Application of mathematical programming for optimal programming of Vietnamese fishing fleet

Abstract

The Vietnamese fishing fleet has been developing spontaneously without programming and control. It has bring about detrimental effect on the operate of fishing fleet, especially with a serious impact on the resources. The programming of the fishing fleet, that has been set up by the our fisheries authority, but so far there is no satisfactory solution for the complexity of the problem. In this paper, we present the research results of the application of mathematical programming to build a mathematical model, algorithms and programming to solve the programing problem for Vietnamese fishing fleet. This is base to determine optimal size and distribution of specific fishing fleet to achieve the highest profit with the economic, technical and fishing ground constrains with the aim of ensuring the fishing sustainable development. This research have been applied to learn the concrete conclusions regarding optimal size and dítribution under power, fishing gear and ground of fishing fleet in Ninh Thuan province. The results show that the mathematical programming model has been well suited to the reality. It is required to decrease the size of small power fishing boat fleet that exploits in coastal areas and increse the size of high power fishing boat fleet that exploits in offshore areas.

GIỚI THIỆU

Với bờ biển dài gần 3.000 km, cùng nguồn tài nguyên biển phong phú, đa dạng nên ngành thủy sản nói chung và đội tàu khai thác nói riêng có vai trò quan trọng đối với đất nước. Tuy vậy đội tàu khai thác nước ta hiện rất yếu kém, với đa số là tàu nhỏ, thiết bị thô sơ và thiếu đồng bộ, phương thức bảo quản lạc hậu, tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch đến (20 – 30)% 1 . Đặc biệt, do thiếu quy hoạch và kiểm soát của cơ quan quản lý nên đội tàu khai thác phát triển tự phát, cơ cấu chưa hợp lý dẫn đến số lượng tàu đánh bắt vượt nhiều so với trữ lượng hiện có làm nguồn lợi hải sản, nhất là vùng ven bờ bị khai thác quá mức làm suy giảm và cạn kiệt nguồn lợi ở nhiều năm qua. Các nghề ảnh hưởng lớn nguồn lợi như lưới kéo, pha xúc… vẫn chiếm tỉ lệ lớn trong khi trữ lượng không đáp ứng làm nguồn lợi và năng suất đánh bắt giảm, do đó cần nghiên cứu mô hình quy hoạch tối ưu đội tàu để tránh tình trạng năng lực khai thác quá thừa hoặc quá thiếu và vẫn bảo vệ nguồn lợi để đảm bảo sự phát triển ổn định và bền vững cho nghề cá cụ thể. Bài toán quy hoạch đội tàu khai thác, mặc dù đã được cơ quan quản lý nghề cá nước ta đặt ra từ lâu nhưng hiện vẫn chưa có lời giải thỏa đáng vì sự phức tạp cả về lý thuyết và thực tiễn. Ở các nước phát triển, mặc dù bài toán cũng được giải quyết 2 nhưng thực tế vẫn không thể áp dụng cho đội tàu khai thác nước ta với quy mô sản xuất nhỏ lẻ, lạc hậu và sở hữu tư nhân. Do đó những nghiên cứu có liên quan đến mô hình quy hoạch đội tàu khai thác ở nước ta vẫn chỉ dựa trên số liệu thống kê mang tính chất định tính, chưa dựa trên cơ sở khoa học 3 , 1 .

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung quy hoạch đội tàu khai thác thủy sản là xác định số lượng (quy mô đội tàu) tối ưu và dựa trên cơ sở đó xác định cơ cấu hợp lý của đội tàu, tức phân bố số lượng tàu theo nghề, công suất, ngư trường, mùa vụ phù hợp với một ghề cá cụ thể, đảm bảo lợi nhuận thu được của các tàu đánh bắt là cao nhất trong các điều kiện ràng buộc về mặt kinh tế, kỹ thuật và nguồn lợi nhằm phát triển bền vững nghề cá đang xét 3 , 2 . Về mặt phương pháp, bài toán được giải quyết dựa trên cơ sở ứng dụng lý thuyết về toán tối ưu để xây dựng mô hình toán, với giá trị hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc phù hợp thực tế của đội tàu khai thác thủy sản ở nước ta hiện nay, từ đó xây dựng giải thuật và lập trình giải bài toán tìm lời giải tối ưu của bài toán về số lượng và cơ cấu nghề đội tàu khai thác 4 .

Mô hình bài toán quy hoạch đội tàu khai thác Việt Nam

Tương tự bài toán tối ưu tổng quát, bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác cũng gồm các thành phần là dữ liệu đầu vào (kể cả biến quết định), hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 4 . Đối với bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác thủy sản, các thành phần nêu trên được xác định như sau 3 .

Mô hình bài toán quy hoạch đội tàu khai thác Việt Nam

Tương tự bài toán tối ưu tổng quát, bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác cũng gồm các thành phần là dữ liệu đầu vào (kể cả biến quết định), hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 4 . Đối với bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác thủy sản, các thành phần nêu trên được xác định như sau 3 .

Mô hình bài toán quy hoạch đội tàu khai thác Việt Nam

Tương tự bài toán tối ưu tổng quát, bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác cũng gồm các thành phần là dữ liệu đầu vào (kể cả biến quết định), hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 4 . Đối với bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác thủy sản, các thành phần nêu trên được xác định như sau 3 .

Mô hình bài toán quy hoạch đội tàu khai thác Việt Nam

Tương tự bài toán tối ưu tổng quát, bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác cũng gồm các thành phần là dữ liệu đầu vào (kể cả biến quết định), hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 4 . Đối với bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác thủy sản, các thành phần nêu trên được xác định như sau 3 .

Giải thuật và lập trình giải bài toán quy hoạch tối ưu cho đội tàu khai thác

Với mô hình của bài toán tối ưu đã xác lập trong phần trên, tiến hành xây dựng giải thuật và lập trình tìm lời giải tối ưu cho bài toán để xác định số lượng tàu (quy mô đội tàu) tối ưu. Sau đó tăng dần số lượng chuyến biển của đội tàu có lợi nhuận cao nhất đến khi đạt sản lượng khai thác tối đa cho phép của đội tàu đang tính với loại hải sản đang đánh thì dừng lại chuyển sang tính tương tự đội tàu khác sẽ nhận được phân bố tối ưu số lượng tàu theo nghề, khu vực và mùa vụ ( Figure 1 ) 5 . Nhờ sử dụng điều kiện dừng hàm mục tiêu là tổng sản lượng đánh bắt của toàn đội tàu nên kết quả xác định nghiệm tối ưu của bài toán đảm bảo tính toàn cục chứ không tối ưu cục bộ. Mô hình quy hoạch đội tàu khai thác thủy sản như đã nêu là bài toán quy hoạch phi tuyến đa cấp và đa mục tiêu, trong đó đa mục tiêu là cần vì các chính sách quản lý nghề cá được đặc trưng bởi nhiều mục tiêu khác nhau, mà người ra quyết định đều mong đạt đến mức độ tối ưu nhất, còn nội dung đa cấp là sự kết hợp giữa mục tiêu của nhà quản lý – người hoạch định chính sách và ngư dân – người thực thi các chính sách đưa ra. Do tính chất phức tạp và số lượng biến lớn (gần 600 biến) 3 , chúng tôi giải bài toán tối ưu theo thuật toán di truyền GA (Genetic Algorithm) – thuật toán tìm lời giải tối ưu hiệu quả được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực, nhất là với bài toán có nhiều biến và quy mô quá lớn như bài toán đang khảo sát. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã lập trình xây dựng mô hình và tìm lời giải bài toán tối ưu trên phần mềm GAMS (General Algebraic Modeling System) của công ty cổ phần GAMS phát triển năm 1996, trong đó có sử dụng phần mềm Microsoft Excel của Microsoft để quản lý các cơ sở dữ liệu và lời giải xuất ra từ chương trình 5 .

Figure 1 . Sơ đồ giải thuật giải bài toán quy hoạch đội tàu khai thác thủy sản để xác định số lượng và phân bố tối ưu của đội tàu thác thủy sản.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã tiến hành khảo sát nghề cá ở tỉnh Ninh Thuận – địa phương nghề cá khu vực miền Trung Việt nam để thu thập các dữ liệu thực tế của các thông số đầu vào để vận hành mô hình và chạy kiểm tra chương trình, nhận được các kết quả cụ thể như sau.

Năng lực và cơ cấu của đội tàu khai thác Ninh Thuận

Theo số liệu thống kê ở Table 1 , giai đoạn từ 2005 đến 2012, năng lực đội tàu cá Ninh Thuận thay đổi theo hướng tăng nhanh số lượng tàu công suất dưới 20 CV và tàu công suất trên 90 CV, chứng tỏ hoạt động khai thác của ngư dân Ninh Thuận chủ yếu vẫn diễn ra ở các vùng biển ven bờ. Từ năm 2012 đến 2016, năng lực đội tàu thay đổi theo hướng tích cực khi tăng mạnh số tàu trên 400 CV, số lượng tàu cá dưới 20 CV hoạt động ven bờ từ 1.396/2,580 tàu ở năm 2012 (chiếm tỷ lệ 54,1%) giảm xuống 1.168/2.706 tàu ở năm 2016 (chiếm tỷ lệ 37,4%) tổng số tàu cá toàn tỉnh, chứng tỏ hoạt động khai thác của ngư dân ở tỉnh Ninh Thuận thời gian qua chuyển từ vùng ven bờ ra xa bờ. Nhìn chung, đội tàu khai thác hải sản của tỉnh cũng phát triển tự phát, công nghệ đánh bắt lạc hậu nên không thể đánh xa bờ và với số lượng tàu cá có công suất dưới 20 CV chiếm 47,2% tổng số tàu cá toàn tỉnh nên nghề cá Ninh Thuận được xem là chậm phát triển hơn so với các tỉnh trong khu vực.

Table 1 Năng lực và cơ cấu đội tàu khai thác Ninh Thuận 3

TT	Danh mục	Đơn vị	Số lượng tàu (chiếc)
			2005	2012	2016
I. Cơ cấu nghề
1	Lưới kéo	chiếc	148	135	132
2	Vây rút chì	chiếc	262	181	217
3	Rê nylon	chiếc	566	1.128	612
4	Câu các loại	chiếc	153	268	694
5	Pha xúc	chiếc	388	508	606
6	Nghề khác	chiếc	281	368	445
7	Dịch vụ hậu cần	chiếc	12	20	50
II. Tổng số tàu cá		chiếc	1.810	2.608	2.706
8	Tổng công suất	CV	83.500	198.349	312.272
9	Công suất bình quân	CV/chiếc	46,1	76,8	115,4
III. Phân nhóm công suất
10	< 20	CV	818	1.396	1.168
11	(20 ¸ 49)	CV	495	429	398
12	(50 ¸ 89)	CV	218	225	173
13	(90 ¸ 249)	CV	251	284	431
14	(250 ¸ 399)	CV	24	199	368
15	≥ 400	CV	4	47	168

Xây dựng dữ liệu đầu vào

Xây dựng dữ liệu đầu vào

Kết quả chạy chương trình quy hoạch tối ưu

Với số liệu đầu vào của nghề cá Ninh Thuận như đã nêu, tiến hành chạy chương trình quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác theo 2 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: xác định cường lực khai thác, tức số lượng tàu (hay số chuyến biển) và phân bố nó theo khu vực và mùa vụ

- Giai đoạn 2: dựa vào dữ liệu để xác định sản lượng đánh bắt và lợi nhuận của chủ tàu và thu nhập thực tế của thủy thủ.

Kết quả xuất ra

Kết quả vận hành mô hình cho phép thu được các kết quả cụ thể như sau.

Kết quả xuất ra

Kết quả vận hành mô hình cho phép thu được các kết quả cụ thể như sau.

Kết quả xuất ra

Kết quả vận hành mô hình cho phép thu được các kết quả cụ thể như sau.

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu đã xây dựng mô hình, giải thuật và chương trình giải bài toán quy hoạch tối ưu đội tàu khai thác phù hợp với đặc thù nghề cá Việt Nam nói chung và của tỉnh Ninh Thuận nói riêng, đảm bảo lợi nhuận đội tàu khai thác là lớn nhất trong các ràng buộc về hiệu quả kinh tế, xã hội và nguồn lợi nhằm phát triển ổn định và bền vững cho nghề cá. Với dữ liệu đầu vào của mô hình có liên quan trực tiếp đến nghề cá một địa phương, gồm năng suất khai thác CPUE của các đội tàu khai thác, các thông số kinh tế (tổng chi phí cho đội tàu, thời gian chuyến biển và thu nhập của thủy thủ đoàn) và các yếu tố thị trường (giá mua bán các sản phẩm khai thác và nguyên vật liệu), kết quả đầu ra sẽ là số lượng và cơ cấu nghề hợp lý của đội tàu khai thác ở địa phương phân bố theo nghề, nhóm công suất, mùa vụ đánh bắt và khu vực khai thác. Kết quả này sẽ là cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng để cơ quan quản lý nghề cá nước ta tiến hành sắp xếp, điều chỉnh cơ cấu đội tàu khai thác theo nghề, nhóm công suất, mùa vụ và khu vực đánh bắt, theo hướng giảm bớt số lượng các tàu có công suất nhỏ khai thác ven bờ và phát triển đội tàu công suất lớn đánh xa bờ nhằm tăng cường năng lực và hiệu quả khai thác của từng nghề, góp phần nâng cao đời sống của ngư dân.

LỜI CÁM ƠN

Bài báo thuộc thể loại nghiên cứu được viết dựa trên kết quả đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình tổ, đội tàu khai thác thủy sản trên biển xa phù hợp với nghề cá hiện nay của tỉnh Ninh Thuận” theo đặt hàng của Ủy ban nhân dân tỉnh Ninh Thuận.

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CPUE - Catch Per Unit Effort: Năng suất khai thác

GA - Genetic Algorithm: Thuật toán di truyền

GAMS - General Algebraic Modeling System

TUYÊN BỐ VỀ XUNG ĐỘT LỢI ÍCH

Tác giả xin cam kết là không có sự xung đột lợi ích nào trong việc công bố bài báo này. Nếu có bất kỳ xung đột lợi ích nào phát sinh, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với bài báo.

TUYÊN BỐ ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ

Tác giả xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng mình và chịu trách nhiệm hoàn toàn đối với nội dung bài báo.