Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại các giàn khoan khai thác dầu khí ngoài khơi (điển hình như tại Biển Đông POC), các cụm thiết bị như tời khoan (drawworks), máy bơm (pumps), bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng nước biển (seawater cooling exchangers), gioăng khí khô (dry gas seals) đóng vai trò then chốt trong chu trình khai thác khí tự nhiên. Do điều kiện hải văn và địa chất khắc nghiệt, khoảng cách xa đất liền và việc truyền tải điện công nghiệp trực tiếp bị hạn chế, các hệ thống thiết bị này phụ thuộc lớn vào nguồn năng lượng dự phòng tại chỗ là hệ thống lưu trữ pin Lithium-ion (Lithium-ion Battery Storage System - LiB).

Thực tế vận hành cho thấy việc điều phối nguồn pin phần lớn được thực hiện thủ công thông qua các phiếu yêu cầu cấp năng lượng (energy supply orders). Phương thức thủ công này bộc lộ nhiều bất cập khi đối mặt với sự cố ngẫu nhiên của thiết bị, nhu cầu phụ tải biến thiên liên tục và số lượng tế bào pin (battery cells) lên tới hàng nghìn đơn vị. Các giải pháp truyền thống như sắp xếp ngẫu nhiên, ưu tiên cố định, đến trước - phục vụ trước (FIFO) hoặc hàng đợi đơn giản thường dẫn đến tắc nghẽn cấp phát, gián đoạn hoạt động của thiết bị quan trọng hoặc gây suy giảm tuổi thọ pin do phân bổ không đồng đều.

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Hoàng Hải đặt ra hai nhiệm vụ trọng tâm:

  1. Nhiệm vụ 1: Thiết lập cấu trúc lập lịch cụ thể nhằm đảm bảo các thiết bị trên giàn khoan không bị ngừng hoạt động đột ngột hoặc lỡ chu kỳ nạp xả định kỳ.
  2. Nhiệm vụ 2: Điều chỉnh động lược đồ lập lịch để thích ứng với nhu cầu của từng thiết bị, tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên pin sẵn có dựa trên các ràng buộc kỹ thuật.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán lập lịch cấp nguồn đa mục tiêu cho hệ thống thiết bị giàn khoan dầu khí ngoài khơi, sử dụng dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu mô phỏng từ hoạt động thực tế tại Biển Đông POC trong giai đoạn từ tháng 01/2022 đến tháng 06/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Objective Optimization Problem - MOOP) và giải thuật di truyền sắp xếp không bị thống trị thế hệ 2 (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II - NSGA-II). Không gian nghiệm tối ưu được xác định qua tập tối ưu Pareto (Pareto-optimal set) và biên Pareto (Pareto frontier), sử dụng thuật toán xác định biên tối đa tập vector của H. Kung et al. kết hợp khoảng cách tập trung (crowding distance) để duy trì tính đa dạng của quần thể.

Hệ thống được mô hình hóa toán học qua các tập hợp và quan hệ ánh xạ:

Tập hợp Ký hiệu phần tử Ánh xạ / Không gian Mô tả chi tiết
Yêu cầu cấp nguồn ($S$) $s_i \in \mathbb{N}$ $S = {s_1, s_2, \dots, s_i}$ Tập hợp các lệnh yêu cầu cấp năng lượng từ thiết bị.
Khoảng thời gian ($E$) $e_i \in \mathbb{N}$ $E = {e_1, e_2, \dots, e_i}$ Ước lượng thời lượng thực thi của từng lệnh cấp nguồn.
Bộ dữ liệu yêu cầu ($\xi$) $(s_i, e_i)$ $\xi \subseteq S \times E$ Cặp quan hệ thứ tự giữa yêu cầu và thời lượng.
Loại thiết bị ($D$) $d_j \in \mathbb{N}$ $f_{dev}(\xi) \to D$ Danh mục các thiết bị trên giàn khoan yêu cầu cấp nguồn.
Loại pin ($B$) $b_k \in \mathbb{N}$ $f_{bat}(\xi) \to B$ Các chủng loại pin Lithium-ion sẵn có trong hệ thống.
Trục thời gian ($T$) $t_n \in \mathbb{N}$ $T = {t_1, t_2, \dots, t_n}$ Trục thời gian lịch trình (ngày/thời điểm lập lịch).
Số lượng pin ($Z$) $z_\gamma^{ijkn} \in \mathbb{N}$ $f_{sup}(\xi, D, B, T) \to Z$ Số lượng pin loại $b_k$ cấp cho thiết bị $d_j$ tại thời điểm $t_n$.
Tài nguyên pin ($R$) $r_{jkn}$ $R = D \times B \times T$ Giới hạn số lượng pin khả dụng theo từng loại và ngày.

Mục tiêu tối ưu hóa được xác định là tối đa hóa tổng số lượng pin $\chi$ cấp phát hợp lệ cho các thiết bị: $$\max \chi = \sum_{i=1}^{|\xi|} \sum_{j=1}^{|D|} \sum_{k=1}^{|B|} \sum_{n=1}^{|T|} \sum_{\gamma=1}^{|Z|} z_\gamma^{ijkn}$$

Hệ thống tuân thủ các ràng buộc:

  • Ràng buộc cứng 1 (Thời gian): Thời điểm lập lịch phải nằm trong khung thời gian hợp lệ: $f_{diff}(s_i, e_i) \le f_{dur}(s_i, e_i)$.
  • Ràng buộc cứng 2 (Tài nguyên): Số lượng pin phân bổ không vượt quá tài nguyên khả dụng: $f_{sup}((s_i, e_i), d_j, b_k, t_n) \le f_{res}(d_j, b_k, t_n)$.
  • Ràng buộc mềm: Khoảng cách thời gian giữa hai yêu cầu liên tiếp tiệm cận 0 ($f_{diff}(s_i, e_i) - f_{diff}(s_{i-1}, e_{i-1}) \to 0$) nhằm hạn chế xung đột và tối ưu hóa thời gian chờ.

Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế thuật toán tiến hóa kết hợp thực nghiệm mô phỏng số. Dữ liệu đầu vào gồm hai bộ dữ liệu: lệnh cấp nguồn nguồn đơn (single-source supply orders), lệnh cấp nguồn chuyển đổi đa nguồn (switchable multi-source supply orders) và bộ dữ liệu giới hạn tài nguyên (resource dataset).

Thiết kế và triển khai thuật toán PMSBX-NSGA-II

Thuật toán đề xuất PMSBX-NSGA-II là biến thể nâng cao của NSGA-II, được thiết kế đặc thù cho bài toán cấp nguồn chuyển đổi đa nguồn với 5 giai đoạn cốt lõi:

Thành phần kỹ thuật NSGA-II truyền thống PMSBX-NSGA-II đề xuất Ý nghĩa kỹ thuật
Mã hóa nhiễm sắc thể Chuỗi nhị phân (bit-string encoding) Biểu diễn tham số thực (real-parameter representation) Giảm độ dài chuỗi mã hóa, tương thích trực tiếp với dữ liệu số thực của lệnh cấp nguồn.
Toán tử lai ghép Lai ghép điểm đơn/điểm kép ngẫu nhiên Lai ghép nhị phân mô phỏng (Simulated Binary Crossover - SBX) Kiểm soát phân phối xác suất của nghiệm con xung quanh nghiệm cha mẹ, tăng tốc độ hội tụ.
Toán tử đột biến Đảo bit ngẫu nhiên (bit-flipping) Đột biến đa thức (Polynomial Mutation - PM) Tạo ra các biến thiên liên tục theo phân phối đa thức, mở rộng không gian tìm kiếm cục bộ mà không phá vỡ cấu trúc nghiệm.
Kiểm soát nghiệm con Phụ thuộc hoàn toàn vào tính ngẫu nhiên Điều chỉnh giải tích qua chỉ số phân phối $\eta_c$ và $\eta_m$ Thu hẹp hoặc mở rộng biên độ tìm kiếm theo từng thế hệ tiến hóa.

Cấu trúc luồng dữ liệu của mô hình gồm:

  • Đầu vào nguồn đơn (Single-source input): Chuỗi định dạng gồm SUPPLY ID, PRIORITY, START DATE, ENDING DATE, ESTIMATED DURATION, DEVICE TYPE, BATTERY TYPE.
  • Đầu vào chuyển đổi đa nguồn (Multi-source input): Mở rộng trường BATTERY TYPE thành danh sách các loại pin tương thích mà thiết bị có thể tiếp nhận thay thế.
  • Đầu ra (Output schedule): Cung cấp lịch biểu chi tiết gồm SUPPLY ID, START DATE, ENDING DATE, SCHEDULED DATE, ROUTINE, BATTERY TYPE, NUMBER OF BATTERIES.

Nội dung chính theo từng chương

Chương A: Project introduction (Tổng quan dự án)

Trình bày tổng quan về hệ thống phân phối năng lượng tại các giàn khoan dầu khí ngoài khơi, phân tích tầm quan trọng của việc duy trì ổn định nguồn pin Li-ion cho các thiết bị khai thác. Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc chuyển đổi từ quy trình cấp phát thủ công sang tự động hóa lập lịch, xác định phạm vi nghiên cứu, các mục tiêu kỹ thuật và đóng góp của đề tài trong việc mở rộng nghiên cứu trước đây của Triet Le et al. (2020).

Chương B: Preliminaries (Kiến thức cơ sở và mô hình hóa bài toán)

Thiết lập các định nghĩa toán học chuẩn tắc cho bài toán lập lịch cấp nguồn, bao gồm cấu trúc dữ liệu của các phiếu yêu cầu cấp năng lượng, định nghĩa các tập hợp, hàm ánh xạ, ràng buộc cứng và ràng buộc mềm. Đồng thời, chương trình bày chi tiết nền tảng giải thuật di truyền (GA), định lý lược đồ (Schema Theorem), tối ưu hóa đa mục tiêu, khái niệm quan hệ thống trị Pareto, thuật toán xác định biên Pareto của H. Kung et al. và cơ chế tính toán khoảng cách tập trung (crowding distance).

Chương C: Related research (Nghiên cứu liên quan)

Khảo sát cây phân loại phân bổ tài nguyên và các phương pháp lập lịch truyền thống:

  • Thuật toán vét cạn và nhánh cận (Brute Force / Branch and Bound): Khả năng tìm nghiệm tối ưu toàn cục nhưng độ phức tạp tính toán lớn ($O(2^n)$), không khả thi với không gian trạng thái hàng nghìn tế bào pin.
  • Thuật toán chia để trị (Divide and Conquer): Giảm độ phức tạp xuống $O(n \log n)$, cho phép tính toán song song nhưng dễ dẫn đến xung đột phân bổ tài nguyên giữa các bài toán con.
  • Thuật toán Heuristic: Tối ưu hóa thời gian thực thi nhưng dễ rơi vào cực trị cục bộ và đòi hỏi tinh chỉnh thủ công khi thay đổi ràng buộc.

Chương D: Scheduling using PMSBX-NSGA-II (Lập lịch với PMSBX-NSGA-II)

Mô tả chi tiết giải pháp kỹ thuật của thuật toán PMSBX-NSGA-II. Tác giả phân tích sự hạn chế của phương pháp mã hóa chuỗi nhị phân truyền thống khi áp dụng vào không gian tham số liên tục, từ đó đề xuất cơ chế mã hóa giá trị thực, xây dựng công thức toán học cho toán tử lai ghép nhị phân mô phỏng (SBX) và đột biến đa thức (PM), hoàn thiện khung xử lý tổng thể của thuật toán.

Chương E: Experiments and results (Thực nghiệm và kết quả)

Trình bày chi tiết môi trường thử nghiệm, cấu trúc các bộ dữ liệu (nguồn đơn, đa nguồn chuyển đổi và bảng giới hạn tài nguyên), cùng hệ thống chỉ số đánh giá. Kết quả lập lịch được so sánh trực tiếp giữa NSGA-II chuẩn và PMSBX-NSGA-II trên 3 cấu hình kích thước quần thể ($p\text{-size} = 20, 100, 200$) thông qua các bảng số liệu thô và biểu đồ Gantt trực quan.

Chương F: Conclusion and future works (Kết luận và hướng phát triển)

Tổng kết các ưu điểm vận hành của PMSBX-NSGA-II so với các phương pháp tiền nhiệm, đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và đề xuất các hướng mở rộng cho thuật toán trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Đồ án đã triển khai đánh giá thực nghiệm toàn diện trên 117 trang thuyết minh với 14 bảng số liệu và 48 đồ thị/hình vẽ:

  • Quy mô khảo nghiệm: Đánh giá trên 2 mô hình cấp nguồn (Single-source và Switchable multi-source) với 3 mức kích thước quần thể ($p\text{-size} \in {20, 100, 200}$).
  • Chỉ số đo lường: Số lượng vi phạm hạn chót (deadlines violations), số lượng vi phạm tài nguyên (resources violations), phân phối tổng số pin phân bổ và phân phối dung lượng pin thực tế.
  • Biểu đồ Gantt: Khảo sát chi tiết tiến độ lập lịch của 15 lệnh cấp nguồn đầu tiên, chứng minh thuật toán PMSBX-NSGA-II loại bỏ hoàn toàn hiện tượng chồng chéo thời gian và đảm bảo cấp phát liên tục cho các thiết bị quan trọng so với NSGA-II cơ sở.
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                      TỔNG HỢP SO SÁNH HIỆU NĂNG THỰC NGHIỆM                         |
+---------------------------+-----------------------------------+--------------------+
| Tiêu chí đánh giá         | NSGA-II truyền thống              | PMSBX-NSGA-II      |
+---------------------------+-----------------------------------+--------------------+
| Xử lý ràng buộc tài nguyên| Xuất hiện vi phạm ở p-size nhỏ    | 0 vi phạm tài nguyên|
| Độ phân tán biên Pareto   | Nghiệm phân bố không đều          | Đa dạng, bao phủ tốt|
| Khả năng thích ứng đa nguồn| Hạn chế khi đổi loại pin          | Tự động chuyển đổi |
| Tính ổn định hội tụ       | Biến thiên ngẫu nhiên cao         | Ổn định qua các thế hệ|
+---------------------------+-----------------------------------+--------------------+

Đóng góp khoa học và thực tiễn

  1. Đóng góp phương pháp: Đề xuất thành công mô hình PMSBX-NSGA-II kết hợp toán tử giải tích (SBX và PM) trên không gian số thực, giải quyết triệt để bài toán điều phối năng lượng pin lưu trữ vốn chưa từng được mô hình hóa trong các y văn trước đây.
  2. Xây dựng bộ dữ liệu: Thiết lập bộ dữ liệu chuẩn hóa về các yêu cầu cấp nguồn và giới hạn tài nguyên pin trên giàn khoan dầu khí ngoài khơi, tạo tiền đề thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.
  3. Giá trị vận hành thực tế: Giúp tự động hóa quy trình phân bổ pin tại các trạm ngoài khơi, giảm thiểu sự phụ thuộc vào thao tác thủ công, hạn chế tối đa nguy cơ sụt giảm nguồn điện cho các thiết bị khai thác quan trọng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình chưa phải là một kiến trúc đầu-cuối (end-to-end) hoàn chỉnh do phải trải qua giai đoạn tiền xử lý huấn luyện K-SOM trước khi kết nối với mạng nơ-ron đồ thị và lan truyền ngược (back-propagation) để học trọng số trích xuất đặc trưng ngữ nghĩa văn bản.
    • Khi tập dữ liệu mở rộng ở quy mô lớn hơn, chi phí tính toán cho việc học trọng số đặc trưng ngữ nghĩa sẽ tăng cao.
  • Hướng phát triển:
    • Tối ưu hóa sâu hơn các tham số giải thuật và phát triển mô hình học sâu tích hợp để đạt tính năng end-to-end.
    • Mở rộng thử nghiệm thuật toán trên các mô hình mô phỏng thời gian thực với cấu hình phần cứng giàn khoan đa dạng hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn giá trị cho:

  • Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành Kỹ thuật máy tính, Khoa học máy tính: Tham khảo phương pháp toán học hóa bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thực tế (Chương B) và kỹ thuật tùy biến các toán tử di truyền nâng cao SBX, PM trên nền tảng NSGA-II (Chương D).
  • Kỹ sư vận hành hệ thống năng lượng và điều khiển tự động: Tham khảo cấu trúc mô hình hóa phân bổ năng lượng pin lưu trữ Lithium-ion, các bộ chỉ số đánh giá vi phạm tài nguyên và phương pháp phân tích biểu đồ Gantt trong điều phối phụ tải (Chương E).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao bài toán cấp nguồn pin Lithium-ion trên giàn khoan lại cần tiếp cận bằng tối ưu hóa đa mục tiêu?

Do các thiết bị trên giàn khoan hoạt động liên tục trong điều kiện thiếu điện lưới trực tiếp, hệ thống vừa phải tối đa hóa số lượng pin phân bổ để đáp ứng đủ công suất hoạt động của thiết bị, vừa phải giảm thiểu thời gian chờ, chống tắc nghẽn cục bộ và không được vượt quá số lượng pin khả dụng của từng ngày. Đây là các mục tiêu cạnh tranh và ràng buộc lẫn nhau, đòi hỏi phải tìm kiếm tập nghiệm tối ưu Pareto thay vì một nghiệm đơn lẻ.

2. Sự khác biệt căn bản giữa PMSBX-NSGA-II và NSGA-II nguyên bản là gì?

NSGA-II truyền thống sử dụng biểu diễn chuỗi nhị phân (bit-string) cùng các toán tử lai ghép và đột biến đảo bit ngẫu nhiên. PMSBX-NSGA-II sử dụng biểu diễn tham số thực (real parameters), áp dụng giải tích đa thức qua toán tử lai ghép nhị phân mô phỏng (SBX) và đột biến đa thức (PM), giúp kiểm soát chặt chẽ phân phối nghiệm con xung quanh cha mẹ và phù hợp trực tiếp với dữ liệu số thực của lệnh cấp nguồn.

3. Khái niệm "Switchable multi-source" trong đề tài có ý nghĩa gì?

Đây là cơ chế cho phép một thiết bị khi gửi yêu cầu cấp nguồn (SUPPLY ID) có thể khai báo một danh sách nhiều loại pin tương thích (BATTERY TYPE) thay vì chỉ một loại cố định. Thuật toán sẽ tự động phân tích tính khả dụng của từng loại pin trong kho tài nguyên tại thời điểm lập lịch để quyết định cấp phát loại pin tối ưu nhất.

4. Thuật toán xử lý các ràng buộc cứng và ràng buộc mềm như thế nào?

Ràng buộc cứng (thời điểm lập lịch không vượt quá hạn chót của yêu cầu và số pin cấp không vượt quá tài nguyên trong bảng $R$) được kiểm tra nghiêm ngặt trong hàm đánh giá độ thích nghi; nghiệm vi phạm sẽ bị loại bỏ hoặc phạt nặng. Ràng buộc mềm (khoảng cách giữa các lịch trình liên tiếp tiệm cận 0) được tích hợp vào hàm mục tiêu để tối ưu hóa tính liên tục và giảm thiểu độ trễ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Hoàng Hải đã giải quyết thành công bài toán lập lịch phân phối năng lượng pin Lithium-ion cho các thiết bị giàn khoan dầu khí ngoài khơi thông qua thuật toán PMSBX-NSGA-II. Bằng việc cải tiến các toán tử di truyền giải tích trên không gian số thực, phương pháp đề xuất đã tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên pin và đáp ứng nghiêm ngặt các ràng buộc thời gian vận hành. Công trình đạt kết quả đánh giá xuất sắc từ hội đồng chuyên môn (điểm số 10/10 và 9/10), đóng góp cả về mặt lý thuyết giải thuật tiến hóa lẫn giải pháp kỹ thuật ứng dụng thực tế.