Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF trong hệ thống GMDSS Việt Nam" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thái Dương thực hiện tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, thuộc chuyên ngành Khoa học Hàng hải (mã số: 62840106), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Xuân Việt và PGS. Nguyễn Cảnh Sơn, bảo vệ năm 2017.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.260 km, trải dài trên 13 vĩ độ, giữ vị trí trung tâm trong khu vực châu Á và là mắt xích trên các tuyến vận tải biển huyết mạch kết nối giữa Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương. Sau khi chính thức gia nhập Công ước Quốc tế về Tìm kiếm và Cứu nạn Hàng hải (SAR-79) theo Quyết định số 06/2009/QĐ-TTg ngày 15/01/2009 của Thủ tướng Chính phủ, việc củng cố và hoàn thiện hệ thống Thông tin Cứu nạn và An toàn Hàng hải Toàn cầu (GMDSS) trở thành nhiệm vụ pháp lý và kỹ thuật quan trọng.

Hệ thống mạng đài bờ sóng trung (MF - Medium Frequency) của Việt Nam được xây dựng từ đầu những năm 1980 và phát triển theo các quy hoạch trước đây (tiêu biểu là Quyết định số 269/QĐ-TTg ngày 26/04/1996 và sau đó là Quyết định số 1054/QĐ-TTg ngày 26/06/2014 phê duyệt quy hoạch đến năm 2020, định hướng đến năm 2030). Tuy nhiên, thực tế mạng lưới đài bờ MF tồn tại các khoảng trống kỹ thuật:

  1. Việc bố trí các đài bờ còn mang tính lịch sử, nhiều vị trí quá gần nhau dẫn đến chồng lấn vùng phủ sóng gây lãng phí đầu tư và tài nguyên tần số (ví dụ: đoạn bờ biển từ Hải Phòng đến Móng Cái dài 77 hải lý nhưng bố trí 4 đài bờ MF với khoảng cách chỉ 19–45 hải lý).
  2. Dữ liệu công bố trong Thông tư GMDSS Master Plan (GMDSS.18) của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) ghi nhận đồng loạt bán kính vùng phủ của tất cả 13 đài bờ MF Việt Nam là 200 hải lý; con số này mang tính danh định, chưa phản ánh đúng điều kiện truyền sóng đất thực tế, tạp âm vô tuyến và đặc tính kỹ thuật riêng biệt của từng đài.
  3. Thiếu một cơ sở dữ liệu số hóa thống nhất, các phương pháp tính toán cự ly vùng biển A2 còn thủ công, và chưa có công cụ quy hoạch tối ưu hóa tự động dựa trên các giải thuật toán học và mô phỏng hiện đại.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích cốt lõi của luận án được xác định rõ:

  1. Nghiên cứu xác lập cơ sở pháp lý, khoa học và thực tiễn cho việc thiết lập mạng đài bờ MF trong hệ thống GMDSS Việt Nam.
  2. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu và phần mềm tính toán bán kính vùng phủ sóng (R) cho các đài bờ MF.
  3. Nghiên cứu, đề xuất giải pháp quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF trong hệ thống GMDSS Việt Nam nhằm xác định số lượng đài bờ tối thiểu, phân bố vị trí hợp lý dọc bờ biển và hải đảo, đảm bảo phủ kín vùng biển A2, giảm thiểu diện tích chồng lấn không cần thiết và kế thừa tối đa cơ sở hạ tầng hiện hữu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng đài bờ sóng trung (MF) phục vụ thông tin cấp cứu, an toàn và trực canh gọi chọn số (DSC).
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống mạng đài bờ MF thuộc hệ thống GMDSS của Việt Nam, trong phạm vi vùng biển trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn được IMO công bố (ấn phẩm NP.285) và định hướng quy hoạch đến năm 2020, tầm nhìn 2030.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành tổng hợp, phân tích các khung pháp lý, công trình khoa học trong và ngoài nước:

Các công trình và tiêu chuẩn quốc tế

  • Tài liệu và nghị quyết của IMO: Công ước SOLAS 74/88 (Chương IV về thông tin vô tuyến điện); Sổ tay GMDSS Manual; Nghị quyết A.283(VIII) quy định nguyên tắc xây dựng GMDSS; Nghị quyết A.801(19) quy định tiêu chuẩn thiết lập, trang thiết bị và khả năng cung cấp dịch vụ GMDSS; Sổ tay hướng dẫn tìm kiếm cứu nạn hàng hải quốc tế IAMSAR Manual; Thông tư GMDSS.18 ngày 01/09/2015 công bố Quy hoạch tổng thể GMDSS toàn cầu (GMDSS Master Plan).
  • Khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU): Khuyến nghị ITU-R P. về truyền lan sóng vô tuyến; Khuyến nghị ITU-R M.2201, ITU-R M.2010, ITU-R M.2058-0 liên quan đến hệ thống truyền dữ liệu an toàn hàng hải số hóa băng rộng NAVDAT trên dải tần MF/HF.
  • Nghiên cứu kỹ thuật quốc tế: Marcos Crego García (2009) với công trình "Calculation of radio electrical coverage in Medium-Wave Frequencies" (Universitat de Vic); Daniel Humire với nghiên cứu "MF Groundwave Propagation Modelling for Maritime Networks"; các ứng dụng phần mềm tính toán truyền sóng đất như GRWAVE và NOISEDAT của ITU, cùng giải pháp thương mại của ATDI mô hình hóa truyền sóng dưới 30 MHz.

Các nghiên cứu và văn bản trong nước

  • Quyết định số 597/QĐ-TTg (1997) và Quyết định số 269/QĐ-TTg (1996) của Thủ tướng Chính phủ về quy hoạch hệ thống đài thông tin duyên hải (TTDH).
  • Đề tài khoa học cấp nhà nước thuộc Chương trình KC.01 (1996–2000) do PGS. Trần Đắc Sửu làm chủ nhiệm: "Nghiên cứu ứng dụng định vị toàn cầu trong ngành Hàng hải Việt Nam" (1997).
  • Luận văn thạc sĩ của Trần Xuân Việt (2000) về "Nghiên cứu thiết lập hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam trong hệ thống GMDSS" và công trình năm 2012 trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải: "Cơ sở khoa học đánh giá kế hoạch tổng thể phát triển hệ thống GMDSS".
  • Luận văn thạc sĩ của Trương Thanh Bình (2011) về "Nghiên cứu đánh giá quy hoạch tổng thể hệ thống GMDSS".
  • Báo cáo quy hoạch của Cục Hàng hải Việt Nam - Bộ Giao thông Vận tải (2014) làm cơ sở cho Quyết định số 1054/QĐ-TTg.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây dừng lại ở mức mô tả hiện trạng, thống kê hoặc tính toán đơn lẻ từng trạm đài bằng công cụ thủ công. Luận án định vị trọng tâm giải quyết bài toán quy hoạch mạng lưới ở quy mô toàn diện: kết hợp lý thuyết truyền sóng đất, xử lý số liệu tạp âm vô tuyến tự động, mô hình hóa hình học đường bờ biển phức tạp bằng khoảng cách Hausdorff và áp dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) để tìm cấu hình mạng đài bờ MF tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Lý thuyết phân vùng thông tin biển GMDSS (SOLAS 74/78):
    • Vùng biển A1: Phủ sóng bởi ít nhất một đài bờ VHF/DSC liên tục (tầm xa 20–30 hải lý).
    • Vùng biển A2: Nằm ngoài vùng A1, phủ sóng bởi ít nhất một đài bờ MF/DSC liên tục trên tần số 2187,5 kHz và thoại 2182 kHz (tầm xa 100–150 hải lý).
    • Vùng biển A3: Nằm ngoài vùng A1 và A2, thuộc phạm vi phủ sóng của vệ tinh địa tĩnh INMARSAT (70°N đến 70°S).
    • Vùng biển A4: Vùng cực ngoài A1, A2, A3, được phục vụ bởi hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp COSPAS-SARSAT.
  2. Lý thuyết truyền lan sóng đất (Ground Wave) dải sóng trung MF:
    • Cự ly vùng biển A2 được xác định dựa trên cường độ trường sóng đất của tần số phát DSC cứu nạn 2187,5 kHz truyền trên bề mặt nước biển, chịu ảnh hưởng của độ dẫn điện môi trường, công suất bức xạ hiệu dụng (ERP), độ lợi anten và mức tạp âm vô tuyến địa phương (atmospheric noise).
    • Sử dụng phần mềm NOISEDAT của ITU để tính toán phổ tạp âm vô tuyến theo tọa độ địa lý và thời gian trong năm.
    • Sử dụng phần mềm GRWAVE của ITU để tính toán sự suy giảm cường độ trường sóng đất theo khoảng cách.
    • Tỷ số tín hiệu trên tạp âm ($S/N$) và xác định bán kính phủ sóng $R$ đáp ứng ngưỡng thu tín hiệu DSC tối thiểu theo quy định IMO/ITU.
  3. Lý thuyết hình học và khoảng cách Hausdorff:
    • Dùng để đo lường mức độ sai lệch hình học giữa vùng phủ sóng thực tế của tập hợp các đài bờ được chọn với đường bao giới hạn ngoài của vùng trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn trên biển.
  4. Giải thuật tối ưu hóa tiến hóa (Genetic Algorithm - GA):
    • Áp dụng kỹ thuật mã hóa nhiễm sắc thể dạng chuỗi nhị phân (0/1), sử dụng toán tử lai ghép đa điểm (multi-point crossover) và toán tử đột biến đảo ngược (inversion mutation) để giải bài toán tối ưu tổ hợp rời rạc với không gian tìm kiếm lớn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp các quy chuẩn, công ước quốc tế và quy định pháp lý quốc gia về GMDSS và phân định vùng biển.
  • Phương pháp giải tích: Thiết lập các thuật toán tính bán kính vùng phủ $R$, giải phương trình truyền sóng và tính toán mức tạp âm tại các trạm bờ.
  • Phương pháp phân tích kinh nghiệm: Khảo sát, so sánh mô hình quy hoạch mạng đài GMDSS của các quốc gia tiêu biểu (Nhật Bản và Na Uy) để rút ra bài học áp dụng cho điều kiện đặc thù của Việt Nam.
  • Phương pháp mô phỏng số và xây dựng phần mềm: Lập trình công cụ tính toán, số hóa bản đồ bờ biển, xây dựng bộ cơ sở dữ liệu và thử nghiệm mô phỏng thuật toán quy hoạch trên máy tính.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Cơ sở dữ liệu danh bạ đài bờ GMDSS toàn cầu từ Thông tư GMDSS.18 của IMO.
  • Tọa độ địa lý đường bờ biển Việt Nam và các mốc ranh giới trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn (NP.285).
  • Thông số kỹ thuật của 13 đài bờ MF hiện hữu thuộc Công ty TNHH MTV Thông tin Điện tử Hàng hải Việt Nam (VISHIPEL).
  • Tập hợp 82 vị trí đài bờ cơ sở tiềm năng được thiết lập dọc bờ biển Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐÀI BỜ MF TRONG HỆ THỐNG GMDSS VIỆT NAM

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử ra đời, cấu trúc chức năng của GMDSS từ năm 1973, Công ước SAR-79, đến các sửa đổi của SOLAS 74/88 (có hiệu lực từng phần từ 01/02/1992 và đầy đủ từ 01/02/1999). Chức năng thông tin GMDSS bao gồm 3 nhóm: Thông tin phục vụ tìm kiếm cứu nạn; Thông tin an toàn hàng hải (MSI qua NAVTEX 518/490 kHz, SafetyNET, HF NBDP, và công nghệ mới NAVDAT tốc độ 12–18 kbps); Thông tin thương mại và khai thác tàu.

Phân tích quy hoạch GMDSS quốc tế

Dựa trên Thông tư GMDSS.18 của IMO, luận án phân loại 3 nhóm quốc gia và phân tích sâu 2 mô hình điển hình:

  • Nhật Bản (vùng vĩ độ trung bình): Ưu tiên thông tin vệ tinh (INMARSAT, COSPAS-SARSAT, MSAT); không thiết lập vùng biển A1 bằng VHF/DSC toàn diện mà tập trung phủ kín vùng biển A2 bằng mạng đài bờ MF (gồm 11 đài chính và 24 đài giám sát/mornitor station, cùng 1 đài bờ HF Tokyo Coast Guard Radio kết nối 11 trung tâm cứu nạn).
  • Na Uy (vùng vĩ độ cao): Thông tin vệ tinh địa tĩnh kém hiệu quả, do đó ưu tiên phát triển thông tin mặt đất. Na Uy thiết lập mạng VHF gồm 5 đài chính điều khiển 104 đài giám sát để phủ kín vùng biển A1; mạng MF gồm 5 đài chính điều khiển 11 đài giám sát phủ kín vùng biển A2; không duy trì đài bờ HF.

Bảng 1.1: Trích lược thống kê quy hoạch tổng thể GMDSS toàn cầu theo GMDSS.18

STT Quốc gia DSC A1 DSC A2 DSC A3/A4 NAVTEX HF NBDP SafetyNET Cospas-Sarsat LUT/MCC
1 Hoa Kỳ (USA) P O O O O O O / O
2 Vương quốc Anh (UK) O O - O - O O / O
3 Nhật Bản - O O O - O O / O
4 Na Uy O O - O - T T / T
5 Pháp O O O O O O O / O
6 Việt Nam O O O O P O O / O
7 Indonesia O P O O P - O / O
8 Triều Tiên (P.Korea) - - - O - - - / -
9 Cuba - - - P - - - / -

(Ghi chú: O: Đang hoạt động - Operational; P: Đã quy hoạch - Planned; T: Đang thử nghiệm - Under trial).

Đánh giá thực trạng mạng đài bờ tại Việt Nam

Quy chuẩn mã số nhận dạng dịch vụ di động hàng hải đài bờ Việt Nam tuân thủ cấu trúc: 00574Axxx (trong đó 00 là mã đài bờ, 574 là mã quốc gia MID của Việt Nam, A từ 1 đến 4 đại diện cho 4 Trung tâm phối hợp tìm kiếm cứu nạn hàng hải khu vực - MRCC I, II, III, IV).

  • Mạng đài bờ VHF: Gồm 18 đài đang hoạt động và quy hoạch thêm 14 đài. Luận án phân tích việc cố gắng phủ kín vùng biển A1 dọc 3.260 km bờ biển bằng VHF là không khả thi và tốn kém (cần ít nhất 40 đài đặt cách nhau 45 hải lý, chưa kể các góc lõm bờ biển và tuyến luồng hành hải Bắc - Nam cách bờ xa ngoài tầm 30 hải lý của VHF). Do đó, Việt Nam nên theo mô hình Nhật Bản: tập trung VHF cho khu vực mật độ cao, luồng cảng biển và hải đảo.
  • Mạng đài bờ HF: Duy trì 3 đài tại Hải Phòng (trực canh 4, 6, 8, 12, 16 MHz), Đà Nẵng (6, 8 MHz) và TP. Hồ Chí Minh (8 MHz).
  • Mạng đài bờ MF: Gồm 13 đài bờ đang hoạt động trực canh DSC 2187,5 kHz, tất cả đều đăng ký bán kính phủ sóng 200 hải lý.

Bảng 1.2: Danh mục hệ thống 13 đài bờ MF hiện hữu của Việt Nam theo Thông tư GMDSS.18

TT Tên đài bờ MF Mã nhận dạng MMSI Tọa độ địa lý Cự ly công bố (Hải lý) Tình trạng
1 Móng Cái 005741010 21°31'38"N - 107°58'19"E 200 Hoạt động
2 Cửa Ông 005741020 21°01'12"N - 107°24'01"E 200 Hoạt động
3 Hòn Gai 005741030 20°57'15"N - 107°04'22"E 200 Hoạt động
4 Hải Phòng 005741040 20°50'55"N - 106°41'19"E 200 Hoạt động
5 Bến Thủy 005741070 18°30'57"N - 105°42'21"E 200 Hoạt động
6 Huế 005742020 16°32'38"N - 107°38'24"E 200 Hoạt động
7 Đà Nẵng 005742030 16°03'32"N - 108°12'32"E 200 Hoạt động
8 Phú Yên 005742070 12°53'40"N - 109°27'12"E 200 Hoạt động
9 Nha Trang 005742080 12°16'00"N - 109°10'00E 200 Hoạt động
10 Hồ Chí Minh 005743030 10°23'32"N - 107°08'57"E 200 Hoạt động
11 Vũng Tàu 005743020 10°20'72"N - 107°05'67"E 200 Hoạt động
12 Kiên Giang 005743080 09°22'00"N - 104°26'00"E 200 Hoạt động
13 Cà Mau 005743070 09°12'01"N - 105°10'48"E 200 Hoạt động

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU CÁC ĐÀI BỜ MF

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán tính toán bán kính vùng phủ sóng $R$ thực tế cho từng đài bờ MF và thiết kế hệ thống phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu.

Phương pháp tính bán kính vùng phủ $R$ của đài bờ MF

  • Đặc điểm truyền sóng: Dải sóng MF (300 kHz – 3.000 kHz), tần số trực canh DSC 2187,5 kHz truyền lan chủ yếu bằng sóng đất ban ngày và kết hợp sóng không gian ban đêm. Việc tính toán vùng biển A2 căn cứ vào chế độ truyền sóng đất ban ngày để đảm bảo độ tin cậy trực canh liên tục 24/7.
  • Quy trình tính toán:
    1. Trích xuất mức tạp âm vô tuyến địa phương từ phần mềm NOISEDAT tại vị trí đài (ví dụ tính toán chi tiết tại Bảng 2.2 và 2.3 đối với đài Đà Nẵng).
    2. Xác định tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu ($S/N$) đối với phương thức DSC và công suất phát hiệu dụng.
    3. Sử dụng mô hình truyền lan sóng đất GRWAVE tính toán suy hao truyền sóng qua môi trường biển để tìm cường độ trường tại các cự ly khác nhau (Bảng 2.4).
    4. Xác định giá trị bán kính $R$ tại điểm cường độ trường suy giảm chạm ngưỡng thu cho phép (lưu đồ thuật toán Hình 2.2; ví dụ tính toán bán kính đài Đà Nẵng tại Hình 2.5, đài Nha Trang tại Hình 2.12).

Thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và phần mềm

Tác giả xây dựng sơ đồ phân cấp chức năng, sơ đồ luồng dữ liệu mức ngữ cảnh và mức đỉnh:

  • Bảng cấu trúc thông tin tính bán kính vùng phủ sóng (Bảng 2.5).
  • Bảng thông tin người dùng và phân quyền quản trị (Bảng 2.6).
  • Bảng cấu trúc thông tin đài bờ (Bảng 2.7) bao gồm: Tên đài, vị trí tọa độ, mã MMSI, công suất máy phát, độ cao và độ lợi anten, bán kính $R$ tính toán, tình trạng hoạt động.
  • Giao diện chương trình cho phép quản lý đài, sao lưu, phục hồi dữ liệu và kết xuất bản đồ vùng phủ sóng đơn đài và đa đài trực quan (Hình 2.8 đến 2.13).

CHƯƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP QUY HOẠCH MẠNG ĐÀI BỜ MF

Chương 3 xây dựng các thuật toán quy hoạch mạng đài bờ dựa trên phương pháp hình học.

Quy hoạch đơn giản theo khoảng cách liền kề

  • Dựa trên quan hệ hình học giữa 2 đài liền kề có bán kính phủ sóng $R_1, R_2$ để đảm bảo phủ kín dải ven biển có độ rộng yêu cầu.
  • Luận án phân tích 2 kịch bản:
    1. Quy hoạch đơn giản không tính đến đài sẵn có (Hình 3.5): Bố trí các đài cách đều lý tưởng.
    2. Quy hoạch đơn giản có tính đến đài sẵn có (Hình 3.7): Cố định cụm 3 đài hạt nhân (Hải Phòng, Đà Nẵng, TP. Hồ Chí Minh - Hình 3.6) và lấp đầy các khoảng trống còn lại.

Quy hoạch hình học theo khoảng cách Hausdorff

Do đường bờ biển Việt Nam uốn lượn phức tạp và đường ranh giới trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn ngoài khơi không đồng đều, phương pháp hình học đơn giản bộc lộ sai số lớn. Tác giả đề xuất thuật toán quy hoạch hình học sử dụng khoảng cách Hausdorff:

  1. Thiết lập tập điểm cơ sở: Luận án số hóa và xác định tập hợp gồm 82 vị trí đài cơ sở dọc theo đường bờ biển Việt Nam từ Bắc vào Nam (Bảng 3.1, Hình 3.11).
  2. Xác định đường bao giới hạn ngoài: Số hóa tập hợp các điểm mốc biên giới hạn trách nhiệm cứu nạn trên biển (Hình 3.14).
  3. Hiệu chỉnh vị trí mốc: Tinh chỉnh các điểm nhạy cảm về địa hình (như đài số 33 - Huế, đài số 36 - Đà Nẵng, các điểm giới hạn ngoài số 36 và 45 - Hình 3.13, 3.15).
  4. Thực nghiệm quy hoạch hình học với các bán kính giả định:
    • Bán kính $R = 131$ hải lý (Hình 3.16).
    • Bán kính $R = 144$ hải lý (Hình 3.18).
    • Bán kính $R = 163$ hải lý (Hình 3.17).
    • Bán kính $R = 200$ hải lý (Hình 3.19).
    • Bán kính $R = 215$ hải lý (Hình 3.20).

Kết quả chương 3 chỉ ra rằng phương pháp hình học thuần túy xác định được số lượng và vị trí tương đối, nhưng gặp khó khăn khi xử lý bài toán đa mục tiêu (vừa tối thiểu số đài, vừa tối đa độ phủ, vừa tối ưu chi phí đầu tư và kế thừa đài cũ).

CHƯƠNG 4. QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG ĐÀI BỜ MF SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

Chương 4 là phần đóng góp khoa học trọng tâm của luận án, đưa bài toán bố trí mạng đài bờ MF về bài toán tối ưu hóa tổ hợp phi tuyến.

Khảo sát các thuật toán tối ưu hóa

Luận án tiến hành phân tích lý thuyết, so sánh ưu nhược điểm của 6 thuật toán:

  1. Thuật toán vét cạn (Exhausted Search - ES): Độ phức tạp hàm mũ $2^{82}$, không khả thi về thời gian tính toán.
  2. Thuật toán leo đồi (Hill Climbing - HC): Dễ rơi vào cực trị địa phương (local optimum).
  3. Thuật toán luyện kim (Simulated Annealing - SA): Khắc phục được cực trị địa phương nhưng tốc độ hội tụ chậm.
  4. Thuật toán tìm kiếm Tabu (Tabu Search - TS): Hiệu quả nhưng phụ thuộc nhiều vào cấu trúc danh sách Tabu.
  5. Thuật toán tối ưu đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO): Thích hợp cho bài toán tìm đường đi hơn là bài toán chọn tập con vị trí.
  6. Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA): Khả năng tìm kiếm toàn cục mạnh mẽ, xử lý tốt không gian nhị phân rời rạc của 82 điểm cơ sở.

Thiết kế thuật toán di truyền (GA) cho bài toán quy hoạch đài bờ MF

  • Mã hóa: Một cá thể (nhiễm sắc thể) là một vector nhị phân độ dài 82 bit: $X = (x_1, x_2, ..., x_{82})$ với $x_i \in {0, 1}$ (trong đó $x_i = 1$ là chọn đặt đài tại vị trí cơ sở $i$, $x_i = 0$ là không đặt).
  • Hàm thích nghi (Fitness Function): Xây dựng dựa trên 3 tiêu chí: tối thiểu tổng số lượng đài được kích hoạt ($\sum x_i$), tối đa hóa diện tích vùng biển A2 được bao phủ, và phạt nặng diện tích phủ ngoài vùng trách nhiệm hoặc diện tích chồng lấn vượt ngưỡng.
  • Toán tử di truyền: Áp dụng lai ghép đa điểm (Multi-point crossover - Hình 4.3) và đột biến đảo ngược (Inversion mutation - Hình 4.4).

Kết quả thử nghiệm mô phỏng quy hoạch tối ưu

Tác giả xây dựng chương trình (Hình 4.5) và chạy thực nghiệm qua các kịch bản:

  1. Khảo sát hội tụ quy hoạch tổng quát theo số thế hệ lặp:
    • Số lần lặp $N = 10$ (Hình 4.6).
    • Số lần lặp $N = 100$ (Hình 4.7).
    • Số lần lặp $N = 1.000$ (Hình 4.8).
    • Số lần lặp $N = 5.000$ (Hình 4.9).
    • Số lần lặp $N = 10.000$ (Hình 4.10).
    • Số lần lặp $N = 20.000$ (Hình 4.11): Thuật toán đạt trạng thái hội tụ ổn định, tìm ra cấu hình tối ưu toàn cục.
  2. Quy hoạch tối ưu có kế thừa hạ tầng các đài sẵn có:
    • Kế thừa 01 đài đơn lẻ: Đài Hải Phòng (Hình 4.12), đài Đà Nẵng (Hình 4.13), đài Hồ Chí Minh (Hình 4.14), đài Mũi Cà Mau (Hình 4.15).
    • Kế thừa tổ hợp 02 đài: Hải Phòng – Đà Nẵng (Hình 4.16), Hải Phòng – Hồ Chí Minh (Hình 4.17), Đà Nẵng – Hồ Chí Minh (Hình 4.18), Hải Phòng – Mũi Cà Mau (Hình 4.19), Hồ Chí Minh – Mũi Cà Mau (Hình 4.20).
    • Kế thừa tổ hợp 03 đài: Hải Phòng – Đà Nẵng – Hồ Chí Minh (Hình 4.21); Đà Nẵng – Hồ Chí Minh – Mũi Cà Mau (Hình 4.22); Hải Phòng – Đà Nẵng – Mũi Cà Mau (Hình 4.23).
    • Kế thừa tổ hợp 04 đài chính: Hải Phòng – Đà Nẵng – Hồ Chí Minh – Mũi Cà Mau (Hình 4.24).
    • Kế thừa tối ưu tổng hợp: Chọn lọc kế thừa 08 đài hợp lý trong số 13 đài cơ sở hiện hữu (Hình 4.25), cho phép vừa tiết kiệm tối đa chi phí xây mới, vừa loại bỏ triệt để các đài chồng lấn không hiệu quả tại khu vực Đông Bắc.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể sau:

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Hệ thống hóa toàn diện cơ sở pháp lý, kỹ thuật và thực tiễn của mạng đài bờ MF trong hệ thống GMDSS quốc tế và Việt Nam.
  2. Thiết lập phương pháp luận tính toán bán kính phủ sóng $R$ của đài bờ MF dựa trên sự kết hợp giữa mô hình truyền sóng đất GRWAVE và mô hình tạp âm vô tuyến NOISEDAT của ITU, phản ánh đúng đặc tính lan truyền sóng tại từng tọa độ địa lý.
  3. Ứng dụng thành công lý thuyết khoảng cách Hausdorff trong quy hoạch hình học mạng lưới trạm vô tuyến ven bờ, và ứng dụng giải thuật di truyền (GA) với toán tử lai ghép đa điểm và đột biến đảo ngược để giải quyết bài toán quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh số hóa 82 vị trí đài cơ sở tiềm năng dọc theo bờ biển Việt Nam cùng hệ thống quản trị dữ liệu đài bờ chuyên dụng.
  2. Cung cấp phần mềm tính toán bán kính phủ sóng $R$ và tự động tìm kiếm phương án bố trí đài bờ tối ưu.
  3. Đưa ra các phương án quy hoạch cụ thể:
    • Chứng minh phương án tối ưu giảm thiểu số lượng đài cần thiết mà vẫn đảm bảo phủ kín 100% vùng biển A2 thuộc trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn của Việt Nam.
    • Đưa ra giải pháp kế thừa chọn lọc 8 đài trong số 13 đài hiện hữu, khắc phục triệt để tình trạng lãng phí và can nhiễu do chồng lấn vùng phủ sóng tại khu vực vịnh Bắc Bộ và Đông Bắc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các tính toán bán kính truyền sóng sóng đất dựa trên thông số tạp âm vô tuyến trung bình từ mô hình NOISEDAT của ITU; chưa có điều kiện tích hợp chuỗi số liệu đo đạc thực địa dài ngày về cường độ trường và tạp âm vô tuyến tại tất cả 82 điểm bờ biển.
  • Mô hình quy hoạch tập trung giải quyết tối ưu hóa cho mạng đài bờ MF vùng biển A2 độc lập, chưa xét đến bài toán phối hợp tối ưu hóa đa tầng đồng thời giữa VHF (vùng A1), MF (vùng A2) và vệ tinh INMARSAT (vùng A3).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tích hợp số liệu đo kiểm thực tế cường độ trường tại các vùng biển đặc thù để hiệu chỉnh tham số độ dẫn điện của nước biển và địa hình cục bộ trong phần mềm tính bán kính $R$.
  2. Mở rộng bài toán quy hoạch tối ưu cho hệ thống thông tin an toàn hàng hải số hóa tốc độ cao NAVDAT trên dải tần MF (500 kHz) và HF theo các khuyến nghị mới của ITU (ITU-R M.2010, ITU-R M.2058).
  3. Nghiên cứu mô hình quy hoạch tích hợp đa hệ thống giữa đài bờ thông tin duyên hải với hệ thống quản lý hàng hải điện tử (e-Navigation), hệ thống nhận dạng tự động trạm bờ (AIS) và hệ thống điều phối giao thông tàu thuyền (VTS).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai thác: Cục Hàng hải Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải và Công ty TNHH MTV Thông tin Điện tử Hàng hải Việt Nam (VISHIPEL) có thể sử dụng các kết quả tính toán, cơ sở dữ liệu và chương trình tối ưu để triển khai thực hiện Quyết định số 1054/QĐ-TTg về quy hoạch hệ thống đài thông tin duyên hải đến năm 2020, định hướng đến năm 2030.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Thuộc các chuyên ngành Khoa học Hàng hải, Kỹ thuật Viễn thông, Điều khiển và Tự động hóa có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa lý thuyết truyền sóng vô tuyến với giải thuật di truyền và khoảng cách Hausdorff trong bài toán tối ưu mạng lưới không gian.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án khẳng định Việt Nam không nên quy hoạch phủ kín vùng biển A1 bằng mạng đài bờ VHF?

Theo phân tích tại Chương 1, vùng phủ sóng hiệu dụng của đài bờ VHF chỉ đạt 20–30 hải lý (truyền sóng thẳng). Để phủ kín dải biển cách bờ 20 hải lý dọc hơn 3.260 km bờ biển, Việt Nam cần tối thiểu 40 đài bờ VHF đặt cách nhau 45 hải lý ở điều kiện bờ biển thẳng. Do đường bờ biển nước ta khúc khuỷu và có nhiều vịnh hở, khoảng cách giữa các trạm thực tế sẽ lớn hơn (ví dụ: khoảng cách Hải Phòng - Bạch Long Vĩ là 68,7 hải lý, Bến Thủy - Huế là 155 hải lý), đồng thời tuyến hàng hải Bắc - Nam cắt thẳng qua biển cách bờ xa hơn tầm với của VHF. Do đó, việc xây dựng mạng lưới VHF phủ kín toàn bộ là rất tốn kém và không khả thi; Việt Nam nên học tập kinh nghiệm Nhật Bản, tập trung VHF cho các luồng cảng, khu vực mật độ tàu cao và dùng MF phủ kín vùng A2.

2. Cấu trúc số nhận dạng MMSI của đài bờ GMDSS Việt Nam được quy định như thế nào?

Theo quy chuẩn quốc tế và phân bổ của Việt Nam, mã nhận dạng MMSI của đài bờ có dạng: 00574Axxx. Trong đó:

  • 00: Tiền tố chỉ định đây là đài bờ (Coast Radio Station).
  • 574: Mã nhận dạng quốc gia (MID) của Việt Nam.
  • A: Mã trung tâm phối hợp tìm kiếm cứu nạn hàng hải (MRCC) kết nối trực tiếp, với A = 1, 2, 3, 4 tương ứng với MRCC khu vực 1, 2, 3, 4.
  • xxx: Mã số định danh cụ thể của từng đài bờ.

3. Những công cụ phần mềm nào của ITU được tác giả sử dụng để tính bán kính vùng phủ $R$ của đài bờ MF?

Tác giả sử dụng hai công cụ phần mềm chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU):

  • NOISEDAT: Dùng để tính toán hệ số tạp âm vô tuyến địa phương (atmospheric radio noise) theo vị trí địa lý (kinh độ, vĩ độ) và theo mùa/thời gian trong năm.
  • GRWAVE: Dùng để mô hình hóa và tính toán sự suy giảm cường độ trường sóng đất (ground wave field strength) theo cự ly truyền dẫn trên bề mặt nước biển đối với tần số DSC 2187,5 kHz.

4. Thuật toán di truyền (GA) được thiết kế với cấu trúc nhiễm sắc thể và các toán tử nào?

Trong Chương 4, bài toán được mô hình hóa với:

  • Nhiễm sắc thể: Chuỗi nhị phân gồm 82 bit tương ứng với 82 vị trí đài cơ sở dọc bờ biển Việt Nam ($x_i = 1$ là kích hoạt đặt đài, $x_i = 0$ là không đặt).
  • Toán tử lai ghép: Lai ghép đa điểm (Multi-point crossover) giúp hoán vị các đoạn cấu hình mạng đài giữa các cá thể cha mẹ mà không làm mất tính khả thi của giải pháp.
  • Toán tử đột biến: Đột biến đảo ngược (Inversion mutation) giúp đảo trật tự đoạn gen để mở rộng không gian tìm kiếm, tránh rơi vào các cực trị địa phương.
  • Số lần lặp thử nghiệm: Chương trình mô phỏng khảo sát từ 10, 100, 1.000, 5.000, 10.000 đến 20.000 thế hệ lặp để xác định nghiệm hội tụ tối ưu.

5. Kết quả quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF có tính đến hạ tầng hiện có đưa ra phương án kế thừa như thế nào?

Thay vì loại bỏ toàn bộ để xây mới theo cấu hình tối ưu lý thuyết, luận án đã thực nghiệm các kịch bản kế thừa từ 1 đài, 2 đài, 3 đài, 4 đài hạt nhân (Hải Phòng, Đà Nẵng, TP. Hồ Chí Minh, Mũi Cà Mau) và đi đến phương án tối ưu thực tiễn là kế thừa 08 đài hợp lý trong số 13 đài bờ MF hiện hữu. Phương án này vừa đảm bảo duy trì liên tục hoạt động của hệ thống thông tin duyên hải, tận dụng cơ sở vật chất sẵn có, vừa loại bỏ các đài gây trùng lặp dư thừa tại khu vực vịnh Bắc Bộ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thái Dương đã giải quyết trọn vẹn bài toán quy hoạch tối ưu mạng đài bờ MF trong hệ thống GMDSS Việt Nam thông qua việc kết hợp cơ sở lý thuyết truyền sóng đất, mô hình tạp âm ITU và giải thuật di truyền thích nghi. Công trình đã số hóa thành công cơ sở dữ liệu 82 điểm cơ sở trạm bờ, xây dựng phần mềm tính toán vùng phủ và đề xuất các phương án phân bổ đài bờ tối ưu có kế thừa hạ tầng 13 đài hiện hữu. Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học vững chắc và giá trị thực tiễn trực tiếp, đóng góp vào chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển và nâng cao năng lực tìm kiếm cứu nạn hàng hải quốc gia theo Quyết định 1054/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.