Nghiên cứu ứng dụng mô hình watergems vào cải tạo tối ưu mạng lưới cấp nước vùng 1 thành phố hồ chí minh

4 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WaterGEMS vào cải tạo tối ưu mạng lưới cấp nước vùng 1 thành phố Hồ Chí Minh”, tôi đã nhận được rất nhiều sự g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Nguyễn Thống

2 TS Nguyễn Quang Trưởng

3 PGS TS Châu Nguyễn Xuân Quang

4 PGS TS Trịnh Công vấn

5 PGS TS Lê Song Giang

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu cỏ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHÚ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Quốc Thắng MSHV: 13200120

Ngày, tháng, năm sinh: 24/ 11 / 1973 Nơi sinh: Sài Gòn Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy Mã số : 60580202

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Watergems vào cải tạo tối ưu mạng

lưới cấp nước vùng 1 thành phố Hồ Chí Minh

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết của phần mềm Watergems

Chương 3 : ứng dụng phần mềm Watergems vào tính toán tối ưu mạng lưới cấp nước

vùng 1 thành phố Hồ Chí Minh

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

Tp HCM, ngày tháng năm 20

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Minh Tâm

3

4

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WaterGEMS vào cải tạo tối ưu mạng lưới cấp nước vùng 1 thành phố Hồ Chí Minh”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Xây dựng, Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước, các thầy cô, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn, người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn Thạc sĩ

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn TNHH MTV và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tp Hồ Chi Mình, ngày 12 tháng 1 năm 2016

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Thắng

5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thực trạng hiện nay là phần lớn các công ty cấp nước đều quản lý mạng lưới cấp nước có tính lịch sử, các đường ống được đầu tư dàn trải qua nhiều thời kỳ nên mức độ cũ-mới rất khác nhau, nhu cầu dùng nước ngày càng tăng dẫn đến tình trạng thất thoát nước hữu hình và vô hình đáng kể Do nguồn lực đầu tư có hạn, các công ty cấp nước không thể cùng lúc cải tạo toàn bộ mạng lưới đường ống trên địa bàn đang quản lý để giảm thất thoát nước mà phải phân kỳ thực hiện theo từng giai đoạn Điều này đặt ra yêu cầu xác định lại đường kính cho các đoạn ống cũ mục sắp được thay thế sao cho mạng lưới vẫn hoạt động hiệu quả mà chi phí đầu tư xây dựng thấp nhất

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tin học, hiện nay có nhiều phần mềm tích hợp được dùng trong tính toán mạng lưới cấp nước như EPANET, WaterCAD, WaterGEMS hay H20MAP, mỗi phần mềm có những điểm mạnh và điểm yếu riêng

Trong nghiên cứu này, WaterGEMS, phần mềm có khả năng không những về tính toán thủy lực mà còn cả về chất lượng nước và tính tối ưu mạng lưới trên nền GIS, sẽ được

áp dụng vào việc tính toán tối ưu mạng lưới ống truyền dẫn (ống có đường kính > 300mm)

ở vùng 1 thành phố Hồ Chí Minh (gồm các quận 1, 3, 5 và 10)

6

SUMMARY OF THESIS

The present situation is that the majority of water companies are managing water network historically, the pipes are spreading investment over time so the old- new levels are very different, water demand increasingly leads to water losses of tangible and intangible significantly Due to limited resources for investment, water companies can not simultaneously renovating the entire pipeline network to reduce water losses, so they diverge implementation in phases This raises the requirements for determining the diameters of the old pipes is about to replace so that the network is still effect and the construction cost is low

With the rapid development of information technology, there are now more integrated software is used in the calculation of water supply network as EPANET, WaterCAD, WaterGEMS or H20MAP, each software has strengths and weaknesses

In this study, WaterGEMS, the software is capable of not only hydraulic calculations, but also water quality and optimize GIS-based network, will be applied in the calculation of the optimal transmission pipeline network (pipes with diameter from 300mm and above) in zone 1 of Ho Chi Minh city (including districts 1, 3, 5 and 10)

7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm on và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 1 năm 2016

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Thắng

8

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

SUMMARY OF THESIS 6

LỜI CAM ĐOAN 7

MỤC LỤC 8

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC HÌNH 11

DANH MỤC BIỂU ĐỒ 12

CHUƠNG 1 : TÔNG QUAN 13

1.1 Đặt vấn đề 13

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 15

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước 17

1.3 Mục đích - Nội dung - Phưong pháp nghiên cứu - Công cụ nghiên cứu 18

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 18

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 18

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 18

1.3.4 Công cụ nghiên cứu 18

CHUÔNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM WATERGEMS 19

2.1 So sánh sơ bộ các phần mềm tính cấp nước 19

2.2 Tổng quan về phần mềm WaterGEMS [8] 20

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực của phần mềm WaterGEMS 21

2.3.1 Tổn thất cột áp trong đường ống có áp 21

2.3.2 Cột nước đo áp tại nút 22

2.3.3 Các quy luật cân bằng 22

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tối ưu của phần mềm WaterGEMS 23

2.4.1 Thuật toán : í 17 l 23

2.4.2 Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) : M 24

CHUƠNG 3 : ÚNG DỤNG PHẦN MỀM WATERGEMS VÀO TÍNH TOÁN TỐI ƯU MẠNG LUỚI CẤP NUỚC VÙNG 1 - TP HCM 29

3.1 Giới thiệu mạng lưới cấp nước vùng 1 - TP HCM 29

3.2 Thu thập và phân tích số liệu mạng lưới cấp nước vùng 1- TP HCM 32

3.3 Trình tự tính toán với WaterGEMS 36

3.4 Tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước hiện hữu ở vùng 1 37

3.5 Tính toán tối ưu mạng lưới cấp nước cải tạo ở vùng 1 39

3.6 Kết quả tính toán và nhận xét 41

9

3.7 Các phương án tính toán 44

3.8 Áp dụng vào thực tiễn quản lý vận hành mạng lưới cấp nước : 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 1 : CÁCH LỰA CHỌN GIÁ TRỊ CHO CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN TỐI ƯU BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 54

PL1.1 Tổng quan 54

PL1.2 Các trường hợp và giải pháp xử lý 55

PL1.2.1 Số lần lặp tối đa (Max Trials) 55

PL1.2.2 Số lượng thế hệ đã tiến hóa mà kết qủa không được cải thiện (Non- Improvement Generations) 56

PL1.2.3 Số thế hệ tối đa (Generations) 57

PHỤ LỤC 2 : TÍNH TOẤN TỐI ƯU BẰNG DARWIN DESIGNER 59

PL2.1 Nội dưng bài toán 59

PL2.2 Bước 1 : Tạo event 60

PL2.3 Bước 2 : Tạo ràng buộc về áp lực 61

PL2.4 Bước 3 : Tạo ràng buộc về lưu tốc 63

PL2.5 Bước 4 : Nhập bảng chi phí /m theo đường kính 65

PL2.6 Bước 5 : Chọn các đoạn ống được phép lựa chọn đường kính 66

PL2.7 Bước 6 : Chọn phân tích tối thiểu chi phí 67

PL2.8 Bước 7 : Tạo phân tích tối ưu 67

PL2.9 Bước 8 : Phân tích kết quả 69

PL2.10 Bước 9 : Xuất kết quả tính toán của trường hợp Solution 1 71

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 72

10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Phân loại tối ưu hóa hệ thống cấp nước 14

Bảng 2 : Phân biệt sơ bộ giữa 4 phần mềm mô phỏng thủy lực thông dụng 19

Bảng 3 : Chiều dài các đoạn ống 32

Bảng 4 : Cao trình và lưu lượng tiêu thụ tại các nút 33

Bảng 5: Chỉ phi xây lẳp của mạng lưới vùng 1 hiện hữu 34

Bảng 6: Kết quả tỉnh toán thủy lực - áp lực tại các nút 38

Bảng 7: Kết quả tỉnh toán thủy lực - lưu tốc trong các ống 38

Bảng 8 : Đường kỉnh lựa chọn và chỉ phí xây lẳp mỗi đơn vị chiều dài ống tương ứng 39 Bảng 9 : Các thông số của thuật toán dỉ truyền cho tính toán tối ưu 40

Bảng 10 : So sảnh giữa chi phỉ đạt được và số vòng lặp tính toán, thời gian tính toán

41

Bảng 11: So sảnh chỉ phí xây lẳp của mạng lưới vùng 1 hiện hữu và tối ưu 49

11

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Sơ đồ phân vùng (zone) trong dự án giảm that thoát nước TP HCM 29

Hình 2 : Sơ đồ phân vùng trong dự án giảm that thoát nước vùng 1 30

Hình 3 : Sơ đồ mạng lưới cấp nước vùng 1 31

Hình 4: Tủ tín hiệu đồng ho DMA 5L01B tại Trần Hưng Đạo - Lương Nhữ Học 35

Hình 5: Bộ cảm biến của đồng hồ đo lưu lượng dạng điện từ mặt bích 35

Hình 6: Mô hình thủy lực mạng lưới cấp nước chinh của vùng 1 37

Hình 7: Các đoạn ống được phép lựa chọn đường kỉnh từ số 22 - 28, 44 - 52 48

Hình 8: Các đoạn ống ở cùng 1 Design Group sẽ có cùng giả trị đường kỉnh 48

Hình 9: Các thông số thuật toán di truyền của tinh toán 50

Hình 10 : Tính toán tối ưu tạm ngưng do đã đạt đến thông số số lần lặp tối đa 55

Hình 11: Thông sổ “Max Trials” 55

Hình 12 : Tạm ngưng do đã đạt đến Non-Improvement Generations 56

Hình 13 : Thông số “Non-Improvement Generations” và “Population Size” 57

Hình 14 : Tạm ngưng do đã đạt đến số thế hệ tốỉ đa 57

Hình 15 : Thông số “Maximum Era Number” và “Era Generation Number” 58

Hình 16: Mô hình thủy lực mạng lưới cấp nước chinh của vùng 1 59

12

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1: Biểu diễn sự hội tụ kết quả 41

Biểu đồ 2 : So sánh cột áp trên mạng lưới hiện hữu và tối ưu 42

Biểu đồ 3 : So sánh lưu tốc mạng lưới hiện hữu và tối ưu 42

Biểu đồ 4 : So sánh đường kính ống mạng lưới hiện hữu và tối ưu (sử dụng 17 loại đường kỉnh ổng) 43

Biểu đồ 5 : Trường hợp dùng đúng 7 loại đường kỉnh ống đang dùng ở mạng HH 44

Biểu đồ 6: Trường hợp dùng 8 loại đường kỉnh ổng (thêm D1295) 44

Biểu đồ 7: Trường hợp dùng 9 loại đường kính ống (thêm D400) 45

Biểu đồ 8 : Trường hợp dùng 10 loại đường kỉnh ống (thêm D762) 45

Biểu đồ 9 : Trường hợp dùng 11 loại đường kỉnh ống (thêm D450) 46

Biểu đồ 10 : Trường hợp dùng 12 loại đường kỉnh ống (thêm DI 143) 46

Biểu đồ 11 : Trường hợp dùng 13 loại đường kỉnh ống (thêm D1448) 47

Biểu đồ 12 : Trường hợp dùng 14 loại đường kỉnh ống (thêm D1372) 47

Biểu đồ 13: So sánh đường kính ống mạng lưới hiện hữu và tối ưu 50

13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống cấp nước bao gồm trạm xử lý, bể chứa, trạm bơm, mạng lưới đường ống,

là cơ sở hạ tầng không thể thiếu đối với việc phát triển kinh tế-xã hội của bất cứ thành phố nào, địa phương nào trong cả nước

Thực trạng hiện nay là phần lớn các công ty cấp nước đều quản lý mạng lưới cấp nước có tính lịch sử, các đường ống được đầu tư dàn trải qua nhiều thời kỳ nên mức độ cũ-mới rất khác nhau, nhu cầu dùng nước ngày càng tăng dẫn đến tình trạng thất thoát nước hữu hình và vô hình đáng kể Do nguồn lực đầu tư có hạn, các công ty cấp nước không thể cùng lúc cải tạo toàn bộ mạng lưới đường ống trên địa bàn đang quản lý để giảm thất thoát

nước (GTTN) mà phải phân kỳ thực hiện theo từng giai đoạn Điều này đặt ra yêu cầu xác

định đường kỉnh phù hợp cho các đoạn ống cũ mục sẳp được thay thế sao cho mạng lưới

vẫn hoạt động hiệu quả mà chi phí đầu tư xây dựng thấp nhất Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tin học, hiện nay có nhiều phần mềm tích hợp được dùng trong tính toán mạng lưới cấp nước, không những về thủy lực mà còn cả về chất lượng nước và tính tối ưu mạng lưới trên nền GIS Có thể kể đến các phần mềm như EPANET, WaterCAD, WaterGEMS hay H2OMAP

Thành phố Hồ Chí Minh với diện tích hơn 2000 km2 và dân số khoảng 9 triệu người là thành phố có tầm quan trọng hàng đầu trong cả nước về kinh tế, công nghiệp, văn hóa, giáo dục, giao thương, về mặt hành chánh, thành phố được chia thành 19 quận và 5 huyện,

về cơ sở hạ tầng, hệ thống cung cấp nước sạch luôn là một trong những vấn đề mà chính quyền thành phố quan tâm Hệ thống này được hình thành từ thời Pháp thuộc, trải qua thời gian dài sử dụng, không đồng bộ về vật liệu và chủng loại cũng như mạng lưới trải dài trên một diện rộng Mạng lưới đường ống thành phố có chiều dài khoảng 4500 km (thống kê ống có đường kính >100 mm), trong đó đường ống có tuổi thọ > 20 năm chiếm khoảng 38%, cung cấp 1,8 triệu m3 nước sạch cho cả thành phố Đáng lưu ý là mức độ thất thoát nước của hệ thống cung cấp nước sạch đã lên tới khoảng 38% [13] Gỉảm thất thoát nước sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội và là một mục tiêu phải đạt của ngành cấp nước thành phố Dự án giảm thất thoát nước thành phố Hồ Chí Minh với chi phí ước tính khoảng 100 triệu đô la Mỹ cho 6 vùng (zone) Trong giai đoạn 1, phần dự án giảm thất thoát nước trị giá 44 triệu đô la Mỹ được tập trung triển khai ở vùng đang có tỷ lệ thất thoát cao như : Q.l, 3, 5 và 10 (vùng 1); Q.ll, Tân Bình và Tân Phú (vùng 2) Hiện nay, vùng 1 (bao gồm

119 DMA)[ đã được thiết lập hoàn chỉnh và đi vào hoạt động ổn định, cung cấp nguồn cơ

sở dữ liệu cho việc xây dựng, hiệu chỉnh mô hình mạng lưới đường ống truyền tải (đường kính trên 300 mm) và tính toán tối ưu mạng lưới

1.2 Tình hình nghiên cửu trong và ngoài nước

Trên thế giới, vấn đề thiết kế tối ưu mạng lưới cấp nước đã cỏ được rất nhiều chuyên

Van Vuuren (2005) đã đưa ra bảng phân loại cảc loại hình thiết kế tối ưu hóa mạng lưới cấp nước như sau (bảng 1)

Bảng 1: Phân loại tối ưu hóa hệ thống cấp nước

Thiết kế Tối thỉểu chỉ phí

xây lắp

Sơ đồ bố trí ống, đường kính ống, cải tạo ống cũ

Áp lực thấp nhất tại nút, khả năng tài chính, lựa chọn cải tạo

Vận hành Tối thiểu chi phí vận

hành

Vận hành bơm, mực nước cung cấp, nguồn

và dung tích dự trữ nguồn

Áp lục thấp nhất tại nút, số bơm thay đổi, dung tích bể

chứa nguồn, đường cong bơm

Kiểm định Tối thiểu chi phí

khác nhau giữa mô hình và các giá trị quan sát

Độ nhám ống, đường kính ống, điều chỉnh van, rò rỉ, nhu cầu sử dụng

Tất cả các biến trên Cấu hình hệ thống, tài chính

Cấu hình hệ thống, tài chính

Thử hệ thống Tìm kiếm tập hợp

các quyết đỉnh của các sự kiện có thể làm hệ thống bị lỗi

Cháy, ống hư hỏng, nguồn hư hỏng,

ô nhiễm và lan truyền

ô nhiễm trên mạng

Cấu hình hệ thống, số các mô phỏng các sự kiện

1.2.1 Các nghiên cửu ngoài nước

Đã có rất nhiều các nghiên cứu ở ngoài nước trong vấn đề thiết kế chỉ phí tối ưu xây dựng mạng lưới cấp nước, tiêu biểu là các nghiên cứu sau:

[1] Dragan A.Savic and Godfrey A.Walters (1997) “Genetic algorithms for

least-cost design of water distribution networks”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE,

501-509, 67-77

Sử dụng thuật toán dỉ truyền tiêu chuẩn (Standard Genetic Algorithms, SGAs) để giải bài toán tối ưu phỉ tuyến tìm chỉ phí trong việc thiết kế mạng lưới cấp nước và phát triển thành mô hình GANET Thuật toán SGAs này là một nhánh của kỹ thuật Monté-Carlo, biểu diễn các thông sổ bằng số nhị phân, bài toán được giải mà không cần các giả định tuyến tính hóa hay tính các đạo hàm riêng, tránh sự không ổn định các số hạng liên kết khỉ tính toán ma trận Thuật toán di truyền hình thành từ nguyên lý tiến hoả tự nhiên là quá trình tối

ưu nhất, hoàn hảo nhất Tính tối ưu của quá trình tiến hoá thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt hơn thế hệ trước Các thế hệ mới được sinh ra đề bổ sung, thay thế thế hệ cũ, trong quá trình này cả thề nào thích ứng hơn với môi trường sẽ tồn tại, cá thể nào kém thích ứng hơn sẽ bị đào thải

[2] D Nagesh Kumar et aỉ (1998), “Optimal design of water distribution system using linear programming gradient (LPG) method”, India Water Works Assciation, April-June 1998

Thiết kế tối ưu hỏa hệ thống phân phổi nước sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính gradient Mô hình giải quyết các mạng vòng và bài toán phân tích tối ưu trong mạng cấp hai Kết quả của quy hoạch tuyến tính được sử dụng để thay đồi các lưu lượng từ đó giảm được toàn bộ chi phí đầu tư cho việc xây dựng mạng lưới Quy hoạch tuyến tính được gỉảỉ với các lưu lượng phân phối mới và việc lặp lại được tiếp tục cho đến khi hội tụ, tức là không cải thiện được chỉ phí thêm nữa

[3] Niu Zhi-guan and Zhang Hongwei (2002) “Application of Lingo to the solution

of water suppky System optimal operation model”, Transaction of Tianjin University,

Vol 8 No 4

Sử dụng mô hình tối ưu hóa LINGO của hãng LINDO trong việc tính toán tối ưu mạng lưới cấp nước Hàm mục tiêu là tỏng chi phí cho toàn bộ hệ thống, bao gồm chi

15

16

phí xử lý nước nguồn, chi phí bơm, chi phí xây dựng & bảo dưỡng Ngoài ra họ cũng đã phát triển một macro trong Excel để liên kết file kết quả từ chương trình LINGO để tạo một không gian làm việc

[4] Shie-Yui Liong and Md Atiquzzaman (2004), “ Optimal design of water

distribution network using shuffled complex evolution”, Journal of the Institution of

Enineers, Singapore, Vol 44 Issue 12004

Sử dụng phương pháp phát triển xáo trộn phức hợp (Shuffled Complex Evolution, SCE), kết hợp với phương pháp tìm kiếm giá trị phạt (penalty cost) và chương trình Epanet

để tìm kiếm chi phí tối ưu mạng lưới Phương pháp SCE là phương pháp tạo ra một bộ dân

số của các điểm và tìm kiếm theo hướng tất cả trong không gian có tính khả thi dựa trên hàm mục tiêu, áp dụng vào bài toán là sự phân bố ngẫu nhiên N tổ hợp giá trị đường kính trong một không gian cụ thể, mỗi giá trị trong N giá trị là tượng trưng cho một tổ hợp đường kính ống của các đoạn ống trên mạng lưới

[5] Van Dijk, M; Van Vuuren, SJ and Van Zyl, JE (2008), “Optimising water

distribution systems using a weighted penalty in a genetic algorithm”, Water SA

[online] 2008, VOỈ.34, n.5,pp 537-548 ISSN 1816-7950

Sử dụng thuật toán di truyền để tìm chi phí xây lắp tối ưu Họ đã lập một chương trình tính toán khác là Genetic Algorithms Network Ditribution Optimisation (GANEO) kết hợp với Epanet để tính toán, thời gian để mô phỏng nhanh hơn và kết quả đạt được cũng rất phù hợp với các mô hình tính toán của các tác giả khác

[6] Vairavamoorthy K and All M (2000), “Optimal design of water distribution

systems using genetic algorithms”, Computer-Aided Civil and Infrastructure

Engineering, United Kingdom, Vol.15 2000

Giả thiết rằng chi phí xây lắp mỗi đơn vị chiều dài ống fcost(D) biến đổi phi tuyến theo đường kính của nó và được mô tả theo công thức dùng chung cho tất cả các đường kính ống, với các hằng số phụ thuộc vào điều kiện địa phương Áp dụng công thức dùng

chung này (công thức (5) của bài bảo [5]) để lập bảng đường kính lựa chọn và chi phí xây

lắp mỗi đơn vị chiều dài ống tương ứng

[7] Hossein M.v Saman et al (2013), “Optimal Design of Water Distribution Networks considering Reliability Based on Variance of Discharge Distribution”,

Advances in Environmental Biology, 7(7): 1320-1326, 2013

Thiết kế tối ưu mạng lưới phân phối nước với độ tin cậy mong muốn Quá trình thiết

kế bao gồm hai bước: bước đầu tiên liên quan đến một thuật toán trong đó các dòng chảy trong đường ống được phân phối sao cho sự thay đổi của dòng chảy được giảm thiểu và bước thứ hai sử dụng một công thức tối ưu hóa phi tuyến tính để có được một thiết kế tối

ưu tổng thể

17

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tìm chi phí tối ưu cho hệ thống cấp nước chưa được thực hiện nhiều, có thể kể ra vài nghiên cứu như sau :

[9] Phan VTnh cẩn (2006), “Một số yếu tố ảnh hưởng đến bài toán tối ưu hóa mạng

lưới đường ống cấp nước đô thị”, Tạp chí Xây dựng, số 6/2006

Các yếu tố ảnh hưởng đến bài toán tối ưu mạng lưới đường ống cấp nước đô thị Hàm mục tiêu chi phí mà tác giả đưa ra bao gồm tổng chi phí xây dựng tuyến ống và chi phí vận hành hằng năm Tác giả nêu ra thông số ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu là lưu lượng tính toán sẽ thay đổi trong tương lai và giá thành điện cho trạm bơm cũng thay đổi mà không thể dự báo trước

[10] Hồ Minh Thông, “ứng dụng thuật toán di truyền trong tính toán tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới cấp nước”, Luận vãn Thạc sT, Đại học Bách khoa TP HCM,

2010

Nghiên cứu phương pháp thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) ứng dụng trong bài toán tìm kiếm tối ưu Nghiên cứu ứng dụng công cụ Epanet2 Toolkit vào ngôn ngữ lập trình Visual Basic để lập trình tính toán tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới cấp nước Chương trình Epanet của EPA được sử dụng như là một công cụ để tính toán thủy lực mạng lưới Áp dụng mô hình để tính toán tối ưu cho mạng lưới cấp nước khu 1 phường 25 quận Bình Thạnh - Tp Hồ Chí Minh và cho mạng lưới cấp nước tổng thể thành phố Nam Định

[11] Hồ Minh Thông, Trần Thị Vân Thư, Huỳnh Thanh Sơn (2012), “ ứng dụng thuật toán di truyền trong tính toán tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới cấp nước”, Tạp chi

Khoa học và Công nghệ Thủy lợi số 9 năm 2012 Viện KIITLVN

Bài báo trình bày phương pháp tính toán chi phí tối ưu xây dựng mạng lưới cấp nước Chương trình Epanet được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng thủy lực mạng lưới, kết hợp với thuật toán di truyền và phương pháp chi phí phạt để tìm ra chi phí tối ưu khả thi Điều kiện của bài toán bao gồm đường kính ống, có giới hạn về đường kính thương mại có sẵn, cao trình nguồn cấp, vận tốc trong đường ống và áp lực tại các nút trên mạng lưới Ket quả nhận được từ nghiên cứu cho thấy sự phù hợp với các kết quả từ mô hình nghiên cứu của các tác giả khác

[12] Phạm Thị Minh Lành, “Tối ưu hóa trong thiết kế hệ thống phân phối nước” Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách khoa TP HCM, 2011

Nghiên cứu đưa ra một chương trình tính toán áp dụng thuật toán di truyền để xác định giá trị đường kính tối ưu cho các hệ thống phân phối nước khác nhau, ứng dụng mô hình tối ưu hóa mạng lưới phân phối nước quận Liên Chiểu - Tp Đà Nắng, mạng lưới phân phối nước quận Phú Nhuận và quận Bình Thạnh - Tp Hồ Chí Minh

1.3 Mục đích - Nội dung - Phuong pháp nghiên cứu - Công cụ nghiên cứu

18

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu áp dụng phần mềm WaterGEMS để cải tạo tối ưu mạng lưới cấp nước ở vùng 1 - TP HCM

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực và tối ưu của phần mềm

WaterGEMS

- Nghiên cứu mạng lưới cấp nước hiện tại ở vùng 1 - TP HCM và đề xuất sơ bộ mạng lưới cải tạo

- ứng dụng phần mềm WaterGEMS vào việc:

(i) tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước hiện tại ở vùng 1- TP HCM

(ii) tính thủy lực và tối ưu mạng lưới cấp nước cải tạo ở vùng 1 - TP HCM

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và phân tích: Thu thập, xử lý và phân tích số liệu địa hình,

đường ống, lưu lượng, áp suất, của mạng lưới hiện hữu

1.3.4 Công cụ nghiên cứu

- ứng dụng phần mềm thương mại để tính toán thủy lực (và tối ưu) mạng lưới cấp nước trước và sau khi cải tạo

CHƯƠNG 2 : Cơ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MÈM WATERGEMS 2.1 So sánh sơ bộ các phần mềm tính cấp nước

Hiện nay trong lĩnh vực cấp nước có 4 phần mềm được sử dụng:

- EPANET (EPA)

- WaterCAD (Bentley)

- WaterGEMS (Bentley)

- H2OMap (MWH soft)

Bảng 2 dưới đây trình bày sơ bộ sự khác biệt giữa 4 phần mềm nói trên

Bảng 2 : Phân biệt sơ bộ giữa 4 phần mềm mô phỏng thủy lực thông dụng

(1)

WATERCAD (2)

WATERGEMS (3)

HiOMAP (4)

Nguồn ngữ lập trình VB, C/C++,Pascal - VB6, Net, Java,

19

Ngôn ngữ giao diện Tiếng Anh Tiếng Anh Tiếng Anh Tiếng Anh

Chức năng Thiết kế, mô phỏng

chế độ thủy lực và chất lượng nước trong hệ thống đường ống có áp

Tính toán mạng lưới cấp nước

Ngoài chức năng như WaterCAD,

WaterGEMS còn chạy được trên nền ArcGIS

Thiết kế, mô phỏng chế độ thủy lực và chất lượng nước

2.2 Tổng quan về phần mềm WaterGEMS [8]

WaterGEMS là phần mềm cho phép mô hình hóa thủy lực, mô phỏng chất lượng nước trong hệ thống phân phối nước với khả năng tương tác tiên tiến, xây dựng mô hình không gian địa lý và tích hợp các công cụ quản lý WaterGEMS cung cấp một môi trường làm

việc dễ dàng cho phép người dùng có thể phân tích, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống cấp

nước

Có thể nói phần mềm WaterGEMS của hãng Bentley (Mỹ) là phần mềm thương mại xuất sắc nhất hiện nay về tính toán mạng lưới cấp nước Người dùng có thể sử dụng WaterGEMS để giải quyết những vấn đề sau :

■S Phân tích thủy lực theo thời gian thực của hệ thống phân phối nước với các đối

tượng như bơm, bể chứa, đường ống, ống nối, van,

■S Thực hiện dự báo mô phỏng thời gian kéo dài để phân tích khả năng phản ứng của

hệ thống thủy lực với những nhu cầu cung và cấp nước khác nhau

■S Phân tích lưu lượng chữa cháy trong điều kiện khắc nghiệt của hệ thống

■S ứng dụng chức năng quản lý kịch bản, so sánh các tình huống khác nhau trong hệ

thống thủy lực

■S Hiệu chỉnh mô hình tự động với công cụ Darwin Calibrator thông qua thuật toán

di truyền

■S Thiết kế mạng lưới mới hoặc cải tạo mạng lưới cấp nước tối ưu theo chi phí xây

lắp mà vẫn đáp ứng nhu cầu cấp nước với công cụ Darwin Designer thông qua thuật toán

di truyền (GA)

tư và các ràng buộc về mặt áp lực cũng như vận tốc nước

Đặc biệt, WaterGEMS chạy trên ứng dụng của các phần mềm khác như MicroStation, AutoCAD và ArcGIS, cho phép ứng dụng hệ thống thông tin địa lý để giải quyết các vấn

đề thủy lực mạng lưới đường ống

Phần mềm WaterGEMS mới nhất hiện nay là V8i với các tính năng nổi bật sau:

• Khả năng tương tác: WaterGEMS tương tác với các tập tin trên cùng một dự án, có thể làm việc liên tục trên ArcGIS, AutoCAD, MicroStation hoặc Stand-alone Ngoài ra, các

dữ liệu từ tất cả bốn nền tảng được lưu trữ trong một kho dữ liệu duy nhất

• Tích hợp Microstation, AutoCAD, ArcGIS, Google Earth:

■S Hỗ trợ cho Project Wise V8i: Quản lý các tập tin bằng cách sử dụng

WaterGEMS Projectwise

■S Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của MicroStation Trong

đó, MicroStation được sử dụng như một cách chia sẻ một nhiệm vụ chung để cung cấp các

dự án tốt hơn Với một bộ phần mềm tích hợp của dễ sử dụng và khả năng linh hoạt, MicroStation giúp cải thiện thiết kế, mô hình, trực quan, tài liệu và dự án bản đồ với tất cả các hình dạng và kích cỡ

■S Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của AutoCAD (V8i đã hỗ

trợ đến Autocad 2010)

■S Tích hợp đầy đủ với tất cả các phiên bản hiện hành của ESRI (V8i đã hỗ trợ

đếnArcGIS 10)

s Kết quả WaterGEMS và dữ liệu đầu vào có thể dễ dàng được xuất sang Google

Earth một cách miễn phí Khả năng tạo tập tin Google Earth (KML, KMZ) cho việc hiện thị kết quả

• Tích hợp GIS: Tích hợp hoàn toàn với ArcGIS Thông tin được lưu trữ trong một tập tin (*.mdb) Và có thể được sử dụng như một phần của Geodatabase này Kết nối CSDL ArcSDE Geodatabase thông qua cổng giao tiếp ArcSDE

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực của phần mềm WaterGEMS

Việc tính toán thủy lực trong phần mềm WaterGEMS dựa trên việc tính toán thủy lực mạng lưới vòng mà cơ sở lý thuyết có thể tóm tắt như dưới đây:[15]

2.3.1 Tổn thất cột áp trong đường ống có áp

■ Tổn thất áp lực dọc đường : có thể xác định theo công thức thực nghiệm của Hazen - Williams:

21

“ O* 871 ■ ''mJ “ ■

với: - dliL: tổn thất cột áp dọc đường của đoạn ống (m)

- L: chiều dài đoạn ống (m)

- D: đường kính trong của đoạn ống (m)

- Q: lưu lượng dòng chảy trong ống (m3/s)

- V: vận tốc dòng chảy trong ống (m/s)

- C HW : hệ so Hazen-Williams, tùy thuộc vào loại đường ống (~110)

l-.l >

22

’ Tổn thất cột áp cục bộ :

với: - dliM: tổn thất áp lực cục bộ của đoạn ống (m)

- A: mặt cắt ngang đường ống (m2)

- V: vận tốc nước chảy trong ống (m/s)

- Q: lưu lượng nước chảy trong ống (m3/s)

- K: hệ số tổn thất cục bộ

- g: gia tốc trọng trường (m/s2)

* Tổng tổn thất áp lực trên đường ống : dh = dliL + dliM

2.3.2 Cột nước đo áp tại nút

Cột nước đo áp tại nút n bất kỳ được xác định theo phưong trình Bernoulli (nguyên

lý bảo toàn năng lượng):

Theo đó tổn thất cột áp trong đoạn ống giữa 2 nút A và B khi nước di chuyển từ A đến B được xác định theo công thức sau :

Trong trường hợp đoạn ống AB có đường kính không đổi (giá trị vận tốc là như nhau,

V A = V B ) và không có lưu lượng bo sung hay thất thoát dọc đường thì:

2.3.3 Các quy luật cân bằng

■ Quy luật 1: Tại mỗi nút bất kỳ của mạng lưới, căn cứ vào phưomg trình liên tục (định

luật bảo toàn khối lượng) ta có thể viết phưomg trình cân bằng giữa lưu lượng vào nút và lưu lượng ra khỏi nút như sau (tổng số các lưu lượng chảy vào nút bằng tổng số các lưu lượng chảy ra khỏi nút) :

(4.4)

với Qi: lưu lượng trong đường ống thứ i có quy ước dấu âm hay dưomg khi dòng chảy đi

ra hay đi vào nút Ta thường quy ước dòng chảy đi vào nút mang dấu dương (+) và dòng chảy đi ra khỏi nút mang dấu âm (-)

■ Quy luật 2: Trên một vòng khép kín, tổng đại số của các tổn thất cột nước sẽ bằng 0

(4.2)

(4.3)

23

Í=1

với: Si: sức kháng của ống i

Qi: lưu lượng nước chảy trong ống i

dhi: tổn thất cột áp trong ống i

Quy ước: tổn thất cột áp trong đoạn ống có chiều nước chảy theo chiều kim đồng hồ

sẽ mang dấu dương (+) và ngược lại

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tối ưu của phần mềm WaterGEMS

Trong phần mềm WaterGEMS, việc tính toán tối ưu được thực hiện trên cơ sở thuật toán di truyền (Genetic Algorithm)[14], được tóm tắt như sau :

Thuật toán di truyền (TTDT) cũng như các thuật toán tiến hóa đều được hình thành dựa trên một quan niệm được coi là một tiên đề phù hợp với thực tế khách quan Đó là

quan niệm "Quả trình tiến hoả tự nhiên là quả trình hoàn hảo nhẩt, hợp lỷ nhẩt và tự nó

đã mang tỉnh tối ưu" Quá trình tiến hoá thể hiện tính tối ưu ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng

tốt hơn thế hệ trước

TTDT là một kỹ thuật của khoa học máy tính, thực hiện tìm kiếm lời giải tối ưu theo nhiều hướng, bằng cách duy trì một quần thể các lời giải và thúc đẩy sự hình thành và trao đổi thông tin giữa các hướng này Quần thể trải qua quá trình tiến hóa: ở mỗi thế hệ lại tái sinh các lời giải tương đối tốt, trong khi các lời giải tương đối xấu bị mất dần đi Để phân biệt các lời giải thích nghi khác nhau, hàm mục tiêu được dùng để đóng vai trò môi trường TTDT thực chất thuộc lớp các thuật giải xác suất, nhưng lại khác những thuật giải ngẫu nhiên ở chỗ TTDT luôn duy trì và xử lý một tập hợp các lời giải (quần thể) để thực hiện 2 mục tiêu: khai thác những lời giải tốt nhất và khảo sát không gian tìm kiếm TTDT

là một thuật giải, nghĩa là mục tiêu của TTDT không nhằm đưa ra lời giải chính xác tối ưu

mà là đưa ra lời giải tương đối tối ưu

Chi tiết của TTDT sẽ được trình bày ngay sau đây :

2.4.1 Thuật toán : íl7]

Thuật toán, còn gọi là giải thuật hay thuật giải, là một bộ các qui tắc hay qui

trình cụ thể nhằm giải quyết một vấn đề trong một số bước hữu hạn, hoặc nhằm cung cấp một kết quả từ một tập hợp của các dữ kiện đưa vào Từ "thuật toán" hiện nay thường được dùng để chỉ thuật toán giải quyết các vấn đề tin học Trong ngành khoa học máy tính, thuật toán được thể hiện thông qua một hay một tập hợp các chương trình máy tính Các chương trình máy tính này được thiết kế để giải quyết một số loại vấn đề một cách có hệ thống

Một thuật toán sẽ có các tính chất như sau :

• Tinh chinh xác : để đảm bảo kết quả tính toán hay các thao tác mà máy tính

thực hiện được là chính xác

• Tinh rõ ràng : thuật toán phải được thể hiện bằng các câu lệnh minh bạch, các

câu lệnh được sắp xếp theo thứ tự nhất định

• Tinh khách quan : một thuật toán dù được viết bởi nhiều người trên nhiều máy

tính vẫn phải cho kết quả như nhau

• Tinh phổ dụng : thuật toán không chỉ áp dụng cho một bài toán nhất định mà

có thể áp dụng cho một lớp các bài toán có đầu vào tương tự nhau

• Tinh kết thúc : thuật toán phải gồm một số hữu hạn các bước tính toán

2.4.2 Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm): [14 1

Với khả năng hiện nay, máy tính đã giúp giải được rất nhiều bài toán khó mà trước đây thường bó tay Mặc dù vậy, vẫn có một số lớn các bài toán thú vị mà chưa có giải thuật hợp lý để giải chúng Trong đó các bài toán tối ưu là những bài toán thường gặp trong thực tiễn

Nói chung, bài toán tối ưu có thể xem như bài toán tìm kiếm giải pháp (tốt nhất) trong không gian (vô cùng lớn) các giải pháp Khi không gian tìm kiếm nhỏ, những phương pháp cổ điển cũng đủ thích hợp, nhưng khi không gian tìm kiếm lớn phải dùng đến kỹ

thuật Trí Tuệ Nhãn Tạo đặc biệt Thuật toán di truyền (TTDT) là một trong những kỹ thuật

đó TTDT là một loại thuật toán mô phỏng các hiện tượng tự nhiên: kế thừa và đấu tranh

sinh tồn để cải tiến lời giải và khảo sát không gian lời giải Khái niệm kế thừa và đẩu tranh

sinh tồn được giải thích qua thí dụ về sự tiến hóa của một quần thể thỏ như sau :

Có một quần thể thỏ Trong đó có một số con nhanh nhẹn và thông minh hơn những con khác Những chú thỏ nhanh nhẹn và thông minh có xác suất bị chồn cáo ăn thịt nhỏ hơn, do đó chúng tồn tại để làm những gì tốt nhất có thể : Tạo thêm nhiều thỏ tốt Dĩ nhiên, một số thỏ chậm chạp đần độn cũng sống sót chỉ vì may mắn Quần thể những chú thỏ còn sống sót sẽ bắt đầu sinh sản Việc sinh sản này sẽ tạo ra một hỗn hợp tốt về "nguyên liệu

di truyền thỏ" Một số thỏ chậm chạp có con với những con thỏ nhanh, một số nhanh nhẹn

có con với thỏ nhanh nhẹn, một số thông minh với thỏ 24

25

đần độn, Và trên tất cả, thỉnh thoảng thiên nhiên lại ném vào một con thỏ "hoang dã" bằng cách làm đột biến nguyên liệu di truyền thỏ Những chú thỏ con, do kết quả này, sẽ nhanh hơn và thông minh hơn những con thỏ trong quần thể gốc vì có nhiều bố mẹ nhanh nhẹn và thông minh hơn đã thoát chết khỏi chồn cáo

Khi tìm kiếm lời giải tối ưu, TTDT cũng thực hiện các bước tương ứng với câu chuyện đấu tranh sinh tồn của loài thỏ

TTDT sử dụng các thuật ngữ vay mượn của di truyền học Ta có thể nói về các cá thể (hay kiểu gen, cấu trúc) trong một quần thể; những cá thể này cũng còn được gọi là chuỗi hay các nhiễm sắc thể

Mỗi kiểu (nhóm) gen (ta gọi là một nhiễm sắc thể) sẽ biểu diễn một lời giải của bài toán đang giải (ý nghĩa của một nhiễm sắc thể cụ thể được người sử dụng xác định trước); một tiến trình tiến hóa được thực hiện trên một quần thể các nhiễm sắc thể tương ứng với một quá trình tìm kiếm lời giải trong không gian lời giải Tìm kiếm đó cần cân đối hai mục tiêu : Khai thác những lời giải tốt nhất và khảo sát không gian tìm kiếm TTDT là phương pháp tìm kiếm (độc lập miền) tạo được sự cân đối đáng kể giữa việc khai thác và khảo sát không gian tìm kiếm

Thực ra, TTDT thuộc lớp các thuật giải xác suất, nhưng lại rất khác những thuật toán ngẫu nhiên vì chúng kết hợp các phần tử tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên Khác biêt auan trong giữa tìm kiếm của TTDT và các nhương nhán tìm kiếm khác là TTDT cả các phương pháp khác chỉ xử lý một điểm trong không gian tìm kiếm Chính vì thế, TTDT mạnh hơn các phương pháp tìm kiếm hiện có (như Leo đồi và Mô phỏng luyện thép) rất nhiều TTDT thực hiện tiến trình tìm kiếm lời giải tối ưu theo nhiều hướng, bằng cách duy trì một quần thể các lời giải, thúc đẩy sự hình thành và trao đổi thông tin giữa các hướng này Quần thể trải qua tiến trình tiến hóa : ở mỗi thế hệ lại tái sinh các lời giải tương đối

“tốt”, trong khi các lời giải tương đối “xấu” thì chết đi Để phân biệt các lời giải khác nhau, hàm mục tiêu được dùng để đóng vai trò môi trường

Một TTDT giải một bài toán cụ thể phải gồm 5 thành phần:

a Cách biểu diễn di truyền cho lời giải bài toán :

Một cấu trúc dữ liệu biểu diễn không gian lời giải của bài toán

b Khởi tạo quần thể ban đầu (initialpopulation) :

Quần thể đầu tiên được khởi tạo một cách ngẫu nhiên từ tập hợp những cá thể

riêng lẻ Kích cỡ của quần thể đầu tiên (population size) phụ thuộc vào yếu tố

tự nhiên của bài toán, nhưng nhìn chung thì một bài toán có đến hàng trăm hay hàng nghìn giải pháp hợp lý Tập hợp những giải pháp hợp lý cho vấn đề được gọi là không gian tìm kiếm (search space) Trước một bài toán áp dụng TTDT,

26

ta cần phải xác định rõ nhiễm sắc thể và cá thể cho vấn đề, và thông thường đó

sẽ là kết quả cuối cùng Mỗi lời giải được đánh giá "độ thích nghi" hay độ "tốt" của lời giải

c Một hàm lượng giá đóng vai trò môi trường, đánh giá các lời giải theo mức độ

‘‘thích nghỉ’’ của chúng:

Dựa trên một hàm lượng giá, ta sẽ xác định được một giá trị có độ thích nghi (Fitness) Giá trị này, để đơn giản chính là độ "tốt" của lời giải Vì phát sinh ngẫu nhiên nên độ "tốt" của lời giải hay tính thích nghi của cá thể trong quần thể ban đầu là không xác định

d Các phép toán di truyền :

Để cải thiện tính thích nghi của quần thể người ta tìm cách tạo ra quần thể mới

Có hai cách thao tác trên thế hệ hiện tại để tạo ra một thế hệ khác với độ thích nghi tốt hơn :

■ Thao tác đầu tiên là sao chép (selection) nguyên mẫu một nhóm các cá thể

tốt từ thế hệ trước rồi đưa sang thế hệ sau Thao tác này đảm bảo độ thích nghi của thế hệ sau luôn được giữ ở một mức độ hợp lý Các cá thể được chọn thông thường là các cá thể có độ thích nghi cao nhất

Phép chọn là quá trình loại bỏ các cá thể xấu trong quần thể để chỉ giữ lại trong quần thể các cá thể tốt Phép chọn được mô phỏng: sắp xếp quần thể theo thứ tự độ thích nghi giảm dần Loại bỏ các cá thể cuối dãy để chỉ giữ lại n cá thể tốt nhất Giả sử ở đây quần thể có kích thước cố định n Có nhiều phương pháp chọn lọc nhiễm sắc thể:

s Chọn lọc Roulette (Roulett Wheel Selection)

•S Chọn lọc xếp hạng (Rank Selection)

Chọn lọc cạnh tranh (Tournament Selection)

■ Thao tác thứ hai là tạo ra cá thể mới bằng cách thực hiện các thao tác sinh sản trên một số cá thể được chọn từ thế hệ trước, thông thường cũng là những

cá thể có độ tương thích cao Có hai loại thao tác sinh sản: lai tạo, đột biến

Phép lai tạo (Crossover): là quá trình hình thành nhiễm sắc thể mới trên

cơ sở nhiễm sắc thể cha mẹ bằng cách ghép một hay nhiều đoạn gen của hai hay nhiều nhiễm sắc thể cha mẹ với nhau Tuy nhiên, nhiều khi do thế hệ khởi tạo ban đầu có đặc tính chưa phong phú và chưa phù hợp nên các cá thể không rải đều được không gian của bài toán Có những phương pháp lai ghép sau:

o Lai ghép ánh xạ từng phần (PMX Partial Mapped Crossover)

o Lai ghép có trật tự (OX order Crossover)

27

o Lai ghép dựa trên vị trí (Position Based Crossover)

o Lai ghép dựa trên thứ tự (Order Base Crossover)

o Lai ghép có chu trình (CX cycle Crossover)

o Lai ghép thứ tự tuyến tính (LOX Linear order Crossover)

sPhép đột biến (mutation): Phép đột biến là hiện tượng cá thể con mang một

(hoặc một số) tính trạng có trong mã di truyền của cha mẹ, tức là sự sửa đổi một hoặc một vài gen của một nhiễm sắc thể chọn bằng cách thay đổi

ngẫu nhiên với xác suất là tỷ lệ đột biến (mutation rate) Nhưng thao tác

này chỉ được phép xảy ra với tần suất rất thấp (thường dưới 0.01), vì thao tác này có thể gây xáo trộn và làm mất đi những cá thể chọn lọc và lai tạo có tính thích nghi cao, dẫn đến thuật toán không còn hiệu quả Không

ai có thể đánh giá được phương pháp đột biến nào tốt hơn, do đó có một vài phương pháp đơn giản, cũng có vài trường hợp khá phức tạp Người

ta thường chọn một trong những phương pháp sau : o Đột biến đảo ngược (Inversion Mutation)

o Đột biến chèn (Insertion Mutation)

o Đột biến thay thế (Displacement Mutation), o Đột biến tương hỗ (Reciprocal Exchange), o Đột biến chuyển dịch (Shift Mutation)

e Các tham số sử dụng trong TTDT (kích thước quần thể; xác suất lai, đột

biến )

■ Kích thước quần thể (Population Size):

Kích thước quần thể cho biết có bao nhiêu cá thể trong một quần thể (trong mỗi thế hệ) Các thử nghiệm đã cho thấy kích thước quần thể không nên quá lớn cũng như quá nhỏ Nếu có quá ít cá thể thì sẽ làm giảm không gian tìm kiếm của giải thuật và dễ rơi vào các cục bộ địa phương, như vậy sẽ dễ xảy

ra trường hợp bỏ qua các lời giải tốt Tuy nhiên, nếu có quá nhiều cá thể cũng

sẽ làm cho giải thuật chạy chậm đi, ảnh hưởng đến hiệu quả tính toán của giải thuật Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra không có lợi khi tăng kích thước quần thể lên quá một giới hạn cho phép

■ Xác suất lai ghép (Splice Probability):

Xác suất lai ghép cho biết tính thường xuyên của việc lai ghép tạo ra thế hệ mới được thực hiện như thế nào Nếu không thực hiện lai ghép, con sinh ra

sẽ hoàn toàn giống bố hoặc hoàn toàn giống mẹ Nếu được lai ghép, con sinh

ra sẽ có một phần giống bố và một phần giống mẹ

■ Xác suất đột biến (Mutation Rate) :

Xác suất đột biến cho biết tính thường xuyên của việc các các gen của nhiễm sắc thể (NST) thay đổi thế nào Tác dụng của toán tử đột biến là ngăn ngừa

28

giải thuật di truyền rơi vào tình trạng cực trị địa phương, tuy nhiên nếu thực hiện đột biến với xác suất quá cao sẽ biến giải thuật di truyền thành giải thuật tìm kiếm ngẫu nhiên

Điều kiện kết thúc, thoát ra quá trình tiến hóa quần thể : dựa vào từng bài toán mà

có các cách kết thúc vấn đề khác nhau, khi đã đạt đến mức yêu cầu Một vài trường hợp

thông thường như sau:

• Kết thúc theo kết quả : một khi đạt đến mức giá trị yêu cầu thì chấm dứt ngay

quá trình thực hiện

• Kết thúc theo số thế hệ (Generations): chọn số thế hệ, quá trình sẽ dừng lại đúng

ngay số thế hệ đã qui định trước, không cần biết kết quả như thế nào

• Tính theo thời gian : Không cần biết đã tiến hóa bao nhiêu thế hệ hay kết quả

thế nào, chỉ cần dựa vào số giờ qui định mà kết thúc

• Tổ hợp : dùng nhiều phương án khác nhau cho vấn đề, chẳng hạn như : chạy

theo số thế hệ xong sau đó đánh giá cho chạy theo kết quả, hoặc ngược lại

29

CHƯƠNG 3 : ÚNG DỤNG PHẦN MỀM WATERGEMS VÀO TÍNH TOÁN

TÓI ƯU MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC VÙNG 1 - TP HCM 3.1 Giói thiệu mạng lưới cấp nước vùng 1 - TP HCM

• Giới thiệu hệ thống cáp nước và các dự án giảm thất thoát nước ở TP HCM :

Tuyến ống truyền tải nước sạch bê tông cốt thép dự ứng lực DN2000 đưa nước từ nhà máy nước Thủ Đức về trung tâm thành phố (cầu Điện Biên Phủ) là nguồn cung cấp nước chính cho thành phố nói chung và cho vùng 1 nỏỉ riêng

Dự án giảm thất thoát nước thành phố Hồ Chí Minh đã tính toán và phân chia thành phố thành 6 vùng (zone) (hình 1) Mỗi vùng lại được chia nhỏ thành nhiều DMA (District Metered Area) Mỗi DMA cỏ trung bình từ 1000 đến 2000 đấu nối Tại các điểm nước vào hoặc ra khỏi DMA đều được lắp đặt đồng hồ đo, thiết bị điều khiển áp suất, thiết bị ghi nhận và truyền dữ liệu về trung tâm Các DMA hoạt động độc lập, khép kín để xác định lượng nước rò rỉ, lên kế hoạch dò tìm và sửa bể, hạn chế tối đa lượng nước rò rỉ trong từng DMA

Water Mí

Hình 1: Sư đồ phân vùng (zone) trong dự án giảm thất thoát nước TP HCM

30

• Giới thiệu sơ bộ về vùng 1 [ltì]:

Hình 2 : Sơ đồ phân vùng trong dự án giảm that thoát nước vùng 1

Vùng 1 (hình 2) cỏ tổng diện tích khoảng 23 km2 và số dân khoảng 800.000 (năm 2013)

Theo nghiên cứu trước đây và đảnh giá giảm thất thoát, vùng 1 cố tiềm năng giảm rò

ri cao nhất, chiếm khoảng 98.000 m3/ngày đêm, so với lưu lượng được cấp cho vùng là 203.000 m3/ngày đêm, chiếm tỉ lệ khoảng 48%, chủ yếu là do có nhiều kết nối phụ Theo nghiên cứu khả thi[16], cỏ trên 126.000 kết nối phụ trong vùng 1

• Giới thiệu sơ bộ về mạng lưới cấp nước vùng 1:

J Tuyến ống bê tông cốt thép dự ứng lực DN2000 truyền tải nước sạch chính từ nhà

máy nước Thủ Đức về trung tâm thành phố, sau khỉ băng qua cầu Điện Biên Phủ vào địa bàn vùng 1 được tách ra làm hai:

* Tuyến D1200 đi theo đường Điện Biên Phủ - Đinh Tiên Hoàng - Võ Thị Sáu -

Ba Tháng Hai cung cấp nước về phía quận 3, quận 10, quận 11, quận 6

* Tuyến DI500 đi theo đường Nguyễn Bỉnh Khiêm - Nguyễn Hữu Cảnh - Lê Thánh Tôn Tuyến này khi đến đường Pasteur thì giảm còn DI200 - DI050 đi dọc theo đường Lê Lợi - Trần Hưng Đạo - Châu Văn Liêm - Hải Thượng Lãn Ông - Tháp Mười cấp nước cho quận 1, quận 5, quận 6, quận 8

Ngoài ra, tại Pasteur còn cỏ một nhánh rẽ D900 đi dọc theo Pasteur cung cấp nguồn cho D500 Nguyễn Công Trứ và băng sông đưa nước qua quận 4 và tại Tản Đà có một nhánh rẽ D600 băng kênh đưa nước từ quận 5 qua quận 8

31

Chừa trổng 1 trang để dành kẹp hình 3 : họa đồ zone 1 (acad) ỉn màu A3 landscape

Hình 3 : Sơ đồ mạng lưới cấp nước vùng 1

32

3.2 Thu thập và phân tích số liệu mạng lưới cấp nước vùng 1- TP HCM

- Thu thập và phân tích các số liệu về mạng lưới đường ống hiện hữu (chiều dài, đường kính, ), số liệu về địa hình (cao độ nút), số liệu theo dõi lưu lượng và áp suất, của mạng lưới đường ống truyền tải ở vùng 1 - TP HCM

- Chiều dài của 52 đoạn ống chính được ghi trong bảng 3; còn cao trình, lưu lượng tiêu thụ và vị trí của các nút được trình bày trong bảng 4; chi phí xây lắp mạng lưới cấp nước vùng 1 hiện hữu được trình bày trong bảng 5

33

Bảng 4: Cao trình và lưu lượng tiêu thụ tại các nút

Nút Cao trtnh Lưu lưprtỊ

Tdr^ỉóng :4BSG r 7l/si

Đơn giả (5/mJ

Chi phí xây dụng (ế

với: - fcost(D) : chi phí xây lắp mỗi đơn vị chiều dài ống ($/m), -

Dj : đường kính của ổng thứ j (mm)

- K : hằng số phụ thuộc vào điều kiện địa phương (K= 0,06537)

- n : hằng số phụ thuộc vào điều kiện địa phương (1 < n = 1,24 < 2)

35

- Lưu lượng tiêu thụ tại các nút là số liệu kết quả đo đếm của các đồng hồ tổng và

các đồng hồ DMA được lắp đặt tại các nút số liệu lưu lượng tính toán dùng cho

nghiên cứu này được ghi nhận vào ngày 20/12/2014

Hình 4: Tủ tin hiệu đồng hồ DMA 5L01B tại Trần Hưng Đạo - Lương Nhữ Học

Hình 5: Bộ cảm biến của đồng hồ đo lưu lượng dạng điện từ mặt bích