Xây dựng hệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu hàng phục vụ đào tạo và huấn luyện hàng hải

PGS. TS. NGUYỄN KIM PHƯƠNG PGS. TS. NGUYỄN CÔNG VỊNH TS. NGUYỄN TRUNG ĐỨC ThS. TỪ MẠNH CHIẾN Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

TÓM TẮT: Mô phỏng là một giải pháp hiệu quả trong hoạt động đào tạo, huấn luyện hàng hải. Chương 2, Công ước quốc tế về tiêu chuẩn huấn luyện, cấp chứng chỉ và trực ca cho thuyền viên - STCW 78/2010 đã quy định rõ về tiêu chuẩn năng lực của sỹ quan bộ phận boong đối với công tác hàng hóa. Công ước cũng khuyến nghị việc huấn luyện năng lực này thông qua hệ thống mô phỏng. Trong khuôn khổ bài báo, hệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu hàng đã được thiết kế, chế tạo phục vụ cho đào tạo và huấn luyện sinh viên chuyên ngành điều khiển tàu biển và sĩ quan boong.

TỪ KHÓA: Hệ thống mô phỏng, xếp dỡ hàng hóa, đào tạo và huấn luyện hàng hải.

Abstract: Simulation is an effective solution in maritime education and training activity. Chapter 2 of the International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers - STCW 78/2010, specifies the standard of competence of deck officers for cargo operations. The Convention also recommends training this capacity through simulation systems. Within the framework of the article, the simulation system of cargo operation on ships has been designed, built for educating and training navigation students and deck officers.

Keywords: Simulation system, cargo operation, maritime education and training.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhằm đáp ứng đòi hỏi của Công ước STCW 78/2010, các cơ sở đào tạo hàng hải trong nước cần có những giải pháp khả thi và hiệu quả trong hoạt động đào tạo, huấn luyện. Một trong những vấn đề khó khăn hiện nay mà các cơ sở đang gặp phải đó là cơ sở vật chất phục vụ cho công tác này.

Một trong những tiêu chuẩn bắt buộc đối với sỹ quan boong đó là năng lực đối với công tác hàng hóa. Hiện nay, các trường hàng hải trong nước đã có phòng mô phỏng hàng hải hiện đại phục vụ cho công tác đào tạo, huấn luyện. Tuy nhiên, chức năng mô phỏng mới tập trung chủ yếu vào công tác hành hải. Do vậy, giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu chở hàng sẽ khắc phục đáng kể khó khăn nói trên trong công tác đào tạo, huấn luyện sinh viên chuyên ngành Điều khiển tàu biển và sỹ quan boong, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn quốc tế.

Hiện nay, hệ thống mô phỏng xếp dỡ hàng đã được thực hiện bởi các hãng mô phỏng trên thế giới như TRANSAT, KONGSBERG… để phục vụ cho huấn luyện sỹ quan hàng hải. Tuy nhiên, các hệ thống này đều có giá rất cao, hơn nữa chi phí bảo trì đòi hỏi trong thời gian sử dụng sau bảo hành cũng rất tốn kém. Mặt khác, việc giải mã công nghệ vẫn còn khó khăn. Vì thế, việc đi sâu nghiên cứu về yêu cầu hoạt động của hệ thống từ đó xác định phần cứng và phần mềm cấu thành hệ thống nhằm chế tạo thử nghiệm hệ thống là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực 

2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CÔNG TÁC XẾP DỠ HÀNG HÓA TRÊN TÀU HÀNG

2.1. Tiêu chuẩn ổn định tàu hàng của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)

Theo Quy định của Bộ luật quốc tế về ổn định nguyên vẹn năm 2008 (IS Code, 2008) đối với các tàu hàng nói chung đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau [1]:

- Diện tích phía dưới cánh tay đòn ổn định tĩnh (đường cong GZ) phải không nhỏ hơn 0,055 m-rad khi tính đến góc nghiêng 30º và không nhỏ hơn 0,090 m-rad khi tính tới góc nghiêng 40º hoặc góc ngập nước nếu góc này nhỏ hơn 40º. Ngoài ra, phần diện tích phía dưới đường cong GZ nằm giữa góc nghiêng 30º và 40º hoặc góc ngập nước nếu góc này nhỏ hơn 40º phải không nhỏ hơn 0,030 m-rad;

- Độ lớn của cánh tay đòn (GZ) tối thiểu phải bằng 0,20m tại góc nghiêng bằng hoặc lớn hơn 30º;

- Cánh tay đòn (GZ) phải đạt giá trị cực đại tại góc nghiêng không được nhỏ hơn 25º;

- Chiều cao thế vững ban đầu sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng (GoM) không được nhỏ hơn 0,15m.

2.2. Đánh giá ổn định và sức bền thân tàu

2.2.1. Đánh giá ổn định

Ổn định ban đầu: Ổn định ban đầu của tàu còn gọi là ổn định tàu tại góc nghiêng nhỏ (θ<150), phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa tâm nghiêng M và trọng tâm G. Khi G nằm thấp hơn M, tàu sẽ ổn định. Tại những góc nghiêng nhỏ, ổn định của tàu được đánh giá bằng độ lớn của GM và GM được gọi là chiều cao thế vững của tàu [2].

Ổn định tại góc nghiêng lớn: Tại các góc nghiêng lớn, quỹ đạo tâm nổi B khi tàu lắc không còn là một cung tròn nữa nên tâm nghiêng M không còn là cố định. Do đó, ta không thể dùng chiều cao thế vững (GM) để đánh giá ổn định của tàu. Người ta dùng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh (GZ) để đánh giá ổn định của tàu ở những góc nghiêng lớn. Cánh tay đòn ổn định được xây dựng cho từng mớn nước cụ thể và chiều cao trọng tâm tàu (KG) cụ thể [2].

2.2.2. Đánh giá sức bền dọc thân tàu

Để đánh giá sức bền dọc thân tàu cần tiến hành xác định lực cắt (Shearing Force) và mô-men uốn (Bending Moment) tại các mặt cắt ngang của tàu ứng với các trạng thái sóng biển khác nhau: Tàu nằm trên mặt nước yên lặng (Still Water); tàu nằm trên đỉnh sóng (Hogging); tàu nằm trên bụng sóng (Sagging).

Đầu tiên ta tính toán lực cắt và mô-men uốn trên mặt nước yên lặng, sau đó vẽ đồ thị lực cắt, mô-men uốn và so sánh các giá trị này với giá trị cho phép theo thiết kế của tàu. Nếu giá trị tính được nằm trong khoảng cho phép thì phương án tải trọng là đạt yêu cầu. Với mỗi con tàu, người ta sẽ chọn một số mặt cắt quan trọng (tại các sườn tàu - Frame No.) và tính sẵn các giá trị cho phép đối với lực cắt (SF) và mô-men uốn (BM) ở các điều kiện “Ocean going” (chạy biển) và "In Harbour" (trong cảng), đồng thời lập các biểu tính mẫu cho trong hồ sơ tàu để tiện tính toán [2].

2.3. Tính toán các mớn nước của tàu

Hình 2.1: Biểu diễn mớn nước của tàu (dF, dA) và vị trí tâm mặt phẳng đường nước (F)

Việc tính toán các mớn nước của một tàu cụ thể được thực hiện theo những bước dưới đây [2]:

- Tính lượng giãn nước (D);

- Từ D vào bảng thủy tĩnh có trong hồ sơ tàu, tra được mớn nước tương đương với D là deqv và hoành độ tâm nổi (LCB);

- Tính toán hoành độ trọng tâm tàu (LCG) và hiệu số mớn nước (t);

- Tính toán mớn nước mũi (dF) và mớn nước lái (dA).

2.4. Tính toán tốc độ bơm, lưu lượng bơm

2.4.1. Tính toán dòng chảy trong đường ống

Lưu lượng dòng chảy trong đường ống được tính theo giản đồ như Hình 2.2.

Két 1 két chất lỏng cần bơm, bơm số 2 được đặt trong buồng bơm, số 3 là ống phân phối đặt trên boong, két số 4 là két nhận.

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống bơm đơn giản

Khi dòng chảy chuyển động từ điển i đến điểm j năng lượng được biến đổi trên một đơn vị khối lượng được tính theo phương trình Bernoulli [3]:

3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÔ PHỎNG XẾP DỠ HÀNG HÓA TRÊN TÀU HÀNG

3.1. Yêu cầu cơ bản của hệ thống

Yêu cầu về chức năng:

Hệ thống đảm bảo chức năng mô phỏng quá trình xếp/dỡ hàng trên tàu hàng rời và tàu dầu, bao gồm: Hiển thị thông tin ổn định, sức bền, mớn nước của tàu, tiến trình xếp/dỡ hàng.

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng

Yêu cầu về cấu tạo: Hệ thống bao gồm 3 khối chính: Khối xử lý trung tâm (máy tính), Khối hiển thị (màn hình), khối điều khiển trung tâm bơm hàng.

3.2. Phần mềm hệ thống

3.1.1. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng trên tàu hàng rời

Hình 3.2: Mô tả mô hình xếp dỡ hàng tại cảng

Phần mềm mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng tàu hàng rời mô phỏng hoạt động làm hàng giữa cảng và tàu theo tiến trình. Tiến trình làm hàng đã được học viên lập trước. Trong quá trình hàng được xếp xuống tàu, học viên thực hiện các công việc cần thiết đối với con tàu như đóng mở nắp hầm hàng, bơm nước dằn để phối hợp cùng cảng đảm bảo cho con tàu và hàng hóa được an toàn. Quá trình dỡ hàng diễn ra ngược lại. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp dỡ hàng chia làm hai khối: Khối mô phỏng trạng thái con tàu (gọi tắt là khối tàu); Khối mô phỏng việc bốc xếp hàng lên/xuống tàu của cảng (gọi tắt là khối cảng).

Khối cảng sẽ mô phỏng lại các hoạt động bốc xếp hàng của cảng xuống/lên tàu với thông số chính là lượng hàng bốc xếp lên/xuống tàu theo thời gian thực. Lượng hàng xếp/dỡ tại mỗi hầm hàng của tàu sẽ theo tiến trình xếp/dỡ hàng mà học viên lập trước, có chịu tác động của các yếu tố ảnh hưởng khác như thời tiết, tốc độ hàng chở đến/đi ở cầu tàu… Khối này sẽ hoạt động tự động theo chương trình lập trước (tiến trình đã làm) và có thể được điều khiển bởi giáo viên hướng dẫn. Giáo viên hướng dẫn có thể tạo các tình huống xảy ra đột xuất như trời mưa, ngừng làm hàng; hết hàng trên cầu tàu…

Khối tàu mô phỏng các hoạt động cơ bản của con tàu khi làm hàng tại cảng. Cụ thể như: Hiển thị các thông số của tàu, của hàng; đóng mở nắp hầm hàng; bơm nước dằn (thực hiện với bơm buồng máy hoặc mở van điện tự do); tính toán, đánh giá và hiển thị thông tin về ổn định, sức bền, mớn nước của tàu; điều chỉnh dây buộc tàu.

Khi vận hành, học viên sẽ theo dõi trạng thái con tàu thông qua màn hình chỉ báo các thông số và tiến hành tương tác thực hiện các hoạt động như yêu cầu buồng máy bơm nước dằn như đối với tàu thực; tiến hành đóng mở nắp hầm hàng khi kết thúc làm hàng hay khi trời mưa; điều chỉnh dây buộc tàu phù hợp khi mớn nước tàu thay đổi hoặc thủy triều…

Bên cạnh đó, chương trình còn có chức năng theo dõi, cảnh báo khi học viên để xảy ra sự cố trong quá trình huấn luyện.

Chương trình mô phỏng sẽ có hai giao diện chính, giao diện mô phỏng khối cảng được hướng dẫn viên sử dụng, giao diện mô phỏng khối tàu được học viên sử dụng. Thông tin từ hai giao diện này sẽ được chuyển đến khối mô phỏng con tàu và ngược lại.

Tàu TAN BINH 36 được lựa chọn cho hệ thống mô phỏng có 20 két nước dằn và 4 hầm hàng. Sau đây là một số hình (từ Hình 3.3 đến Hình 3.8) thể hiện giao diện cơ bản của chương trình.

Hình 3.3: Hoạt động bơm nước vào két nước dằn thuộc Khối tàu

Hình 3.4: Hoạt động đóng mở nắp hầm hàng thuộc Khối tàu

Hình 3.5: Hoạt động điều chỉnh dây buộc tàu thuộc Khối tàu

Hình 3.6: Hoạt động làm hàng thuộc Khối cảng

Hình 3.7: Các yếu tố bổ sung thuộc Khối cảng

Hình 3.8: Khối mô phỏng tàu hàng rời: Hiển thị thông tin về tàu và hàng

Dữ liệu về hàng hóa trong các hầm, nước trong các két nước dằn, các thông số như mớn nước, thế vững, sức bền thân tàu... của con tàu được hiển thị theo thời gian thực trên giao diện như Hình 3.8.

3.1.2. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng trên tàu dầu

Cấu trúc giao diện chính và giao diện trực quan sơ đồ hệ thống bơm, van và ống dẫn dầu được xây dựng cho một trường hợp tàu dầu (tàu DAI NAM) đã được lựa chọn, thể hiện ở Hình 3.9 và Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống bơm dầu của tàu được cụ thể hóa từ một trường hợp cụ thể trong thực tế, các khai báo về cấu trúc đường ống, van, bơm của tàu được nạp vào hệ thống thông qua bản ghi cấu hình lưu trên định dạng Excel.

Hình 3.9: Giao diện chính của chương trình

Hình 3.10: Giao diện bài thực hành sau khi được nạp lên cho phép hiển thị quá trình bơm dầu, các thông tin về tàu và hàng trong các két

3.2. Phần cứng hệ thống

3.2.1. Cấu trúc của thiết bị mô phỏng hoạt động của bảng điều khiển trung tâm bơm hàng

Trong bảng điều khiển vận hành xếp/dỡ hàng các thông số của tàu được thể hiện gồm có: Mức chất lỏng ở các két trên tàu; các van, bơm đang hoạt động; các cảnh báo của hệ thống bằng đèn, còi; áp lực hút, đẩy của bơm; các nút điều khiển vận hành hệ thống; các đèn báo trạng thái hoạt động của hệ thống; sơ đồ mô hình các két bố trí trên tàu. Bảng điều khiển gồm có 4 thành phần cơ bản: Mô hình bảng điều khiển, bộ điều khiển trung tâm, màn hình hiển thị và máy tính (chứa đựng phần mềm mô phỏng xếp dỡ hàng đã lập).

Hình 3.11: Cấu trúc mô hình hoạt động bảng điều khiển bơm hàng

3.2.2. Chế tạo bảng điều khiển trung tâm bơm hàng kết nối với máy tính

Tủ vận hành của mô hình được thiết kế với kích thước như Hình 3.12. Tủ cao 1,8m với phần mặt trên được thiết kế để hiển thị các thông tin về hệ thống. Các nút điều khiển được lắp đặt trên phần mặt tủ với kích thước 1000 x 350mm. Tại đây được lắp đặt các nút điều khiển bơm, van và các nút dừng khẩn cấp.

Hình 3.12: Mặt điều khiển của bảng điều khiển trung tâm bơm hàng

4. KẾT LUẬN

Hệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu chở hàng được thiết kế và chế tạo tập trung vào hai đối tượng là tàu hàng rời và tàu dầu. Phần mềm của hệ thống cho phép tính toán, đánh giá và hiển thị các thông tin về ổn định, sức bền và mớn nước tàu trong quá trình xếp/dỡ hàng hóa cũng như mô phỏng tiến trình xếp/dỡ đó một cách chính xác và ổn định. Bên cạnh đó, bảng điều khiển trung tâm bơm hàng trên tàu dầu được chế tạo thử nghiệm, có khả năng kết nối đồng bộ với máy tính chạy mô-đun chương trình mô phỏng công tác xếp/dỡ hàng trên tàu dầu.

Trước yêu cầu thực tiễn hàng hải, Hệ thống mô phỏng xếp dỡ hàng hóa trên tàu hàng đạt được, mặc dù ở mức độ thử nghiệm nhưng có thể được sử dụng trong các bài học thực hành của sinh viên chuyên ngành Điều khiển tàu biển cũng như huấn luyện thực hành sỹ quan boong nhằm rèn luyện kỹ năng trong công tác hàng hóa đáp ứng yêu cầu của Công ước STCW 78/2010 o

Tài liệu tham khảo

IMO (2008), Bộ luật quốc tế về ổn định nguyên vẹn - IS Code.

Đinh Xuân Mạnh, Nguyễn Mạnh Cường, Phạm Văn Trường, Nguyễn Đại Hải (2005), Giáo trình xếp dỡ và bảo quản hàng hóa trên tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

N.Adamopoulos (2012), Pumping Calculations and Under-Performance Evaluation in Crude Oil Tankers, SNAME Greek Section, 4th International Symposium on Ship Operation, Mangement and Economics.

1. ĐẶT VẤN ĐỀNhằm đáp ứng đòi hỏi của Công ước STCW 78/2010, các cơ sở đào tạo hàng hải trong nước cần có những giải pháp khả thi và hiệu quả trong hoạt động đào tạo, huấn luyện. Một trong những vấn đề khó khăn hiện nay mà các cơ sở đang gặp phải đó là cơ sở vật chất phục vụ cho công tác này. Một trong những tiêu chuẩn bắt buộc đối với sỹ quan boong đó là năng lực đối với công tác hàng hóa. Hiện nay, các trường hàng hải trong nước đã có phòng mô phỏng hàng hải hiện đại phục vụ cho công tác đào tạo, huấn luyện. Tuy nhiên, chức năng mô phỏng mới tập trung chủ yếu vào công tác hành hải. Do vậy, giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu chở hàng sẽ khắc phục đáng kể khó khăn nói trên trong công tác đào tạo, huấn luyện sinh viên chuyên ngành Điều khiển tàu biển và sỹ quan boong, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn quốc tế. Hiện nay, hệ thống mô phỏng xếp dỡ hàng đã được thực hiện bởi các hãng mô phỏng trên thế giới như TRANSAT, KONGSBERG… để phục vụ cho huấn luyện sỹ quan hàng hải. Tuy nhiên, các hệ thống này đều có giá rất cao, hơn nữa chi phí bảo trì đòi hỏi trong thời gian sử dụng sau bảo hành cũng rất tốn kém. Mặt khác, việc giải mã công nghệ vẫn còn khó khăn. Vì thế, việc đi sâu nghiên cứu về yêu cầu hoạt động của hệ thống từ đó xác định phần cứng và phần mềm cấu thành hệ thống nhằm chế tạo thử nghiệm hệ thống là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CÔNG TÁC XẾP DỠ HÀNG HÓA TRÊN TÀU HÀNG2.1. Tiêu chuẩn ổn định tàu hàng của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)Theo Quy định của Bộ luật quốc tế về ổn định nguyên vẹn năm 2008 (IS Code, 2008) đối với các tàu hàng nói chung đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau [1]:- Diện tích phía dưới cánh tay đòn ổn định tĩnh (đường cong GZ) phải không nhỏ hơn 0,055 m-rad khi tính đến góc nghiêng 30º và không nhỏ hơn 0,090 m-rad khi tính tới góc nghiêng 40º hoặc góc ngập nước nếu góc này nhỏ hơn 40º. Ngoài ra, phần diện tích phía dưới đường cong GZ nằm giữa góc nghiêng 30º và 40º hoặc góc ngập nước nếu góc này nhỏ hơn 40º phải không nhỏ hơn 0,030 m-rad;- Độ lớn của cánh tay đòn (GZ) tối thiểu phải bằng 0,20m tại góc nghiêng bằng hoặc lớn hơn 30º;- Cánh tay đòn (GZ) phải đạt giá trị cực đại tại góc nghiêng không được nhỏ hơn 25º;- Chiều cao thế vững ban đầu sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng (GoM) không được nhỏ hơn 0,15m.2.2. Đánh giá ổn định và sức bền thân tàu2.2.1. Đánh giá ổn địnhỔn định ban đầu: Ổn định ban đầu của tàu còn gọi là ổn định tàu tại góc nghiêng nhỏ (θ<150), phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa tâm nghiêng M và trọng tâm G. Khi G nằm thấp hơn M, tàu sẽ ổn định. Tại những góc nghiêng nhỏ, ổn định của tàu được đánh giá bằng độ lớn của GM và GM được gọi là chiều cao thế vững của tàu [2]. Ổn định tại góc nghiêng lớn: Tại các góc nghiêng lớn, quỹ đạo tâm nổi B khi tàu lắc không còn là một cung tròn nữa nên tâm nghiêng M không còn là cố định. Do đó, ta không thể dùng chiều cao thế vững (GM) để đánh giá ổn định của tàu. Người ta dùng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh (GZ) để đánh giá ổn định của tàu ở những góc nghiêng lớn. Cánh tay đòn ổn định được xây dựng cho từng mớn nước cụ thể và chiều cao trọng tâm tàu (KG) cụ thể [2]. 2.2.2. Đánh giá sức bền dọc thân tàuĐể đánh giá sức bền dọc thân tàu cần tiến hành xác định lực cắt (Shearing Force) và mô-men uốn (Bending Moment) tại các mặt cắt ngang của tàu ứng với các trạng thái sóng biển khác nhau: Tàu nằm trên mặt nước yên lặng (Still Water); tàu nằm trên đỉnh sóng (Hogging); tàu nằm trên bụng sóng (Sagging).Đầu tiên ta tính toán lực cắt và mô-men uốn trên mặt nước yên lặng, sau đó vẽ đồ thị lực cắt, mô-men uốn và so sánh các giá trị này với giá trị cho phép theo thiết kế của tàu. Nếu giá trị tính được nằm trong khoảng cho phép thì phương án tải trọng là đạt yêu cầu. Với mỗi con tàu, người ta sẽ chọn một số mặt cắt quan trọng (tại các sườn tàu - Frame No.) và tính sẵn các giá trị cho phép đối với lực cắt (SF) và mô-men uốn (BM) ở các điều kiện “Ocean going” (chạy biển) và "In Harbour" (trong cảng), đồng thời lập các biểu tính mẫu cho trong hồ sơ tàu để tiện tính toán [2].2.3. Tính toán các mớn nước của tàuHình 2.1: Biểu diễn mớn nước của tàu (dF, dA) và vị trí tâm mặt phẳng đường nước (F)Việc tính toán các mớn nước của một tàu cụ thể được thực hiện theo những bước dưới đây [2]:- Tính lượng giãn nước (D);- Từ D vào bảng thủy tĩnh có trong hồ sơ tàu, tra được mớn nước tương đương với D là deqv và hoành độ tâm nổi (LCB);- Tính toán hoành độ trọng tâm tàu (LCG) và hiệu số mớn nước (t);- Tính toán mớn nước mũi (dF) và mớn nước lái (dA).2.4. Tính toán tốc độ bơm, lưu lượng bơm2.4.1. Tính toán dòng chảy trong đường ốngLưu lượng dòng chảy trong đường ống được tính theo giản đồ như Hình 2.2.Két 1 két chất lỏng cần bơm, bơm số 2 được đặt trong buồng bơm, số 3 là ống phân phối đặt trên boong, két số 4 là két nhận.Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống bơm đơn giảnKhi dòng chảy chuyển động từ điển i đến điểm j năng lượng được biến đổi trên một đơn vị khối lượng được tính theo phương trình Bernoulli [3]: (1)
Trong đó:pi,j - Áp suất tại i và j; vi,j - Vận tốc trong bình tại i và j; hi,j - Độ cao so với mặt chuẩn của i và j; Σhf - Tổng tốn thất năng lượng; he - Năng lượng có trong dòng chảy (năng lượng có sẵn từ môi trường); h0 - Năng lượng được cấp từ bơm.Trên tàu dầu có trang bị bơm ly tâm để bơm chuyển hàng và bơm ballast.2.4.2. Tính toán động năng của dòng dầuTốc độ chất lỏng trong ống được tính bằng thể tích vận chuyển qua diện tích tích ống theo quãng đường vận chuyển [3]:(2)(3)Trong đó:V - Thể tích chất lỏng, m3; A - Diện tích mặt cắt ngang ống, m2; S - Quãng đường chất lỏng chuyển động trong ống, m; Q - Lưu lượng chất lỏng, m3/s; v - Vận tốc trung bình của chất lỏng, m/s; t - Thời gian, s ; D - Đường kính ống, m.
3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÔ PHỎNG XẾP DỠ HÀNG HÓA TRÊN TÀU HÀNG3.1. Yêu cầu cơ bản của hệ thốngYêu cầu về chức năng: Hệ thống đảm bảo chức năng mô phỏng quá trình xếp/dỡ hàng trên tàu hàng rời và tàu dầu, bao gồm: Hiển thị thông tin ổn định, sức bền, mớn nước của tàu, tiến trình xếp/dỡ hàng.Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏngYêu cầu về cấu tạo: Hệ thống bao gồm 3 khối chính: Khối xử lý trung tâm (máy tính), Khối hiển thị (màn hình), khối điều khiển trung tâm bơm hàng. 3.2. Phần mềm hệ thống3.1.1. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng trên tàu hàng rời Hình 3.2: Mô tả mô hình xếp dỡ hàng tại cảngPhần mềm mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng tàu hàng rời mô phỏng hoạt động làm hàng giữa cảng và tàu theo tiến trình. Tiến trình làm hàng đã được học viên lập trước. Trong quá trình hàng được xếp xuống tàu, học viên thực hiện các công việc cần thiết đối với con tàu như đóng mở nắp hầm hàng, bơm nước dằn để phối hợp cùng cảng đảm bảo cho con tàu và hàng hóa được an toàn. Quá trình dỡ hàng diễn ra ngược lại. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp dỡ hàng chia làm hai khối: Khối mô phỏng trạng thái con tàu (gọi tắt là khối tàu); Khối mô phỏng việc bốc xếp hàng lên/xuống tàu của cảng (gọi tắt là khối cảng).Khối cảng sẽ mô phỏng lại các hoạt động bốc xếp hàng của cảng xuống/lên tàu với thông số chính là lượng hàng bốc xếp lên/xuống tàu theo thời gian thực. Lượng hàng xếp/dỡ tại mỗi hầm hàng của tàu sẽ theo tiến trình xếp/dỡ hàng mà học viên lập trước, có chịu tác động của các yếu tố ảnh hưởng khác như thời tiết, tốc độ hàng chở đến/đi ở cầu tàu… Khối này sẽ hoạt động tự động theo chương trình lập trước (tiến trình đã làm) và có thể được điều khiển bởi giáo viên hướng dẫn. Giáo viên hướng dẫn có thể tạo các tình huống xảy ra đột xuất như trời mưa, ngừng làm hàng; hết hàng trên cầu tàu…Khối tàu mô phỏng các hoạt động cơ bản của con tàu khi làm hàng tại cảng. Cụ thể như: Hiển thị các thông số của tàu, của hàng; đóng mở nắp hầm hàng; bơm nước dằn (thực hiện với bơm buồng máy hoặc mở van điện tự do); tính toán, đánh giá và hiển thị thông tin về ổn định, sức bền, mớn nước của tàu; điều chỉnh dây buộc tàu.Khi vận hành, học viên sẽ theo dõi trạng thái con tàu thông qua màn hình chỉ báo các thông số và tiến hành tương tác thực hiện các hoạt động như yêu cầu buồng máy bơm nước dằn như đối với tàu thực; tiến hành đóng mở nắp hầm hàng khi kết thúc làm hàng hay khi trời mưa; điều chỉnh dây buộc tàu phù hợp khi mớn nước tàu thay đổi hoặc thủy triều…Bên cạnh đó, chương trình còn có chức năng theo dõi, cảnh báo khi học viên để xảy ra sự cố trong quá trình huấn luyện.Chương trình mô phỏng sẽ có hai giao diện chính, giao diện mô phỏng khối cảng được hướng dẫn viên sử dụng, giao diện mô phỏng khối tàu được học viên sử dụng. Thông tin từ hai giao diện này sẽ được chuyển đến khối mô phỏng con tàu và ngược lại.Tàu TAN BINH 36 được lựa chọn cho hệ thống mô phỏng có 20 két nước dằn và 4 hầm hàng. Sau đây là một số hình (từ Hình 3.3 đến Hình 3.8) thể hiện giao diện cơ bản của chương trình. Hình 3.3: Hoạt động bơm nước vào két nước dằn thuộc Khối tàuHình 3.4: Hoạt động đóng mở nắp hầm hàng thuộc Khối tàuHình 3.5: Hoạt động điều chỉnh dây buộc tàu thuộc Khối tàuHình 3.6: Hoạt động làm hàng thuộc Khối cảngHình 3.7: Các yếu tố bổ sung thuộc Khối cảngHình 3.8: Khối mô phỏng tàu hàng rời: Hiển thị thông tin về tàu và hàngDữ liệu về hàng hóa trong các hầm, nước trong các két nước dằn, các thông số như mớn nước, thế vững, sức bền thân tàu... của con tàu được hiển thị theo thời gian thực trên giao diện như Hình 3.8.3.1.2. Chương trình mô phỏng tiến trình xếp hàng, dỡ hàng trên tàu dầuCấu trúc giao diện chính và giao diện trực quan sơ đồ hệ thống bơm, van và ống dẫn dầu được xây dựng cho một trường hợp tàu dầu (tàu DAI NAM) đã được lựa chọn, thể hiện ở Hình 3.9 và Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống bơm dầu của tàu được cụ thể hóa từ một trường hợp cụ thể trong thực tế, các khai báo về cấu trúc đường ống, van, bơm của tàu được nạp vào hệ thống thông qua bản ghi cấu hình lưu trên định dạng Excel.Hình 3.9: Giao diện chính của chương trìnhHình 3.10: Giao diện bài thực hành sau khi được nạp lên cho phép hiển thị quá trình bơm dầu, các thông tin về tàu và hàng trong các két
3.2. Phần cứng hệ thống3.2.1. Cấu trúc của thiết bị mô phỏng hoạt động của bảng điều khiển trung tâm bơm hàngTrong bảng điều khiển vận hành xếp/dỡ hàng các thông số của tàu được thể hiện gồm có: Mức chất lỏng ở các két trên tàu; các van, bơm đang hoạt động; các cảnh báo của hệ thống bằng đèn, còi; áp lực hút, đẩy của bơm; các nút điều khiển vận hành hệ thống; các đèn báo trạng thái hoạt động của hệ thống; sơ đồ mô hình các két bố trí trên tàu. Bảng điều khiển gồm có 4 thành phần cơ bản: Mô hình bảng điều khiển, bộ điều khiển trung tâm, màn hình hiển thị và máy tính (chứa đựng phần mềm mô phỏng xếp dỡ hàng đã lập).Hình 3.11: Cấu trúc mô hình hoạt động bảng điều khiển bơm hàng
3.2.2. Chế tạo bảng điều khiển trung tâm bơm hàng kết nối với máy tínhTủ vận hành của mô hình được thiết kế với kích thước như Hình 3.12. Tủ cao 1,8m với phần mặt trên được thiết kế để hiển thị các thông tin về hệ thống. Các nút điều khiển được lắp đặt trên phần mặt tủ với kích thước 1000 x 350mm. Tại đây được lắp đặt các nút điều khiển bơm, van và các nút dừng khẩn cấp. Hình 3.12: Mặt điều khiển của bảng điều khiển trung tâm bơm hàng
4. KẾT LUẬNHệ thống mô phỏng công tác xếp dỡ hàng hóa trên tàu chở hàng được thiết kế và chế tạo tập trung vào hai đối tượng là tàu hàng rời và tàu dầu. Phần mềm của hệ thống cho phép tính toán, đánh giá và hiển thị các thông tin về ổn định, sức bền và mớn nước tàu trong quá trình xếp/dỡ hàng hóa cũng như mô phỏng tiến trình xếp/dỡ đó một cách chính xác và ổn định. Bên cạnh đó, bảng điều khiển trung tâm bơm hàng trên tàu dầu được chế tạo thử nghiệm, có khả năng kết nối đồng bộ với máy tính chạy mô-đun chương trình mô phỏng công tác xếp/dỡ hàng trên tàu dầu. Trước yêu cầu thực tiễn hàng hải, Hệ thống mô phỏng xếp dỡ hàng hóa trên tàu hàng đạt được, mặc dù ở mức độ thử nghiệm nhưng có thể được sử dụng trong các bài học thực hành của sinh viên chuyên ngành Điều khiển tàu biển cũng như huấn luyện thực hành sỹ quan boong nhằm rèn luyện kỹ năng trong công tác hàng hóa đáp ứng yêu cầu của Công ước STCW 78/2010 o
Tài liệu tham khảoIMO (2008), Bộ luật quốc tế về ổn định nguyên vẹn - IS Code.Đinh Xuân Mạnh, Nguyễn Mạnh Cường, Phạm Văn Trường, Nguyễn Đại Hải (2005), Giáo trình xếp dỡ và bảo quản hàng hóa trên tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.N.Adamopoulos (2012), Pumping Calculations and Under-Performance Evaluation in Crude Oil Tankers, SNAME Greek Section, 4th International Symposium on Ship Operation, Mangement and Economics.