Chương 1, sử dụng CSDL GIS đã đề xuất ở Chương 3. Tiếp theo, sử dụng dữ liệu của Công ty Nước sạch số 2 Hà Nội để thử nghiệm. Phần cuối chương, trình bày các kết quả thử nghiệm và đưa ra một số nhận xét. Tổng quan tình hình nghiên cứu Hệ thống cung cấp nước sạch ra đời từ rất sớm (thế kỷ XVI) ở các nước Tây Âu.
Nhưng chỉ từ khi người ta xây dựng các hệ thống khai thác và mạng lưới truyền dẫn (thế kỷ XVIII), thì các hoạt động quản lý kinh doanh và kỹ thuật (kiểm tra, bảo trì, phát triển mạng dẫn nước, chất lượng nước) mới trở thành hoạt động chính thức và thường xuyên. Các hoạt động quản lý này ngày càng được xã hội quan tâm không chỉ về số lượng mà còn cả về chất lượng nước được cung cấp. Trước tình trạng khan hiếm và ô nhiễm của nguồn nước ngọt hiện nay, công tác quản lý HTCCNS càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu liên quan đến hoạt động này.
Đặc biệt, từ giữa thế kỷ 20, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp mô hình hóa, nhiều bài toán thuộc lĩnh vực cung cấp nước sạch đã được nghiên cứu và giải quyết hiệu quả nhờ sự trợ giúp của máy tính điện tử. Những nghiên cứu ngoài nước Từ thủa sơ khai, do các mạng đường ống cấp nước có qui mô nhỏ và được lắp đặt lộ thiên nên các hoạt động bảo trì hệ thống mạng lưới đơn giản và dễ thực hiện. Theo sự tiến bộ của xã hội, hệ thống mạng đường ống có quy mô ngày càng mở rộng, và được đặt ngầm một phần dưới đất. Do đó, những bài toán liên quan đến bảo trì hệ thống mạng ống nước (gồm sửa chữa, thay thế và mở rộng hoặc kết hợp cả hai) ngày một phức tạp và có chi phí rất cao.
Nhiều kết quả nghiên cứu liên quan đến việc giải bài toán mở rộng và bảo trì hệ thống mạng đường ống tối ưu, đã được công bố. Dưới đây là một số nghiên cứu tiêu biểu: Năm 1979, Sharmir và Howard đề xuất một mô hình bài toán cho việc ra quyết định lựa chọn phương án sửa chữa hoặc thay thế đường ống khi so sánh giữa tỷ lệ ống vỡ và các chi phí sửa chữa với việc thay thế đường ống mới [71]. Bài toán này được đặt ra trong hoàn cảnh lúc đó giá thành đường ống và các phụ kiện kèm theo còn rất cao. Năm 1982, Walski và Pelliccia đã phát triển một tiêu chuẩn mới đơn giản hơn để thay thế đường ống nước khi so sánh tỷ lệ vỡ hiện tại của một đường ống lớn hơn tỷ lệ vỡ định mức [75].
Sau đó Walski xem xét thêm bài toán về việc phục hồi đường ống dẫn nước khi chi phí cho phục hồi nhỏ hơn chi phí tăng thêm cho áp lực bơm nước và thiết bị cần thiết bổ sung để nước vẫn lưu thông tốt trong các ống chính bằng cách áp dụng chỉ số Hazen-Williams C1 thấp [77]. Vào năm 1986, chính ông đã phát triển một khuôn khổ chung cho việc ra quyết định phục hồi hệ thống mạng ống nước. Công trình 1 Hazen-Williams C là công thức tính áp lực trong đường ống với yếu tố tính chất vật lý của đường ống và sự giảm áp lực do ma sát 16 của ông đã gợi ý các giải pháp phục hồi khác nhau cho một số bài toán cụ thể [78]. Cũng về chủ đề này, O'Day cho rằng, quyết định việc bảo dưỡng đường ống, phục hồi chức năng, và thay thế hiệu quả không chỉ dựa vào tuổi thọ của ống, mà phải dựa trên thực tế và các thông tin được cập nhật về điều kiện vật chất cụ thể của hệ thống phân phối nước [67].
Cũng vẫn với bài toán trên, nhưng khi tính đến những yếu tố mới, tác giả Sullivan nhấn mạnh việc lập kế hoạch ưu tiên để thay thế, cải tạo đường ống phải dựa trên hồ sơ bảo dưỡng, hồ sơ tuổi thọ và kiểm tra áp lực của đường ống cũng như cấu trúc đường bộ của thành phố có ảnh hưởng đến nó [73]. Để tối ưu hóa chi phí cho việc phục hồi, thay thế mở rộng tuyến ống, một loạt mô hình tối ưu hóa ra đời có áp dụng những kết quả nghiên cứu mới về cơ học: Bằng sự kết hợp tối ưu hóa phi tuyến (hàm mục tiêu) và quy trình mô phỏng thủy lực để tính áp lực lên thành ống để tìm lời giải cho việc ra quyết định trong HTCCNS đã được Woodburn và cộng sự đưa ra năm 1987 [79], và để xác định giải pháp chi phí tối thiểu cho việc phục hồi và thay thế các thành phần của hệ thống phân phối nước đã được đề xuất vào năm 1992 [62]. Theo hướng mô hình hóa tối ưu này, Kim đã cải thiện mô hình của Shamir và Howard bằng cách bổ sung điều kiện kiểm tra độ tin cậy thủy lực [60], còn Kim và Mays giải quyết bài toán đặt ra bằng cách sử dụng biến số nguyên để biểu diễn việc quyết định thay thế hay phục hồi một đoạn đường ống, thay vì sử dụng độ dài đường ống đó như là biến quyết định [59]. Halhal lại sử dụng một thuật toán di truyền cấu trúc trộn để giải quyết bài toán lựa chọn một mạng con tốt nhất có thể của mạng lưới cần được lắp đặt.
Một cách tiếp cận đa mục tiêu được mô tả bằng cách sử dụng đồng thời cả chi phí về vốn và lợi ích kinh tế thu được như mục tiêu kép, cho phép sử dụng một loạt các giải pháp biến đổi chi phí có điều khiển để không vượt quá lợi ích [51]. Vấn đề tối ưu hóa kích thước đường ống khi thay thế, sửa chữa cũng được nghiên cứu vào năm 2008 [66]. Trong luận án bảo vệ thạc sỹ của Baek [43] đã phát triển cách tính toán tối ưu của hệ thống khi đưa ra quyết định phục hồi chức năng của Hệ thống phân phối bằng cách sử dụng công cụ ReHS. Năm 2001, khi giải quyết vấn đề phục hồi một hệ thống mạng lưới cấp nước lớn, Geem và các cộng sự đã sử dụng thuật toán “ Harmony Search” mới để giải quyết bài toán này thay cho kỹ thuật tối ưu thông thường đã không còn hiệu quả [48].
Năm 2002, cũng nhóm tác giả này nghiên cứu và đưa ra kết quả khi sử dụng thuật toán “ Harmony Search” trên vào việc thiết kế mạng đường ống [49]. Nhìn chung, các công trình được nghiên cứu trên tập trung giải quyết bài toán mở rộng và bảo trì tối ưu mạng đường ống nước bằng cách xây dựng các mô hình tối ưu với các ràng buộc và hàm mục tiêu khác nhau. Điểm khác nhau giữa chúng là các nghiên cứu sau thường tính đến nhiều hơn các điều kiện ràng buộc thực tế của bài toán 17 (tuổi thọ đường ống, tỷ lệ rò rỉ, mức độ sửa chữa thực tế hoặc áp lực nước trên đường ống) hoặc làm phức tạp thêm hàm mục tiêu (bao gồm nhiều tiêu chí như chi phí vốn bỏ ra, hiệu quả kinh tế mang lại hoặc chênh lệch giữa chúng, v. Cùng với mô hình các bài toán có độ phức tạp thay đổi, các tác giả đã đưa ra các phương pháp giải khác nhau.
Trước đây, do giá thành các đường ống và phụ kiện rất đắt, nên nhiều bài toán bảo trì, thay thế được đặt ra có thể tiến hành chỉ cho từng đoạn đường ống. Ngày nay, trừ những loại ống lớn, bài toán thường đặt ra cho một cụm mạng đường ống có sự tương đồng nhất định (vì thường các đường ống trong cụm đều được lắp đặt cùng thời điểm, cùng loại, cùng hãng sản xuất, nên tuổi thọ là tương đối giống nhau). Thêm vào đó, phương pháp giải các mô hình toán học tối ưu hiện rất phong phú. Với năng lực rất mạnh của máy tính, việc giải các mô hình với các bài toán loại này không còn là vấn đề khó khăn.
Điều đáng ghi nhận ở đây chính là mô hình của các bài toán được xây dựng ngày càng có nhiều ràng buộc gần hơn với bài toán thực tế được yêu cầu giải quyết. Tuy nhiên, các bài toán đặt ra chưa sử dụng công nghệ GIS, vì lúc đó công nghệ này chưa phát triển. Cách thiết lập các ràng buộc để giải các bài toán chủ yếu vẫn làm thủ công (có thể đã sử dụng bản đồ giấy), vì thế thường tốn rất nhiều công sức và thời gian. Hơn nữa, nhiều ràng buộc thực tế của bài toán phải bỏ qua vì thiếu các dữ liệu không gian hoặc do sự quá phức tạp của nó khi cần phải biểu diễn chúng trong không gian.
Năm 2013, Harri Antikainen sử dụng các dữ liệu không gian trong GIS [52] được lưu trữ ở dạng Raster để mô hình hóa bài toán thiết kế thay thế mở rộng mạng lưới và thuật toán A* tìm đường đi cho đường ống nước có giá trị tối ưu. Cũng trong năm này, nhóm tác giả Jun a, Koo b và Koh đã công bố kết quả nghiên cứu mở rộng hệ thống mạng lưới cấp nước ở Seul dựa trên GIS. Trong kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đã đưa ra công thức tính chi phí xây dựng, công thức tính tuổi thọ của đường ống, sử dụng giải thuật DISKTRA, để lập kế hoạch bảo trì và thay thế các đoạn đường ống tối ưu bằng cách xác định thời điểm thay thế đường ống, tìm đường đi ngắn nhất cho đoạn đường ống được thay thế. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn chỉ ra rằng cần phải sử dụng bản đồ đường giao thông làm cơ sở chia vùng, chia ô mạng đường ống [57].
Nhờ sử dụng công nghệ GIS, việc thiết lập bài toán trong các nghiên cứu trên không những bao hàm được các ràng buộc như những nghiên cứu trước đó (tính tuổi thọ, chi phí xây dựng, v.v…), mà còn bổ sung thêm các ràng buộc về địa hình, không gian đặt ống và chia vùng khi sử dụng bản đồ nền trong GIS về đường giao thông ( trước đây công việc này phải tiến hành trực tiếp trên thực địa). Với cách làm này, việc thiết lập bài toán với đầy đủ các ràng buộc cần thiết trở nên đơn giản và nhanh chóng 18 hơn rất nhiều. Tuy vậy, trong khi giải bài toán đặt ra, các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán DISKTRA để tìm đường đi ngắn nhất cho đoạn đường ống được thay thế sẽ làm hạn chế phạm vi của bài toán được giải, khi mà nhu cầu thay thế không chỉ là một đoạn đường ống mà là toàn bộ một cụm mạng đường ống, v. GIS không chỉ hỗ trợ giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong HTCCNS, mà GIS còn khẳng định được vai trò của mình trong việc trợ giúp quản lý sản xuất và kinh doanh nước sạch.