CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử vận tải hàng hải Trở lại vào khoảng những năm 1956, khi vận chuyển bằng đường biển, hàng hóa thường được đóng vào các bao tải, thùng gỗ và trực tiếp vận chuyển trên các tàu chở hàng. Lúc này, có thể phải mất đến 3 tuần để dỡ hàng và chất hàng lên từng con tàu. Một doanh nhân người Mỹ là Malcom McLean đã làm việc với kỹ sư Keith Tantlinger để thiết kế ra phương thức vận chuyển container đầu tiên trên thế giới. Điều này đã giúp các tàu biển lớn ngày nay có thể bốc dỡ hàng hóa mà ở đây là các thùng container chỉ trong vòng 24 giờ.
Đến năm 1968, Tổ Chức Tiêu Chuẩn Quốc Tế đã quy định container là một hộp kim loại có kích thước dài 20 foot, rộng 8 foot và cao 8 foot. Kể từ đó, các tàu chở hàng được thiết kế để tối ưu cho việc vận chuyển các container kích thước tiêu chuẩn này. Đây có thể được xem là một cuộc cách mạng trong vận tải đường biển, với thời gian được rút ngắn, chi phí trở nên rẻ hơn rất nhiều, tạo điều kiện cho thương mại quốc tế ngày càng phát triển. Giai đoạn trước năm 1800.
Những ngày đầu, cảng biển chỉ đơn giản là vùng đất nằm ở bờ sông để các tàu nước cạn neo đậu, chất hàng lên tàu hoặc bốc dỡ hàng hóa. Lúc bấy giờ, điều kiện thời tiết là yếu tố tác động chính đến sản lượng hàng hóa thông qua cảng biển. Giai đoạn này, hoạt động của các nhà khai thác cảng chỉ đơn giản là bốc dỡ và thu xếp hàng hóa cho chủ tàu. Các tàu vận tải biển lúc này có công suất cao nhất là 300 tấn và hoạt động bằng sức gió.
Hàng hóa tại cảng được chất dỡ lên xuống tàu bằng sức người. Sau đó, nhu cầu xếp dỡ hàng hóa tại cảng biển ngày càng tăng, một số cảng lớn bắt đầu sử dụng trang thiết bị cẩu thô hoạt động bằng hơi nước để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian. Các nhà khai thác cảng cũng bắt đầu cải thiện cơ sở vật chất cảng để nâng cao năng lực hoạt động Giai đoạn từ năm 1800-1850. Sự phát triển của cảng biển khiến cho số lượng doanh nghiệp tham gia vào ngành và xây dựng cơ sở hoạt động gần khu vực cảng ngày càng 2 tăng.
Sản lượng hàng hóa thông qua cảng biển cũng tăng mạnh nhờ các cuộc cải cách công nghiệp trên thế giới, điển hình là tại Anh. Năm 1840, nước Anh bắt đầu phát triển hệ thống vận tải đường sắt quốc gia [1]. Vận chuyển hàng hóa bằng đường sắt tại đây trở thành một trong những yếu tố chính tác động đến sự phát triển của cảng biển, hàng hóa thông qua cảng chủ yếu được vận chuyển đến nơi tiêu thụ nội địa bằng đường sắt. Do đó, các cảng biển nối liền với hệ thống đường sắt được đầu tư mạnh ngày càng mở rộng, ngược lại các cảng biển không có hệ thống đường sắt nối liền ngày càng bị thu hẹp.
Giai đoạn từ năm 1850-1900. Giai đoạn bắt đầu cơ giới hóa các hoạt động trong ngành cảng biển. Nếu như trước đây, việc bốc dỡ và vận chuyển hàng hóa đến kho bãi đều bằng sức người, thì giờ đây đã được thay thế bằng cách sử dụng máy móc. Các loại tàu lúc này được trang bị thiết bị cẩu ngay trên tàu giúp thực hiện việc dỡ hàng hóa trực tiếp xuống cầu cảng hoặc sà lan.
Hệ thống kho bãi cũng được trang bị các loại cần cẩu để có thể đưa hàng hóa từ nhà kho đến từng cầu cảng và ngược lại. Hàng hóa được luân chuyển trên bên trong khu vực cảng bằng xe tải, xe ngựa thồ hoặc bằng đường ray. Ngành cảng biển đã bước sang giai đoạn phát triển mà có thể dễ dàng thấy được cho đến ngày nay. Giai đoạn này được xem như là giai đoạn biến đổi của cả hệ thống cảng biển và ngành vận tải biển.
Nhu cầu hàng rời bùng nổ cùng với đó là các tàu cũng gia tăng kích thước và công nghệ xử lý hàng hóa tại cảng ngày một phát triển. Quy mô cảng biển được mở rộng, các dịch vụ cảng biển ngày càng đa dạng, các công ty cung cấp dịch vụ bảo dưỡng tàu, hàng hóa cũng xây dựng văn phòng đại diện gần các cảng biển hơn. Đồng thời, hệ thống đường bộ bắt đầu phát triển giúp kết nối giữa khu vực kinh tế hậu phương và cảng biển làm cho lưu lượng hàng hóa đến các cảng đều đặn, thay vì phân bố tập trung vào một số cảng như trước đây. Giai đoạn từ những năm 1960 cho đến nay.
Giai đoạn này được xem là kỷ nguyên mới cho ngành cảng biển và vận tải hàng khô. Các tàu chuyên dụng dùng để chuyên chở các loại hàng hóa nhất định ra đời. Mỗi loại tàu chuyên dụng khác nhau đòi hỏi cấu trúc 3 cầu cảng và cơ sở hạ tầng cảng khác nhau để có thể xử lý các loại hàng hóa khác nhau. Một trong những bước ngoặt làm thay đổi ngành vận tải biển và cảng biển là sự ra đời của container.
Việc chuyển giao từ vận tải hàng rời sang hàng container giúp gia tăng tính hiệu quả đường biển, tiết giảm thời gian bốc dỡ hàng tại cảng giảm xuống đáng kể. Thời gian trung bình một tàu bốc dỡ hàng tại cảng đã giảm từ một tuần xuống chỉ còn 12 tiếng. Đồng thời, container còn giúp tiết giảm chi phí vận chuyển, chi phí nhân công và chi phí tồn kho. Các tàu container cũng gia tăng tải trọng từ 4.400 TEU trong giai đoạn 1992-2002.
Ngày nay, tàu container lớn nhất có tải trọng lên đến trên 14. Để đáp ứng kích thước tàu container ngày càng tăng, các cảng biển liên tục gia tăng quy mô, mở rộng chiều dài cầu cảng, độ sâu mớn nước và phát triển công nghệ cho các thiết bị xếp dỡ trong khu vực cảng biển.2 Lý do hình thành đề tài Trải qua nhiều thập kỷ, mặc cho cuộc khủng hoảng kinh tế xảy ra do đại dịch Covid- 19, thương mại quốc tế vẫn phát triển với tốc độ chóng mặt. Đi cùng với sự phát triển đó là quá trình toàn cầu hóa, nền công nghiệp vận tải đường biển đã có tốc độ tăng trưởng rất lớn. Vận tải biển chiếm khoảng 90% thương mại toàn cầu, do đó các cảng container đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống chuỗi cung ứng.
Hàng hóa được chứa trong các hộp thép tiêu chuẩn được gọi là container khi vận tải bằng đường biển và chở trên các tàu container lớn, các thùng container đó sẽ được xử lý, lưu trữ, và di chuyển từ biển vào đất liền hoặc ngược lại thông qua các cảng container. Ngoài ra, tỷ lệ hàng chất lỏng cũng như hàng rời và hàng số lượng lớn được vận chuyển trong các container chuyên dụng cũng đang tăng lên (UNCTAD 2008). Công suất và doanh thu trong ngành công nghiệp container thường được đo bằng số lượng container 20 feet hay còn gọi là TEU (Đơn vị tương đương 20 feet). Với xu hướng hiện nay, lưu lượng hàng hóa ngày một tăng kéo theo các cảng container phải liên tục xây dựng và mở rộng cơ sở hạ tầng.
Các cảng container sẽ có sự khác nhau về kích thước, chức năng và các bố trí hình học, nhưng nhìn chung sẽ bao gồm các hệ thống con như Hình 1.1 – Steenken và cộng sự (2004) [3]. 4 Khu hoạt động tàu biển là nơi tiếp nhận tàu đến và đi, được trang bị một hoặc nhiều cần cẩu phục vụ cho việc xếp/dỡ tàu. Tại hoạt động đất liền, ta có khu vực bãi chứa dành cho việc lưu trữ các container. Về cơ bản, bãi chứa thường sẽ chia làm 3 khu vực: Lưu trữ các container xuất nhập khẩu, lưu trữ container rỗng và khu vực nhà kho để chứa, dỡ container hoặc bổ sung các dịch vụ hậu cần.
Đi qua khu vực bãi chứa sâu vào phần đất liền sẽ là khu vận hành xe tải và tàu hỏa liên kết cảng với các hệ thống giao thông trong khu vực đất liền.1: Cấu trúc của một cảng container và dòng chảy hàng hóa Nhiệm vụ của một cảng container có thể hiểu đơn giản là kết nối khu vực biển và đất liền để vận chuyển container ra vào, nhưng để thiết kế một cảng container cần cân nhắc đến nhiều yếu tố, thông tin như lưu lượng hàng hóa mỗi năm, loại tàu thuyền mà cảng có thể tiếp nhận, yếu tố địa lý, kỹ thuật và kinh tế,…Mỗi khu vực khác nhau sẽ cần có những thiết bị, máy móc khác nhau, kỹ thuật vận hành khác nhau dẫn đến sẽ có rất nhiều thông số đầu vào và công thức tính toán để đáp ứng các yêu cầu đầu ra. Để tăng 5 hiệu quả cho quá trình thiết kế, một số công cụ đã được phát triển để tính toán xây dựng cảng container hoặc tối ưu hóa cách bố trí trong cảng, nhưng hầu hết những công cụ này đều tốn nhiều chi phí. Ngoài ra, đã có nhiều nghiên cứu về việc tối ưu mặt bằng và tính toán số lượng thiết bị dùng cho cảng container, các nghiên cứu này mới chỉ đề cập ở một khu vực nhất định trong cảng như cầu cảng, bãi chứa hoặc khu vực cổng ra vào và chỉ dừng ở mức những mô hình tính toán, chưa có một công cụ cụ thể nào giúp việc tính toán nhanh chóng và thuận lợi hơn. Với mong muốn hỗ trợ cho quá trình thiết kế sơ khởi của cảng container, đồng thời rút ngắn thời gian thiết kế, giúp người thiết kế và nhà đầu tư dễ dàng hơn trong việc đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án, bài nghiên cứu này sẽ đề xuất một công cụ tính toán tự động để ước lượng chi phí, diện tích mặt bằng và đặc điểm vận hành của cảng, đơn giản hóa quá trình thiết kế sơ khởi của một cảng container giúp đưa ra kết quả nhanh chóng và ít tốn kém.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu này được hình thành để tìm hiểu về quá trình thiết kế cảng container, từ đó phân tích hoạt động của cảng nhằm khai thác cảng hướng đến phát huy tối đa hiệu suất thiết kế với chi phí nhỏ nhất.
Trong bối cảnh thế giới và các khu vực đang phải đối mặt với diễn biến phức tạp về biến đổi khí hậu do con người ít quan tâm đến môi trường trong các hoạt động sản xuất, tính bền vững về môi trường đang là xu hướng tất yếu mà các cá nhân, tổ chức, doanh nghiệp cần quan tâm nếu muốn tồn tại và phát triển. Chính vì lẽ đó, khi thiết kế cảng container cần phải cân nhắc các lựa chọn có ít tác động đến môi trường, đồng thời sử dụng các thiết bị vận hành hiện đại, giảm thiểu phát thải CO2 ở mức thất nhất có thể.
