Đề tài Nghiên cứu thiết kế quy hoạch cảng thông minh

ệc thiết kế quy hoạch dựa trên việc sử dụng công nghệ mới và số hoá. Từ khóa: Cảng thông minh, Smart port, IoT, Thiết bị tự động, Cảm biến, Sensor, RFID, 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đứng trước thách thức thời đại 4.0, nhu cầu khối lượng hàng hóa thương mại đường biển không ngừng gia tăng, hầu hết các cảng cần phải tiếp tục nâng cao hiệu suất và năng suất của mình, đồng thời không ngừng nâng cao chất lượng các kết nối nội địa. Ngoài ra, cảng biển cũng phải đối mặt với những lo ngại về môi trường cấp bách do ô nhiễm không khí và nước trên diện rộng, cũng như các tác động ngoại cảnh tiêu cực khác về môi trường do các hoạt động của cảng tạo ra. Chuyển đổi sang “Cảng thông minh”, dựa trên việc sử dụng công nghệ mới và số hóa, để hợp lý hóa, tổ chức và hợp lý hóa các hoạt động của cảng, đã được chứng minh là một chiến lược khả thi nhằm giải quyết cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả môi trường, vào những thời điểm bình thường và những thời điểm những gián đoạn lớn như dịch bệnh Covid hiện nay. 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Tổng quan về công tác quy hoạch cảng biển Công tác quy hoạch cảng biển về cơ bản là thiết kế bố trí các hạng mục công trình của cảng dựa trên nhiều yếu tố, trong đó quan trọng là sơ đồ cơ giới bốc xếp và vận hành các thiết bị của cảng. Để đáp ứng được khối lượng thương mại đường biển ngày càng tăng mạnh, cũng như các yêu cầu môi trường do biến đổi khí hậu, cảng biển phải chuyển mình để đáp ứng các nhu cầu trong thời đại mới. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 222 Cùng với sự bùng nổ của khoa học công nghệ, thiết kế quy hoạch cảng biến cũng dần thay đổi theo hướng thông minh, áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ trong công tác tự động hoá cảng biển, nhằm giải quyết cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả môi trường, vào những thời điểm bình thường và những thời điểm những gián đoạn lớn. Hình 5. Mô hình Cảng thông minh 2.2. Nghiên cứu thiết kế quy hoạch Cảng thông minh Nghiên cứu đi tìm hiểu hệ thông thiết bị, công nghệ, quy trình tự động được áp dụng trong cảng thông minh, là nền tảng, yếu tố đầu vào để thiết kế quy hoạch cảng thông minh. Bảng 6. So sánh thiết bị cảng truyền thông và cảng thông minh Đặc điểm Cảng truyền thống Cảng thông minh Chủ thể hoạt động Con người và máy móc Hệ thống và thiết bị tự động Hoạt động bến Cần cẩu bờ Cần cẩu tự động, bán tự động Cần cẩu bờ Hoạt động Xe container Xe container Xe nâng Container Straddle carriers Xe nâng Container Straddle carriers TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 223 Đặc điểm Cảng truyền thống Cảng thông minh vận chuyển Xe tự hành AGV Hoạt động bốc xếp tại bãi Rubber-tired gantry cranes RTG Automatic rail mounted gantry cranes Hiệu ứng hoạt động Dựa trên lao động Hoạt động dựa trên thông tin Hiệu quả hạn chế Tự động hoá cao và thông minh Hiệu quả điều động thấp Hiệu quả cao và có khả năng ứng biến Hiệu quả kinh tế Chi phí xây dựng thấp Chi phí xây dựng cao Chi phí bảo trì thấp Chi phí bảo trì cao Chi phí nhân công cao Chi phí nhân công thấp Chi phí vận chuyển cao Chi phí vận chuyển thấp Lợi ích kinh tế thấp Lợi ích kinh tế cao Giám sát và kiểm soát Độ tin cậy thấp Trí tuệ thông minh Phản hồi chậm Độ tin cậy cao Giá nhân công cao Phản hồi nhanh An toàn hơn Bảo vệ môi trường Tiêu thụ năng lượng cao Phát triển bền vững Ô nhiếm năng Tiêu thụ năng lượng thấp Ít ô nhiếm Bảng 2. Các thiết bị cảm biến đo khoảng cách Loại Phạm vi có hiệu lưc Khả năng thích ứng với môi trường Các ứng dụng Thiết bị cảm biến sóng siêu âm Cao Nhạy cảm với nước, độ ẩm và nhiễu gió; Thời gian phản hồi lâu Chống va chạm của cần trục bên bờ và RMG đang theo dõi Laser và Lidar Rất cao Nhạy cảm với bụi, nước và dầu; Thời gian phản hồi rất ngắn Chống va chạm của giá cẩu, main trolley, portal trolley, xe cẩu trục, AGV và RMG TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 224 Cảm biến cảm ứng điện từ Rất thấp Khả năng chống bụi, nước, độ ẩm, gió và dầu; Thời gian phản hồi ngắn Chống va chạm của cần trục bên bờ và RMG đang theo dõi Cảm biến bức xạ hồng ngoại Thấp Nhạy cảm với ánh nắng mặt trời và giao thoa phản xạ; Thời gian phản hồi ngắn Chống va chạm của giá cẩu, main trolley, portal trolley của cần cẩu bờ Bảng 3. Các thiết bị cảm biến điều hướng Loại Sự chính xác Đo lường vị trí Khả năng thích ứng với môi trường Giải pháp HF và UHF RFID Cao Vị trí tuyệt đối Nhạy cảm với độ lún của nền Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS Rất cao Vị trí tuyệt đối Nhạy cảm với kim loại và các nơi trú ẩn khác Hệ thống định vị dựa trên laser Rất cao Vị trí tuyệt đối Nhạy cảm với bụi, nước, độ ẩm, dầu, ánh nắng mặt trời và nhiễu xạ Hệ thống dẫn đường quán tính INS Cao Vị trí tương đối Nhạy cảm với lỗi tích lũy, rung và trượt Bộ mã hoá Encoder Thấp Vị trí tương đối Nhạy cảm với lỗi tích lũy, rung và trượt Bảng 4. Các công nghệ truyền dẫn không dây để kết nối và trao đổi dữ liệu Công nghệ không dây ZigBee Wi-Fi RF 4G Phổ biến + +++ ++ + Tốc độ 250 kbps 300 Mbps 9.6 kbps 100 Mbps/1 Gbps Tần số 784 MHz 2.4 GHz/5GHz 433 MHz 1700-2100 MHz, 2500-2700 MHz Phạm vi (ngoài trời) 100 m 100 m 20 km - TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 225 Quyền truy cập công khai - + + ++ Khả năng tương thích IEEE 802.15.4 IEEE 802.11 ac/n 802.11 ac LTE Hai sơ đồ tự động xếp dỡ cơ bản trong quy hoạch mặt bằng Cảng thông minh Hình 2. Sơ đồ sử dụng toàn bộ xe nâng container Straddle Carrier trên bãi Hình 3. Sơ đồ sử dụng khung cẩu bốc xếp tại bãi, kết hợp với xe tự hành AGV 2.3. Ứng dụng thiết kế quy hoạch cảng thông minh cho hàng container Các số liệu đầu vào: • Loại cảng: Cảng container chủ yếu cho nhập khẩu • Tàu: 50,000 DWT • Lượng hàng qua cảng 1 năm: 1,200,000 (TEUs/năm) • Thời gian hoạt động của cảng: Ngày 3 ca Thiết bị bốc xếp, vận chuyển sử dụng: • Cần trục bờ tự động STS • Khung cẩu ARTG TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 226 • Xe tự hành AGV • Xe nâng container Reach Stacker Thiết bị cảm ứng: • Hệ thống định vị toàn cầu DGPS cho công tác điều hướng điều hướng và chống va chạm. • Cảm biến Laser để xác định vị trí bốc, đặt container tại bãi cuối. • Hệ thống camera để nhận dạng, kiểm soát Container tại cẩu bờ Cơ sở tính toán: dựa trên tiêu chuẩn TCCS04-2010 (Thiết kế công nghệ cảng biển), với sự thay đổi các thông số năng lực vận hành, bốc xếp của thiết bị và các hệ số sử dụng thời gian. Hình 4. Mặt bằng quy hoạch cảng Bảng 5. Một số khu chức năng cơ bản Hình 5. Mặt bằng 3D quy hoạch cảng TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 227 Bãi TEU Xếp chồng (hàng) td (ngày) Fcon (m2) S (m2) Xuất 864,000 5 4 14.8 35,033 Nhập 216,000 5 6 14.8 8,758 Container rỗng 60,000 3 10 14.8 4,054 Diện tích kho: 8000m2 3. KẾT LUẬN Đề tài đã đạt được một số nội dung chính sau: - Đưa ra các nội dung chính trong việc thiết kế quy hoạch cảng - Đưa ra khái niệm “Cảng thông minh”, xu thế và lý do cần chuyển đổi sang mô hình “Cảng thông minh” - Một số thiết bị vận chuyển, bốc xếp, công nghệ thông tin sử dụng để chuyển đổi “Cảng” thành “Cảng thông minh” - So sánh một số tiêu chí trong cảng truyền thống và cảng thông minh (Chủ thể hoạt động, hoạt động vận chuyển, hiệu quả kinh tế, giám sát, bảo vệ môi trường,) - Đã ứng dụng để thiết kế quy hoạch mô hình cảng thông minh cho một cảng container cụ thể Tài liệu tham khảo [1]. Yongsheng Yang, Meisu Zhong, Haiqing Yao, Fang Yu, Xiuwen Fu, and Octavian Postolache: Internet of Things for Smart Ports: Technologies and Challenges [2]. Anahita Molavi, Gino J. Lim, Bruce Race: A Framework for Building a Smart Port and Smart Port Index [3]. ASIAN DEVELOPMENT BANK: SMART PORTS IN THE PACIFIC [4]. TS. Nguyễn Thị Bạch Dương: Giáo trình Quy hoạch cảng [5]. Cục HHVN: TCCS04-2010 Tiêu chuẩn thiết kế công nghệ cảng biển