Luận án TS. Đặng Quang Việt: Thuật toán tối ưu tuyến đường chạy tàu theo thời tiết

Luận án giới thiệu thuật toán ngẫu nhiên tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu, xem xét toàn diện ảnh hưởng của yếu tố thời tiết.

• Tác giả: Đặng Quang Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Viết Thành
• Trường học: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa học Hàng hải
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng thuật toán ngẫu nhiên tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu trên cơ sở ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án
• 1.1.1. Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính từ tàu biển
• 1.1.2. Một số phương pháp tính toán tối ưu được ứng dụng để tính toán tuyến đường chạy tàu
• 1.1.3. Một số nghiên cứu về tính toán tuyến đường cho tàu biển
• 1.2. Khái niệm về tuyến đường chạy tàu tối ưu và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 1.2.1. Khái niệm tuyến đường chạy tàu tối ưu
• 1.2.2. Khái niệm kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới việc tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 1.3.1. Các yếu tố thời tiết, khí tượng thủy văn
• 1.3.2. Các đặc tính của tàu
• 1.3.3. Một số yếu tố quan trọng khác
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP THÔNG TIN THỜI TIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU
• 2.1. Việc thu thập thông tin thời tiết ở trên tàu hiện nay
• 2.1.1. Một số nguồn thông tin thời tiết tiếp cận được trên tàu
• 2.1.2. Các nguồn thời tiết dạng số
• 2.2. Thông tin thời tiết phục vụ tính toán kế hoạch chạy tàu tối ưu được nghiên cứu trong đề tài luận án
• 2.2.1. Bản tin sóng toàn cầu, bản tin gió toàn cầu của Rish
• 2.2.2. Dữ liệu dòng chảy Oscar
• 2.3. Khai thác thông tin thời tiết dạng Grib file phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 2.3.1. Thông tin thời tiết có định dạng Grib file
• 2.3.2. Xây dựng phần mềm trích xuất dữ liệu thời tiết (sóng, gió) định dạng Grib 2 của Rish
• 2.3.3. Quy trình thu thập thông tin thời tiết (sóng, gió) từ cơ sở dữ liệu của Rish
• 2.4. Khai thác thông tin dòng chảy từ cơ sở dữ liệu dòng chảy Oscar phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 2.4.1. Tổng quan về cơ sở dữ liệu dòng chảy OSCAR
• 2.4.2. Xây dựng phần mềm khai thác thông tin từ cơ sở dữ liệu dòng chảy OSCAR
• 2.5. Tạo và Upload file dữ liệu thời tiết tổng hợp phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 2.5.1. Tạo file dữ liệu thời tiết tổng hợp
• 2.5.2. Upload file dữ liệu thời tiết tổng hợp
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ VÀ ĐẶC TÍNH TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU CỦA TÀU BIỂN TRONG TỪNG ĐIỀU KIỆN HÀNH HẢI CỤ THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU
• 3.1. Đặc tính thay đổi tốc độ tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể
• 3.2. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể
• 3.3. Xác định đặc tính thay đổi tốc độ và tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất
• 3.3.1. Phương pháp bình phương nhỏ nhất
• 3.3.2. Ứng dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xác định đặc tính tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể
• 3.4. Phần mềm và mô hình tổng hợp, phân tích đặc tính thay đổi tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu
• 3.4.1. Tổng quan về phần mềm
• 3.4.2. Quy trình quản lý thông tin về đặc tính thay đổi tốc độ tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể
• 3.4.3. Quy trình quản lý thông tin về đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể
• 3.4.4. Một số kết quả tổng hợp, phân tích
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VI KHUẨN CẢI TIẾN ĐỂ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU NHIÊN LIỆU DỰA TRÊN NGUYÊN TẮC JUST IN TIME “TÀU ĐẾN CẢNG KỊP LÚC”
• 4.1. Tổng quan về thuật toán vi khuẩn
• 4.1.1. Nguyên lý chung của thuật toán vi khuẩn
• 4.1.2. Phân loại thuật toán vi khuẩn
• 4.2. Nghiên cứu, xây dựng thuật toán vi khuẩn cải tiến tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc
• 4.2.1. Khái niệm về không gian tìm kiếm, đường nút và tuyến hàng hải
• 4.2.2. Sơ đồ khối nguyên lý tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc ứng dụng thuật toán vi khuẩn cải tiến
• 4.2.3. Hàm mục tiêu của tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc
• 4.2.4. Thuật toán vi khuẩn tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa tên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc
• 4.2.5. Một số điều chỉnh để tăng hiệu quả lựa chọn của thuật toán vi khuẩn
• 4.2.6. Tổng thể thuật toán xác định tuyến đường tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc
• 4.3. Xây dựng phần mềm tính toán và mô hình mô phỏng kết quả tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc bằng thuật toán vi khuẩn cải tiến
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của thuật toán tối ưu tuyến đường tàu biển

Thuật toán tối ưu tuyến đường tàu biển là một phương pháp tính toán khoa học nhằm xác định con đường di chuyển hiệu quả nhất cho tàu trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành hàng hải, giúp giảm thời gian hành trình, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính. Tối ưu hóa tuyến đường không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng góp vào bảo vệ môi trường và an toàn hàng hải. Các nghiên cứu tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã chứng minh rằng việc áp dụng thuật toán ngẫu nhiên có thể nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên đến 15-20%. Tầm quan trọng của kế hoạch chạy tàu tối ưu ngày càng được công nhân vận tải hàng hải công nhận, đặc biệt trong bối cảnh các quy định môi trường ngày càng khắt khe.

1.1. Định nghĩa tuyến đường chạy tàu tối ưu

Tuyến đường chạy tàu tối ưu được định nghĩa là con đường có độ dài thực tế ngắn nhất, tiêu thụ nhiên liệu ít nhất, hoặc mất thời gian ít nhất để tàu hoàn thành chuyến hành trình từ cảng xuất phát đến cảng đích. Khái niệm này có sự khác biệt so với tuyến đường hình học do phải xem xét các yếu tố như sóng biển, dòng chảy, và điều kiện thời tiết thực tế trên biển.

1.2. Vai trò của kế hoạch chạy tàu tối ưu

Kế hoạch chạy tàu tối ưu không chỉ xác định tuyến đường mà còn quy định tốc độ chạy tàu trong từng đoạn hành trình. Điều này cho phép các thuyền trưởng điều chỉnh chiến lược chạy tàu linh hoạt, tối ưu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả kinh tế của chuyến hành trình.

II. Các yếu tố thời tiết ảnh hưởng đến tuyến đường tàu biển

Các yếu tố thời tiết và khí tượng thủy văn là những tác nhân chính quyết định hiệu quả của thuật toán tối ưu tuyến đường. Gió biển, sóng biển, và dòng chảy biển có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ di chuyển của tàu, tiêu thụ nhiên liệu, và thời gian hành trình. Việc thu thập và xử lý dữ liệu thời tiết định dạng Grib từ các cơ sở dữ liệu như RISH (Rish Global Forecast System) cho phép các nhà điều hành tàu dự báo chính xác hơn các điều kiện hành hải. Dòng chảy OSCAR (Ocean Surface Current Analysis Real-time) cung cấp thông tin về dòng chảy biển toàn cầu, giúp tính toán ảnh hưởng của dòng chảy đối với quỹ đạo tàu. Sự tích hợp các nguồn dữ liệu thời tiết đa dạng vào thuật toán ngẫu nhiên tạo ra một hệ thống tối ưu hóa toàn diện.

2.1. Ảnh hưởng của gió và sóng biển

Gió biển và sóng biển là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ tàu. Một tàu chạy xuôi gió sẽ có tốc độ cao hơn so với chạy ngược gió. Sóng biển không chỉ làm giảm tốc độ mà còn gây ra những dao động không mong muốn, làm tăng tiêu thụ nhiên liệu và ảnh hưởng đến an toàn hàng hải.

2.2. Tác động của dòng chảy biển

Dòng chảy biển có thể tăng hoặc giảm tốc độ chuyên cần của tàu tùy theo hướng dòng chảy so với hướng chuyến hành trình. Dữ liệu dòng chảy OSCAR cho phép xác định chính xác các vùng dòng chảy mạnh để lập kế hoạch tuyến đường tối ưu.

III. Phương pháp xây dựng thuật toán tối ưu tuyến đường

Xây dựng thuật toán tối ưu tuyến đường tàu biển đòi hỏi một quy trình khoa học bao gồm nhiều bước. Trước tiên, cần tổng hợp thông tin thời tiết từ các nguồn dữ liệu đáng tin cậy như RISH và OSCAR. Tiếp theo, phải xác định đặc tính thay đổi tốc độ và tiêu thụ nhiên liệu của tàu trong từng điều kiện hành hải cụ thể bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Sau đó, thuật toán ngẫu nhiên được áp dụng để tính toán tuyến đường tối ưu dựa trên các tiêu chí như tiết kiệm nhiên liệu, giảm thời gian hành trình, hoặc an toàn hàng hải. Cuối cùng, hệ thống phần mềm tính toán cần phải tạo và upload file dữ liệu thời tiết tổng hợp để phục vụ cho việc tính toán kế hoạch chạy tàu tối ưu trong thực tế hàng hải.

3.1. Thu thập và xử lý dữ liệu thời tiết

Khai thác thông tin thời tiết định dạng Grib từ các cơ sở dữ liệu là bước đầu tiên quan trọng. Phần mềm chuyên biệt được phát triển để trích xuất dữ liệu thời tiết (sóng, gió) từ RISH và thông tin dòng chảy từ cơ sở dữ liệu OSCAR, tạo thành một file dữ liệu thời tiết tổng hợp để sử dụng trong tính toán.

3.2. Ứng dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất

Phương pháp bình phương nhỏ nhất được sử dụng để xác định đặc tính tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải. Phương pháp này cho phép xây dựng các mô hình toán học chính xác mô tả cách tàu phản ứng với các yếu tố thời tiết khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn và lợi ích của thuật toán tối ưu tuyến đường

Việc áp dụng thuật toán tối ưu tuyến đường tàu biển mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho ngành hàng hải. Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là một trong những mục tiêu chính, giúp giảm chi phí vận hành và tăng lợi nhuận cho các hãng tàu. Giảm phát thải khí nhà kính từ tàu biển góp phần đáng kể trong nỗ lực chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Ngoài ra, tối ưu hóa tuyến đường còn giúp cải thiện an toàn hàng hải bằng cách tránh những khu vực có điều kiện thời tiết xấu. Các thuyền viên có thể sử dụng kế hoạch chạy tàu tối ưu để đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác trên biển. Những hãng tàu tiên phong áp dụng công nghệ này đã ghi nhận giảm tiêu thụ nhiên liệu từ 3-5%, tương ứng với tiết kiệm hàng triệu USD mỗi năm cho một hạm đội tàu.

4.1. Tiết kiệm chi phí vận hành

Tối ưu hóa tuyến đường giúp giảm đáng kể tiêu thụ nhiên liệu, từ đó giảm chi phí vận hành của tàu biển. Việc này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh giá dầu biến động và cạnh tranh gay gắt trên thị trường vận tải hàng hải toàn cầu.

4.2. Bảo vệ môi trường và tuân thủ quy định

Thuật toán tối ưu tuyến đường hỗ trợ các hãng tàu tuân thủ các quy định môi trường quốc tế ngày càng khắt khe như IMO 2030 và IMO 2050. Giảm phát thải khí nhà kính không chỉ là trách nhiệm xã hội mà còn là yêu cầu pháp lý bắt buộc cho các hoạt động hàng hải hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vấn đề phòng ngừa ô nhiễm môi trường biển, giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên tàu biển đang là yêu cầu bắt buộc của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) cũng như pháp luật Việt Nam. Về mặt chủ trương và pháp lý, Đảng Cộng sản Việt Nam đã ban hành:

• Nghị quyết số 09-NQ/TƯ ngày 09/02/2007 về Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020;
• Nghị quyết số 36-NQ/TƯ ngày 22/10/2018 về Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045.

Đồng thời, ngày 19/03/2015, Việt Nam đã chính thức tham gia đầy đủ 6 Phụ lục của Công ước quốc tế về phòng ngừa ô nhiễm từ tàu biển (MARPOL 73/78). Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành Thông tư số 40/2018/TT-BGTVT ngày 29/6/2018 quy định về việc thu thập và báo cáo dữ liệu tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển Việt Nam, cùng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 26/2018/BGTVT (ban hành theo Thông tư số 09/2019/TT-BGTVT ngày 01/3/2019).

Trong số các nhóm giải pháp nhằm giảm phát thải khí nhà kính (thiết kế vỏ tàu, cải tiến công nghệ máy, sử dụng nhiên liệu thay thế, tối ưu hóa khai thác), giải pháp "Tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu" được đánh giá là mang lại hiệu quả trực tiếp, tiết kiệm chi phí và có tính khả thi cao trong giai đoạn khai thác. Tuy nhiên, thực tế đội tàu biển Việt Nam đang gặp phải các rào cản lớn khi tiếp cận các phần mềm thương mại của nước ngoài (như SPOS, ChartCo, AMI Seaware Routing, Sea Planner, Clearpoint):

• Chi phí bản quyền và dịch vụ cao;
• Thuật toán và nguồn dữ liệu thời tiết đóng kín (dạng "hộp đen"), thuyền viên khó làm chủ công nghệ;
• Rào cản ngôn ngữ và thiếu các hướng dẫn gắn liền với đặc tính khai thác thực tế của từng con tàu cụ thể;
• Các dịch vụ tư vấn hàng hải hiện có chưa tính toán đầy đủ và chi tiết đặc tính điều động, sự thay đổi chế độ máy tàu trong các điều kiện thời tiết thực tế, cũng như nguy cơ chậm giờ hoặc gặp vùng biển nguy hiểm.

Từ những khoảng trống này, đề tài luận án "Nghiên cứu xây dựng thuật toán ngẫu nhiên tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu trên cơ sở ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết" được nghiên cứu sinh Đặng Quang Việt thực hiện tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Viết Thành và PGS. Nguyễn Minh Đức, thuộc ngành Khoa học Hàng hải (mã số: 9840106).

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là:

1. Nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng thuật toán ngẫu nhiên để tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc "tàu đến cảng kịp lúc" (Just in Time - JIT);
2. Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm lượng phát thải khí nhà kính từ tàu biển, góp phần bảo vệ môi trường biển và hỗ trợ công tác quản lý an toàn hàng hải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  1. Thông tin thời tiết biển (sóng, gió, dòng chảy);
  2. Đặc tính thay đổi tốc độ của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể;
  3. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể;
  4. Hàm mục tiêu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc "tàu đến cảng kịp lúc" (Just in Time);
  5. Thuật toán ngẫu nhiên (thuật toán tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn - Bacterial Foraging Optimization Algorithm - BFOA cải tiến).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về dữ liệu thời tiết: Tập trung khai thác bản tin sóng toàn cầu, bản tin gió toàn cầu định dạng GRIB 2 từ cơ sở dữ liệu 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 định dạng netCDF từ Dự án OSCAR thuộc Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL/NASA) thuộc Viện Công nghệ California.
  • Về đặc tính tàu: Nghiên cứu thực nghiệm và hồi quy dữ liệu khai thác trên tàu chở khí hóa lỏng MV Gas Nirvana trong giai đoạn năm 2020 (từ 01/04/2020 đến 01/11/2020) với các trạng thái mớn nước (5m, 6m, 7m), vòng quay máy chính (RPM), hiệu số mớn nước (trim) và góc gió tương đối ($0^\circ - 180^\circ$).
  • Về thuật toán tối ưu: Xây dựng và cài đặt thuật toán vi khuẩn cải tiến kết hợp nguyên lý Just in Time trên môi trường lập trình Visual Basic 2010.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng hợp các nhóm giải pháp chính trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng tàu biển và các phương pháp toán học ứng dụng trong tính toán tuyến đường:

1. Các nhóm giải pháp giảm phát thải tàu biển:

   • Nhóm giải pháp thiết kế: Tối ưu hóa hình dạng thân vỏ, giảm trọng lượng tàu không, cải tiến khí động học thượng tầng, tối ưu hóa dòng theo và chân vịt, ứng dụng năng lượng gió, mặt trời, hạt nhân. Nhóm này có hiệu quả lớn nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư cao và chỉ thực hiện được trong giai đoạn đóng mới.
   • Nhóm giải pháp công nghệ máy: Cải tiến quá trình cháy, phun nhiên liệu, tuần hoàn khí thải, xử lý nhiệt khí thải. Nhóm này áp dụng chủ yếu ở giai đoạn chế tạo máy.
   • Nhóm giải pháp nhiên liệu: Sử dụng nhiên liệu phát thải thấp (LNG, Hydrogen, Ammonia, nhiên liệu sinh học, nhiên liệu nhũ tương). Nhóm này phụ thuộc vào chuỗi cung ứng và yêu cầu hạ tầng an toàn kỹ thuật.
   • Nhóm giải pháp khai thác và dẫn tàu: Giảm tốc độ tàu (slow steaming), tối ưu hóa mớn nước/độ chúi, làm sạch vỏ tàu, và đặc biệt là tối ưu hóa tuyến đường khí tượng (Weather Routing) kết hợp kỹ thuật "tàu đến cảng kịp lúc" (Just in Time).

2. Các phương pháp tính toán tuyến đường và tránh va tàu biển đã công bố:

   • Phương pháp đẳng thời gian (Isochrone Method): Xây dựng tuyến đường tốn ít thời gian nhất dựa trên trường sóng gió, tuy nhiên có nhược điểm là không giải quyết được bài toán giảm tốc độ chủ động để chờ thời tiết xấu đi qua và hàm mục tiêu cứng nhắc.
   • Quy hoạch động (Dynamic Programming) và thuật toán Dijkstra: Được nghiên cứu bởi Walther và cộng sự (2016), A. Guedes Soares (2019) dựa trên dữ liệu AIS, và Nguyen Minh Duc & Tamaru Hitoi (2010) trong xác định quỹ đạo tránh va.
   • Thuật toán tối ưu đàn kiến (ACOA): Được Tsou & Hsueh (2010) và Luận án Tiến sĩ của Nguyễn Minh Đức ứng dụng để lập kế hoạch tránh va và dẫn đường cho tàu dựa trên dữ liệu tích hợp radar, AIS, GPS.
   • Thuật toán di truyền (GA): Tìm kiếm nghiệm ngẫu nhiên mô phỏng tiến hóa sinh học, áp dụng cho tối ưu hóa tuyến đường.
   • Thuật toán tối ưu bầy vi khuẩn (BFOA): Được đề xuất ban đầu bởi Kevin M. Passino (2002); sau đó được M. Nguyen và cộng sự (2012, 2013) nghiên cứu để tối ưu hóa hàm chi phí tránh va; Phạm Ngọc Hà ứng dụng BFOA thích nghi để tính toán tuyến đường tìm kiếm cứu nạn tại vùng biển Ninh Thuận - Kiên Giang.

Bảng tổng hợp một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan

Tác giả / Năm công bố	Phương pháp ứng dụng	Phạm vi / Mục tiêu nghiên cứu
Tsou & Hsueh (2010)	Thuật toán đàn kiến (ACOA)	Lập kế hoạch tuyến đường tránh va tàu thuyền trên biển
Laura Walther và cs (2016)	Dijkstra, Quy hoạch động, Isochrone	Mô hình hóa và thuật toán tối ưu tuyến đường thời tiết
Raphael Zaccone và cs (2018)	Thuật toán tối ưu hóa	Lập tuyến đường tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu theo kịch bản thời tiết thực
A. Guedes Soares (2019)	Thuật toán Dijkstra	Xây dựng tuyến đường an toàn dựa trên dữ liệu AIS
M. Nguyen và cs (2012, 2013)	Thuật toán bầy vi khuẩn (BFOA)	Tối ưu hóa hàm chi phí tránh va và lập kế hoạch tuyến đường tự động
Nguyễn Minh Đức (Luận án TS)	Thuật toán đàn kiến (ACOA)	Xác định tuyến đường tránh va dựa trên dữ liệu GPS, Radar, AIS
Phạm Ngọc Hà (Luận án TS)	BFOA thích nghi	Tính toán tuyến đường tìm kiếm cứu nạn vùng biển Ninh Thuận - Kiên Giang

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù BFOA và các giải pháp tối ưu hóa đã được áp dụng trong hàng hải, việc kết hợp đồng thời giữa: (1) trích xuất tự động dữ liệu khí tượng số toàn cầu (GRIB 2, netCDF); (2) mô hình hóa chính xác hàm quan hệ phi tuyến giữa tốc độ - mức tiêu thụ nhiên liệu - chế độ máy - trạng thái tàu; và (3) thuật toán BFOA cải tiến theo điều kiện ràng buộc ngặt về thời gian cập cảng (Just in Time) vẫn chưa được hoàn thiện thành một hệ thống phần mềm đóng gói phục vụ trực tiếp cho đội tàu Việt Nam. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn chuỗi bài toán này.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

• Chi phí chuyến đi của tàu ($B$): Theo lý thuyết kinh tế hàng hải, tổng chi phí một chuyến đi được mô hình hóa theo công thức: $$B = Q_d \cdot t_d + Q_c \cdot t_c$$ Trong đó:

  • $Q_d, Q_c$: Lần lượt là chi phí cho một ngày đêm khi tàu đỗ (ở cảng) và khi tàu chạy trên biển;
  • $t_d, t_c$: Lần lượt là thời gian tàu đỗ và thời gian tàu chạy. Do chi phí ngày tàu chạy lớn hơn rất nhiều so với ngày tàu đỗ ($Q_c \gg Q_d$), việc giảm thời gian và lượng nhiên liệu tiêu thụ trong quá trình hành trình $t_c$ mang tính chất quyết định.

• Tuyến đường chạy tàu tối ưu: Là tuyến đường dung hòa 3 tiêu chí: ngắn nhất (theo cung vòng lớn - Great Circle hoặc đường hằng hướng - Rhumb Line), an toàn nhất (độ sâu, mớn nước, chân hoa tiêu UKC, tránh chướng ngại vật và bão gió), và tốn ít thời gian/chi phí nhất.

• Kế hoạch chạy tàu tối ưu theo nguyên tắc "Tàu đến cảng kịp lúc" (Just in Time - JIT): Là phương thức điều khiển chế độ khai thác và tốc độ tàu trên từng phân đoạn hành trình dựa trên thỏa thuận thời gian đến cảng (ETA) xác định trước, giúp tàu tránh phải chạy tốc độ cao rồi neo chờ lâu tại vùng nước cảng, từ đó tối thiểu hóa tổng lượng nhiên liệu tiêu hao.

• Khái niệm không gian tìm kiếm: Bao gồm các điểm xuất phát (Departure Point), điểm đích (Destination Point), các điểm chuyển hướng (Waypoints - WPT) và các đường nút kết nối tạo thành các tuyến hàng hải khả thi.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng kết hợp các phương pháp khoa học chuyên ngành:

1. Phương pháp chuyên gia: Lấy ý kiến các chuyên gia hàng hải, thuyền trưởng giàu kinh nghiệm để xác định các trọng số an toàn, tiêu chí kỹ thuật và thiết lập hàm mục tiêu.
2. Phương pháp tổng hợp và phân tích dữ liệu số: Thu thập và xử lý các tệp tin thời tiết số toàn cầu chuẩn WMO (GRIB 2) và chuẩn khoa học đại dương (netCDF).
3. Phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Squares Method): Hồi quy phi tuyến tính từ số liệu nhật ký hành trình thực tế của tàu để xây dựng hàm tương quan giữa tốc độ, mức tiêu hao nhiên liệu với chiều cao sóng, hướng gió, tốc độ dòng chảy, số vòng quay chân vịt (RPM), mớn nước (draft) và hiệu số mớn nước (trim).
4. Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa: Cải tiến thuật toán tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn (BFOA) với các toán tử di chuyển (chemotaxis), sinh sản (reproduction), đào thải và phân tán (elimination-dispersal), kết hợp bổ sung điều kiện biên ngẫu nhiên để tìm nghiệm toàn cục của bài toán tối ưu tuyến đường JIT.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, khung pháp lý quốc tế và thực trạng nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu hóa tuyến đường chạy tàu.

• Khung pháp lý quốc tế và quốc gia: Phân tích các yêu cầu của Công ước SOLAS (Quy định 34, Chương V về Lập kế hoạch chuyến đi), Bộ luật STCW (Mục A-III/2 về chuẩn bị kế hoạch hành trình), Công ước Vùng mạn khô LOADLINE 1966, Công ước MARPOL 73/78, các chỉ số hiệu quả năng lượng EEDI, EEOI, chứng chỉ IEEC và kế hoạch quản lý năng lượng SEEMP.
• Phân tích các yếu tố ảnh hưởng:
  • Sóng biển: Là yếu tố kháng lực chính. Ở tốc độ thấp, kháng lực sóng chiếm 20-30% tổng kháng lực, nhưng khi tàu chạy tốc độ cao, kháng lực sóng có thể chiếm tới 60-70%. Luận án phân tích chi tiết sự suy giảm tốc độ khi tàu đi xuôi sóng, ngang sóng và ngược sóng.
  • Gió: Gây cản trở trực tiếp lên phần thượng tầng nổi của vỏ tàu và là nguồn gốc sinh ra sóng gió bề mặt.
  • Dòng chảy bề mặt đại dương (Hải lưu): Gồm hải lưu gió, hải lưu gradient, dòng chảy nóng/lạnh, tác động làm tăng tốc độ tàu khi thuận dòng và giảm tốc độ khi ngược dòng.
• Đánh giá các thuật toán tối ưu hóa: So sánh ưu nhược điểm của Quy hoạch động, thuật toán vét cạn (EC), thuật toán leo đồi (HCA), thuật toán di truyền (GA), thuật toán đàn kiến (ACOA) và thuật toán vi khuẩn (BFOA). Luận án khẳng định BFOA có tính phân tán cao, độc lập giữa các phần tử, không đòi hỏi hàm mục tiêu khả vi/lồi, rất thích hợp cho bài toán hành hải biển.

CHƯƠNG 2: Tổng hợp thông tin thời tiết phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu

Chương 2 trình bày quy trình kỹ thuật và xây dựng các phân hệ phần mềm nhằm tự động hóa việc thu thập, giải mã và tổng hợp dữ liệu khí tượng - thủy văn số.

• Nguồn dữ liệu sóng và gió (RISH): Khai thác cơ sở dữ liệu của Viện RISH (Đại học Kyoto, Nhật Bản). Dữ liệu được mã hóa dưới dạng GRIB 2 gồm các khối bản tin GSM (Global Spectral Model) và GWM (Global Wave Model). Luận án xây dựng phần mềm giải mã cấu trúc các bản tin GRIB 2 (chứa các bảng Grid Definition Template - GDT, Product Definition Template - PDT, Data Representation Template - DRT).
• Nguồn dữ liệu dòng chảy (OSCAR): Khai thác dự án phân tích dòng chảy đại dương thời gian thực (Ocean Surface Current Analyses Real - Time) do JPL/Caltech quản lý, cung cấp dữ liệu dòng chảy dưới định dạng netCDF (Network Common Data Form).
• Phát triển phần mềm quản lý và tạo tệp thời tiết tổng hợp:
  • Xây dựng mô-đun phần mềm bằng ngôn ngữ Visual Basic 2010 nhằm tự động tải, giải mã các bản tin sóng, gió của RISH và dòng chảy OSCAR;
  • Trích xuất trường vector gió (tốc độ, hướng), sóng (độ cao sóng, hướng sóng) và dòng chảy (vận tốc dòng, hướng dòng) tại các nút lưới tọa độ;
  • Tích hợp và đóng gói thành tệp dữ liệu thời tiết tổng hợp duy nhất theo từng ngày (từ 20/11/2020 đến 06/12/2020 trong các thử nghiệm kiểm chứng) và hỗ trợ tính năng cập nhật (upload) trực tiếp lên hệ thống tính toán tuyến đường.

CHƯƠNG 3: Tổng hợp, phân tích đặc tính thay đổi tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu

Chương 3 giải quyết bài toán mô hình hóa động học và tiêu thụ năng lượng của tàu biển khi hoạt động trong môi trường biển thực tế.

• Phương pháp thu thập dữ liệu tàu thực: Thiết lập mẫu bảng ghi nhận và xây dựng phần mềm quản trị dữ liệu hành trình tàu (Vessel Voyage Manager, Vessel Speed Performance Manager, Vessel Bunkering Manager).
• Áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất: Xử lý tập số liệu vận hành thực tế thu thập từ tàu chở khí hóa lỏng MV Gas Nirvana trong giai đoạn 7 tháng (từ 01/04/2020 đến 01/11/2020).
• Mô hình hóa toán học:
  • Thiết lập hàm phụ thuộc của tốc độ tàu ($V$) và mức tiêu hao nhiên liệu ($FC$) theo các biến đầu vào: chế độ máy (RPM), mớn nước ($Draft = 5m, 6m, 7m$), hiệu số mớn nước ($Trim$), chiều cao sóng, hướng sóng tương đối, tốc độ gió và góc gió tương đối ($0^\circ - 180^\circ$).
  • Phân tích mối tương quan: Xác định mức độ sụt giảm tốc độ và gia tăng tiêu thụ nhiên liệu khi đi ngược sóng gió so với khi đi thuận thời tiết ở từng mức mớn nước cụ thể. Kết quả hồi quy cung cấp bảng tra cứu số và hàm truyền động học chính xác làm đầu vào cho thuật toán tối ưu ở Chương 4.

CHƯƠNG 4: Nghiên cứu, xây dựng thuật toán vi khuẩn cải tiến để tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc Just in Time "tàu đến cảng kịp lúc"

Chương 4 là phần phát triển thuật toán trọng tâm của luận án.

• Nguyên lý thuật toán vi khuẩn (BFOA): Mô phỏng hành vi di chuyển tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn E. coli thông qua 4 bước: Di chuyển định hướng hóa ứng động (Chemotaxis - bơi và nhào lộn), Kết bầy (Swarming), Sinh sản (Reproduction), Đào thải và Phân tán (Elimination and Dispersal).
• Các cải tiến thuật toán của luận án:
  • Không gian tìm kiếm: Rời rạc hóa vùng biển hành trình thành các mạng lưới đường nút (Waypoints - WPT) kết nối từ điểm xuất phát đến điểm đích;
  • Hàm mục tiêu: Xây dựng hàm mục tiêu tổng mức tiêu thụ nhiên liệu toàn chuyến nhỏ nhất: $$\min \sum FC_i(V_i, Weather_i, ShipStatus_i)$$ với ràng buộc thời gian nghiêm ngặt $T_{total} = \sum \Delta t_i \approx T_{JIT}$ (thời điểm cập cảng đúng quy định) và các ràng buộc biên về vùng biển an toàn hàng hải;
  • Cơ chế tìm kiếm thích nghi: Cải tiến bước nhảy của toán tử Chemotaxis để vi khuẩn dịch chuyển linh hoạt giữa các nút hành hải, hiệu chỉnh các tuyến ngẫu nhiên qua các thế hệ lặp $i$ đến $n$ nhằm tránh rơi vào cực trị địa phương.
• Xây dựng phần mềm và mô phỏng thực nghiệm:
  • Lập trình phần mềm hoàn chỉnh trên môi trường Visual Basic 2010 kết nối tệp dữ liệu thời tiết số (RISH + OSCAR) và mô hình tiêu thụ nhiên liệu tàu MV Gas Nirvana;
  • Chạy mô phỏng tính toán tuyến đường tối ưu JIT: Hệ thống tự động khởi tạo các tuyến ngẫu nhiên, tiến hành chọn lọc, điều chỉnh qua nhiều thế hệ lặp và xuất ra tuyến đường tối ưu kèm kế hoạch phân bổ tốc độ/vòng quay máy trên từng phân đoạn.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Làm chủ quy trình xử lý dữ liệu thời tiết số quốc tế: Xây dựng thành công thuật toán và mô-đun phần mềm tự động hóa việc thu thập, giải mã các bản tin dự báo sóng, gió định dạng GRIB 2 (từ cơ sở dữ liệu RISH, Đại học Kyoto) và dữ liệu dòng chảy bề mặt đại dương định dạng netCDF (từ dự án OSCAR/NASA).
2. Phương pháp luận mô hình hóa đặc tính tàu: Ứng dụng thành công phương pháp bình phương nhỏ nhất để xây dựng mô hình phi tuyến tính mô tả sự biến thiên tốc độ và mức tiêu thụ nhiên liệu của tàu theo chế độ máy và các yếu tố khí tượng thủy văn thực tế.
3. Phát triển thuật toán BFOA cải tiến: Đề xuất cấu trúc thuật toán vi khuẩn cải tiến thích hợp cho không gian nút mạng hàng hải, tích hợp hàm mục tiêu tối ưu nhiên liệu gắn liền với điều kiện ràng buộc thời gian đến cảng Just in Time (JIT).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Phần mềm tính toán dẫn đường "Made in Vietnam": Cung cấp cho ngành hàng hải Việt Nam một công cụ phần mềm độc lập, giao diện tiếng Việt, minh bạch về thuật toán và nguồn dữ liệu, khắc phục các nhược điểm về chi phí và tính chất "hộp đen" của phần mềm ngoại nhập.
2. Giải pháp đáp ứng quy định giảm phát thải: Giúp các công ty vận tải biển Việt Nam thực hiện hiệu quả Kế hoạch Quản lý Năng lượng Tàu biển (SEEMP) và tuân thủ các quy định báo cáo tiêu thụ nhiên liệu bắt buộc của Bộ Giao thông Vận tải (Thông tư 40/2018/TT-BGTVT) và IMO.
3. Ứng dụng cho công tác quản lý cảng biển: Sản phẩm nghiên cứu có thể mở rộng làm công cụ hỗ trợ ra quyết định cho các Cơ quan Cảng vụ Hàng hải và Hệ thống Quản lý Giao thông Tàu thuyền (VTS) trong việc điều phối luồng lạch và lập kế hoạch tiếp nhận tàu kịp thời.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Phạm vi số liệu thực nghiệm tàu: Cơ sở dữ liệu kiểm chứng và mô hình hóa tiêu thụ nhiên liệu mới chỉ tập trung trên một dạng tàu chuyên dụng cụ thể (tàu chở khí hóa lỏng MV Gas Nirvana).
• Độ phân giải thời tiết: Dữ liệu sóng gió RISH và dòng chảy OSCAR là dữ liệu toàn cầu, độ chính xác phụ thuộc vào tần suất cập nhật của các nhà cung cấp dữ liệu quốc tế.
• Ràng buộc giao thông phức tạp: Mô hình tối ưu tập trung chủ yếu vào các tuyến đường biển xa, chưa xét chi tiết các yếu tố giới hạn đặc biệt trong luồng lạch hẹp hoặc mật độ tránh va cao.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng thu thập và chuẩn hóa dữ liệu đặc tính động học, tiêu hao nhiên liệu trên nhiều loại tàu biển khác nhau (tàu hàng rời, tàu công-ten-nơ, tàu dầu).
• Tích hợp hệ thống thuật toán vào các thiết bị phần cứng hàng hải trên buồng lái (như hệ thống hiển thị hải đồ điện tử ECDIS) để hỗ trợ thuyền viên trực ca tự động theo thời gian thực.
• Nghiên cứu kết hợp thuật toán tối ưu hóa tuyến đường thời tiết với các thuật toán tránh va tự động đa mục tiêu trong khu vực hành hải có mật độ giao thông cao.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Hàng hải: Có thể sử dụng tài liệu để tham khảo phương pháp giải mã tệp dữ liệu thời tiết GRIB 2/netCDF, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (BFOA) và phương pháp bình phương nhỏ nhất trong mô hình hóa tiêu hao năng lượng tàu.
• Thuyền trưởng, Sỹ quan Hàng hải và Công ty Vận tải biển: Tham khảo quy trình lập kế hoạch hành trình thời tiết, nguyên lý khai thác tàu theo tiêu chuẩn Just in Time nhằm giảm chi phí nhiên liệu.
• Cơ quan Quản lý Nhà nước và Cảng vụ Hàng hải: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý giao thông tàu thuyền (VTS), nâng cao năng lực giám sát hiệu quả năng lượng đội tàu quốc gia.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn dữ liệu thời tiết nào được tác giả sử dụng trong luận án?

Luận án sử dụng hai nguồn dữ liệu số toàn cầu chính:

• Bản tin dự báo sóng và gió toàn cầu định dạng GRIB 2 của Viện Nghiên cứu Phát triển Bền vững Khí quyển Nhân loại (RISH) thuộc Đại học Kyoto, Nhật Bản;
• Bản tin phân tích dòng chảy bề mặt đại dương theo thời gian thực định dạng netCDF của Dự án OSCAR thuộc Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL/NASA) - Viện Công nghệ California.

2. Thuật toán tối ưu hóa nào là trọng tâm của luận án?

Trọng tâm của luận án là Thuật toán tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn cải tiến (Improved Bacterial Foraging Optimization Algorithm - BFOA cải tiến), được thiết kế để tìm kiếm tuyến đường và chế độ vận hành tối ưu trong không gian tìm kiếm các điểm chuyển hướng (Waypoints).

3. Nguyên tắc Just in Time (JIT) trong luận án được hiểu như thế nào?

Nguyên tắc Just in Time ("tàu đến cảng kịp lúc") là kỹ thuật tối ưu hóa kế hoạch chạy tàu dựa trên việc biết trước thời điểm ấn định cập cảng tại cảng đích. Thay vì chạy tốc độ cao rồi phải thả neo chờ cầu bến, tàu được điều khiển chạy ở tốc độ kinh tế tối ưu trên từng đoạn hành trình, giúp tiết kiệm nhiên liệu tối đa và giảm phát thải khí nhà kính nhưng vẫn đảm bảo đến cảng đúng giờ.

4. Dữ liệu thực nghiệm của con tàu nào được dùng để kiểm chứng mô hình?

Tác giả đã thu thập dữ liệu hành hải, mức tiêu thụ nhiên liệu và tốc độ thực tế của tàu chở khí hóa lỏng MV Gas Nirvana trong khoảng thời gian từ ngày 01/04/2020 đến ngày 01/11/2020, với các trạng thái mớn nước 5m, 6m, 7m và các góc hướng gió từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Đặng Quang Việt đã giải quyết thành công bài toán tích hợp giữa tự động hóa xử lý thông tin thời tiết số toàn cầu (RISH, OSCAR) với việc mô hình hóa thực nghiệm đặc tính tàu bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Việc nghiên cứu và ứng dụng thành công thuật toán bầy vi khuẩn (BFOA) cải tiến theo nguyên tắc Just in Time đã tạo ra công cụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu nhiên liệu có giá trị thực tiễn cao. Công trình đóng góp trực tiếp vào mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính cho đội tàu biển Việt Nam theo đúng các công ước quốc tế và quy định hiện hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. 48 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP THÔNG TIN THỜI TIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU. Việc thu thập thông tin thời tiết ở trên tàu hiện nay. Một số nguồn thông tin thời tiết tiếp cận được trên tàu.

Các nguồn thời tiết dạng số. Thông tin thời tiết phục vụ tính toán kế hoạch chạy tàu tối ưu được nghiên cứu trong đề tài luận án. Bản tin sóng toàn cầu, bản tin gió toàn cầu của Rish. Dữ liệu dòng chảy Oscar.

Khai thác thông tin thời tiết dạng Grib file phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu. Thông tin thời tiết có định dạng Grib file. Xây dựng phần mềm trích xuất dữ liệu thời tiết (sóng, gió) định dạng Grib 2 của Rish. Quy trình thu thập thông tin thời tiết (sóng, gió) từ cơ sở dữ liệu của Rish.

Khai thác thông tin dòng chảy từ cơ sở dữ liệu dòng chảy Oscar phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu. Tổng quan về cơ sở dữ liệu dòng chảy OSCAR. Xây dựng phần mềm khai thác thông tin từ cơ sở dữ liệu dòng chảy OSCAR. Tạo và Upload file dữ liệu thời tiết tổng hợp phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu.

Tạo file dữ liệu thời tiết tổng hợp. Upload file dữ liệu thời tiết tổng hợp. Kết luận chương 2. 76 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ VÀ ĐẶC TÍNH TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU CỦA TÀU BIỂN TRONG TỪNG ĐIỀU KIỆN HÀNH HẢI CỤ THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU.

Đặc tính thay đổi tốc độ tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể. Xác định đặc tính thay đổi tốc độ và tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Phương pháp bình phương nhỏ nhất.

Ứng dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xác định đặc tính tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể. Phần mềm và mô hình tổng hợp, phân tích đặc tính thay đổi tốc độ và đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu. Tổng quan về phần mềm. Quy trình quản lý thông tin về đặc tính thay đổi tốc độ tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể.

Quy trình quản lý thông tin về đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể. Một số kết quả tổng hợp, phân tích. Kết luận chương 3. 94 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VI KHUẨN CẢI TIẾN ĐỂ TÍNH TOÁN TUYẾN ĐƯỜNG VÀ KẾ HOẠCH CHẠY TÀU TỐI ƯU NHIÊN LIỆU DỰA TRÊN NGUYÊN TẮC JUST IN TIME “TÀU ĐẾN CẢNG KỊP LÚC”.

Tổng quan về thuật toán vi khuẩn. Nguyên lý chung của thuật toán vi khuẩn. Phân loại thuật toán vi khuẩn. Nghiên cứu, xây dựng thuật toán vi khuẩn cải tiến tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc.

Khái niệm về không gian tìm kiếm, đường nút và tuyến hàng hải. Sơ đồ khối nguyên lý tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc ứng dụng thuật toán vi khuẩn cải tiến. Hàm mục tiêu của tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc. Thuật toán vi khuẩn tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa tên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc.

Một số điều chỉnh để tăng hiệu quả lựa chọn của thuật toán vi khuẩn. Tổng thể thuật toán xác định tuyến đường tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc. Xây dựng phần mềm tính toán và mô hình mô phỏng kết quả tính toán tuyến đường chạy tàu tối ưu nhiên liệu dựa trên nguyên tắc tàu đến cảng kịp lúc bằng thuật toán vi khuẩn cải tiến. Kết luận chương 4.

122 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN. 126 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 128 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích Ant Colony Optimization Algorithm ACOA Thuật toán tối ưu đàn kiến Bacterial Foraging Optimization Algorithm BFOA Thuật toán tối ưu dựa trên việc tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn BGTVT Bộ giao thông vận tải CSDL Cơ sở dữ liệu DRT Data Representation Template DT Data Template Exhausted Search EC Thuật toán vét cạn Electronic Chart Display and Information System ECDIS Hệ thống thông tin và hiển thị hải đồ điện tử Energy Efficiency Design Index EEDI Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng Energy Efficiency Operational Indicator EEOI Chỉ số khai thác hiệu quả năng lượng Enhanced Group Call EGC Dịch vụ gọi nhóm tăng cường Fuel Consumption FC Mức tiêu thụ nhiên liệu United Nations Framework Convention On Climate FCCC Change Công ước khung của LHQ về biến đổi khí hậu GA Genetic Algorithm vii Thuật toán di truyền GDT Grid Definition Template Green House Effect GHC Hiệu ứng nhà kính Gridded Binary hay General Regularly distributed GRIB Information in Binary Form Hill Climbing Algorithm HCA Thuật toán leo đồi Intergovermental Maritime Consultative Organization IMCO Tổ chức liên chính phủ giải quyết các vấn đề Hàng hải International Maritime Organization IMO Tổ chức Hàng hải quốc tế Information Maritime Satellite System INMARSAT Hệ thống thông tin vệ tinh hàng hải Intergorvermental Panel On Climate Change IPCC Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu Just in Time JIT "Đến kịp lúc" International Convention for the Prevention of Pollution MARPOL from Ships Công ước quốc tế về phòng ngừa ô nhiễm từ tàu Marine Environment Protection Committee MEPC Ủy ban bảo vệ môi trường biển NCS Nghiên cứu sinh NetCDF Format Network Common Data Form Ocean Surface Current Analyses Real - Time OSCAR Dự án nghiên cứu phân tích dòng chảy đại dương theo thời gian thực viii PDT Product Definition Template QĐ_TTg Quyết định Thủ tướng Research Institute for Sustainable Humanoshere RISH Viện nghiên cứu phát triển bền vững khí quyển nhân loại Revolutions Per Minute RPM Số vòng quay trên phút (đơn vị Vòng/ phút) Ship Energy Efficiency Management Plan SEEMP Kế hoạch quản lí hiệu quả năng lượng trên tàu The International Convention for the Safety of Life at SOLAS Sea Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng trên biển Ship Performance Optimization System SPOS Hệ thống tối ưu hóa hoạt động tàu Under Keel Clearance UKC Chân hoa tiêu (độ sâu dưới đáy tàu) United Nations UN Liên Hợp Quốc Visual Basic 2010 VB 2010 Ngôn ngữ lập trình Visual Basic 2010 Volatite Organic Compounds VOC Các chất hữu cơ ở dạng bay hơi Vessel Traffic System VTS Hệ thống quản lý giao thông tàu thuyền World Meteorology Organization WMO Tổ chức khí tượng thế giới World Meteorology Organization WMO Tổ chức khí tượng hải dương thế giới WPT Waypoint ix Điểm nút (hay điểm chuyển hướng) Ocean Surface Current Analyses Real – time OSCAR Dự án nghiên cứu, phân tích dòng chảy đại dương theo thời gian thực CDF Common Data Form European Centre for Medium Range Weather Forecast ECMWF Trung tâm dự báo hạn vừa của Châu Âu International Energy Efficiency IEEC Giấy chứng nhận hiệu quả năng lượng quốc tế Safety Management System SMS Hệ thống quản lý an toàn Sulphur Emission Control Area SECA Khu vực kiểm soát phát thải Sox Bacterial Foraging Optimization BFO Thuật toán tối ưu dựa trên phương pháp tìm kiếm thức ăn của bầy vi khuẩn Visual Basic 2010 VB 10 Ngôn ngữ lập trình Visual Basic 2010 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Mẫu bảng ghi lại dữ liệu đặc tính thay đổi tốc độ tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể .2 Mẫu bảng ghi lại dữ liệu đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể.

79 Với cách làm như trên, NCS hướng tới mục tiêu áp dụng được cho bất kỳ một con tàu nào.3 Mẫu bảng ghi lại tốc độ tàu trong từng điều kiện hành hải cụ thể .4 Mẫu bảng ghi lại kết mức tiêu thụ nhiên liệu của tàu biển trong từng điều kiện hành hải cụ thể. 82 xi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ khối mô tả nội dung nghiên cứu của đề tài luận án .2 Ví dụ về 1 tuyến đường chạy tàu tối ưu với điểm xuất phát, các điểm chuyển hướng và điểm đến.3 Hình vẽ mô tả kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của sóng tới tốc độ tàu trong các trường hợp tàu đi xuôi sóng, ngang sóng và ngược sóng.1 Sơ đồ nguyên lý thu thập thông tin thời tiết phục vụ tính toán tuyến đường và kế hoạch chạy tàu tối ưu được thực hiện trong đề tài luận án .2 Dữ liệu dòng chảy OSCAR .3 Ví dụ bản tin dự báo gió toàn cầu ngày 12/12/2020 .4 Ví dụ bản tin dự báo sóng toàn cầu ngày 12/12/2020.5 Giao diện chương trình quản lý cơ sở dữ liệu .6 Giao diện đăng nhập vào hệ thống .7 Dữ liệu thời tiết được lưu trữ theo từng năm .8 Dữ liệu thời tiết từ 01/2020 đến 12/2020 .9 Dữ liệu thời tiết từ ngày 01/12/2020 đến 08/12/2020 .10 Dữ liệu thời tiết ngày 08/12/2020 được mã hóa bằng định dạng Grib 2 .11 Dữ liệu dự báo gió toàn cầu của Rish từ ngày 16/11/2020 đến 06/12/2020 .12 Dữ liệu dự báo sóng toàn cầu của Rish từ ngày 16/11/2020 đến 06/12/2020 .13 Giao diện chương trình khi chọn Module Quản lý thời tiết.14 Giao diện hệ thống sau khi chọn DECODE RISH-OSCAR DATA .15 Thư mục GSM .16 Thư mục GWM .17 Kết quả giải mã bản tin dự báo sóng của Rish ngày 16/11/2020.18 Kết quả giải mã bản tin dự báo gió của Rish từ ngày 16/11/2020 đến 22/11/2020 .19 Hiển thị hình ảnh gió toàn cầu ngày 06/12/2020 .20 Hiển thị hình ánh sóng toàn cầu ngày 06/12/2020 .21 Ví dụ dữ liệu dòng chảy Oscar .22 Địa chỉ truy cập để lấy dữ liệu dòng chảy Oscar .23 Giao diện chương trình quản lý cơ sở dữ liệu thời tiết .24 Giao diện đăng nhập vào hệ thống .25 Dữ liệu dòng chảy OSCAR .26 Kết quả giải mã dữ liệu dòng chảy OSCAR từ ngày 16/11/2020 đến ngày 06/12/2020 .27 Ví dụ hiển thị dữ liệu dòng chảy OSCAR ngày 26/06/2020 .28 Lựa chọn dữ liệu gió, sóng, dòng chảy đã được giải mã để tạo file thời tiết tổng hợp.29 File thời tiết tổng hợp của từng ngày từ 20/11/2020 đến 06/12/2020 73 Hình 2.