Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền theo thời gian thực trên vùng biển Việt Nam

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN QUẢNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH NGUY CƠ ĐÂM VA TÀU THUYỀN THEO THỜI GIAN THỰC TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2024 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN QUẢNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH NGUY CƠ ĐÂM VA TÀU THUYỀN THEO THỜI GIAN THỰC TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI; MÃ SỐ: 9840106 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : 1. PGS.TS. Trần Văn Lƣợng 2. TS. Lƣơng Tú Nam HẢI PHÒNG - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Văn Quảng, tác giả của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền theo thời gian thực trên vùng biển Việt Nam”. Bằng danh dự của mình, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không có phần nội dung nào đƣợc sao chép một cách bất hợp pháp từ công trình nghiên cứu của tác giả khác. Kết quả nghiên cứu, nguồn số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo và kế thừa nêu trong luận án đều đƣợc chỉ rõ về nguồn gốc, xuất xứ và đảm bảo tính trung thực./. Hải Phòng, ngày tháng 8 năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Quảng i LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam đã chấp thuận và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Khoa Hàng hải, Viện Đào tạo Sau đại học và Phòng Tổ chức - Hành chính, Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam cùng các thầy giáo, cô giáo, các đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình làm Luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS. Trần Văn Lƣợng, Giảng viên cao cấp, Viện trƣởng Viện Đào tạo quốc tế, Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam và thầy giáo TS. Lƣơng Tú Nam, Giảng viên, Phó Trƣởng bộ môn Quản lý Hàng hải, Khoa Hàng hải, Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam đã tận tâm, trách nhiệm hƣớng dẫn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án tiến sĩ. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thầy là thành viên trong các Hội đồng: bảo vệ tổng quan, bảo vệ các chuyên đề, hội thảo khoa học cấp Trƣờng, Hội đồng đánh giá Luận án tiến sĩ cấp cơ sở và Hội đồng đánh giá Luận án tiến sĩ cấp Trƣờng… đã đọc, đóng góp ý kiến quý báu và hỗ trợ nghiên cứu sinh tiếp cận kiến thức khoa học, làm rõ các vấn đề có liên quan, qua đó có hƣớng nghiên cứu trọng tâm để hoàn thành nội dung Luận án. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, khuyến khích, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án này. Hải Phòng, ngày tháng 8 năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Quảng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...............................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ............................................................ 8 1.1. Tổng quan về đặc điểm, tình hình vùng biển Việt Nam hiện nay....................... 8 1.1.1. Vị trí địa lý........................................................................................................ 8 1.1.2. Hệ thống cảng biển của Việt Nam ................................................................... 8 1.1.3. Hệ thống các tuyến luồng hàng hải của Việt Nam .........................................12 1.1.4. Hàng hóa và tàu thuyền ra vào cảng biển của Việt Nam ...............................12 1.1.5. Các vụ tai nạn hàng hải xảy ra trên các vùng biển của Việt Nam..................17 1.2. Khu vực luồng Hải Phòng .................................................................................20 1.2.1. Đặc điểm khu vực luồng Hải Phòng ..............................................................20 1.2.2. Hệ thống luồng hàng hải Hải Phòng ..............................................................21 1.2.3. Một số khu vực tiềm ẩn nguy cơ đâm va trên khu vực luồng Hải Phòng ......22 1.3. Khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu..................................................................24 1.3.1. Đặc điểm khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu ...............................................24 1.3.2. Hệ thống luồng Sài Gòn - Vũng Tàu..............................................................25 1.3.3. Một số khu vực tiềm ẩn nguy cơ đâm va trên khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu ............................................................................................................................26 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan tới luận án .....................30 iii 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................30 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...................................................................33 1.4.3. Nhận xét..........................................................................................................35 1.5. Kết luận chƣơng 1 .............................................................................................36 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG AN TOÀN CỦA TÀU .............................................................................................37 2.1. Vùng an toàn của tàu .........................................................................................37 2.1.1. Khái niệm về vùng an toàn của tàu ................................................................37 2.1.2. Một số phƣơng pháp xác định vùng an toàn của tàu ......................................43 2.2. Lý thuyết về hàm ảnh hƣởng .............................................................................44 2.3. Xây dựng vùng an toàn mới của tàu dựa trên hàm ảnh hƣởng .........................48 2.4. Xác định kích thƣớc vùng an toàn HSD............................................................55 2.4.1. Phƣơng pháp xác định kích thƣớc vùng an toàn HSD ...................................55 2.4.2. Kết quả khảo sát trên khu vực luồng Hải Phòng và Sài Gòn - Vũng Tàu .....60 2.4.3. Kích thƣớc của vùng an toàn HSD .................................................................68 2.5. Khả năng ứng dụng vùng an toàn HSD trong cảnh báo nguy cơ đâm va .........75 2.6. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................78 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH NGUY CƠ ĐÂM VA TÀU THUYỀN DỰA TRÊN VÙNG AN TOÀN HSD ..........................................80 3.1. Thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền dựa trên vùng an toàn HSD..80 3.2. Đánh giá thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền dự trên vùng an toàn của tàu (HSD) ...........................................................................................................82 3.2.1. Đánh giá nguy cơ đâm va dựa vào CPA ........................................................82 3.2.2. Phƣơng pháp mô phỏng số .............................................................................85 3.3. Áp dụng HSD trong đánh giá nguy cơ đâm va .................................................90 iv 3.3.1. Địa điểm, đối tƣợng, phƣơng pháp thực hiện.................................................90 3.3.2. Kết quả đánh giá nguy cơ đâm va giữa các tàu ..............................................92 3.4. Kết luận chƣơng 3 ...........................................................................................100 CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐIỂM NÓNG GIAO THÔNG, MÔ PHỎNG TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM ..........................................................................101 4.1. Thu thập và xử lý dữ liệu từ hệ thống tự động nhận dạng ..............................101 4.1.1. Hệ thống tự động nhận dạng AIS .................................................................101 4.1.2. Xử lý dữ liệu AIS .........................................................................................103 4.2. Phân cụm tàu ...................................................................................................106 4.2.1. Phƣơng pháp phân cụm dựa trên mật độ (Density-Based Clustering).........106 4.2.2. Phân cụm tàu bằng DBSCAN ......................................................................110 4.3. Xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông, mô phỏng trên vùng biển Việt Nam ................................................................................................................................113 4.3.1. Các bƣớc xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông hàng hải sử dụng HSD .113 4.3.2. Mô phỏng bản đồ điểm nóng trên vùng biển Việt Nam...............................115 4.4. Kết luận chƣơng 4 ...........................................................................................127 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU .................128 1. Kết luận ..............................................................................................................128 2. Phƣơng hƣớng phát triển nghiên cứu .................................................................129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN.............................................................131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................132 PHỤ LỤC 1. PHIẾU KHẢO SÁT KHU VỰC LUỒNG HẢI PHÒNG................145 PHỤ LỤC 2. PHIẾU KHẢO SÁT KHU VỰC LUỒNG SÀI GÒN - VŨNG TÀU ................................................................................................................................146 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích Automatic Identification System AIS Hệ thống tự động nhận dạng Automatic Radar Plotting Aids ARPA Tự động đồ giải tránh va Radar Bow Crossing Range BCR Khoảng cách cắt mũi Time Bow Crossing Range TBCR Thời gian cắt mũi Collision Diameter CD Đường kính đâm va International Regualations for Preventing Collisions at Sea COLREGS Quy tắc phòng ngừa đâm va tàu thuyền trên biển Closest Point of Approach CPA Điểm tiếp cận gần nhất Distance to Closest Point of Approach DCPA Khoảng cách đến điểm tiếp cận gần nhất Time to Closest Point of Approach TCPA Thời gian đến điểm tiếp cận gần nhất Collision Risk Index CRI Chỉ số rủi ro đâm va Dynamic Collision Risk DCR Nguy cơ đâm va động Differential Global Positioning System DGPS Hệ thống vi phân GPS DBSCAN Density - Based Spatial Clustering of Applications with Noise Phương pháp phân cụm dữ liệu dựa trên mật độ vi Electronic Chart Display and Infomation System ECDIS Hệ thống thông tin và hiển thị Hải đồ điện tử Global Maritime Distress and Safety System GMDSS Hệ thống an toàn và cứu nạn hàng hải toàn cầu Global Positioning System GPS Hệ thống định vị toàn cầu Heat Ship Domain HSD Vùng an toàn mới của tàu Kernel Density Estimation KDE Ước tính mật độ hạt nhân Minimum Distance to Collision MDTC Khoảng cách nhỏ nhất đến đâm va Maritime Mobile Sevice Identity MMSI Số nhận dạng dịch vụ di động hàng hải Length Over All LOA Chiều dài toàn bộ Ower Ship OS Tàu chủ Target Ship TS Tàu mục tiêu Radio Detection And Ranging RADAR Phát hiện và đo khoảng cách bằng sóng vô tuyến Vessel Traffic Service VTS Hệ thống giám sát và điều phối giao thông hàng hải vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Số lƣợng hàng hóa thông qua các cảng biển của Việt Nam 14 1.2 Các vụ tai nạn hàng hải xảy ra trên vùng biển của Việt Nam 18 2.1 Một số hàm hạt nhân đối xứng phổ biến 46 Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Đông 2.2 62 (E) kênh Hà Nam đối với tàu LOA ≤ 115m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Đông 2.3 63 (E) kênh Hà Nam đối với tàu có 115m < LOA ≤ 145m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Đông 2.4 63 (E) kênh Hà Nam đối với tàu có 145m < LOA ≤ 175m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Đông 2.5 63 (E) kênh Hà Nam đối với tàu có LOA > 175m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Tây 2.6 64 (W) kênh Hà Nam đối với tàu có LOA ≤ 115m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực đầu phía 2.7 64 Tây (W) kênh Hà Nam đối với tàu có 115m < LOA ≤ 145m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Tây 2.8 64 (W) kênh Hà Nam đối với tàu có 145m < LOA ≤ 175m Kết quả khảo sát khoảng cách an toàn tại khu vực phía Tây 2.9 65 (W) kênh Hà Nam đối với tàu có LOA > 175m Kết quả khảo sát đối với tàu có LOA ≤ 115m tại khu vực gần 2.10 65 phao GR Kết quả khảo sát đối với tàu có 115m < LOA ≤ 145m tại khu 2.11 65 vực gần phao GR Kết quả khảo sát đối với tàu có 145m < LOA ≤ 175m tại khu 2.12 66 vực gần phao GR viii Kết quả khảo sát đối với tàu có LOA > 175m tại khu vực gần 2.13 66 phao GR Kết quả khảo sát đối với tàu có LOA ≤ 115m tại khu vực Ngã 2.14 66 ba Nhà bè (phao 58) có tọa độ A7 Kết quả khảo sát đối với tàu có 115m < LOA ≤ 145m tại khu 2.15 67 vực Ngã ba Nhà bè (phao 58) có tọa độ A7 Kết quả khảo sát đối với tàu có 145m < LOA ≤ 175m tại khu 2.16 67 vực Ngã ba Nhà bè (phao 58) có tọa độ A7 Kết quả khảo sát đối với tàu có LOA > 175m tại khu vực Ngã 2.17 67 ba Nhà bè (phao 58) có tọa độ A7 2.18 Giá trị h của các loại tàu trên luồng Hải Phòng 68 2.19 Giá trị h của các loại tàu trên luồng Sài Gòn - Vũng Tàu 69 2.20 Tính năng của HSD so với các vùng an toàn trƣớc đây 75 2.21 Thông số các tàu trên hệ thống luồng 76 2.22 Thông số các tàu tại khu vực đầu luồng 77 3.1 Thông số 2 tàu khi hành trình 86 3.2 Thông số đánh giá nguy cơ đâm va giữa hai tàu 89 3.3 Thông số thời điểm ban đầu của hai tàu 92 3.4 Thông số di chuyển của hai tàu 94 3.5 Thông số mô phỏng đánh giá nguy cơ đâm va giữa hai tàu 96 3.6 Thông số di chuyển của 3 tàu 98 4.1 Thang đánh giá mức độ an toàn giao thông theo ES 120 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Các nhóm cảng biển thuộc hệ thống cảng biển Việt Nam 11 1.2 Tổng lƣợng hàng hóa thông qua cảng biển của Việt Nam 15 1.3 Lƣợng hàng container thông qua cảng biển của Việt Nam 15 1.4 Số lƣợt tàu ra vào các cảng biển của Việt Nam 16 Số vụ tai nạn, mức độ và số ngƣời chết trong các vụ tai nạn hàng 1.5 19 hải xảy ra trên vùng biển Việt Nam trong 05 năm gần đây 1.6 Một số cảng thuộc hệ thống cảng biển Hải Phòng 21 1.7 Hệ thống luồng hàng hải Hải Phòng 21 1.8 Hai đầu kênh Hà Nam 22 1.9 Khu vự ngã 3 kênh Cái Tráp và đầu phía Tây (W) kênh Hà Nam 23 1.10 Khu vực phía Đông (E) kênh Hà Nam 23 1.11 Khu vực ngã 3 cửa sông Ruột Lợn 24 1.12 Khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu 25 1.13 Khúc cua An Thạnh (Tiêu 31) 27 1.14 Khúc cua Coude Lest và Houlde Lest 27 1.15 Khúc cua Đá Hàn 28 1.16 Khúc cua Mũi Ô Rơ 28 1.17 Ngã ba Nhà Bè 29 1.18 Khúc cua Mũi Đèn Đỏ 29 1.19 Khúc cua Hải Lý 3 30 2.1 Vùng an toàn của tàu chủ không bị xâm phạm bởi tàu mục tiêu 37 2.2 Vùng an toàn tàu của Fujii và Tanaka (1971) 38 2.3 Vùng an toàn tàu của Goodwin (trái) và Davis (phải) 39 x 2.4 Vùng an toàn tàu của Coldwell (1983) 39 2.5 Các tiêu chí sử dụng vùng an toàn của tàu 42 2.6 Ví dụ về hàm hạt nhân 45 2.7 Hình dạng của một số hàm hạt nhân đối xứng phổ biến 46 2.8 Ví dụ về ảnh hƣởng của tham số làm mịn 47 2.9 Mô hình phân tử lƣu lƣợng tàu 49 Tốc độ và hƣớng chuyển động tƣơng đối của tàu chủ với tàu mục 2.10 50 tiêu 2.11 Chuyển động tƣơng đối của OS và TS 51 2.12 Mô hình trƣờng nguy cơ đâm va 52 Vùng an toàn mới của tàu đƣợc xây dựng bằng hàm hạt nhân - 2.13 54 Heat Ship Domain (HSD) 2.14 Kích thƣớc vùng an toàn HSD với giá trị h khác nhau 56 2.15 Ý kiến về khoảng cách an toàn với tàu chủ tại khu vực khảo sát 57 Khu vực khảo sát trên tuyến luồng Hải Phòng (2 đầu kênh Hà 2.16 58 Nam) 2.17 Khu vực khảo sát trên luồng Sài Gòn - Vũng Tàu (gần phao GR) 58 Khu vực khảo sát trên luồng Sài Gòn - Vũng Tàu (Ngã ba Nhà 2.18 59 Bè) 2.19 Số lƣợng khảo sát theo chức danh 62 HSD của các tàu đang hành trình với vận tốc 10kn trên khu vực 2.20 luồng Hải Phòng với chiều dài: (a) 100m (b) 130m (c) 160m (d) 69 200m HSD của các tàu đang hành trình với vận tốc 10kn trên khu vực 2.21 luồng Sài Gòn - Vũng Tàu với chiều dài: (a) 100m (b) 130m (c) 70 160m (d) 200m 2.22 Chồng lấn HSD giữa 2 tàu 71 2.23 Vị trí tƣơng quan giữa hai tàu thuyền 71 2.24 Khu vực xây dựng vùng an toàn của tàu 72 xi 2.25 HSD đã đƣợc điều chỉnh 73 HSD của các tàu trên luồng Hải Phòng với vận tốc 10kn sau khi 2.26 73 điều chỉnh HSD của các tàu trên luồng Sài Gòn - Vũng Tàu với vận tốc 2.27 74 10kn sau khi điều chỉnh Vùng an toàn của các tàu di chuyển trong hệ thống luồng giao 2.28 77 thông 2.29 Vùng an toàn của các tàu di chuyển trong khu vực đầu luồng 78 Lƣu đồ thuật toán xác định nguy cơ đâm va bằng vùng an toàn 3.1 81 HSD HSD chồng lấn lên nhau trong trƣờng hợp đối hƣớng và cắt 3.2 81 hƣớng 3.3 Phƣơng pháp tính DCPA và TCPA 84 3.4 Vị trí ban đầu của hai tàu 85 3.5 Vết di chuyển của 2 tàu theo AIS 86 3.6 HSD của 2 tàu khi hành trình từ thời điểm t1 đến t13 88 3.7 Quang cảnh phòng mô phỏng lái tàu 90 3.8 Tàu A (tàu Bulk carrier 3) 91 3.9 Tàu B (tàu River-sea ship 1) 91 3.10 Tàu C (tàu Ro-Ro passenger ferry) 92 3.11 Vị trí ban đầu của 2 tàu trên hải đồ 93 3.12 Mô phỏng vết di chuyển của 2 tàu khi hành trình 93 3.13 Mô phỏng di chuyển HSD của 2 tàu khi hành trình 96 3.14 Vị trí của 3 tàu trên hải đồ 97 3.15 Mô phỏng vết di chuyển của 3 tàu khi hành trình 97 3.16 Mô phỏng di chuyển HSD của 3 tàu khi hành trình 99 4.1 Cấu hình bộ chuyển đổi dữ liệu AIS 103 xii 4.2 Ba loại điểm và cụm 108 4.3 Áp dụng DBSCAN vào phân cụm tàu 111 Sơ đồ thuật toán xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông hàng 4.4 114 hải bằng HSD 4.5 Khu vực luồng Hải Phòng 116 4.6 Các cụm tàu và nhiễu sau khi áp dụng DBSCAN 116 Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Hải Phòng (10h00 4.7 117 26/8/2022) Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Hải Phòng (16h00 4.8 117 26/8/2022) 4.9 Bản đồ quỹ đạo tàu khu vực luồng Hải Phòng 119 4.10 Bản đồ mức độ áp lực tại khu vực luồng Hải Phòng 121 Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Hải Phòng (09h00 4.11 122 27/8/2022) Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Hải Phòng (21h00 4.12 122 27/8/2022) 4.13 Các điểm nóng giao thông trong khu vực luồng Hải Phòng 123 4.14 Khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu 124 Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Sài Gòn - Vũng 4.15 125 Tàu (07h20 20/5/2022) Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Sài Gòn - Vũng 4.16 125 Tàu (15h05 ngày 21/5/2022) Bản đồ điểm nóng giao thông khu vực luồng Sài Gòn - Vũng 4.17 126 Tàu (19h08 ngày 22/5/2022) Các điểm nóng giao thông trong khu vực luồng Sài Gòn - Vũng 4.18 126 Tàu xiii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Luận án Trong các hệ thống giao thông nói chung và hệ thống giao thông hàng hải nói riêng, tai nạn luôn để lại những hậu quả rất nặng nề về nhiều phƣơng diện. Đối với tai nạn hàng hải có thể gây nên mất mát về ngƣời, tổn thất về tài sản, làm hƣ hỏng kết cấu hạ tầng hoặc gây ô nhiễm môi trƣờng … Chính vì vậy, việc phòng ngừa tai nạn, cảnh báo sớm nguy cơ va chạm giao thông luôn là đề tài đƣợc các nhà chức trách, nhà nghiên cứu quan tâm, tìm hiểu và đề xuất nhiều phƣơng án khác nhau. Tuy nhiên, đến nay, tai nạn hàng hải vẫn thƣờng xuyên xảy ra ở khắp các vùng biển trên thế giới nói chung và các vùng biển của Việt Nam nói riêng, hầu hết các vụ tai nạn đều cho thấy lỗi của con ngƣời vẫn là nguyên nhân chính, bên cạnh đó là sự hỗ trợ không đầy đủ, thích đáng của các trang thiết bị máy móc. Trong những năm gần đây, trƣớc sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế thế giới và áp lực vận chuyển hàng hóa bằng đƣờng biển tăng cao (hơn 90% khối lƣợng hàng hóa trên thế giới đƣợc vận chuyển bằng đƣờng biển), đƣa vận tải hàng hải tạo thành huyết mạch của thƣơng mại toàn cầu với sự xuất hiện của các loại tàu khác nhau về kích cỡ và chủng loại, mới hơn, lớn hơn. Mật độ giao thông trên biển và tại các cảng biển ngày càng trở lên đông đúc, thấy rõ sự thay đổi và ngày càng trở nên phức tạp hơn. Điều này khiến việc quản lý giao thông hàng hải ngày càng trở nên khó khăn hơn. Để duy trì an toàn giao thông hàng hải trong điều kiện mật độ và lƣu lƣợng tàu thuyền lớn và phức tạp đòi hỏi mỗi phƣơng tiện tham gia giao thông, mỗi thuyền viên đều có các phƣơng án sớm để nhận biết và cảnh báo đƣợc sự hiện diện của nguy cơ gây tai nạn. Các nhà chức trách phải có các phƣơng thức kiểm soát lƣu lƣợng tàu thuyền để tối ƣu hóa luồng giao thông, bảo vệ môi trƣờng và đảm bảo an toàn. Việc giám sát các khu vực biển rộng lớn thông thƣờng đòi hỏi phải phân tích khối lƣợng lớn dữ liệu cảm biến động, đa chiều và không đồng nhất, nhằm cải thiện hiệu quả và an toàn giao thông của tàu và bảo vệ môi trƣờng. Thông thƣờng, các sỹ quan quản lý giao thông hàng hải phải tìm kiếm và dự đoán các tình huống tàu có nguy cơ va chạm cao 1 từ một số lƣợng lớn tàu thuyền trong khu vực biển rộng lớn. Việc phát hiện sớm các tình huống rủi ro nhƣ vậy nhằm có thêm thời gian cho việc thực hiện hành động thích hợp trƣớc khi các vấn đề tiềm ẩn có thể xảy ra. Tuy nhiên, các sỹ quan quản lý giao thông hàng hải có thể bị choáng ngợp bởi luồng dữ liệu trực tuyến, các phƣơng pháp phân tích dữ liệu thủ công truyền thống hoặc bởi các yếu tố khác, chẳng hạn nhƣ áp lực thời gian, căng thẳng, sự mâu thuẫn hoặc không chắc chắn của thông tin. Chính vì vậy, cần có một hệ thống giám sát thông minh đánh giá đƣợc nguy cơ va chạm giữa các tàu và đƣa ra các cảnh báo, điều này có thể giảm tải áp lực cho sỹ quan quản lý giao thông trong khi giám sát giao thông hàng hải, cho phép đƣa ra các hành động phòng ngừa đâm va một cách nhanh chóng và chính xác. Hiện nay, định biên an toàn tối thiểu trên tàu cho mỗi tàu không nhiều, tuy có nhiều các thiết bị hỗ trợ cho nghiệp vụ hàng hải nhƣ: ECDIS, RADAR, ARPA, GMDSS, GPS, AIS … đã đƣợc áp dụng trong quá trình hàng hải và đánh giá phòng ngừa đâm va nhƣng các vụ đâm va gần đây cho thấy lỗi của con ngƣời vẫn là yếu tố chính của các vụ tai nạn. Để giảm số vụ tai nạn và tăng cƣờng an toàn hàng hải, có một hệ thống hỗ trợ điều động cho sỹ quan hàng hải hay quản lý giao thông hàng hải là rất cần thiết. Phân tích, đánh giá rủi ro đâm va nhằm hỗ trợ thuyền viên đƣa ra hành động nhanh chóng, trực quan là vấn đề chính trong hệ thống hỗ trợ này. Việc điều tiết an toàn cho tàu, đặc biệt là trong các tuyến đƣờng thủy hẹp, đƣợc các nhà nghiên cứu cũng nhƣ các cơ quan quản lý hàng hải quan tâm hàng đầu. Nhiều nhà nghiên cứu cũng nhƣ các chuyên gia, sỹ quan giàu kinh nghiệm đã tiến hành nghiên cứu về đánh giá rủi ro đối với giao thông hàng hải và đề xuất các biện pháp nhằm kiểm soát, giảm thiểu rủi ro đâm va giữa các tàu thuyền. Các phƣơng pháp đánh giá nguy cơ đâm va hiện nay chủ yếu đánh giá nguy cơ đâm va giữa 2 tàu thuyền. Tàu thuyền ở những luồng hẹp với mật độ đông đúc dễ bị va chạm hơn so với các vùng biển rộng do mật độ giao thông rất lớn. Khi có từ 3 tàu thuyền trở lên, việc tính toán và điều động tránh va trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Hơn nữa, việc đánh giá nguy cơ đâm va chƣa thể hiện đƣợc mức độ nguy hiểm dƣới dạng chỉ số một cách cụ thể. Nếu có một chỉ số biểu hiện nguy cơ xảy ra đâm 2 va đƣợc tính toán theo thời gian thực thì các sỹ quan quản lý giao thông có thể triển khai các hoạt động điều tiết nhằm đảm bảo an toàn cho các phƣơng tiện, các tuyến luồng giao thông. Mặc dù ở hầu hết các tuyến luồng này, ngƣời ta đã biết xác suất tai nạn tổng thể, nhƣng sự phân bố theo không gian của chúng thƣờng không có sẵn dƣới dạng bản đồ chi tiết. Cùng với đó, nếu vị trí có khả năng cao xảy ra đâm va giữa các tàu thuyền đƣợc tính toán và thể hiện trực quan trên hải đồ sẽ rất thuận tiện cho các sỹ quan quản lý giao thông theo dõi, từ đó đƣa ra các cảnh báo sớm cho phƣơng tiện trên toàn bộ tuyến luồng. Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, nghiên cứu sinh đề xuất nghiên cứu thực hiện đề tài: Nghiên cứu thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền theo thời gian thực trên vùng biển Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là đề xuất vùng an toàn mới của tàu, hình dáng và kích thƣớc của vùng an toàn này có thể linh hoạt thay đổi dựa vào các thông số nhƣ tốc độ, kích thƣớc tàu và khu vực tàu hành trình theo thời gian thực. Trên cơ sở vùng an toàn mới đề xuất, nghiên cứu xây dựng thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền trên vùng biển Việt Nam, nguy va chạm đƣợc thể hiện trực quan theo từng cấp độ. Xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông giúp nhận biết những nơi thƣờng xuyên tập trung đông tàu thuyền, nhằm cảnh báo sớm cho thuyền viên và nhà quản lý, điều hành giao thông hàng hải về nguy cơ đâm va để kịp thời đƣa ra hành động đảm bảo an toàn cho tàu trên vùng biển Việt Nam. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Thực hiện nghiên cứu, đánh giá tình hình vùng biển, cảng biển của Việt Nam nhƣ vai trò của cảng biển Việt Nam, định hƣớng phát triển trong tƣơng lai, địa hình, mật độ tàu thuyền, lƣu lƣợng hàng hóa ra vào, các vụ tai nạn hàng hải xảy ra … trên vùng biển Việt Nam từ đó chỉ ra các khu vực có địa hình phức tạp, có mật độ tàu thuyền lớn, tiềm ẩn nhiều nguy mất an toàn giao thông hàng hải. 3 Nghiên cứu các mô hình vùng an toàn của tàu đã đƣợc xây dựng trong nƣớc và trên thế giới trƣớc đây nhƣ: phƣơng pháp, tiêu chí xây dựng, thông số đầu vào, hình dạng, kích thƣớc … đánh giá ƣu, nhƣợc điểm để đề xuất mô hình vùng an toàn mới phù hợp với mục đích nghiên cứu. Ý kiến của các chuyên gia, các nhà hàng hải và dữ liệu AIS thu đƣợc trên vùng biển Việt Nam đã đƣợc nghiên cứu, phân tích để xây dựng mô hình vùng an toàn mới, thay đổi theo thời gian thực, áp dụng phù hợp cho các tàu hoạt động trên vùng biển Việt Nam. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu thực trạng vùng biển, cảng biển của Việt Nam nhƣ vị trí địa lý, hệ thống cảng biển, hệ thống luồng hàng hải, số lƣợng hàng hóa và lƣu lƣợng tàu thuyền ra vào, số vụ tai nạn hàng hải đã xảy ra trong thời gian 5 năm từ năm 2019 đến hết năm 2023. Cụ thể và mô phỏng tại một số vùng biển có lƣu lƣợng tàu thuyền ra vào nhiều, địa hình phức tạp nhƣ khu vực luồng Hải Phòng và khu vực luồng Sài Gòn - Vũng Tàu. Mô hình vùng an toàn, các phƣơng pháp, thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền tại các vùng biển trên thế giới và Việt Nam từ trƣớc đến nay cũng đƣợc tập trung nghiên cứu để đƣa ra kết quả tối ƣu, phù hợp với mục đích nghiên cứu của đề tài. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Đề tài đã sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết để phân tích, đánh giá các nghiên cứu trong nƣớc và thế giới có liên quan đến đề tài, từ đó đề xuất hƣớng nghiên cứu của đề tài. Phƣơng pháp này cũng đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các hàm toán học, về vùng an toàn của tàu, các phƣơng pháp xác định vùng an toàn của tàu và các phƣơng pháp đánh giá, xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền. - Phƣơng pháp chuyên gia (kết hợp giữa phƣơng pháp thống kê, phƣơng pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm): Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng trong quá trình khảo sát, sử dụng kinh nghiệm, kiến thức của các chuyên gia - là các hoa tiêu 4 hàng hải, sỹ quan hàng hải, nhà quản lý hàng hải … để xác định khoảng cách an toàn của tàu khi hành trình trên vùng biển Việt Nam phục vụ cho việc xác định kích thƣớc vùng an toàn của tàu. Ngoài ra, phƣơng pháp chuyên gia còn đƣợc kết hợp với phƣơng pháp thống kê để tổng hợp dữ liệu khảo sát từ các chuyên gia và phƣơng pháp phân tích nhằm đánh giá số liệu trƣớc khi sử dụng. - Phƣơng pháp toán học: Trên cơ sở dữ liệu thu thập đƣợc, phƣơng pháp toán học đƣợc sử dụng để đề xuất, xây dựng và phát triển thuật xác định vùng an toàn của tàu, thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền, các thuật toán trong quá trình thu thập, xử lý dữ liệu. Phƣơng pháp này cũng đƣợc sử dụng để tính toán các trọng số phù hợp với tình hình thực tế, phân cụm tàu, phục vụ việc xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông hàng hải. - Phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ nhất: Phƣơng pháp này là phƣơng pháp tối ƣu để lựa chọn đƣờng khớp nhất đối với một dải dữ liệu ứng với cực trị của tổng các sai số thống kê từ kết quả khảo sát chuyên gia. - Phƣơng pháp mô phỏng: Để kiểm chứng, làm rõ kết quả nghiên cứu, Luận án đã sử dụng phƣơng pháp mô phỏng, sử dụng công cụ máy tính, mô phỏng trên Matlab và dựa vào đó để xây dựng vùng an toàn của tàu, đánh giá nguy cơ đâm va, xây dựng bản đồ điểm nóng giao thông. Ngoài ra, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng tại phòng mô phỏng lái tàu của Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam để đánh giá khả năng áp dụng của mô hình vùng an toàn trong đánh giá nguy cơ đâm va. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài đã tổng hợp, phân tích và đánh giá số liệu một cách tổng quan về các vùng biển của Việt Nam, các nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới có liên quan đến phạm vi nghiên cứu của đề tài. Xây dựng cơ sở khoa học về vùng an toàn xung quanh tàu, đề xuất xây dựng một vùng an toàn mới phù hợp với mục đích nghiên cứu, khoa học và tin cậy trên vùng biển Việt Nam. Tổng hợp, đánh giá các thuật toán xác định nguy cơ đâm va trƣớc đây, xây dựng thuật toán xác định nguy cơ đâm va tàu thuyền trên vùng biển Việt Nam. 5