Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng thuật toán Fuzzy logic trong điều hành hồ chứa Ka Nak, thuộc hệ thống liên hồ chứa sông Ba, để cắt giảm lũ cho hạ du.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU HÀNH HỒ CHỨA CHỐNG LŨ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN FUZZY LOGIC Nguyễn Việt Tổng cục thủy Lợi - Bộ NN PTNT Nguyễn Tiền Giang; Nguyễn Hữu Khải Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội Tóm tắt: Điều hành hồ chứa chống lũ vấn đề quan tâm, nhiều nghiên cứu vận hành hồ hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du triển khai Nhìn chung phương pháp tiếp cận thường theo hướng sử dụng mơ hình mơ kết hợp với số kỹ thuật tối ưu để lựa chọn phương án vận hành hợp lý Cho đến nay, đạt tiến đáng kể nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa, chưa có lời giải chung cho hệ thống mà tùy đặc thù hệ thống để đưa lời giải phù hợp Thời gian gần đây, lý thuyết tập mờ ứng dụng phổ biến tỏ hữu hiệu việc xử lý giá trị khơng xác Tuy nhiên, việc ứng dụng thuật toán Fuzzy logic vận hành hồ chứa chống lũ, đặc biệt Việt Nam, mức hạn chế Bài báo trình bày kết nghiên cứu sử dụng thuật toán fuzzy logic điều hành hồ chứa Ka Nak, thuộc hệ thống liên hồ chứa sông Ba, để cắt giảm lũ cho hạ du Từ khố: sơng Ba, vận hành hồ chứa, chống lũ, Fuzzy Logic, hàm liên thuộc, hệ suy luận mờ, hệ điều khiển mờ Summary: Operating the reservoir against floods is always a matter of concern Many studies on the operation of reservoir systems for flood control in downstream areas have been carried out The approaches are often used in the simulation model combined with some optimum techniques to select the right operation option So far, significant advances have been made in the operation of the reservoir system, but there is no general solution for every system that depends on the specificity of each system to provide the well suited solution In recent times, fuzzy set theory has been applied quite well and proved effective in dealing with inaccurate values However, the application of the Fuzzy logic algorithm in the operation of reservoirs against floods, especially in Vietnam, is still limited This paper presents the results of a study using a fuzzy logic algorithm in the Ka Nak reservoir management, in the Ba river reservoir system, to reduce floods for the downstream * GIỚI THIỆU CHUNG Thời gian qua, nhiều cơng trình nghiên cứu vận hành hồ hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du triển khai lưu vực sông Công ty tư vấn Điện I (1991), Viện Quy hoạch Quản lý nước (1991) nghiên cứu lập quy Ngày nhận bài: 01/02/2018 Ngày thông qua phản biện: 19/4/2018 Ngày duyệt đăng: 26/4/2018 trình vận hành hồ chứa Hồ Bình phòng lũ phát điện Hồng M inh Tuyển (2002) phân tích đánh giá vai trò số hồ chứa thượng nguồn sông Hồng cho phòng chống lũ hạ du Viện khoa học Thuỷ lợi (2006) thực dự án xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa sông Đà sông Lơ có hồ chứa Thác Bà, Hồ Bình, Tuyên Quang Trần Hồng Thái (2005) N gô Lê Long (2006) bước đầu áp dụng thuật tối ưu hoá TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ vận hành hồ Hồ Bình phòng chống lũ phát điện Nguyễn Hữu Khải Lê Thị Huệ (2007) nghiên cứu áp dụng mơ hình HEC-RESSIM cho điều tiết lũ hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hương, cho phép xác định trình tự thời gian vận hành hợp lý hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lưu sông Hương N guyễn Thế Hùng Lê Hùng (2009) áp dụng thuật tốn di truyền tìm kiếm quỹ đạo vận hành tối ưu hồ chứa nước có nhà máy thủy điện làm việc độc lập với trình dòng đến ngẫu nhiên cho cơng trình thủy điện EA Krông Rou Trên lưu vực sông Ba có nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa chống lũ cho hạ du như: Nguyễn Hữu Khải (2010) Đề tài KC.08.30/06-10 “Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa sử dụng hợp lý tài nguyên nước mùa kiệt lưu vực sông Ba Nguyễn Hữu Khải, Lê Thị Huệ (2011) M ô vận hành liên hồ chứa sông Ba mùa lũ mơ hình HEC-RESSIM Cao Đình Huy Lê Hùng (2015) N ghiên cứu hiệu cắt giảm lũ hạ du hệ thống hồ chứa thủy Ðiện sông ba Lương Hữu Dũng (2016) Luận án tiến sĩ N ghiên cứu sở khoa học phục vụ vận hành hệ thống liên hồ chứa kiểm sốt lũ lưu vực sơng Ba Nguyễn Tiền Giang nnk (2016) Đánh giá biến đổi chế độ thủy văn hạ lưu lưu vực sông Ba tác động hệ thống hồ chứa Nhìn chung phương pháp tiếp cận nêu thường theo hướng sử dụng mơ hình mơ kết hợp với số kỹ thuật tối ưu để lựa chọn phương án vận hành hợp lý Hầu hết nghiên cứu đưa quỹ đạo vận hành tối ưu cho hồ chứa mặt lý thuyết hồ vận hành theo quy trình xây dựng từ mơ hình mơ Cho đến nay, đạt tiến đáng kể nghiên cứu vận hành hệ thống hồ chứa, chưa có lời giải chung cho hệ thống mà tùy đặc thù hệ thống để đưa lời giải phù hợp Việc ứng dụng Fuzzy logic Gần đây, cách tiếp cận theo hướng áp dụng Fuzzy logic nhiều nhà khoa học giới nghiên cứu, triển khai áp dụng thu kết khả quan, lĩnh vực công nghiệp Việc nghiên cứu áp dụng Fuzzy logic phục vụ điều hành hồ chứa quan tâm mức độ hạn chế M ột số nghiên cứu kể S.M ohan M Anjaneya Prasad (India) với nghiên cứu mơ hình logic mờ cho điều hành hệ thống hồ chứa; D Nagesh Kumar, D.S.V Prasad, K Srinivasa Raju (India) áp dụng cách tiếp cận mờ tối ưu hóa điều hành hồ chứa Dubrovin et al (2002) ứng dụng mơ hình dựa ngun tắc mờ điều hành hồ chứa đa mục tiêu theo thời gian thực Panigrahi M ujumdar (2000) thử nghiệm mơ hình hố điều hành hồ chứa đơn dựa quy tắc mờ cho hồ chứa đơn mục tiêu, áp dụng phương pháp lập trình động ngẫu nhiên (SDP) để xây dựng quy tắc sở Durbovin nnk (2002) đưa mơ hình điều hành hồ chứa thời gian thực dựa tương tự mờ hoàn toàn Nguyen, T.G nnk (2006) trình bày M ột phương pháp đánh giá mơ hình tổng hợp hệ thống nguồn nước sử dụng thuật toán fuzzy logic Nguyễn M Đăng Trịnh Xuân M ạnh (2014) nghiên cứu vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt cho cấp nước mùa kiệt sử dụng thuật toán fuzzy logic MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG TIẾP CẬN Thực tế cho thấy việc điều hành hồ chứa chống lũ phụ thuộc chủ yếu vào q trình dòng dòng chảy lũ đến hồ, lại yếu tố ln biến động, khó dự báo xác Thời gian gần đây, lý thuyết tập mờ ứng dụng phổ biến lĩnh vực công nghiệp tỏ hữu hiệu việc xử lý giá trị khơng xác Tuy nhiên, việc ứng dụng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thuật tốn Fuzzy logic vận hành hồ chứa chống lũ, đặc biệt Việt Nam, mức hạn chế Hình 2: Cấu trúc hệ điều khiển mờ Cấu trúc hệ thống dựa nguyên tắc mờ hệ điều khiển mờ (Fuzzy logic control) hình 2, với thành phần chính: (a) M hố yếu tố đầu vào (Fuzzification of inputs), (b) Hệ quy tắc mờ (Fuzzy rule base system), (c) Hệ suy diễn mờ (Fuzzy inference system), (d) Giải mờ (Defuzzification) Hình 1: Sơ đồ hướng tiếp cận nghiên cứu Bài báo trình bày kết ứng dụng thuật tốn Fuzzy logic vận hành hồ chứa Kanak thuộc hệ thống liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ cho hạ du ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU HÀNH HỆ THỐNG LIÊN HỒ CHỨA CHỐNG LŨ LƯU VỰC SÔNG BA Logic mờ Hệ điều khiển mờ Hồ Ka Nak 33 km2 Khu 517 k m2 TĐ An Kh ê 13 50 km2 TV An KHê Hồ Ay un hạ 167 km2 Khu 187 km2 L.A Zadeh người mở đầu cho phát triển ứng dụng lý thuyết Ý tưởng khái niệm t ập mờ Zadeh từ khái niệm trừu tượng ngữ nghĩa thông tin mờ, không chắn biểu diễn khái niệm toán học, gọi tập mờ Đối tượng nghiên cứu lôgic mờ mệnh đề mờ việc xác định giá trị chân lý chúng M ệnh đề mờ chứa khái niệm khơng xác, khơng chắn khơng đủ thơng tin để định giá giá trị chân lý “tuyệt đối đúng” hay “tuyệt đối sai” theo nghĩa kinh điển Giá trị chân lý mệnh đề mờ nằm đoạn [0;1] Khu 2049 k m2 TV Ayun Pa T V Kro ngHnang 235 km2 Khu g iữa 933 km2 TĐ Kron gHnang Kh u 300 km2 TĐ sông Hinh 774 km2 T Đ Sôn g Ba hạ Khu 54 km2 TV Củng Sơn TV Phú Lâm Hình 3: Sơ đồ hệ thống hồ chứa, khu gữa lưu vực sơng Ba TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Phạm vi nghiên cứu, sơ đồ hệ thống viết ngơn ngữ lập trình M ATLAB Lưu vực sơng Ba có diện tích 13.900 km , với dân số khoảng 1,4 triệu người, chín lưu vự c sơng lớn Việt Nam Nhiều cơng trình đư ợc xây dựng lưu vực hồ Ayun Hạ, hồ thủy điện An Khê-Ka Năk, Sông Ba Hạ, Krông H’Năng, Sông Hinh Các hồ chứa khu đoạn sông nối hồ s đồ hóa hình Mơ hình tốn sử dụng Fuzzy logic M hình mơ vận hành hệ thống hồ chứa điều tiết cắt giảm lũ cho hạ du gồm: M oduyn vận hành điều tiết lũ qua hồ chứa, M oduyn diễn tốn dòng chảy lũ đoạn sông M oduyn thực việc đọc liệu, biểu diễn diễn lưu trữ kết tính tốn dạng đồ thị, truy xuất kết tính tốn file lưu trữ dạng Text Excel chương trình kết nối M oduyn Các M oduyn Hình 4: Sơ đồ khối tính tốn điều hành hệ thống hồ chứa chống lũ Hệ điều khiển mờ điều hành lưu lượng xả hồ chứa công nghệ Fuzzy xây dựng riêng cho hồ a, gồm có biến đầu vào Lư ợng lũ đến (Qden), M ực nước hồ (H ho), M ực nước khống chế hạ du (Hhadu) biến đầu Lư ợng xả qua hồ (Q xa) Hình 5: Hệ điều khiển mờ điều hành lưu lượng xả hồ chứa Hình 6: Các hàm liên thuộc cho biến đầu vào Để thiết lập hàm liên thuộc (M F), lưu lượng đỉnh lũ (Qden) hồ Ka Nak trạm TV An Khê chia khoảng sở tham khảo quy định phân cấp lũ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Dự báo lũ, trình bày bảng sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng 1: Các hàm liên thuộc biến đầu vào lũ đến Kanak Trường hợp Hàm liên thuộc Điều kiện M ực nước đỉnh lũ (m) Lũ nhỏ mf1 Lũ trung bình mf2 Lũ lớn mf3 Lũ lớn mf4 (HmaxP90% ≤ ) Hmaxi < HmaxP70% HmaxP70% ≤ Hmaxi < HmaxP30%: HmaxP30% ≤ Hmaxi < HmaxP10%: Hmaxi ≥ HmaxP10%: Lũ đặc biệt lớn mf5 Lưu lượng tương ứng Ka Nak (m3/s) (232) ≤ Qmax < 310 310 ≤ Qmax < 862 862 ≤ Qmax < 1420 Qmax ≥ 1420 (1639) 1780 (P5%) 2648 (P1%) 3037 (P0.5%) Lưu lượng tương ứng TV An Khê (m3/s) (375) ≤ Qmax < 500 500 ≤ Qmax < 1390 1390 ≤ Qmax < 2280 Qmax ≥ 2280 2859 4253 4878 Trên sở biến đầu vào, đầu ra, hàm liên thuộc thiết lập, tiến hành xây dựng hệ thống luật (FIS) điều hành hồ chứa Hình 7: Hệ thống luật cho điều hành xả hồ Kanak Lưu lượng xả sau hồ chứa hạ du diễn toán theo phương pháp Muskingum Biểu đồ quan hệ lưu lượng (Q) mực nước (H) xây dựng cho điểm không chế An Khê, Ayun Pa, Phú Lâm giúp kiểm tra điều khiển trình vận hành xả hồ chứa nhằm đáp ứng điều kiện khống chế hạ du - Đối với trận lũ đến có lưu lượng đỉnh lũ nhỏ trận lũ XI/1988 (có lưu lượng đỉnh lũ Q=311 m3/s), khơng cần hạ mực nước hồ giai đoạn chuẩn bị đón lũ mà tích phần lớn lượng lũ đến, đồng thời mực nước lớn An Khê chưa lên đến mức Báo động I KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN - Đối với trận lũ đến có lưu lượng đỉnh lũ mức trung bình trận lũ X/1993 (lưu lượng Kết tính tốn điều hành hồ Ka Nak cho thấy: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ đỉnh lũ Q=462 m3/s) không cần hạ mực nước hồ cần hạ đến cao trình 511,58m (so với yêu cầu phải hạ xuống cao trình MNĐL 506,0m theo Quy trình 1077) giai đoạn chuẩn bị đón lũ mà tích phần lớn lượng lũ đến, đồng thời mực nước lớn An Khê chưa lên đến mức Báo động I - Đối với trận lũ đến có lưu lượng đỉnh Hình 8: Mực nước, lưu lượng hồ Ka Nak - Đối với trận lũ đến có lưu lượng đỉnh lũ lớn trận lũ dạng XI/1981 có lưu 3 lượng đỉnh lũ Q=1.780 m /s, 2.648 m /s 3.037m3/s (tương ứng với P = 5%, 1% 0,5%), để đảm bảo mực nước TV An Khê không vượt báo động II (405,5m) xả với lưu lượng lớn vào khoảng 744m3/s, 769m3/s 769 m3/s tương ứng với cấp lũ trên, hạ mực nước hồ xuống cao trình 509,23m, 509,47m 509,8m (vẫn cao so với M NĐL 506,0m), mà đảm bảo khống chế mực nước TV An Khê mức 405,40m, 405,50 m 405,50m tương ứng (đảm bảo yêu cầu không vượt báo động II 405,5m) Khi vận hành hồ Kanak giảm lũ cho hạ du hạ mực nước đỉnh lũ An Khê từ 1,10 đến 2,40m; Với trận lũ có tần suất p=1% Củng Sơn (Q= 26.500 m3/s), dạng lũ 1988, lũ tương đối lớn trận lũ XI/1981 có lưu lượng đỉnh lũ Q=1519 m3/s (tần suất xuất p8-10%, thuộc trường hợp lũ lớn-rất lớn) hạ mực nước hồ xuống cao trình 509,16m (với Q xa max = 743m3/s, Hankhe max= 405,35m tương ứng) Sau cắt tồn đỉnh lũ nâng mực nước hồ lên đến mực nước dâng bình thường (hình 6, 7) Hình 9: Mực nước khơng chế TV An Khê 1993: sau điều tiết hồ Ka Nak giữ mực nước An Khê mức 404,45 404,81m (xấp xỉ Báo động I Báo động II) Với trận lũ có tần suất p=1% An Khê (Q = 4253 m3/s ), dạng lũ 1981: khống chế mực nước An Khê mức 408,24m, cao 1,74cm so với Báo động III (406,5m) KẾT LUẬN Có thể ứng dụng Fuzzy logic điều hành hồ chứa, giúp định lưu lượng xả cần thiết vào lưu lượng đến hồ, mực nước hồ yêu cầu khống chế mực nước lũ hạ du Việc áp dụng Fuzzy logic giúp nhà quản lý định lượng tích, xả thực nhanh điều chỉnh kịp thời dựa điều kiện trạng hồ dự báo dòng vào, giúp cho việc định điều hành trở nên dễ dàng, linh hoạt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 KHOA HỌC Vận hành theo quy trình đề xuất có ứng dụng Fuzzy logic nâng cao mực nước hồ Ka Nak sau kết thúc trận lũ, hiệu CÔNG NGHỆ thể rõ trận lũ đến có lưu lượng đỉnh lũ mức trung bình trận lũ X/1993 lũ nhỏ trận lũ XI/1988 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Khải, Nguyễn Việt 2009 Bài tốn điều tiết lũ liên hồ chứa sơng Ba vấn đề liên quan Tuyển tập hội thảo Chương trình khoa học Cơng nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.08/06-10, Hà Nội [2] Nguyễn Hũu Khải ( 2010) Đề tài cấp nhà nước KC.08.30/06-10: “ Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa sử dụng hợp lý tài nguyên nước mùa kiệt lưu vực sông Ba” [3] Viện quy hoạch thuỷ lợi Quy hoạch tổng hợp lưu vực sông Ba, Hà Nội, 2005 [4] Quyết định số 1077/QĐ-TTg ngày 07 tháng năm 2014 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba [5] John W Labadie, M ASCE, Optimal Operation of Multireservoir Systems: State-of-theArt Review Journal of water resources planning and management © asce / march/april 2004 / 93 [6] S.M ohan and M Anjaneya Prasad, Fuzzy Logic M odel for M ulti Reservoir Operation Retrieved from https://pdfs.semanticscholar.org/9d69/a130bcbf40876ae1767030c8197f11c1e167.pdf [7] D Nagesh Kumar, Falguni Baliarsingh, K Srinivasa Raju (2010) Optimal Reservoir Operation for Flood Control Using Folded Dynamic Programming Water Resour M anage (2010) 24:1045–1064 DOI 10.1007/s11269-009-9485-3 [8] D P Panigrahi and P P M ujumdar (2000) Reservoir Operation Modelling with Fuzzy Logic Water Resources M anagement 14: 89–109 Retrieved from http://civil.iisc.ernet.in/~pradeep/WRM -panigrahi.pdf TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 43 - 2018 ... nước sử dụng thuật toán fuzzy logic Nguyễn M Đăng Trịnh Xuân M ạnh (2014) nghiên cứu vận hành tối ưu hồ chứa Cửa Đạt cho cấp nước mùa kiệt sử dụng thuật toán fuzzy logic MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ... cận nghiên cứu Bài báo trình bày kết ứng dụng thuật toán Fuzzy logic vận hành hồ chứa Kanak thuộc hệ thống liên hồ chứa sông Ba cắt giảm lũ cho hạ du ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU HÀNH... tính tốn điều hành hệ thống hồ chứa chống lũ Hệ điều khiển mờ điều hành lưu lượng xả hồ chứa công nghệ Fuzzy xây dựng riêng cho hồ a, gồm có biến đầu vào Lư ợng lũ đến (Qden), M ực nước hồ (H ho),