng lớn đến an toàn hàng hải. Theo nghiên cứu, 80% tai nạn hàng hải là do yếu tố con người. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của con người trong thiết kế luồng hàng hải là rất cần thiết.

II. Tác động của yếu tố con người

Con người là yếu tố quan trọng trong giao thông hàng hải. Hành động của người điều khiển tàu có thể dẫn đến độ lệch tàu trong quá trình di chuyển. Các yếu tố như khí tượng, thủy hải văn, và điều kiện địa lý cũng ảnh hưởng đến khả năng điều khiển tàu. Việc nghiên cứu tác động của con người sẽ giúp cải thiện thiết kế luồng hàng hải, đảm bảo an toàn cho các phương tiện tham gia giao thông. Các nghiên cứu hiện tại chưa đánh giá đầy đủ tác động này, do đó cần có những nghiên cứu sâu hơn để đưa ra các khuyến cáo hợp lý.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp khảo sát thực tiễn và mô phỏng số để đánh giá tác động của yếu tố con người trong điều khiển tàu. Dữ liệu về các loại tàu và điều kiện môi trường sẽ được thu thập để phục vụ cho mô phỏng. Các thử nghiệm thực nghiệm cũng sẽ được tiến hành để xác định độ lệch tàu trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp này sẽ giúp phân tách tác động của từng yếu tố và đánh giá chính xác hơn về độ lệch tàu do người điều khiển tàu.

IV. Kết quả và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở để điều chỉnh các hướng dẫn thiết kế luồng hàng hải hiện tại, đưa yếu tố con người vào trong tính toán. Điều này không chỉ giúp nâng cao an toàn hàng hải mà còn hỗ trợ trong việc quản lý giao thông đường thủy. Các khuyến cáo từ nghiên cứu có thể được áp dụng cho các tuyến luồng hàng hải tại Việt Nam, nhằm giảm thiểu tai nạn và nâng cao hiệu quả khai thác cảng biển. Việc này sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành hàng hải Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hệ thống sông ngòi và bờ biển đa dạng với hơn 100 cảng biển lớn nhỏ, 48 vụng, vịnh và trên 112 cửa sông, cửa lạch đổ ra biển. Dọc theo chiều dài hơn 3000 km bờ biển, có khoảng 39 cảng biển lớn và 73 khu bến với hơn 40 tuyến luồng hàng hải chính, tổng chiều dài gần 800 km. Trong đó, tuyến luồng Định An – Cần Thơ dài nhất với 120 km, còn tuyến luồng ngắn nhất là 0,65 km tại cảng Sa Đéc, Đồng Tháp. Các tuyến luồng hàng hải được thiết kế dựa trên chiều rộng và độ sâu chạy tàu, tuy nhiên, nhiều đoạn luồng có các khúc cong với bán kính nhỏ, như luồng Sài Gòn – Vũng Tàu và Quy Nhơn với bán kính cong nhỏ nhất khoảng 500 m, gây khó khăn cho việc di chuyển tàu thuyền. Hàng năm, Việt Nam đầu tư nạo vét khoảng 6,5 triệu m³ bùn cát nhưng mới thực hiện được khoảng 30% do hạn chế kinh phí.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định độ lệch tàu do người điều khiển gây ra trên các tuyến luồng hàng hải Việt Nam, nhằm phục vụ thiết kế luồng an toàn và hiệu quả hơn. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của yếu tố con người trong điều khiển tàu, kết hợp với các yếu tố ngoại cảnh như gió, dòng chảy và địa hình luồng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tuyến luồng hàng hải chính dọc bờ biển Việt Nam, với dữ liệu khí tượng thủy hải văn thu thập từ 2010 đến 2015 tại các trạm quan trắc đặc trưng như Hòn Dáu, Huế, Lý Sơn và Vũng Tàu.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc bổ sung yếu tố con người vào các tiêu chuẩn thiết kế luồng hiện hành, góp phần nâng cao an toàn giao thông hàng hải, giảm thiểu tai nạn và hỗ trợ quy hoạch phát triển các tuyến luồng phù hợp với thực tế vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học K-T (Kawahara-Takemoto): Mô hình bậc nhất mô tả chuyển động quay của tàu dưới tác động của bánh lái, chân vịt và lực cản nước, được sử dụng để mô phỏng chuyển động tàu trong điều kiện không có yếu tố con người.
• Lý thuyết điều khiển con người trong giao thông hàng hải: Phân tích hành vi và tác động của người điều khiển tàu trong các tình huống khác nhau, đặc biệt khi chịu ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh như gió và dòng chảy.
• Khái niệm độ lệch tàu: Độ lệch ngang của tàu so với tuyến đường đã định do các yếu tố điều khiển và môi trường, là thông số quan trọng để tính toán dự phòng bề rộng luồng.
• Phương pháp thiết kế luồng hàng hải theo Quy trình thiết kế kênh biển 1976 và hướng dẫn PIANC: Các tiêu chuẩn thiết kế luồng dựa trên chiều rộng, độ sâu, dự phòng bề rộng do các yếu tố môi trường và khả năng điều động tàu, tuy nhiên chưa tính đến ảnh hưởng của yếu tố con người.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khí tượng thủy hải văn, thủy triều từ 2010 đến 2015 tại 4 trạm quan trắc khí tượng ven biển đặc trưng (Hòn Dáu, Huế, Lý Sơn, Vũng Tàu). Dữ liệu về hình dạng tuyến luồng, góc ngoặt, chiều rộng và chiều dài các đoạn luồng hàng hải Việt Nam.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng số dựa trên mô hình toán K-T để mô phỏng chuyển động tàu không có tác động của con người. Thực nghiệm mô phỏng buồng lái để thu thập dữ liệu thực tế về ảnh hưởng của người điều khiển trong các điều kiện có và không có tác động của gió.
• Timeline nghiên cứu: Giai đoạn thu thập và phân tích số liệu khí tượng thủy hải văn trong 5 năm (2010-2015), xây dựng mô hình toán và thực hiện mô phỏng số, tiến hành thực nghiệm mô phỏng buồng lái, so sánh và đánh giá kết quả để xác định độ lệch tàu do người điều khiển.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lựa chọn các loại tàu đặc trưng đại diện cho các tuyến luồng chính, tập trung nghiên cứu các đoạn luồng có góc ngoặt đặc trưng (20°, 40°, 60°) với chiều dài đoạn luồng khoảng 3 hải lý. Các trạm khí tượng được chọn đại diện cho các vùng khí hậu ven biển khác nhau của Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm hình dạng tuyến luồng hàng hải Việt Nam: Chiều dài đoạn luồng trung bình khoảng 1856 m, bề rộng trung bình 121 m, góc ngoặt trung bình 25° (1550’0”). Tuyến luồng Sài Gòn – Vũng Tàu có góc ngoặt lớn nhất 37°13’00”, gây khó khăn lớn cho người điều khiển tàu.
2. Ảnh hưởng của gió đến chuyển động tàu: Tại các trạm quan trắc, vận tốc gió thịnh hành trung bình dao động từ 1,3 m/s (Huế) đến 8,5 m/s (Lý Sơn), với vận tốc gió mạnh nhất lên đến 14 m/s (Hòn Dáu). Gió có hướng chủ đạo khác nhau theo vùng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ lệch tàu khi điều khiển trên luồng.
3. Độ lệch tàu do người điều khiển: Thực nghiệm mô phỏng buồng lái cho thấy người điều khiển gây ra độ lệch tàu trung bình khoảng 3 m trên đoạn thẳng và có thể lên đến 7 m trên đoạn cong với góc ngoặt lớn, đặc biệt khi có tác động của gió mạnh. So sánh với mô phỏng số không có yếu tố con người, độ lệch tăng thêm khoảng 20-30% do hành vi điều khiển.
4. Dự phòng bề rộng luồng cần thiết: Kết quả nghiên cứu đề xuất bổ sung dự phòng bề rộng luồng ∆B do yếu tố con người gây ra, trung bình khoảng 0,1 đến 0,2 lần chiều rộng tàu, tùy thuộc vào điều kiện luồng và môi trường. Điều này chưa được xem xét đầy đủ trong các quy trình thiết kế luồng hiện hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ lệch tàu do người điều khiển là sự phức tạp trong hành vi xử lý tình huống, đặc biệt khi tàu di chuyển qua các đoạn cong có bán kính nhỏ và chịu ảnh hưởng của gió, dòng chảy. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy yếu tố con người chiếm tới 80% nguyên nhân tai nạn hàng hải. Việc mô phỏng số không có yếu tố con người chỉ phản ánh khả năng điều động tàu, trong khi thực tế người điều khiển có thể gây ra các sai lệch lớn hơn do phản ứng và kỹ năng khác nhau.

So sánh với các phương pháp thiết kế luồng hiện tại như Quy trình thiết kế kênh biển 1976 và hướng dẫn PIANC, nghiên cứu chỉ ra rằng các dự phòng bề rộng chưa tính đến đầy đủ ảnh hưởng của yếu tố con người, đặc biệt trong các đoạn cong luồng. Việc bổ sung dự phòng này sẽ giúp nâng cao an toàn giao thông hàng hải, giảm thiểu rủi ro va chạm và tai nạn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hoa gió thể hiện phân bố hướng và vận tốc gió tại các trạm quan trắc, bảng thống kê góc ngoặt và chiều rộng luồng, cùng biểu đồ so sánh độ lệch tàu giữa mô phỏng số và thực nghiệm mô phỏng buồng lái.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Bổ sung dự phòng bề rộng luồng ∆B do yếu tố con người: Áp dụng dự phòng từ 0,1 đến 0,2 lần chiều rộng tàu vào thiết kế luồng, đặc biệt tại các đoạn cong có góc ngoặt lớn. Thời gian thực hiện: cập nhật trong các tiêu chuẩn thiết kế luồng trong 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Giao thông Vận tải, Tổng công ty Tư vấn thiết kế Giao thông vận tải.
2. Phát triển hệ thống đào tạo và huấn luyện người điều khiển tàu: Tăng cường đào tạo kỹ năng xử lý tình huống và nhận thức về ảnh hưởng của yếu tố con người trong điều khiển tàu. Thời gian: triển khai liên tục, ưu tiên trong 3 năm. Chủ thể: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, các trung tâm đào tạo hàng hải.
3. Xây dựng hệ thống quản lý giao thông hàng hải hiện đại: Mở rộng và nâng cấp hệ thống quản lý giao thông hàng hải tại các cảng lớn như Sài Gòn – Vũng Tàu, tích hợp dữ liệu về điều kiện môi trường và hành vi người điều khiển. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: Cảng vụ Hàng hải, Bộ Giao thông Vận tải.
4. Nghiên cứu và ứng dụng mô phỏng số và mô phỏng buồng lái: Áp dụng rộng rãi mô phỏng để đánh giá và dự báo độ lệch tàu trong thiết kế luồng và quản lý giao thông. Thời gian: triển khai ngay và duy trì cập nhật. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học, đơn vị thiết kế luồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà thiết kế luồng hàng hải: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cập nhật tiêu chuẩn thiết kế, đảm bảo luồng hàng hải phù hợp với thực tế vận hành và an toàn hơn.
2. Cơ quan quản lý giao thông hàng hải: Áp dụng các khuyến nghị về đào tạo và quản lý để giảm thiểu tai nạn do yếu tố con người.
3. Các trường đại học và trung tâm đào tạo hàng hải: Tích hợp kiến thức về ảnh hưởng yếu tố con người trong chương trình đào tạo, nâng cao chất lượng nguồn nhân lực.
4. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia hàng hải: Tham khảo phương pháp mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về an toàn và thiết kế luồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Yếu tố con người ảnh hưởng như thế nào đến độ lệch tàu trên luồng?
   Yếu tố con người gây ra các sai lệch trong điều khiển tàu do phản ứng và kỹ năng khác nhau, đặc biệt khi tàu di chuyển qua các đoạn cong hoặc chịu ảnh hưởng của gió. Thực nghiệm cho thấy độ lệch do người điều khiển có thể tăng thêm 20-30% so với mô phỏng không có yếu tố con người.

2. Tại sao cần bổ sung dự phòng bề rộng luồng do yếu tố con người?
   Các tiêu chuẩn thiết kế hiện tại chưa tính đầy đủ ảnh hưởng của người điều khiển, dẫn đến nguy cơ thiếu bề rộng luồng cần thiết để đảm bảo an toàn. Bổ sung dự phòng giúp giảm thiểu rủi ro va chạm và tai nạn.

3. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá chuyển động tàu?
   Mô hình toán học K-T được sử dụng để mô phỏng chuyển động tàu trong điều kiện không có yếu tố con người, kết hợp với mô phỏng buồng lái thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của người điều khiển.

4. Dữ liệu khí tượng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Số liệu khí tượng thủy hải văn thu thập từ 2010 đến 2015 tại các trạm quan trắc Hòn Dáu, Huế, Lý Sơn và Vũng Tàu, bao gồm vận tốc và hướng gió, được phân tích để xác định điều kiện môi trường đặc trưng ảnh hưởng đến chuyển động tàu.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
   Kết quả có thể được áp dụng trong cập nhật tiêu chuẩn thiết kế luồng, đào tạo người điều khiển tàu, nâng cấp hệ thống quản lý giao thông hàng hải và phát triển các công cụ mô phỏng hỗ trợ quản lý và thiết kế.

Kết luận

• Việt Nam có hệ thống luồng hàng hải đa dạng với nhiều đoạn cong gây khó khăn cho điều khiển tàu, đặc biệt tuyến Sài Gòn – Vũng Tàu với góc ngoặt lớn nhất 37°13’.
• Yếu tố con người đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra độ lệch tàu, làm tăng nguy cơ tai nạn hàng hải.
• Nghiên cứu đã xác định được mức độ độ lệch tàu do người điều khiển và đề xuất bổ sung dự phòng bề rộng luồng từ 0,1 đến 0,2 lần chiều rộng tàu.
• Phương pháp mô phỏng số kết hợp thực nghiệm mô phỏng buồng lái là công cụ hiệu quả để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến chuyển động tàu.
• Khuyến nghị cập nhật tiêu chuẩn thiết kế luồng, nâng cao đào tạo và quản lý giao thông hàng hải nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành các tuyến luồng hàng hải Việt Nam.

Để tiếp tục phát triển, các cơ quan chức năng và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng khác trong giao thông hàng hải. Hành động ngay hôm nay để nâng cao an toàn và hiệu quả vận tải biển quốc gia.