Đề xuất nghiên cứu: Nâng công suất khai thác và giảm nguy cơ tắc nghẽn luồng tàu biển bằng mô phỏng số kết hợp học tăng cường

Trong bối cảnh quy mô đội tàu ngày càng lớn, lưu lượng tàu ra vào cảng tăng nhanh và yêu cầu giảm thời gian chờ ngày càng cao, năng lực khai thác luồng tàu biển trở thành một trong những yếu tố then chốt quyết định hiệu quả vận hành cảng. Tắc nghẽn luồng không chỉ làm tăng thời gian chờ, chi phí khai thác và phát thải, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn hàng hải, khả năng điều động tàu và hiệu quả sử dụng bến cảng. Đặc biệt tại các khu vực cảng cửa ngõ như Lạch Huyện và Cái Mép – Thị Vải, luồng tàu, khu neo, bến, thủy triều, hoa tiêu, lai dắt và quy tắc giao thông hàng hải cần được xem xét như một hệ thống động có nhiều ràng buộc không gian – thời gian.

Đề tài “Nghiên cứu nâng công suất khai thác và giảm nguy cơ tắc nghẽn luồng tàu biển bằng mô phỏng số kết hợp với mô hình học tăng cường” hướng tới xây dựng một hệ thống mô hình hóa – mô phỏng – học tăng cường nhằm học và đề xuất chính sách điều hành luồng tàu tối ưu hoặc gần tối ưu. Mục tiêu chính là nâng cao năng lực thông qua, giảm thời gian chờ và hỗ trợ điều hành khai thác cảng dựa trên dữ liệu định lượng.

Hiện nay, việc điều hành luồng tàu tại nhiều khu vực cảng biển vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm chuyên gia, quy tắc cố định, nguyên tắc ưu tiên tĩnh hoặc xử lý theo tình huống. Các phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và dễ áp dụng, nhưng có thể bộc lộ hạn chế khi lưu lượng tàu tăng cao, xuất hiện nhiều tàu lớn nhạy triều, luồng và bến bị ràng buộc mạnh, đồng thời phải cân bằng nhiều mục tiêu như năng lực thông qua, thời gian chờ, tính công bằng, ổn định vận hành và an toàn hàng hải.

Cách tiếp cận của đề tài là kết hợp mô phỏng sự kiện rời rạc, dữ liệu AIS/VTS, mô hình tối ưu hóa và học tăng cường để mô tả toàn bộ quá trình vận hành luồng – bến – khu neo – thủy triều – hoa tiêu – lai dắt. Mô hình mô phỏng sẽ tái hiện các sự kiện chính như tàu đến, chờ vào luồng, bắt đầu vào luồng, kết thúc hành trình vào, bắt đầu phục vụ tại bến, rời bến và ra luồng. Đồng thời, mô hình xét đến các ràng buộc thực tế như độ sâu luồng, cửa sổ thủy triều, chiếm dụng đoạn luồng, chiều chạy trong luồng, vùng quay trở, thời gian phục vụ bến và tình trạng khả dụng của các tài nguyên khai thác.

Một điểm mới quan trọng của đề tài là thiết kế môi trường học tăng cường cho bài toán điều hành luồng tàu. Trong môi trường này, hệ thống sẽ quan sát trạng thái vận hành như thời gian hiện tại, mực triều, số tàu đang chờ vào/ra, trạng thái các đoạn luồng, trạng thái bến, thời gian bến rảnh gần nhất và các hành động khả thi. Trên cơ sở đó, tác nhân học tăng cường có thể đề xuất các hành động như giữ tàu chờ, cho tàu vào, cho tàu ra, tổ chức đoàn tàu, ưu tiên tàu nhạy triều, ưu tiên tàu chờ lâu hoặc đổi chiều khai thác luồng.

Hàm thưởng của mô hình được thiết kế theo hướng thực dụng, gắn với mục tiêu khai thác cảng. Hệ thống được thưởng khi hoàn thành lượt tàu, tăng năng lực thông qua và sử dụng hiệu quả tài nguyên; đồng thời bị phạt khi thời gian chờ neo, chờ luồng, chờ bến tăng cao, luồng bị nhàn rỗi, hành động không khả thi, đổi chiều quá mức hoặc mất cân bằng giữa tàu vào và tàu ra. Nhờ đó, mô hình không chỉ tìm cách giảm thời gian chờ trung bình, mà còn hướng tới vận hành ổn định, công bằng và an toàn hơn.

Kết quả dự kiến của nghiên cứu bao gồm: bộ dữ liệu đầu vào chuẩn hóa; mô hình mô phỏng luồng tàu – bến cảng; môi trường học tăng cường tích hợp với mô phỏng; bộ tham số reward có thể hiệu chỉnh; chính sách điều hành RL được huấn luyện offline; bảng so sánh giữa RL với các phương pháp nền như FCFS, priority rule và heuristic; cùng kiến trúc hệ thống hỗ trợ vận hành gần thời gian thực. Đề tài cũng đề xuất thử nghiệm pilot trên một tuyến luồng, cụm bến hoặc ca vận hành cụ thể theo chế độ “shadow mode”, trong đó mô hình đóng vai trò hệ thống gợi ý và con người vẫn giữ quyền quyết định cuối cùng.

Về ý nghĩa thực tiễn, nghiên cứu có thể hỗ trợ cơ quan quản lý hàng hải và doanh nghiệp cảng đánh giá năng lực khai thác hiện hữu, nhận diện điểm nghẽn, thử nghiệm các phương án tổ chức luồng và điều độ tàu trước khi áp dụng ngoài thực tế. Việc ứng dụng mô phỏng số và học tăng cường giúp tăng năng suất khai thác, giảm nguy cơ ùn tắc luồng tàu, hỗ trợ ra quyết định đầu tư và thúc đẩy chuyển đổi số trong hạ tầng logistics – cảng biển Việt Nam. Đồng thời, đề tài tạo nền tảng cho xây dựng hệ thống hỗ trợ điều hành thông minh, hướng tới mô hình cảng biển hiện đại, an toàn và vận hành dựa trên dữ liệu.