Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật: Thiết Kế Hệ Thống Thông Báo Ổn Định Thời Gian Thực Cho Tàu Hàng Rời

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định thời gian thực cho tàu hàng rời, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Long
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kim Phương
• Trường học: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa học Hàng hải
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Hệ thống thông báo

Hệ thống thông báo là trọng tâm của nghiên cứu, được thiết kế để cung cấp thông tin về tình trạng ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực. Hệ thống này sử dụng các cảm biến và thuật toán để đo lường và phân tích chu kỳ lắc ngang của tàu, từ đó xác định các thông số ổn định như chiều cao thế vững (GM) và cánh tay đòn ổn định tĩnh (GZ). Việc thiết kế hệ thống này đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ thông tin và kiến thức chuyên ngành hàng hải, nhằm đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao.

1.1. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc xây dựng mô hình kiến trúc, nguyên lý hoạt động và các yêu cầu kỹ thuật. Hệ thống được chia thành các khối chính: khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối hiển thị và hệ thống nhớ. Các cảm biến được sử dụng để đo góc nghiêng và gia tốc, trong khi khối xử lý trung tâm thực hiện các tính toán để xác định thông số ổn định. Khối hiển thị cung cấp thông tin trực quan cho sỹ quan hàng hải, giúp họ đưa ra quyết định kịp thời.

1.2. Yêu cầu chức năng

Hệ thống cần đáp ứng các yêu cầu chức năng như khả năng đo lường chính xác, tốc độ xử lý nhanh và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường biển khắc nghiệt. Ngoài ra, hệ thống phải có khả năng tích hợp với các thiết bị hiện có trên tàu và tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế về an toàn hàng hải.

II. Thời gian thực

Thời gian thực là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo tính hiệu quả của hệ thống thông báo. Hệ thống cần cung cấp thông tin về tình trạng ổn định của tàu một cách liên tục và kịp thời, giúp sỹ quan hàng hải có thể phản ứng nhanh chóng với các tình huống bất ngờ. Việc xử lý dữ liệu trong thời gian thực đòi hỏi các thuật toán tối ưu và phần cứng có hiệu suất cao.

2.1. Xử lý dữ liệu

Quá trình xử lý dữ liệu bao gồm việc thu thập thông tin từ cảm biến, phân tích chu kỳ lắc ngang và tính toán các thông số ổn định. Các thuật toán được sử dụng để loại bỏ nhiễu và tăng độ chính xác của kết quả. Dữ liệu sau khi xử lý được hiển thị trên màn hình và lưu trữ để phân tích sau này.

2.2. Độ trễ và độ chính xác

Độ trễ trong việc xử lý và hiển thị thông tin cần được giảm thiểu để đảm bảo tính kịp thời của hệ thống. Độ chính xác của các thông số ổn định cũng là yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến quyết định của sỹ quan hàng hải.

III. Tàu hàng rời

Tàu hàng rời là đối tượng chính của nghiên cứu, với đặc điểm là chở các loại hàng hóa rời như than, quặng, ngũ cốc. Các loại hàng này có thể gây ra hiện tượng nhão chảy hoặc dịch chuyển, làm suy giảm tính ổn định của tàu. Việc thiết kế hệ thống thông báo ổn định cần tính đến các yếu tố đặc thù của tàu hàng rời, như kích thước, trọng tải và đặc tính của hàng hóa.

3.1. Đặc điểm hàng hóa

Hàng hóa rời có thể thay đổi trạng thái trong quá trình vận chuyển, gây ra hiện tượng dịch chuyển hoặc nhão chảy. Điều này làm thay đổi trọng tâm của tàu và ảnh hưởng đến tính ổn định. Hệ thống thông báo cần có khả năng phát hiện sớm các thay đổi này để đưa ra cảnh báo kịp thời.

3.2. Quản lý tàu hàng

Việc quản lý tàu hàng rời đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức chuyên môn và công nghệ hiện đại. Hệ thống thông báo ổn định là công cụ hỗ trợ đắc lực cho sỹ quan hàng hải trong việc đảm bảo an toàn cho tàu và hàng hóa.

IV. Thiết kế hệ thống ổn định

Thiết kế hệ thống ổn định là quá trình kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, nhằm tạo ra một hệ thống có khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn. Hệ thống cần được thiết kế để hoạt động ổn định trong môi trường biển khắc nghiệt, với khả năng chống chịu được các tác động từ sóng, gió và nhiệt độ.

4.1. Mô hình kiến trúc

Mô hình kiến trúc của hệ thống bao gồm các thành phần chính như cảm biến, bộ xử lý trung tâm, màn hình hiển thị và hệ thống nhớ. Mỗi thành phần được thiết kế để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cao.

4.2. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc đo lường chu kỳ lắc ngang của tàu và tính toán các thông số ổn định. Các thuật toán được sử dụng để phân tích dữ liệu và đưa ra kết quả chính xác trong thời gian thực.

V. Giải pháp thông báo

Giải pháp thông báo là phần quan trọng của hệ thống, giúp sỹ quan hàng hải nhận biết được tình trạng ổn định của tàu. Hệ thống cần cung cấp thông tin một cách rõ ràng và dễ hiểu, với các cảnh báo được hiển thị trực quan trên màn hình. Ngoài ra, hệ thống cần có khả năng lưu trữ dữ liệu để phân tích và đánh giá sau này.

5.1. Hiển thị thông tin

Thông tin về tình trạng ổn định của tàu được hiển thị trên màn hình với các chỉ số cụ thể như chiều cao thế vững (GM) và cánh tay đòn ổn định tĩnh (GZ). Các cảnh báo được hiển thị bằng màu sắc và âm thanh để thu hút sự chú ý của sỹ quan hàng hải.

5.2. Lưu trữ dữ liệu

Dữ liệu về tình trạng ổn định của tàu được lưu trữ để phân tích và đánh giá sau này. Điều này giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống và cung cấp thông tin hữu ích cho các chuyến đi sau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong quá trình hàng hải, con tàu luôn chịu tác động của ngoại lực như sóng, gió. Khả năng tự trở lại vị trí cân bằng khi ngoại lực ngừng tác động là yêu cầu cơ bản để tàu tiếp tục hành trình an toàn trên biển. Khả năng này là tính ổn định của tàu.

Để đảm bảo tính ổn định của tàu, sỹ quan hàng hải và các bên liên quan phải tính toán, đánh giá và duy trì tính ổn định của tàu theo các tiêu chuẩn của IMO như: Tiêu chuẩn chung cho tàu hàng theo Bộ luật quốc tế về Ổn định nguyên vẹn (IS Code), ngoài ra còn có tiêu chuẩn đặc biệt cho một số loại tàu như tàu chở gỗ, tàu chở hàng lỏng, tàu chở hàng hạt rời. Mặt khác, tiêu chuẩn đánh giá ổn định khi tàu bị hư hỏng còn được qui định trong Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển - SOLAS 74 sửa đổi, bổ sung năm 2014 [28]. Theo thống kê của tổ chức Allianz, từ năm 2009 đến 2018, có tất cả 1036 vụ tai nạn có mức thiệt hại nghiêm trọng, trong đó tai nạn chìm tàu chiếm số lượng lớn nhất (551 vụ) và giữ ở mức cao hàng năm (từ 46÷132 vụ). Cũng theo báo cáo tai nạn của tổ chức này, số vụ tại nạn liên quan đến tàu hàng rời là 93 vụ và hầu hết (80%) các nguyên nhân dẫn đến chìm tàu là do tàu không đảm bảo ổn định nguyên vẹn và ổn định tai nạn [46].

Tính ổn định của tàu biển nói chung, tàu hàng rời nói riêng được đặc trưng bởi hai thông số cơ bản, đó là chiều cao thế vững (G0M) và cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z). Vấn đề ổn định của tàu chủ yếu phát sinh trong quá trình tàu làm hàng, bơm xả nước dằn và những yếu tố bất thường ảnh hưởng đến ổn định tàu trong quá trình chạy biển. Hiện nay, việc tính toán, kiểm tra tính ổn định tàu thường được thực hiện khi lập kế hoạch xếp hàng, trong quá trình xếp hàng, lúc kết thúc xếp hàng và đánh giá lần cuối trước khi tàu hành trình. Một con tàu sau khi được đánh giá đầy đủ theo tiêu chuẩn ổn định của IMO thì được coi là đủ điều kiện về ổn định trước khi tàu rời bến.

Tính ổn 1 định này được mặc định là an toàn cho cả quá trình hàng hải của tàu biển. Tuy nhiên, trong quá trình hành trình, hàng hóa có thể bị xô dịch, hóa lỏng, hư hỏng ẩn tì của vỏ tàu,., làm cho tính ổn định của con tàu bị suy giảm và có thể bị mất hoàn toàn, ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn của tàu, hàng hóa và thuyền viên. Thực tế, trong những tình huống đó, sĩ quan hàng hải gặp nhiều khó khăn trong việc tính toán ổn định hiện thời của tàu. Hơn nữa, trong trường hợp tàu phải điều chỉnh nước dằn, sĩ quan có thể chủ quan không kiểm tra tính ổn định của tàu trong quá trình bơm nước dằn.

Việc không tính toán kịp thời, đầy đủ tính ổn định của tàu khi hành trình là một trong những nguyên nhân dẫn đến các tai nạn đáng tiếc: tàu bị mất ổn định và bị chìm đắm. Hàng hóa trong vận tải biển rất phong phú, đa dạng và được vận chuyển trên nhiều chủng loại tàu khác nhau. Một trong số những hàng hóa thường được chở trên tàu chuyên dụng là hàng rời. Hàng rời khi vận chuyển ở một điều kiện nhất định có thể bị nhão chảy và dịch chuyển, làm suy giảm nghiêm trọng tính ổn định của tàu, khiến tàu bị nghiêng dần, cuối cùng dẫn đến lật tàu.

Thời gian từ lúc tàu bắt đầu bị nghiêng đến lúc lật tàu có thể diễn ra trong vài tiếng, vài ngày tùy thuộc vào đặc điểm của hàng trên tàu, điều kiện ngoại cảnh, khả năng xử lý tình huống của thuyền trưởng và sỹ quan trên tàu. Thực tế, nhiều tai nạn hàng hải nghiêm trọng đã xảy ra đối với các tàu vận chuyển hàng rời có tính nhão chảy, cướp đi sinh mạng của nhiều thuyền viên và gây tổn thất lớn về hàng hóa [36]. Đặc điểm chung của các tai nạn này đều là sự suy giảm ổn định của tàu không được phát hiện sớm và tính ổn định của tàu bị mất đi khi tàu hành trình trên biển. Do không phát hiện được sớm nên sỹ quan hàng hải đã không đưa ra được phương pháp xử lý, phương pháp điều động thích hợp, làm tính ổn định của con tàu càng suy giảm hơn dẫn đến mất hoàn toàn, kết hợp điều kiện ngoại cảnh bất lợi thì các tai nạn đắm tàu xảy ra là hoàn toàn không thể tránh khỏi.

2 Như vậy, nếu có thể liên tục cập nhật được tính ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực trong suốt quá trình hàng hải, đưa ra các cảnh báo về sự suy giảm ổn định của tàu sẽ là một trợ giúp hiệu quả, quan trọng với sỹ quan hàng hải. Từ đó, các hành động và biện pháp xử lý sớm được đưa ra, nâng cao an toàn sinh mạng cho con người và con tàu. Do vấn đề ổn định cho các loại tàu khá rộng, đồng thời tàu chở hàng rời thường phải vận chuyển một số loại hàng có khả năng gây suy giảm tính ổn định cho tàu khi hành trình trên biển, nên “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời” là một vấn đề có tính thời sự và cấp thiết cao, được lựa chọn làm đề tài luận án tiến sĩ nhằm góp phần nâng cao an toàn hàng hải. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài luận án ở trong nước và nước ngoài Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài luận án: - Năm 2012, Tác giả Apostolos Papanikolaou, Đại học Kỹ thuật quốc gia Athens, Hy Lạp, đã viết bài báo “Mục đích của tiêu chuẩn an toàn và ổn định tàu biển”, công trình đã phác thảo lại mục tiêu và kết quả thu được của dự án GOALDS của ủy ban châu Âu về đánh giá các công thức tính xác suất ổn định hư hỏng trong chương II-1 của SOLAS 74 cho tàu hàng khô, tàu khách [21], [49].

- Năm 2015, tác giả Mohamed Abdelkader Djebli, Benameur Hamoudi, Omar Imine và Lahouari Adjlout, Khoa Kỹ thuật cơ khí, Đại học Khoa học Công nghệ Oran Mohamed, Algeria, đã viết bài báo “Ứng dụng điện thoại thông minh trong việc thử nghiệm ổn định của tàu”. Nội dung nghiên cứu của bài báo đề cập đến việc sử dụng cảm biến gia tốc có sẵn trong điện thoại thông minh để xác định chu kỳ lắc ngang của tàu, từ chu kỳ lắc ngang xác định được nhóm tác giả cũng tính toán chiều cao thế vững của tàu thông qua công thức 3 được IMO khuyến cáo. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bài báo mới chỉ được thực nghiệm trên tàu mô hình có tỷ lệ bằng 1/25 của một tàu đánh cá thực tế [37], [47]. - Năm 2015, tác giả Shadman Sakib, Khoa kỹ thuật hàng hải và kiến trúc hải quân thuộc trường Đại học Kỹ thuật và Công nghệ Bangladesh, đã viết bài báo “Thiết bị mới để xác định ổn định động và xếp tải động cho tàu nội địa dựa trên chuyển động lắc ngang của nó”.

Bài báo đã đề cập đến nguyên lý xác định ổn định của tàu thông qua chu kỳ lắc ngang bằng cách sử dụng các cảm biến góc gia tốc, kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở phạm vi thực nghiệm trong phòng thí nghiệm thông qua các thiết bị tự chế và đối tượng nghiên cứu của tác giả là các tàu thuyền nhỏ hoạt động trong vùng nước nội địa của Bangladesh [44], [48]. - Năm 2017, tác giả Przemysław Krata, Wojciech Wawrzyński, Khoa hàng hải, Đại học Hàng hải Gdynia, Balan, đã viết bài báo “Dự đoán vùng nguy hiểm thông qua mối quan hệ giữa chu kỳ lắc riêng và chiều cao thế vững tương đương”. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của chu kỳ lắc riêng đến đặc tính phi tuyến của đường cong GZ và đề xuất cần sử dụng chiều cao thế vững tương đương (GMeq) thay vì GM ban đầu khi đánh giá ổn định tàu [43]. - Liên quan đến thiết bị đo nghiêng điện tử trang bị trên tàu đáp ứng các tiêu chuẩn theo Nghị quyết MSC.363(92) của IMO thì trên thế giới đã có một số công ty đang chào bán sản phẩm này như: Công ty TNHH Hàng hải UC (UC Marine Company Limited) [52], Công ty TNHH Kỹ thuật Nanjing Ninglu (Nanjing Ninglu Technology Co.

Tuy nhiên, các thiết bị này mới chỉ dừng ở việc tính toán các thông số góc nghiêng ngang, nghiêng dọc và chu kỳ lắc ngang của tàu, không có chức năng tính toán ổn định tàu theo thời gian thực cũng như 4 cảnh báo xu hướng suy giảm ổn định của tàu. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài luận án Bài báo “Một số khuyến nghị trong công tác vận hành tàu hàng rời có nguy cơ hóa lỏng” của tác giả Nguyễn Kim Phương, Bùi Văn Hưng được đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 46-3/2016 đã đề cập đến hiện tượng hóa lỏng của hàng rời dưới góc độ vật lý để từ đó đưa ra các khuyến nghị trong công tác vận hành tàu chở hàng rời có nguy cơ hóa lỏng cho các sỹ quan hàng hải [10]. Năm 2018, các tác giả Nguyễn Kim Phương, Nguyễn Công Vịnh, Từ Mạnh Chiến đã viết bài báo “Mô phỏng tiến trình xếp dỡ hàng trên tàu hàng rời phục vụ đào tạo và huấn luyện hàng hải” trên tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 54-4/2018. Bài báo đã mô phỏng được việc tính toán ổn định của một tàu hàng rời cụ thể trong quá trình xếp, dỡ hàng tại cảng để phụ vụ cho việc huấn luyện, đào tạo cho các sinh viên ngành điều khiển tàu biển và các sỹ quan hàng hải [12].

Từ kết quả công bố của các công trình, có thể nhận thấy, các công trình khoa học trên chưa đưa ra được phương pháp tính toán và đánh giá ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực trong điều kiện hành trình, cũng như một hệ thống thiết bị hoàn chỉnh cho phép tự động tính toán, hiển thị các thông số đặc trưng cho tính ổn định của tàu theo thời gian thực và đưa ra cảnh báo khi tính ổn định tàu có xu hướng suy giảm.