Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang tác động sâu sắc đến hệ thống thủy văn và tài nguyên nước tại Việt Nam. Theo báo cáo đánh giá mức độ tổn thương của tổ chức Maplecroft công bố năm 2013, Việt Nam xếp hạng 26 trên toàn thế giới về mức độ rủi ro nghiêm trọng trước các hiện tượng thời tiết cực đoan. Trong bức cảnh đó, sự biến động lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực sông lớn không chỉ đe dọa trực tiếp đến an ninh nguồn nước mà còn ảnh hưởng nặng nề đến hoạt động sản xuất nông nghiệp, vận tải thủy và vận hành hồ chứa thủy điện.

Trong lĩnh vực khai phá dữ liệu và học máy, bài toán dự báo chuỗi thời gian truyền thống phần lớn tập trung vào dự báo đơn bước, tức là ước lượng giá trị cho một thời điểm kế tiếp. Tuy nhiên, trong công tác quản lý tài nguyên nước thực tế, việc dự báo dòng chảy cho nhiều bước tiếp theo trong tương lai có ý nghĩa thực tiễn vượt trội, giúp các cơ quan quản lý chủ động lên kế hoạch điều tiết lũ và trữ nước cho 7 ngày, 30 ngày hoặc 12 tháng tới. Dự báo nhiều bước là một thách thức lớn do chuỗi dữ liệu thủy văn sở hữu dung lượng lớn, chứa đựng tính phi tuyến phức tạp, thành phần mùa vụ rõ rệt và nguy cơ tích lũy sai số tăng vọt theo thời gian dự báo.

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu, hiện thực hóa và đánh giá thực nghiệm mô hình thuật toán k-lân cận gần nhất kết hợp 5 chiến lược dự báo nhiều bước hiện đại, đồng thời tích hợp kỹ thuật xác định phần tử giả lân cận gần nhất để tái cấu trúc không gian pha. Nghiên cứu thực hiện đánh giá toàn diện trên 4 tập dữ liệu quan trắc thực tế tại Việt Nam: 2 tập dữ liệu chuỗi ngày trên sông Sêrêpôk thuộc tỉnh Đắk Lắk thu thập trong giai đoạn 1990 đến 2011 (với hơn 7.600 mẫu quan trắc), 1 tập dữ liệu chuỗi tháng trên sông Bé thuộc tỉnh Bình Dương giai đoạn 1976 đến 1993 (gần 204 tháng), và 1 tập dữ liệu chuỗi tháng trên sông Lô thuộc tỉnh Hà Giang giai đoạn 1966 đến 1985 (gần 228 tháng). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng vững chắc thông qua các chỉ số sai số chuẩn hóa, hỗ trợ đắc lực cho công tác dự báo thủy văn và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân tích chuỗi thời gian phi tuyến kết hợp với lý thuyết tái cấu trúc không gian pha nhúng và thuật toán học máy phi tham số. Cụ thể, khung lý thuyết bao gồm ba trụ cột chính:

Thứ nhất, lý thuyết phân tích chuỗi thời gian: Chuỗi dữ liệu quan trắc thủy văn được mô hình hóa dưới dạng tập hợp các biến ngẫu nhiên theo trình tự thời gian, bao gồm 4 thành phần cơ bản: thành phần xu thế, thành phần chu kỳ, thành phần mùa vụ và thành phần biến đổi bất thường ngẫu nhiên. Việc phân tách và nắm bắt các đặc trưng mùa vụ có vai trò quyết định trong việc giảm thiểu sai số ngoại lai.

Thứ hai, lý thuyết tái cấu trúc không gian pha và kỹ thuật phần tử giả lân cận gần nhất: Dựa trên định lý nhúng, hệ thống động học thủy văn được phục hồi trong không gian pha nhiều chiều thông qua việc xác định độ trễ thời gian bằng hàm tự tương quan (khi hệ số tương quan giảm xuống dưới ngưỡng 1 trừ 1 chia e, tương ứng giá trị trễ bằng 7) và xác định số chiều nhúng tối ưu bằng thuật toán giả lân cận gần nhất với ngưỡng sai số quy định lớn hơn hoặc bằng 10. Kỹ thuật này giúp loại bỏ các điểm lân cận giả phát sinh do phép chiếu thiếu chiều, đảm bảo không gian tái cấu trúc phản ánh trung thực bản chất động lực học của dòng chảy.

Thứ ba, thuật toán k-lân cận gần nhất và các chiến lược dự báo nhiều bước: Thuật toán k-lân cận gần nhất tính toán khoảng cách hình học Euclid giữa vector mẫu đầu vào có độ dài xác định và toàn bộ các vector lịch sử để chọn ra k lân cận có khoảng cách ngắn nhất, từ đó suy biến giá trị dự báo dựa trên trung bình cộng của các bước tương ứng. Luận văn triển khai 5 chiến lược dự báo bao gồm:

  1. Chiến lược lặp: Sử dụng một mô hình duy nhất dự báo từng bước và lấy kết quả dự báo làm đầu vào cho bước kế tiếp.
  2. Chiến lược trực tiếp: Xây dựng các mô hình độc lập cho từng bước dự báo trong tương lai nhằm loại trừ sự tích lũy sai số.
  3. Chiến lược kết hợp trực tiếp và đệ quy: Huấn luyện mô hình riêng cho từng bước nhưng mở rộng vector đầu vào bằng các giá trị đã dự báo ở các bước trước.
  4. Chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra: Huấn luyện một mô hình vector duy nhất để xuất đồng thời toàn bộ các giá trị dự báo cho các bước tương lai, duy trì trọn vẹn cấu trúc phụ thuộc ngẫu nhiên giữa các biến.
  5. Chiến lược kết hợp trực tiếp và nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra: Chia chân trời dự báo thành các khối độc lập và áp dụng kiến trúc nhiều ngõ ra cho từng khối.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm khoa học nghiêm ngặt kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng số trên dữ liệu quan trắc thực địa.

Về nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Luận văn sử dụng 4 bộ dữ liệu chuỗi thời gian thực tế với tổng thời gian quan trắc trải dài hơn 50 năm trên các hệ thống sông trọng điểm. Cỡ mẫu cụ thể gồm:

  • Dữ liệu trạm Buôn Hồ trên sông Sêrêpôk: 21 năm quan trắc liên tục theo ngày (từ năm 1990 đến năm 2011) với quy mô hơn 7.600 quan sát.
  • Dữ liệu trạm Cầu 14 trên sông Sêrêpôk: 21 năm quan trắc liên tục theo ngày (từ năm 1990 đến năm 2011) với quy mô hơn 7.600 quan sát.
  • Dữ liệu trạm Phước Hòa trên sông Bé: 17 năm quan trắc theo tháng (từ năm 1976 đến năm 1993) với 204 mẫu dữ liệu.
  • Dữ liệu trạm Chiêm Hóa trên sông Lô: 19 năm quan trắc theo tháng (từ năm 1966 đến năm 1985) với 228 mẫu dữ liệu.

Về phương pháp chọn mẫu và tiền xử lý: Toàn bộ chuỗi số liệu được làm sạch, kiểm tra tính nhất quán, xử lý các điểm dữ liệu khuyết thiếu và chuẩn hóa thang đo. Mẫu huấn luyện và mẫu kiểm thử được phân chia theo trình tự thời gian liên tục nhằm bảo toàn mối tương quan nối tiếp tự nhiên của chuỗi thủy văn.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Thuật toán k-lân cận gần nhất thuộc nhóm mô hình học cục bộ không tham số, có khả năng xấp xỉ các bề mặt phi tuyến phức tạp mà không cần đặt ra các giả định phân phối khắt khe như các mô hình hồi quy tuyến tính cổ điển. Việc kết hợp gói công cụ phân tích chuỗi thời gian Tisean để tính toán chiều nhúng và loại trừ lân cận giả cho phép tối ưu hóa không gian biểu diễn dữ liệu trước khi đưa vào mô hình dự báo. Hiệu năng của các mô hình được định lượng chính xác qua hệ thống chỉ tiêu sai số gồm: Sai số bình phương trung bình (MSE), Sai số phần trăm tuyệt đối trung bình (MAPE), Độ lệch tuyệt đối trung bình (MAD) và Căn bậc hai của sai số bình phương trung bình (RMSE).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đa dạng trên 4 tập dữ liệu với các chân trời dự báo khác nhau (7 ngày, 30 ngày, 11 tháng và 12 tháng) đã mang lại các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, đối với tập dữ liệu có kích thước nhỏ và tần suất đo theo tháng (trạm Phước Hòa trên sông Bé với 12 bước dự báo và trạm Chiêm Hóa trên sông Lô với 11 bước dự báo), chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra mang lại độ chính xác cao nhất. Cấu trúc học vector đồng thời của mô hình giúp bảo toàn cấu trúc tương quan ngẫu nhiên giữa các tháng, giảm thiểu tình trạng quá khớp thường gặp trên tập mẫu hạn chế.

Thứ hai, đối với tập dữ liệu lớn với tần suất đo theo ngày (trạm Buôn Hồ và trạm Cầu 14 trên sông Sêrêpôk) khi dự báo trong ngắn hạn 7 bước (tương đương 1 tuần), chiến lược kết hợp trực tiếp và đệ quy thể hiện tính ưu việt rõ rệt. Chiến lược này giúp giảm chỉ số sai số MSE và MAPE khoảng 15% đến 22% so với chiến lược lặp truyền thống nhờ việc liên tục mở rộng không gian biến đầu vào có chọn lọc.

Thứ ba, đối với tập dữ liệu lớn khi mở rộng chân trời dự báo dài hạn lên 30 bước (tương đương 1 tháng), hai chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra và chiến lược kết hợp trực tiếp - đa ngõ ra đạt hiệu quả dự báo vượt trội nhất. Trong khi chiến lược lặp bị suy giảm độ chính xác nghiêm trọng do sai số tích lũy tăng theo cấp số nhân qua 30 bước, các chiến lược đa ngõ ra giữ vững độ ổn định với mức sai số MAPE được kiểm soát chặt chẽ.

Thứ tư, việc tích hợp kỹ thuật giả lân cận gần nhất để tái cấu trúc không gian pha giúp loại bỏ triệt để các lân cận ảo. Đối với chiến lược lặp, việc áp dụng không gian tái cấu trúc chuẩn hóa giúp giảm sai số dự báo từ 10% đến 18% trên các tập dữ liệu thử nghiệm so với khi chạy trên không gian dữ liệu thô ban đầu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm phản ánh trung thực bản chất toán học và cơ chế vận hành của từng chiến lược dự báo. Điểm yếu cố hữu của chiến lược lặp là hiện tượng lan truyền sai số: khi một bước dự báo ban đầu xuất hiện độ lệch, giá trị sai lệch này trở thành biến đầu vào cho các bước tiếp theo, khiến quỹ đạo dự báo phân kỳ nhanh chóng khỏi chuỗi thực tế. Ngược lại, chiến lược trực tiếp dù tránh được tích lũy sai số nhưng lại bỏ qua tính phụ thuộc có điều kiện giữa các bước tương lai, dẫn đến việc ước lượng rời rạc thiếu mượt mà.

Chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra và chiến lược kết hợp trực tiếp - đa ngõ ra đã khắc phục triệt để hai nhược điểm trên bằng cách giải bài toán tối ưu hóa vector đầu ra, duy trì toàn vẹn tính tương quan ngẫu nhiên của chuỗi thủy văn. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công trình nghiên cứu quốc tế của Ben Taieb và Bontempi về ưu thế của mô hình nhiều ngõ ra trong dự báo chuỗi thời gian dài hạn.

Trong báo cáo phân tích, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa sinh động thông qua hệ thống bảng xếp hạng sai số đa tiêu chí (Bảng so sánh MSE và MAPE cho 7 bước, 12 bước, 30 bước) và các biểu đồ đường đối chiếu giữa lưu lượng thực tế đo đạc và đường cong dự báo của từng chiến lược. Biểu đồ trực quan cho thấy rõ đường dự báo của chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra và chiến lược kết hợp trực tiếp - đa ngõ ra bám sát các đỉnh lũ và chu kỳ kiệt của dòng sông, trong khi đường dự báo của chiến lược lặp bị phẳng hóa và trễ pha đáng kể ở các bước dự báo xa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tiễn của các mô hình dự báo chuỗi thời gian trong quản lý lưu vực sông và ứng phó biến đổi khí hậu, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình tiền xử lý chuỗi dữ liệu thủy văn bằng kỹ thuật tái cấu trúc không gian pha: Các cơ quan chuyên trách cần áp dụng thuật toán giả lân cận gần nhất và phân tích hàm tự tương quan để xác định chính xác số chiều nhúng và độ trễ thời gian cho từng trạm quan trắc. Đích đến là giảm thiểu ít nhất 15% sai số ngoại lai trong các mô hình thủy văn trước quý 4 năm 2025, do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tích hợp linh hoạt các chiến lược dự báo đa ngõ ra vào hệ thống điều hành thông minh: Cần áp dụng chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra cho các chuỗi dữ liệu quan trắc tháng và chiến lược kết hợp trực tiếp - đa ngõ ra cho chuỗi dự báo ngày từ 15 đến 30 ngày. Đặt mục tiêu nâng tỷ lệ dự báo chính xác lưu lượng dòng chảy đạt trên 85% trong giai đoạn 2025 đến 2027, do Bộ Tài nguyên và Môi trường chỉ đạo triển khai.

Thứ ba, ứng dụng chiến lược kết hợp trực tiếp và đệ quy cho bài toán điều tiết hồ chứa ngắn hạn: Thiết lập hệ thống hỗ trợ ra quyết định xả lũ và tích nước cho các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Sêrêpôk với chu kỳ dự báo 7 ngày. Mục tiêu tối ưu hóa 90% hiệu suất phát điện và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hạ du trong mùa mưa bão, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam và các công ty thủy điện địa phương vận hành từ năm 2025.

Thứ tư, hiện đại hóa hạ tầng thu thập dữ liệu thủy văn thời gian thực: Đầu tư nâng cấp hệ thống trạm đo tự động ứng dụng cảm biến IoT tại các lưu vực sông Bé, sông Lô và sông Sêrêpôk nhằm cung cấp dòng dữ liệu sạch liên tục với tần suất cao, khống chế tỷ lệ mất mát dữ liệu dưới 2% trước năm 2026, do Ủy ban Nhân dân các tỉnh liên quan phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu chuyên ngành Khoa học Máy tính, Trí tuệ Nhân tạo và Khoa học Dữ liệu: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về thuật toán, kiến trúc hệ thống và mã nguồn thực nghiệm cho bài toán dự báo chuỗi thời gian đa bước sử dụng mô hình học cục bộ và kỹ thuật không gian pha.

Thứ hai, chuyên gia phân tích và kỹ sư ngành Thủy văn, Môi trường và Biến đổi Khí hậu: Nắm bắt phương pháp luận hiện đại để chuyển đổi chuỗi số liệu thủy văn truyền thống sang không gian động lực học nhiều chiều, từ đó ứng dụng xây dựng mô hình dự báo dòng chảy sông ngòi có độ chính xác cao.

Thứ ba, ban quản lý hồ chứa thủy điện, công trình thủy lợi và các kỹ sư vận hành lưu vực: Khai thác kết quả so sánh giữa các chiến lược dự báo ngắn hạn 7 ngày và dài hạn 30 ngày để xây dựng quy trình tích nước, xả lũ và điều phối tài nguyên nước tối ưu theo từng mùa trong năm.

Thứ tư, cán bộ quản lý tại các cơ quan hoạch định chính sách nông nghiệp, giao thông đường thủy và phòng chống thiên tai: Sử dụng các kịch bản dự báo lưu lượng dòng chảy làm căn cứ khoa học định lượng để lập kế hoạch ứng phó xâm nhập mặn, hạn hán và phát triển kinh tế lưu vực sông bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bài toán dự báo nhiều bước lại khó hơn rất nhiều so với dự báo một bước? Dự báo nhiều bước phức tạp hơn vì mô hình phải đối mặt với hiện tượng tích lũy sai số theo thời gian và sự suy giảm tương quan với dữ liệu quá khứ. Trong phương pháp lặp, sai số của ngày đầu tiên sẽ bị khuếch đại liên tục qua 30 bước dự báo, làm mất đi tính chính xác của toàn bộ chuỗi kết quả.

Thuật toán k-lân cận gần nhất có ưu điểm gì trong dự báo chuỗi thời gian thủy văn? Thuật toán k-lân cận gần nhất là phương pháp học cục bộ phi tham số, không đòi hỏi giả định về phân phối xác suất của dữ liệu. Thuật toán này có khả năng nắm bắt hiệu quả các quy luật phi tuyến phức tạp của dòng chảy thông qua việc so trùng hình học giữa các chuỗi dữ liệu trong quá khứ.

Kỹ thuật giả lân cận gần nhất đóng vai trò cụ thể như thế nào trong mô hình? Kỹ thuật giả lân cận gần nhất giúp xác định chính xác số chiều nhúng tối thiểu của không gian pha để ξε lấp các điểm lân cận ảo. Khi tăng số chiều không gian từ d lên d cộng 1, các điểm trùng lặp giả tạo do phép chiếu thiếu chiều sẽ bị loại bỏ hoàn toàn, giúp mô hình chọn đúng các lân cận thực chất.

Khi nào nên ưu tiên sử dụng chiến lược nhiều ngõ ra thay vì chiến lược kết hợp trực tiếp - đệ quy? Chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra nên được ưu tiên khi tập dữ liệu có quy mô nhỏ (như chuỗi quan trắc tháng trên sông Bé, sông Lô) hoặc khi cần dự báo dài hạn (30 bước trên sông Sêrêpôk). Kiến trúc này giúp bảo toàn mối liên hệ ngẫu nhiên giữa các đầu ra mà không làm bùng nổ sai số tích lũy.

Làm cách nào để xác định số lượng lân cận k tối ưu cho mô hình dự báo? Giá trị k tối ưu được xác định thông qua quy trình thử nghiệm lưới tham số kết hợp đánh giá kiểm thử chéo trên tập dữ liệu lịch sử. Giá trị k mang lại chỉ số sai số bình phương trung bình và sai số phần trăm tuyệt đối trung bình nhỏ nhất trên tập kiểm thử sẽ được lựa chọn làm tham số chuẩn.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán dự báo nhiều bước lưu lượng nước trên sông thông qua việc so sánh thực nghiệm chuyên sâu 5 chiến lược dự báo hiện đại dựa trên mô hình k-lân cận gần nhất.
  • Chứng minh thành công tính ưu việt vượt trội của chiến lược nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra trên tập dữ liệu nhỏ và chiến lược kết hợp trực tiếp - đệ quy cùng đa ngõ ra trên tập dữ liệu lớn với các khung dự báo từ 7 đến 30 bước.
  • Khẳng định vai trò thiết yếu của kỹ thuật xác định phần tử giả lân cận gần nhất trong việc tối ưu hóa không gian pha và loại bỏ sai số ngoại lai cho mô hình thủy văn.
  • Cung cấp cơ sở thực nghiệm định lượng chi tiết trên 4 tập dữ liệu quan trắc thực tế tại sông Sêrêpôk, sông Bé và sông Lô, phục vụ trực tiếp công tác quản lý tài nguyên nước.
  • Mở ra hướng nghiên cứu mới về việc tích hợp mô hình k-lân cận gần nhất với các mạng nơ-ron học sâu và mô hình hồi quy vector hỗ trợ trong giai đoạn 2025 đến 2026.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư dữ liệu và chuyên gia quản lý tài nguyên nước hãy ứng dụng ngay khung phương pháp luận dự báo nhiều bước này vào hệ thống quan trắc và điều hành thủy văn để nâng cao năng lực ứng phó thiên tai và thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu.