Luận án: Thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời

Tính cấp thiết của luận án Trong quá trình hàng hải, con tàu luôn chịu tác động của ngoại lực như sóng, gió. Khả năng tự trở lại vị trí cân bằng khi ngoại lực ngừng tác động là yêu cầu cơ bản để tàu tiếp tục hành trình an toàn trên biển. Khả năng này là tính ổn định của tàu. Để đảm bảo tính ổn định của tàu, sỹ quan hàng hải và các bên liên quan phải tính toán, đánh giá và duy trì tính ổn định của tàu theo các tiêu chuẩn của IMO như: Tiêu chuẩn chung cho tàu hàng theo Bộ luật quốc tế về Ổn định nguyên vẹn (IS Code), ngoài ra còn có tiêu chuẩn đặc biệt cho một số loại tàu như tàu chở gỗ, tàu chở hàng lỏng, tàu chở hàng hạt rời.

Mặt khác, tiêu chuẩn đánh giá ổn định khi tàu bị hư hỏng còn được qui định trong Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển - SOLAS 74 sửa đổi, bổ sung năm 2014 [28]. Theo thống kê của tổ chức Allianz, từ năm 2009 đến 2018, có tất cả 1036 vụ tai nạn có mức thiệt hại nghiêm trọng, trong đó tai nạn chìm tàu chiếm số lượng lớn nhất (551 vụ) và giữ ở mức cao hàng năm (từ 46÷132 vụ). Cũng theo báo cáo tai nạn của tổ chức này, số vụ tại nạn liên quan đến tàu hàng rời là 93 vụ và hầu hết (80%) các nguyên nhân dẫn đến chìm tàu là do tàu không đảm bảo ổn định nguyên vẹn và ổn định tai nạn [46]. Tính ổn định của tàu biển nói chung, tàu hàng rời nói riêng được đặc trưng bởi hai thông số cơ bản, đó là chiều cao thế vững (G0M) và cánh tay đòn ổn định tĩnh (G0Z).

Vấn đề ổn định của tàu chủ yếu phát sinh trong quá trình tàu làm hàng, bơm xả nước dằn và những yếu tố bất thường ảnh hưởng đến ổn định tàu trong quá trình chạy biển. Hiện nay, việc tính toán, kiểm tra tính ổn định tàu thường được thực hiện khi lập kế hoạch xếp hàng, trong quá trình xếp hàng, lúc kết thúc xếp hàng và đánh giá lần cuối trước khi tàu hành trình. Một con tàu sau khi được đánh giá đầy đủ theo tiêu chuẩn ổn định của IMO thì được coi là đủ điều kiện về ổn định trước khi tàu rời bến. Tính ổn 1 định này được mặc định là an toàn cho cả quá trình hàng hải của tàu biển.

Tuy nhiên, trong quá trình hành trình, hàng hóa có thể bị xô dịch, hóa lỏng, hư hỏng ẩn tì của vỏ tàu,., làm cho tính ổn định của con tàu bị suy giảm và có thể bị mất hoàn toàn, ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn của tàu, hàng hóa và thuyền viên. Thực tế, trong những tình huống đó, sĩ quan hàng hải gặp nhiều khó khăn trong việc tính toán ổn định hiện thời của tàu. Hơn nữa, trong trường hợp tàu phải điều chỉnh nước dằn, sĩ quan có thể chủ quan không kiểm tra tính ổn định của tàu trong quá trình bơm nước dằn. Việc không tính toán kịp thời, đầy đủ tính ổn định của tàu khi hành trình là một trong những nguyên nhân dẫn đến các tai nạn đáng tiếc: tàu bị mất ổn định và bị chìm đắm.

Hàng hóa trong vận tải biển rất phong phú, đa dạng và được vận chuyển trên nhiều chủng loại tàu khác nhau. Một trong số những hàng hóa thường được chở trên tàu chuyên dụng là hàng rời. Hàng rời khi vận chuyển ở một điều kiện nhất định có thể bị nhão chảy và dịch chuyển, làm suy giảm nghiêm trọng tính ổn định của tàu, khiến tàu bị nghiêng dần, cuối cùng dẫn đến lật tàu. Thời gian từ lúc tàu bắt đầu bị nghiêng đến lúc lật tàu có thể diễn ra trong vài tiếng, vài ngày tùy thuộc vào đặc điểm của hàng trên tàu, điều kiện ngoại cảnh, khả năng xử lý tình huống của thuyền trưởng và sỹ quan trên tàu.

Thực tế, nhiều tai nạn hàng hải nghiêm trọng đã xảy ra đối với các tàu vận chuyển hàng rời có tính nhão chảy, cướp đi sinh mạng của nhiều thuyền viên và gây tổn thất lớn về hàng hóa [36]. Đặc điểm chung của các tai nạn này đều là sự suy giảm ổn định của tàu không được phát hiện sớm và tính ổn định của tàu bị mất đi khi tàu hành trình trên biển. Do không phát hiện được sớm nên sỹ quan hàng hải đã không đưa ra được phương pháp xử lý, phương pháp điều động thích hợp, làm tính ổn định của con tàu càng suy giảm hơn dẫn đến mất hoàn toàn, kết hợp điều kiện ngoại cảnh bất lợi thì các tai nạn đắm tàu xảy ra là hoàn toàn không thể tránh khỏi. 2 Như vậy, nếu có thể liên tục cập nhật được tính ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực trong suốt quá trình hàng hải, đưa ra các cảnh báo về sự suy giảm ổn định của tàu sẽ là một trợ giúp hiệu quả, quan trọng với sỹ quan hàng hải.

Từ đó, các hành động và biện pháp xử lý sớm được đưa ra, nâng cao an toàn sinh mạng cho con người và con tàu. Do vấn đề ổn định cho các loại tàu khá rộng, đồng thời tàu chở hàng rời thường phải vận chuyển một số loại hàng có khả năng gây suy giảm tính ổn định cho tàu khi hành trình trên biển, nên “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông báo ổn định theo thời gian thực cho tàu hàng rời” là một vấn đề có tính thời sự và cấp thiết cao, được lựa chọn làm đề tài luận án tiến sĩ nhằm góp phần nâng cao an toàn hàng hải. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài luận án ở trong nước và nước ngoài Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài luận án: - Năm 2012, Tác giả Apostolos Papanikolaou, Đại học Kỹ thuật quốc gia Athens, Hy Lạp, đã viết bài báo “Mục đích của tiêu chuẩn an toàn và ổn định tàu biển”, công trình đã phác thảo lại mục tiêu và kết quả thu được của dự án GOALDS của ủy ban châu Âu về đánh giá các công thức tính xác suất ổn định hư hỏng trong chương II-1 của SOLAS 74 cho tàu hàng khô, tàu khách [21], [49]. - Năm 2015, tác giả Mohamed Abdelkader Djebli, Benameur Hamoudi, Omar Imine và Lahouari Adjlout, Khoa Kỹ thuật cơ khí, Đại học Khoa học Công nghệ Oran Mohamed, Algeria, đã viết bài báo “Ứng dụng điện thoại thông minh trong việc thử nghiệm ổn định của tàu”.

Nội dung nghiên cứu của bài báo đề cập đến việc sử dụng cảm biến gia tốc có sẵn trong điện thoại thông minh để xác định chu kỳ lắc ngang của tàu, từ chu kỳ lắc ngang xác định được nhóm tác giả cũng tính toán chiều cao thế vững của tàu thông qua công thức 3 được IMO khuyến cáo. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bài báo mới chỉ được thực nghiệm trên tàu mô hình có tỷ lệ bằng 1/25 của một tàu đánh cá thực tế [37], [47]. - Năm 2015, tác giả Shadman Sakib, Khoa kỹ thuật hàng hải và kiến trúc hải quân thuộc trường Đại học Kỹ thuật và Công nghệ Bangladesh, đã viết bài báo “Thiết bị mới để xác định ổn định động và xếp tải động cho tàu nội địa dựa trên chuyển động lắc ngang của nó”. Bài báo đã đề cập đến nguyên lý xác định ổn định của tàu thông qua chu kỳ lắc ngang bằng cách sử dụng các cảm biến góc gia tốc, kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở phạm vi thực nghiệm trong phòng thí nghiệm thông qua các thiết bị tự chế và đối tượng nghiên cứu của tác giả là các tàu thuyền nhỏ hoạt động trong vùng nước nội địa của Bangladesh [44], [48].

- Năm 2017, tác giả Przemysław Krata, Wojciech Wawrzyński, Khoa hàng hải, Đại học Hàng hải Gdynia, Balan, đã viết bài báo “Dự đoán vùng nguy hiểm thông qua mối quan hệ giữa chu kỳ lắc riêng và chiều cao thế vững tương đương”. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của chu kỳ lắc riêng đến đặc tính phi tuyến của đường cong GZ và đề xuất cần sử dụng chiều cao thế vững tương đương (GMeq) thay vì GM ban đầu khi đánh giá ổn định tàu [43]. - Liên quan đến thiết bị đo nghiêng điện tử trang bị trên tàu đáp ứng các tiêu chuẩn theo Nghị quyết MSC.363(92) của IMO thì trên thế giới đã có một số công ty đang chào bán sản phẩm này như: Công ty TNHH Hàng hải UC (UC Marine Company Limited) [52], Công ty TNHH Kỹ thuật Nanjing Ninglu (Nanjing Ninglu Technology Co. Tuy nhiên, các thiết bị này mới chỉ dừng ở việc tính toán các thông số góc nghiêng ngang, nghiêng dọc và chu kỳ lắc ngang của tàu, không có chức năng tính toán ổn định tàu theo thời gian thực cũng như 4 cảnh báo xu hướng suy giảm ổn định của tàu.

Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài luận án Bài báo “Một số khuyến nghị trong công tác vận hành tàu hàng rời có nguy cơ hóa lỏng” của tác giả Nguyễn Kim Phương, Bùi Văn Hưng được đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 46-3/2016 đã đề cập đến hiện tượng hóa lỏng của hàng rời dưới góc độ vật lý để từ đó đưa ra các khuyến nghị trong công tác vận hành tàu chở hàng rời có nguy cơ hóa lỏng cho các sỹ quan hàng hải [10]. Năm 2018, các tác giả Nguyễn Kim Phương, Nguyễn Công Vịnh, Từ Mạnh Chiến đã viết bài báo “Mô phỏng tiến trình xếp dỡ hàng trên tàu hàng rời phục vụ đào tạo và huấn luyện hàng hải” trên tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 54-4/2018. Bài báo đã mô phỏng được việc tính toán ổn định của một tàu hàng rời cụ thể trong quá trình xếp, dỡ hàng tại cảng để phụ vụ cho việc huấn luyện, đào tạo cho các sinh viên ngành điều khiển tàu biển và các sỹ quan hàng hải [12]. Từ kết quả công bố của các công trình, có thể nhận thấy, các công trình khoa học trên chưa đưa ra được phương pháp tính toán và đánh giá ổn định của tàu hàng rời theo thời gian thực trong điều kiện hành trình, cũng như một hệ thống thiết bị hoàn chỉnh cho phép tự động tính toán, hiển thị các thông số đặc trưng cho tính ổn định của tàu theo thời gian thực và đưa ra cảnh báo khi tính ổn định tàu có xu hướng suy giảm.