Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng biển Việt Nam có chiều dài bờ biển khoảng 3.260 km với trên 1 triệu km² vùng đặc quyền kinh tế. Biển Đông giữ vị trí chiến lược trong giao thương hàng hải quốc tế, kết nối Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương. Trong đó, khu vực biển phía Nam trải dài từ Ninh Thuận đến Kiên Giang (thuộc vùng trách nhiệm của Trung tâm Phối hợp tìm kiếm cứu nạn hàng hải Khu vực III - Vũng Tàu MRCC) có mật độ hoạt động kinh tế biển cao, tập trung đội tàu khai thác hải sản xa bờ, tàu dịch vụ du lịch và khai thác dầu khí. Theo thống kê thực tế, số vụ tai nạn và sự cố xảy ra tại khu vực này chiếm tới 44% tổng số vụ tai nạn trên toàn vùng biển Việt Nam do Trung tâm Phối hợp tìm kiếm cứu nạn Hàng hải Việt Nam (VMRCC) quản lý.

Hoạt động tìm kiếm cứu nạn (TKCN) trên biển đòi hỏi tính khẩn trương cao, việc lập kế hoạch phải diễn ra trong thời gian ngắn để bảo đảm an toàn sinh mạng, phương tiện và hàng hóa. Tuy nhiên, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào công tác TKCN tại Việt Nam còn nhiều hạn chế. Các phần mềm thương mại hiện hành như SAROPS là hệ thống đóng, không công khai thuật toán tính toán và khó chủ động nguồn dữ liệu khí tượng hải văn đầu vào. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu dừng lại ở việc dự đoán vị trí trôi dạt mang tính trực quan hoặc định hướng cảm quan, chưa đánh giá độ chính xác của dữ liệu thời tiết thời gian thực và chưa xây dựng được thuật toán xác định tuyến đường chạy tàu TKCN tối ưu nhằm quét bao phủ toàn bộ diện tích xác suất trôi dạt trong thời gian ngắn nhất. Luận án "Nghiên cứu lý thuyết dự đoán quỹ đạo trôi dạt và tính toán tuyến đường tìm kiếm tối ưu cho phương tiện gặp nạn trong vùng biển Ninh Thuận - Kiên Giang" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh gồm gió và dòng chảy tại vùng biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang tác động lên phương tiện gặp nạn, từ đó xác định mức độ trôi dạt và xây dựng thuật toán dự đoán quỹ đạo trôi dạt của vật thể.
  2. Xây dựng thuật toán tính toán tuyến đường tìm kiếm tối ưu căn cứ vào điều kiện thời tiết thực tế, đặc điểm điều động của tàu tìm cứu và khu vực dự đoán của vật thể bị nạn nhằm tiếp cận đối tượng với thời gian ngắn nhất, nâng cao hiệu quả công tác TKCN.

Nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  • Phân tích, đánh giá độ chính xác của các số liệu thời tiết và hải văn chính ảnh hưởng đến công tác TKCN.
  • Mô phỏng khu vực trôi dạt của vật thể bị nạn theo các trường gió và dòng chảy ở khu vực biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang.
  • Xây dựng hàm mục tiêu cho bài toán xác định tuyến đường tìm kiếm tối ưu.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa số để tính toán tuyến đường tìm kiếm bao phủ khu vực có xác suất cao nhất trong thời gian ngắn nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quỹ đạo trôi dạt (vùng trôi dạt) của vật thể bị nạn (tàu cá, phao bè cứu sinh) trên biển và tuyến đường chạy tàu TKCN tối ưu.
  • Phạm vi không gian: Vùng biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang (thuộc vùng trách nhiệm của Vũng Tàu MRCC).
  • Phạm vi nội dung: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dự đoán quỹ đạo trôi dạt, tính toán tuyến đường chạy tàu TKCN tối ưu cho phương án một tàu và hai tàu phối hợp, kiểm chứng kết quả thông qua phần mềm mô phỏng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả luận án đã phân loại và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo hai nhóm vấn đề chính:

1. Hướng nghiên cứu dự đoán sự trôi dạt của vật thể trên biển:

  • Nghiên cứu quốc tế: Chapline, W. (1960) nghiên cứu tính toán dự đoán độ trôi dạt của xuồng bị nạn; Hodgins, D. (1998) phát triển mô hình toán học trôi dạt phao bè cứu sinh và xuồng nhỏ tại vùng biển Canada; Daniel, P. (2002) xây dựng mô hình trôi dạt của container; Gästgifvars, M. và cộng sự (2006) thiết lập mô hình trôi dạt phao bè trong điều kiện thời tiết thay đổi nhanh ở Vịnh Phần Lan; P. Monbet và cộng sự (2006) ứng dụng mô phỏng Monte Carlo dự đoán trôi dạt dưới tác động của thủy triều và gió; Breivik, Ø. và Forest (2012) nghiên cứu thực nghiệm xác định quỹ đạo trôi dạt của container tại vùng biển Na Uy; Alexey Bezgodov và Dmitrii Esin (2014) nghiên cứu mô hình trôi dạt của một số vật thể trong điều kiện biển bất thường. Các nghiên cứu này sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn nhiều năm tại các vùng biển ôn đới, không phản ánh chính xác đặc điểm khí tượng hải văn gió mùa nhiệt đới tại Biển Đông.
  • Nghiên cứu tại Việt Nam: Đàm Duy Hùng, Dương Hồng Sơn, Trần Thùy Nhung, Lê Văn Quy ứng dụng công nghệ Web GIS dự báo quỹ đạo vật thể trôi; Kyoung-Ho Cho, Yan Li, Hui Wang, Kwang-Soon Park, Jin-Yong Choi, Kwang-Il Shin, Jae-Il Kwon phát triển mô hình hệ thống TKCN cho vùng Hoàng Hải, biển Hoa Đông và Biển Đông; Nguyen Quoc Trinh, Nguyen Minh Huan, Phung Dang Hieu, Du Van Toan (2013) mô phỏng trôi dạt của vật thể ở Biển Đông bằng phương pháp số; PGS. Nguyễn Minh Huấn (2015) chủ nhiệm đề tài cấp nhà nước về quy trình công nghệ dự báo quỹ đạo chuyển động trôi phục vụ tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn trên Biển Đông; Tran Luu Hoan với luận án tiến sĩ kỹ thuật "Modeling maritime search area in monsoon conditions" đề xuất mô hình vùng tìm kiếm trong điều kiện gió mùa có diện tích nhỏ hơn hướng dẫn của sổ tay IAMSAR.

2. Hướng nghiên cứu xác định phương án điều động và tuyến đường chạy tàu:

  • Smierzchalski, R. (2000) sử dụng thuật toán tiến hóa xây dựng tuyến đường tránh va; Nguyen Minh Duc và Tamaru Hitoi (2009) nghiên cứu quỹ đạo tránh va cho tàu dựa trên quy hoạch động kết hợp thuật toán Dijkstra; Luận án tiến sĩ của Nguyen Minh Duc ứng dụng thuật toán tối ưu đàn kiến (Ant Colony Optimization) xác định tuyến đường tránh va từ dữ liệu GPS, Radar, AIS; Tsou, Ming-Cheng và Hsueh, Chao-Kuang (2010) áp dụng thuật toán đàn kiến lập kế hoạch chạy tàu phòng ngừa đâm va; Nguyen và cộng sự (ICAIS 2012) ứng dụng thuật toán tối ưu vi khuẩn (Bacterial Foraging Optimization - BFO) tối ưu hóa hàm chi phí tránh va; M. Nguyen và cộng sự (AMFUF 2013) áp dụng thuật toán tối ưu số lập tuyến đường hàng hải khí tượng đa tỉ lệ; Lazarowska, A. (2015) sử dụng thuật toán đàn kiến cho phương tiện không người lái; Laura Walther, Anisa Rizvanolli, Mareike Wendebourg, Carlos Jahn (2016) tổng kết các phương pháp Dijkstra, quy hoạch động, điều khiển tối ưu và đường đẳng thời gian trong định tuyến tàu thời tiết; Raphael Zaccone, Massimo Figari, Michele Martelli (2018) tối ưu hóa tuyến đường tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu theo bản đồ thời tiết; Guedes Soares ứng dụng thuật toán Dijkstra lập tuyến đường an toàn từ dữ liệu AIS.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu định tuyến trước đây tập trung vào bài toán tối ưu đường đi từ điểm đến điểm (Point-to-Point) nhằm mục đích tránh va, tiết kiệm nhiên liệu hoặc tránh thời tiết xấu. Trong lĩnh vực TKCN hàng hải, tuyến đường tìm kiếm đòi hỏi phương tiện phải cơ động từ vị trí trực xuất phát đến biên khu vực xác định và quét phủ kín toàn bộ diện tích có xác suất xuất hiện vật thể bị nạn. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống về việc đánh giá độ tin cậy của dữ liệu thời tiết số dạng lưới (Grib file, OSCAR), kết hợp mô phỏng xác suất trôi dạt 95% và xây dựng thuật toán BFO thích nghi để tự động hóa việc lập phương án tìm kiếm đa hướng cho một tàu và hai tàu SAR phối hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án xây dựng khung phân tích dựa trên các cơ sở lý thuyết hàng hải và toán học tối ưu:

  • Nguyên lý trôi dạt hàng hải: Độ trôi dạt tổng hợp của vật thể (Drift) được xác định thông qua sự kết hợp giữa Dòng chảy tổng hợp (Total Water Current - TWC) và Độ dạt do gió (Leeway). Độ dạt gió bao gồm hai thành phần hình chiếu: thành phần xuôi gió (DownWind component of Leeway - DWL) và thành phần vuông góc với hướng gió (CrossWind component of Leeway - CWL), áp dụng theo chuẩn hướng dẫn của Sổ tay Tìm kiếm Cứu nạn Hàng không và Hàng hải Quốc tế (IAMSAR Manual).
  • Mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo: Dùng để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của hàng ngàn phần tử đại diện cho vật thể bị nạn dưới sự biến thiên ngẫu nhiên của các trường vector gió và dòng chảy bề mặt biển.
  • Kỹ thuật xử lý ảnh/dữ liệu số Median-Filter (Bộ lọc trung vị): Áp dụng để lọc nhiễu, làm mịn biên và cô lập ranh giới vùng tìm kiếm có mức xác suất chứa mục tiêu đạt 95%.
  • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn - Thuật toán vi khuẩn (Bacterial Foraging Optimization - BFO): Dựa trên cơ chế di chuyển tìm kiếm thức ăn, kết bầy, sinh sản và phân tán của vi khuẩn E. Coli, cải tiến thành thuật toán BFO thích nghi để giải bài toán tối ưu hàm mục tiêu thời gian và độ bao phủ không gian trên lưới định vị.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp định lượng và mô phỏng số: Tính toán sai số và độ lệch chuẩn của các tập dữ liệu khí tượng hải văn; thiết lập thuật toán ngẫu nhiên Monte Carlo và thuật toán tối ưu hóa BFO; lập trình mô phỏng các kịch bản tìm kiếm trên công cụ phần mềm.
  • Phương pháp phân tích văn bản và chuyên gia: Rà soát khung pháp lý quốc tế (SAR 79, UNCLOS 1982, SOLAS 1974, ITU, COSPAS-SARSAT) và hệ thống văn bản quy phạm pháp luật Việt Nam; thu thập ý kiến chuyên gia điều động tàu để xác lập các ràng buộc kỹ thuật trong hàm mục tiêu (góc bẻ lái, tốc độ quét, độ rộng vệt tìm kiếm theo điều kiện khí tượng).

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Dữ liệu gió: Bản tin gió dạng Grib file phân giải cao từ Viện Nghiên cứu Phát triển Bền vững Khí quyển Nhân loại (RISH) thuộc Trường Đại học Kyoto (Nhật Bản); dữ liệu từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia (NCHMF); dữ liệu quan trắc thực tế theo giờ tại Trạm hải văn DK I-7 trong năm 2016; dữ liệu từ các đơn vị khí tượng như Đài Khí tượng Thủy văn Nam Bộ, Fugro GEOS, Offshore Weather Service, StratumFive.
  • Dữ liệu dòng chảy: Dữ liệu dòng chảy bề mặt đại dương thời gian thực từ Dự án phân tích dòng chảy bề mặt đại dương (Ocean Surface Current Analyses Real-time - OSCAR) thuộc Trung tâm Nghiên cứu Trái đất và Vũ trụ (Earth and Space Research); dữ liệu từ Viện Nghiên cứu Đại dương Đài Loan (TORI) và NCHMF; số liệu dòng chảy trung bình nhiều năm từ Đề tài KC 09-24 (do PGS. Đinh Văn Ưu chủ trì).
  • Dữ liệu thống kê tai nạn: Báo cáo thống kê sự cố, tai nạn tàu thuyền giai đoạn 2014–2018 từ Trung tâm Phối hợp tìm kiếm cứu nạn Hàng hải Việt Nam (VMRCC) và Vũng Tàu MRCC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công tác tìm kiếm cứu nạn

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở pháp lý và mô hình tổ chức hệ thống TKCN trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Phân tích các điều ước quốc tế mà Việt Nam là thành viên: Công ước SAR 79 (Việt Nam gia nhập năm 2007), UNCLOS 1982 (hiệu lực năm 1994), SOLAS 1974 (hiệu lực năm 1991), Công ước Viễn thông Quốc tế ITU và Công ước COSPAS-SARSAT (hiệu lực năm 2002); cùng các thỏa thuận song phương, đa phương khu vực ASEAN (Hiệp định năm 1972, 1975, 2005; Tuyên bố ASEAN 2010; Thỏa thuận Việt Nam - Philippines 2010; Hiệp định nghề cá Vịnh Bắc Bộ Việt Nam - Trung Quốc 2000).
  • Trình bày hệ thống văn bản pháp luật quốc gia: Bộ luật Hàng hải Việt Nam 2015 (Điều 122), Luật Biển Việt Nam 2012 (Điều 33), Quyết định số 06/QĐ-TTg (2009), Quyết định số 506/QĐ-TTg (2019), Quyết định số 06/2014/QĐ-TTg, Nghị định 30/2017/NĐ-CP, Nghị định 58/2017/NĐ-CP và Thông tư 10/2019/TT-BGTVT.
  • Mô tả phân vùng TKCN của IMO gồm 19 vùng (Việt Nam thuộc Vùng 14 - Đông Nam Á) và mô hình phối hợp cứu nạn tại Việt Nam do Ủy ban Quốc gia Ứng phó sự cố, thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn chỉ đạo, VMRCC là lực lượng nòng cốt.
  • Phân tích đặc điểm khí tượng hải văn vùng biển phía Nam với hai mùa gió thịnh hành: gió mùa Đông Bắc (NE, từ tháng 10 đến tháng 4) và gió mùa Tây Nam (SW, từ tháng 5 đến tháng 8); dòng chảy bề mặt thay đổi hướng theo mùa tương ứng và hình thành các cấu trúc xoáy quy mô trung bình.
  • Tổng hợp số liệu thống kê tai nạn, sự cố trên biển giai đoạn 2014–2018:
Năm Tai nạn tàu cá (Toàn quốc) Tàu biển, loại khác (Toàn quốc) Tổng số vụ việc (VMRCC) Tai nạn tàu cá (Vũng Tàu MRCC) Tàu biển, loại khác (Vũng Tàu MRCC) Tổng số vụ việc (Vũng Tàu MRCC)
2014 177 67 244 74 18 92
2015 116 28 144 81 24 105
2016 337 77 414 97 26 123
2017 394 94 488 152 33 185
2018 198 36 234 147 30 177
Tổng cộng 1222 (80,1%) 302 (19,9%) 1524 (100%) 814 (79,9%) 205 (20,1%) 1019 (100%)

Số liệu cho thấy tai nạn tàu cá chiếm tỷ trọng xấp xỉ 80% trong cơ cấu sự cố hàng hải, và khu vực Vũng Tàu MRCC đảm nhận khối lượng vụ việc lớn (1019 vụ việc trên tổng số 1524 vụ việc của toàn quốc trong 5 năm, chiếm tỷ trọng trung bình 44% số vụ tai nạn cả nước).

Chương 2: Tổng hợp thông tin thời tiết phục vụ tìm kiếm cứu nạn

Chương 2 tập trung vào việc thu thập, xử lý và kiểm định chất lượng các nguồn thông tin khí tượng hải văn phục vụ tính toán trôi dạt:

  • Phân tích bản chất của dòng chảy tổng hợp (TWC - kết hợp giữa hải lưu và dòng chảy gió bề mặt) và các thành phần độ dạt Leeway (DWL, CWL).
  • Khảo sát các nguồn cung cấp thông tin gió: Đánh giá dữ liệu gió dạng Grib file từ Viện RISH (Đại học Kyoto) thông qua việc so sánh với số liệu quan trắc thực tế từng giờ tại trạm hải văn DK I-7 trong năm 2016; kết quả tính toán độ lệch chuẩn về hướng gió và vận tốc gió chứng minh dữ liệu Grib file có độ tin cậy cao, dễ truy cập tự động để tích hợp vào phần mềm.
  • Khảo sát các nguồn dữ liệu dòng chảy bề mặt: So sánh dữ liệu dòng chảy từ NCHMF, Viện TORI, công ty StratumFive và dữ liệu dòng chảy đại dương OSCAR (Earth and Space Research).
  • Phân tích sai số và tính toán độ lệch chuẩn của trường dòng chảy OSCAR đối với khu vực biển phía Nam Việt Nam trong năm 2016, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng dữ liệu OSCAR để dự báo dòng chảy thời gian thực.

Chương 3: Dự đoán quỹ đạo trôi dạt của vật thể bị nạn

Chương 3 trình bày việc áp dụng mô hình toán học và kỹ thuật tính toán ngẫu nhiên để xác định vùng tìm kiếm mục tiêu:

  • Ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để sinh các quỹ đạo chuyển động của vật thể dựa trên vị trí đã biết cuối cùng (Last Known Position - LKP), kết hợp với phân bố xác suất của các vector gió (Grib file) và dòng chảy (OSCAR).
  • Áp dụng bộ lọc trung vị (Median Filter) để xử lý tập hợp điểm trôi dạt phân tán, khử nhiễu dữ liệu và xác định chính xác đường bao vùng tìm kiếm xác suất 95%.
  • Tác giả sử dụng chương trình phần mềm "SEARCH AND RESCUE SUPPORT SOFT" để mô phỏng và kiểm chứng vùng trôi dạt cho 4 nhóm đối tượng gặp nạn với các thông số độ dạt Leeway chuẩn:
    1. Life raft (no canopy, no drogue): Hệ số dạt (Multiplier) = 0.21 kts, Độ lệch góc dạt (Dev) = 240
    2. Life raft (canopy, w/ drogue): Hệ số dạt (Multiplier) = 0.00 kts, Độ lệch góc dạt (Dev) = 280
    3. Fishing vessel (Side-stern Trawler): Hệ số dạt (Multiplier) = 0.0 kts, Độ lệch góc dạt (Dev) = 480
    4. Fishing vessel (Vietnam): Hệ số dạt (Multiplier) = 0.0 kts, Độ lệch góc dạt (Dev) = 450
  • Kết quả mô phỏng thể hiện rõ hình dạng, diện tích và hướng dịch chuyển của vùng xác suất 95% sau các khoảng thời gian trôi dạt, phù hợp với quy luật gió mùa và dòng chảy thực tế tại vùng biển phía Nam.

Chương 4: Sử dụng thuật toán vi khuẩn (BFO) xác định phương án tìm kiếm cứu nạn hiệu quả dựa trên thông tin thời tiết theo thời gian thực

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa đường đi của tàu cứu nạn trên lưới không gian:

  • Đánh giá ưu nhược điểm của các thuật toán tìm kiếm đường đi cổ điển và trí tuệ bầy đàn: Quy hoạch động (Dynamic Programming), Thuật toán đàn kiến (Ant Colony Optimization), Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) và Thuật toán tối ưu vi khuẩn (BFO).
  • Xây dựng mô hình trao đổi thông tin TKCN giữa trung tâm chỉ huy (RCC/RSC), chỉ huy hiện trường (OSC) và các tàu cứu nạn (SRU).
  • Phương án 01 tàu tìm kiếm:
    • Thiết lập hàm mục tiêu tối ưu hóa chi phí thời gian di chuyển từ vị trí trực đến biên vùng tìm kiếm, kết hợp quét phủ kín toàn bộ diện tích xác suất 95%.
    • Tích hợp các ràng buộc về tính năng điều động tàu (bán kính quay trở, góc đổi hướng) và đặc tính quét (độ rộng vệt tìm kiếm hiệu chỉnh theo thời tiết).
    • Sử dụng thuật toán BFO thích nghi kết hợp cơ chế kết bầy để tăng tốc độ hội tụ và tránh rơi vào cực trị địa phương.
  • Phương án 02 tàu phối hợp tìm kiếm:
    • Xây dựng hàm mục tiêu phân chia không gian tìm kiếm đồng bộ cho hai tàu SAR 1 và SAR 2, bảo đảm bao phủ toàn bộ diện tích mục tiêu, triệt tiêu vùng chồng lấn dư thừa và giảm thiểu tổng thời gian quét.
    • Thiết lập các lưu đồ thuật toán khởi tạo quần thể vi khuẩn và vòng lặp phát triển qua các thế hệ.
  • Kết quả thực nghiệm mô phỏng: Thực hiện mô phỏng phương án TKCN đa hướng cho 01 tàu và 02 tàu phối hợp đối với 4 nhóm đối tượng bị nạn đã xác lập ở Chương 3. Kết quả cho thấy thuật toán BFO có tốc độ hội tụ nhanh, vệt quét của các tàu SAR bao phủ trọn vẹn khu vực xác suất 95%, phù hợp với các tiêu chuẩn của Sổ tay IAMSAR.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đánh giá và lựa chọn dữ liệu khí tượng hải văn số: Đã tổng hợp, tính toán kiểm chứng độ lệch chuẩn và khẳng định độ tin cậy của việc kết hợp nguồn dữ liệu gió Grib file (Đại học Kyoto - RISH) và dữ liệu dòng chảy đại dương OSCAR (Earth and Space Research) phục vụ bài toán dự báo chuyển động trôi dạt theo thời gian thực tại vùng biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang.
  2. Quy trình mô phỏng xác định vùng tìm kiếm xác suất: Ứng dụng thành công mô hình Monte Carlo kết hợp bộ lọc trung vị Median Filter để khử nhiễu và thiết lập đường bao vùng tìm kiếm chứa 95% xác suất xuất hiện mục tiêu trôi dạt trên Biển Đông.
  3. Mô hình toán học định tuyến tối ưu bằng thuật toán BFO: Xây dựng hoàn chỉnh hàm mục tiêu và thuật toán tối ưu vi khuẩn (BFO) thích nghi để hoạch định tuyến đường tìm kiếm đa hướng cho phương án 01 tàu và phương án phối hợp 02 tàu SAR, có tính đến các đặc tính điều động thực tế của tàu tìm kiếm và điều kiện sóng gió thời gian thực.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Phát triển phần mềm hỗ trợ công tác TKCN ("SEARCH AND RESCUE SUPPORT SOFT") với giao diện trực quan, tính toán nhanh chóng, cho phép tự động xuất phương án chạy tàu tối ưu để hỗ trợ trực tiếp sỹ quan chỉ huy hiện trường (OSC) và trung tâm điều phối (RCC) ra quyết định.
  • Cung cấp công cụ phục vụ công tác ứng phó sự cố tai nạn hàng hải tại vùng biển phía Nam, góp phần giảm thiểu thời gian tìm kiếm, tăng khả năng cứu nạn sinh mạng và tàu thuyền, đồng thời hỗ trợ công tác quản lý và bảo vệ chủ quyền biển đảo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mô phỏng và tối ưu hóa tuyến đường cho vùng biển phía Nam từ Ninh Thuận đến Kiên Giang; chưa mở rộng đánh giá kiểm định độ lệch chuẩn thời tiết cho toàn bộ các vùng biển khác của Việt Nam (như Vịnh Bắc Bộ hay khu vực quần đảo Trường Sa, Hoàng Sa).
  • Các thử nghiệm và kiểm chứng được tiến hành chủ yếu thông qua hệ thống mô phỏng số và dữ liệu lịch sử quan trắc tại trạm DK I-7, chưa có điều kiện triển khai thử nghiệm thực địa thả phao trôi thực tế song song với quá trình điều động tàu SAR ngoài hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi đánh giá dữ liệu khí tượng và thuật toán tối ưu cho toàn bộ các vùng biển thuộc trách nhiệm TKCN của Việt Nam.
  • Tích hợp thêm các kịch bản phối hợp tìm kiếm phức hợp giữa tàu tìm kiếm chuyên dụng với máy bay trực thăng cứu nạn, máy bay tuần thám biển hoặc nhiều hơn hai tàu SAR cùng hoạt động.
  • Nâng cấp phần mềm hỗ trợ thành hệ thống tích hợp trực tiếp với các thiết bị hàng hải trên buồng lái (AIS, Radar, hải đồ điện tử ECDIS) để tự động cập nhật hải trình theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng và đơn vị hoạt động trong lĩnh vực hàng hải:

  • Trung tâm Phối hợp TKCN Hàng hải Việt Nam (VMRCC, Vũng Tàu MRCC): Tham khảo quy trình tích hợp dữ liệu gió Grib file và dòng chảy OSCAR, cùng thuật toán BFO để nâng cấp phần mềm điều hành, lập phương án tìm kiếm hiện trường.
  • Thuyền viên, sỹ quan điều động tàu tìm cứu: Tham khảo cơ sở tính toán độ rộng vệt quét và cách thức triển khai tuyến đường tìm kiếm đa hướng phủ kín vùng xác suất trôi dạt 95%.
  • Nghiên cứu sinh, giảng viên chuyên ngành Điều khiển tàu biển và Khoa học hàng hải: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo, kỹ thuật xử lý bộ lọc Median Filter và ứng dụng thuật toán trí tuệ bầy đàn (BFO) trong giải quyết các bài toán tối ưu hóa hàng hải.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn vùng biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang làm phạm vi nghiên cứu trọng điểm?

Theo số liệu thống kê giai đoạn 2014–2018 của VMRCC, số vụ tai nạn và sự cố trên vùng biển từ Ninh Thuận đến Kiên Giang (do Vũng Tàu MRCC quản lý) chiếm tới 44% tổng số vụ việc trên toàn vùng biển Việt Nam (1019 trên tổng số 1524 vụ việc). Đây cũng là khu vực có mật độ tàu cá, tàu dịch vụ dầu khí và tuyến hàng hải quốc tế hoạt động dày đặc.

2. Hai nguồn dữ liệu khí tượng hải văn chính được luận án lựa chọn và đánh giá độ chính xác là gì?

Luận án lựa chọn dữ liệu trường gió dạng Grib file của Viện Nghiên cứu Phát triển Bền vững Khí quyển Nhân loại (RISH) thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) và dữ liệu dòng chảy bề mặt đại dương thời gian thực từ Dự án OSCAR của Trung tâm Nghiên cứu Trái đất và Vũ trụ. Độ tin cậy của hai nguồn này đã được tác giả kiểm định thông qua việc tính toán độ lệch chuẩn so với dữ liệu quan trắc thực tế tại trạm hải văn DK I-7 năm 2016.

3. Phương pháp Monte Carlo và bộ lọc Median Filter đóng vai trò gì trong việc xác định vùng tìm kiếm?

Mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để phát sinh hàng loạt quỹ đạo trôi dạt ngẫu nhiên của vật thể dưới tác động đồng thời của vector gió và dòng chảy. Sau đó, kỹ thuật lọc trung vị (Median Filter) được áp dụng nhằm loại bỏ các điểm nhiễu phân tán xa, xác định chính xác đường bao diện tích chứa 95% xác suất xuất hiện của mục tiêu bị nạn.

4. Thuật toán tối ưu vi khuẩn (BFO) được ứng dụng giải quyết bài toán nào trong luận án?

Thuật toán BFO thích nghi được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu: xác định tuyến đường chạy tàu ngắn nhất từ vị trí trực đến biên vùng trôi dạt và dẫn đường cho 01 tàu hoặc 02 tàu SAR phối hợp cơ động quét bao phủ kín toàn bộ diện tích vùng xác suất 95%, có xét đến các ràng buộc về tính năng điều động tàu và điều kiện thời tiết.

5. Luận án đã thực hiện mô phỏng kiểm chứng trên những loại phương tiện gặp nạn cụ thể nào?

Luận án tiến hành mô phỏng trên 4 nhóm đối tượng trôi dạt điển hình:

  • Phao bè cứu sinh không mui, không neo dạt (Life raft no canopy, no drogue);
  • Phao bè cứu sinh có mui, có neo dạt (Life raft canopy, w/ drogue);
  • Tàu cá lưới kéo đuôi/mạn (Fishing vessel Side-stern Trawler);
  • Tàu cá Việt Nam (Fishing vessel Vietnam).

Kết luận

Luận án của tác giả Phạm Ngọc Hà đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp dữ liệu khí tượng hải văn thời gian thực vào quy trình tìm kiếm cứu nạn trên biển cho khu vực từ Ninh Thuận đến Kiên Giang. Bằng việc kết hợp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo, bộ lọc Median Filter và thuật toán tối ưu vi khuẩn BFO, công trình đã xác lập cơ sở khoa học để xác định vùng trôi dạt xác suất 95% và tự động hóa việc lập tuyến đường tìm kiếm tối ưu cho một và hai tàu SAR phối hợp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực vào việc nâng cao năng lực ứng phó sự cố và bảo đảm an toàn hàng hải tại Việt Nam.