hỗ trợ thiết kế cho vận hành cảng container theo xu hướng bền vững

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 chứa trong các hộp thép tiêu chuẩn được gọi là conta

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN HUỲNH BẢO HUY

HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHO VẬN HÀNH CẢNG CONTAINER THEO XU HƯỚNG BỀN VỮNG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Công Nghiệp Mã số: 8520117

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHAN THỊ MAI HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS NGUYỄN VĂN THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LÊ THỊ DIỄM CHÂU

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ Tịch: TS ĐẶNG THANH TUẤN

2 Thư Ký: TS LÊ ĐỨC ĐẠO

3 Phản Biện 1: TS NGUYỄN VĂN THÀNH 4 Phản Biện 2: TS LÊ THỊ DIỄM CHÂU 5 Ủy Viên: PGS.TS ĐỖ NGỌC HIỀN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:……Trần Huỳnh Bảo Huy………MSHV:… 2170623… Ngày, tháng, năm sinh:…… 04/12/1997……… Nơi sinh:…TP.HCM Chuyên ngành:……Kỹ Thuật Công Nghiệp……… Mã số :….8520117…

I TÊN ĐỀ TÀI: HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHO VẬN HÀNH CẢNG CONTAINER THEO

XU HƯỚNG BỀN VỮNG (SUPPORT FOR DESIGNING CONTAINER TERMINAL TO OPERATE SUSTAINABLE TENDENCY)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Xây dựng công cụ hỗ trợ quá trình thiết kế sơ khởi cho cảng container nhằm rút ngắn thời gian tính toán và thiết kế các hệ thống con như cầu cảng, bãi chứa và cổng vào Đồng thời ứng dụng công cụ đã xây dựng để thiết kế sơ khởi cho một cảng tại Thái Lan Nội dung của bài luận văn sẽ đi vào phân tích hoạt động của một cảng container để làm rõ chức năng của các hệ thống con Phân tích sự tác động giữa các hệ thống với nhau khi có một yếu tố bất kỳ trong thiết kế bị thay đổi Sau đó, mô hình hóa việc tính toán cho thiết kế các khu vực cầu cảng, bãi chứa và cổng vào từ những công thức đã khảo sát ở những bài nghiên cứu có sẵn Thông số các khu vực con đã mô hình hóa sẽ được đưa vào công cụ hỗ trợ tính toán quá trình thiết kế sơ khởi Vì công việc thiết kế cảng container là một quy trình lặp đi lặp lại nhiều lần do yêu cầu về tính tương thích giữa các hệ thống con, công cụ hỗ trợ tính toán sẽ giúp cho quá trình này được thực hiện nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và nguồn lực Ngoài ra bài luận văn còn phân tích độ nhạy cho các thông số cảng, cung cấp cái nhìn tổng thể về mối tương quan giữa các hệ thống con

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :………04/09/2023………… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:…… 18/12/2023……… V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Phan Thị Mai Hà

LỜI CẢM ƠN

Trải qua 2 học kỳ thực hiện đề tài luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, đặc biệt là PGS.TS.Phan Thị Mai Hà, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô vì đã trực tiếp hướng dẫn cho luận văn cho em Cô đã dành cho em nhiều thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em những chi tiết nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của em được hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức Cô cũng đã luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Em cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, quý thầy cô bộ môn Kỹ Thuật Hệ Thống Công Nghiệp đã tạo điều kiện cho em được học tập và hoàn thành khóa luận một cách thuận lợi Xin cảm ơn quý thầy cô giảng viên đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian qua

Đứng ở cương vị là một học viên cao học, dù cho có chuẩn bị cẩn thận thì việc mắc những sai lầm trong quá trình làm bài là không thể tránh khỏi Mong rằng có thể nhận được sự góp ý từ hội đồng đánh giá, quý thầy/cô để em có thể hoàn thiện khóa luận của bản thân

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn.

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày nay, lưu lượng hàng hóa đã đạt được cột mốc tăng trưởng đáng kinh ngạc nhờ vào những thành tựu công nghiệp hóa trong lịch sử Mặc cho ảnh hưởng của đại dịch COVID-19, lưu lượng vận tải container qua đường biển của Thái Lan vẫn liên tục tăng trong vòng 10 năm từ 7 triệu TEU lên 10 triệu TEU Để đáp ứng nhu cầu về một cảng container có thể thỏa mãn lưu lượng hàng hóa đang tăng như hiện nay, bài luận văn sẽ nghiên cứu thiết kế quá trình sơ khởi cho một cảng container tại Thái Lan theo xu hướng bền vững bằng cách ứng dụng một công cụ hỗ trợ tính toán giúp cho quá trình thiết kế nhanh chóng, tiết kiệm thời gian Bài nghiên cứu tập trung vào thiết kế ba hệ thống con trong cảng container là: khu vực bến, khu vực bãi và khu vực cổng Các hệ thống con này được tính toán thiết kế để phù hợp với yêu cầu đặt ra của nhà đầu tư Bởi vì các hệ thống con này liên quan chặt chẽ đến nhau nên nếu có sự thay đổi nào về thông số của một trong số chúng sẽ ảnh hưởng đến các hệ thống còn lại và toàn bộ hệ thống cảng container phải được tính toán lại từ đầu Do đó, công cụ hỗ trợ tính toán đề cập trong bài nghiên cứu này là một giải pháp cần thiết để đẩy nhanh quá trình lặp đi lặp lại trong giai đoạn thiết kế sơ khởi của cảng container Ngoài ra, phân tích độ nhạy cũng được thực hiện trong bài nghiên cứu này nhằm xác định mức ảnh hưởng của một vài thông số so với các thông số còn lại Sau khi xác định được những thông số nhạy cảm qua phân tích độ nhạy, nhà đầu tư có thể đưa những đối sách phù hợp để kiểm soát độ biến động của chúng.

ABSTRACT

Good flow has been remarkably increasing due to the progress of industrialization nowadays Despite the COVID-19 pandemic, Thailand's Container Port Throughput has increased from 7 million TEUs to 10 million TEUs within 10 years To accommodate and handle the increasing number of containers entering and leaving terminals, many containers terminal construction have been planned In this paper, we conducted a preliminary design on container terminal located in Thailand which includes three sub-systems: berths, yards and gates These sub-systems will be designed to satisfy stakeholder requirement in the context of enormous growth of container terminal throughput Due to the complex and strong correlation of those areas, if there is any change in one of the sub-systems, it will affect the other systems and terminal parameters must be recalculated A sensitivity analysis is performed to determine the robustness of sub-systems index Based on the analysis, Designers can find the sensitive parameter that needs to be controlled tightly.

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ những nội dung được trình bày trong đề tài luận văn “Hỗ Trợ Thiết Kế Cho Vận Hành Cảng Container Theo Xu Hướng Bền Vững” là công trình mà cá nhân em tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Phan Thị Mai Hà

Những kết quả từ bài nghiên cứu này là hoàn toàn chưa từng được công bố trong những công trình nghiên cứu riêng biệt nào khác Việc sử dụng các kết quả và những trích dẫn từ tài liệu của những tác giả khác đã được đảm bảo thực hiện theo đúng các quy định khi làm bài luận Các phần nội dung trích dẫn và các tài liệu từ sách báo và thông tin tham khảo đã được đăng tải trên các tác phẩm cũng như các trang web được trình bày theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Nếu có bất cứ vấn đề liên quan đến gian lận trong bài luận văn này thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về mọi hình thức kỷ luật theo quy định của nhà trường

Trần Huỳnh Bảo Huy

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.5 Ý nghĩa nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1.4 Thiết kế chi tiết 10

2.2 Những hệ thống con của cảng biển 11

2.2.1 Khu vực bến 11

2.2.1.1 Giới thiệu khu vực bến 11

2.2.1.2 Thiết bị sử dụng trong bến 11

2.2.1.3 Phương tiện vận chuyển giữa bến và kho bãi 15

2.2.2 Khu vực bãi chứa 19

2.2.2.1 Giới thiệu khu vực bãi chứa 19

2.2.2.2 Thiết bị sử dụng trong bãi chứa 20

2.2.3 Cổng 22

2.3 Những nghiên cứu về thiết kế cảng container 23

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25

3.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu 25

3.2 Quá trình thiết kế cảng container 27

3.3 Thiết kế cảng container theo xu hướng bền vững 30

3.4 Phương pháp hỗ trợ quá trình thiết kế sơ khởi 32

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ SƠ KHỞI 36

4.1 Mô hình cho khu vực bến 36

4.1.1 Hoạt động của khu vực bến 36

4.1.2 Công thức tính toán của khu vực bến 38

4.2 Mô hình cho khu vực bãi 42

4.2.1 Hoạt động của khu vực bãi 42

4.2.2 Công thức tính toán của khu vực bãi 46

4.3 Mô hình cho khu vực cổng 50

4.3.1 Hoạt động của khu vực cổng 50

4.3.2 Công thức tính toán của khu vực cổng 51

4.4 Mô hình tính toán chi phí cảng container 55

5.2.2 Phân tích độ nhạy khu vực bến 66

5.3 Thiết kế khu vực bãi 67

5.3.1 Cấu trúc khu vực bãi 67

5.3.2 Phân tích độ nhạy khu vực bãi 69

5.4 Thiết kế khu vực cổng 70

5.4.1 Cấu trúc khu vực cổng 70

5.4.2 Phân tích độ nhạy khu vực cổng 72

5.5 Tính toán chi phí cho cảng container 74

5.5.1 Tính toán chi phí khu vực bến 74

5.5.2 Tính toán chi phí khu vực bãi 75

5.5.3 Tính toán chi phí khu vực cổng 77

KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

Hình 2.6: Hệ thống xe đầu kéo rơ-móc (Cảng Container Quốc Tế Manila) 15

Hình 2.7: Xe tự hành AGV (Cảng container Altenwerder – Hamburg, Đức) 16

Hình 2.8: Xe nâng thủy lực trong cảng container (nguồn: Kalmar) 17

Hình 2.9: Xe nâng xếp tầng (nguồn: Kalmar) 18

Hình 2.10: Xe nâng khung (Cảng Container Burchardkai – Hamburg, Đức) 18

Hình 2.11: Khối container trong bãi chứa 19

Hình 2.12: Khối container và làn xe tải 20

Hình 2.13: Bố cục song song (a) và vuông góc (b) của bãi container 20

Hình 2.14: Vận hành của cẩu giàn RTG 21

Hình 2.15: Vận hành của cẩu giàn RMG 22

Hình 3.1: Bố cục của một cảng container điển hình 26

Hình 3.2: Quá trình thiết kế cảng container 30

Hình 3.3: Tỉ trọng phát thải CO2 của các thiết bị vận hành trong cảng container 31

Hình 3.4: Tổng quan công cụ hỗ trợ thiết kế cảng container 34

Hình 3.5: Ví dụ về mối liên hệ giữa thông số đầu vào và thông số đầu ra 35

Hình 4.1: Cảng container với khoảng cách mỗi bến 37

Hình 4.2: Công cụ tính toán khu vực bến 42

Hình 4.3: Cấu tạo của một khối container 43

Hình 4.4: Minh họa cho bãi chứa bố cục vuông góc 45

Hình 4.5: Minh họa cho bãi chứa bố cục song song 46

Hình 4.6: Công cụ tính toán khu vực bãi 49

Hình 4.7: Công cụ tính toán khu vực cổng 54

Hình 4.8: Tính toán thời gian chờ của xe tại cổng theo lý thuyết hàng chờ 55

Hình 4.9: Công cụ tính toán chi phí khu vực bến 58

Hình 4.10: Công cụ tính toán chi phí khu vực bãi 61

Hình 4.11: Công cụ tính toán chi phí khu vực cổng 63

Hình 5.1: Thông số khu vực bến trong công cụ hỗ trợ 66

Hình 5.2: Ảnh hưởng của chiều dài cảng, số lượng cẩu đến năng suất cảng, tổng số lượng cẩu 67

Hình 5.3: thông số khu vực bãi trong công cụ hỗ trợ 69

Hình 5.4: Ảnh hưởng số lượng cột của khối đến chiều dài khối, số lượng hàng của khối và diện tích bãi chứa 70

Hình 5.5: Kích thước của xe tải 71

Hình 5.6: Thông số khu vực cổng trong công cụ hỗ trợ 72

Hình 5.7: Sự biến động của làn xe tối thiểu và tối đa ở mỗi giá trị tốc độ xử lý của cổng 73

Hình 5.8: Sự biến động của thời gian xe chờ ở mỗi giá trị tốc độ xử lý của cổng 74

Hình 5.9: Chi phí khu vực bến trong công cụ hỗ trợ 75

Hình 5.10: Chi phí khu vực bãi trong công cụ hỗ trợ 76

Hình 5.11: Chi phí khu vực cổng trong công cụ hỗ trợ 77Hình 5.12: Sơ đồ thiết kế sơ khởi của cảng container 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1:Thông số đầu vào của khu vực bến 38

Bảng 4.2:Thông số đầu ra của khu vực bến 38

Bảng 4.3:Thông số đầu vào của khu vực bãi 47

Bảng 4.4:Thông số đầu ra của khu vực bãi 47

Bảng 4.5:Thông số đầu vào của khu vực cổng 51

Bảng 4.6:Thông số đầu ra của khu vực cổng 51

Bảng 4.7:Thông số đầu vào chi phí khu vực bến 56

Bảng 4.8:Thông số đầu ra chi phí khu vực bến 56

Bảng 4.9:Thông số đầu vào chi phí khu vực bãi 58

Bảng 4.10:Thông số đầu ra chi phí khu vực bãi 59

Bảng 4.11:Thông số đầu vào chi phí khu vực cổng 62

Bảng 4.12:Thông số đầu ra chi phí khu vực cổng 62

Bảng 5.1:Thông số của khu vực bến 65

Bảng 5.2:Thông số của khu vực bãi 68

Bảng 5.3:Thông số của khu vực cổng 71

Bảng 5.4:Chi phí của khu vực bến 75

Bảng 5.5:Chi phí của khu vực bãi 76

Bảng 5.6:Chi phí của khu vực cổng 77

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

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

Giai đoạn 1900-1960 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

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 4.500 TEU lên 8.400 TEU trong giai đoạn 1992-2002 Ngày nay, tàu container lớn nhất có tải trọng lên đến trên 14.000 TEU 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]

1.2 Lý do hình thành đề tài

Trải qua nhiều thập kỷ, mặc cho cuộc khủng hoảng kinh tế xảy ra do đại dịch 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]

Covid-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

Hình 1.1: 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

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

1.2 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 Quá trình thiết kế trải qua nhiều bước từ phân tích nhu cầu – thiết kế ý niệm – thiết kế sơ khởi – thiết kế chi tiết với các hệ thống con Các hệ thống này có sự tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau nên khi có thay đổi một chi tiết nhỏ trong hệ thống sẽ dẫn đến việc thay đổi các thông số thiết kế toàn bộ hệ thống Để tiết kiệm thời gian và chi phí, đề tài này sẽ đề xuất một công cụ hỗ trợ cho quá trình thiết kế trở nên nhanh chóng tạo tiền đề để vận hành một cảng container theo xu hướng bền vững

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Cảng biển là cửa ngõ giao thương giữa biển và đất liền với nhiều loại hàng hóa như dầu, khí đốt, container, hàng rời Bài nghiên cứu này chỉ giới hạn ở đối tượng là cảng container, vận chuyển hàng hóa hoàn toàn là các container từ các tàu chuyên chở container đến đất liền và ngược lại

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Vận tải container là một hệ thống vận chuyển hàng hóa thông suốt giữa đường biển, đường bộ và đường sắt Các container sẽ lần lượt lưu thông từ đường biển đến các dịch vụ vận tải trong đất liền qua kết nối là cảng container và ngược lại Quá trình thiết kế xây dựng cảng container thường kéo dài từ 2 – 3 năm, trải qua các giai đoạn như khảo sát khu vực – thiết kế sơ khởi – thiết kế chi tiết Vì thời gian thực hiện nghiên cứu có hạn, đề tài sẽ tập trung chủ yếu vào giai đoạn thiết kế sơ khởi – giai đoạn đòi hỏi phần lớn thời gian để tính toán, điều chỉnh nhiều lần để cho ra tổng quan bố cục của một cảng container trước khi đi vào thiết kế chi tiết

1.5 Ý nghĩa nghiên cứu

Thông qua đề tài “hỗ trợ thiết kế cho vận hành cảng container theo xu hướng bền vững”, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của một cảng container và thiết kế các hệ thống con trong nó như thế nào để đáp ứng theo xu hướng bền vững Giải pháp được đề cập trong bài nghiên cứu này sẽ hỗ trợ cho quá trình thiết kế sơ khởi cảng container một cách nhanh chóng, góp phần giúp các công trình cảng container trong tương lai được vận hành hiệu quả, thích ứng nhanh chóng với các thay đổi liên tục trong vận tải hàng hóa đường biển.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kỹ thuật hệ thống

2.1.1 Định nghĩa

Kỹ thuật hệ thống là một quá trình giúp quản lý sự phức tạp của các hệ thống lớn Đó là một cách để đảm bảo rằng tất cả các phần khác nhau của hệ thống hoạt động cùng nhau một cách liền mạch và hiệu quả Hệ thống là một tập hợp hoặc sự kết hợp của các yếu tố hoặc bộ phận có liên quan về chức năng tạo thành một tổng thể thống nhất, chẳng hạn như hệ thống sông hoặc hệ thống giao thông Không phải mọi tập hợp các mục, sự kiện, phương pháp hoặc quy trình đều là một hệ thống Một nhóm vật phẩm ngẫu nhiên trong phòng sẽ tạo thành một tập hợp có mối quan hệ xác định giữa các vật phẩm, nhưng nó sẽ không đủ tiêu chuẩn là một hệ thống vì thiếu các mối quan hệ chức năng Một hệ thống có thể được coi là một nhóm các thành phần tương tác qua lại với nhau tạo thành một thể thống nhất

Thiết kế một hệ thống phải đáp ứng nhu cầu mong muốn của khách hàng Nó không chỉ chuyển nhu cầu thành hình một hệ thống mà còn phải đảm bảo tính tương thích của thiết kế với các yêu cầu vật lý và chức năng liên quan Hoạt động thiết kế hệ thống được bắt đầu khi xác định được nhu cầu mới Sau đó, để hình thành một hệ thống cần trải qua các bước thiết kế ý niệm, thiết kế sơ khởi và thiết kế chi tiết Khả năng phối hợp giữa các hệ thống con cần được phát triển để chúng có thể cùng nhau vận hành toàn bộ hệ thống một cách liền mạch Ngày nay với sự phát triển của công nghệ và phần mềm máy tính có thể giúp giai đoạn thiết kế hệ thống thu thập và sử dụng thông tin một cách kịp thời và nhanh chóng Tiêu biểu trong đó là phần mềm Computer-Aided Design (CAD) giúp thực hiện mô phỏng cấu trúc trên các thiết kế vật lý phức tạp một cách hiệu quả và phần mềm Computer-Aided Manufacturing (CAM) giúp bản vẽ CAD 3 chiều “dọn hình” để chuẩn bị các dữ liệu tốt nhất cho quá trình lập trình gia công Khi một thiết kế được tạo bằng CAD/CAM, nó có thể thực hiện việc cải tiến lặp đi lặp lại một cách dễ dàng

2.1.2 Thiết kế ý niệm

Thiết kế ý niệm là giai đoạn đầu tiên và quan trong nhất của quá trình thiết kế Đây là giai đoạn để mà xác định các chức năng của hệ thống, cách thức hoạt động và nhu cầu mà hệ thống được thiết kế để đáp ứng

Khi thiết kế hệ thống, việc đầu tiên là phải xác định vấn đề, tại sao cần phải đi thiết kế hệ thống Lấy ví dụ hệ thống cảng biển hiện tại không đáp ứng các mục tiêu hiệu suất, quá tốn kém để vận hành hoặc quá tải với lưu lượng hàng hóa nội địa Điều cần làm ở đây chính là phải thiết kế ra một hệ thống cảng mới để giải quyết các vấn đề tồn đọng

Mặt khác, việc lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống phù hợp, ứng dụng các công nghệ liên quan có tác động đáng kể đến đặc điểm vận hành, tính bền vững và khả năng sử dụng của hệ thống Để giải quyết vấn đề hiệu suất của hệ thống cảng container, có thể xét đến khả năng mở rộng diện tích cảng hoặc bố trí lại thiết bị vận hành, đưa ra những lựa chọn có năng suất vận hành cao hơn Người thiết kế hệ thống sẽ nghiên cứu thực tế để quyết định xem phương pháp nào là tốt nhất Theo đó, ở giai đoạn này, các quyết định sẽ có tác động lớn đến kết quả đầu ra cuối cùng

Một khi xác định được nhu cầu và phương pháp thiết kế, khảo sát điều kiện thiết kế là bước khá quan trọng Các loại thiết bị vận hành nào sẽ được sử dụng, phần mềm điều khiển, nhân sự, cơ sở vật chất ra sao, khí hậu và môi trường địa lý có thuận lợi cho tàu cập bến, lựa chọn vị trí đặt cảng và bố trí cảng như thế nào Trả lời những câu hỏi trên, ta có thể định nghĩa được yêu cầu vận hành của hệ thống từ đó xây dựng được các tiêu chí để thiết kế hệ thống

Benjamin S Blanchard (2014) [4] đã đúc kết những yếu tố sau cần phải đạt được trong giai đoạn thiết kế ý niệm:

1 Xác định mục tiêu thiết kế: Hệ thống được thiết kế để làm gì ? Hệ thống sẽ hoàn thành mục tiêu thiết kế như thế nào ?

2 Thông số thiết kế và hiệu suất: Xác định các thông số đầu ra của hệ thống Ví dụ: diện tích cảng, công suất, lưu lượng hàng hóa,… Thông số nào là quan trọng nhất, chúng có tác động đến nhau như thế nào

3 Triển khai vận hành: Xác định loại thiết bị vận hành, nhân sự, cơ sở vật chất, yêu cầu về vị trí địa lý,…Khi nào hệ thống có thể đi vào hoạt động ?

4 Vòng đời sử dụng của hệ thống: Dự kiến thời gian duy trì hệ thống, hệ thống có hạn sử dụng bao lâu ?

5 Yêu cầu về mức độ sử dụng: Số giờ hoạt động mỗi ngày, số ngày hoạt động mỗi tuần, chu kỳ hoạt động mỗi tháng

6 Các yếu tố đo lường hiệu quả: Chi phí vận hành của hệ thống, tính sẵn sang, thời gian bảo trì, trình độ kỹ năng của người vận hành

7 Các yếu tố môi trường: Khí hậu, điều kiện tự nhiên của khu vực mà hệ thống sẽ vận hành Từ đó đề ra các phương pháp phòng ngừa, hạn chế tác động của môi trường đến hiệu quả hoạt động của hệ thống

Ngoài ra, giai đoạn thiết kế ý niệm còn phải đưa ra được phương án bảo trì cho hệ thống dẫn đến việc thiết kế các đặc tính của hệ thống phải thuận lợi cho hoạt động bảo trì

2.1.3 Thiết kế sơ khởi

Giai đoạn thiết kế ý niệm đã giúp xác định được lý do mà hệ thống được thiết kế Giai đoạn thiết kế sơ khởi sẽ là giai đoạn chuyển giao giữa giai đoạn thiết kế ý niệm và thiết kế chi tiết, giải quyết tiếp những vấn đề đã đặt ra ở trước đó bằng những thông số kỹ thuật, mô tả tổng thể hệ thống bằng các sơ đồ, biểu đồ để thể hiện bố cục của hệ thống và tính toán thông số cho từng hệ thống con

Xét đến hệ thống giao thông của khu vực đang đối mặt với vấn đề quá tải lưu lượng hàng hóa Giai đoạn thiết kế ý niệm đã chỉ ra rằng cần phải thiết kế một hệ thống cảng

container với những thông số kỹ thuật, nhiệm vụ của giai đoạn thiết kế sơ khởi chính là tìm cách tính toán dữ liệu đầu vào để hệ thống đạt được thống số kỹ thuật mong muốn

Bên cạnh đó, người thiết kế sẽ có những công cụ máy tính để hỗ trợ thiết kế đưa ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả trong môi trường quốc tế đầy cạnh tranh ngày nay Những phần mềm có thể kể đến đó là Computer Aided Engineering – CAE (Kỹ thuật với sự hỗ trợ của máy tính), Computer Aided Design – CAD (Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính), Computer Aided Design Data – CADD,…

Giai đoạn thiết kế sơ khởi sẽ chuyển đổi các định nghĩa từ thiết kế ý niệm thành một hệ thống sơ bộ với các tính năng và yêu cầu cơ bản Giai đoạn này của quá trình thiết kế thường lặp đi lặp lại cho đến khi hoàn thành Điều này giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên bởi nó có thể xác minh những mô phỏng giá trị đầu ra và người thiết kế có thể điều chỉnh trước khi đi vào thiết kế chi tiết

2.1.4 Thiết kế chi tiết

Thiết kế chi tiết sẽ nối tiếp giai đoạn thiết kế sơ khởi ở mức độ chi tiết hơn Việc mua sắm các thiết bị sẽ được tiến hành trong giai đoạn thiết kế chi tiết và các thông tin từ việc mua sắm sẽ liên tục được cập nhật đề phản ánh vào thiết kế Thiết kế chi tiết sẽ được thực hiện song song với quá trình xây dựng hệ thống, vì có những thông số thiết kế không thể áp dụng ngoài thực tế nên giai đoạn thiết kế chi tiết sẽ hỗ trợ và điều chỉnh trong quá trình xây dựng

Khi nói về thiết kế chi tiết, tức là chúng ta đang đề cập đến một quá trình được gọi là thiết kế top-down Về cơ bản, khi cố gắng giải quyết một vấn đề, ta sẽ bắt đầu ở cấp độ cao nhất và sau đó nghiên cứu chi tiết các thành phần thấp hơn bên trong nó Đối với vấn đề lưu lượng hàng hóa của khu vực bị quá tải, thông qua giai đoạn thiết kế sơ khởi đã phân tích các thông số yêu cầu của từng hệ thống con trong nó bao gồm khu vực bến, bãi chứa và cổng Giai đoạn thiết thiết kế chi tiết sẽ đi sâu vào vấn đề làm thế nào để tạo

các hệ thống con đó, từ kiến trúc xây dựng như việc đào móng, đóng cọc các công trình cho đến việc lắp đặt đường điện, hệ thống vận hành, chiếu sáng,…

Trong quá trình thiết kế chi tiết, các tài liệu kỹ thuật đi từ sơ bộ dần dần đến mức độ chi tiết Người thiết kế sẽ sử dụng các công cụ hỗ trợ thiết kế thích hợp, tạo ra một sơ đồ chức năng của toàn bộ hệ thống Dựa vào đó có thể phân tích và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống, độ tin cậy, khả năng bảo trì, khả năng sản xuất, yếu tố an toàn, và các thông số thiết kế khác để đảm bảo đáp ứng các tiêu chí đã đề ra ban đầu cho hệ thống Các tiêu chuẩn có sẵn hiện nay như ANSI, EIA, ISO có thể được dùng làm cơ sở để đánh giá thiết kế cho hệ thống

2.2 Những hệ thống con của cảng biển

2.2.1 Khu vực bến

2.2.1.1 Giới thiệu khu vực bến

Bến là khu vực ranh giới giữa giao thông đường biển và đất liền, nơi mà tàu có thể neo đậu an toàn để diễn ra hoạt động xếp/dỡ container lên xuống tàu Vì mỗi bến chỉ có thể vận hành cho một tàu, một cảng có thể có nhiều bến để đáp ứng vận hành trong những giờ cao điểm Có 3 loại container mà bến sẽ phải tiếp nhận xử lý:

- Container nhập khẩu đến từ tàu biển và được vận chuyển vào đất liền thông qua các phương tiện vận tải nội địa như xe lửa, xe tải

- Container xuất khẩu từ nội địa vận chuyển đến cảng để xếp lên tàu thuyền - Container trung chuyển từ tàu này sang tàu khác

Cẩu bờ STS (Ship To Shore) là một thiết bị rất lớn với kết cấu khung, thường chạy trên ray Được sử dụng trong khai thác bốc xếp container tại các cảng cỡ vừa và lớn cũng như siêu lớn Cẩu này có một cần trục có thể vươn rộng phù hợp để sử dụng cho các tàu có bề ngang lớn Hệ thống trolley chạy dọc theo trục cẩu với buồng điều hành, được trang bị cơ cấu giá gắp Giá này di chuyển lên xuống và chụp vào bốn góc trên của container qua một cơ cấu gọi là “twistlock”

Hình 2.1: Cẩu bờ STS

Cẩu STS có 3 kiểu thiết kế: Cẩu đơn di chuyển các container trực tiếp từ tàu xuống cảng hoặc ngược lại, loại thiết kế này được hỗ trở bởi hệ thống bán tự động và yêu cầu người vận hành phải có tay nghề Khi tốc độ vận hành của cẩu đơn không tương xứng với tốc độ các thiết bị trong kho bãi tạo ra nút cổ chai gây ứ đọng hàng hóa, cẩu kép và cẩu đôi chính là giải pháp thay thế cho cẩu đơn với năng suất cao hơn Với thiết kế này, trolley chính di chuyển container từ tàu đến cảng, trong khi đó trolley thứ hai sẽ di chuyển container từ cảng lên tàu

Hình 2.2: cẩu đơn (a), cẩu đôi (b), cẩu kép (c)

Hiệu suất tối đa của cẩu bờ phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ nâng hạ của giá gắp và tốc độ di chuyển của trolley Cẩu STS theo công suất lý thuyết có thể di chuyển được 50-60 container mỗi giờ Tuy nhiên, Steenken chỉ ra rằng khi vận hành thực tế công suất thường chỉ đạt 22-30 container/giờ Trong nghiên cứu gần đây của C Davis Rudolf

(2010) [5], năng suất của cẩu bờ STS thế hệ 4 và 5 đã tăng lên 36-42 container/giờ

Cẩu bờ MHC (Mobile Harbour Crane) là loại cẩu bờ có bánh xe di chuyển, có thể được trang bị nhiều loại giá gắp khác nhau Sự linh hoạt của loại cẩu này giúp cho nó trở thành giải pháp phổ biến cho nhiều nhu cầu khác nhau của khách hàng

Hình 2.3: Cẩu bờ MHC

Mặc dù năng suất của MHC thấp hơn STS, nhưng với khung gầm được tối ưu hóa có sức nâng từ 40 tấn cho đến 208 tấn khiến MHC trở thành một giải pháp thay thế giá rẻ cho STS Hơn nữa, tầm với lớn của MHC cho phép nó vận chuyển các container từ cảng đến ngay điểm trung chuyển của bãi chứa giúp giảm số lượng thiết bị vận chuyển cần thiết từ cảng đến kho bãi Theo W.C.A Rademaker (2007) [6], công suất của MHC đạt xấp xỉ 15 container/giờ Nhưng với các loại cẩu MHC mới nhất thì các báo cáo gần đây cho thấy nó có thể đạt công suất lên tới 25-28 container/giờ

Hình 2.4: Vận hành của cẩu MHC

Trong các bến cảng vừa và nhỏ, nơi mà diện tích xếp chồng các container bị hạn chế, Cẩu bờ WSC (Wide-Span Crane) là giải pháp để có thể tăng mật độ lưu trữ bằng cách tăng lượng xếp chồng container WSC có độ dài trục cẩu rộng hơn đáng kể so với các loại cẩu khác và có khả năng xếp chồng container trong một lần cẩu trục Các phương tiện trung chuyển giữa bến và bãi là không cần thiết khi sử dụng cẩu WSC, qua đó giúp cho tỉ trọng mật độ container trong cảng dày đặc hơn

Hình 2.6: Hệ thống xe đầu kéo rơ-móc (Cảng Container Quốc Tế Manila)

- Xe tự hành AGV (Automated Guide Vehicles)

Đây là loại xe sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển container đến những địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con người Các AGV có thể di chuyển nhanh hơn các xe đầu kéo nhưng vì lý do an toàn, chúng thường được vận hành ở tốc độ chậm để phòng tránh sự cố Các cảng sử dụng AGV thường có chi phi nhân công không cao và có thể hoạt động liên tục 24/7, tuy nhiên để mà sử dụng trong ngắn hạn thì chi phí mua AGV là khá cao Vì vậy chỉ nên đầu tư sử dụng AGV khi đã chuẩn bị kế hoạch vận hành cảng trong dài hạn

Hình 2.7: Xe tự hành AGV (Cảng container Altenwerder – Hamburg, Đức)

- Xe nâng thủy lực (Forklift)

Tính linh hoạt của xe nâng thủy lực cho phép nó có thể sử dụng trong nhiều hoạt động của cảng kể cả là trung chuyển container giữa bến và bãi hoặc xếp/dỡ container trong bãi Do giá thành thấp, xe nâng thủy lực được sử dụng phổ biến trong các cảng vừa và nhỏ Tại các cảng lớn, chúng được dùng chủ yếu để xếp/dỡ các container rỗng Hiện

nay, các loại xe nâng thủy lực hiện đại được trang bị giá đỡ đặc biệt giúp chúng có thể vươn tới các khối container cao đến 8 tầng

Hình 2.8: Xe nâng thủy lực trong cảng container (nguồn: Kalmar)

- Xe nâng xếp tầng (Reach stacker)

Tương tự như xe nâng thủy lực, xe nâng xếp tầng được sử dụng trong nhiều hoạt động của cảng Chúng di chuyển container bằng trục có thể kéo dài với giá gắp như cẩu bờ để cố định container Xe nâng xếp tầng có thể di chuyễn dễ dàng bên trong cảng container và sử dụng để vận chuyển nhiều loại hàng hóa, nhờ tính linh hoạt có sẵn, loại phương tiện này phù hợp với các càng container vừa, nhỏ và đa chức năng

Hình 2.9: Xe nâng xếp tầng (nguồn: Kalmar)

- Xe nâng khung (Stradle carrier)

Xe nâng khung là loại xe chuyên dùng vừa vận chuyển container, vừa xếp chồng lên thành nhiều tầng Sau khi được dỡ từ tàu xuống, các phương tiện này sẽ vận chuyển các container vào bãi và xếp chồng thành 2-3 tầng, container được kẹp giữ ở khoảng trống giữa 4 chân báng xe nâng Thông thường các khối container trong bãi chứa sử dụng xe nâng khung được bố trí thành một đường dài khoảng 20m gồm 14-18 TEU

Hình 2.10: Xe nâng khung (Cảng Container Burchardkai – Hamburg, Đức)

2.2.2 Khu vực bãi chứa

2.2.2.1 Giới thiệu khu vực bãi chứa

Bãi chứa là khu vực lưu trữ các container nhập khẩu, xuất khẩu và trung chuyển Bãi chứa được sử dụng để sắp xếp các container trong thời gian chờ đợi để được vận chuyển vào đất liền hoặc xếp lên tàu để vận chuyển theo đường biển Trong bãi chứa, các container được sắp xếp thành các khối hình chữ nhật

Hình 2.11: Khối container trong bãi chứa

Các khối container được bố trí song song hoặc vuông góc với chiều dài cảng Nói cách khác, kho bãi có hai loại bố trí là song song hoặc vuông góc Với kiểu bộ trí song song, các khối container sử dụng làn xe tải với các giàn cần cẩu như hình 13 để bốc/dỡ container ra vào bãi Kiểu bố trí song song thường dùng ở các cảng lớn ở Châu Á nên đôi khi nó được là bố trí kiểu Châu Á

Hình 2.12: Khối container và làn xe tải

Bố trí vuông góc thường được sử dụng trong các cảng có mức độ tự động hóa cao Các xe tự hành AGV được dùng để trao đổi container giữa bến và bãi thông qua khu vực I/O (In/Out) Ngược lại, tại khu vực I/O giữa cổng và bãi, các xe tải sẽ đảm nhiệm công việc này Kiểu bố trí vuông góc được áp dụng đầu tiên tại các cảng Châu Âu, nên thường sẽ được gọi là bố trí kiểu Châu Âu

(a) (b) (Nguồn: Jürgen W Böse, 2011) [7]

Hình 2.13: Bố cục song song (a) và vuông góc (b) của bãi container

2.2.2.2 Thiết bị sử dụng trong bãi chứa

Cẩu giàn RTG (Rubber tired gantry) là loại cẩu dùng để nâng đỡ các loại hàng hóa, thiết bị có trọng lượng lớn như container Nhờ có những thiết kế và cấu tạo phù hợp nên cẩu giàn RTG rất được yêu thích và lựa chọn sử dụng Điều này đã được chứng minh trong nghiên cứu của Wiese và cộng sự (2011) [8], RTG chiếm 63% tỉ lệ sử dụng trong tổng số 114 cảng container nghiên cứu Các cơ cấu công tác của RTG thường sử dụng các hình thức truyền động điện, thủy lực hoặc kết hợp Nguồn động lực là trạm phát điện diesel gắn liền trên cẩu, trạm phát di động này được thiết kế gọn và đặt trong một thùng kín có vách cách âm, giảm rung

Cẩu giàn RTG có lợi thế linh hoạt khi nó có khả năng di chuyển giữa các khối container, tuy nhiên việc chuyển đổi từ khối này sang khối kia mất rất nhiều thời gian Cẩu giàn RTG được sử dụng cho các khối container có giới hạn bề rộng là 8 container bao gồm cả làn xe tải và các khối này có thể được xếp chồng lên tới 7 tầng Để giảm khoảng cách di chuyển trong các bãi vận hành bởi RTG, các cảng sử dụng RTG thường được bố trí song song với cảng biển

Hình 2.14: Vận hành của cẩu giàn RTG

Cẩu giàn RMG (Rail Mounted Gantry) thường được sử dụng để xếp dỡ các container nhanh chóng, an toàn và tự động Cần trục cung cấp hiệu suất cao, độ tin cậy, chi phí vận hành thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động xếp hàng bãi Cầu trục giàn có thể được thiết kế với nhiều loại công suất và kích thước khác nhau để đáp ứng các sức chứa khác nhau

RMG có giới hạn bề rộng lên tới 12 container và có thể xếp chồng từ 3-5 tầng Khi điều kiện nền đất không bằng phẳng, cẩu giàn RMG là phương pháp được lựa chọn khi chúng di chuyển trên đường ray thay vì trên nền đất như RTG

Hình 2.15: Vận hành của cẩu giàn RMG

2.2.3 Cổng

Đến với khu vực cổng, nơi kết nối giữa cảng container với vận tải bên trong đất liền Nhân viên làm việc tại đây đối chiếu các container với hồ sơ để đảm bảo trùng khớp thông tin Tài xế xe tải sẽ được hướng dẫn điểm đến trong bãi để dỡ container và rời khỏi cảng sau khi kết thúc quá trình dỡ hàng Tương tự đối với những container nhập khẩu, các thông tin của chúng như số hiệu, kích thước, vị trí trong bãi sẽ được nhập lên hệ thống sau khi dỡ từ tàu xuống cảng Khi hoàn thành các thủ tục tại cổng, tài xế xe tải sẽ được hướng dẫn thông tin vị trí của container cần nhận để nhập khẩu

Khi xe đến cổng vào phải dừng lại để xuất trình thông tin giao dịch, kiểm tra rồi đi đến địa điểm cụ thể trong bãi container Nếu mật độ xe đến đến vượt quá tốc độ phục vụ, hàng dài xe tải sẽ bắt đầu hình thành trên các làn cổng Một yếu tố khác góp phần khiến cho xe tải xếp hàng dài là sự cố thủ tục; sự ùn tắc này thường là kết quả của lỗi thủ tục, vị trí container hoặc các vấn đề về thiết bị Trong cách bố trí cổng điển hình khi một chiếc xe tải đang trong hàng chờ gặp sự cố thủ tục, tất cả các phương tiện trên làn đường ngay phía sau xe 'sự cố' phải chờ xe trước giải quyết xong; xe gặp sự cố mất nhiều thời gian trong hàng chờ hơn xe thông thường Như vậy, xe gặp sự cố sẽ chặn hết xe tải đang chờ phía sau Hiện tượng này có thể dẫn đến tình trạng xếp hàng bất công khi những xe tải đến sớm hơn được phục vụ muộn hơn các xe ở làn đường còn lại vì bị kẹt phía sau xe đang gặp sự cố Vì vậy, nhiệm vụ quan trọng của người thiết kế tại khu vực cổng

chính là tìm ra phương pháp giúp lưu thông của xe ra vào cổng được trơn tru Áp dụng các công nghệ hiện đại để hạn chế các sự cố thủ tục giấy tờ, tăng tốc độ xử lý cho xe ra vào cảng container Ngoài ra khu vực cổng còn là nơi làm việc của các nhân viên hỗ trợ hoạt động cảng nên cần phải tính toán đến diện tích các khu vực sau:

- Văn phòng hành chính - Văn phòng hải quan - Bãi đỗ xe nội bộ - Bãi đỗ xe tải

2.3 Những nghiên cứu về thiết kế cảng container

Ligteringen, Han & H.Velsink, (1999) [9] đã tóm tắt các yếu tố cơ bản bao gồm hệ thống giao thông hàng hải, chức năng cảng, cách thức quy hoạch, thiết kế một bến tàu nói chung và bến container nói riêng Để dỡ và chất container lên/xuống thuyền thì không thể không trang bị các cần cẩu tải cảng, trong nghiên cứu của mình, Bartošek, A., & Marek, O (2013) [10] đã giới thiệu các loại cần cẩu hiện có, so sánh các thông số chi tiết của từng loại, thực hiện các phân tích để người đọc có thể chọn ra loại cẩu có năng suất phù hợp với từng trường hợp cụ thể Khi tính đến các yêu cầu đầu ra của bến, các thông số đều phải được cân nhắc trong trường hợp giờ cao điểm- thể hiện ở các công thức tính toán là hệ số giờ cao điểm 𝜃 để tránh ùn tắc khi lưu lượng giao thông tăng đột biến vào những khoảng thời gian nhất định Carl A Thorsen (2010) [11] chỉ ra rằng ở điều kiện bình thường, hệ số giờ cao điểm sẽ dao động trong khoảng 1.1 – 1.3

Vì các thông số đầu vào của cảng có ảnh hưởng đến thiết kế của bãi chứa, Lee và Kim (2013) [12] đã đề xuất một phương pháp xác định kiểu bố trí, đường viền của sân, số lượng lối đi trong bãi container bằng cách ước tính số lần di chuyển của cần cẩu bãi và quãng đường di chuyển của xe tải trong bãi Bãi chứa có thể được bố trí vuông góc hoặc song song, cho nên thông số tính toán cho bãi chứa có thể khác nhau ở hai kiểu bố trí này Bierwirth và Meisel (2010) [13] nhấn mạnh rằng cách bố trí và thiết kế bãi là

một quyết định chiến lược quan trọng có tác động đến tất cả các quyết định khác của các nhà đầu tư cảng container Chiều rộng tối ưu của một khối khối nằm trong khoảng từ 6 đến 12 tùy thuộc vào số lượng thiết bị được triển khai cũng như kích thước, hình dạng và lưu lượng hàng hóa của cảng container [14] Ngoài ra, Các công thức tính toán sẽ được suy ra và điều chỉnh dựa trên nghiên cứu của Lee và Kim (2010) [15]

Để giải quyết vấn đề ùn tắc của xe tải khi chờ đợi tại cổng, Itsuro (2001) [16] đã áp dụng lý thuyết xếp hàng cho lưu lượng phương tiện ra vào cổng, dựa vào mật độ xe đến và tốc độ phục vụ để xác định được số làn xe tại cổng Phan,M.H và Kim, K.H [17] [18] trong bài nghiên cứu của mình đã đề xuất một hệ thống hẹn lịch xe đến cảng container giúp giảm lượng xe chờ tại cổng Minh và Huỳnh (2014) [19] đã phát triển một công cụ có thể được sử dụng bởi người thiết kế, người vận hành cảng giúp xác định thời gian xếp hàng trung bình của xe tại cổng hoặc xác định được cần bao nhiêu làn xe để khu vực cổng hoạt động bình thường dựa vào mật độ xe đến và tốc độ phục vụ tại cổng

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu

Cảng container là một khu vực nằm trong hải cảng lớn hơn, bao gồm các cảng phục vụ các loại tàu khác (hàng rời, tàu dầu, tàu khách…), được thiết kế dành riêng cho tàu container neo đậu, bốc hạ container và thực hiện tiếp các công việc vận chuyển hàng container vào trong nội địa Dựa trên các đặc trưng mà có thể chia cảng container làm 3 loại chính, với mỗi loại có những đặc thù riêng: Cảng chuyển tải là cảng container chuyên phục vụ các tàu container chở hàng quốc tế trên các tuyến chính với nhiệm vụ là chuyển tải hàng hóa sang tàu container khác nghĩa là container được dỡ từ tàu này lên bờ, sau đó lại xếp lên tàu container khác để vận chuyển tới điểm đích Chính vì vậy để xây dựng và khai thác tối ưu một cảng chuyển tải như thế cần rất nhiều yếu tố: Vị trí địa lý, điều kiện kinh tế, khả năng kết nối đường biển… Do đặc điểm của cảng chuyển tải là cảng trung gian, nên thời gian lưu kho thường rất ngắn, vấn đề về trang thiết bị, cần tàu, thềm bến cần phải được đầu tư lớn Cảng đầu mối là cảng container nước sâu, phục vụ các tàu chở hàng có trọng tải trung bình, chủ yếu là phục vụ cho nội địa hàng được đưa trực tiếp từ các tàu container tới cảng Container nằm tại cảng này lâu hơn ở càng chuyển tải và diện tích, trang thiết bị ở càng này phải lớn hơn, để dự phòng trường hợp sự tăng đột biến về lưu lượng container Còn cảng địa phương thì thường nằm sâu trong nội địa, chủ yếu là phục vụ cho các tàu tuyến nhánh, tàu container nhỏ, có sức chở dưới 100 TEU, ở đây chủ yếu tập trung các hoạt động như: Nâng hạ, giao nhận container, làm các thủ tục thông quan hàng hóa

Cảng container là một hệ thống có sự kết hợp giữa con người và máy móc, hệ thống này có nhiều trạng thái hoạt động khác nhau tại từng thời điểm khác nhau Tùy theo nhu cầu hàng hóa và yêu cầu của chủ đầu tư, cảng container được thiết kế xây dựng để hỗ trợ lưu thông hàng hóa giữa giao thông đường biển và đất liền Việc thiết kế và xây dựng một cảng container là một nhiệm vụ lâu dài và khó khăn, đòi hỏi nhiều chuyên môn Trong quá trình thiết kế cần phải cân nhắc đến các yếu tố thường xuyên thay đổi như