Nghiên cứu xây dựng hệ thống quản lý và hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ HỖ TRỢ ĐIỀU HÀNH HỆ THỐNG TƯỚI THEO THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật Tài nguyên nước Mã số : 62 58 02 12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Chương trình hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Viết Chiến PGS.TS Nguyễn Thế Quảng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện Họp Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Vào hồi, … giờ, ngày … tháng … năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Sản xuất nông nghiệp ngành tiêu thụ tài nguyên nước lớn nhất, nhiên hệ số hiệu ích hệ thống tưới trung bình đạt từ 0,5- 0,7; tổn thất nước hệ thống kênh chiếm tới từ 50% đến 30% tổng lượng nước yêu cầu Phần lớn lượng nước lãng phí quản lý tưới, tưới vượt mức tưới, tháo nước xuống kênh tiêu, khu vực đầu kênh thừa nước khu vực cuối kênh thiếu nước, gây chỗ thừa chỗ thiếu, úng, hạn đan xen khu tưới Việc điều phối gặp khó khăn trung tâm không nắm xác tình hình thực tế yêu cầu tưới vị trí diện tích theo thời gian thực; việc điều hành hệ thống bị động thời tiết biến động nguồn nước gây lãng phí nước lớn, chi phí vận hành cao, suất, thu hoạch không đồng đều, hiệu thường có xu hướng thấp Vì vậy, vấn đề xúc thực tế đặt làm để sử dụng hiệu nguồn nước nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất nông nghiệp ngành kinh tế khác Để giải phần vấn đề này, thời gian qua, nước ta có nhiều nghiên cứu xây dựng, phát triển phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới nhằm giúp công ty khai thác công trình thủy lợi cấp nước đủ cho trồng cho trình sinh trưởng, đạt sản lượng cao, giảm chi phí vận hành, tránh lãng phí nước Tuy nhiên, phần mềm nghiên cứu số hạn chế làm ảnh hưởng đến hiệu sử dụng thực tế, nên người dùng sử dụng, việc điều hành hệ thống tưới chủ yếu theo quy trình cũ Những tồn việc ứng dụng công nghệ thông tin nói chung phần mềm nói riêng quản lý điều hành hệ thống tưới là: - Các phần mềm giải vấn đề riêng lẻ, chưa tích hợp để giải tổng hợp vấn đề công tác quản lý điều hành hệ thống tưới - Chưa ứng dụng thiết bị tự động hóa phần mềm để điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực - Chưa chạy môi trường mạng chưa xây dựng dựa công nghệ GIS, nên không thuận tiện cho người dùng - Giao diện, quy trình chưa phù hợp với trình độ tin học đơn vị quản lý Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công cụ phục vụ quản lý, điều hành hệ thống tưới đáp ứng yêu cầu người sử dụng cần thiết Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ để xây dựng công cụ phục vụ quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ tưới, giảm chi phí quản lý vận hành hệ thống tưới Đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Công tác quản lý, điều hành hệ thống tưới b) Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống tưới kênh hở với công trình đầu mối trạm bơm - Mạng lưới kênh mạng hở, mạng kín - Hệ thống đề cập đến vấn đề điều hành tưới để cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, không đề cập đến việc cấp nước phục vụ mục tiêu khác (công nghiệp, đô thị, sinh hoạt, ), không đề cập đến vấn đề điều hành tiêu nước mưa nhiều dẫn đến thừa nước c) Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, tác giả thực nội dung nghiên cứu sau: - Cơ sở khoa học để đề xuất cấu trúc hệ thống quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực (hệ thống VNIMS): + Đề xuất sơ đồ cấu trúc thành phần hệ thống VNIMS; + Đề xuất nguyên lý hoạt động thành phần hệ thống VNIMS - Xây dựng hệ thống VNIMS với nội dung nghiên cứu sau: + Xây dựng sở liệu máy chủ + Xây dựng phần mềm IMS: * Cơ sở lý thuyết để tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng cho ô cống lấy nước * Cơ sở lý thuyết để tính toán lập kế hoạch tưới * Cơ sở lý thuyết để tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống VNIMS để tự động tính toán xác định đường mực nước hệ thống kênh theo phương pháp dòng chảy không ổn định kênh hở * Cơ sở lý thuyết để tính toán hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực + Các giải pháp công nghệ để giám sát, điều khiển thiết bị kiểm soát lượng nước phân phối từ xa hệ thống tưới trường - Áp dụng thử nghiệm hệ thống VNIMS cho hệ thống tưới Ấp Bắc – Nam Hồng để kiểm nghiệm hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học Luận án xây dựng công thức tổng quát sơ đồ thuật toán để tính toán nhu cầu tưới theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng ô cho cống lấy nước phục vụ cho việc tính toán xác định nhu cầu dùng nước cống lấy nước xác Luận án xây dựng sở khoa học cho việc thiết lập toán xây dựng hệ thống VNIMS Hệ thống bao gồm: trạm thiết bị trường (các trạm thiết bị kiểm soát từ xa lượng nước phân phối hệ thống kênh tưới; trạm đo khí tượng; đo mưa tự động; trạm giám sát điều khiển trạm bơm đầu mối); phần mềm IMS; trung tâm liệu máy chủ Hệ thống giải vấn đề tổng thể công tác quản lý, điều hành hệ thống tưới, bao gồm: Quản lý hệ thống công trình, diện tích tưới dựa công nghệ WebGIS, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới, hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực, điều khiển vận hành hệ thống tưới từ xa b) Ý nghĩa thực tiễn Người dùng tương tác với hệ thống VNIMS giao diện WebGIS, giúp người dùng thuận tiện trình sử dụng Hệ thống làm thay đổi phương thức điều hành hệ thống tưới Người dùng nơi sử dụng điện thoại smartphone, máy tính bảng máy tính xách tay (có kết nối Internet) truy cập vào hệ thống thông qua trình duyệt web theo địa http://vnims.vn để quản lý điều hành hệ thống tưới Kết nghiên cứu luận án áp dụng vào thực tế cho dự án có đầu tư hạng mục xây dựng hệ thống SCADA Bộ NN&PTNT triển khai như: dự án WB7, dự án ADB6, dự án JAICA nhằm nâng cao hiệu đầu tư công trình Những đóng góp luận án - Đã nghiên cứu sở lý thuyết, đề xuất thiết lập mô hình cấu trúc thành phần, nguyên lý làm việc hệ thống tích hợp phần mềm (VNIMS) để quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực cách hiệu Đây công cụ ứng dụng tiến khoa học công nghệ lĩnh vực thông tin tự động hóa, phục vụ quản lý điều hành hệ thống tưới theo hướng đại, đồng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm chi phí vận hành tiết kiệm nước quản lý khai thác hệ thống thủy lợi - Trong hệ thống VNIMS, có đóng góp khoa học chi tiết sau: + Đã đề xuất giải pháp công nghệ giúp người dùng xác định diện tích gieo trồng (diện tích đổ ải, diện tích làm đất, diện tích gieo cấy) ngày cống lấy nước cách thuận tiện đồ GIS thiết bị di động (điện thoại smart phone, máy tính bảng, ) phục vụ cho việc tính toán nhu cầu tưới cống lấy nước + Đã nghiên cứu giải pháp công nghệ để tích hợp phần mềm: * Phần mềm MIKE 11 để tính toán xác định đường mực nước kênh theo chế độ dòng chảy không ổn định kênh hở; * Phần mềm IMS để quản lý công trình thủy lợi, diện tích tưới hệ thống tưới dựa công nghệ WebGIS, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới lên phương án vận hành hệ thống tưới theo thời gian thực * Phần mềm dịch vụ máy chủ để kết nối trạm thiết bị trường với sở liệu máy chủ Kết nối người dùng trạm thiết bị trường giúp người dùng lệnh điều khiển vận hành hệ thống từ xa thông qua máy tính PC, thiết bị di động có kết nối Internet Chương TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu việc xây dựng phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới Tùy theo khả làm việc phần mềm mà chia phần mềm xây dựng giới nước thành 3 nhóm chủ yếu sau: 1.1 Nhóm thứ - Các phần mềm tính toán thủy lực điều khiển hệ thống kênh hở Nhóm phần mềm có đặc điểm quan tâm đến việc tính toán thủy lực kênh, thu thập số liệu đo tự tự động từ trạm đo điều khiển vận hành hệ thống tưới để đảm bảo mực nước điều tiết kênh tốt nhất, phần mềm chưa đề cập đến vấn đề quản lý công trình, tính toán nhu cầu tưới để lập kế hoạch tưới, hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực 1.2.Nhóm thứ hai - Nhóm phần mềm tính toán nhu cầu tưới Nhóm phần mềm có đặc điểm quan tâm tính toán nhu cầu tưới trồng cống phụ trách hệ thống, chưa quan tâm đến việc tính toán lưu lượng điểm phân phối nước hệ thống tưới, chưa đặt vấn đề liên kết với thiết bị điều khiển hệ thống giám sát, đóng mở để nhận số liệu từ trường điều khiển vận hành hệ thống từ trung tâm Nhóm phần mềm phù hợp cho việc tính toán quy hoạch thiết kế công trình thủy lợi 1.3 Nhóm thứ ba: Nhóm phần mềm quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới 1.3.1 Nhóm phần mềm xây dựng máy đơn Nhóm phần mềm giải phần lớn vấn đề công tác quản lý điều hành hệ thống tưới Các phần mềm tính toán nhu cầu tưới từ cống lấy nước, điểm phân phối nước hệ thống, tính toán thủy lực để xác định đường mực nước kênh, lập kế hoạch vận hành hệ thống tưới 1.3.2.Nhóm phần mềm xây dựng chạy mạng internet Trên giới có phần mềm chính: Phần mềm Confluent Rubicon – Australia; Phần mềm Crop-WaterMonitoring and Information System (CWMIS) Trung tâm nghiên cứu tài nguyên nước (Center for Water Resources Research) thuộc trường đại học Utah – Mỹ phát triển Ở Việt Nam: Hiện nay, có kết nghiên cứu vấn đề quản lý, điều hành hệ thống tưới dựa tảng web, mà chủ yếu nghiên cứu quản lý công trình thủy lợi tảng web: Hệ thống Waterdata Đại học thủy lợi Hệ thống quản lý liệu ngành thủy lợi; Hệ thống quản lý, giám sát hỗ trợ điều hành hồ chứa theo thời gian thực Hệ thống quản lý hồ chứa, hệ thống sông, số liệu quan trắc tích hợp module dự báo lũ hỗ trợ điều hành hồ chứa theo thời gian thực Kết luận chương 1: Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu phát triển, xây dựng phần mềm quản lý điều hành hệ thống tưới áp dụng phổ biến Các phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới nghiên cứu xây dựng áp dụng Việt Nam, có số hạn chế sau : - Mỗi phần mềm giải vấn đề công tác quản lý điều hành hệ thống tưới, chưa tích hợp chức giải toán khác phần mềm khác nhau: quản lý hệ thống công trình, diện tích tưới công nghệ thông tin địa lý (GIS); tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới; tính toán xác định đường mực nước hệ thống kênh theo chế độ dòng chảy không ổn định; kết nối với thiết bị trường để giám sát điều khiển từ xa thiết bị để trở thành công cụ thân thiện với người dùng, giúp công ty KTCTTL quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực sử dụng hàng ngày để điều hành hệ thống tưới - Chưa xây dựng giải pháp công nghệ giúp người dùng xác định diện tích gieo trồng (diện tích đổ ải, diện tích làm đất, diện tích gieo cấy) cống lấy nước cách thuận tiện; - Các phần mềm xây dựng chạy máy đơn, liệu kết tính toán thị máy cán kỹ thuật sử dụng, nên việc cập nhật thông tin trường lên sở liệu, gửi thông tin đến cán vận hành hệ thống tưới gặp nhiều khó khăn, không kịp thời Đây nguyên nhân cho việc ứng dụng phần mềm nghiên cứu vào thực tế nhiều hạn chế Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Cách tiếp cận 2.1.1.1.Cách tiếp cận để xác định yêu cầu toán - Tác giả tiếp cận đối tượng nghiên cứu việc thực tế công ty KTCTTL để tìm hiểu tình hình gieo trồng thực tế hộ dùng nước, cách quản lý điều hành hệ thống tưới, vấn đề thực tế mà đơn vị xúc, mong muốn sử dụng công nghệ để giải - Tìm hiểu phần mềm quản lý, điều hành hệ thống tưới nghiên cứu xây dựng nước Phân tích ưu nhược điểm phần mềm để biết phần mềm đáp ứng yêu cầu thực tế Việt Nam? Từ phân tích xây dựng yêu cầu toán quản lý, điều hành hệ thống tưới cần phải giải Việt Nam 2.1.1.2 Cách tiếp cận để giải yêu cầu toán Để giải yêu cầu toán trên, cần phải nghiên cứu giải pháp công nghệ: Công nghệ để tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới; Công nghệ tự động hóa để giám sát điều khiển hệ thống tưới; Công nghệ WebGIS để quản lý hệ thống tưới Tác giả chọn cách tiếp cận để nghiên cứu giải pháp công nghệ sau: Công nghệ để tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới Hiện phần mềm CROWAT phổ biến việc tính toán nhu cầu tưới cho trồng, nhiên phần mềm phần mềm đóng, viết cho máy đơn đơn vị phát triển sản phẩm không cung cấp hàm để tích hợp vào hệ thống để tính toán Vì vậy, tác giả chọn cách tiếp cận sử dụng công thức tính toán giáo trình Quy hoạch thiết kế hệ thống thủy lợi; TCVN 9168: 2012– Công trình thủy lợi – Hệ thống tưới tiêu – Phương pháp xác định hệ số tưới lúa số tài liệu khác quản lý khai thác công trình thủy lợi để xây dựng thuật toán tính toán nhu cầu cấp nước cho cống lấy nước, lập kế hoạch tưới để phát triển phần mềm Công nghệ để tính toán xác định đường mực nước kênh: Trong khuôn khổ luận án này, tác giả chọn cách tiếp cận nghiên cứu tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống để tính toán diễn biến mực nước hệ thống kênh tưới Đây cách tiếp cận Việt Nam để giải toán Công nghệ tự động hóa Công nghệ giúp cho người dùng trung tâm điều hành giám sát điển khiển vận hành hệ thống tưới Trong khuôn khổ luận án tiến sỹ mình, tác giả không nghiên cứu chế tạo thiết bị mà nghiên cứu nội dung kết nối truyền liệu từ trạm thiết bị trường (thiết bị RTU-TL3, thiết bị SGate) sở liệu máy chủ hiển thị cho người dùng, truyền lệnh điều khiển từ người dùng lên sở liệu máy chủ đến thiết bị trường Công nghệ để quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS Để chủ động cho việc phát triển, triển khai phần mềm vào thực tế sau mua quyền, tác giả chọn cách tiếp cận phát triển phần mềm sử dụng mã nguồn mở OpenLayers MapServer 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu Để triển khai thực luận án, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu: Phương pháp điều tra khảo sát; Phương pháp mô phỏng; Phương pháp kế thừa; Phương pháp kiểm nghiệm 2.2 Cơ sở lý thuyết để xây dựng hệ thống VNIMS 2.2.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán xác định nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới 2.2.1.1 Thuật toán xác định nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng Nhóm trồng lúa Các giống lúa có thời gian sinh trưởng hệ số Kc khác coi trồng lúa khác Khi giống lúa, thời gian bắt đầu gieo trồng (cấy gieo sạ) khác gọi loại trồng lúa khác Tùy theo mùa vụ (vụ chiêm hay vụ mùa) mà quy trình gieo cấy khác nhau, dẫn đến việc tính toán nhu cầu tưới để cấp nước phục vụ sản xuất khác nhau, cụ thể sau: a) Đối với vụ chiêm xuân Quy trình canh tác: Cho nước vào ruộng để “đổ ải”, sau ngâm đất từ 1-3 ngày làm đất cách sử dụng máy trâu sử dụng sức lao động người để làm nhuyễn đất, cấy lúa gieo sạ, lúa phát triển qua thời kỳ sinh trưởng lúa chín cuối thu hoạch Như vậy, lượng nước phục vụ nhu cầu tưới vụ chiêm tính theo sát quy trình canh tác bao gồm: lượng nước cần cấp cho diện tích cần đổ ải (mđổ ải[i]), lượng nước bù đắp lượng ngấm ổn định lượng nước bốc mặt thoáng (mchờ[i]), lượng nước ngấm ổn định lượng nước bốc thoát qua (mtưới[i]) Công thức tổng quát: mtổng[i] = mđổ ải[i]+ mchờ [i]+ mtưới[i] (2-1) b) Đối với vụ mùa Do vụ mùa có lớp nước mặt ruộng nên bỏ qua giai đoạn đổ ải Quy trình canh tác gồm: Bổ sung lượng nước vào ruộng (nếu cần) tạo lớp nước mặt ruộng để làm đất cách sử dụng máy trâu sử dụng sức lao động người để làm nhuyễn đất, cấy lúa gieo sạ, lúa phát triển qua thời kỳ sinh trưởng lúa chín cuối thu hoạch Công thức tổng quát: mtổng[i] = mlàm đất[i]+ mchờ [i]+ mtưới[i] (m3) (2-2) Nhóm trồng cạn Quy trình canh tác gồm: Bổ sung lượng nước vào ruộng theo phương pháp tưới ẩm suốt trình từ lúc làm đất, gieo trồng lúc trồng cạn phát triển qua thời kỳ sinh trưởng, cuối thu hoạch Nhiệm vụ phần mềm tính toán lượng nước cần thiết để trì độ ẩm thích hợp đất (β) nằm giới hạn độ ẩm lớn (βmax) điểm héo (hay gọi độ ẩm nhỏ βmin) βmax, βmin phụ thuộc vào lượng bốc thoát trồng hay nói cách khác phụ thuộc vào loại trồng [10] βmin< β < βmax Tại thời điểm ngày thứ i, lượng nước cần trì độ ẩm thích hợp cho diện tích Scây trồng công thức (2-3) m[i]= (Scây trồng [i]+ Scây trồng[i-1]+… Scây trồng [2]+ Scây trồng [1])*btưới[i]*10-3 + mEtc[i] (m3) (2-3) Tính toán lượng nước tiêu hao bốc trồng ngày thứ i (mETC[i]) ô khu tưới Lượng nước tiêu hao bốc loại trồng ruộng gieo cấy ngày thứ j thời điểm thứ i tính theo công thức (2-4 2-5) Trường hợp 1: i dlịchGT mETC[i]= SGT[1]* Kc[i]*ET0[i] + SGT[2]* Kc[i-1]*ET0[i] + + SGT[dlịchGT 1]*Kc[i-dlịchGT+1]*ET0[i] + SGT[dlịchGT] * Kc[i-dlịchGT]*ET0[i] (2-5) 2.2.1.2 Thuật toán xác định lưu lượng yêu cầu cấp điểm phân phối nước hệ thống Từ lưu lượng yêu cầu tính toán cống mặt ruộng (Qoff), lưu lượng tổn thất đoạn kênh (QTT) Hệ thống tính toán nhu cầu nước cho hệ thống kênh tưới từ kênh cấp lên kênh cấp đến công trình đầu mối hình 2.1 Hình 2.1: Sơ đồ tính toán nhu cầu nước kênh Công thức tính toán (2-6) QT(i+1) = QS(i+1) + Qoff(i+1) (2-6) QS(i) = QT(i+1) + QTT QT(i) = QS(i) + Qoff(i) 2.2.1.3.Cơ sở lý thuyết để tính toán trợ giúp lập kế hoạch tưới hệ thống Khi vào đầu mùa vụ, cán công ty KTCTTL lập kế hoạch tưới hệ thống Khi lập kế hoạch tưới, người dùng thường chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn đổ ải, làm đất giai đoạn tưới dưỡng: - Giai đoạn đổ ải, làm đất: Trong giai đoạn đổ ải, làm đất cống lấy nước cần cấp lượng nước lớn, nên tiến hành cấp nước để đổ ải đồng thời cho toàn diện tích tất cống lực công trình đầu mối hệ thống kênh khó đáp ứng Vì vậy, lập kế hoạch tưới thời kỳ này, người dùng thường lên kế hoạch cấp nước cho nhóm cống lấy nước để đổ ải khoảng thời gian định, lưu lượng cấp ngày cống tính toán mục 2.2.1.1 Nếu hệ thống tưới không đáp ứng yêu cầu tưới người dùng phải làm việc với hộ dùng nước (hoặc hợp tác xã) để điều chỉnh lại tiến độ gieo trồng Nếu hệ thống đáp ứng yêu cầu cấp nước lịch tưới luân phiên cống hệ thống kênh giai đoạn đổ ải, làm đất - Giai đoạn tưới dưỡng: Trong giai đoạn này, nhu cầu dùng nước hàng ngày lúa không cao, nên lưu lượng cần cấp cho cống lấy nước thường nhỏ Nếu cấp nước để đáp ứng nhu cầu dùng nước trồng theo ngày việc điều tiết nước kênh để giữ mực nước theo thiết kế để tưới tự chảy vào cống lấy nước khó khăn (tốn công vận hành tổn thất nước kênh lớn) Vì vậy, thực tế, đơn vị quản lý thường cấp nước cho số (hoặc tất cả) cống với lưu lượng lớn số ngày để trồng sử dụng cho số ngày mà không cần phải cấp nước (tưới trữ) 2.2.2 Cơ sở lý thuyết để tính toán xác định đường mực nước kênh theo chế độ dòng chảy không ổn định, không kênh hở Trong khuôn khổ luận án này, tác giả chọn giải pháp nghiên cứu tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống VNIMS để tính toán diễn biến mực nước hệ thống kênh tưới Yêu cầu file đầu vào mô hình có định dạng: *.NWK11; *.XNS11; *.BND11; *.DFS0; *.HD11; *.SIM11 Phần mềm IMS cập nhật chuỗi số liệu lưu lượng/mực nước biên theo thời gian vào file *.DFS0 thông qua thư viện DHI.Generic.MikeZero DFS.dll MIKE cung cấp Để điều khiển phần mềm MIKE chạy tính toán thủy lực, cần xây dựng Service cài đặt máy chủ Khi nhận yêu cầu tính toán thủy lực, Service điều khiển phần mềm MIKE chạy mô hình Phần mềm MIKE thông báo “trạng thái” cho Service sau thực xong lệnh Khi nhận thông báo “trạng thái” thực xong lệnh, Service báo cho phần mềm IMS để đọc kết tính toán file kết mô hình (*.RES11), kết thu bao gồm vận tốc, lưu lượng, mực nước mặt cắt hệ thống kênh 2.2.3 Giải pháp công nghệ để kết nối trạm thiết bị trường với sở liệu máy chủ người dùng đến trạm thiết bị trường Giao thức truyền thông Gao thức truyền thông từ thiết bị đến máy chủ thiết kế dựa sở giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) Sơ đồ truyền số liệu từ thiết bị thu thập số liệu điều khiển đến máy chủ Sơ đồ truyền số liệu từ thiết bị thu thập số liệu điều khiển đến máy chủ Hình 2.2 MÁY TX Req CHỦ ACK THIẾT BỊ THU THẬP SỐ LIỆU/ĐIỀU KHIỂN 1.Mực nước 2.Độ mở 3.Lượng mưa Trạng thái máy bơm …………………… AI AO DI DO Hình 2.2: Sơ đồ khối hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực Sơ đồ truyền số liệu từ máy chủ đến thiết bị thu thập số liệu điều khiển Sơ đồ truyền số liệu từ máy chủ đến thiết bị thu thập số liệu điều khiển Hình 2.3 THIẾT BỊ THU MÁY TX Req CHỦ ACK AI THẬP SỐ LIỆU/ĐIỀU KHIỂN 1.Mực nước 2.Độ mở 3.Lượng mưa Trạng thái máy bơm …………………… AO DI DO Hình 2.3: Sơ đồ truyền số liệu từ máy chủ đến thiết bị thu thập số liệu điều khiển Trình tự truyền nhận tín hiệu Sơ đồ truyền nhận tín hiệu máy chủ đến thiết bị thu thập số liệu điều khiển Hình 2.4 Yêu cầu kết nối Chấp nhận kết nối Truyền liệu Xác nhận Ngắt kết nối MÁY CHỦ THIẾT BỊ THU THẬP SỐ LIỆU 1.Mực nước 2.Độ mở 3.Lượng mưa Trạng thái máy bơm …………………… Hình 2.4: Trình tự truyền nhận tín hiệu 2.2.4 Cơ sở lý thuyết để xây dựng chức quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS Tác giả kế thừa chương trình mã nguồn mở MapServer mã nguồn mở Openlayers để kết nối liệu không gian PostgreSQL hiển thị đồ GIS mạng ineternet: - MapServer phần mềm mã nguồn mở cho phép tạo đồ động trình bày liệu không gian Web MapServer hoạt động chế độ CGI (Common Gateway Interface) API (Application Program Interface) Ở chế độ CGI, chức MapServer môi trường WebServer CGI MapScript Đây cách thức dễ dàng để khởi tạo phát triển ứng dụng Ở chế độ API, truy cập MapServer ASP, PHP, Perl Python Chế độ cho phép xây dựng ứng dụng uyển chuyển, giàu chức có khả truy cập sở liệu mở rộng khác - Openlayers thư viện JavaScript hỗ trợ cho việc hiển thị liệu đồ hầu hết trình duyệt web mà không phụ thuộc vào phía server - PostgreSQL hệ quản trị sở liệu viết theo hướng mã nguồn mở mạnh mẽ PostgreSQL chạy tất hệ điều hành, bao gồm Linux, UNIX (AIX, BSD, HP-UX, SGI IRIX, Mac OS X, Solaris, Tru64), Windows 2.2.5 Giải pháp công nghệ để xây dựng chức cho phép người dùng cập nhật diện tích đổ ải, diện tích làm đất, diện tích gieo cấy cống giao diện WebGIS thiết bị di động Tại sở liệu PosgreSQL tác giả tổ chức liệu bảng “Tiến độ gieo trồng” có liên kết với bảng “Giải thửa” Bảng “Tiến độ gieo trồng” có chứa Id bảng “Giải thửa” chứa cột trạng thái với giá trị chờ, đổ ải, làm đất, gieo cấy cột ngày gieo trồng Tác giả lập trình xây dựng giao diện phần mềm với công cụ cho phép người sử dụng chọn ngày gieo trồng, trạng thái giải Sử dụng hàm OpenLayers Control.WMSGetFeatureInfo Openlayers để xác định ô giải mà người dùng chọn lập trình vẽ ô giải chọn hàm OpenLayers Feature.Vector Khi người dùng xác nhận việc cập nhật liệu này, tác giả sử dụng hàm Openlayers cung cấp để lấy giá trị thu thập lập trình cập nhật vào sở liệu với ngày gieo trồng trạng thái tương ứng vào bảng “Giải thửa” Sau người dùng cập nhật xong, cần phải lập trình cho phép gán thuộc tính file *.map MapServer liên kết hai bảng “Giải thửa” bảng “Tiến độ gieo trồng” để vẽ đồ với màu sắc định nghĩa tương ứng với diện tích đổ ải, làm đất gieo cấy Sau đó, phần mềm đọc lại đồ trạng thái mới, MapServer cung cấp cho Openlayers hình ảnh theo trạng thái cập nhật để hiển thị cho người dùng 2.2.6 Lựa chọn công cụ lập trình để xây dựng phần mềm Tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình C# công cụ lập trình Visual 10 studio hãng Microsoft để viết phần mềm dịch vụ hệ thống VNIMS cài đặt phía máy chủ Lập trình truy xuất sở liệu PostgreSQL sử dụng thư viện mã nguồn mở MapServerdạng file *.dll để hiển thị hình ảnh đồ Phần lập trình tương tác phía người dùng sử dụng ngôn ngữ kịch JavaScript thư viện mã nguồn mở Openlayers để hiển thị tương tác với đồ Web Kết luận chương Hiện nay, nhu cầu xúc công ty KTCTTL cần có công cụ để trợ giúp công tác quản lý điều hành hệ thống tưới nhằm giải vấn đề: Tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới; Hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực; Quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS Để giải vấn đề cần nghiên cứu xây dựng hệ thống VNIMS với cấu trúc gồm thành phần chính: Khối trung tâm liệu máy chủ; Khối thiết bị trường Khối người dùng Cơ sở lý thuyết để xây dựng khối sau: - Khối trung tâm liệu máy chủ: Cơ sở lý thuyết để tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới; sở lý thuyết để tính toán xác định đường mực nước kênh; sở lý thuyết để xây dựng chức hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực; sở lý thuyết để xây dựng chức quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS - Khối thiết bị trường: Sử dụng thiết bị Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi nghiên cứu chế tạo để bố trí lắp đặt trường, bao gồm: Các thiết bị SGate để lắp đặt đầu cống lấy nước cống điều tiết kênh; trạm thiết bị giám sát điều khiển trạm bơm đầu mối; trạm giám sát yếu tố khí tượng, lượng mưa đặt trạm bơm đầu mối trung tâm hệ thống tưới - Khối người dùng: Người dùng sử dụng máy tính thiết bị di động có kết nối internet thông qua trình duyệt web để tương tác với hệ thống VNIMS nhằm quản lý điều hành toàn hệ thống tưới Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mô hình nghiên cứu - hệ thống VNIMS Để nâng cao hiệu công tác quản lý điều hành hệ thống tưới, tác giả đề xuất thiết lập công cụ hỗ trợ hệ thống tích hợp phần mềm quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực – gọi tắt VNIMS (Viet Nam Irrigation management system) Cấu trúc hệ thống VNIMS bao gồm khối (xem Hình 3.1): Khối trung tâm liệu máy chủ; Khối thiết bị trường Khối người dùng 3.1.1.Các thành phần chức thành phần hệ thống VNIMS 3.1.1.1 Khối trung tâm liệu máy chủ Khối trung tâm liệu máy chủ (Hình 3.1) bao gồm thành phần: Cơ sở liệu; mô hình MIKE 11; phần mềm dịch vụ máy chủ; phần mềm IMS Trong thành phần này, tác giả nghiên cứu xây dựng thành phần: Cơ sở 11 liệu, phần mềm IMS phần mềm dịch vụ máy chủ, phần mềm MIKE 11 tác giả nghiên cứu để tích hợp vào hệ thống 3.1.1.2.Khối người dùng Người dùng sử dụng máy tính, thiết bị di động có kết nối internet thông qua trình duyệt web để tương tác với hệ thống VNIMS nhằm quản lý điều hành toàn hệ thống tưới 3.1.1.3 Khối thiết bị trường Thiết bị trường bao gồm: - Tại đầu kênh lấy nước cống điều tiết kênh - Tại trạm bơm đầu mối: Lắp đặt trạm thiết bị giám sát, điều khiển vận hành trạm bơm; Lắp đặt trạm thiết bị giám sát đo thông số khí tượng (nhiệt độ, tốc độ gió,…), lượng mưa tự động; thiết bị thu thập truyền số liệu từ xa (RTU), nguồn điện cấp cho trạm thiết bị 3.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống VNIMS Khi trạm giám sát, điều khiển (trong khối “Thiết bị trường”) gửi số liệu “Trung tâm liệu máy chủ”, “Dịch vụ máy chủ” tiếp nhận thông tin ghi lên CSDL, “Phần mềm IMS” tự động kiểm tra thấy có thay đổi tự động tính toán nhu cầu tưới diễn biến đường mực nước hệ thống kênh theo thời gian thực Từ kết này, người dùng điều chỉnh phương án vận hành hệ thống tưới Khi người dùng (trong khối “Người dùng”) truy cập vào hệ thống theo địa web: http://vnims.vn máy tính PC, thiết bị di động (máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại smartphone) có kết nối internet Phần mềm IMS truy cập vào sở liệu để lấy liệu hiển thị giao diện WebGIS Người dùng tương tác lên hệ thống thông qua giao diện phần mềm IMS TRUNG TÂM DỮ LIỆU MÁY CHỦ KẾT QUẢ MÔ HÌNH MIKE 11 BỘ MÔ HÌNH MIKE 11 CƠ SỞ DỮ LIỆU PHẦN MỀM IMS DỊCH VỤ MÁY CHỦ MẠNG INTERNET MÁY TÍNH VÀ THIẾT BỊ DI ĐỘNG NGƯỜI DÙNG GSM: GPRS, SMS, THIẾT BỊ NGOÀI HIỆN TRƯỜNG Bảng 1: Sơ đồ khối trung tâm liệu máy chủ 12 3.2.Kết xây dựng khối trung tâm liệu máy chủ 3.2.1 Xây dựng phần mềm IMS 3.2.1.1.Cấu trúc phần mềm IMS Phần mềm gồm khối Hình 3.2: Khối “Quản lý liệu”; Khối “Tính toán, xử lý liệu”; Khối “Điều hành hệ thống tưới” 3.2.1.2.Xây dựng khối “quản lý liệu” Sơ đồ hoạt động module khối quản lý liệu trình bày Hình 3.3 Tính toán, xử lý liệu GIAO DIỆN Điều hành hệ thống tưới PHẦN MỀM IMS CƠ SỞ DỮ LIỆU Quản lý sở liệu DỊCH VỤ ĐIỀU KHIỂN CHẠY MÔ HÌNH MIKE 11 Hình 2: Sơ đồ cấu trúc phần mềm IMS KHỐI QUẢN LÝ DỮ LIỆU Module xem đồ hệ thống tưới WebGIS Module xem thông Hình 9- Sơ đồ khối quảntinlýchi dữtiếtliệu công trình đồ WebGIS Module cập nhật thông tin công trình đồ WebGIS OPENLAYERS MAPSERVER CƠ SỞ DỮ LIỆU Module cập nhật tiến độ gieo trồng đồ WebGIS GIAO DIỆN PHẦN MỀM IMS Module thiết lập mạng lưới kênh công trình kênh đồ WebGIS Module quản lý sở liệu phi không gian Hình 3: Sơ đồ hoạt động module khối quản lý liệu 13 3.2.1.3 Xây dựng khối “Tính toán, xử lý số liệu” MODULE QUẢN LÝ KẾT NỐI MODULE XỬ LÝ GIAO THỨC MODULE TRUY XUẤT CƠ SỞ DỮ LIỆU THƯ VIỆN SOCKET MODULE QUẢN LÝ DỊCH VỤ Khối “tính toán, xử lý số liệu” bao gồ m module: "Tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng"; "Tính toán yêu cầu cấp nước điểm phân phối nước hệ thống”; “Tính toán phân phối nước điểm phân phối nước hệ thống theo lưu lượng bơm trạm bơm đầu mối”; “Tính toán xác định đường mực nước kênh” 3.2.2 Xây dựng sở liệu Trên hệ quản trị sở liệu PostgreSQL tác giả thiết kế bảng sau: - Bảng chứa liệu công trình: Bảng liên kết đến công trình, cụ thể gồm: bảng trạm bơm, kênh, cống, xi phông, cầu máng, - Các bảng công trình: trạm bơm, kênh, cống, xi phông, cầu máng: Các bảng chứa thông tin thuộc tính chi tiết công trình tên công trình, thông tin chung thông số kỹ thuật công trình Dữ liệu không gian công trình lưu trữ với kiểu liệu geometry - Các bảng chứa liệu phục vụ tính toán nhu cầu tưới - Các bảng chứa liệu đồ 3.2.3 Xây dựng phần mềm dịch vụ máy chủ Có hai phần mềm dịch vụ máy chủ: Phần mềm dịch vụ kết nối sở liệu máy chủ với trạm thiết bị trường Phần mềm dịch vụ kết nối phần mềm IMS với + mô hình MIKE 11: - Phần mềm dịch vụ kết nối sở liệu máy chủ với trạm thiết bị trường xây dựng sơ đồ hình 3.4 Hình 4: Phần mềm dịch vụ kết nối sở liệu với thiết bị trường - Phần mềm dịch vụ kết nối phần mềm IMS với mô hình MIKE11được xây dựng sơ đồ hình 3.5 3.3 Giải pháp công nghệ sử dụng khối thiết bị trường khối người dùng Việc nghiên cứu chế tạo trạm thiết bị giám sát, điều khiển để vận hành 14 hệ thống tưới từ xa phức tạp, nên khuôn khổ luận án mình, tác giả không nghiên cứu chế tạo thiết bị này, mà nghiên cứu giải pháp công nghệ để tích hợp thiết bị hệ thống nghiên cứu đề tài cấp Bộ, cấp Nhà nước tác giả làm chủ nhiệm đề tài, dự án (thiết bị đo mực nước, thiết bị đo độ mở cửa cống, thiết bị thu thập truyền số liệu từ xa – RTUTL3, thiết bị kiểm soát từ xa lượng lượng nước phân phối hệ thống kênh tưới – Sgate) để thiết kế sơ trạm giám sát điều khiển từ xa hệ thống kênh tưới Sơ đồ bố trí thiết bị hình 3.6 GIAO THỨC TCP/IP Phản hồi Yêu cầu Phản hồi Yêu cầu Sử dụng thư viện socket PHẦN MỀM IMS MODULE GỬI THÔNG TIN PHẢN HỒI MODULE ĐIỀU KHIỂN CHẠY MÔ HÌNH MIKE MODULE TIẾP NHẬN THÔNG TIN YÊU CẦU DỊCH VỤ MÔ HÌNH MIKE 11 Hình 5: Sơ đồ dịch vụ kết nối phần mềm IMS với phần mềm MIKE 11 Hình 6: Sơ đồ bố trí trạm thiết bị giám sát, điều khiển hệ thống kênh tưới 15 3.4 Khối người dùng Người dùng sử dụng máy tính thiết bị di động có kết nối internet thông qua trình duyệt web, tương tác với phần mềm IMS để quản lý điều hành toàn hệ thống tưới 3.5 Quy trình vận hành hệ thống VNIMS Hệ thống VNIMS có ba nhiệm vụ: Lập kế hoạch tưới; hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực; quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS Ứng với nhiệm vụ khác có quy trình vận hành hệ thống khác 3.5.1 Quy trình lập kế hoạch tưới Quy trình lập kế hoạch tưới tác giả trình bày mục 2.2.1.3 3.5.2 Quy trình hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS Trường hợp Khi trạm giám sát, điều khiển (trong khối “Thiết bị trường”) gửi số liệu “Trung tâm liệu máy chủ”, “Dịch vụ máy chủ” tiếp nhận thông tin ghi lên CSDL, phần mềm IMS tự động tính toán theo thời gian thực, cụ thể có xử lý sau: - Xử lý 1: Kiểm tra, thấy có thay đổi số liệu giám sát mực nước, độ mở cửa cống, lưu lượng bơm tự động tính toán xác định đường mực nước hệ thống kênh Từ kết tính toán này, người dùng điều chỉnh phương án vận hành hệ thống tưới - Xử lý 2: Kiểm tra, thấy có thay đổi lượng mưa, thông số khí tượng, phần mềm IMS tự động tính toán nhu cầu tưới, điều chỉnh lại kế hoạch tưới Từ kết tính toán này, người dùng điều chỉnh phương án vận hành hệ thống tưới Trường hợp 2: Khi người dùng (trong khối “Người dùng”) truy cập vào hệ thống theo địa web: http://vnims.vn máy tính PC, thiết bị di động (máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại smartphone) có kết nối internet Phần mềm IMS truy cập vào sở liệu để lấy liệu hiển thị giao diện WebGIS Người dùng tương tác lên hệ thống thông qua giao diện phần mềm IMS, cụ thể có xử lý sau: - Xử lý 3: Xem thông tin hệ thống tưới: Khi người dùng tương tác với giao diện phần mềm IMS, phần mềm thực truy vấn vào sở liệu để lấy liệu hiển thị thông tin cho người dùng - Xử lý 4: Cập nhật số liệu: Giao diện phần mềm IMS cung cấp cho người dùng công cụ để cập nhật số liệu hệ thống tưới Khi người dùng lựa chọn trạng thái kết thúc trình nhập số liệu, phần mềm IMS tự động tính toán theo số liệu cập nhật - Xử lý 5: Ra lệnh điều khiển vận hành hệ thống tưới: Trên giao diện phần mềm IMS, người dùng nhập lệnh đóng mở cống lấy nước, cống điều tiết Phần mềm IMS nhận giá trị lệnh cho hệ thống vận hành đóng mở yêu cầu cầu người dùng 16 3.6.Áp dụng thử nghiệm hệ thống VNIMS hệ thống tưới Ấp Bắc- Nam Hồng Đông Anh Hà Nội để kiểm nghiệm 3.6.1.Nội dung mục đích công tác kiểm nghiệm Tác giả kiểm nghiệm hệ thống VNIMS với nội dung sau: - Kiểm nghiệm khả hoạt động hệ thống - Kiểm nghiệm tính xác việc tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới - Kiểm nghiệm tính phù hợp chức hệ thống công tác quản lý điều hành hệ thống tưới thực tế 3.6.2 Phương pháp kiểm nghiệm a) Phương pháp chung Tác giả sử dụng phương pháp mô để kiểm nghiệm hệ thống VNIMS, cụ thể: sử dụng hệ thống tưới Ấp Bắc Nam Hồng để mô hệ thống tưới; sử dụng thiết bị Sgate đặt Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi (sản phẩm trưng bày Trung tâm) để mô kiểm nghiệm trình giám sát điều khiển hệ thống tưới; sử dụng máy chủ Trung tâm Nghệ phần mềm Thủy lợi để mô kiểm nghiệm trung tâm liệu máy chủ hệ thống VNIMS b) Phương pháp kiểm nghiệm cụ thể chức hệ thống - Kiểm nghiệm khả hoạt động hệ thống: Tác giả chạy thử chức như: Hiển thị đối tượng đồ WebGIS tương tác với đồ, quản lý hệ thống kênh công trình kênh, quản lý diện tích tưới cấp kênh, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới, - Kiểm nghiệm tính xác việc tính toán: + Kiểm nghiệm tính xác việc tính toán nhu cầu tưới cống lấy nước mặt ruộng; Kiểm nghiệm lưu lượng yêu cầu điểm phân phối hệ thống kênh, lập kế hoạch tưới: Tác giả sử dụng phương pháp tính toán bảng tính Excel để so sánh kết tính toán hệ thống VNIMS + Kiểm nghiệm chức xác định đường mực nước kênh: Tác giả sử dụng phần mềm MIKE11 cài đặt máy đơn để tính toán để so sánh với kết tính toán hệ thống VNIMS (được tích hợp phần mềm MIKE 11) - Kiểm nghiệm tính phù hợp chức hệ thống công tác quản lý điều hành hệ thống tưới thực tế: Tác giả sử dụng phương pháp khảo sát thực tiễn Cụ thể: tác giả giới thiệu hướng dẫn sử dụng chức hệ thống với cán kỹ thuật Xí nghiệp KTCTTL Đông Anh Sau dùng thử, Xí nghiệp KTCTTL Đông Anh có nhận xét đánh giá tính phù hợp chức phần mềm VNIMS Tác giả tiếp nhận ý kiến đóng góp hoàn thiện hệ thống theo ý kiến đóng góp 17 3.6.3 Giới thiệu hệ thống thủy lợi Ấp Bắc Nam Hồng Sơ đồ hệ thống hình Hình 3.1 Ghi Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống thủy nông ấp Bắc - Nam Hồng 3.6.4 Kết kiểm nghiệm hệ thống VNIMS - Kết kiểm nghiệm tính xác việc tính toán nhu cầu tưới cống lấy nước mặt ruộng, tính toán lưu lượng yêu cầu điểm phân phối hệ thống kênh, lập kế hoạch tưới: Hệ thống VNIMS tính toán cho kết trùng khớp với kết tính toán bảng tính excel - Kiểm nghiệm khả hoạt động hệ thống: + Kết kiểm nghiệm chức quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS: Tác giả kiểm nghiệm chức đồ GIS bao gồm: Hiển thị đối tượng đồ WebGIS tương tác với đồ, quản lý hệ thống kênh công trình kênh, quản lý diện tích tưới cấp kênh Kết quả: Bản đồ hiển thị tuyến kênh theo quy định: Kênh tưới màu đỏ, kênh tiêu mầu xanh Kênh có độ dày to, độ dày giảm dần xuống cấp kênh Các công trình kênh hiển thị theo quy định Hệ thống quản lý hệ 18 thống kênh theo hình cây: Kênh bao gồm công trình kênh kênh cấp 1,….Quản lý diện tích tưới theo ô cấp kênh + Kiểm nghiệm chức xác định diện tích gieo trồng (diện tích đổ ải, diện tích làm đất, diện tích gieo cấy) ngày cống lấy nước đồ GIS thiết bị di động (điện thoại smart phone, máy tính bảng, ): Để kiểm nghiệm hoạt động tính này, tác giả sử dụng thiết bị di động thực nhập liệu gieo trồng cho số ruộng thuộc diện tích phụ trách cống Đ6 cũ Kết ta thấy chức xác định diện tích đất gieo trồng ngày hệ thống hoạt động tốt, cho kết xác Hình 3.3: Giao diện chương trình chức đồ GIS + Kiểm nghiệm khả nhận liệu từ thiết bị Sgate gửi khả lệnh điều khiển đóng mở cửa van: Trên giao diện phần mềm IMS máy tính bảng có kết nối internet, tác giả lệnh mở cửa van với góc mở 45 o, thực tế cho thấy thiết bị nhận lệnh mở 45o, trình mở số liệu độ mở thay đổi cập nhật lên sở liệu thị giao diện phần mềm Như vậy, chức giám sát điều khiển thiết bị SGate hoạt động tốt + Kiểm nghiệm chức tính toán xác định đường mực nước hệ thống kênh: Kết quả, hệ thống VNIMS tính toán xác định đường mực nước kênh trùng khớp với kết tính toán phần mềm MIKE 11 chạy máy đơn Như vậy, phần mềm MIKE11 tích hợp thành công vào hệ thống VNIMS - Kiểm nghiệm tính phù hợp chức hệ thống công tác quản lý điều hành hệ thống tưới thực tế: Sau kiểm nghiệm tính cho kết tốt, tác giả đến Xí nghiệp KTCTTL Đông Anh để giới thiệu, hướng dẫn sử dụng hệ thống quản lý điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực cho cán kỹ thuật Xí nghiệp Sau dùng thử, Xí nghiệp KTCTTL Đông Anh có nhận xét đánh giá tính phù hợp chức phần mềm 19 VNIMS Tác giả tiếp nhận ý kiến đóng góp hoàn thiện hệ thống theo ý kiến đóng góp - Đánh giá hiệu kinh tế: Khi áp dụng hệ thống VNIMS vào hệ thống tưới có hiệu kinh tế sau: + Tiết kiệm nhân công vận hành hệ thống tưới: Việc tiết kiệm tùy thuộc vào công ty quản lý hệ thống tưới, nên khuôn khổ luận án, tác giả không phân tích hiệu + Tiết kiệm nước cấp đúng, cấp đủ so với phương án vận hành truyền thống: Việc tính toán hiệu cần phải có hệ thống vận hành thực tế, nên tác giả không phân tích hiệu + Tăng suất trồng trồng cấp đủ nước: Việc xác định hiệu cần phải có hệ thống vận hành thực tế, nên tác giả không phân tích hiệu + Tiết kiệm lượng nước cấp cho trồng sử dụng thuật toán tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ geo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng cho ô cống lấy nước (phương pháp 1) so với phương pháp cũ (phương pháp 2): Kết quả, việc sử dụng phương pháp mà tác giả thiết lập để tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng tiết kiệm 6,40% đến 7,01% lượng nước so với phương pháp trường hợp so sánh giai đoạn tưới dưỡng tiết kiệm từ 4,85% đến 5,23% trường hợp so sánh lượng nước cho vụ Kết luận chương Hệ thống VNIMS xây dựng với khối chính: Khối trung tâm liệu máy chủ; Khối người dùng Khối thiết bị trường Các khối liên kết với phần mềm: Phần mềm IMS liên kết khối người dùng khối trung tâm liệu máy chủ, phần mềm dịch vụ máy chủ liên kết khối trung tâm liệu máy chủ với khối thiết bị trường Việc liên kết tạo thành khối đồng nhất, giúp người dùng sử dụng công việc rời rạc trước thành công việc liên hoàn để quản lý điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực Hệ thống kiểm nghiệm khả hoạt động chức năng, tính xác việc tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới hệ thống tưới Kết quả: chức hoạt động tốt, kết tính toán xác 100% so với việc dùng bảng tính Excel để tính toán Khi áp dụng hệ thống VNIMS vào hệ thống tưới có hiệu kinh tế: tiết kiệm nhân công vận hành hệ thống tưới; tiết kiệm nước cấp đúng, cấp đủ so với phương án vận hành truyền thống; tăng suất trồng trồng cấp đủ nước; tiết kiệm lượng nước cấp cho trồng sử dụng thuật toán tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng cho ô cống lấy nước so với phương pháp cũ từ 6,40% đến 7,01% lượng nước trường hợp so sánh giai đoạn tưới dưỡng tiết kiệm từ 4,85% đến 5,23% lượng nước trường hợp so sánh cho vụ 20 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận a Hệ thống VNIMS xây dựng để giải vấn đề tổng thể công tác quản lý điều hành hệ thống tưới, bao gồm: quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới, hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực Hệ thống tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng cho ô cống lấy nước; tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống để tính toán xác định đường mực nước hệ thống kênh theo chế độ dòng không ổn định, không kênh hở; cho phép người dùng cập nhật tiến độ gieo trồng đồ WebGIS thiết bị di động (máy tính bảng, điện thoại di động smartphone) có kết nối internet Hệ thống kiểm nghiệm khả hoạt động chức năng, tính xác việc tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới hệ thống tưới Kết quả: chức hoạt động tốt, kết tính toán xác, trùng với kết tính toán bảng tính Excel b Khi áp dụng hệ thống VNIMS vào hệ thống tưới có hiệu kinh tế: tiết kiệm nhân công vận hành hệ thống tưới; tiết kiệm nước cấp đúng, cấp đủ so với phương án vận hành truyền thống; tăng suất trồng trồng cấp đủ nước; tiết kiệm lượng nước cấp cho trồng sử dụng thuật toán tính toán nhu cầu cấp nước cống lấy nước mặt ruộng theo tiến độ gieo trồng thực tế theo thời kỳ sinh trưởng trồng cho ô cống lấy nước so với phương pháp cũ từ 6,40% đến 7,01% lượng nước trường hợp so sánh giai đoạn tưới dưỡng tiết kiệm từ 4,85% đến 5,23% lượng nước trường hợp so sánh cho vụ Kiến nghị a Kiến nghị việc áp dụng hệ thống VNIMS vào thực tế - Hiện nay, vấn đề cần phải nâng cao hiệu sử dụng nước vấn đề lớn ngành thể đề án: nâng cao hiệu quản lý khai thác công trình thủy lợi có theo định số: 784/QĐ-BNN-TCTL ngày 21 tháng 04 năm 2014 Trong có mục tiêu là: “đến năm 2016 có 50%, đến năm 2020 có 100% tổ chức quản lý khai thác công trình thủy lợi hoạt động theo phương thức đặt hàng đấu thầu quản lý khai thác” Đây vấn đề then chốt việc thúc đẩy đơn vị quản lý khai công trình thủy lợi ứng dụng công nghệ cao vào quản lý điều hành hệ thống tưới nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp nước, tiết kiệm chi phí vận hành Vì vậy, để áp dụng hệ thống VNIMS vào thực tế cách hiệu quả, đề nghị Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn đẩy mạnh việc triển khai thực đề án - Trong thời gian qua, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn cho triển khai áp dụng hệ thống SCADA vào số hệ thống tưới như: hệ thống tưới hồ Yên Lập – tỉnh Quảng Ninh, hệ thống tưới hồ Cấm Sơn – tỉnh Bắc Giang, hệ thống tưới hồ Kẻ Gỗ - tỉnh Hà Tĩnh,…Tuy nhiên, hệ thống không hoạt 21 động không phát huy hiệu đầu tư Có nhiều nguyên nhân, có hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc là: Thứ nhất: hệ thống không đầu tư đồng bộ: quản lý hệ thống công trình, diện tích tưới đồ WebGIS, tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới, hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực Thứ hai: Các thiết bị sử dụng cho hệ thống thiết bị nhập khẩu, nên không phù hợp với điều kiện với tự nhiên, xã hội Việt Nam, không thuận lợi cho việc bảo trì, bảo hành hệ thống Vì vậy, triển khai hệ thống SCADA vào hệ thống tưới, đề nghị Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn xem xét cho phép áp dụng hệ thống VNIMS để khắc phục yếu điểm mà hệ thống SCADA đầu tư trước - Trong trường hợp đủ nguồn kinh phí để đầu tư hệ thống VNIMS hoàn chỉnh (bao gồm phần mềm thiết bị trường) công ty KTCTTL đầu tư phần mềm (khối trung tâm liệu máy chủ), số liệu đo đạc trường đo phương pháp thủ công nhập số liệu thông qua phần mềm thiết bị di động (máy tính bảng, điện thoại) máy tính PC, công nhân phải đóng, mở vận hành công trình Trong trường hợp này, hệ thống hoạt động, nhiên hiệu giảm nhiều so với trường hợp đầu tư hoàn chỉnh b Kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu từ kết nghiên cứu luận án Hệ thống VNIMS chưa có khả tự động vận hành đóng mở cống phân phối nước, cống điều tiết kênh để thiết lập trạng thái vận hành hệ thống tưới yếu tố đầu vào thay đổi đảm bảo hệ thống tự động cấp nước đúng, đủ, vận hành tối ưu Đây vấn đề khó, liên quan đến toán học, lý thuyết điều khiển, lập trình tối ưu, nên thời gian tới NCS bước xây dựng nhóm nghiên cứu với tác giả để giải toàn Việc nghiên cứu giải pháp công nghệ để tích hợp phần mềm MIKE 11 vào hệ thống phần mềm chạy máy chủ, tự động tính toán thuỷ lực hệ thống kênh, sông giúp tác giả nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ quản lý điều hành công trình thuỷ lợi theo thời gian thực, cụ thể: hệ thống dự báo lũ, dự báo vùng ngập lụt hỗ trợ điều hành hồ chứa theo thời gian thực; hệ thống quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tiêu theo thời gian thực; hệ thống quản lý, giám sát dự báo xâm nhập mặn theo thời gian thực Đây định hướng nghiên cứu tác giả lĩnh vực quản lý tài nguyên nước 22 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Quốc Hiệp, Nguyễn Đăng Hà, Công nghệ SCADA - Giải pháp đại hóa công tác quản lý, điều hành tưới Việt Nam Đặc san Khoa học công nghệ Thủy lợi – Viện KHTL Việt Nam số 17, tháng năm 2008 Nguyễn Quốc Hiệp cộng sự, Giải pháp kiểm soát lượng nước phân phối hệ thống kênh tưới Đặc san Khoa học công nghệ Thủy lợi - Viện KHTL Việt Nam số 25, tháng năm 2010 Nguyễn Quốc Hiệp, Hệ thống thông tin giám sát điều khiển, dự báo lũ điều hành hồ chứa theo thời gian thực - giải pháp nâng cao an toàn hồ chứa nước Việt Nam Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy lợi - Viện KHTL Việt Nam số (5+6) - ISSN: 18594255, tháng 12 năm 2011 Nguyễn Quốc Hiệp, Nguyễn Hoàng Hiệp, Nguyễn Ngọc Tuân, Nguyễn Văn Minh, Hệ thống thông tin quản lý sở liệu thủy lợi phục vụ điều hành tưới tiêu Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy lợi - Viện KHTL Việt Nam số 12 - ISSN: 1859-425, tháng 12 năm 2012 Nguyễn Quốc Hiệp, Công nghệ quản lý, giám sát mặn điều hành hệ thống tưới Hội thảo Quốc tế Họp thường niên Mạng lưới INWEPF lần thứ 11 Tuyển tập Báo cáo Hội thảo quốc tế ISBN: 978-604-59-2333-7, năm 2014 23 ... điều hành hồ chứa theo thời gian thực; hệ thống quản lý hỗ trợ điều hành hệ thống tiêu theo thời gian thực; hệ thống quản lý, giám sát dự báo xâm nhập mặn theo thời gian thực Đây định hướng nghiên. .. hành toàn hệ thống tưới 3.5 Quy trình vận hành hệ thống VNIMS Hệ thống VNIMS có ba nhiệm vụ: Lập kế hoạch tưới; hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực; quản lý hệ thống tưới đồ WebGIS... cụ để trợ giúp công tác quản lý điều hành hệ thống tưới nhằm giải vấn đề: Tính toán nhu cầu tưới, lập kế hoạch tưới; Hỗ trợ điều hành hệ thống tưới theo thời gian thực; Quản lý hệ thống tưới đồ