Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGÔ ĐĂNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH HIỆN ĐẠI HĨA QUẢN LÝ VẬN HÀNH HỆ THỐNG TƢỚI Chuyên ngành: QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Mã số chuyên ngành: 62-62-30-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016 Luận án hoàn thành Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học GS TS Bùi Hiếu Người hướng dẫn khoa học PGS TS Lê Văn Ƣớc Phản biện 1: PGS TS Hà Lƣơng Thuần Phản biện 2: TS Lê Văn Chín Phản biện 3: TS Đinh Thanh Mừng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trƣờng Đại học Thủy lợi 175 phố Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội vào lúc ngày tháng 04 năm 2016 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án 1.1 Tính cấp thiết thực tiễn Ở Việt Nam, hiệu quản lý khai thác hệ thống tưới (HTT) đạt 65 - 80% so với thiết kế [3], [4] Hệ số sử dụng nước HTT nói chung nhỏ 0,82 Mặt khác, tình trạng ngập úng cục cung cấp nước lấy nước thừa nhiều hệ thống làm cho suất trồng giảm sút đáng kể Hầu hết HTT vùng đồng nhiều HTT vùng đồi núi hệ thống động lực Năng lượng tiêu thụ chi phí quản lý vận hành (QLVH) hàng năm lớn Vì vậy, việc quản lý khai thác (QLKT), vận hành hiệu HTT có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng [2], [3], [5] Yêu cầu nước cho nông nghiệp, dân sinh ngành kinh tế khác thường xuyên thay đổi ngày gia tăng Sự cạnh tranh nước đối tượng dùng nước trở nên căng thẳng phức tạp nhiều Hiện nay, chế kinh tế thị trường tiêu thụ nước nước ta phát triển theo xu hướng “nước hàng hố” Do đó, với công tác không ngừng nâng cao hiệu QLKT, nhiệm vụ cơng ty QLKT CTTL cịn phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước đúng, đủ, kịp thời, tin cậy, linh hoạt công theo yêu cầu dùng nước Muốn vậy, công tác QLVH HTT cần phải đại hóa [1], [6], [3], [7] Trên giới, nhiều HTT giám sát điều khiển (GS&ĐK) tự động từ xa nhờ mơ hình đại hóa QLVH [1], [8] Tuy vậy, chưa có mơ hình ứng dụng thích hợp hồn tồn cho QLVH HTT điều kiện VN Ở nước ta, có nhiều mơ hình đại hóa GS&ĐK HTT ứng dụng hầu hết mơ hình chưa đáp ứng yêu cầu cung cấp dịch vụ cách xác, tin cậy, linh hoạt, cơng khó áp dụng rộng rãi… Hơn nữa, tất mơ hình đại hóa QLVH VN giới có hạn chế hỗ trợ, thực vài khâu độc lập cơng tác quản lý HTT… Để góp phần thực Nghị IX “Đẩy mạnh cơng nghiệp hố, đại hố nơng nghiệp nông thôn” đề án: “Nâng cao hiệu quản lý khai thác cơng trình thủy lợi có“ Bộ Nơng nghiệp PTNT, năm tới việc sâu nghiên cứu xây dựng mơ hình đại hóa QLVH HTT thích hợp với điều kiện thực tế nước ta nhiệm vụ cấp bách 1.2 Tính cấp thiết lý luận Hiện tương lai, mục tiêu quản lý khai thác, vận hành HTT khơng cịn đơn phân phối đủ nước theo nhu cầu mà đồng thời phải đạt mục tiêu khác kinh tế, tài chính, xã hội, mơi trường tiết kiệm tài nguyên nước [1], [3], [8]… Vì vậy, số giả thiết khoa học phương pháp luận tính tốn QLKT, vận hành khơng xét đến hàm mục tiêu nên khơng cịn hồn tồn phù hợp với thực tế Các HTT có nhiệm vụ phải đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước cho nhiều đối tượng khác có nhu cầu dùng nước thường xuyên thay đổi Về mặt lý thuyết cần phải đề xuất sở khoa học phương pháp luận QLVH thời gian thực cho HTT đạt hiệu cao Lý thuyết phân tích hệ thống, lý thuyết tối ưu, lý thuyết định lý thuyết dự báo nghiên cứu ứng dụng có hiệu nhiều ngành kinh tế, khoa học kỹ thuật xã hội chưa ứng dụng sâu, rộng lĩnh vực QLVH HTT Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng lý thuyết kể giải hồn chỉnh toán QLVH HTT Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất xây dựng, phát triển mơ hình đại hóa QLVH HTT thích hợp với điều kiện thực tế Việt Nam nhằm nâng cao hiệu toàn diện QLKT, vận hành HTT đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước xác, kịp thời, tin cậy, linh hoạt công cho đối tượng dùng nước Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu HTT tự chảy tưới động lực phục vụ nông nghiệp, cấp nước cho dân sinh, công nghiệp ngành kinh tế khác Phạm vi nghiên cứu: vấn đề QLVH HTT kênh hở có cơng trình đầu mối trạm bơm, cống lấy nước; không xét nguồn nước hồi quy, nội đồng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Trước hết ý nghĩa khoa học, Luận án góp phần phát triển, bổ sung bước đầu sở khoa học phương pháp luận số lĩnh vực chun sâu: - Mơ hình hóa giải tốn lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” HTT theo mơ hình tốn học quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu - Quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực) - Công nghệ quản lý vận hành HTT thông qua mạng Internet UMTS… Về ý nghĩa thực tiễn, sản phẩm Luận án trợ giúp đắc lực cho cơng ty QLKT CTTL, phịng nông nghiệp,… đưa định đắn thời vụ gieo trồng, cấu trồng diện tích canh tác, kế hoạch thực kế hoạch QLVH,… nhằm nâng cao hiệu toàn diện kinh tế kỹ thuật, xã hội, môi trường,…của HTT, sử dụng “tối ưu” tài nguyên đất, nước, trồng để đạt lợi ích thực thu diện tích canh tác lớn nhất; sử dụng nước nhất; thiếu hụt nước so với nhu cầu dùng nước nhỏ Ý nghĩa thực dụng tạo công cụ thực trợ giúp đại hóa QLVH để bước tiến tới tự động hố QLVH tự động từ xa góp phần thực nhiệm vụ cơng nghiệp hố đại hố đất nước Những đóng góp luận án Đề xuất xây dựng mơ hình đại hóa QLVH HTT có đầy đủ chức hỗ trợ thực nhiệm vụ: quản lý nước theo số liệu quan trắc thực tế, quản lý cơng trình quản lý kinh tế công ty QLKT Đề xuất sở khoa học mơ hình hóa tốn lập kế hoạch QLKT “tối ưu” liên kết với toán lập kế hoạch dùng nước, vận hành HTT theo mô hình tốn học quy hoạch phi tuyến, đa mục tiêu nhằm đạt đồng thời mục tiêu Xây dựng phát triển số công cụ QLVH theo hướng đại hóa giúp cho người quản lý thực công việc GS&ĐK theo số liệu quan trắc vào lúc nào, từ nơi đâu có mạng Internet hay mạng điện thoại di động Cải tiến, phát triển sở khoa học cho mơ hình cơng nghệ SCADA (IP Modem - RTU) sử dụng mạng Internet mạng viễn thơng di động tồn cầu có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện VN tổng vốn đầu tư không 28% so với hầu hết mơ hình SCADA ứng dụng Xây dựng tảng công nghệ cho việc phát triển công cụ HĐH QLVH thông qua việc tạo website http://www.hiendaihoaqlvh.com giúp cho công ty QLKT tự xây dựng trang web đại hóa QLVH HTT họ tự động từ xa HTT cịn QLVH thủ công Cấu trúc luận án Luận án gồm 147 trang thuyết minh, trang liệt kê danh mục 10 cơng trình cơng bố tác giả, trang liệt kê 82 tài liệu tham khảo) 54 trang phụ lục Nội dung bao gồm phần mở đầu, phần kết luận chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết nghiên cứu thảo luận CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới Trong vòng 30 năm qua có nhiều mơ hình phần mềm quản lý vận hành HTT xây dựng phát triển [15], [8], [2] Có thể sơ phân loại mơ hình QLVH thành nhóm khác nhau: Nhóm 1: Các mơ hình lập kế hoạch tưới Nhóm 2: Các mơ hình lập kế hoạch QLVH giám sát, điều khiển bán tự động Nhóm 3: Các mơ hình giám sát điều khiển tự động từ xa (SCADA) Trong phần nghiên cứu tổng quan tập trung sâu nghiên cứu mơ hình HĐH QLVH (nhóm 3) 1.1.1 Các cơng trình nghiên cứu mơ hình lập kế hoạch QLVH GS&ĐK bán tự động Các cơng trình nghiên cứu mơ hình lập kế hoạch QLVH GS&ĐK bán tự động nói chung xây dựng thuật toán, phần mềm lập kế hoạch tưới, tính tốn xác định thơng số vận hành CTTL thiết lập số hệ thống GS&ĐK bán tự động chỗ CTTL chủ chốt Luận án phân tích, đánh giá tổng quan cơng trình nghiên cứu tiêu biểu sau đây: Phân tích điều khiển hệ thống tưới (INCA) Vận hành hệ thống tưới (IMSOP) Mơ hình lập kế hoạch phân phối nước vận hành (OPDM) Quản lý vận hành kênh tưới (CanalMan) Lập kế hoạch quản lý tưới (IMS) Mơ hình đánh giá nước đất (SWAT) Tính tốn tưới cho hệ thống dùng nước mặt hồ chứa (RUSTIC) Quản lý vận hành hệ thống tưới (OMIS) Quy hoạch trồng vận hành hệ thống tưới (CPOIS) Từ tổng hợp ưu, nhược điểm khả ứng dụng mô hình QLVH vào Việt Nam bảng 1.2 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu mơ hình giám sát điều khiển tự động từ xa (SCADA) Hiện nay, cơng trình nghiên cứu mơ hình GS&ĐK tự động từ xa sâu nghiên cứu xây dựng thuật tốn, phần mềm tính tốn QLVH ứng dụng công nghệ tiên tiến, đại việc GS&ĐK tự động CTTL từ trung tâm điều hành Những cơng trình nghiên cứu tiêu biểu tiêu biểu: Quản lý dòng chảy chất lượng nước (FQM) Quản lý vận hành với trợ giúp máy tính (EAO) Hệ thống đo đạc điều khiển từ xa (TC/TM) Mơ hình giám sát điều khiển Klamath (Klamath SCADA) Giám sát nước - trồng hệ thống thông tin quản lý (CWMIS) Mơ hình kết nối đồng ruộng (FarmConnect Model)… Từ nghiên cứu tổng quan tổng hợp ưu, nhược điểm khả ứng dụng mơ hình SCADA vào Việt Nam bảng 1.2 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu Việt Nam Đến năm cuối kỷ 20 có số cơng trình nghiên cứu mơ hình QLVH theo hướng đại hoá Từ năm 2001 đến năm 2004, ba đề tài NCKH đại hóa QLVH thuộc Chương trình KHCN trọng điểm cấp Bộ: “Nâng cấp, bước đại hóa, đa dạng hóa mục tiêu khai thác sử dụng CTTL” [3] sâu nghiên cứu xây dựng mơ hình: SCADA/MAC, VKHTLMB SCADA, VKHTLMN SCADA Từ năm 2008 - 2012, Dự án VWRAP nghiên cứu xây dựng mơ hình cơng nghệ SCADA khác BCEOM1, BCEOM2, HASKONING, BRLI Trong Luận án phân tích, đánh giá tổng quan tổng hợp ưu, nhược điểm khả ứng dụng mơ hình kể bảng 1.2 1.3 Định hƣớng nghiên cứu xây dựng, phát triển mơ hình đại hóa quản lý vận hành hệ thống tƣới Trên sở phân tích, đánh giá tổng hợp ưu, nhược điểm hướng phát huy, khắc phục nêu bảng 1.2 cho thấy: mơ hình đại hóa QLVH cần nghiên cứu phát triển theo hướng tiếp cận lý thuyết phân tích hệ thống; hỗ trợ, thực GS&ĐK thủ công, bán tự động, tự động từ xa nhằm đáp ứng nhiệm vụ cơng tác QLVH… Bảng 1.2: Tổng hợp ưu, nhược điểm mơ hình đại hóa QLVH hướng phát huy, khắc phục TT Ưu điểm Nhược điểm, hạn chế Hầu hết mơ hình chưa đề cập đến việc nâng cao hiệu toàn diện HTT Chỉ CPOIS, SCADA/MAC có chức lập kế hoạch khai thác với số mục tiêu Hướng phát huy, khắc phục Mơ hình đại hóa QLVH cần xem xét giải toán quản lý khai thác “tối ưu“ đa mục tiêu Nhiều mơ hình có chức thực kế hoạch QLVH dựa số liệu quan trắc KTTV, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất,… Xu hướng QLVH GS&ĐK thông qua mạng Internet vệ tinh (SWAT, CWMIS, FarmConnect,… Phần lớn MH công nghệ GS&ĐK hệ thống SCADA có chức hỗ trợ QLVH phần mềm SCADA độc lập với phần mềm QLVH Dẫn đến QLVH khó đáp ứng yêu cầu GS&ĐK tức thời, nhanh chóng xử lý cố,… Phần lớn mơ hình trọng đến vấn đề quản lý nước GS&ĐK Rất mơ hình (SIMIS, UNSTEADY) có chức quản lý cơng trình quản lý kinh tế Ở VN ứng dụng công nghệ SCADA thuộc hệ thứ không hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet - Để dịch vụ cung cấp nước đạt hiệu cao, cần QLVH HTT theo số liệu quan trắc tức thời - N/C xây dựng phần mềm HĐHQLVH lồng ghép với thuật tốn điều khiển cơng nghệ SCADA Mơ hình đại hóa QLVH cần hỗ trợ thực nhiệm vụ công ty QLKT CTTL: quản lý nước, quản lý cơng trình quản lý kinh tế Cần ứng dụng công nghệ SCADA tảng Internet UMTS cách phát triển cơng nghệ lập trình mạng giao thức truyền thông Vốn đầu tư lớn, trang thiết bị thường phải nhập ngoại đắt tiền phải mua theo hợp đồng trọn gói… Tính tốn bốc nước ETc kế hoạch QLVH dựa số liệu khí tượng, thủy văn trung bình tháng nhiều năm hay với tần suất nên kết thường sai khác so với thực tế [36], [37] Các mô hình giới địi hỏi kiến thức, kỹ CNTT cao phải thạo tiếng Anh,… N/C giải pháp khả thi phương thức truyền thơng, tích hợp SCADA theo xu hướng IP RTU… Cần nghiên cứu lựa chọn ứng dụng phương pháp thích nghi tính tốn dự báo yếu tố khí tượng, thủy văn QLVH với độ xác tin cậy cao Mơ hình phần mềm phải đơn giản, hỗ trợ theo tình (ngữ cảnh) Định hướng nghiên cứu: Mơ hình đại hóa QLVH bao gồm chức năng: Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu” Lập kế hoạch dùng nước Lập kế hoạch vận hành hệ thống Giám sát điều khiển hệ thống tự động từ xa Quản lý cơng trình Đánh giá hiệu quản lý vận hành (Quản lý kinh tế) CHƢƠNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mơ hình lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” hệ thống tưới Nghiên cứu xây dựng mơ hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực) Nghiên cứu đại hóa quản lý vận hành giám sát, điều khiển hệ thống tưới thông qua mạng Internet mạng viễn thơng di động tồn cầu (Website GS&ĐK, phần mềm HĐH QLVH, sở liệu trực tuyến, ) Nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát điều khiển Ngoài ra, nội dung đưa vào nghiên cứu kết hợp, lồng ghép với nội dung để khép kín chu trình nâng cao hiệu QLKT: Nghiên cứu xây dựng sở liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý vận hành công trình hệ thống tưới Nghiên cứu cải tiến, phát triển công cụ đánh giá hiệu quản lý khai thác hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu hệ thống tưới 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tổng quát Luận án kết hợp lý luận với thực tiễn: điều tra, thu thập, quan trắc số liệu thiết lập mơ hình, phần mềm tính tốn phân tích, mơ máy vi tính mạng Internet UMTS, thử nghiệm kiểm chứng mơ hình phần thông qua số liệu đo đạc, quan trắc thực tế quản lý vận hành HTT [43] 2.2.1 Phương pháp mơ hình hóa 2.2.1.1 Mơ hình hóa toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới Lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” HTT tốn thực tế phức tạp, địi hỏi phải thiết lập mơ hình quy trình tối ưu để giải toán theo bước: * Bước 1: Phân tích xác định cách định tính mục tiêu cần đạt QLKT, vận hành HTT * Bước 2: Xác định điều kiện kỹ thuật, kinh tế, xã hội cần thoả mãn * Bước 3: Xác định sơ thơng số (biến số) biểu thị trạng thái HTT * Bước 4: Lập sơ đồ khối biểu thị cấu trúc chế hoạt động HTT * Bước 5: Thiết lập biểu thức toán học biểu thị hàm mục tiêu thông qua biến vào, biến biến điều khiển * Bước 6: Biểu thị điều kiện ràng buộc biểu thức bất đẳng thức tốn học, thuỷ lực, thuỷ nơng, Bước thực dựa sở khoa học, lý thuyết toán học toán quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu [54] * Bước 7: Đưa hàm mục tiêu ràng buộc xác định (bước 6) dạng tắc để giải toán quy hoạch phi tuyến tối ưu đa mục tiêu: {F1(X, C, Y), F2(X, C, Y), , Fm(X, C, Y)} (2-1) CS Với gj(C)  (2-2) Những năm gần đây, phương pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu (tiếng Anh là: Multi-objective differential evolution, viết tắt là: MODE) ứng dụng ngày rộng rãi nhiều nước giới với lý có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng, thích hợp cho việc lập trình tính tốn song song máy vi tính; cho phép tính tốn tối ưu tất hàm mục tiêu cách đồng thời… 2.2.1.2 Mơ hình hóa tốn quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế Thực chất toán quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc thực tế hàng ngày phải thường xuyên cung cấp nước thời điểm, khoảng thời gian trồng cần nước đủ lượng nước theo nhu cầu sinh trưởng, phát triển (đúng công thức tưới tăng sản) - Hàm mục tiêu: Chênh lệch tổng lượng nước HTT cung cấp mặt ruộng cho trồng tổng nhu cầu nước thực tế trồng phải nhỏ nhất: | Wcc – Wyc |  Min (2-3) Trong đó: Wcc tổng lượng nước HTT cung cấp mặt ruộng Wyc tổng nhu cầu nước thực tế mặt ruộng loại trồng - Ràng buộc lớp nước mặt ruộng độ ẩm đất thực tế hàng ngày: phải luôn nằm khoảng cho phép công thức tưới tăng sản: [hmin] ≤ hi ≤ [hmax] [ min] ≤  i ≤ [ max] - Các thông số điều khiển trực tiếp là: số máy bơm làm việc, lưu lượng máy bơm, thời gian bơm nước máy bơm; độ mở cửa cống lấy nước, - Tổng diện tích gieo trồng loại trồng vùng đất canh tác thứ v vụ khơng lớn diện tích đất canh tác Sv: nc (3-5)  c 1 S c ,v  S v - Diện tích gieo trồng loại trồng c vùng đất canh tác thứ v vụ phải nhỏ diện tích lớn cho phép [Smax]c,v phải lớn diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v để đáp ứng nhu cầu cần thiết lương thực, thực phẩm người dân thị trường tiêu thụ: [Smin]c,v ≤ Sc,v ≤ [Smax]c,v (3-6) * Những ràng buộc khả cơng trình đầu mối nguồn nước: Ràng buộc khả cơng trình đầu mối bao gồm tất thông số khống chế máy bơm, cống lấy nước, kênh dẫn nước * Những điều kiện ràng buộc nông nghiệp: Ngày bắt đầu kết thúc thời gian gieo trồng loại trồng mùa vụ phải nằm khoảng cho phép thời vụ theo nông lịch điều kiện khí tượng, thuỷ văn: T0_c,v  Tc,v  Tc_c,v (3-7) Trong đó: T0_c,v ngày cho phép bắt đầu gieo trồng loại trồng thứ c vùng đất thứ v vụ Tc_c,v ngày muộn phải gieo trồng loại trồng thứ c vùng đất v Tc,v ngày gieo trồng loại trồng thứ c vùng đất thứ v * Những điều kiện ràng buộc kinh tế thị trường: Những ràng buộc kết hợp với ràng buộc (3-6) diện tích lớn cho phép [Smax]c,v diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v * Những ràng buộc thực tế biến định phải số không âm: Sc,v  (3-8) Mc,v  (3-9) Tc,v  (3-10) 3.1.1.3 Các biến (tham số) định + Diện tích trồng trọt loại trồng loại đất khác vùng đất canh tác khác nhau: Sc,v Tổng số biến định Sc,v nv x nc + Thời gian (ngày bắt đầu) gieo trồng loại trồng vào đầu vụ năm thời gian cấp nước cho đối tượng khác: T0_c,v Tổng số biến định T0_c,v nv x nc + nk với nk tổng số đối tượng khác 11 Trong trường hợp HTT cung cấp nước tưới cho loại trồng, tổng số biến định trực tiếp bằng: nv x nc + nv x nc = x (nv x nc) 3.1.1.4 Các kết đầu Ngoài kết đầu biến định (mục 3.1.1.3) cịn có nhóm kết đầu quan trọng là: Kế hoạch dùng nước HTT, chế độ tưới cho loại loại trồng Kế hoạch vận hành cơng trình đầu mối 3.1.1.5 Kết nghiên cứu phát triển mở rộng thuật toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới * Bước 1: Khởi tạo tập hợp phương án (lời giải) ban đầu Tạo tập hợp có Ns phương án cách ngẫu nhiên theo phân phối (xác suất) phạm vi cho phép biến định Sc,v To_c,,v - Tính tốn xác định mức tưới toàn vụ Mc,v (các chế độ tưới), Qyc ~ t đầu HTT trình lưu lượng mà hệ thống cung cấp: Qkn ~ t - Gán số hệ tính tốn: g = Ký hiệu phương án ban đầu Cs,g với s = 1, 2, , x (nv x nc), g = 1, 2, , Ng với Ng số hệ tính tốn cần thiết * Bước 2: Tính tốn giá trị hàm mục tiêu phương án ban đầu Tính tốn hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo biểu thức 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 với s = 1, 2, , x (nv x nc) * Bước 3: Tính tốn tạo phương án đột biến - Ứng với phương án thứ s hệ tính tốn thứ g (ký hiệu Cs,g), lựa chọn cách ngẫu nhiên phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g khác khác với phương án Cs,g - Tính tốn xác định phương án đột biến: Vs,g+1 = Cr1,g + F.(Cr2,g – Cr3,g) Trong đó: F > hệ số tỉ lệ đột biến, chọn F khoảng [0,5  1,0] Với biến định Mc,v tốn tử Vs,g+1 khơng tính trực tiếp từ phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g mà trước hết phải tính tốn xác định To_c,v tính Mc,v cho tốn tử Vs,g+1 (Đây phần thuật toán tác giả Luận án phát triển mở rộng…) * Bước 4: Tính tốn xác định phương án trao đổi chéo hàm mục tiêu - Với phương án Cs,g phương án đột biến Vs,g+1 tương ứng tạo bước 3, tiến hành tính tốn xác định phương án trao đổi chéo Us,g+1: Us,g+1 = ud,s,g+1 = vd,s,g+1 rd ≤ Cr d = drnd Us,g+1 = ud,s,g+1 = cd,s,g rd > Cr d  drnd cd,s,g, vd,s,g+1, ud,s,g+1 biến số thứ d phương án Cs,g, phương án đột biến Vs,g+1 phương án trao đổi chéo Us,g+1 12 - Tính tốn xác định giá trị hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo biểu thức 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 cho phương án trao đổi chéo (s = 1, 2, , x (nv x nc) Cũng để tiện cho việc lập trình tính tốn, ký hiệu Fu_1,s,g+1(Us,g+1) = FLs,g, Fu_2,s,g+1(Us,g+1) = FSs,g, Fu_3,s,g+1(Us,g+1) = FIs,g, Fu_4,s,g+1(Us,g+1) = FDs,g * Bước 5: Tính tốn chọn lọc phương án cho hệ - So sánh giá trị hàm mục tiêu phương án trao đổi chéo Fu_i,s,g+1(Us,g+1) với phương án cha tương ứng Fi,s,g(Cs,g), số i = 1, 2, 3, 4: + Nếu Fu_i,s,g+1(Us,g+1) trội Fi,s,g(Cs,g) điều kiện ràng buộc không bị vi phạm phương án Cs,g vi phạm điều kiện ràng buộc chọn phương án Us,g+1 cho hệ kế tiếp: Cs,g+1 = Us,g+1 + Nếu phương án Us,g+1 vi phạm điều kiện ràng buộc chọn phương án Cs,g cho hệ tiếp theo: Cs,g+1 = Cs,g * Bước 6: Kiểm tra điều kiện dừng tính tốn - Tăng số phương án s thêm đơn vị: s = s + - Nếu s ≤ Ns trở lại tính tốn từ bước Nếu s > Ns tăng g = g + - Tăng số phương án s thêm đơn vị: s = s + - Nếu s ≤ Ns trở lại tính tốn từ bước Nếu s > Ns tăng g = g + - Nếu g ≤ Ng trở lại tính tốn từ bước Nếu g > Ng chuyển sang bước * Bước 7: Tính tốn xác định phương án tối ưu Pareto - Phân loại phương án hệ thứ Ng theo phương pháp xếp khơng trội: sử dụng thuật tốn xếp nhanh phương án tối ưu Pareto: FAFNDS Sơ đồ thuật tốn tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng hình 3.2 Hình 3.2: Thuật tốn tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng 13 - Nếu g ≤ Ng trở lại tính tốn từ bước Nếu g > Ng chuyển sang bước * Bước 7: Tính tốn xác định phương án tối ưu Pareto - Phân loại phương án hệ thứ Ng theo phương pháp xếp khơng trội: sử dụng thuật tốn xếp nhanh phương án tối ưu Pareto: FAFNDS Sơ đồ thuật tốn tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng h/ình 3.2 3.1.1.6 Kết xây dựng phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” Chương trình phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ HTT lập trình chủ yếu ngôn ngữ Microsoft Visual C# 2012 Microsoft ASP.NET 4.5 kết hợp với hệ quản trị sở liệu quan hệ Microsoft SQL Server 2012 Các mã (codes) chương trình viết cho tốn tổng quát nên sử dụng cho hệ thống tưới Trong phụ lục có in mã lập trình 3.1.2 Kết nghiên cứu xây dựng mơ hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc (thời gian thực) 3.1.2.1 Kết nghiên cứu xây dựng công cụ giám sát, cập nhật số liệu quan trắc thực tế Trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com công cụ tảng cho việc cập nhật số liệu quan trắc Máy chủ web (webserver) định kỳ gửi “gói tin“ đến IP modem RTU nhờ giao thức Internet (TCP/IP) để yêu cầu chúng gửi trị số quan trắc thiết bị cảm biến đặt HTT hiển thị lên website http://www.hiendaihoaqlvh.com Kết nghiên cứu xây dựng công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ xa Bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ xa xây dựng bao gồm: website http://www.hiendaihoaqlvh.com, máy chủ web, phần mềm đại hóa quản lý vận hành (HĐHQLVH), sở liệu trực tuyến, thiết bị IP modem RTU, Cơ cấu, chức thành phần phương thức sử dụng công cụ thể hình 3.8 3.1.2.2 Kết nghiên cứu đại hóa quản lý vận hành giám sát, điều khiển hệ thống tưới thông qua mạng Internet hệ thống viễn thông di động tồn cầu 3.1.3.1 Trang web đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Về bản, trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com website động hướng sở liệu SQL Server mà cịn có đầy đủ chức chương trình phần mềm chuyên dụng chạy môi trường 3.1.3 14 mạng Internet [66] Ngơn ngữ lập trình website Microsoft ASP.NET 4.5 (ngơn ngữ kịch máy chủ web) kết hợp với hệ quản trị sở liệu Microsoft SQL Server 2012 Các trình đơn (menu) website là: Trang chủ; Cơ sở liệu; Mơ hình HĐH quản lý vận hành; Hiện đại hóa QLVH HTTL; Diễn đàn; Giảng dạy Đào tạo; Quản trị; Liên hệ; nhiều chuyên mục khác hỗ trợ QLVH chuyên mục Dự báo thời tiết, Liên kết Hình 3.8: Mơ hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc 3.1.3.2 Cơ sở liệu trực tuyến Cơ sở liệu đại hóa quản lý vận hành HTT xây dựng tảng hệ quản trị sở liệu dùng chung Microsoft SQL Server 2012 để đáp ứng yêu cầu tương tác, truy xuất liệu từ tầng thứ mơ hình nhiều tầng (N Tiers) Hai bảng sở liệu hiendaihoaqlvh_com_db OnMs vận hành cơng trình MnMs quản lý cơng trình, đánh giá hiệu 15 Kết xây dựng giao diện giám sát, điều khiển phần mềm đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Giao diện giám sát điều khiển xây dựng trường hợp tổng quát nên ứng dụng cho hệ thống tưới Người quản lý dễ dàng thay đổi, bổ sung số số cần giám sát số tham số cần điều khiển tên thực số tham số Phần mềm HĐHQLVH tính tốn lập kế hoạch phân phối nước thông số vận hành máy bơm hay cửa cống dựa vào số liệu hiển thị giao diện thiết bị giám sát, đo đạc gửi Những người quản lý có thơng báo kế hoạch thông số vận hành, cảnh báo, báo động cố xảy Khi đó, họ định thực thao tác nhấn nút cần thiết máy chủ web lệnh cho thiết bị điều khiển thực 3.1.3.3 Hình 3.11: Giao diện GS&ĐK trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com Kết nghiên cứu bước đại hóa giám sát, điều khiển cho HTT quản lý vận hành thủ công giai đoạn độ tiến tới tự động hóa Kết nghiên cứu sử dụng công nghệ “LINQ to SQL“ phương thức truyền thông tin qua mạng Internet cho phép người quản lý cập nhật liệu lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất yếu tố khí tượng, thủy văn từ nơi đâu lúc có máy tính điện thoại di động kết nối 3.1.3.4 16 Internet Các số liệu cập nhật lưu trữ sở liệu MS SQL Server máy chủ web 3.1.4 Kết nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát điều khiển hệ thống tưới Kết phát triển, ứng dụng công nghệ giám sát điều khiển HTT theo hướng truyền thông đại lựa chọn thiết bị GS&ĐK kèm hợp lý Kết nghiên cứu chuyên sâu phát triển giao thức TCP Socket (công nghệ giao thức kiểm sốt truyền thơng) cho giao diện web (ASP.NET web forms) giao tiếp với modem F2X64 (8 cổng I/O rơle đầu 24 VDC - 220 VAC, ) Chu trình bước phát triển ứng dụng cơng nghệ WebSockets trình bày mục 3.1.3.3 Các codes lập trình xây dựng phần mềm kết nối, giao tiếp thiết bị trang 92 Luận án toàn văn 3.1.4.1 Kết nghiên cứu xây dựng cơng cụ thực hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí cho cơng ty QLKT CTTL Bộ cơng cụ triển khai, thực hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí giúp cho cơng ty QLKT CTTL tạo giao diện quản lý vận hành giám sát, điều khiển HTT họ với nhiều chức tinh xảo trình bày phần Có thể thực theo bước độc lập sau từ thủ công tự động giám sát điều khiển tự động từ xa: * Bước 1: Thiết lập hệ thống giám sát điều khiển theo số liệu đo đạc, quan sát thủ cơng (vẫn dùng thước thủy trí đo đạc mực nước đóng ngắt cơng tắc vận hành tay) * Bước 2: Thiết lập trạm giám sát điều khiển cục cơng trình thủy lợi chủ chốt * Bước 3: Thiết lập hệ thống GS&ĐK tự động từ xa công trình thủy lợi… 3.1.4.2 Kết nghiên cứu xây dựng sở liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý cơng trình hệ thống tưới Kết nghiên cứu xây dựng giao diện quản lý cơng trình trực tuyến (trên Internet) bao gồm đồ số hóa cơng trình sở liệu hiển thị thông qua bảng truy xuất, cập nhật Người quản lý HTT việc dịch chuyển mũi tên trỏ đến vị trí cơng trình có thơng tin cơng trình Cơng cụ theo dõi lịch tu, sửa chữa định kỳ cơng trình 3.1.5 17 HTT nhắc việc tự động qua website http://www.hiendaihoaqlvh.com Hàng ngày, người quản lý thông báo tự động cơng trình đến thời hạn phải sửa chữa định kỳ (ngày tháng đến hạn, kinh phí cần cho công tác sửa chữa định kỳ, đơn vị thực hiện,…) Kết nghiên cứu cải tiến, phát triển công cụ đánh giá hiệu quản lý khai thác hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu hệ thống tưới Trong Luận án cải tiến, đề xuất bổ sung thêm số dùng cho việc đánh giá hiệu cung cấp dịch vụ tưới HTT đại hóa cơng tác QLVH: Hệ số cung cấp đủ nước theo nhu cầu dùng nước (Kcđ) Mức độ cung cấp nước thời điểm cần nước (Tcl) Hệ số cung cấp nước đồng (Kđđ) Kết tổng hợp lựa chọn 26 số để đánh giá hiệu QLKT HTT bảng 3.2 Bộ công cụ đánh giá số hiệu QLKT hỗ trợ nâng cao hiệu quản lý khai thác HTT bao gồm: - Giao diện trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com/OIBS.aspx tính tốn nhanh số đánh giá hiệu tương tác phân tích, xác định giải pháp khả thi - Phần mềm tính tốn số đánh giá hiệu HTT so sánh với tiêu phấn đấu đạt - Cơ sở liệu dùng chung… 3.1.6 Kết tổng hợp liên kết thành phần mơ hình đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Từ kết nghiên cứu trình bày chương tổng hợp liên kết thành phần mơ hình đại hóa QLVH hình 3.28 Ba chức năng: Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu”, Lập kế hoạch dùng nước Tính tốn lập kế hoạch vận hành hệ thống thực (bước 1, 2, 4) thông qua việc giải toán quy hoạch phi tuyến tối ưu mục tiêu (FL, FS, FI, FD) theo thuật toán MODE mở rộng Bốn thành phần: 5, 6, mơ hình HĐH QLVH thực chức GS&ĐK tự động từ xa Trong đó, trang web http://www.hiendaihoaqlvh.com 3.1.7 18