Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống cung cấp nước sạch dựa trên hệ thống thông tin địa lý GIS thử nghiệm tại công ty nước sạch số 2 hà nội (tt)

B GIO DC V O TO Trường đại học kinh tế quốc dân CHU THị HồNG HảI NGHIÊN CứU GIảI PHáP NÂNG CAO HIệU QUả QUảN Lý Hệ ThốNG CUNG CấP NƯớc dựa hệ thống thông tin địa lý (gis) thử nghiệm công ty nước số hà nội Chuyên ngành: Hệ thống thông tin quản lý MÃ số: 62340405 Hà Nội - 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Vỵ TS Trần Thị Thu Hà Phản biện 1: Lã Hồng Trung Viện Chiến lược Thơng tin Truyền thông Phản biện 2: TS Phạm Văn Hải Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Hà Quốc Trung Bộ Khoa học Công nghệ Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Đại học Kinh tế Quốc dân Vào hồi ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Đại học Kinh tế Quốc dân NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Cung cấp nước ngành thuộc sở kỹ thuật hạ tầng thị, có chi phí đầu tư, sửa chữa nâng cấp tốn Nó đóng vai trị quan trọng phát triển sản xuất sinh hoạt xã hội Trong năm qua, tốc độ đô thị hóa lớn làm gia tăng dân số khu đô thị, với tốc độ phát triển kinh tế công nghiệp nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng nước ngày tăng Vì khả cấp nước mức thấp, nên đòi hỏi khách quan nhu cầu dùng nước tạo áp lực lớn cho ngành cấp nước Việt Nam Bên cạnh đó, theo tiến xã hội, nhu cầu nâng lên tầm sử dụng đủ nước với chất lượng, dịch vụ tốt, nguồn nước an toàn Do kinh tế phát triển nhanh, môi trường tự nhiên bị hủy hoại, nhiều nguồn cấp nước Việt Nam có nguy suy giảm số lượng chất lượng Giá thành đầu tư sản xuất khối nước ngày cao Một phần mạng lưới không nhỏ hệ thống cung cấp nước (HTCCNS) cũ kỹ, tỷ lệ hư hỏng rò rỉ cao, việc thay thế, sửa chữa diễn chậm chạp Hệ là, lượng nước sản xuất thất q lớn, làm lãng phí đáng kể nguồn tài nguyên quý giá, người tiêu dùng phải gánh chịu giá nước cao, nhà nước thiếu hụt nguồn đầu tư mở rộng HTCCNS để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội Với lý trên, đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quản lý cho hệ thống cung cấp nước dựa hệ thống thông tin địa lý- thử nghiệm Công ty Nước số Hà Nội” chọn làm đề tài luận án Tiến sỹ Kinh tế Viện Đào tạo Sau đại học- Trường Đại học kinh tế Quốc dân Hà Nội Mục tiêu luận án nâng cao hiệu quản lý HTCCNS Khung lý thuyết mục tiêu nghiên cứu Hình Khung lý thuyết cho việc nghiên cứu luận án, dựa lý thuyết khoa học thiết kế nghiên cứu hệ thống thông tin (HTTT) Havner đưa năm 2004 Từ mục tiêu nghiên cứu tổng quát luận án là: Xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quản lý HTCCNS với trợ giúp hệ thông thông tin địa lý (GIS), dựa sơ đồ khung lý thuyết trên, luận án cần phải thực mục tiêu cụ thể sau đây:  Nghiên cứu cách có hệ thống nhu cầu cấp thiết đổi quản lý công ty cung cấp nước (CTCCNS) Việt Nam  Nghiên cứu GIS, trình ứng dụng GIS bước triển khai GIS cho ngành cấp nước Việt Nam  Đề xuất toán cấp bách cần giải quyết, vấn đề giải nhờ GIS, mơ hình chung phát triển GIS, CSDL GIS  Xây dựng thử nghiệm số mô đun chức hệ thống Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu số HTCCNS tiêu biểu Việt Nam 4.2 Phạm vi nghiên cứu  Về mặt không gian: Bao gồm phần lớn CTCCNS Việt Nam  Về mặt thời gian: Là số liệu điều tra, số liệu thứ cấp thu thập từ năm 2007 đến 12/2015 từ nguồn khác  Về mặt nội dung nghiên cứu: Một số vấn đề quản lý kỹ thuật mạng cung cấp nước; giải pháp cho vấn đề tồn tại; đề xuất phát triển GIS để tự động hóa việc nâng cao hiệu quản lý HTCCNS Việt Nam 4.3 Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, luận án sử dụng phương pháp: Tiếp cận hệ thống, phân tích định tính, định lượng, chuẩn hố liệu khơng gian thuộc tính, mơ hình hóa, phân tích thiết kế HTTT Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, luận án chia làm phần: Chương 1: Quản lý hệ thống cung cấp nước dựa GIS Chương 2: Thực trạng quản lý kỹ thuật ứng dụng GIS vào hoạt động CTCCNS Việt Nam Chương 3: Mơ hình phát triển GIS xây dựng khung CSDL cho quản lý HTCCNS Việt Nam Chương 4: Ứng dụng GIS cho toán thiết kế mạng cấp nước tối ưu cảnh báo ô nhiễm nước HTCCNS Những phát hiện, đề xuất rút từ kết nghiên cứu luận án 6.1 Những đóng góp học thuật, lý luận  Luận án phân tích cách tồn diện sâu sắc bất cập quản lý HTCCNS Việt Nam Từ trình bày cớ sở lý luận thực tiễn cho việc ứng dụng GIS để giải vấn đề cấp bách nêu nhằm nâng cao hiệu quản lý HTCCNS cách thiết thực, triệt để bền vững  Luận án đề xuất mơ hình chung phát triển GIS, bao gồm: (1) Mơ hình tiến trình phát triển tổng qt; (2) Kiến trúc thành phần (phần cứng phần mềm) GIS; (3) Quy trinh xây dựng khung sở liệu (CSDL) GIS thiết kế thành phần cụ thể CSDL GIS cho HTCCNS Việt Nam  Luận án đề xuất bốn toán “cấp bách” cần giải nhằm nâng cao hiệu quản lý HTCCNS Việt Nam Đó là: (1) Bài tốn quản lý tài sản lập kế hoạch bảo trì hệ thống mạng cung cấp nước sạch; (2) Bài toán thiết kế thay thế, mở rộng mạng cung cấp nước tối ưu; (3) Bài toán kiểm soát rò rỉ HTCCNS theo thời gian thực; (4) Bài tốn phát cảnh báo nhiễm nước HTCCNS  Luận án giải trọn vẹn (từ đặt tốn, xây dựng mơ hình lựa chọn thuật tốn giải, xây dựng cơng cụ trợ giúp việc tự động hóa giải tốn máy tính) hai tốn có ý nghĩa quan trọng hoạt động quản lý HTCCNS: Đó tốn thiết kế thay thế, mở rộng mạng cung cấp nước tối ưu; tốn cảnh báo nhiễm nước HTCCNS 6.2 Những đóng góp rút từ kết nghiên cứu luận án  Những kết nghiên cứu, thử nghiệm luận án tư liệu tham khảo hướng dẫn cho việc phát triển hệ thống GIS để quản lý HTCCNS Việt Nam cách Những công cụ xây dựng sử dụng để giải tốn thực tế  Luận án khơng nêu giải số toán cho hoạt động quản lý HTCCNS cách ứng dụng GIS điều kiện Việt Nam, mà cịn tốn khác hướng ứng dụng cơng nghệ để tiếp tục triển khai nghiên cứu ứng dụng GIS ngày toàn diện hiệu cho ngành cung cấp nước  Quy trình xây dựng khung CSDL GIS cho quản lý HTCCNS áp dụng để xây dựng khung CSDL GIS quản lý hệ thống khác cần sử dụng liệu không gian CHƯƠNG 1- QUẢN LÝ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH DỰA TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Chương sâu vào phân tích hoạt động quản lý HTCCNS Việt Nam, giới thiệu đặc trưng GIS nhiệm vụ, định hướng cấp nước tương lai Từ đó, đề xuất tốn quản lý đặt cho ngành cấp nước muốn hoàn thành nhiệm vụ mục tiêu đề Cuối cùng, đưa vấn đề cần quan tâm xây dựng phát triển GIS quản lý HTCCNS Việt Nam 1.1 Quản lý hệ thống cung cấp nước 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển HTCCNS giới Việt Nam Theo lịch sử ghi nhận, HTCCNS xuất sớm La Mã vào năm 800 TCN Thế kỷ thứ XIII, thành phố châu Âu có HTCCNS Ở Việt Nam, HTCCNS bắt đầu việc khoan giếng năm 1894 Hiện nay, hầu hết khu đô thị có HTCCNS 1.1.2 Hệ thống cung cấp nước 1.1.2.1 Khái niệm hệ thống cấp nước Hệ thống cấp nước tổ hợp cơng trình có chức thu nước, xử lý nước, vận chuyển, điều hoà phân phối nước Hình 1.1 Mơ hình HTCCNS Trong đó: 1.Cơng trình thu nước; 2.Trạm bơm cấp 1; 3.Trạm xử lý; 4.Các bể chứa nước sạch; 5.Trạm bơm cấp 2; 6.Các đài nước.7.Đường ống chuyển tải nước; Mạng phân phối nước 1.1.2.2 Khái niệm nước Nước nước hợp vệ sinh, mang thử nghiệm đạt giới hạn cho phép tất tiêu theo qui định 1.1.2.3 Cấp nước an toàn Cấp nước an tồn bảo đảm: Duy trì áp lực, cung cấp ổn định, đủ lượng nước, bảo đảm chất lượng, có giải pháp đối phó với cố bất thường xảy ra, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng, giảm thiểu bệnh tật liên quan đến nước, góp phần giảm tỷ lệ thất thốt, tiết kiệm tài nguyên nước bảo vệ môi trường 1.1.2.4 Các nghiệp vụ quản lý hệ thống cấp nước Nghiệp vụ quản lý HTCCNS gồm: Quản lý tài sản mạng lưới lập kế hoạch thay thế-bảo trì; quản lý vận hành; quản lý rị rỉ cố; quản lý thơng tin hóa đơn đồng hồ khách hàng; quản lý thiết kế thay mở rộng mạng lưới; quản lý chất lượng nước 1.1.3 Nhiệm vụ định hướng cấp nước Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn 2050 Một số nhiệm vụ định hướng cấp nước Việt Nam đến 2025:  Độ bao phủ dịch vụ (%): 90% ( đô thị loại IV) trở lên  Tiêu dùng đầu người (lít/người-ngày): 120 lít  Tỷ lệ thất thu: thấp 18%  Chất lượng nước: Áp dụng tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm tiên tiến 1.1.4 Các bên liên quan đến cấp nước sinh hoạt Quá trình sản xuất, kinh doanh CTCCNS liên quan mật thiết đến nhiều tổ chức khác xã hội Các tổ chức có vai trị tầm quan trọng khác đảm bảo an toàn cấp nước 1.1.5 Những tốn quản lý đặt cho HTCCNS 1.1.5.1 Phân tích liệu ngành cấp nước thị Có 17 tiêu đánh giá hoạt động HTCCNS Một số tiêu quan trọng: tỷ lệ bao phủ dịch vụ, lượng nước cấp bình quân đầu người ngày, tỷ lệ thất thoát, chất lượng nước Nhận xét chung hoạt động sản xuất HTCCNS  Tỷ lệ bao phủ dịch vụ ta thấp (80%), lượng nước cấp đầu người đạt 116lit/người-ngày (Hà Nội) So với giới khu vực tiêu mức thấp Nhu cầu cấp nước lớn, gây áp lực cho phát triển quản lý HTCCNS ngày tăng  Nhu cầu sử dụng nước tạo áp lực cho ngành cấp nước mà cịn cho ngành nước  Tăng cường khai thác công suất nhà máy tương lai khó khăn mực nước chứa bị hạ thấp liên tục  Tỷ lệ thất thoát nước ta cao (26,86%) Từ năm 2007 đến trung bình năm giảm 1% tỷ lệ Mục tiêu 2015->2020 giảm thất thoát đạt 18%, tức năm phải giảm 1,4% So với mức độ cải thiện thực tế năm gần đây, số lớn, khơng có giải pháp mang tính đột phá, số kế hoạch đặt kỳ vọng 1.1.5.2 Phát triển HTCCNS toán quản lý đặt a Phát triển HTCCNS Bảng 1.2 Hoạt động phát triển quản lý HTCCNS Hình 1.3 Tác động việc giải tốt toán lên tiêu hiệu Bảng 1.2 cho ta hình dung tồn q trình đầu tư quản lý khai thác HTCCNS, toán đặt cần thiết để nâng cao hiệu quản lý Sơ đồ hình 1.3 cho thấy, việc thực tốt nhiệm vụ (các toán) thường xuyên tác động đến tiêu hiệu quản lý mục tiêu dài hạn HTCCNS b Các toán quản lý HTCCNS cần giải Bài toán 1: Bài toán quản lý tài sản lập kế hoạch thay bảo trì hệ thống mạng cung cấp nước tác động ảnh hưởng môi trường ràng buộc liên quan Bài toán 2: Bài toán thiết kế thay thế, mở rộng mạng cung cấp nước Bài toán 3: Phát khắc phục điểm rò rỉ HTCCNS theo thời gian thực Bài tốn 4: Cảnh báo nhiễm nước phát sớm nguồn gây ô nhiễm HTCCNS 1.2 Tổng quan hệ thống thông tin địa lý 1.2.1 Định nghĩa GIS Có nhiều định nghĩa GIS khác nhau, định nghĩa GIS tiêu biểu: GIS tập hợp nguyên lý, phương pháp, công cụ liệu quy chiếu không gian sử dụng để cập nhật, lưu trữ, phân tích, lập mơ hình, mơ kiện trái đất, nhằm sản sinh thông tin thiết thực hỗ trợ cho việc định 1.2.2 Các khái niệm liên quan Các khái niệm sử dụng gồm: Địa vật (features); đồ vai trị mơ hình hóa thực tế; dạng điểm, dạng đường, dạng vùng; quan hệ không gian (tô– pô); mô hình liệu (Raster, Vector) 1.2.3 GIS thủ cơng GIS máy tính GIS thủ cơng kết hợp liệu khơng gian thuộc tính dạng phương tiện truyền thống đồ giấy, lớp giấy trong, v.v…và quan sát mắt, xử lý tay suy đoán 1.2.4 Lịch sử ứng dụng GIS GIS đời vào năm đầu thập niên 1960, thập niên gần phát triển mạnh mẽ nhờ tiến lĩnh vực cơng nghiệp máy tính, đồ họa máy tính, phân tích liệu không gian quản trị liệu 11 b Lập kế hoạch bảo dưỡng: Là xác định chu kỳ bảo dưỡng loại đường ống, loại thiết bị lắp đặt lên kế hoạch cho kỳ bảo trì, bảo dưỡng c Sửa chữa mạng lưới: Sửa chữa mạng lưới bao gồm: Sửa chữa đột xuất, sửa chữa có kế hoạch có loại: sửa chữa nhỏ, sửa chữa lớn 2.1.2 Quy trình quản lý vận hành a Quy trình quản lý: Là quy trình cần thực để đảm bảo hoạt động tất khâu dây chuyền vận hành đồng bộ, thông suốt, khoa học cho sản xuất kinh doanh ổn định phát triển b Quy trình vận hành (trong điều kiện bình thường): Là bước làm cho HTCCNS hoạt động theo trình tự điều kiện tất thiết bị, tất khâu làm việc bình thường 2.1.3 Các rủi ro nguy hại a Rủi ro: Là hư hỏng ngừng hoạt động khơng bình thường (ngẫu nhiên) thiết bị, cơng trình, v.v… b Mối nguy hại: Là nguy trực tiếp gián tiếp, hữu tiềm ẩn, đe dọa đến an toàn HTCCNS hoạt động cấp nước Có mối nguy hại: P: - Vật lý - B: Vi sinh - C: Hóa học c Biện pháp kiểm sốt rủi ro: Là cách thức, phương thức tiến hành nhằm phòng ngừa, ngăn chặn mối nguy hại, cố xử lý e Quy trình xử lý cố: Là quy trình xử lý áp dụng cố xảy HTCCNS 2.2 Các qui trình quản lý kỹ thuật HTCCNS Để đảm bảo hoạt động tốt, CTCCNS xây dựng qui trình quản lý kỹ thuật cho mạng lưới truyền dẫn, mạng lưới phân phối mạng lưới dịch vụ Hiện nay, CTCCN chủ yếu thực qui trình kỹ thuật thủ cơng, hiệu chưa cao 12 2.3 Thực trạng quản lý kỹ thuật vấn đề CTCCNS 2.3.1 Rủi ro hoạt động kỹ thuật Mức độ thành công hoạt động kỹ thuật CTCCNS đo giá trị thu khắc phục rủi ro 2.3.2 Phương pháp xác định rủi ro Các CTCCNS xác định mức độ rủi ro phương pháp ma trận bán định lượng Rủi ro = (Tần suất xảy ra) x (Mức độ nghiêm trọng) Thang điểm đánh giá rủi ro chia thành mức sau:  Từ đến điểm: Mức độ rủi ro thấp, chấp nhận rủi ro  Từ đến 15 điểm: Mức độ rủi ro trung bình cao Phải có biện pháp giảm thiểu rủi ro, phịng tránh ứng phó kịp thời  Từ 16 đến 25 điểm: Không chấp nhận rủi ro 2.3.3 Phân tích đánh giá rủi ro HTCCNS Việt Nam Dựa kết khảo sát: Tổng hợp 123 nguy tương đương với 1335 mối nguy hại hệ thống Trong có đến 36 rủi ro có mức độ nguy hại >15 CTCCNS chưa có giải pháp khắc phục hữu hiệu Chính rủi ro loại nguyên nhân yếu gây rỏ rỉ, thất nước nhiều, chi phí bảo trì cao, thời gian khắc phục chậm trễ, dẫn đến hiệu quản lý HTCCNS thấp 2.3.4 Các biện pháp kiểm sốt phịng ngừa rủi ro Để thực chương trình cấp nước an tồn, CTCCNS phải xây dựng biện pháp kiểm soát phòng ngừa tương ứng với loại nguy hại 2.4 Ứng dụng GIS hoạt động nghiệp vụ CTCCN 2.4.1 Đối tượng phương pháp điều tra Phỏng vấn kết hợp gửi phiếu điều tra tiến hành đến 68 CTCCNS Việt Nam Kết nhận 59/68 phản hồi 13 2.4.2 Các kết điều tra Có 47 cơng ty chưa ứng dụng GIS (chiếm 71%), 11 công ty ứng dụng GIS (chiếm 16%) công ty từ chối trả lời 2.4.3 Nhận xét thực trạng ứng dụng GIS  54/59 công ty biết GIS khẳng định: Ứng dụng GIS vào quản lý, chắn nâng cao hiệu quản lý HTCCNS  Các công ty ứng dụng GIS cịn chưa bản, mang tính tự phát, chia làm 02 nhóm: Tự nghiên cứu xây dựng GIS thuê công ty khác triển khai GIS theo gói phần mềm thương mại hóa có Mỗi nhóm có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên, CTCCNS có mong muốn xây dựng GIS phù hợp với trình độ tổ chức, có giá thành hợp lý  Các công ty thường thiếu phận nghiên cứu chuyên trách cập nhật liệu trì hoạt động hệ thống, chưa có khả tự phát triển tiếp ứng dụng, v.v…  Việc trao đổi thông tin phận trình vận hành hệ thống cịn chưa rõ ràng 2.5 Một số khuyến nghị ứng dụng GIS quản lý HTCCNS 2.5.1 Các vấn đề nội dung cần ứng dụng GIS A Quản lý mạng cấp nước  Những toán cần ứng dụng GIS: Quản lý tài sản mạng ống nước; quản lý rò rỉ, thiết kế thay hay mở rộng mạng đường ống, quản lý suy giảm áp lực lưu lượng nước ống  Những cơng đoạn quy trình quản lý : Cần phải tự động hóa số cơng đoạn qui trình quản lý bảo trì, bảo dưỡng sửa chữa mạng ống có trợ giúp GIS B Quản lý chất lượng nước Vấn đề cấp nước an tồn ứng dụng GIS để giải : Quản lý nguồn nước mặt; đánh giá chất lượng nước ngầm khu vực; giám 14 sát suy giảm chất lượng nước ống; xác định nồng độ clo hệ thống; cảnh báo ô nhiễm nước hệ thống 2.5.2 Một số vấn đề hạn chế việc triển khai GIS CTCCNS Việt Nam Một số vấn đề gây hạn chế việc triển khai ứng dụng GIS như: Đầu tư cho hệ thống GIS cao, thiếu hệ thống GIS Việt Nam, chưa có quy trình triển khai bản, v.v… CHƯƠNG - MƠ HÌNH PHÁT TRIỂN GIS VÀ XÂY DỰNG KHUNG CSDL GIS CHO QUẢN LÝ HTCCNS Ở VIỆT NAM Chương đề xuất: Mơ hình phát triển hệ thống GIS, mơ hình kiến trúc GIS quản lý HTCCNS, khung CSDL GIS đầy đủ để quản lý tổng hợp HTCCNS nhằm nâng cao hiệu quản lý HTCCNS 3.1 Mơ hình phát triển hệ thống GIS 3.1.1 Triển khai ứng dụng GIS Việc triển khai GIS triển khai đồng thời yêu cầu ứng dụng đặt cho 3.1.2 Mơ hình tổng qt phát triển hệ thống GIS Phát triển GIS, cần thực theo bước hình 3.2 Trong đó, bước (2), bao gồm đặc tả liệu đặc tả xử lý Sau bước (4), có CSDL GIS mô đun chức cho việc giải toán đặt Để giải toán thiết lập thêm liệu cụ thể riêng tốn (5) Cuối sử dụng cơng cụ để giải toán lấy kết (6) 15 3.2 Mơ hình kiến trúc GIS cho quản lý HTCCNS Việt Nam 3.2.1 Mơ hình kiến trúc hệ thống phần cứng (Hình 3.3) 3.2.2 Kiến trúc HT phần mềm tiêu chuẩn kỹ thuật (Hình 3.4) 3.2.2.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng Hệ thống GIS ứng dụng lHTCCNS Việt Nam hoạt động dựa tiêu chuẩn: Các tiêu chuẩn kỹ thuật ứng dụng CNTT quan nhà nước; CSDL đồ hệ thống GIS cấp nước phải đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chuẩn thông tin địa lý sở ban hành; tiêu chuẩn kỹ thuật sản phẩm phải phù hợp với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chuẩn thông tin địa lý sở 3.2.3 Một số yêu cầu Các yêu cầu GIS quản lý HTCCNS bao gồm: Thiết kế theo mơ hình Client/Server; hệ thống mở; đáp ứng yêu cầu bảo mật, an toàn thông tin, v.v… 3.2.4 Một số yêu cầu tầng liệu Hệ thống phải đảm bảo số yêu cầu tầng liệu như: Dữ liệu đồ GIS phải khuôn dạng chuẩn CSDL GIS; đồ phải thành lập từ đồ địa chính; đối tượng đồ phải phân loại thành lớp đồ, v.v… 16 3.3 Xây dựng khung CSDL GIS quản lý HTCCNS 3.3.1 Đặt vấn đề Theo mơ hình phát triển GIS (Hình 3.2), xây dựng CSDL bước quan trọng, trung tâm, tốn nhiều thời gian, cơng sức, địi hịi phải trước bước để đảm bảo phát triển đồng GIS 3.3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.3.2.1 Phương pháp luận xây dựng CSDL GIS (Hình 3.5) 3.3.2.2 Phương pháp triển khai CSDL Do đặc thù CSDL GIS có thêm liệu không gian mối quan hệ tô pơ nên có khác biệt định so với CSDL khác 3.3.2.3 Các bước triển khai CSDL GIS cho HTCCNS Các bước triển khai CSDL GIS thực theo hình 3.6 3.3.3 Thiết kế khung CSDL GIS cho quản lý HTCCNS 3.3.3.1 Các nhóm liệu Thể hình 3.7 3.3.3.2 Thiết kế cấu trúc lớp liệu (hình 3.8) 17 3.3.3.3 Sơ đồ liên kết đối tượng không gian Sơ đồ liên kết đối tượng không gian GIS mô tả mối quan hệ khơng gian đối tượng theo nhóm liệu 3.3.3.4 Tổ chức kho liệu phục vụ quản lý kỹ thuật Tổ chức nhóm liệu đề xuất thành kho theo nhu cầu sử dụng hoạt động nghiệp vụ Với kho liệu giúp xác định nghiệp vụ cần liệu gì, liệu thuộc lớp nào, v.v… CHƯƠNG - ỨNG DỤNG GIS CHO BÀI TOÁN THIẾT KẾ BẢO TRÌ - MỞ RỘNG MẠNG LƯỚI TỐI ƯU VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM NƯỚC TRONG HTCCNS Chương trình bày phương pháp giải tốn thiết kế thay thế, mở rộng mạng lưới cảnh báo ô nhiễm chất lượng nước với liệu công ty cấp nước số Hà Nội Ngồi ra, trình bày kết thử nghiệm đưa số nhận xét 4.1 Mở đầu Ở đây, áp dụng quy trình giải tốn GIS CSDL GIS đề xuất chương trước để giải toán thiết kế thay mở rộng mạng lưới cấp nước tối ưu, cảnh báo ô nhiễm nước 4.2 Thiết kế thay thế, mở rộng mạng lưới cấp nước tối ưu 4.2.1 Đặt vấn đề Việc bảo trì, thay phát triển mạng đường ống diễn thường xuyên Các CTCCNS thực công việc phần lớn cách thủ công Cần phải sử dụng trợ giúp công nghệ GIS tự động hóa để nâng cao hiệu hoạt đơng 4.2.2 Phát biểu tốn Mạng lưới cấp nước khu vực chia thành ô cấp nước Việc lập kế hoạch bảo trì, mở rộng đường ống ô cấp nước 18 phổ biến Thiết kế mạng cho coi đồ thị hình đồ thị lớn Trong đó, điểm cấp nước điểm nguồn cấp đỉnh đồ thị gắn tọa độ Đường nối điểm cạnh đồ thị Chi phí để lắp đặt đường ống ứng với cạnh gồm: Chi phí đường ống thiết bị, chi phí xây dựng, chi phí quản lý,v.v… Nhiệm vụ thiết kế mạng đường ống đảm bảo yêu cầu kỹ thuật với tổng chi phí nhất, có lợi ích mạng lại nhiều 4.2.3 Lập mơ hình chung toán a Hàm mục tiêu toán Hàm mục tiêu tốn có dạng: Trong đó: U tập cạnh đồ thị ban đầu, i cạnh c(i) chi phí cho cạnh b Các ràng buộc tốn Mạng ống nước thiết kế phải thỏa mãn ràng buộc: Mạng liên thông với nhau; tuyến đường ống phải thỏa mãn chuẩn thiết kế (bám theo đường giao thông, không nằm vật thể kiến trúc, không nằm vùng ô nhiễm, độ dốc khoảng cho phép,…) Tùy thực tế, ràng buộc thêm hay bớt mà khơng ảnh hưởng đến q trình giải tốn Vấn đề chỗ, CSDL GIS phải có sẵn liệu cần thiết cho việc thiết lập ràng buộc 4.2.4 Thuật toán cho toán đặt Mạng ống nước vạch ban đầu đồ thị phẳng, liên thông Một khung gồm cạnh nối từ điểm gốc (nguồn cấp) đến tất đỉnh (điểm sử dụng nước) Bài tốn tìm mạng đường ống tối ưu dẫn đến tìm khung cực tiểu có độ dài cạnh chi phí tồn để lắp đặt ống cho cạnh Thuật tốn Prim chọn để giải tốn đơn giản hiệu 19 4.2.5 Sử dụng sở liệu GIS Sử dụng lớp liệu: Hạ tầng cấp nước; Giao thơng; Hành chính; Thủy văn; Hạ tầng nước; Địa hình; Cây xanh, chiếu sáng; Sử dụng đất; Nhà máy – khu công nghiệp; Chất thải rắn; Các qui hoạch 4.2.6 Thiết lập mơ hình cụ thể cho toán Lập đồ điểm cấp nước, điểm dùng nước vùng, chọn chúng làm tập đỉnh đồ thị Sau đó, tạo đồ thị liên thông cách thêm vào cạnh nối hai đỉnh cho Ở mức tối đa, ta có đồ thị đầy đủ Với đồ thị này, tạo ràng buộc toán cách đồ thị ràng buộc giúp loại dần cạnh vi phạm ràng buộc Có thể cần thêm đỉnh, cạnh để đảm bảo mạng liên thông bám theo đường giao thông Cách thiết lập ràng buộc cách trực quan, thao tác đơn giản, dễ thực hiện, v.v…Nếu biểu diễn ràng buộc biểu thức tốn học khó khăn, biến đối tượng không gian Hơn nữa, ràng buộc biểu diễn, lại khơng đủ liệu để thực nó, tốn thiết lập ràng buộc khó tìm thuật tốn thích hợp để giải phức tạp Khi có đồ thị mạng thỏa mãn ràng buộc, xác định chi phí cho cạnh nó, giải tìm mạng thiết kế tối ưu công cụ thiết lập 4.2.7 Giới thiệu công cụ giải tốn 4.2.7.1 Ngơn ngữ lập trình Python ngơn ngữ chọn có nhiều ưu điểm GIS 4.3.7.2 Các chức công cụ Bộ công cụ thực thông qua hai chức năng: Thiết kế mạng lưới nhằm tạo mạng ban đầu thỏa mãn ràng buộc, Tìm mạng tối ưu thuật tốn khung nhỏ Ngồi cho phép điều chỉnh xuất kết thiết bị 20 4.2.7.3 Một số giao diện công cụ 4.2.8 Sơ đồ tiến trình giải tốn với cơng cụ (Hình 4.3.) 4.2.9 Kết thử nghiệm giải toán với liệu thực Khu vực QC_06 khu vực có mạng đường ống cũ, cần thiết kế thay Sử dụng công cụ kết sau: Tổng độ dài mạng tại: 2130,33 m Tổng độ dài mạng lưới tối ưu đề xuất là: 1917,73 (m) Mạng đề xuất ngắn mạng tại: 212,6 (m) Nếu tính theo thơng số đơn giá tiết kiệm khoảng 2,7 tỷ đồng Mạng tuyến ống đề xuất tuân theo đầy đủ chuẩn thiết kế, thời gian chạy với 32 điểm phút Lợi ích đem lại lớn 4.3 Ứng dụng GIS cho tốn cảnh báo nhiễm nước 4.3.1 Đặt vấn đề Cấp nước an toàn đề cập từ nhiều năm nay, chất lượng nước chưa ổn định Do HTCCNS trải dài theo không gian, xây dựng khoảng thời gian khác nhau, biển đổi môi trường, v.v lên hệ thống, làm cho có thay đổi mà khó kiểm soát Do vậy, nước sinh hoạt Việt Nam nhiều nơi chưa đảm bảo chất lượng mong muốn 21 4.3.2 Mơ tả tốn Để quản lý chất lượng nước, CTCCNS thường lấy mẫu vị trí định Khi phát mẫu nước hệ thống bị nhiễm, cần tìm ngun nhân, nguồn gây nhiễm cách nhanh chóng xác để khắc phục 4.3.3 Giải pháp cho toán đặt Giải tốn theo hướng “Phịng bệnh chữa bệnh” xây dựng sẵn đồ ô nhiễm Nhờ GIS, định kỳ cập nhật thông tin, xây dựng đưa đồ cảnh báo nguy ô nhiễm cho vùng Khi phát điểm nước ô nhiễm vùng, nhờ đồ giúp ta nhanh chóng kiểm tra để tìm nguồn ngun nhân gây nhiễm để có phương án khắc phục 4.3.4 Các bước xây dựng giải pháp 4.3.4.1 Xác định nhân tố có nguy ảnh hưởng chất lượng nước Nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng nước từ nhóm: Cơng trình cấp nước; địa hình sử dụng đất; sở hạ tầng; mơi trường vùng ô nhiễm khác nhau, 4.3.4.2 Xác định tiêu chí đồ mức độ ảnh hưởng nhân tố Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng nước (CLN) hệ thống Mỗi nhân tố gây mức độ ảnh hưởng khác vị trí khác Các nhân tố ảnh hưởng có nguồn từ: Cơ sở hạ tầng, Địa hình sử dụng đất, Mơi trường, Cơng trình cấp nước Dựa vào thơng tin CLN tiêu chí đưa để xác định nhân tố gây ảnh hưởng theo tiêu chí Hình 4.8: 22 4.3.4.3 Xây dựng CSDL CSDL phục vụ giải tốn cảnh báo nhiễm gồm nhóm liệu: Dữ liệu nền, liệụ cấp nước, liệu nước, liệu kinh tế xã hội, nhóm liệu chất thải rắn 4.3.4.4 Giao diện công cụ trợ giúp (Hình 4.9) 4.3.5 Thực tốn với cơng cụ kết 4.3.5.1 Các bước sử dụng công cụ (Hình 4.10) 4.3.5.2 Kết thử nghiệm ứng dụng (Hình 4.13) Tại khu vực QC_06, nhờ cơng cụ tìm vị trí có khả gây nhiễm cao hệ thống mạng đưa vào vị trí điểm bị nhiễm 23 KẾT LUẬN Luận án tập trung phân tích, làm rõ thực trạng quản lý HTCCNS Việt nam Từ phát vấn đề cấp bách cần phải giải Luận án nghiên cứu phương pháp luận phương pháp giải vấn đề phát sở ứng dụng công nghệ công nghệ GIS, mà xu hướng giới vận dụng Khi sâu vào việc vận dụng công nghệ GIS, luận án có đề xuất cụ thể cho việc xây dựng GIS cho CTCCNS Việt Nam có nghiên cứu giải pháp cụ thể giải số toán cụ thể quản lý HTCCNS Luận án đạt kết sau đây: Phân tích làm rõ vấn đề cấp bách cần giải giải nhằm nâng cao hiệu quản lý HTCCNS Việt Nam Từ đề xuất ứng dụng cơng nghệ GIS để giải cách hiệu triệt để vấn đề nêu Tổng hợp đề xuất nội dung quản lý HTCCNS cho việc ứng dụng GIS Trình bày mơ hình tổng qt phát triển GIS Đề xuất kiến trúc tổng thể GIS áp dụng cho HTCCNS Việt Nam Đề xuất khung CSDL GIS, bao gồm đối tượng, lớp liệu khơng gian bảng thuộc tính, mơ hình liệu quan hệ cho GIS CTCCNS Việt Nam Nghiên cứu ứng dụng GIS giải hai toán quan trọng quản lý kỹ thuật: Thiết kế mạng cung cấp nước tối ưu, lập đồ cảnh báo ô nhiễm nước 24 Những kết nghiên cứu đóng góp mặt lý luận phương pháp cụ thể cho việc thúc đẩy ứng dụng GIS vào ngành cấp nước Việt Nam Luận án góp phần giải vấn đề cấp bách mà ngành nước Việt Nam phải đối mặt, cách để nâng cao hiệu quản lý HTCCNS Luận án đề xuất làm rõ quy trình giải pháp ứng dụng công nghệ GIS vào hoạt động quản lý HTCCNS Các kết nghiên cứu mở hướng nghiên cứu lĩnh vực CNTT giải pháp tích hợp cơng nghệ khác, hệ thống khác (phân tích thủy lực, viễn thám, SCADA v.v…) vào hệ thống GIS quản lý tổng thể HTCCNS, làm cho việc quản lý toàn diện hiệu Do phạm vi lớn tính phức tạp giải pháp cơng nghệ, cịn có hạn chế mà luận án chưa đề cập hết trình triển khai thực tế Tác giả hy vọng tiếp tục có hội tham gia triển khai ứng dụng để tiếp tục hồn thiện hai mơ đun triển khai Công ty cấp nước số Hà Nội Tác giả tin rằng, đề xuất luận án thực giúp CTCCNS Việt Nam đẩy nhanh việc ứng dụng GIS vào công tác quản lý để đạt mục tiêu đặt ra, đem lại lợi ích kinh tế xã hội to lớn thiết thực DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Chu Thị Hồng Hải (2015), Nâng cao chất lượng hoạt động quản lý hệ thống cung cấp nước nhờ công nghệ GIS Tạp chí Kinh tế Dự báo – Bộ Kế hoạch Đầu tư, số tháng 10 năm 2015 Chu Thị Hồng Hải (2015), Xây dựng hệ thống trợ giúp cảnh báo ô nhiễm nước áp dụng công nghệ GIS Kỷ yếu hội thảo ứng dụng GIS toàn Quốc Tổ chức Đại học tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, tháng 10 năm 2015 Chu Thị Hồng Hải (2015), Phát triển sở liệu Hệ thống thông tin địa lý (GIS) trợ giúp nâng cao hiệu quản lý Hệ thống cung cấp nước Việt Nam Kỷ yếu hội thảo vai trị Hệ thống thơng tin quản lý phát triển tổ chức, doanh nghiệp Trường Đại học Kinh tế Quốc dân, tháng 11 năm 2015 Chu Thị Hồng Hải (2016), Hệ thống hỗ trợ vạch tuyến đường ống tối ưu bảo trì mở rộng mạng lưới cung cấp nước ứng dụng Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số tháng năm 2016 ... triển kinh tế, xã hội Với lý trên, đề tài ? ?Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quản lý cho hệ thống cung cấp nước dựa hệ thống thông tin địa lý- thử nghiệm Công ty Nước số Hà Nội? ?? chọn làm đề tài luận... CHƯƠNG 1- QUẢN LÝ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH DỰA TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Chương sâu vào phân tích hoạt động quản lý HTCCNS Việt Nam, giới thiệu đặc trưng GIS nhiệm vụ, định hướng cấp nước. .. hệ thống thông tin (HTTT) Havner đưa năm 20 04 Từ mục tiêu nghiên cứu tổng quát luận án là: Xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quản lý HTCCNS với trợ giúp hệ thông thông tin địa lý (GIS) , dựa sơ đồ