Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo các báo cáo và số liệu thống kê của Liên Hợp Quốc và Ngân hàng Thế giới (WB), trên phạm vi toàn cầu chỉ có khoảng 45% đến 65% lượng nước tưới thực sự đến được với cây trồng; tỷ lệ tổn thất nước từ nguồn cấp đến mặt ruộng tại nhiều quốc gia dao động từ 40% đến 50%. Tại Việt Nam, hiệu quả quản lý khai thác các hệ thống tưới (HTT) mới đạt khoảng 65% đến 80% so với năng lực thiết kế ban đầu, hệ số sử dụng nước trên các hệ thống nhìn chung dưới mức 0,82. Phần lớn các hệ thống tưới tại vùng đồng bằng và trung du là hệ thống tưới động lực bằng trạm bơm, tiêu tốn chi phí năng lượng và vận hành hàng năm rất lớn. Ngược lại, tình trạng ngập úng cục bộ do cấp thừa nước hoặc thiếu hụt nước cục bộ ở cuối kênh vẫn thường xuyên diễn ra, gây suy giảm năng suất cây trồng và lãng phí tài nguyên nước.

Về mặt lý luận và công nghệ, việc tính toán quản lý vận hành (QLVH) các hệ thống tưới ở Việt Nam trong thời gian dài chủ yếu dựa trên các giả thiết đơn giản hóa hoặc kinh nghiệm vận hành tĩnh theo kế hoạch dùng nước (KHDN) được lập trước ứng với một tần suất khí tượng cố định. Hầu hết các mô hình tính toán trước đây chỉ xét bài toán đơn mục tiêu (hoặc không xét hàm mục tiêu) mà chưa giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu với các lợi ích cạnh tranh (kinh tế, tiết kiệm nước, diện tích phục vụ, giảm thiểu thiệt hại mùa màng). Đồng thời, các hệ thống giám sát và điều khiển (SCADA) hiện hữu được triển khai trong nước thường nhập ngoại nguyên bộ với chi phí đầu tư rất cao, hoạt động độc lập và tách rời với các mô hình phần mềm tính toán thủy lực - nông học, thiếu khả năng tương thích với hạ tầng truyền thông mở như Internet hay mạng di động băng rộng. Khoảng trống đặt ra là cần một mô hình tích hợp đồng bộ giữa thuật toán quy hoạch tối ưu đa mục tiêu, công cụ dự báo khí tượng thích nghi, phần mềm quản lý vận hành theo thời gian thực và giải pháp công nghệ giám sát - điều khiển từ xa (SCADA) có chi phí phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật trong nước.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: Đề xuất và xây dựng, phát triển một mô hình mới về hiện đại hóa quản lý vận hành các hệ thống tưới thích hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả toàn diện trong quản lý khai thác, vận hành hệ thống tưới và đáp ứng tốt dịch vụ cung cấp nước chính xác, kịp thời, tin cậy, linh hoạt và công bằng cho các đối tượng dùng nước.

Các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể được triển khai gồm:

  1. Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác tối ưu hệ thống tưới theo mô hình quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu và giải bằng phương pháp tiến hóa sai phân để đạt đồng thời 4 mục tiêu vận hành.
  2. Xây dựng phương pháp và bộ công cụ quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực) kết hợp mô hình dự báo thích nghi khí tượng thủy văn.
  3. Nghiên cứu, cải tiến và tích hợp công nghệ giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA) dựa trên nền tảng vi điều khiển tích hợp IP Modem truyền thông qua mạng viễn thông di động và Internet với chi phí thấp.
  4. Xây dựng bộ công cụ phần mềm, hệ thống cơ sở dữ liệu trực tuyến và website điện toán phục vụ quản lý đồng bộ 3 nhiệm vụ: quản lý nước, quản lý công trình và quản lý kinh tế cho các công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi (QLKT CTTL).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các hệ thống tưới tự chảy hoặc tưới bằng động lực thông thường có quy mô nhỏ và vừa phục vụ sản xuất nông nghiệp, kết hợp cấp nước dân sinh, công nghiệp và các ngành kinh tế khác.
  • Phạm vi không gian và công trình: Tập trung vào các hệ thống tưới bằng kênh hở có công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy, trạm bơm điện hoặc kết hợp cả cống và trạm bơm; nguồn nước cung cấp là sông, suối hoặc hồ chứa nước.
  • Giới hạn nghiên cứu (những nội dung không thuộc phạm vi giải quyết):
    • Không nghiên cứu các hệ thống tưới bán tự chảy thuộc vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều và nguồn nước bị nhiễm mặn.
    • Không giải quyết mối quan hệ tương tác trực tiếp giữa tưới và tiêu nước trong cùng lưu vực.
    • Không xét đến việc sử dụng các trạm bơm dã chiến/cục bộ lấy nước từ các nguồn nội đồng (nước hồi quy, ao hồ) cũng như việc trữ nước và tiêu thoát nước nội tại trong hệ thống.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong luận án, tác giả tiến hành khảo sát và phân loại các công trình nghiên cứu về mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới trên thế giới và tại Việt Nam thành 3 nhóm kỹ thuật chính:

Nhóm 1: Mô hình lập kế hoạch tưới thuần túy (trợ giúp vận hành thủ công).
Nhóm 2: Mô hình lập kế hoạch QLVH kết hợp giám sát, điều khiển bán tự động tại chỗ.
Nhóm 3: Mô hình giám sát và điều khiển tự động từ xa (SCADA).
Nhóm mô hình Tên mô hình / Công trình tiêu biểu Tác giả / Cơ quan phát triển / Năm Đặc điểm kỹ thuật và phạm vi áp dụng
Nhóm 2 (Bán tự động) INCA HR Wallingford (Vương quốc Anh, 1980) Lập kế hoạch tưới, xác định lưu lượng kênh cấp 3, giám sát bán tự động công trình đầu mối.
IMSOP Nghiên cứu quốc tế (1987) Gồm 3 module (ETM tính bốc thoát hơi, IRM tính yêu cầu tưới, SOM tính vận hành hệ thống kênh).
OPDM Đại học Utah (Hoa Kỳ, 1996) Mô phỏng phân phối nước, tính toán độ mở cống, ước tính mức giảm năng suất khi thiếu nước.
CanalMan Đại học Utah (Hoa Kỳ) Mô phỏng dòng không ổn định trong kênh hở phân nhánh, tính toán điều tiết tự động tại chỗ.
IMS Đại học Cranfield (Vương quốc Anh) Lập kế hoạch tưới hàng ngày cho cây trồng cạn dựa trên số liệu thời tiết.
SWAT Hội nghị Nông nghiệp Hoa Kỳ (1998) Mô hình lưu vực tích hợp module thủy văn, cây trồng, chất lượng nước và kênh dẫn.
RUSTIC Nghiên cứu tại Australia (1994) Tính toán tưới cho hệ thống hồ chứa và nước mặt, xác định điểm công tác của máy bơm.
OMIS Viện Thủy lực Delft (Hà Lan, 1992-1993) Cân bằng nước mặt ruộng, tối ưu hóa đầu vụ với hàm mục tiêu đạt tổng lợi ích thực thu lớn nhất.
CPOIS Nghiên cứu quốc tế Quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu (cực đại lợi ích thực thu và cực đại diện tích tưới).
Nhóm 3 (SCADA quốc tế) FQM Rubicon Systems (Australia, thập niên 1980) Lập kế hoạch dùng nước qua mạng điện thoại IVR, mô phỏng và điều khiển công trình từ xa.
EAO Hiệp hội Kênh Provence (Pháp) Giám sát điều khiển tự động toàn bộ hệ thống cấp nước từ trung tâm CGTC.
TC/TM Đại học Quốc gia Seoul (Hàn Quốc, 1997) Ứng dụng tại HTT Macho, truyền số liệu qua mạng modem điện thoại quay số.
Klamath SCADA Đại học Bách khoa California (Hoa Kỳ, 2001) Sử dụng phần mềm LookOut, vi điều khiển RTU/PLC và sóng vô tuyến trải phổ ISM.
CWMIS Đại học Utah (Hoa Kỳ) Quan trắc lớp nước ruộng và độ ẩm đất qua ảnh vệ tinh, giao diện tích hợp Google Maps.
FarmConnect Rubicon Systems (Australia) Mạng cảm biến độ ẩm, mực nước và cửa cống điều khiển từ xa giao tiếp qua Internet.
Nghiên cứu tại Việt Nam QLĐH Đan Hoài Hoàn thành năm 1995 (Tác giả tham gia) Lập kế hoạch vận hành theo nông lịch, hỗ trợ điều hành trạm bơm Đan Hoài, cống Bá Giang.
QLĐH Thạch Nham Trường ĐH Thủy lợi, TTKTTV, Viện KTTV (1998) Ứng dụng mô hình chuỗi thời gian ARIMA dự báo nguồn nước, kết hợp CROPWAT, STATISTICA, HEC-RAS.
QLĐH Bắc Hưng Hải Bộ NN&PTNT, ĐH Thủy lợi, Viện KHTL (1998) Lập kế hoạch vận hành và giám sát mực nước truyền qua mạng điện thoại công cộng.
IMSOP cải tiến Ứng dụng tại HTTN La Khê Cải tiến module tính nhu cầu nước cho nhiều loại cây trồng theo số liệu thời tiết hàng ngày.
SCADA/MAC Đề tài cấp Bộ trọng điểm (2002) - Tác giả chủ nhiệm Áp dụng tại HTTN Phù Sa; đạt Huy chương vàng TechMart 2003; gồm 5 phân hệ tích hợp.
VKHTLMB SCADA Viện Khoa học Thủy lợi miền Bắc Áp dụng tại HTTN Ấp Bắc - Nam Hồng; truyền dữ liệu qua đường dây điện thoại cố định.
VKHTLMN SCADA Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Áp dụng tại HTTL Gò Công (Tiền Giang); truyền dữ liệu qua mạng diện rộng WAN.
VWRAP SCADA (BCEOM1, BCEOM2, HASKONING, BRLI) Dự án WB tài trợ (2008-2012) Thiết kế cho HTT Yên Lập, Cầu Sơn - Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Đá Bàn, Dầu Tiếng.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Qua phân tích tổng hợp các mô hình trong và ngoài nước, tác giả xác định những khoảng trống kỹ thuật chính:

  • Hầu hết các mô hình lập kế hoạch tưới chỉ tính toán lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng ($ET_0$) và nhu cầu cây trồng ($ET_c$) dựa trên số liệu khí tượng trung bình nhiều năm hoặc ứng với một tần suất tĩnh, dẫn đến sự sai lệch đáng kể so với diễn biến khí tượng thực tế.
  • Các mô hình SCADA nhập ngoại (như trong dự án VWRAP) có chi phí đầu tư và duy tu rất lớn; phần mềm SCADA thu thập dữ liệu vận hành hoàn toàn độc lập với phần mềm tính toán thủy lực - nông học QLVH, khiến cán bộ quản lý không thể xử lý tức thời các biến động về nhu cầu dùng nước.
  • Nhiều hệ thống SCADA tại Việt Nam ở thời điểm nghiên cứu vẫn sử dụng đường truyền điện thoại quay số cố định (PSTN) hoặc sóng UHF cự ly ngắn, dễ nghẽn mạch, trễ tín hiệu, chi phí vận hành cao và không hỗ trợ điều hành qua giao diện web Internet/di động.
  • Chưa có mô hình nào tích hợp khép kín cả 3 nhiệm vụ của đơn vị quản lý khai thác thủy lợi: Quản lý nước thời gian thực, Quản lý tài sản công trình và Quản lý kinh tế/đánh giá hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án tiếp cận đối tượng nghiên cứu dựa trên các lý thuyết nền tảng:

  • Lý thuyết phân tích hệ thống (Systems Analysis): Xem xét hệ thống tưới là một hệ thống lớn phức tạp, phân cấp, đa mục tiêu, bao gồm các thành phần tương tác hữu cơ (nguồn nước, công trình đầu mối, mạng lưới kênh dẫn, mặt ruộng và các hộ dùng nước).
  • Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Criteria Optimization): Thiết lập bài toán quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu nhằm tìm tập nghiệm không bị chi phối (tập nghiệm tối ưu Pareto).
  • Lý thuyết quá trình ngẫu nhiên và chuỗi thời gian: Sử dụng mô hình tự hồi quy tích hợp trung bình trượt thích ứng ARIMA($p, d, q$) để dự báo ngắn hạn các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, bốc hơi, mưa) và mực nước sông.
  • Khung đánh giá hiệu quả (Benchmarking): Kế thừa và cải tiến hệ thống 20 chỉ số đánh giá hiệu quả quản lý khai thác hệ thống tưới theo tiêu chuẩn của IPTRID/ICID và Ngân hàng Thế giới.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật và thực nghiệm:

  1. Phương pháp mô hình hóa toán học:
    • Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch khai thác tối ưu: Xây dựng mô hình toán với 4 hàm mục tiêu đồng thời:
      • Cực đại hóa lợi ích thực thu từ sản xuất nông nghiệp ($F_1 \rightarrow \max$).
      • Cực tiểu hóa tổng lượng nước tưới tiêu thụ toàn vụ ($F_2 \rightarrow \min$).
      • Cực đại hóa diện tích canh tác được cấp nước tưới ($F_3 \rightarrow \max$).
      • Cực tiểu hóa lượng nước thiếu hụt so với nhu cầu sinh trưởng của cây trồng ($F_4 \rightarrow \min$).
    • Mô hình hóa bài toán vận hành thời gian thực: Thiết lập các phương trình cân bằng nước mặt ruộng, cân bằng ẩm tầng đất hoạt động của rễ cây trồng, phương trình tổn thất dọc kênh và phương trình phân phối lưu lượng kênh phân nhánh theo chu kỳ cập nhật dữ liệu hàng ngày.
  2. Phương pháp thuật toán và lập trình:
    • Ứng dụng và phát triển thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu (Multi-objective Differential Evolution - MODE) để giải bài toán tối ưu phi tuyến, xác định các biến quyết định (thời vụ gieo trồng $T_g$, diện tích các loại cây trồng $S_{ct}$, chế độ tưới $M_{ct}$).
    • Xây dựng phần mềm ứng dụng bằng các ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual Basic, kiến trúc cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server, kết hợp phát triển cổng thông tin giao tiếp web trực tuyến (hiendaihoaqlvh.com) theo mô hình điện toán đám mây.
  3. Phương pháp tích hợp phần cứng vi điện tử và viễn thông:
    • Ứng dụng modem vi điều khiển F2164 / F2X64 / F2X14 3G RTU (thiết bị tích hợp chức năng Remote Terminal Unit và modem giao thức Internet IP không dây) kết nối cảm biến đo mực nước siêu âm/áp lực và rơ-le điều khiển máy bơm, cửa cống.
  4. Phương pháp thí nghiệm và thực nghiệm hiện trường:
    • Thu thập số liệu chuỗi thời gian khí tượng thủy văn, số liệu nông nghiệp và kiểm định tính toán trên mô hình thực nghiệm tại Hệ thống tưới Phù Sa (thuộc Công ty TNHH MTV Thủy lợi Sông Tích quản lý, TP. Hà Nội).

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm về nhiệt độ không khí, độ ẩm, lượng bốc hơi Piche, lượng mưa tại trạm khí tượng Sơn Tây / Phù Sa.
  • Số liệu mực nước sông Hồng tại thượng lưu cống Phù Sa và bể xả trạm bơm Phù Sa.
  • Số liệu địa hình, mặt cắt kênh, các thông số cơ lý đất đai (dung trọng, độ ẩm giới hạn, hệ số thấm) vùng Phù Sa.
  • Dữ liệu lịch xả nước vụ Đông Xuân 2013-2014 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Bộ NN&PTNT.
  • Dự toán chi phí xây dựng hệ thống SCADA tại các dự án VWRAP (như tiểu dự án SCADA hồ Yên Lập).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày bức tranh tổng thể về tình hình quản lý vận hành hệ thống tưới trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích chi tiết cơ chế vận hành, ưu điểm và nhược điểm của các mô hình nổi tiếng:

  • Phân tích nhóm mô hình lập kế hoạch và điều khiển bán tự động: INCA, IMSOP, OPDM, CanalMan, IMS, SWAT, RUSTIC, OMIS, CPOIS. Tác giả chỉ ra rằng phần lớn các mô hình này tính toán nhu cầu nước dựa trên giá trị khí tượng trung bình nhiều năm tĩnh và chỉ tối ưu hóa đơn mục tiêu về mặt tài chính hoặc phân phối nước.
  • Phân tích nhóm mô hình SCADA tự động: FQM, EAO, TC/TM, Klamath SCADA, CWMIS, FarmConnect. Nhóm này có ưu thế về giám sát liên tục nhưng phần mềm SCADA bị cô lập khỏi phần mềm tính toán quản lý thủy nông, thiết bị nhập ngoại đắt tiền và khó mở rộng quy mô.
  • Khảo sát các mô hình tại Việt Nam: Đan Hoài, Thạch Nham, Bắc Hưng Hải, IMSOP La Khê, SCADA/MAC Phù Sa, SCADA Ấp Bắc - Nam Hồng, SCADA Gò Công và các dự án SCADA VWRAP (Yên Lập, Kẻ Gỗ, Cầu Sơn - Cấm Sơn, Phú Ninh, Dầu Tiếng).
  • Kết luận chương xác lập 6 chức năng cốt lõi bắt buộc của mô hình hiện đại hóa: (1) Lập kế hoạch khai thác tài nguyên tối ưu; (2) Lập kế hoạch dùng nước; (3) Lập kế hoạch vận hành hệ thống; (4) Giám sát và điều khiển tự động từ xa; (5) Quản lý công trình; (6) Đánh giá hiệu quả quản lý vận hành.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết cấu trúc toán học và quy trình thực hiện nghiên cứu:

  • Xây dựng hệ phương trình toán học mô tả bài toán quy hoạch phi tuyến 4 hàm mục tiêu ($F_1, F_2, F_3, F_4$) cùng các ràng buộc kỹ thuật (cân bằng nước nguồn, năng lực tải của kênh, công suất trạm bơm, quy luật sinh trưởng của cây trồng và giới hạn diện tích đất canh tác).
  • Thiết lập quy trình toán học mô hình hóa bài toán vận hành hệ thống tưới theo thời gian thực (Real-time), tính toán cân bằng ẩm đất từng ngày dựa trên lượng mưa thực đo và bốc thoát hơi dự báo.
  • Thiết lập mô hình chuỗi thời gian ARIMA($p, d, q$) phục vụ dự báo thích nghi các yếu tố khí tượng và mực nước sông trước 1 đến 10 ngày.
  • Thiết lập cấu trúc luồng thông tin truyền thông mạng giữa các trạm đo RTU ngoài hiện trường, máy chủ cơ sở dữ liệu trung tâm OnMIS và giao diện người dùng qua môi trường Internet.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 là chương trọng tâm, trình bày toàn bộ kết quả phát triển công nghệ và thử nghiệm thực tế:

  • Xây dựng phần mềm và thuật toán: Phát triển hoàn chỉnh thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng, thiết kế giao diện phần mềm cho phép nhập thông số đầu vào và kết xuất tập nghiệm tối ưu Pareto phục vụ người ra quyết định lựa chọn phương án phân bổ nước và cơ cấu thời vụ.
  • Bộ công cụ giám sát và điều khiển: Thiết lập cấu hình mạng truyền thông sử dụng thiết bị F2164 3G RTU tích hợp IP Modem. Tác giả chứng minh giải pháp này loại bỏ hoàn toàn nhu cầu dùng đường truyền điện thoại quay số hoặc sóng vô tuyến nội bộ phức tạp, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp về máy chủ qua mạng viễn thông di động.
  • Nền tảng cổng thông tin trực tuyến: Xây dựng website hiendaihoaqlvh.com (chạy trên môi trường điện toán đám mây), cung cấp các module:
    • Giám sát mực nước, độ mở cống, trạng thái bơm trực tuyến.
    • Điều khiển thiết bị từ xa qua giao diện web hoặc tin nhắn SMS.
    • Cơ sở dữ liệu OnMIS quản lý hồ sơ kỹ thuật, bản đồ số hóa công trình thủy lợi, tự động lập lịch duy tu, bảo dưỡng định kỳ.
    • Bộ công cụ tính toán 20 chỉ số hiệu quả quản lý khai thác.
  • Kết quả ứng dụng thử nghiệm tại Hệ thống tưới Phù Sa:
    • Vị trí thử nghiệm: Trạm bơm Phù Sa và cống lấy nước Phù Sa (thị xã Sơn Tây, Hà Nội).
    • Lắp đặt cảm biến siêu âm đo mực nước sông Hồng, mực nước bể xả trạm bơm và thiết bị F2164 RTU điều khiển máy bơm.
    • Thực hiện tính toán tối ưu lịch lấy nước và kế hoạch vận hành trong vụ Đông Xuân 2013-2014 và vụ Chiêm 2014:
Chỉ tiêu tính toán / đánh giá Giá trị thực tế quản lý cũ Kết quả mô hình tối ưu đề xuất Mức độ cải thiện
Tổng lượng nước cấp toàn vụ $28,45 \times 10^6\text{ m}^3$ $23,12 \times 10^6\text{ m}^3$ Tiết kiệm ~18,7% lượng nước
Số giờ vận hành trạm bơm điện 1.820 giờ 1.495 giờ Giảm ~17,8% điện năng tiêu thụ
Hệ số cấp nước đồng đều 0,71 0,86 Tăng tính công bằng phân phối
Thời gian truyền dữ liệu & trễ lệnh 15 - 30 phút (quay số) < 5 giây (IP 3G) Đáp ứng điều hành thời gian thực
  • So sánh kinh tế kỹ thuật hệ thống SCADA: Tác giả tiến hành đối chiếu chi phí xây dựng hệ thống SCADA Yên Lập (theo dự toán của tư vấn quốc tế trong dự án VWRAP) với giải pháp SCADA IP Modem - RTU tự phát triển:
Hạng mục so sánh chi phí Mô hình SCADA VWRAP (Yên Lập) Mô hình SCADA đề xuất (IP RTU) Tỷ lệ chi phí đề xuất / VWRAP
Thiết bị RTU & Modem truyền thông Nhập ngoại trọn gói (Motorola/Siemens) Thiết bị tích hợp IP RTU F2X64 $\approx 22,5%$
Phần mềm SCADA điều khiển Mua bản quyền (LookOut/InTouch) Phần mềm tự lập trình + Web cloud Miễn phí bản quyền nền tảng
Tổng chi phí trực tiếp cho 1 trạm đo/điều khiển 185.000.000 VNĐ 51.500.000 VNĐ $\mathbf{\approx 27,8%}$ (không quá 28%)

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

Theo công bố trong luận án, các đóng góp mới bao gồm:

  1. Đóng góp về mô hình lý thuyết toàn diện: Đề xuất và xây dựng một mô hình mới về hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới có đầy đủ các chức năng hỗ trợ và thực hiện đồng thời cả 3 nhiệm vụ của công ty QLKT CTTL: Quản lý nước theo số liệu quan trắc thời gian thực (bao gồm giám sát, điều khiển tự động từ xa và thủ công), Quản lý công trình và Quản lý kinh tế.
  2. Đóng góp về phương pháp toán và thuật toán tối ưu: Đề xuất cơ sở khoa học và xây dựng thuật toán, phần mềm lập kế hoạch khai thác tối ưu đa mục tiêu giải bằng phương pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng, giải quyết đồng thời 4 hàm mục tiêu cạnh tranh: Cực đại lợi ích thực thu, Cực tiểu tổng lượng nước tưới, Cực đại diện tích đất canh tác được phục vụ và Cực tiểu mức độ thiếu hụt nước (giảm thiểu suy giảm năng suất cây trồng).
  3. Đóng góp về giải pháp công nghệ thông tin và truyền thông: Xây dựng hoàn chỉnh bộ công cụ quản lý vận hành trực tuyến gồm website hiendaihoaqlvh.com, phần mềm tính toán QLVH & GS&ĐK kết hợp hệ thống cơ sở dữ liệu đám mây OnMIS, hỗ trợ người điều hành thực hiện giám sát và điều khiển hệ thống tưới từ xa qua mạng Internet hoặc điện thoại di động mọi lúc, mọi nơi.
  4. Đóng góp về cải tiến công nghệ SCADA chi phí thấp: Cải tiến và phát triển giải pháp công nghệ SCADA (IP Modem - RTU F2X64) kết nối mạng di động băng rộng và Internet, giúp hạ giá thành xây dựng trực tiếp xuống dưới mức 28% so với các mô hình SCADA nhập ngoại đang triển khai tại Việt Nam, đồng thời cung cấp nền tảng web miễn phí để các công ty quản lý thủy nông có thể từng bước số hóa ngay cả khi hệ thống đang vận hành thủ công.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng các cơ quan quản lý chuyên ngành phổ biến, ứng dụng mô hình và nền tảng web hiendaihoaqlvh.com vào việc triển khai Đề án 784 về "Nâng cao hiệu quả quản lý khai thác công trình thủy lợi hiện có".
  • Đề xuất các công ty khai thác công trình thủy lợi áp dụng lộ trình hiện đại hóa từng bước: Bắt đầu từ số hóa cơ sở dữ liệu công trình và cập nhật dữ liệu quan trắc thủ công lên web, sau đó lắp đặt thiết bị IP RTU giám sát tự động tại các đầu mối xung yếu, tiến tới điều khiển tự động hóa toàn bộ hệ thống từ xa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và các giới hạn kỹ thuật được tác giả xác định trong văn bản luận án:

  • Mô hình chưa tích hợp giải quyết bài toán tiêu nước và mối quan hệ tương tác hai chiều giữa tưới và tiêu trong các vùng trũng đồng bằng.
  • Chưa áp dụng đối với các hệ thống tưới bán tự chảy chịu tác động của thủy triều và hiện tượng xâm nhập mặn ven biển.
  • Chưa tích hợp tính toán nguồn nước tận dụng nội đồng (nước hồi quy từ ruộng lúa, nước ao hồ, kênh tiêu) thông qua các trạm bơm cục bộ dã chiến.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng thuật toán để giải quyết bài toán điều hành liên hồ chứa phục vụ hệ thống tưới và tích hợp các dữ liệu viễn thám không gian độ phân giải cao vào mô hình cân bằng ẩm đất mặt ruộng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy lợi, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp mô hình hóa quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu bằng thuật toán tiến hóa sai phân, mô hình chuỗi thời gian ARIMA trong thủy văn và nguyên lý tích hợp hệ thống SCADA chi phí thấp trên nền web/di động.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tại các Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thủy lợi: Tham khảo quy trình tính toán kế hoạch phân phối nước thời gian thực, cách thức triển khai thiết bị IP RTU điều khiển trạm bơm/cống và hệ thống 20 chỉ số đánh giá hiệu quả khai thác (Benchmarking).
  • Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thuộc ngành Nông nghiệp và PTNT: Tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và định mức đầu tư cho các dự án hiện đại hóa quản lý thủy nông, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các gói thầu công nghệ nhập ngoại đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết bài toán lập kế hoạch khai thác tối ưu dựa trên những hàm mục tiêu nào?

Luận án thiết lập mô hình toán quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu nhằm đạt được đồng thời 4 hàm mục tiêu:

  1. Cực đại hóa tổng lợi ích thực thu từ sản xuất nông nghiệp ($F_1 \rightarrow \max$).
  2. Cực tiểu hóa tổng lượng nước tưới cần phân phối toàn vụ ($F_2 \rightarrow \min$).
  3. Cực đại hóa tổng diện tích đất canh tác được cấp nước tưới ($F_3 \rightarrow \max$).
  4. Cực tiểu hóa lượng nước thiếu hụt so với nhu cầu sinh trưởng của cây trồng, tương đương với việc hạn chế tối đa mức suy giảm năng suất ($F_4 \rightarrow \min$).

2. Sự khác biệt cốt lõi giữa giải pháp SCADA đề xuất trong luận án và các mô hình SCADA của Dự án VWRAP là gì?

Các mô hình SCADA trong dự án VWRAP (như BCEOM1, BCEOM2, HASKONING, BRLI) sử dụng thiết bị nhập ngoại trọn gói đắt tiền, truyền thông bằng đường điện thoại cố định hoặc sóng vô tuyến nội bộ, phần mềm SCADA vận hành độc lập hoàn toàn với phần mềm quản lý thủy nông và không hỗ trợ điều hành qua Internet. Ngược lại, giải pháp của luận án sử dụng thiết bị vi điều khiển tích hợp IP Modem F2X64 RTU kết nối trực tiếp qua mạng di động 3G/4G và Internet, phần mềm SCADA được lồng ghép thống nhất với phần mềm QLVH trên nền web hiendaihoaqlvh.com, giúp tổng chi phí đầu tư trực tiếp giảm xuống dưới 28% so với SCADA VWRAP.

3. Mô hình dự báo nào được tác giả sử dụng để khắc phục nhược điểm của việc dùng số liệu khí tượng trung bình nhiều năm?

Tác giả ứng dụng mô hình chuỗi thời gian tự hồi quy tích hợp trung bình trượt thích ứng ARIMA($p, d, q$) để xử lý số liệu quan trắc thực tế hàng ngày, từ đó dự báo thích nghi các yếu tố khí tượng (nhiệt độ không khí, độ ẩm, bốc hơi, lượng mưa) và mực nước sông trước từ 1 đến 10 ngày phục vụ điều chỉnh kế hoạch vận hành thời gian thực.

4. Hệ thống tưới nào được chọn làm địa bàn thử nghiệm thực tế và kết quả cụ thể ra sao?

Hệ thống tưới Phù Sa (thuộc Công ty TNHH MTV Thủy lợi Sông Tích quản lý, thị xã Sơn Tây, Hà Nội) được chọn làm địa bàn thử nghiệm. Tại đây, tác giả đã lắp đặt cảm biến đo mực nước sông Hồng, mực nước bể xả và thiết bị IP RTU F2164 tại trạm bơm Phù Sa. Kết quả tính toán và vận hành thực nghiệm trong vụ Đông Xuân 2013-2014 và vụ Chiêm 2014 giúp tiết kiệm 18,7% tổng lượng nước tưới, giảm 17,8% thời gian vận hành máy bơm điện, tăng hệ số phân phối nước đồng đều từ 0,71 lên 0,86 và giảm thời gian trễ truyền tín hiệu điều khiển xuống dưới 5 giây.

Kết luận

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật của tác giả Ngô Đăng Hải đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp giữa lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, mô hình dự báo khí tượng thích nghi và công nghệ điều khiển SCADA trên nền tảng web trong quản lý khai thác hệ thống tưới. Công trình đã đưa ra mô hình toán 4 hàm mục tiêu giải bằng thuật toán tiến hóa sai phân và phát triển thành công giải pháp SCADA IP Modem - RTU truyền thông qua Internet/mạng di động với chi phí thấp (chỉ bằng dưới 28% so với công nghệ nhập ngoại). Kết quả kiểm chứng thực tế tại Hệ thống tưới Phù Sa đã chứng minh tính khả thi, hiệu quả tiết kiệm nước và năng lượng của mô hình, tạo tiền đề khoa học và công nghệ phục vụ công cuộc hiện đại hóa ngành thủy lợi Việt Nam.