Tối ưu hóa vận hành hậu cần cảng biển
Với việc ứng dụng công nghệ thông tin, các nhà khoa học thuộc trường Đại học Liverpool John Moores (Vương quốc Anh), Đại học Công nghệ (ĐHQGHN, Việt Nam), trường Đại học Hàng hải (Việt Nam) đã góp phần đem đến giải pháp hứa hẹn tăng hiệu quả hoạt động, tiết kiệm chi phí, thời gian và giảm tác động đến môi trường cho các cảng biển.
Có lẽ không có gì chắp cánh cho toàn cầu hoá bay cao như container, nhà lãnh đạo Carlos Jahn ở Viện Maritime Logistic (thuộc Đại học Hamburg, Đức) từng chia sẻ như vậy trên tờ Wirtschaftswoche vào năm 2018. Dấu mốc lớn cho việc chắp cánh ấy đã được đánh dấu vào ngày 31/5/1968, khi con tàu dài 210 mét mang tên “American Lancer” đưa những thùng container đầu tiên từ Mỹ cập cảng Hamburg (Đức), bắt đầu một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên toàn cầu hoá. Nhờ cách thiết kế phù hợp, các container có thể được chất lên nhau dễ dàng, đồng thời giúp cho hàng hoá từ một dây chuyền sản xuất ở Mỹ có thể lần đầu tiên được vận chuyển tới tận sân kho của người nhận hàng ở Đức, mà không cần qua khâu trung chuyển.
Hơn 50 năm sau, kích cỡ cũng như trọng tải của các con tàu container không ngừng tăng lên, giúp cho sức chứa số container trên tàu có thể nâng lên gấp 20 lần. Song, điều này cũng gây ra nhiều thách thức mới với nhà điều hành cảng và đỏi hỏi phải có kế hoạch bốc dỡ hết sức tỉ mỉ và chính xác. Nếu như các tàu nhỏ chỉ vận chuyển từ 2000 - 5000 container và không tạo ra những xáo trộn lớn trong công tác bốc dỡ hàng hóa, thì ngược lại, các tàu cỡ đại - trong một lúc phải bốc dỡ một khối lượng lớn container - đòi hỏi phải có hàng nghìn xe tải để vận chuyển các thùng hàng, chỉ cần một vụ va chạm thôi cũng đủ gây ùn tắc dây chuyền và làm hoạt động của cảng bị tê liệt.
Trong những tình huống như vậy, việc nhanh chóng tìm ra được phương án xử lý trở thành một yêu cầu tối quan trọng để điều hành hoạt động tại cảng (và đây mới chỉ là một trong rất nhiều bài toán liên quan đến cảng biến). Vậy làm thế nào để đạt được điều này, đặc biệt là với các cảng biển tại Việt Nam?
Không thể chỉ xử lý thủ công
Cho đến nay, vận tải đường biển là một trong những kênh vận tải hàng hóa quan trọng nhất trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, hoạt động này còn là động lực thiết yếu cho tăng trưởng kinh tế bởi có đến 90% hàng hóa xuất nhập khẩu được vận chuyển qua đường biển. Tuy nhiên, “những cảng biển ở Việt Nam nói chung và tại miền Bắc nói riêng, dù được quan tâm đầu tư và mở rộng trong những năm gần đây, nhưng vẫn chưa thể đáp ứng kịp thời nhu cầu phát triển logistics của đất nước”, ông Lê Trí Thành (trường Đại học Hàng hải) cho biết.
Cảng quốc tế Cái Mép được xếp hạng thứ 11 trên tổng số 370 cảng container hoạt động tốt nhất toàn cầu.
Theo Thuyết minh báo cáo cuối kỳ của Đề án Quy hoạch tổng thể phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050, tính đến hết năm 2020, cả nước có 286 bến cảng với tổng lượng hàng hóa thông qua đạt 692,2 triệu tấn. Tuy nhiên, trong số đó có rất ít cảng nước sâu, cảng container cho tàu trọng tải lớn, đạt tiêu chuẩn quốc tế, khu vực (hiện tại mới chỉ có các cảng tại khu vực Cái Mép Thị Vải khu vực Đông Nam Bộ và cảng Lạch Huyện khu vực phía Bắc tiếp nhận trực tiếp tàu mẹ ra vào). Thêm vào đó, các trang thiết bị bốc xếp và quản lý điều hành cảng còn thiếu đồng bộ, năng suất thấp, chưa đáp ứng kịp yêu cầu của thị trường hàng hải khu vực (trừ một số cảng mới được xây dựng đưa vào khai thác gần đây).
“Nếu không đảm bảo việc tối ưu các hoạt động tại cảng, chi phí vận hành sẽ lên rất cao, đồng thời Việt Nam sẽ khó có thể cạnh tranh được với các cảng trong khu vực khi chỉ tiếp đón được các tàu có tải trọng nhỏ. Về lâu dài, điều này còn có thể làm chậm sự phát triển của ngành logistics và giảm năng lực cạnh tranh của các công ty, đại lý vận tải nội địa”, ông Lê Trí Thành cho biết.
Về mặt bản chất, bài toán về hậu cần hàng hải là việc tối ưu hóa các hoạt động ở bến cảng, trong đó hướng đến ba mục tiêu chính: tiết kiệm chi phí, giải phóng lao động, và giảm tác hại đến môi trường - theo nhận xét của GS.TS. Nguyễn Trung Thành (Đại học Liverpool John Moores, Vương quốc Anh). Nếu không phải là những người làm trong lĩnh vực chuyên môn, có lẽ thật khó để tưởng tượng được hết mức độ phức tạp của các bài toán cảng biển. Bởi, quy trình hoạt động của cảng từ lúc tàu vào bến đến lúc rời đi nghe chừng khá đơn giản: cho tàu cập cảng; bốc xếp container từ tàu ra cảng và từ cảng vào tàu; di chuyển container đến kho lưu trữ trong bãi; xe tải đến vận chuyển các container đi và kết thúc một chu trình.
Tuy nhiên, cái khó nằm ở chỗ, số lượng của các tàu và container phải xử lý luôn rất lớn (chưa kể những ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như lịch trình của các cảng; yếu tố hải lưu; chi phí xăng dầu), thế nên “khi quy mô của bài toán tăng lên, chúng ta sẽ không thể giải được trong thời gian ngắn nếu chỉ sử dụng các cách thủ công như trước đây hay thậm chí là dùng máy tính”, GS. Thành cho biết. Một minh chứng tiêu biểu cho nhận định này là bài toán lập kế hoạch cho tàu biển cập cảng. Đây là một bài toán quan trọng bởi tàu càng phải đợi lâu tại bến cảng, tất cả các bên liên quan lại càng tốn nhiều chi phí. Tại các cảng quốc tế, nếu một tàu container cỡ trung bình phải dừng ở cảng trong vòng một ngày, chi phí trong ngày đó sẽ lên đến xấp xỉ 40,000 USD. Trong khi đó, trên thực tế một cảng sẽ có rất nhiều tàu và bến khác nhau, và không phải tàu nào cũng cập được vào bất cứ bến nào (vì các bến có thể có mực nước nông - sâu khác nhau; có bến dành cho container, có bến dành cho các mặt hàng khác như gạo, sắt,...).
Tàu vận tải bốc dỡ hàng hóa tại cảng Quy Nhơn. Ảnh: bienphong.com.vn
Để lập kế hoạch cho tàu cập bến một cách tối ưu, người điều hành sẽ phải tính toán hai vấn đề: thứ tự tàu cập cảng, và tàu nào sẽ cập vào bến nào. “Nếu một cảng có 9 cầu cảng và 5 tàu đi vào, số giải pháp cần phải tính toán để tìm ra được giải pháp tối ưu là 7,1 triệu giải pháp. Và nếu số tàu đi vào là 8, số giải pháp phải tính toán đã lên đến hàng nghìn tỷ”, GS. Thành dẫn ví dụ. Với số tàu thực tế ra vào cảng Liverpool mỗi ngày, giả sử thời gian để tìm ra một giải pháp là một giây, thì thời gian cần để tìm ra giải pháp tối ưu sẽ gấp 13 triệu nghìn tỷ nghìn tỷ lần tuổi của vũ trụ (tuổi của vũ trụ là 13,8 tỷ năm).
Hướng đến tự động hóa
“Đó là lý do cần phải có thuật toán để tìm ra giải pháp gần với giải pháp tối ưu nhất”, PGS.TS Nguyễn Hà Nam - nguyên giảng viên tại trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) và hiện đang làm việc tại Viện Nghiên Cứu Cao Cấp Về Toán cho biết. Từ năm 2015-2016, trong khuôn khổ chương trình Institutional Links thuộc Quỹ Newton, các nhà khoa học thuộc Đại học Liverpool John Moores (Vương Quốc Anh), Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) và Trường Đại học Hàng hải đã bắt tay vào nghiên cứu xây dựng giải pháp nhằm giải quyết một phần những thách thức trên dựa vào việc ứng dụng công nghệ thông tin, với mục tiêu giúp điều phối các dịch vụ cốt lõi của cảng biển một cách tối ưu và tự động.
Hãy xem ví dụ của nhóm nghiên cứu tại Greenport - một cảng nằm dọc bờ sông Cấm tại khu vực Hải Phòng, được khai thác chính thức từ tháng 9 năm 2004 - với đầy đủ những thách thức tiêu biểu của cảng biển Việt Nam. Có số lượng hàng hóa thường xuyên ra vào cảng, kho bãi mỗi ngày, và đòi hỏi hệ thống phải hoạt động hết công suất, Greenport mong muốn quy trình quản lý hoạt động tại cảng được hiện đại hóa và tự động hóa hơn nhằm nâng cao hiệu quả công việc, giảm chi phí và giảm thiểu nguy cơ bị gián đoạn, xáo trộn kế hoạch nếu gặp phải những tình huống bất ngờ, chẳng hạn như xe container chở hàng từ kho vệ tinh gặp trục trặc trên đường và không thể tới đúng giờ hẹn.
Vậy có cách nào để tối ưu hiệu quả công việc và phòng tránh hoặc xử lý các tình huống rủi ro có thể xảy ra? Nhóm nghiên cứu đã dựa trên dữ liệu hoạt động thực tế của cảng để đánh giá, phân tích và đưa ra các thuật toán tối ưu các quy trình cốt lõi của hậu cần hàng hải bao gồm: xếp dỡ hàng hóa lên tàu; xếp dỡ hàng hóa tại cầu tàu - kho bãi; đánh giá thiết kế kho bãi; tối ưu lượng thiết bị, phương tiện cần thiết cho từng giao dịch,… Sự phức tạp của các thuật toán này không chỉ nằm ở việc làm sao để giảm chi phí và tăng năng suất của các quy trình trên mà còn phải thỏa mãn vô số các ràng buộc liên quan đến nghiệp vụ cảng biển (như ràng buộc về thời gian làm hàng; về quy cách xếp hàng - hàng nặng xếp ở dưới, hàng nhẹ xếp ở trên,…), các yếu tố thời tiết cũng như trang thiết bị tại từng cảng.
Dù đã từng giải các bài toán tương tự trước đây, song khi đặt vào bối cảnh Việt Nam, vấn đề cần giải quyết “lại trở thành một bài toán mới”, GS. Thành cho biết. Chẳng hạn, “cảng biển ở Hải Phòng vốn bao gồm một chùm rất nhiều cảng khác nhau, do đó hàng hóa đi qua các cảng này có thể dẫn đến những thay đổi mà người điều hành không biết trước được”.
Để tìm ra được giải pháp cho một bài toán có tập dữ liệu “động” khác thường như vậy, nhóm đã sử dụng thêm những kỹ thuật xác suất thống kê để có thể bao quát được cả những rủi ro ngoài dự kiến. Dữ liệu đầu vào gồm quy trình nghiệp vụ, dữ liệu theo kế hoạch và dữ liệu vận hành thực tế tại cảng. Trong đó, các dữ liệu này được chia thành các mảng: kho bãi; trang thiết bị tại cảng; dữ liệu của khách hàng (cụ thể hơn là sơ đồ cảng, sơ đồ tàu, lịch trình của tàu, các thông tin về hàng hóa xuất nhập cảng, yêu cầu làm hàng của chủ tàu và yêu cầu của khách hàng).
Nhóm nghiên cứu đã phát triển được một số module - sản phẩm công nghệ có khả năng tích hợp vào phần mềm quản lý của cảng để tối ưu hóa các công đoạn quan trọng như: Xếp dỡ container tại bãi, Lập kế hoạch bến tàu, Xếp dỡ container tại tàu, Mô phỏng hoạt động cảng, Quy hoạch xe vận chuyển, Đóng hàng vào container, và Giảm tắc nghẽn tại cửa cảng. Theo GS. Nguyễn Trung Thành, nếu các module này được tích hợp vào phần mềm quản lý của cảng, khi cần điều phối một trong các công đoạn trên, người phụ trách chỉ cần nhập yêu cầu và hệ thống sẽ đưa ra một giải pháp tối ưu.
Bên cạnh đó, các kỹ thuật, module phần mềm cũng giúp cho công tác quản lý các quy trình xếp dỡ nhanh chóng hơn, tăng năng suất lao động, giảm chi phí vận hành và tăng cường sức cạnh tranh. Khi thử nghiệm áp dụng với dữ liệu thực tại một cảng đối tác, kết quả cho thấy giải pháp của nhóm giúp giảm khoảng 23% chi phí bốc xếp container; 21% số xe vận chuyển container; 98% độ mất cân bằng của tàu; 4,6% lượng khí thải CO2 và 5,5% lượng khí thải NO2.
Mặc dù bài toán tối ưu cảng biển là một bài toán không có lời giải chung do mỗi cảng có một đặc thù riêng, thành công từ dự án này đã tạo ra một khung để có thể tùy biến và áp dụng cho các cảng biển khác ở Việt Nam trong tương lai.
Dự án đã giúp thành lập mạng lưới logistics Vương quốc Anh - Việt Nam và tạo điện kiện để 18 tổ chức khác nhau, bao gồm các đối tác công nghiệp, viện nghiên cứu, trường đại học cùng phối hợp, chia sẻ kinh nghiệm và giải pháp xử lý các vấn đề nghiên cứu thực tiễn tại các cảng biển ở Việt Nam.
“Trước đây, việc tối ưu hóa vận tải tại Việt Nam thường được cho là lĩnh vực của các trường kinh tế hay giao thông vận tải chứ không có sự tham gia của lĩnh vực công nghệ thông tin, do đó để tìm được tiếng nói chung và hợp tác với nhau khá khó khăn”, PGS.TS Nguyễn Hà Nam - nguyên giảng viên tại trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN, Việt Nam) và hiện đang làm việc tại Viện Nghiên Cứu Cao Cấp Về Toán - cho biết. “Do đó việc xây dựng mạng lưới này sẽ giúp các nhà nghiên cứu ở các lĩnh vực khác nhau có thể cùng ngồi lại hợp tác để giải quyết các thách thức trong tương lai”.
https://khoahocphattrien.vn/
