Luận án nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong q trình hàng hải, tàu ln chịu tác động ngoại lực sóng, gió Khả tự trở lại vị trí cân ngoại lực ngừng tác động yêu cầu để tàu tiếp tục hành trình an tồn biển Khả tính ổn định tàu Để đảm bảo tính ổn định tàu, sỹ quan hàng hải bên liên quan phải tính tốn, đánh giá trì tính ổn định tàu theo tiêu chuẩn IMO như: Tiêu chuẩn chung cho tàu hàng theo Bộ luật quốc tế Ổn định nguyên vẹn (IS Code), ngồi cịn có tiêu chuẩn đặc biệt cho số loại tàu tàu chở gỗ, tàu chở hàng lỏng, tàu chở hàng hạt rời Mặt khác, tiêu chuẩn đánh giá ổn định tàu bị hư hỏng cịn qui định Cơng ước quốc tế an toàn sinh mạng người biển - SOLAS 74 sửa đổi, bổ sung năm 2014 [28] Theo thống kê tổ chức Allianz, từ năm 2009 đến 2018, có tất 1036 vụ tai nạn có mức thiệt hại nghiêm trọng, tai nạn chìm tàu chiếm số lượng lớn (551 vụ) giữ mức cao hàng năm (từ 46÷132 vụ) Cũng theo báo cáo tai nạn tổ chức này, số vụ nạn liên quan đến tàu hàng rời 93 vụ hầu hết (80%) nguyên nhân dẫn đến chìm tàu tàu không đảm bảo ổn định nguyên vẹn ổn định tai nạn [46] Tính ổn định tàu biển nói chung, tàu hàng rời nói riêng đặc trưng hai thơng số bản, chiều cao vững (G0M) cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z) Vấn đề ổn định tàu chủ yếu phát sinh trình tàu làm hàng, bơm xả nước dằn yếu tố bất thường ảnh hưởng đến ổn định tàu trình chạy biển Hiện nay, việc tính tốn, kiểm tra tính ổn định tàu thường thực lập kế hoạch xếp hàng, trình xếp hàng, lúc kết thúc xếp hàng đánh giá lần cuối trước tàu hành trình Một tàu sau đánh giá đầy đủ theo tiêu chuẩn ổn định IMO coi đủ điều kiện ổn định trước tàu rời bến Tính ổn định mặc định an tồn cho q trình hàng hải tàu biển Tuy nhiên, trình hành trình, hàng hóa bị xơ dịch, hóa lỏng, hư hỏng ẩn tì vỏ tàu, , làm cho tính ổn định tàu bị suy giảm bị hoàn toàn, ảnh hưởng trực tiếp tới an tồn tàu, hàng hóa thuyền viên Thực tế, tình đó, sĩ quan hàng hải gặp nhiều khó khăn việc tính tốn ổn định thời tàu Hơn nữa, trường hợp tàu phải điều chỉnh nước dằn, sĩ quan chủ quan khơng kiểm tra tính ổn định tàu q trình bơm nước dằn Việc khơng tính tốn kịp thời, đầy đủ tính ổn định tàu hành trình nguyên nhân dẫn đến tai nạn đáng tiếc: tàu bị ổn định bị chìm đắm Hàng hóa vận tải biển phong phú, đa dạng vận chuyển nhiều chủng loại tàu khác Một số hàng hóa thường chở tàu chuyên dụng hàng rời Hàng rời vận chuyển điều kiện định bị nhão chảy dịch chuyển, làm suy giảm nghiêm trọng tính ổn định tàu, khiến tàu bị nghiêng dần, cuối dẫn đến lật tàu Thời gian từ lúc tàu bắt đầu bị nghiêng đến lúc lật tàu diễn vài tiếng, vài ngày tùy thuộc vào đặc điểm hàng tàu, điều kiện ngoại cảnh, khả xử lý tình thuyền trưởng sỹ quan tàu Thực tế, nhiều tai nạn hàng hải nghiêm trọng xảy tàu vận chuyển hàng rời có tính nhão chảy, cướp sinh mạng nhiều thuyền viên gây tổn thất lớn hàng hóa [36] Đặc điểm chung tai nạn suy giảm ổn định tàu không phát sớm tính ổn định tàu bị tàu hành trình biển Do không phát sớm nên sỹ quan hàng hải không đưa phương pháp xử lý, phương pháp điều động thích hợp, làm tính ổn định tàu suy giảm dẫn đến hoàn tồn, kết hợp điều kiện ngoại cảnh bất lợi tai nạn đắm tàu xảy hoàn toàn khơng thể tránh khỏi Như vậy, liên tục cập nhật tính ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực suốt trình hàng hải, đưa cảnh báo suy giảm ổn định tàu trợ giúp hiệu quả, quan trọng với sỹ quan hàng hải Từ đó, hành động biện pháp xử lý sớm đưa ra, nâng cao an toàn sinh mạng cho người tàu Do vấn đề ổn định cho loại tàu rộng, đồng thời tàu chở hàng rời thường phải vận chuyển số loại hàng có khả gây suy giảm tính ổn định cho tàu hành trình biển, nên “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời” vấn đề có tính thời cấp thiết cao, lựa chọn làm đề tài luận án tiến sĩ nhằm góp phần nâng cao an toàn hàng hải Tổng quan cơng trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài luận án nước nước ngồi Tình hình nghiên cứu giới liên quan đến đề tài luận án: - Năm 2012, Tác giả Apostolos Papanikolaou, Đại học Kỹ thuật quốc gia Athens, Hy Lạp, viết báo “Mục đích tiêu chuẩn an tồn ổn định tàu biển”, cơng trình phác thảo lại mục tiêu kết thu dự án GOALDS ủy ban châu Âu đánh giá cơng thức tính xác suất ổn định hư hỏng chương II-1 SOLAS 74 cho tàu hàng khô, tàu khách [21], [49] - Năm 2015, tác giả Mohamed Abdelkader Djebli, Benameur Hamoudi, Omar Imine Lahouari Adjlout, Khoa Kỹ thuật khí, Đại học Khoa học Công nghệ Oran Mohamed, Algeria, viết báo “Ứng dụng điện thoại thông minh việc thử nghiệm ổn định tàu” Nội dung nghiên cứu báo đề cập đến việc sử dụng cảm biến gia tốc có sẵn điện thoại thơng minh để xác định chu kỳ lắc ngang tàu, từ chu kỳ lắc ngang xác định nhóm tác giả tính tốn chiều cao vững tàu thơng qua cơng thức IMO khuyến cáo Kết thực nghiệm trình bày báo thực nghiệm tàu mơ hình có tỷ lệ 1/25 tàu đánh cá thực tế [37], [47] - Năm 2015, tác giả Shadman Sakib, Khoa kỹ thuật hàng hải kiến trúc hải quân thuộc trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Bangladesh, viết báo “Thiết bị để xác định ổn định động xếp tải động cho tàu nội địa dựa chuyển động lắc ngang nó” Bài báo đề cập đến nguyên lý xác định ổn định tàu thông qua chu kỳ lắc ngang cách sử dụng cảm biến góc gia tốc, kết nghiên cứu dừng phạm vi thực nghiệm phịng thí nghiệm thông qua thiết bị tự chế đối tượng nghiên cứu tác giả tàu thuyền nhỏ hoạt động vùng nước nội địa Bangladesh [44], [48] - Năm 2017, tác giả Przemysław Krata, Wojciech Wawrzyński, Khoa hàng hải, Đại học Hàng hải Gdynia, Balan, viết báo “Dự đốn vùng nguy hiểm thơng qua mối quan hệ chu kỳ lắc riêng chiều cao vững tương đương” Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng chu kỳ lắc riêng đến đặc tính phi tuyến đường cong GZ đề xuất cần sử dụng chiều cao vững tương đương (GMeq) thay GM ban đầu đánh giá ổn định tàu [43] - Liên quan đến thiết bị đo nghiêng điện tử trang bị tàu đáp ứng tiêu chuẩn theo Nghị MSC.363(92) IMO giới có số cơng ty chào bán sản phẩm như: Công ty TNHH Hàng hải UC (UC Marine Company Limited) [52], Công ty TNHH Kỹ thuật Nanjing Ninglu (Nanjing Ninglu Technology Co., Ltd.) [53] Trung Quốc Công ty Daniamant Đan Mạch [54] Tuy nhiên, thiết bị dừng việc tính tốn thơng số góc nghiêng ngang, nghiêng dọc chu kỳ lắc ngang tàu, khơng có chức tính tốn ổn định tàu theo thời gian thực cảnh báo xu hướng suy giảm ổn định tàu Tình hình nghiên cứu nước liên quan đến đề tài luận án Bài báo “Một số khuyến nghị công tác vận hành tàu hàng rời có nguy hóa lỏng” tác giả Nguyễn Kim Phương, Bùi Văn Hưng đăng tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 46-3/2016 đề cập đến tượng hóa lỏng hàng rời góc độ vật lý để từ đưa khuyến nghị công tác vận hành tàu chở hàng rời có nguy hóa lỏng cho sỹ quan hàng hải [10] Năm 2018, tác giả Nguyễn Kim Phương, Nguyễn Công Vịnh, Từ Mạnh Chiến viết báo “Mơ tiến trình xếp dỡ hàng tàu hàng rời phục vụ đào tạo huấn luyện hàng hải” tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 54-4/2018 Bài báo mơ việc tính tốn ổn định tàu hàng rời cụ thể trình xếp, dỡ hàng cảng để phụ vụ cho việc huấn luyện, đào tạo cho sinh viên ngành điều khiển tàu biển sỹ quan hàng hải [12] Từ kết cơng bố cơng trình, nhận thấy, cơng trình khoa học chưa đưa phương pháp tính tốn đánh giá ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực điều kiện hành trình, hệ thống thiết bị hồn chỉnh cho phép tự động tính tốn, hiển thị thơng số đặc trưng cho tính ổn định tàu theo thời gian thực đưa cảnh báo tính ổn định tàu có xu hướng suy giảm Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài luận án thiết kế hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời có khả hiển thị liên tục thông số đặc trưng cho ổn định nguyên vẹn theo thời gian thực, xu hướng thay đổi giá trị đưa cảnh báo tính ổn định tàu khơng thỏa mãn tiêu chuẩn quy định Bộ luật ổn định nguyên vẹn (IS Code 2008) Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài luận án xác định cụ thể sau: - Đối tượng nghiên cứu: Tàu hàng rời, tính ổn định tàu hàng rời, phương pháp đánh giá ổn định tàu hàng rời; - Phạm vi nghiên cứu: Ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời hành trình biển, điều kiện tàu cân bằng, không bị nghiêng ngang tĩnh Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu khoa học phạm trù trung tâm phương pháp luận nghiên cứu khoa học Phương pháp nghiên cứu không vấn đề lý luận mà cịn vấn đề có ý nghĩa thực tiễn, việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp góp phần định thành công đề tài Các phương pháp lựa chọn để thực đề tài luận án: - Phương pháp phân tích tổng hợp: Phương pháp sử dụng để tổng quan cơng trình nghiên cứu công bố liên quan đến đề tài luận án, hệ thống hóa sở lý luận ổn định tàu hàng nói chung tàu hàng rời nói riêng; - Phương pháp mơ hình hóa: Đây phương pháp mơ hình hóa chuyển động lắc ngang tàu dựa thay đổi góc nghiêng ngang động tàu tác động ngoại lực theo thời gian thực Trên sở đó, xác định chu kỳ lắc ngang tàu hàng rời hành trình biển; - Phương pháp chuyên gia: Tham vấn chuyên gia hàng hải việc đánh giá tính ổn định tàu hành trình biển, yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định tàu hàng rời; - Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin: Lựa chọn ngơn ngữ lập trình xây dựng phần mềm hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời; - Phương pháp thực nghiệm: Phương pháp thực nghiệm áp dụng để đánh giá khả hoạt động độ tin cậy thiết bị hệ thống, đánh giá, hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học Trong giới hạn đối tượng phạm vi nghiên cứu, đề tài luận án có ý nghĩa khoa học định lĩnh vực khoa học hàng hải, thể sau đây: - Đề tài luận án tổng hợp hệ thống hóa sở lý luận ổn định tàu đặc trưng ổn định tàu hàng rời; - Đề tài luận án đưa phương pháp xác định ổn định tàu cách liên tục theo thời gian thực dựa chuyển động lắc ngang tàu 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Bên cạnh ý nghĩa khoa học, đề tài luận án mang lại ý nghĩa thực tiễn cơng tác dẫn tàu an tồn biển, cụ thể: Xây dựng hệ thống tích hợp (phần cứng, phần mềm) cho phép đo, xử lý thông tin ổn định tàu theo thời gian thực, đưa cảnh bảo ổn định tàu bị suy giảm, hệ thống thử nghiệm cho kết tốt; Hệ thống áp dụng tàu hàng rời nhằm hỗ trợ thuyền trưởng sĩ quan hàng hải trình dẫn tàu, góp phần đảm bảo an tồn hàng hải Những điểm đóng góp luận án 7.1 Về mặt lý luận Trên sở thu thập, phân tích, đánh giá cơng trình khoa học cơng bố từ trước có liên quan đến đề tài luận án, khẳng định số điểm đóng góp luận án mặt lý luận sau: - Đề xuất phương pháp xác định chu kỳ lắc ngang từ thiết bị đo góc nghiêng ngang tàu hàng rời theo thời gian thực; - Đề xuất thuật toán xác định chu kỳ lắc ngang thông số ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Đề xuất mơ hình kiến trúc, chức hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Xây dựng phần mềm thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực cho phép: tính tốn hiển thị tự động giá trị chiều cao vững đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh cách liên tục theo thời gian thực; cảnh báo ổn định tàu suy giảm, không đảm bảo tiêu chuẩn quy định 7.2 Về thực tiễn khoa học chuyên ngành hàng hải Sản phẩm nghiên cứu đề tài hướng đến áp dụng cho tàu hàng rời, hoạt động nghiên cứu gắn liền với hoạt động tàu hàng rời, điểm đóng góp luận án thực tiễn sau: - Thiết lập hồn chỉnh hệ thống thơng báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực bao gồm thiết bị phần cứng chương trình phần mềm Hệ thống xem cơng cụ hỗ trợ sĩ quan hàng hải công tác dẫn tàu an tồn, góp phần phịng ngừa, giảm thiểu hậu cố chìm tàu - Hệ thống ứng dụng công tác đào tạo, huấn luyện sĩ quan hàng hải, sinh viên ngành điều khiển tàu biển góc độ bổ xung thêm kiến thức, kỹ ổn định tàu hàng nói chung tàu hàng rời nói riêng Kết cấu luận án Kết cấu đề tài luận án gồm phần sau: - Phần mở đầu; - Phần nội dung (gồm chương): + Chương Cơ sở lý luận ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; + Chương Tính tốn ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang; + Chương Thiết kế xây dựng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; + Chương Thực nghiệm hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Phần kết luận kiến nghị; - Phần tài liệu tham khảo phụ lục CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC 1.1 Khái niệm chung tàu hàng rời Tàu chở hàng rời loại tàu sử dụng nhiều việc vận chuyển hàng hóa giới, vận chuyển hàng hóa dạng thô (bulk cargo) than đá, quặng sắt, ngũ cốc, lưu huỳnh, phế liệu khơng có đóng thùng hay bao kiện chứa trực tiếp khoang hàng chống thấm nước tàu Tàu chuyên dụng chở hàng rời loại tàu boong, có cấu trúc vững chắc, có két hơng két treo hai bên mạn hầm hàng để làm giảm mặt thoáng hầm hàng dễ điều chỉnh trọng tâm tàu cần thiết Tàu có miệng hầm rộng rãi, thuận lợi cho việc xếp dỡ hàng Hầm hàng gia cường chắn chịu va đập hàng hóa thiết bị làm hàng Đối với hàng hóa có khối lượng chun chở lớn phương thức vận chuyển đường biển tàu hàng rời giúp doanh nghiệp giảm chi phí vận tải so với so với phương thức chở hàng container Sức chứa tàu hàng rời khoảng 25.000DWT (Handysize), tàu có sức chứa trung bình (Panamax- tàu thiết kế theo tiêu chuẩn để qua kênh đào Panama) vào khoảng 75.000DWT, có tàu với sức chứa lớn lên đến 200.000DWT 1.1.1 Kích cỡ số tàu chở hàng rời Handysize: từ 20.000DWT đến 40.000DWT; Handymax: từ 40.000DWT đến 50.000DWT; Supramax: từ 50.000DWT đến 60.000DWT; Panamax: từ 60.000DWT từ 80.000DWT; Post-Panamax (“ Baby capers”): nhỏ 125.000DWT; Capesize: từ 125.000 đến 200.000DWT, loại tàu phân loại sau: 10 Giấy xác nhận thực nghiệm tàu LUCKY STAR 112 Giấy xác nhận thực nghiệm tàu BMC BRAVO 113 Giấy xác nhận thực nghiệm tàu LI DIAN 114 Giấy xác nhận thực nghiệm tàu TÂN BÌNH 234 115 Giấy chứng nhận kiểm định thiết bị đo góc nghiêng tàu 116 Bảng tính Bán kính quay K tàu BMC BRAVO 117 Các đường cong xác định G0M từ chu kỳ lắc ngang mớn nước trung bình tàu BMC BRAVO 118 10 Các thơng số ổn định tàu LUCKY STAR thời điểm thực nghiệm 10.1 Bảng tính G0M 119 10.2 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh G0Z 120 11 Chiều cao vững ban đầu (G0M) tàu BMC BRAVO thời điểm thực nghiệm 11.1 G0M thời điểm trước trao đổi nước dằn 121 11.2 G0M thời điểm bơm nước dằn vào két phải, trái 80T 122 11.3 G0M thời điểm bơm nước dằn vào két phải, trái 200T 123 11.4 G0M thời điểm bơm nước dằn két phải, trái 40T 124 11.5 G0M thời điểm bơm nước dằn ngồi két phải, trái cịn 6T 125 12 Thơng số tàu TÂN BÌNH 234 thời điểm thực nghiệm 126 ... theo thời gian thực; + Chương Tính tốn ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang; + Chương Thiết kế xây dựng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; ... ngang thông số ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Đề xuất mô hình kiến trúc, chức hệ thống thơng báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Xây dựng phần mềm thông báo ổn định tàu hàng. .. tính ổn định cho tàu hành trình biển, nên ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời? ?? vấn đề có tính thời cấp thiết cao, lựa chọn làm đề tài luận án tiến