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

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

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]

Lý do hình thành đề tài

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

Kể từ đầu những năm 2000, thương mại quốc tế đã tăng trưởng đáng kể, dẫn đến sự gia tăng lưu lượng vận chuyển đường biển Các cảng container đóng vai trò trọng yếu trong chuỗi cung ứng, xử lý và di chuyển các container 20 feet (TEU) chứa hàng hóa từ tàu đến đất liền và ngược lại Công suất và doanh thu của ngành công nghiệp container được đo bằng TEU Kích thước, chức năng và bố cục của các cảng container khác nhau nhưng thường bao gồm các hệ thống con, chẳng hạn như các bến cảng, kho bãi và hệ thống vận hành cảng.

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.

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.

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.

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.

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.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Kỹ thuật hệ thống

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

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.

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

Các công cụ thiết kế máy tính (Computer Aided Engineering - CAE, Computer Aided Design - CAD, Computer Aided Design Data - CADD) hỗ trợ các nhà thiết kế đưa ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả trong môi trường cạnh tranh toàn cầu.

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

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

Những hệ thống con của cảng biển

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

2.2.1.2 Thiết bị sử dụng trong bến

Khi tàu cập bến, cần cẩu sẽ đảm nhận nhiệm vụ bốc/dỡ container Cần cẩu này là một loại thiết bị đặc biệt có khung thép lớn, được bố trí dọc theo cảng Các cần cẩu thường được phân loại theo khả năng xử lý và kích thước như sau

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

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 2.5: Vận hành của cẩu WSC 2.2.1.3 Phương tiện vận chuyển giữa bến và kho bãi

- Xe đầu kéo (Port Tractor)

Những chiếc đầu kéo này có cách vận hành như đầu kéo toa xe lửa, chúng sẽ nhận container từ cẩu bờ tại cảng và di chuyển các container này đến kho bãi Một loạt các xe rơ-móc chở container - thường là 6 xe để đảm bảo an toàn, sẽ được kéo bởi một xe đầu kéo đến kho bãi và lưu trữ container tại đây

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)

2.2.2.1 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

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

Các thông số đầu vào của cảng ảnh hưởng đến thiết kế bãi chứa, do đó Lee và Kim (2013) đã đề xuất phương pháp xác định bố trí bãi, số lối đi dựa trên ước tính số lần di chuyển của cần cẩu bãi và xe tải trong bãi Các công thức tính toán được suy ra từ nghiên cứu của Lee và Kim (2010) Để giải quyết vấn đề ùn tắc xe tải ở cổng, Itsuro (2001) áp dụng lý thuyết xếp hàng để xác định số làn xe tại cổng dựa trên mật độ xe đến và tốc độ phục vụ Phan, M.H và Kim, K.H (2017, 2018) đề xuất hệ thống hẹn lịch xe đến cảng container để giảm lượng xe chờ tại cổng Minh và Huỳnh (2014) phát triển công cụ giúp xác định thời gian xếp hàng trung bình của xe hoặc số làn xe cần thiết tại cổng dựa trên mật độ xe đến và tốc độ phục vụ tại cổng.

PHÂN TÍCH ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

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 lịch trình tàu đến, tàu đi, vấn đề nhân sự, thiết bị,…Quá trình thiết kế cần phải lặp đi lặp lại do các hệ thống con có sự ràng buộc chặt chẽ, các hệ thống con đó được bố trí như Hỡnh 3.1 – Jỹrgen W Bửse (2011)

Hình 3.1: Bố cục của một cảng container điển hình Tại cảng, số lượng cần cẩu và khả năng xử lý hàng hóa sẽ ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ hàng hóa tại bãi chứa Các hoạt động trong bãi chứa và công nghệ sử dụng tại cổng sẽ quyết định thời gian chờ của xe tải phía bên ngoài cảng Thay đổi một yếu tố bất kì trong hệ thống cũng sẽ dẫn đến việc thay đổi thiết kế của các khu vực khác Ví dụ, khi thiết kế khu vực cổng ra vào, nếu thường xuyên xảy ra tắc nghẽn thì cần phải xem xét công suất thiết bị sử dụng tại bãi chứa và đưa ra những lựa chọn phù hợp hơn Chính vì thế, thiết kế cảng container cần khá nhiều thời gian và lượng thông tin cần cân nhắc là khá lớn, đồng thời có sự tham gia tác động của nhiều tổ chức liên quan.

Quá trình thiết kế cảng container

Khi thiết kế một cảng container cần xem xét đến các yếu tố có ảnh hưởng đến quá trình và quyết định thiết kế sau đây:

- Nhu cầu trao đổi hàng hóa container của hiện tại và tương lai tại khu vực được chọn

- Vị trí và khả năng tiếp cận bến cảng, tính cả vùng biển và vùng đất liền

- Cách bố trí các công trình như bến, bãi, cổng Không gian, thiết bị và nguồn lực nên được xem xét phân bổ tối ưu để cảng container đạt được năng suất, hiệu quả và tính linh hoạt cao nhất

Công nghệ tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất, chất lượng và tính bền vững của các cảng container Việc ứng dụng các công nghệ này giúp các cảng cải thiện tốc độ xếp dỡ hàng hóa, giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả quản lý và giảm tác động đến môi trường, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững của lĩnh vực vận tải biển.

- Chi phí thiết kế và vận hành cảng Dựa vào yếu tố chi phí, các nhà đầu tư sẽ có căn cứ mà đưa ra những quyết định điều chỉnh hoặc có đầu tư hay không

Trước tiên cần phải phân tích lý do tại sao cần phải thiết kế một cảng container Thường thì các vùng trung tâm kinh tế lớn sẽ gắn liền với nhu cầu xây dựng cảng biển, đặc biệt là các vùng có vai trò đầu mối phục vụ xuất – nhập khẩu hàng hóa, nơi có tốc độ phát triển kinh tế sôi động Tiêu biểu là các vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc: Quảng Ninh, Hải Phòng, miền Trung thì có Đà Nẵng, Dung Quất, Quy Nhơn, và phía nam là các tỉnh, thành phố như TP.Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Đồng Nai

Sau khi xác định được nhu cầu của vùng cần thiết kế cảng, cần thực hiện các hoạt động thăm dò, khảo sát để có thể xác định được mục đích đầu ra trước khi xây dựng cảng Qua đó đề xuất một giải pháp phù hợp để thiết kế một cảng container như:

- Xác định điều kiện tự nhiên của khu vực

- Ước tính nhu cầu hàng hóa qua cảng mỗi năm

- Các loại hàng hóa mà cảng sẽ tiếp nhận và tỉ phần trăm của chúng

- Dự báo về khối lượng hàng hóa và mức độ tăng trưởng trong tương lai

- Xác định loại kích thước tàu mà cảng có thể sẽ tiếp nhận

- Tìm kiếm giải pháp để giảm thiểu tác động xấu đến môi trường xung quanh khi vận hành cảng (ô nhiễm tiếng ồn, ô nhiễm không khí, )

- Lập kế hoạch và tối ưu không gian cảng để tăng hiệu quả vận hành

- Phân tích lựa chọn thiết bị máy móc phù hợp để tăng hiệu quả vận hành

- Đánh giá hệ thống kết nối giao thông để lên ý tưởng bố cục cảng

- Khảo sát tình hình lao động địa phương cũng như nhu cầu việc làm để lên kế hoạch bố trí nhân sự làm việc trong cảng

Lúc này, các thông tin đầu vào đã có sẵn cũng là lúc bắt đầu quá trình thiết kế sơ khởi cho cảng container Quá trình này sẽ tập trung vào ba hệ thống trong cảng để tính toán yếu tố đầu ra cho chúng:

- Đối với bờ cảng, tính được năng suất lý thuyết, lưu lượng hàng hóa qua cảng và diện tích khu vực Ngoài ra còn phải xác định được số lượng bến, khoảng cách giữa các bến và số lượng cẩu bờ đặt tại các bến này Năng suất của cảng container sẽ phụ thuộc chủ yếu vào năng suất cẩu bờ, do đó cẩu bờ sẽ là yếu tố cần quan tâm nhất trong khu vực bờ cảng

- Khu vực kho bãi sẽ là nơi chiếm phần lớn diện tích của cảng để lưu trữ hàng hóa nên cần phải quan tâm đến cách sắp xếp container, số lượng thiết bị vận hành nhằm tránh tắc nghẽn dòng chảy hàng hóa Trong bãi container, các container thường được lưu trữ theo hàng và cột có tổ chức, mỗi container được chỉ định một vị trí cụ thể Container có thể được lưu giữ tạm thời tại bãi trước khi xếp lên tàu xuất khẩu hoặc sau khi dỡ khỏi tàu để nhập khẩu Bãi container đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng container được lưu kho an toàn và hiệu quả, đồng thời giúp điều tiết lưu lượng hàng hóa ra vào cảng

Tại cảng, cổng là điểm kết nối với hệ thống giao thông nội địa bên ngoài Các thủ tục như chứng từ, an ninh, đối chiếu container đều được thực hiện tại đây Tốc độ xử lý ở cổng đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng lượng xe tải ra vào cảng ngày càng gia tăng Vì vậy, cần nắm bắt lịch trình xe đến, xe đi và lựa chọn công nghệ phù hợp để thiết kế khu vực hoạt động trôi chảy.

- Đi đôi với thiết kế các khu vực con là dự tính mức chi phí để đầu tư Trong đó có ba phần là: chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng bao gồm các công trình và diện tích mặt bằng, chi phí mua thiết bị dựa trên số lượng cẩu bờ, phương tiện vận chuyển và cẩu giàn trong bãi, sau cùng là chi phi vận hành hàng năm sau khi đưa cảng vào hoạt động

Quá trình thiết kế sơ khởi sẽ là giai đoạn tốn nhiều thời gian nhất, vì phải cân nhắc đến điều kiện hoạt động ở những thời điểm khác nhau, tác động đến từ mong muốn của các tổ chức, các nhà đầu tư dẫn đến phải thay đổi thiết kế ít nhiều Mà các các hệ thống con có liên kết chặt chẽ với nhau, nếu một trong số chúng có bất kỳ thay đổi nào đều cũng sẽ ảnh hưởng đến các hệ thống còn lại và tất cả những thông số thiết kế cảng cần sẽ phải tính toán lại cho phù hợp

Sau khi có các thông số thiết kế sơ bộ, nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế là thiết kế chi tiết hệ thống con để đạt được thông số đầu ra của cảng thiết kế sơ bộ Quá trình thiết kế cảng container được tóm tắt trong sơ đồ dưới đây.

Hình 3.2: Quá trình thiết kế cảng container Nhận thấy quá trình thiết kế cảng container tốn nhiều thời gian nhất ở giai đoạn thiết kế sơ khởi, bài nghiên cứu sẽ tập trung vào giai đoạn này để tìm kiếm một giải pháp giúp cho thiết kế nhanh chóng, tiết kiệm thời gian đồng thời phục vụ cho khả năng tính toán lặp đi lặp lại ở giai đoạn này.

Thiết kế cảng container theo xu hướng bền vững

Trong giai đoạn vận hành cảng, khí thải phát sinh từ tàu, sà lan vận chuyển hàng hóa và hoạt động của các máy móc bốc dỡ hàng hóa Khí thải từ các máy này đem theo các khí độc hại như CO2 vào môi trường không khí Ngoài ra, quá trình bốc dỡ và vận chuyển các loại hàng hóa từ tàu lên các kho, bãi chứa và từ các bãi chứa xuống tàu sẽ làm phát sinh một lượng lớn CO2 Xây dựng cảng container theo mô hình cân bằng giữa sự biến động môi trường và nhu cầu phát triển kinh tế đang là xu hướng chiến lược trong sự phát triển cảng biển trên thế giới Cảng container theo xu hướng bền vững là cảng khai thác tập trung phát triển dựa trên tiêu chí về tăng trưởng kinh tế xanh theo một kế hoạch dài hạn, đáp ứng được những nhu cầu hiện tại và tương lai

Từ nghiên cứu của Muhammad Arif Budiyanto và các cộng sự (2021) [20], các thành phần trong cảng container có mức độ phát thải CO2 khác nhau tùy vào bố trí song song hoặc vuông góc

Tỷ trọng phát thải CO2 trong cảng container phụ thuộc vào kiểu bố trí Trong bố trí song song, cẩu giàn RTG chiếm tỷ lệ phát thải cao nhất (45%), còn trong bố trí vuông góc, xe tải vận chuyển chiếm tỷ lệ cao nhất (34%) Các yếu tố đóng góp nhiều vào phát thải CO2 nên được tập trung để tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững hơn.

Các thiết bị vận hành phổ biến thường sử dụng nhiên liệu là xăng dầu và lượng CO2 phát thải từ nguồn nhiên liệu này là không hề nhỏ Hơn nữa, các thiết bị thường có tuổi thọ sử dụng tương đối dài nên các nhà thiết kế ngày nay đang tìm cách hướng đến mục tiêu giảm phát thải CO2 bằng những lựa chọn điện khí hóa Ari Hirvonen, Heikki Salonen và Peter Sửderberg (2017) [21] tin rằng cỏc thiết bị điện khớ húa chớnh là lời giải cho vấn đề phát triển bền vững của các cảng container Đặc biệt, cẩu giàn RTG chạy hoàn toàn bằng điện có thể là phương pháp hữu hiệu để giảm đáng kể lượng phát thải

Ngoài ra, hoạt động tàu biển cũng phát thải CO2 một lượng không hề nhỏ, nhất là khi xảy ra tắc nghẽn Các bến sẽ xảy ra tình trạng quá tải mỗi khi lịch trình tàu bị xáo trộn, dẫn đến việc các cẩu bờ được đưa vào sử dụng nhiều để đáp ứng Với số lượng lớn thiết bị sử dụng tương ứng với việc phát thải CO2 ngày càng nhiều, Maxim A Dulebenets và các cộng sự (2017) [22] đã nghiên cứu sắp xếp lịch trình ra vào bến của tàu bằng giải thuật điều độ Qua đó giảm đáng kể tình trạng tắc nghẽn tại bến, tối ưu hóa số lượng cẩu bờ được đưa vào sử dụng giúp giảm thiểu lượng phát thải sinh ra do các thiết bị này.

Phương pháp hỗ trợ quá trình thiết kế sơ khởi

Giải pháp mà bài nghiên cứu đề xuất chính là một công cụ sử dụng bảng tính Excel tổng hợp các công thức thực nghiệm từ các nghiên cứu có sẵn để xác định thông số thiết kế cho khu vực Cảng biển, kho bãi, cổng và lựa chọn thiết bị vận hành cụ thể cho từng khu vực Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu với mục đích thiết kế cảng biển container, tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ giới hạn ở một hoặc vài khu vực nhất định tiêu biểu như cảng, bãi chứa hoặc cổng Hơn nữa, các tác giả chỉ cung cấp những công thức tính toán riêng lẻ mà chưa có một công cụ cụ thể nào hỗ trợ quá trình thiết kế toàn bộ cảng container nhanh chóng và thuận tiện Tương tự như giải pháp đề cập trước đó, Mohseni,

N (2011) [23] đã thiết kế một công cụ sử dụng kết hợp các công thức thực nghiệm để tính toán thông số cho kho bãi và bến cảng Tác giả cũng đã kiểm chứng công cụ của mình với dữ liệu thực tế của 2 bến cảng tại Ấn Độ và Guatemala, đồng thời so sánh thông số đầu ra của một số trường hợp khi sử dụng các thiết bị vận hành khác nhau giúp cho người đọc có thêm thông tin khi đưa ra các quyết định trong thiết kế Bài nghiên cứu này cũng sẽ thiết kế một công cụ tích hợp các công thức tính toán để phục vụ cho quá trình thiết kế sơ khởi nhưng sẽ hiệu chỉnh sao cho phù hợp với điều kiện thực tế - ở đây hướng đến đối tượng cụ thể là cảng Thái Lan đang trong giai đoạn xây dựng mở rộng khu vực bến cảng mới Để xây dựng một công cụ thiết kế cảng container, các bước sau đây cần được thực hiện tuần tự như sau:

1 Tìm hiểu về cảng container và cách vận hành: Khi thiết kế cảng container, nhất thiết phải hiểu rõ những gì tạo nên một cảng container và những yếu tố liên quan đến hoạt động vận hành của cảng như vị trí đặt cảng, các loại tàu thuyền vận tải container, thiết bị bốc/dỡ,…

2 Tìm hiểu về quá trình thiết kế cảng container: Quá trình thiết kế thường được tách ra làm 2 khu vực là bờ biển và đất liền gồm bãi chứa, cổng Mỗi khu vực khi thiết kế sẽ tập trung vào hai mục đích (1) xác định bố cục/diện tích và (2) lựa chọn thiết bị vận hành

3 Xác định dữ liệu đầu vào cần có: Dựa vào thông số đầu ra yêu cầu của từng khu vực, xác định thông số đầu vào cho từng khu vực tương ứng

4 Nghiên cứu các công thức tính toán thực nghiệm: Từ những nghiên cứu có sẵn trước đó, bài nghiên cứu này sẽ chọn ra những công thức tính toán và hiệu chỉnh lại chúng sao cho phù hợp với điều kiện thực tế

5 Phát triển công cụ tính toán: Dựa vào các công thức được chọn lựa ở bước 4, xây dựng một công cụ tính toán đơn giản bằng Excel Trong đó người sử dụng sẽ nhập các thông số đầu vào và lựa chọn thiết bị sử dụng trong khác khu vực, hệ thống sẽ tính toán các thông số đầu ra

Hình 3.4: Tổng quan công cụ hỗ trợ thiết kế cảng container Hình 3.4 mô tả công cụ tính toán để hỗ trợ quá trình thiết kế sơ khởi Tại khu vực bến, đầu tiên người dung sẽ phải nhập các thông số đầu vào cho bến như chiều dài cảng, số giờ làm việc trong một năm và số lượng cẩu bờ cho một bến Tiếp đến là lựa chọn thiết bị phù hợp để bốc/dỡ container, người dùng sẽ quyết định chọn giữa các cẩu STS, MHC và WSC có các năng suất khác nhau phù hợp cho mục đích sử dụng Từ đó công cụ sẽ tự động tính toán và hiển thị các thông số đầu ra của bến như năng suất hàng năm của của cảng, lưu lượng hàng hóa hàng năm, số lượng bến trong cảng container và diện tích của khu vực bến Các bước này áp dụng tương tự cho khu vực bãi, khu vực cổng và tính toán chi phí

6 Phân tích độ nhạy của thông số đầu vào: Nếu có bất kỳ sự thay đổi nào đến từ yếu tố bên ngoài như chính sách công, điều kiện tự nhiên hoặc biến động kinh tế sẽ tác động đến các hệ thống con trong cảng container và các hệ thống này cần phải thiết kế lại để phù hợp với tình hình mới Phân tích độ nhạy giúp hiểu được khi các thông số đầu vào thay đổi thì sẽ ảnh hưởng như thế nào đến giá trị các thông số đầu ra, thể hiện các trường hợp và kết quả khác nhau ở các thông số đầu vào khác nhau, từ đó truyền đạt tính khả thi và sức hấp dẫn của dự án đối với các bên liên quan và nhà đầu tư Bài luận văn này sử dụng phân tích độ nhạy như một phương pháp để các nhà đầu tư sử dụng kết hợp với những công cụ phân tích khác, giúp họ có cái nhìn toàn diện về dự án và đưa ra những lựa chọn sáng suốt

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

Sau khi hoàn thành thiết kế sơ khởi cho cảng container Các thông số đầu vào sẽ được chọn để phân tích, chúng sẽ được chạy trên một loạt giá trị và thông số đầu ra sẽ khác nhau dựa trên loạt giá trị của thông số đầu vào trong khi đó các thông số đầu vào khác vẫn được giữ nguyên không thay đổi Kết quả thu được là mức thay đổi giá trị các thông số đầu ra tỉ lệ thuận với thông số đầu vào hoặc ngược lại như hình 3.5.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ SƠ KHỞI

Mô hình cho khu vực bến

4.1.1 Hoạt động của khu vực bến

Bến là nơi tàu chở hàng neo đậu nhằm mục đích bốc/dỡ container Thông thường có

3 loại container là container nhập khẩu dỡ từ các tàu thuyền di chuyển qua khu vực bãi vào đất liền, container xuất khẩu từ các xe tải nội địa chở đến cảng để bốc lên tàu thuyền, container trung chuyển được đưa đến bằng các tàu biển và đưa đi cũng bằng tàu biển Ranh giới giữa khu vực bến và biển gọi là bờ cảng, các bến đậu nằm dọc theo bờ cảng có kích thước dao động phụ thuộc vào kích cỡ tàu neo đậu Thông thường kích thước của bến đậu phải dài hơn khoảng 10% kích thước của tàu Đặc điểm của bến trong cảng cần quan tâm khi thiết kế là có bao nhiêu bến đậu để phục vụ cùng lúc bao nhiêu tàu Thiết bị sử dụng cho việc bốc dỡ và chuyển container xuống tàu là loại nào Tốc độ bốc dỡ container của bến sẽ ảnh hưởng đến số lượng container mà cảng phục vụ được trong một đơn vị thời gian

Để đáp ứng nhu cầu vận hành và giới hạn về diện tích, thiết kế ý niệm sẽ xác định số lượng bến được xây dựng Chiều dài bến ảnh hưởng đến kích thước tàu có thể tiếp nhận, tuy nhiên chiều dài bến càng lớn thì số lượng bến càng ít, dẫn đến số lượng tàu phục vụ cùng lúc giảm, ảnh hưởng đến lưu lượng hàng hóa Do đó, dự báo lượng tàu đến cảng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định số lượng bến xây dựng để đáp ứng tần suất này.

Hình 4.1: Cảng container với khoảng cách mỗi bến Yếu tố còn lại ảnh hưởng đến năng suất và lưu lượng hàng hóa qua cảng chính là cẩu bờ Tùy thuộc vào loại cẩu lựa chọn sẽ có năng suất bốc dỡ khác nhau, cần xem xét đến diện tích chiếm chỗ của thiết bị vì nếu cẩu quá lớn sẽ không thể đủ chỗ để đáp ứng số lượng cẩu yêu cầu trong một bến Sau khi tính được số lượng cẩu trong một bến, nhà đầu tư phải lựa chọn thiết bị sao cho chiều dài mà các cẩu bờ này chiếm dụng phải nhỏ hơn chiều dài cảng cho trước

Vì vùng diện tích cảng ở Thái Lan được cho trước và có giới hạn, quá trình thiết kế sơ khởi ở bài nghiên cứu này sẽ đi từ chiều dài cầu cảng, lưu lượng hàng hóa qua cảng cho trước, sau đó tính số lượng bến phù hợp với dự báo lượng tàu đến Cuối cùng là xác định số lượng cẩu bờ cần thiết để đáp ứng năng suất yêu cầu của cảng

4.1.2 Công thức tính toán của khu vực bến

Như đã đề cập trong công cụ tính toán ở hình 3.4, các thông số đầu ra của khu vực bến sẽ được tính toán dựa trên công thức (1), (3), (4), (5), (6) Bên cạnh đó, các thông số thành phần trong 4 công thức trên sẽ được tính toán ở công thức (2), (7), (8), (9), (10), (11) từ các thông số đầu vào Các công thức tính toán được tham khảo và trích dẫn từ nghiờn cứu của Ligteringen (1999), Bửse (2011) và Dỏvid (2009) [24]

Bảng 4.1:Thông số đầu vào của khu vực bến

Chiều dài cảng (m) Chiều dài tối đa của tàu (m) Sức chứa tối đa của tàu (TEU) Năng suất cẩu (TEU/giờ.)

𝑡 𝑚 Thời gian tàu cần để cập bến (giờ/tàu)

𝑡 𝑜 Thời gian bốc/dỡ container (giờ/tàu)

𝐷 𝑝 Tỉ lệ thời gian dừng của bến (%)

Thời gian cảng làm việc mỗi ngày (giờ) Thời gian cảng làm việc mỗi tuần (ngày)

Hệ số lấp đầy bến

Hệ số giờ cao điểm

AT Lưu lượng hàng hóa (TEU/năm)

𝑁 𝑣 Mật độ tàu đến (tàu/tuần)

Bảng 4.2:Thông số đầu ra của khu vực bến

𝑁 𝑡𝑞𝑐 Tổng số lượng cẩu bờ

Khoảng cách giữa các bến (m)

𝑄 𝑐 Năng suất cảng (TEU/ngày)

𝑛 𝑞𝑐 Số lượng cẩu mỗi bến

- Giả sử cảng có tiết diện là một hình chữ nhật, diện tích khu vực bến 𝑆 𝑞 (m 2 ) cho sẵn sẽ bằng chiều dài cảng nhân với chiều rộng bến, suy ra được chiều rộng của khu vực bến W apron hay còn gọi là khu vực thềm

- Chiều dài yêu cầu của bến L br (giờ.m/tuần)

𝑈 𝑏 : Hệ số lấp đầy của bến

𝑙 𝑞 : Chiều dài có sẵn của cảng (m)

𝜃: Hệ số giờ cao điểm - nhằm tránh ùn tắc khi lưu lượng giao thông tăng đột ngột vào những thời điểm nhất định, yếu tố cao điểm được cân nhắc đưa vào công thức tính toán

- Với số lượng tàu đến cảng mỗi tuần 𝑁 𝑣 dự kiến, tính được khoảng cách giữa các bến đậu 𝐿 𝑚𝑙 qua công thức dưới đây

𝐿 𝑚𝑙 : khoảng cách giữa các bến (m)

- Số lượng bến cần có trong cảng 𝑁 𝑏

- Năng suất của cảng 𝑄 𝑐 (TEU/ngày) được tính bằng số lượng bến nhân với tổng thời gian làm việc của bến mỗi tuần, sau đó tiếp tục nhân với tổng năng suất của cẩu (năng suất mỗi cẩu nhân với số lượng cẩu) Vì loại container mà cảng xử lý cũng sẽ ảnh hưởng đến năng suất của cảng nên hệ số TEU phải được đưa vào công thức tính toán này

- Tổng số cẩu bờ trong cảng 𝑁 𝑡𝑞𝑐

- Lưu lượng TEU hàng năm AT (TEU/năm) được dự kiến theo năng suất cảng mỗi ngày nhân với thời gian làm việc trong năm không bao gồm những ngày nghỉ, không hoạt động của cảng

- Hệ số TEU γ biểu thị cho tỉ lệ giữa TEU và FEU trên tàu container Nếu tất cả container trên tàu là TEU, γ = 1 Ngược lại, nếu tất cả container trên tàu là FEU, γ = 2 Nếu γ = 1,4 điều này có nghĩa rằng trên tàu có 40% FEU và 60% là TEU

- Tổng thời gian tàu neo đậu tại bến 𝑇 𝑠 (giờ/tàu), bao gồm khoảng thời gian tàu cập bến và khoảng thời gian tàu cần để hoàn thành việc bốc/dỡ container

𝑡 𝑜 : Thời gian bốc/dỡ container (giờ/tàu)

𝑡 𝑚 : Thời gian tàu cần để cập bến (giờ/tàu)

- Với số lượng container trung bình trên mỗi tàu và năng suất của cẩu đã lựa chọn, có thể tính được cần bao nhiêu cẩu bờ cho 1 tàu ( 𝑛 𝑞𝑐 ) để thực hiện bốc/dỡ container trong khoảng thời gian mong muốn

𝑆 𝑝 : Mật độ trung bình của tàu container (TEU)

𝑝 𝑞𝑐 : Năng suất của cẩu (TEU/giờ)

𝑊 𝑐𝑡 : Mức độ làm việc của cẩu trong thời gian tàu cập bến (0.65 – 1)

- Tổng thời gian làm việc của bến mỗi tuần 𝑇 𝑏 (giờ/tuần) được tính bằng thời gian làm việc trong ngày nhân với số ngày làm việc trong tuần và tỉ lệ thời gian dừng của bến

𝐷 𝑝 : tỉ lệ thời gian dừng của bến – để bảo trì hoặc sửa chữa (%)

T p : Thời gian làm việc mỗi ngày (giờ/ngày)

N dw : Số ngày làm việc mỗi tuần (ngày/tuần)

Hình 4.2: Công cụ tính toán khu vực bến

Mô hình cho khu vực bãi

4.2.1 Hoạt động của khu vực bãi Đây là một khu vực được dành riêng cho việc quản lý và lưu trữ container trong quá trình vận chuyển hàng hóa Đây là nơi tập trung các container trước hoặc sau khi được vận chuyển bằng tàu biển, xe tải hoặc đường sắt Khu vực bãi thường có diện tích rộng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ và xử lý lượng lớn container Các container được sắp xếp thành các hàng, chúng được xếp chồng lên nhau tạo thành một khối hình hộp chữ nhật Cấu tạo các khối container bao gồm các thông số W biểu thị cho chiều rộng, B biểu thị cho chiều dài và H biểu thị cho chiều cao của khối, đơn vị của những thông số này đều được tính bằng TEU Không như chiều dài của khối phải tính toán, chiều rộng và chiều cao của khối phụ thuộc vào thiết bị bốc/dỡ trong bãi ở đây chính là các cẩu giàn (Yard Crane)

Hình 4.3: Cấu tạo của một khối container Dưới đây là mô tả về những hoạt động diễn tại khu vực bãi container:

Hoạt động xếp dỡ container bao gồm di chuyển và sắp xếp container trong bãi bằng cẩu giàn, chồng lên nhau theo quy tắc để tối ưu diện tích Container của cùng tàu thường xếp chung một khối để thuận bốc dỡ Remarshaling là sắp xếp lại vị trí container trong khối, còn reshuffling là di chuyển container khác để lấy container mong muốn khi bị chặn Cả hai hoạt động này thường diễn ra lúc cẩu giàn rảnh chờ xe tải.

- Kiểm tra container: Các container sẽ trải qua quá trình kiểm tra để đảm bảo chất lượng và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và vận chuyển Kiểm tra bao gồm kiểm tra hình thức container, kiểm tra pháp lý, kiểm tra hàng hóa bên trong (nếu có), kiểm tra các thiết bị an toàn như khóa container và thiết bị nâng hạ

- Sửa chữa container: Nếu có container bị hư hỏng hoặc cần sửa chữa, bãi container cung cấp các dịch vụ sửa chữa để khắc phục các vấn đề kỹ thuật Các hoạt động sửa chữa có thể bao gồm sửa lại cửa container, hàn, thay thế linh kiện hỏng, hoặc làm mới bề mặt container

- Lưu trữ container: Bãi container cung cấp không gian lưu trữ cho các container không được sử dụng ngay Container được sắp xếp và lưu trữ một cách có tổ chức để thuận tiện cho việc tìm kiếm và quản lý Thông qua hệ thống quản lý thông tin, bãi container có thể theo dõi vị trí và trạng thái của từng container trong quá trình lưu trữ

- Phân phối container: Khi có yêu cầu vận chuyển, bãi container sẽ tiến hành phân phối container cho các phương tiện vận chuyển như tàu biển, xe tải hoặc đường sắt Container được lấy từ bãi và tiếp tục quá trình vận chuyển hàng hóa

Thông thường, khi thiết kế bãi container nhà đầu tư sẽ quyết định giữa bố cục bãi sẽ là song song hoặc vuông góc So với cách bố trí song song, bố trí vuông góc có chi phí đầu tư cao hơn, mức tự động hóa cao dẫn đến tốc độ cần cẩu nhanh hơn (bao gồm cả thời gian di chuyển, lấy hàng và dỡ hàng), tối ưu khả năng lưu trữ trên mỗi khu vực (vì không yêu cầu làn đường dành cho xe tải), và giảm thiểu khoảng cách di chuyển của các phương tiện trung chuyển và xe tải bên ngoài

Hình 4.4: Minh họa cho bãi chứa bố cục vuông góc Trong khi đó bố cục song song yêu cầu các xe tải đỗ tạm thời bên cạnh khối để cẩu giàn thực hiện các hoạt động trao đổi container Cách bố trí này có mức chi phí đầu tư không cao bằng do không cần đầu tư nhiều về các thiết bị tự động hóa, phù hợp ở những nước đang phát triển, đặc biệt là những nước Châu Á Chính vì bài nghiên cứu này hướng đến thiết kế sơ khởi cho một cảng ở Thái Lan nên bố cục bãi song song sẽ được đưa vào sử dụng trong tính toán

Hình 4.5: Minh họa cho bãi chứa bố cục song song Đặc điểm của một khu vực bãi đó chính là cách sắp xếp các container từ đó hình thành cấu trúc của một bãi như số lượng khối hàng ngang, số lượng khối hàng dọc, chiều rộng, chiều dài, chiều cao của khối và kích thước làn xe chạy hay còn gọi là khoảng cách giữa các khối Tuy nhiên các thông số vừa nêu đều chịu ảnh hưởng của lưu lượng hàng hóa qua cảng, cụ thể là lưu lượng container xuất khẩu, nhập khẩu và trung chuyển Nếu lưu lượng hàng hóa thay đổi, cấu trúc của bãi cũng cần phải thay đổi theo để đáp ứng Qua đó, khẳng định một lần nữa công tác dự báo nhu cầu hàng hóa của khu vực là rất quan trọng ngay từ giai đoạn đầu

4.2.2 Công thức tính toán của khu vực bãi

Từ lưu lượng hàng hóa, ta tính được không gian chứa container qua công thức (15) và (16) Thông số cẩu giàn như chiều cao tối đa H, chiều rộng W và số cột N giúp tính số hàng R và chiều dài khối B (công thức (13), (14)) Giả sử khoảng cách giữa các khối container theo phương đứng và ngang là như nhau (𝑤 ℎ = 𝑤 𝑣 ), ta tính diện tích bãi theo công thức (12) như diện tích hình chữ nhật (chiều dài cảng nhân chiều rộng bãi) Các công thức tính toán khu vực bãi tham khảo từ nghiên cứu của Lee và Kim (2010, 2013).

Bảng 4.3:Thông số đầu vào của khu vực bãi

𝑤 𝑟 Chiều rộng của 1 stack (m) – Chiều rộng của 1 container

Trong lĩnh vực vận tải cảng biển, thông số về số lượng cần cẩu phục vụ từng hàng khối, ước tính lượng TEU xuất nhập khẩu cũng như trung chuyển hàng năm cùng thời gian chờ trung bình của TEU tại cảng là những thông tin quan trọng giúp đánh giá hiệu quả hoạt động cũng như năng lực của cảng.

N Số lượng cột của khối

H Chiều cao tối đa của 1 khối (TEU)

W Chiều rộng của 1 khối (TEU)

Bảng 4.4:Thông số đầu ra của khu vực bãi

B Chiều dài của 1 khối (TEU)

R Số lượng hàng của khối

Chiều rộng của lối đi ngang (m) Chiều rộng của lối đi dọc (m)

- Diện tích của bãi chứa 𝑺 𝒑𝒂𝒓 :

𝑤 𝑟 : Chiều rộng của 1 stack (m) – tương đương chiều rộng của 1 container

𝑊: Chiều rộng của 1 khối (TEU)

𝑤 ℎ : Khoảng cách giữa các khối theo chiều đứng (m)

𝑅: Số lượng Rows (hàng) của khối trong bãi chứa, được xác định bằng cách lấy tổng không gian cần thiết cho các containter là s 0 +s 1 chia cho số vị trí đặt container trong bãi là𝑁 × 𝐵 × 𝐻 × 𝑊

𝐵: Số lượng bay mỗi khối tính được bằng cách chia chiều dài của 1 khối cho chiều dài của 1 container

𝑙 𝑏 : Chiều dài của 1 bay (m) – Tương đương chiều dài 1 container

𝑤 𝑣 : Khoảng cách giữa các khối theo chiều ngang

𝑠 0 : Không gian chứa cần thiết cho các container xuất khẩu (TEU)

𝑛 𝑟 : Số lượng container xuất khẩu trong 1 năm

𝑑 𝑟 : Thời gian chờ của container xuất khẩu trong bãi (giờ)

𝑛 𝑡 : Số lượng container trung chuyển trong 1 năm

𝑑 𝑡 : Thời gian chờ của container trung chuyển trong bãi (giờ)

𝑢: Số lượng cẩu giàn trung bình sử dụng cho 1 tàu

ℎ: Thời gian làm việc mỗi năm (giờ)

𝑠 1 : Không gian chứa cần thiết cho các container nhập khẩu (TEU)

𝑛 𝑑 : Số lượng container nhập khẩu trong 1 năm

𝑑 𝑑 : Thời gian chờ của container nhập khẩu trong bãi (giờ)

𝑁: Số lượng Columns (cột) của khối trong bãi chứa

𝐻: Chiều cao tối đa của khối

𝑊: Số lượng stack của 1 bay (TEU)

Hình 4.6: Công cụ tính toán khu vực bãi

Mô hình cho khu vực cổng

4.3.1 Hoạt động của khu vực cổng

Khu vực cổng là nơi giao nhau giữa cảng và khu vực nội địa, tại đây các xe tải chở container ra vào, thực hiện hoạt động trao đổi container Đối với những container xuất khẩu, khi xe tải từ bên ngoài đến cổng chở theo các container hàng hóa, các nhân viên tại cổng sẽ xác thực container so với hồ sơ để đảm bảo thông tin trùng khớp Ngoài ra, tình trạng ngoại quan của container cũng sẽ được kiểm tra để xác nhận tình trạng trước và sau khi vào cảng Sau đó, các tài xế xe tải sẽ được hướng dẫn đến vị trí trong bãi để giao container Ngược lại, với những container nhập khẩu, sau khi đến cảng qua đường biển, chúng sẽ được lưu trữ trong bãi với số hiệu và vị trí cụ thể Các xe tải đến lấy container nhập khẩu sẽ được kiểm tra giấy tờ và xác minh thông tin container Một khi hoàn thành các thủ tục hành chính, tài xế sẽ được hướng dẫn đến ví trị trong bãi để lấy container Tương tự như quá trình xuất khẩu container, khi xe tải mang container ra ngoài cũng phải kiểm tra tình trạng ngoài quan và thông tin container

Yếu tố mà nhà đầu tư quan tâm nhất tại khu vực cổng chính là thời gian mà xe phải chờ để vào cổng bao gồm thời gian làm thủ tục và thời gian xếp hàng, thời gian xe chờ càng lâu sẽ gây ra hiện tượng tắc nghẽn dòng chảy hàng hóa Vậy nên khi thiết kế khu vực cổng, nhà đầu tư cần phải cẩn thận xem xét lựa chọn công nghệ tại cổng để cho ra tốc độ xử lý xe phù hợp với lưu lượng xe đến giúp tối ưu thời gian xe chờ Lưu lượng xe đến là một đại lượng không cố định nhưng có thể xác định trước thông qua công tác dự báo Quy trình thủ tục hành chính tiện lợi và công nghệ tại cổng càng hiện đại thì sẽ giúp rút ngắn thời gian mà xe phải chờ Mặt khác, thời gian chờ của xe còn phụ thuộc vào số lượng cồng mà cảng đưa vào hoạt động là ít hay nhiều Ngoài các cổng xử lý cho xe tải ra vào, khu vực cổng còn bao gồm diện tích bãi đỗ xe tải từ ngoài cảng, bãi đỗ xe nội bộ, khu vực lắp đặt cổng và tòa nhà văn phòng thường là nơi làm việc của cán bộ hải quan, nhân viên logistic, kế toán, hành chính,…Ngoài ra còn có thêm diện tích trống dự phòng để đảm bảo không gian cho các xe di chuyển hoặc sử dụng cho mục đích khác trong tương lai

4.3.2 Công thức tính toán của khu vực cổng

Dựa vào nghiên cứu lý thuyết xếp hàng của Minh (2017) và Guan (2009), giả sử tỉ lệ xe đến và tốc độ phục vụ tại cổng tuân theo phân phối Erlang, mô hình M/Ek/n có thể được sử dụng ở công thức (19) để phân tích hàng chờ xe tại cổng Từ các đại lượng tốc độ phục vụ tại cổng 𝑇 𝑘 và tỉ lệ xe đến mỗi giờ 𝜆, kết hợp với công thức (17), (18), (20), (21) ta có thể lựa chọn được số lượng làn xe tối ưu tại cổng Tiếp đến là xác định diện tích, Các diện tích khu vực con được tính toán theo công thức (22), (24), (25), (26) và tổng hợp thành diện tích của khu vực cổng tại (27)

Bảng 4.5:Thông số đầu vào của khu vực cổng

Số làn xe tại cổng

𝑙 𝑜 Tổng số lượng nhân viên văn phòng

𝑆 𝑡 Kích thước 1 xe nội bộ (m 2 )

𝜆 Mật độ xe đến mỗi giờ (xe/giờ)

𝜇 Số xe được xử lý tại cổng trong 1 giờ (xe/giờ)

Bảng 4.6:Thông số đầu ra của khu vực cổng

𝑆 𝑝𝑙 Diện tích bãi đỗ cho xe tải (m 2 )

Diện tích khu vực văn phòng (m 2 )

Diện tích bãi đỗ xe nội bộ (m 2 ) Trung bình thời gian chờ của xe tại cổng (min) Trung bình số lượng xe trong hàng chờ Tổng diện tích khu vực cổng (m 2 )

- Thời gian xử lý tại cổng của mỗi xe 𝑇 𝑘 (giờ/xe)

𝜇: Số xe được xử lý tại cổng trong 1 giờ (xe/giờ)

- Tổng thời gian chờ của xe tại cổng 𝑇 𝑐 (phút)

- Mô hình lý thuyết xếp hàng QT M/E k /S

𝜆: Mật độ xe đến mỗi giờ 𝜆 (xe/giờ) để giao và nhận container

𝑇 𝑤 : Trung bình thời gian chờ của 1 xe tại cổng (giờ/xe)

𝜌′: độ tối ưu dịch vụ tại cổng

- Diện tích bãi đỗ cho xe giao nhận hàng từ bên ngoài cảng 𝑆 𝑝𝑙 (m 2 ) được tính bằng cách nhân số lượng xe đến từ bên ngoài với kích thước mỗi xe và hệ số 1.5 là khoảng cách giữa mỗi xe

𝑁 𝑝 : Ước tính số lượng xe đến từ bên ngoài

𝑡 𝑟 : Thời gian tối đa cho phép để xe tải hoàn thành lộ trình giao container xuất khẩu trong bãi (giờ)

- Tổng diện tích cổng 𝑆 𝑔 (m 2 ) bằng số lượng cổng nhân cho diện tích của 1 cổng

- Diện tích bãi đỗ cho xe tải nội bộ cảng 𝑆 𝑝𝑡𝑟 (m 2 ) cũng được tính tương tự như bãi đỗ cho các xe giao nhận hàng từ bên ngoài với hệ số khoảng cách là 1.5

𝑁 𝑡𝑟 : Tổng số lượng xe tải vận hành nội bộ trong cảng

- Theo mức tiêu chuẩn, để có thể ngồi rộng rãi thoải mái và tăng sự sáng tạo cho nhân viên, diện tích trung bình cho mỗi người sẽ vào khoảng 7 – 10 m 2 Vì vậy, diện tích của khu vực văn phòng 𝑆 𝑡𝑜 sẽ được tính với hệ số là 10 nhân với số lượng nhân viên

𝑙 𝑜 : Tổng số lượng nhân viên văn phòng

- Tổng diện tích khu vực cổng

Hình 4.7: Công cụ tính toán khu vực cổng

Vì số lượng làn xe ảnh hưởng trực tiếp đến công thức lý thuyết hàng chờ nên thay vì sử dụng công thức Excel truyền thống, mô hình sẽ thực hiện tính toán dựa trên lập trình Visual Basic - một chức năng của Microsoft Excel Sau khi nhập các thông số đầu vào, người dùng có thể bấm nút "Compute" và mô hình sẽ xuất ra giá trị thời gian chờ của xe tại cổng \(T_c\) (phút).

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

Mô hình tính toán chi phí cảng container

Các chi phí đầu tư và vận hành bến cảng, bao gồm: chi phí xây dựng mặt bằng, chi phí đầu tư thiết bị, chi phí vận hành QC, bến cảng và nhân công Một khi hoàn tất quá trình thiết kế sơ khởi, điều khiến các nhà đầu tư quyết định tiến hành xây dựng cảng hay không chính là yếu tố chi phí Bởi vì trong một dự án xây dựng cảng, ngân sách là cho trước và có giới hạn Nếu chi phí ước tính cao hơn ngân sách đề ra ban đầu thì thông số của các hệ thống con như bến, bãi, cổng phải cần được chỉnh sửa để cho ra chi phí phù hợp Mô hình tính toán chi phí được đưa vào công cụ hỗ trợ ở bài nghiên cứu này để các nhà đầu tư nắm bắt nhanh chóng chi phí thiết kế sơ khởi mà có những điều chỉnh thích hợp Các công thức sử dụng để tính toán chi phí khu vực bến và khu vực bãi được rút ra từ nghiên cứu của Schonfeld, P và Sharafeldien, O (1985) [25]

4.4.1 Chi phí khu vực bến

Như đã đề cập ở trên, chi phí khu vực bến sẽ tập trung vào 4 loại là chi phí xây dựng mặt bằng cảng (28), chi phí đầu tư xây dựng các cẩu bờ (29), chi phí vận hành cảng dựa trên lưu lượng hàng hóa mỗi năm (31) và chi phí nhân công để vận hành các cẩu bờ (32)

- Tổng chi phí xây dựng mặt bằng cảng bao gồm chi phí xây dựng bờ cảng, cơ sở hạ tầng neo đậu và chi phí mặt bằng của cảng

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

Chi phí xây dựng bờ cảng (Bath/m 2 ) Chi phí xây dựng diện tích cảng (Bath/m 2 ) Chi phí cho cơ sở hạ tầng neo đậu (Bath) Chi phí lắp đặt một cẩu bờ (Bath) Chi phí vận hành trong 1 giờ của cẩu bờ (Bath/giờ)

Số giờ làm việc trong một ca (giờ) Chi phí nhân công cho mỗi cẩu bờ (Bath/giờ)

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

Tổng chi phí xây dựng mặt bằng cảng (Bath) Chi phí cố định cho các cẩu bờ (Bath) Chi phí vận hành khi di chuyển 1 TEU (Bath)

Chi phí vận hành cảng (Bath) Chi phí nhân công vận hành cẩu bờ (Bath)

𝑐 𝑞𝑤 : Chi phí xây dựng bờ cảng (Bath/m 2 )

𝑐 𝑓𝑢 : Chi phí cho cơ sở hạ tầng neo đậu (Bath), các cơ sở hạ tầng này bao gồm cột neo, giăng bảo vệ lắp dọc theo chiều dài bến

𝑐 𝑞 : Chi phí xây dựng diện tích cảng (Bath/m 2 )

- Chi phí cố định cho các cẩu bờ

𝑐 𝑞𝑐 : Chi phí lắp đặt một cẩu bờ (Bath)

- Chi phí vận hành khi di chuyển 1 TEU

𝑚 𝑞𝑐 : Chi phí vận hành trong 1 giờ của cẩu bờ (Bath/giờ), chi phí này có thể bao gồm chi phí bảo trì, nhiên liệu mà cẩu bờ sử dụng

- Chi phí vận hành cảng

- Chi phí nhân công vận hành cẩu bờ

𝑙 𝑐𝑏 : Chi phí nhân công cho mỗi cẩu bờ (Bath/giờ)

𝑡 𝑠ℎ : Số giờ làm việc trong một ca (giờ)

Hình 4.9: Công cụ tính toán chi phí khu vực bến 4.4.2 Chi phí khu vực bãi

Tương tự như khu vực bến, khu vực bãi vẫn sẽ tập trung tính toán chi phí xây dựng mặt bằng (33), chi phí đầu tư mua trang thiết bị ở đây là các cẩu giàn trong bãi (34), chi phí vận hành các cẩu giàn (35), (36), chi phí đầu tư các phương tiện vận chuyển container giữa bến-bãi (37) và chi phí để vận hành chúng (38)

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

Chi phí xây dựng mặt bằng bãi (Bath) Chi phí lắp đặt một cẩu giàn (Bath) Chi phí vận hành cẩu giàn trong 1 phút (Bath/phút) Chi phi cố định cho phương tiện vận chuyển (Bath/phút) Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển (Bath/phút)

Hệ số chuyển đổi Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi nhận container (phút) Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi bốc container (phút) Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi dỡ container (phút) Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi vận chuyển container (phút)

Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để gửi container xuất khẩu đến cẩu giàn (phút) Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để tiếp nhận container từ cẩu giàn (phút) Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để gửi container nhập khẩu đến cẩu giàn (phút) Thời gian di chuyển của phương tiện vận chuyển từ vị trí ngẫu nhiên của bến đến vị trí ngẫu nhiên trong bãi (phút)

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

𝐴𝑓 𝐺 Chi phí xây dựng mặt bằng cho các khối, lối đi trong bãi (Bath)

𝐴𝑓 𝑌𝐶 Chi phí cố định cho các cẩu giàn trong bãi (Bath)

𝐹𝑐 𝑌𝐶 Chi phí vận hành của cẩu giàn trong bãi (Bath)

𝐴𝑐 𝑇𝑅𝑜 Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container xuất khẩu và trung chuyển (Bath)

𝐴𝑐 𝑇𝑅𝑖 Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container nhập khẩu (Bath)

𝐴𝑓 𝑇𝑅 Chi phí cố định cho các phương tiện vận chuyển

- Chi phí xây dựng mặt bằng cho các khối, lối đi trong bãi

𝑓 𝐺 : Chi phí xây dựng mặt bằng bãi (Bath)

- Chi phí cố định cho các cẩu giàn trong bãi

𝑓 𝑌𝐶 : Chi phí lắp đặt một cẩu giàn (Bath)

Công thức tính chi phí cẩu giàn được gợi ý bởi một nhà sản xuất cẩu giàn đến từ Hàn Quốc α biểu thị cho chi phí cố định, trong khi β(W+2H) biểu thị cho chi phí vật liệu và chế tạo cho cẩu giàn tỷ lệ thuận với tổng chiều rộng bay và hai lần chiều cao của khối

- Chi phí vận hành của cẩu giàn trong bãi

𝑐 𝑌𝐶 : Chi phí vận hành cẩu giàn trong 1 phút (Bath/phút)

𝐶 𝑟 : Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi nhận container (phút)

𝐶 𝑙 : Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi bốc container (phút)

𝐶 𝑢 : Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi dỡ container (phút)

𝐶 𝑑 : Thời gian chu kỳ của cẩu giàn khi vận chuyển container (phút)

- Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container xuất khẩu và trung chuyển

𝑐 𝑇𝑅 : Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển (Bath/phút)

𝑇 𝑞 : Thời gian di chuyển của phương tiện vận chuyển từ vị trí ngẫu nhiên của bến đến vị trí ngẫu nhiên trong bãi (phút)

𝑊 𝑙 : Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để tiếp nhận container từ cẩu giàn (phút)

𝑊 𝑟 : Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để gửi container xuất khẩu đến cẩu giàn (phút)

- Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container nhập khẩu

𝑊 𝑢 : Thời gian chờ của phương tiện vận chuyển để gửi container nhập khẩu đến cẩu giàn (phút)

- Chi phí cố định cho các phương tiện vận chuyển

𝑓 𝑇𝑅 : Chi phi cố định cho phương tiện vận chuyển (Bath/phút)

𝜉: Hệ số chuyển đổi, dùng để quy đổi tổng thời gian hoạt động dự kiến của phương tiện vận chuyển thành số lượng phương tiện vận chuyển cần thiết (0 < 𝜉 < 1)

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

4.4.3 Chi phí khu vực cổng

Sau khi xác định được số cổng để thời gian xe tải chờ đợi tại khu vực cổng là tối ưu Bài nghiên cứu sẽ tính toán chi phí đầu tư tương ứng với số lượng cổng, chi phí vận hành tương ứng với số lượng nhân công tại cổng và chi phí hoạt động cho mỗi xe tải qua cổng

Khác với khu vực bến và bãi, các công thức tính toán chi phí cho khu vực cổng được lấy từ nghiên cứu của Guan (2009) [26] Sau đây là cách tính chi phí đầu tư và vận hành khu vực cổng bao gồm: chi phí xây dựng mặt bằng (39), chi phí xây dựng cổng (40), chi phí vận hành cổng (41) và chi phí nhân công (42)

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

Chi phí nhân công để vận hành cổng mỗi giờ (Bath/giờ)

Chi phí xây dựng một cổng (Bath) Chi phí xây dựng mặt bằng cổng (Bath/m 2 )

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

Chi phí vận hành cho mỗi xe tải qua cổng (Bath)

Chi phí xây dựng các cổng (Bath) Chi phí xây dựng mặt bằng cho khu vực cổng (Bath)

Chi phí vận hành cổng (Bath)

- Chi phí xây dựng mặt bằng cho khu vực cổng

𝑐 𝑙𝑠 : Chi phí xây dựng mặt bằng cổng, bao gồm cả khu vực dự phòng (Bath/m 2 )

- Chi phí xây dựng các cổng

𝑐 𝑔 : Chi phí xây dựng một cổng, bao gồm chi phí cơ sở hạ tầng và thiết bị (Bath)

- Chi phí vận hành cổng

𝑙 𝑐𝑔 : Chi phí nhân công để vận hành cổng mỗi giờ (Bath/giờ) h: Thời gian làm việc mỗi năm (giờ)

- Chi phí vận hành cho mỗi xe tải qua cổng

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

ỨNG DỤNG THIẾT KẾ SƠ KHỞI CHO CẢNG CONTAINER

Thực trạng

Mặc dù trải qua đại dịch COVID-19, tổng lưu lượng hàng hóa của các cảng container ở Thái Lan vẫn chứng kiến sự tăng trưởng từ 7 triệu TEU đến 10 triệu TEU trong vòng

10 năm Để đáp ứng được nhu cầu phát triển về quy mô hàng hóa trong những năm sắp tới, xây dựng mới một cảng hàng hóa container là điều cấp thiết Dựa vào thiết kế ý niệm cho sẵn, bài nghiên cứu này sẽ tiến hành thiết kế sơ khởi với sự hỗ trợ của công cụ tính toán

Song song với việc tính toán thiết kế cảng, bài nghiên cứu cũng sẽ phân tích độ nhạy các thông số của cảng để xác định độ biến động thông số đầu ra khi các thông số đầu vào có sự thay đổi Vì lý do bảo mật thông tin nên cảng container tại Thái Lan sẽ được gọi là X Thông qua quá trình thiết kế ý niệm, cảng container X sẽ hoạt động với 4 bến cập cảng, dự tính có lưu lượng hàng hóa đạt 7 triệu TEU hàng năm bao gồm 3 triệu TEU xuất khẩu, 2,4 triệu TEU nhập khẩu và 1,6 triệu TEU trung chuyển Cảng có chiều dài

2000 mét và để phù hợp với bối cảnh khu vực Châu Á, bố cục song song sẽ được chọn để vận hành cảng X.

Thiết kế khu vực bến

5.2.1 Cấu trúc khu vực bến

Giả sử cảng container X sẽ hoạt động liên tục 24 giờ trong ngày và 7 ngày trong tuần Để chuẩn bị cho dự báo lưu lượng hàng năm ngày càng tăng, cẩu bờ STS được tin dùng với năng suất bốc/dỡ xấp xỉ 39 container/giờ Quy định chiều dài tối đa của các tàu container có thể cập cảng là 400m, dự báo mỗi tuần sẽ có 23 tàu đến, ước tính được khoảng cách giữa các bến sẽ là 130m Với trung bình sức chứa mỗi tàu là 1700 TEU, mỗi bến sẽ cần 5 cẩu bờ để thực hiện bốc/dỡ với thời gian xấp xỉ 8.72 giờ/tàu, vậy sẽ có tổng cộng 20 cẩu bờ đưa vào sử dụng cho 4 bến Khu vực bến có diện tích giới hạn là

200000m 2 chia cho chiều dài cảng là 2000m, ta sẽ có được chiều rộng khu vực bến là 100m

Bảng 5.1:Thông số của khu vực bến

Ký hiệu Thông số Giá trị

AT Lưu lượng hàng hóa (TEU/năm) 7000000

Năng suất cẩu (TEU/giờ.) 39

Khoảng cách giữa các bến là 130 mét, chiều dài tối đa của tàu là 400 mét, sức chứa tối đa của tàu là 1700 TEU Cảng hoạt động 24 giờ mỗi ngày và 7 ngày mỗi tuần.

Lưu lượng tàu đến (tàu/tuần) 23

Hệ số lấp đầy bến 0,5

Hệ số giờ cao điểm 1,2

Năng suất cảng (TEU/ngày) 21676 Thời gian bốc/dỡ (giờ) 8,72

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

5.2.2 Phân tích độ nhạy khu vực bến

Khi lưu lượng hàng hóa ngày càng lớn, năng suất cẩu bắt buộc phải tăng để theo kịp xu thế này Giả sử rằng thời gian hoạt động của cảng là không thay đổi và loại cẩu bờ STS vẫn được sử dụng với năng suất 39 TEU/giờ, dựa vào công thức ở mục 3.5.1, điều chỉnh chiều dài cảng và số lượng cẩu mỗi bến là phương án khả thi để tăng tổng năng suất cho cảng Phân tích độ nhạy cho thấy nếu thay đổi 1 trong 2 thông số, cả năng suất cảng và tổng số lượng cẩu đều thay đổi Tuy nhiên, mỗi phương án có ưu và nhược điểm riêng khi mà số lượng cẩu bờ thêm vào không ảnh hưởng gì đến toàn bộ hệ thống nhưng đến một số lượng nhất định sẽ đạt đến tối đa chiều dài của tàu và không thêm vào được nữa Tương tự, nếu cảng có khả năng mở rộng khu vực và chiều dài cảng tăng lên thì số lượng bến sẽ tăng lên làm tăng năng suất của cảng Phương án tăng chiều dài cảng sẽ làm cho thông số khu vực bãi thay đổi, dẫn đến việc người thiết kế phải tính toán lại hệ thống để đồng bộ với thiết kế mới của cảng

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

Thiết kế khu vực bãi

5.3.1 Cấu trúc khu vực bãi

Với bố cục song song, giả định rằng diện tích khu vực bãi là một hình chữ nhật Số lượng cẩu giàn cho mỗi hàng của khối container sẽ được đặt là 2 và giống nhau ở mọi hàng Các khối container trong bãi được sắp xếp có kích thước giống nhau và số cột khối container phụ thuộc vào chiều dài mỗi khối tính theo công thức Cẩu giàn RTG được chọn để sử dụng làm thiết bị di chuyển container trong bài nghiên cứu này bởi đặc điểm phù hợp với bố cục bãi song song, đồng thời nó cũng chiếm 63% tỉ lệ sử dụng trong tổng số 114 cảng container Wiese nghiên cứu Cấu trúc của cẩu giàn RTG cho phép nó hoạt động ở khối container có kích thước bay tối đa là 8 TEU bao gồm cả làn xe, và chiều cao khối là 7 TEU

Theo thiết kế, mỗi bến sẽ hoạt động với phạm vi 2 cột khối container vậy nên với 4 bến, bãi sẽ có tổng cộng 8 cột khối Dự tính các container nhập khẩu, xuất khẩu và trung chuyển có thời gian chờ trong bãi lần lượt là 10; 10 và 5 Qua đó có thể tính toán được không gian kho bãi yêu cầu phải là 35,859 TEU Khoảng cách giữa các khối đồng thời là đường xe chạy được thiết kế là 50m cả theo phương ngang và phương dọc Bằng cách lấy chiều dài của một khối chia cho chiều dài của một bay – chiều dài một TEU, tính được số lượng bay trong một khối tương đương với chiều dài khối sẽ là 32 và số hàng khối là 3 Để sắp xếp được bố cục như tính toán kể trên, diện tích bãi container tính toán theo công thức ra là 517,120 mét vuông

Bảng 5.2:Thông số của khu vực bãi

Ký hiệu Thông số Giá trị

Bố cục Song song Ước tính số lượng TEU xuất khẩu hàng năm 3000000 Ước tính số lượng TEU trung chuyển hàng năm 1600000 Ước tính số lượng TEU nhập khẩu hàng năm 2400000 Trung bình thời gian chờ của TEU xuất khẩu (giờ) 240 Trung bình thời gian chờ của TEU trung chuyển (giờ) 120 Trung bình thời gian chờ của TEU nhập khẩu (giờ) 240

Chiều rộng của lối đi ngang (m) 50 Chiều rộng của lối đi dọc (m) 50

H Chiều cao tối đa của 1 khối (TEU) 7

W Chiều rộng của 1 khối (TEU) 8

B Chiều dài của 1 khối (TEU) 32

N Số lượng cột của khối 8

R Số lượng hàng của khối 3

Tổng số lượng khối trong bãi 24

Tổng số lượng cẩu giàn trong bãi 48

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

5.3.2 Phân tích độ nhạy khu vực bãi

Dựa theo công thức ở mục 3.5.2.1, thiết kế bãi container phụ thuộc vào các thông số như số cột khối, chiều cao tối đa của khối và chiều rộng của khối Cho rằng chiều cao tối đa và chiều rộng của khối bị giới hạn bởi cấu trúc của cẩu giàn, phân tích độ nhạy sẽ tập trung vào số lượng cột khối để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các giá trị đầu ra của khu vực bãi - cụ thể là diện tích bãi, số lượng hàng khối và chiều dài khối

Thông qua chức năng Scenario Manager trong Excel, cho giá trị cột khối – N thay đổi từ 1 đến 28 Chiều dài khối B thay đổi giảm đáng kể ở những mức tăng ban đầu của

N, xấp xỉ 40% Tuy nhiên khi giá trị N tăng đến 9, B sẽ giảm nhẹ đều ở các mức tiếp theo với trung bình là 10% mỗi lần thay đổi N Mặt khác, số lượng hàng của khối R tăng tỉ lệ thuận với N với giá trị thay đổi không lớn, từ R=1 ở giá trị N=1 đến R=7 ở giá trị N( Khi số hàng và cột của khối tăng kéo theo diện tích khu vực bãi cũng tăng theo Dựa vào phân tích này, người thiết kế và nhà đầu tư có thể đưa ra quyết định lựa chọn cấu trúc bãi sẽ như thế nào để phù hợp với mong muốn đầu ra Hình 4.4 thể hiện độ biến động của chiều dài khối, số lượng hàng của khối và diện tích bãi chứa khi số lượng cột của khối thay đổi

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

Thiết kế khu vực cổng

5.4.1 Cấu trúc khu vực cổng

Dự kiến mỗi cổng tại cảng container sẽ xử lý 9 xe/giờ, do đó cần ít nhất 7 cổng để đạt công suất xử lý 63 xe/giờ Tuy nhiên, mô hình M/Ek/n cho thấy thời gian chờ của mỗi xe lúc này sẽ là 23,8 phút Để giảm thời gian chờ, cảng sẽ lắp đặt 11 làn xe, giúp thời gian chờ giảm xuống còn 6,8 phút với số xe trung bình trong hàng chờ là 7 Ước tính giờ cao điểm, cảng sẽ chứa 60 xe tải ngoài và 24 xe tải nội bộ Với giả định kích thước xe bằng nhau, hệ số khoảng cách an toàn 1,5, diện tích bãi đỗ xe nội bộ và xe ngoài lần lượt là 1080m2 và 1530m2.

Hình 5.5: Kích thước của xe tải Với tổng cộng 11 cổng, mỗi cổng chiếm diện tích 30 mét vuông, vậy khu vực cổng tiếp nhận xe ra vào có diện tích là 330 mét vuông Trong nghiên cứu này, giả sử mỗi nhân viên văn phòng cần 10 mét vuông để làm việc thì với 50 nhân viên, khu vực văn phòng sẽ có diện tích là 500 mét vuông Thông qua công thức tính toán diện tích đề cập ở mục 3.5.3, tổng diện tích khu vực cổng là 3440 mét vuông

Bảng 5.3:Thông số của khu vực cổng

Ký hiệu Thông số Giá trị

Số làn xe tại cổng 11

Trung bình thời gian chờ của xe tại cổng (min) 6,8 Trung bình số lượng xe trong hàng chờ 7,0 Diện tích bãi đỗ xe tải (m 2 ) 15300

Ký hiệu Thông số Giá trị

Diện tích bãi đỗ xe nội bộ (m 2 ) 1080 Diện tích khu vực văn phòng (m 2 ) 500 Diện tích dự phòng (m 2 ) 2000 Tổng diện tích khu vực cổng (m 2 ) 5440

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

5.4.2 Phân tích độ nhạy khu vực cổng

Do mật độ xe đến (𝜆) là không thể kiểm soát, bài nghiên cứu sẽ tập trung phân tích tốc độ phục vụ tại cổng (𝜇) có ảnh hưởng như thế nào đến số lượng làn xe và thời gian chờ của xe tại cổng Bằng cách cải tiến thủ tục hành chính hoặc công nghệ xử lý thông tin, tốc độ xử lý xe có thể tăng lên Ở tỉ lệ mật độ xe đến, tốc độ phục vụ khác nhau đều có yêu cầu số làn xe tối thiểu để cổng có thể vận hành bình thường và số làn xe tối đa khi mà xe đến chỉ mất một khoảng thời gian cố định để làm thủ tục hành chính dù có tăng thêm bao nhiêu làn xe đi nữa

Hình 5.7: Sự biến động của làn xe tối thiểu và tối đa ở mỗi giá trị tốc độ xử lý của cổng Ở mỗi 𝜆 khác nhau, thời gian chờ của xe tải là khác nhau khi mở tối thiểu và tối đa số làn xe tùy thuộc vào giá trị 𝜇 Lấy giá trị 𝜆=1 xe/phút, tại một số giá trị 𝜇 có thời gian chờ đặc biệt cao Điều này có thể giải thích khi nhìn vào tốc độ phục vụ của tổng các làn xe rất sát với mật độ xe đến ở đây là 1 Lấy ví dụ ở giá trị 𝜇 =0,4 và 0,3 số làn xe tối thiểu là 3 và 4, tốc độ phục vụ của 2 trường hợp này sẽ đều là 1,2 Tuy nhiên tại 𝜇 =0,35 số làn xe tối thiểu sẽ là 3 và tốc độ phục vụ của tổng các làn là 1,05 rất gần với 1, điều này dẫn đến thời gian chờ của xe tại cổng lên đến 22 phút Qua đó, khi ước tính được mật độ xe đến cảng nhà đầu tư có thể đưa ra quyết định mở bao nhiêu làn xe để đạt được thời gian chờ mong muốn và chi phí xây dựng hợp lý

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

Tính toán chi phí cho cảng container

Do yếu tố chi phí có thể thay đổi theo thời gian, tùy thuộc vào tình hình kinh tế và thương mại toàn cầu nên giá trị chi phí trong bài nghiên cứu này chỉ mang tính chất tham khảo Điều này nhằm mục đích cung cấp cho người đọc thông tin tổng quan về chi phí và khuyến khích họ liên hệ trực tiếp với nhà cung cấp để có thông tin mới nhất và chính xác nhất.

5.5.1 Tính toán chi phí khu vực bến

Giả sử chi phí xây dựng là 1000 Bath và chi phí xây dựng hạ tầng neo đậu là 4000 Bath trên mỗi mét bờ cảng, cộng với chi phí 2000 Bath trên mỗi mét vuông mặt bằng, tính được tổng chi phí xây dựng mặt bằng cảng là 410 triệu Bath Với chi phí lắp đặt cho mỗi cẩu bờ là 9000 Bath thì 20 cẩu bờ sẽ có chi phí là 180 ngàn Bath Khi vận hành, mỗi cẩu bờ ước tính sẽ có chi phí 450 Bath/giờ bao gồm chi phí bảo trì và nhiêu liệu Như đã đề cập ở phần 5.2, công suất của mỗi cẩu bờ là 39 TEU/giờ, có thể suy ra được chi phí để cẩu bờ di chuyển 1 TEU sẽ là 12 Bath Lấy chi phí vận chuyển 1 TEU nhân với lưu lượng hàng năm của cảng là 7.495.488 TEU tính được chi phí để vận hành càng trong một năm xấp xỉ 86 triệu Bath Đồng thời chi phí nhân công để vận hành cảng trong một năm rơi vào khoảng 22 triệu Bath

Bảng 5.4:Chi phí của khu vực bến

Ký hiệu Thông số Giá trị

Tổng chi phí xây dựng mặt bằng cảng (Bath) 410000000 Chi phí cố định cho các cẩu bờ (Bath) 180000 Chi phí vận hành khi di chuyển 1 TEU (Bath) 12

Chi phí vận hành cảng (Bath) 86486400 Chi phí nhân công vận hành cẩu bờ (Bath) 22432667

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

5.5.2 Tính toán chi phí khu vực bãi

Tương tự như khu vực bến, chi phí xây dựng trên mỗi mét vuông mặt bằng là 1000 Bath thì với diện tích khu vực bãi 517120m 2 , tổng chi phí để xây mặt bằng là 517 triệu

120 ngàn Bath Một cẩu giàn ước tính có chi phí cố định là 9000 Bath, vậy 432 ngàn Bath sẽ là toàn bộ chi phí cố định cho 48 cẩu giàn trong bãi Giữa khu vực bến và bãi có những phương tiện dùng để vận chuyển container qua lại giữa hai khu vực, vì lượng container nhập khẩu và xuất khẩu là không bằng nhau cho nên chi phí vận hành phương tiện vận chuyển cho 2 loại container là không giống nhau Với tổng cộng lưu lượng hàng hóa 7 triệu TEU bao gồm 4.600.000 TEU xuất khẩu và trung chuyển và 2.400.000 TEU nhập khẩu, chi phí vận hành phương tiện vận chuyển có mức xấp xỉ 450 triệu Bath Đồng thời chi phí cố định để đặt mua các phương tiện vận chuyển này rơi vào khoảng 810 triệu Bath trong 1 năm

Bảng 5.5:Chi phí của khu vực bãi

Chi phí xây dựng mặt bằng cho các khối, lối đi trong bãi (Bath) 517120000

Chi phí cố định cho các cẩu giàn trong bãi (Bath) 432000 Chi phí vận hành của cẩu giàn trong bãi (Bath) 211680000 Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container xuất khẩu và trung chuyển (Bath) 323552000 Chi phí vận hành của phương tiện vận chuyển cho các container nhập khẩu (Bath) 126720000

Chi phí cố định cho các phương tiện vận chuyển 810489600

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

5.5.3 Tính toán chi phí khu vực cổng Đến với khu vực cổng diện tích 5440m 2 đã được tính trước đó, chi phí mặt bằng có giá trị 5 triệu 440 ngàn Bath Mỗi cổng ước tính sẽ tiêu tốn 2000 Bath để lắp đặt cơ sở hạ tầng và trang thiết bị, do đó nếu xây dựng 11 cổng thì cần phải chi 22000 Bath Chi phí vận hành khu vực cổng trong 1 năm sẽ phụ thuộc vào số giờ làm việc trong năm và số lượng cổng nhân với chi phí nhân lực dùng để vận hành cổng Dựa vào công thức đã nêu trong phần 3.4.3, tính được chi phí vận hành cổng khoảng 32 triệu Bath Suy ra chi phí vận hành trên mỗi xe tải qua cổng sẽ là 64 Bath/xe

Bảng 5.6:Chi phí của khu vực cổng

Ký hiệu Thông số Giá trị

Chi phí vận hành cho mỗi xe tải qua cổng (Bath) 64

Chi phí xây dựng các cổng (Bath) 22000 Chi phí xây dựng mặt bằng cho khu vực cổng (Bath) 5440000

Chi phí vận hành cổng (Bath) 31951920

Hình 5.11: Chi phí khu vực cổng trong công cụ hỗ trợ

Hình 5.12: Sơ đồ thiết kế sơ khởi của cảng container

KẾT LUẬN Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra đó là thiết kế giai đoạn sơ khởi cho một cảng container tại Thái Lan Thông qua đề tài, công cụ hỗ trợ thiết kế cảng được ra đời với mục đích giúp tiết kiệm thời gian ở quá trình thiết kế sơ khởi khi quá trình này yêu cầu phải thực hiện lặp đi lặp lại để cho ra kết quả mà nhà đầu tư mong muốn

Thiết kế cảng container cần phải cân nhắc đến nhiều thông số, biến số và mong muốn của nhà đầu tư khiến cho việc này trở thành một quá trình phức tạp Các thông số của cảng container có thể thay đổi liên tục do chịu sự tác động của dòng chảy thương mại và cần phải thiết kế lại liên tục Do đó, một công cụ giúp cho quá trình thiết kế tự động hóa là rất quan trọng để giảm bớt thời gian và đẩy nhanh công việc Bài nghiên cứu không chỉ thiết kế quá trình sơ khởi cho cảng container mà còn phân tích độ nhạy cho thông số cảng, cung cấp cái nhìn tổng thể về mối tương quan giữa các hệ thống con Qua nghiên cứu của đề tài có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế cảng và mức độ tác động như thế nào nếu một trong số chúng bị thay đổi Nó cho thấy những ưu điểm và nhược điểm của việc tăng số lượng cẩu bờ mỗi bến hoặc việc tăng chiều dài cảng dẫn đến tăng số lượng bến để đáp ứng yêu cầu đầu ra mới Phân tích về bãi cho thấy số cột của khối ảnh hưởng như thế nào đến diện tích bãi, chiều dài của khối và số lượng hàng của khối Ngoài số lượng cổng tối thiểu cần thiết, đối với mỗi tỷ lệ mật độ xe đến và tốc độ phục vụ tại cổng, sẽ có số lượng cổng tối đa với thời gian chờ của xe tải là tối ưu

Tuy nhiên, công cụ này vẫn còn nhiều yếu tố chưa được đề cập chi tiết như là chi phí thiết kế, vận hành các khu vực con Lấy ví dụ về khu vực bãi, để tính được chi phí vận hành các cẩu giàn cần phải xét đến thời gian chu kỳ vận hành của chúng mà thời gian vận hành lại phụ thuộc vào tốc độ di chuyển, chiều cao giá gắp lên xuống của cẩu Hoặc là chi phí vận hành các phương tiện vận chuyển liên quan đến thời gian giao/nhận container mất bao lâu phụ thuộc vào quãng đường đi Hơn nữa, kết quả tính toán chỉ mang tính tương đối nhằm rút ngắn thời gian thiết kế và hỗ trợ quá trình thiết kế sơ khởi, số liệu chính xác và cụ thể thì người thiết kế có thể tính toán được trong quá trình thiết kế chi tiết Chính vì thế, trong tương lai cần có thêm những nghiên cứu tính toán áp dụng các phương pháp điều độ để giúp cho công cụ ngày càng đơn giản hơn, phù hợp hơn và có thể có thể tiếp cận được với nhiều đối tượng hơn

Việc thiết kế nhanh chóng các cảng container là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu lưu lượng hàng hóa gia tăng Nghiên cứu này cung cấp một công cụ tính toán khả thi, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế cảng thông qua thiết kế sơ bộ và điều chỉnh thiết kế nhanh chóng Công cụ này dự báo chi phí sau thiết kế sơ bộ, cho phép các kỹ sư đánh giá hiệu quả kinh tế của việc xây dựng cảng Ngoài ra, công cụ cũng giúp các nhà đầu tư ra quyết định đầu tư sáng suốt, từ đó nâng cao sức cạnh tranh của cảng so với các cảng container hiện có.

[1] S Hall, Railway Detectives: The 150-year Saga of the Railway Inspectorate Ian

[2] T.Q Ngo “Báo cáo ngành cảng biển.” Internet: https://static1.vietstock.vn/edocs/5802/Marine_Port_Report_072017_FPTS.pdf, Jul.,2017

[3] D Steenken et al “Container terminal operation and operations research-a classification and literature review.” OR Spektrum, vol 26, pp 3-49, 2004

[4] B.S Blanchard “Life-cycle costing: An effective tool for total asset management.” The Journal of Reliability, Maintainability & Supportability in Systems Engineering, vol.6, 2014

[5] C.D Rudolf “Ship-to-Shore productivity: can it keep up with mega-ship size increases?” Port technology international, vol.34, pp 1-5, 2010

[6] W.C.A Rademaker “Container Terminal Automation, Feasibility of terminal automation for mid-sized terminals.” MSC Thesis, Delft University of Technology, Netherlands, 2007

[7] J.W Bửse, Handbook of terminal planning New York: Springer, 2011

[8] J Wiese et al “Planning Container Terminal Layouts Considering Equipment

Types and Storage Block Design,” in Handbook of terminal planning, 1 st ed., vol

49, J.W Bửse, Ed New York: Springer, 2011, pp.219-245

[9] Ligteringen et at, Ports and Terminals TU Delft: VSSD, 1999

[10] A Bartošek, O Marek “Quay cranes in container terminals.” Transactions on

[11] A Thorsen, Port Designer’s Handbook London: ICE, 2010

[12] B.K Lee, K.H Kim “Optimizing the yard layout in container terminals.” OR spectrum, vol 35, pp.363-398, 2013

[13] C Bierwirth, F Meisel “A survey of berth allocation and quay crane scheduling problems in container terminals.” European Journal of Operational Research, vol 202, pp.615-627, 2010

[14] E.H.P Matthew “Effect of block width and storage yard layout on marine container terminal performance.” Transportation Research Part E: Logistics and

[15] B.K Lee, K.H Kim “Optimizing the block size in container yards.”

Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, vol 46, pp.120-135, 2010

[16] W Itsuro, Container Terminal Planning - A Theoretical Approach Leatherhead,

[17] M.H Phan, K.H Kim “Negotiating truck arrival times among trucking companies and a container terminal.” Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, vol 75, pp.132-144, 2015

[18] M.H Phan, K.H Kim “Collaborative truck scheduling and appointments for trucking companies and container terminals.” Transportation Research Part B:

[19] C Minh, N Huynh “Planning-level tool for assessing and optimizing marine container terminal gate layout.” Transportation Research Record, vol 2409, pp.31-39, 2014

[20] A.B Muhammad et al “Evaluation of CO2 emissions and energy use with different container terminal layouts.” Scientific reports, p.5476, 2021

[21] A Hirvonen et al “Reducing Air Emissions in a Container Terminal; Overview of Means Related to Cargo Handling Equipment,” in Kalmar conference, 2017

[22] M.A Dulebenets “Minimizing Carbon Dioxide Emissions Due to Container

Handling at Marine Container Terminals via Hybrid Evolutionary Algorithms.”

[23] N Sharif Mohseni “Developing a Tool for Designing a Container Terminal

Yard,” MSC Thesis, Delft University of Technology, Netherlands, 2011

[24] A Dávid “Kontajnerové prekladače Post Panamax.” Doprava a spoje, vol 1, pp.1-6, 2009

[25] P Schonfeld, O Sharafeldien “Optimal berth and crane combinations in containerports.” Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, vol

[26] C.Q Guan “Analysis of marine container terminal gate congestion, truck waiting cost, and system optimization,” Ph.D dissertation, New Jersey Institute of Technology, New Jersey, 2009.