CHƯƠNG I. TỔNG QUAN Trong chương này sẽ phân tích thực trạng các cảng biển và các phương án trung chuyển container tại các cảng biển. Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương án chuyển tải để chọn phương án tốt nhất cho việc trung chuyển container tại các cảng có luồng nông và hẹp. Ngoài ra, đề tài tập trung phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực điều khiển cần trục, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài dựa trên cải tiến về mô hình toán đối tượng điều khiển, thuật toán điều khiển và phương thức tiến hành thực nghiệm.
CHƯƠNG II. ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI Phân tích động lực học cần trục container đặt trên phao nổi sẽ được thực hiện trong chương này. Đầu tiên, từ đối tượng thực, tác giả sẽ mô hình hóa đối tượng và xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho cơ hệ. Bằng việc sử dụng phương pháp số dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® sẽ cho các đáp ứng của hệ trong trường hợp hệ thống chưa được tích hợp thuật toán điều khiển.
Các đáp ứng thu được sẽ chỉ ra cần thiết phải xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống để đảm bảo độ chính xác trong quá trình làm hàng. 4 CHƯƠNG III. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Nội dung chương này trình bày việc thiết kế các thuật toán điều khiển cho cần trục container gắn trên tàu dựa trên mô hình toán đã được xây dựng ở Chương 2. Các thuật toán điều khiển sẽ được phân tích và chứng minh ổn định.
Mô phỏng các đáp ứng dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB©/Simulink®. Các đáp ứng của hệ thống điều khiển được phân tích để chứng minh tính bền vững và khả năng làm việc chính xác của hệ thống điều khiển. CHƯƠNG IV. THỰC NGHIỆM Từ các thuật toán điều khiển đã được thiết kế trong Chương 3, để tăng độ tin cậy của kết quả mô phỏng, các thuật toán sẽ được thử nghiệm trên mô hình thí nghiệm.
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ được so sánh, phân tích và chứng minh quy luật tương đồng giữa phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. TỔNG QUAN Chương này sẽ trình bày trình bày về thực trạng cảng biển trên thế giới và Việt Nam, từ đó chỉ ra những yêu cầu mới trong quá trình chuyển tải hàng hóa khi số lượng tàu container cỡ lớn phát triển nhanh thách thức khả năng của các cảng biển trong việc tiếp nhận những tàu này. Mô hình cảng di động được xem là phương thức vận chuyển của thế kỷ XXI, nó đáp ứng được các yêu cầu mới trong sự phát triển mạnh mẽ vận tải container toàn cầu. Các nghiên cứu về động lực học và điều khiển cần trục sẽ được phân tích để chỉ ra những điểm cần cải tiến đối với các nghiên cứu đã công bố, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài này.
Thực trạng các cảng biển trên thế giới và Việt Nam Trên thế giới: Cảng biển là nơi luân chuyển hàng hóa giữa các nơi trên thế giới và là mắt xích quan trọng nhất trong dây chuyền vận tải. Trong xu thế hội nhập, lưu lượng hàng hóa trên toàn cầu ngày càng tăng, hoạt động khai thác cảng đóng vai trò ngày càng quan trọng đối với nền kinh tế, đặc biệt là các cảng container. Nhờ những ưu điểm vượt trội và xu hướng container hóa trên thế giới, cảng container phát triển và phổ biến nhất tại các quốc gia hiện nay. Tỷ trọng container trên tổng lượng hàng hóa tăng từ 22% năm 1980 lên đến 70% năm 2018 và dự báo khoảng 73% vào năm 2020 (Hình 1.
Tổng lượng hàng hóa container thông qua các cảng biển trên thế giới có tốc độ tăng trưởng khoảng 8%/năm giai đoạn 2001 – 2017 và khả năng tăng trưởng 3-4%/năm trong giai đoạn 2018 – 2022, trong đó khu vực Đông Nam Á và Trung Quốc có mức độ tăng trưởng cao hơn so với mức trung bình của thế giới [134]. Với sự tăng trưởng lượng hàng container thông qua các cảng biển, đòi hỏi các cảng biển phải thay đổi hạ tầng, trang thiết bị và công nghệ để đáp ứng được nhu cầu tăng trưởng nóng đối với vận chuyển container. Tuy nhiên, trên thế giới, một số cảng biển đã đạt đến giới hạn và không cho phép mở rộng, một số khu vực tắc nghẽn, một số khu vực khác hạ tầng chưa phát triển dẫn đến thách thức cho việc thay đổi cơ sở hạ tầng cảng (Hình 1. Mặt khác, đi cùng với sự tăng trưởng cả về tỉ trọng và khối lượng container thông qua các cảng biển, các thế hệ tàu tiếp theo đang được phát triển với sức chở dự kiến lên đến 24.
Điều đó đòi hỏi việc cải tạo và xây dựng các cảng 6 nước sâu trở nên cấp bách để có thể tiếp nhận được những tàu có sức chở lớn. Tiếp nhận các tàu container cỡ lớn là một thách thức đối với rất nhiều cảng và khu vực trên thế giới, có thể kể đến như kênh đào Panama1, các cảng sông, các vùng biển nước nông. Tuy nhiên, việc xây dựng và mở rộng cảng mang đến nhiều thách thức như khó khăn về kinh phí, môi trường hoặc những vùng địa lý không cho phép mở rộng cảng. Điều này đặt ra rất nhiều thách thức đối với các cảng trên thế giới trong việc cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với việc vận chuyển container.
Do đó, cần có một giải pháp chuyển tải ngay tại ngoài biển để giải quyết các vấn đề nêu trên. Tỷ trọng hàng container trong vận tải biển [134] Hình 1. Thực trạng các cảng trên thế giới [140] 1 Kênh đào Panama có thể chấp nhận được tàu Panamax qua kênh đào, tàu có sức chở từ 2.100 TEU 7 Tại Việt Nam: Việt Nam có vị trí nằm ngay cạnh Biển Đông-cầu nối thương mại đặc biệt quan trọng trên bản đồ hàng hải thế giới. Biển Đông là tuyến đường vận chuyển quan trọng về mặt kinh tế, giúp trung chuyển hàng hóa từ châu Á đến các khu vực khác trên thế giới.
Có tới 29 tuyến đường hàng hải đi qua Biển Đông trong số 39 tuyến đường hàng hải hiện đang hoạt động trên thế giới (Hình 1. Việt Nam còn sở hữu 3.260 km đường bờ biển, có nhiều vũng vịnh nước sâu, gần tuyến đường hàng hải quốc tế. Khu vực cảng biển phía Bắc của Việt Nam là cửa ngõ kết nối tiếp giáp với các quốc gia Đông Bắc Á như Trung Quốc, Hồng Kông, Hàn Quốc và Nhật Bản. Trong khi đó, khu vực cảng biển miền Nam có vị trí kết nối các nước châu Á trên tuyến vận tải quốc tế đi các khu vực khác trên thế giới.
Hiện tại, Việt Nam đang có 49 cảng biển, 268 bến cảng và 330 cầu cảng cho tàu neo đậu với tổng chiều dài gần 40km. Tuy nhiên, các cảng biển phân bổ không đồng đều giữa các khu vực, với 6 cảng ở miền Bắc, 20 cảng ở miền Trung và 23 cảng ở miền Nam [138]. Luồng hàng hóa vận chuyển đi và đến Việt Nam [137] Tuy có nhiều cảng biển, nhưng khả năng tiếp nhận của các cảng biển này rất hạn chế. Theo Viện Nghiên cứu và Phát triển Logistics, chỉ khoảng 1% bến cảng tại Việt Nam có thể tiếp nhận tàu có trọng tải trên 50.
Trong khi đó, một số cảng trong khu vực Đông Nam Á có thể tiếp nhận tàu có trọng tải lên đến 200. Điều đó ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thu hút hàng hóa thông qua các 8 cảng biển Việt Nam. Nguyên nhân chính dẫn đến điều đó là các cảng lớn của Việt Nam có luồng nông và hẹp. Cảng Hải Phòng có độ sâu lớn nhất luồng vào cảng chỉ ở mức -6,9 m, do đó rất hạn chế trong việc tiếp nhận tàu có trọng tải lớn (Hình 1.
Đa phần các cảng ở Hải Phòng chỉ tiếp nhận các tàu có trọng tải khoảng 10.000 DWT trong điều kiện có tàu lai dắt vào cảng. Cảng Lạch Huyện được đưa vào khai thác (5/2018) có độ sâu luồng lớn nhất -13,8 m, có khả năng tiếp nhận tàu lên đến 75. Tại Quảng Ninh, có cảng nước sâu với độ sâu của luồng đến -10 m nên có thể tiếp nhận được tàu có trọng tải 50. Độ sâu luồng vào cảng Hải Phòng [136] Như vậy, Việt Nam có rất nhiều lợi thế và tiềm năng phát triển ngành kinh tế biển cũng như các dịch vụ cảng biển.
Tuy nhiên, đa phần các cảng của Việt Nam lại có hạn chế trong việc tiếp nhận tàu có tải trọng lớn, đặc biệt là các tàu container cỡ lớn đang được phát triển mạnh mẽ và tham gia vào quá trình vận tải hàng hóa toàn cầu. Để phát huy các lợi thế sẵn có, các cảng biển cần đưa ra các giải pháp để khắc phục những điểm còn tồn tại trong việc cung cấp các dịch vụ nhằm đáp ứng được các yêu cầu tăng trưởng dịch vụ vận chuyển container bằng đường biển. Các phương án trung chuyển container Như đã phân tích, ngày càng nhiều tàu container cỡ lớn tham gia vào quá trình vận chuyển hàng hóa. Điều đó đặt ra vấn đề đối với các cảng biển trong việc tiếp nhận 9 những con tàu này.
Có nhiều phương án được đưa ra để giải quyết vấn đề trên, các phương án này tập trung vào việc trung chuyển container ngay tại ngoài biển, có thể kể đến các phương án sau: Phương án 1 (sử dụng cảng nổi): Container được xếp dỡ từ tàu lớn sang tàu nhỏ, tàu nhỏ chở container vào cảng nội địa, cần trục container gắn trên một thiết bị nổi, thiết bị nổi dùng để chứa container, không dùng để vận chuyển (Hình 1. Đối với phương án này, ưu điểm của nó là khả năng ổn định khi làm việc ngoài biển. Tuy nhiên, do sử dụng cần trục kiểu cần nên thời gian làm hàng lâu hơn do đặc điểm quay trở của nó, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của cần trục. Mô hình cảng nổi Phương án 2 (sử dụng cảng trung chuyển ngoài khơi): Phương án này giúp việc chuyển tải nhanh hơn, khắc phục được nhược điểm về thời gian làm hàng của Phương án 1 do sử dụng hệ thống cổng trục trong quá trình xếp dỡ hàng hóa (Hình 1.
Nhược điểm của phương án này là xây dựng cảng trung chuyển ngoài khơi sẽ tốn nhiều chi phí hơn so với xây dựng cảng nội địa và gây ra ô nhiễm môi trường khi xây dựng cảng. Kết cấu hạ tầng của cảng cần phải đáp ứng được điều kiện khắc nghiệt ở ngoài biển. Khi cảng được xây dựng ngay ngoài biển đòi hỏi kết cấu công trình, vật liệu chế tạo công trình cao hơn rất nhiều so với việc xây dựng cảng nội địa. Do đó, phương án này cần phải cân nhắc kỹ lưỡng khi áp dụng vào thực tế khai thác và chuyển tải container.