CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Theo Keith W. H (1992), nghiên cứu vận hành (operation research) được ra đời từ những năm đầu của thế kỷ trước và được áp dụng đầu tiên trong không quân Mỹ. Hiện nay nghiên cứu vận hành là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm trên thế giới.
Điều đó được thể hiện ở chỗ Hội những nhà nghiên cứu vận hành trên thế giới đã được thành lập và những tạp chí chuyên đề về nghiên cứu vận hành đã được xuất bản thường kỳ tại châu Âu và tại Mỹ (Operational Research Journal). Cũng theo tác giả trên, nghiên cứu vận hành được phân ra làm nhiều loại tùy theo số lượng người ra quyết định và mục đích của vận hành và từ đó các phương pháp cũng thay đổi theo đối với từng loại. Khi số lượng người ra quyết định và mục đích của vận hành đều là một, phương pháp được áp dụng phổ biến là phương pháp tối ưu hóa (optimization) tức tìm giải pháp đáp ứng mục đích giữa các tác nhân đã xuất hiện và giải pháp tối ưu có thể không được tất cả các tác nhân chấp nhận hay nói cách khác là giải pháp đó không khả thi. Trong trường hợp này, những biện pháp mang tính xã hội đi kèm thỏa thuận hay đối thoại cần được thực hiện.
Trong trường hợp khác khi số người ra quyết định vẫn là một nhưng số lượng của mục đích vận hành đã tăng lên lớn hơn 1, phương pháp quy đổi các mục tiêu riêng rẽ thành một mục tiêu chung hay phương pháp phân tích đa chỉ tiêu thường được áp dụng. Về thực chất, nghiên cứu vận hành là sử dụng các công trình điều tiết trong hệ thống để phân phối nước theo thời gian và không gian một cách tối ưu nhất đối với từng điều kiện khí hậu, thủy văn cụ thể. Theo nhiều nhà nghiên cứu, nó đóng vai trò quan trọng trong công tác vận hành hệ thống vì những lý do sau: − Hệ thống có thể không được xây dựng đúng như mong đợi do những lỗi thiết kế hoặc xây dựng. Khi đưa vào sử dụng, hệ thống thực tế sẽ khác rất nhiều so Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 với hệ thống trên lý thuyết; − Hệ thống được thiết kế cho một điều kiện cụ thể (mực nước sông thiết kế, nhu cầu nước ứng với tần suất thiết kế …) nhưng được khai thác sử dụng trong điều kiện khí hậu thủy văn khác nhau.
Với từng điều kiện cụ thể, hệ thống cần được vận hành theo những cách riêng nhằm khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất; − Trải qua quá trình khai thác vận hành, hầu hết các thông số kỹ thuật của hệ thống sẽ thay đổi so với khi mới xây dựng (mặt cắt kênh thay đổi do xói lở, bồi lắng; năng lực các công trình xuống cấp; một số hạng mục công trình mới được xây thêm; nhu cầu nước thay đổi do diện tích và cơ cấu cây trồng thay đổi …). Việc xác định phương án vận hành mới ứng với hiện trạng hệ thống sẽ giúp khai thác hệ thống hiệu quả hơn. Theo Nelen Jesus (1992), những phương pháp được áp dụng trong vận hành hệ thống có thể được chia làm hai loại: Thứ nhất là phương pháp vận hành theo kinh nghiệm: Đây là phương pháp mà giải pháp đưa ra được đúc kết từ thực tế khai thác hệ thống. Tuy đã được kiểm nghiệm bởi thực tế, giải pháp được chọn phụ thuộc hoàn toàn vào ý kiến chủ quan của người quản lý và do vậy chưa hẵn đã là giải pháp tối ưu.
Hơn nữa, những kinh nghiệm của người quản lý thu được rất khó nhân rộng cho những nơi khác với điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội hoàn toàn khác cũng như cơ chế chính sách cũng khác nhau. Theo nhóm phương pháp thứ hai là xây dựng phương án vận hành bằng cách xây dựng các công cụ toán học như phương pháp tối ưu hóa, vận hành theo kịch bản soạn trước. Trong hai phương pháp trên, phương pháp thứ hai hiện được nhiều nước trên thế giới áp dụng vì nó mang tính biện minh cao và cho phép nhân rộng kết quả một cách rộng rãi (Keith W. Theo ngôn ngữ toán học, phương pháp này chính là tìm các biến mô tả hoạt động của các công trình điều tiết (Z) nhằm tối ưu hóa một hàm mục đích (C) của các biến mô tả hệ thống (X), các biến mô tả điều kiện biên Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 (Y) và các biến mô tả hoạt động của các công trình điều tiết (Max C = f(X,Y,Z)).
Như vậy, việc tiến hành nghiên cứu vận hành cho một hệ thống bao gồm 3 bước là xây dựng hàm mục tiêu, xác định các hàm ràng buộc liên kết các biến và giải bài toán tối ưu. Việc giải bài toán tối ưu cũng có những phương pháp khác nhau tùy tính chất của từng hàm. Trong nhiều trường hợp hàm mục tiêu và hàm ràng buộc là các hàm tuyến tính, khi đó bài toán tối ưu có thể giải bằng các phương pháp cổ điển như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động hoặc các phương pháp dò tìm khác. Tuy nhiên các phương pháp trên không thể áp dụng được khi các hàm ràng buộc là hàm cho phép diễn toán hoạt động của hệ thống (mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống) vì đây không phải là hàm tuyến tính, hàm hiện hay hàm có thể đạo hàm được.
Để giải quyết khó khăn trên, các nhà khoa học đã xây dựng phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên tắc thống kê được phát biểu như sau: Đối với bất kỳ một giá trị ε nhỏ tùy ý nào đó, ta luôn có một xác suất P nào đó để tồn tại một nghiệm (Cop = f(Xop, Yop, Zop) trong những nghiệm đã thử (Ci = f(Xi, Yi, Zi), trong đó X, Y, Z lần lượt là hàm mục tiêu, các biến mô tả hệ thống, các biến mô tả điều kiện biên và các biến mô tả hoạt động của các công trình điều tiết; op và i lần lượt là các chỉ số biểu thị trạng thái tối ưu hay bất kỳ, sao cho Cop tuyệt đối – Cop < ε. Với nguyên tắc trên, việc giải bài toán tối ưu được thực hiện theo các bước: − Bước 1: Lựa chọn một giá trị bất kỳ sao cho biến cần tìm (biến mô tả hoạt động của các công trình điều tiết); − Bước 2: Tính giá trị của các hàm mục tiêu ứng với giá trị đó của hàm cần tìm; − Bước 3: Cho biến cần tìm một giá trị biến thiên nào đó trong khoảng cho phép; − Bước 4: Lặp lại bước 3 đối với giá trị mới của biến cần tìm; − Bước 5: Lặp lại bước 3 và bước 4 một số lần đủ lớn để đạt được mục đích của bài toán tối ưu đặt ra. Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 Như vậy, phương pháp giải này cho phép tìm nghiệm gần đúng ngay cả trong điều kiện hàm mục tiêu và hàm ràng buộc là những hàm rất phức tạp như đối với bài toán vận hành các hệ thống thủy nông cũng như trong điều kiện hàm mục tiêu có nhiều giá trị cực trị cục bộ. Ngoài ra, nó còn tránh được những sai số nhất định khi đơn giản hóa các hàm ràng buộc vì nó cho phép sử dụng những mô hình phức tạp.
Bên cạnh phương pháp tối ưu hóa nói trên, nhiều nghiên cứu đã sử dụng phương pháp vận hành theo các kịch bản soạn trước (Scenario – base method). Theo phương pháp này, trước tiên chúng ta sẽ xây dựng các kịch bản về điều kiện biên (Khí hậu, thủy văn) cũng như các phương án vận hành (thời gian đóng mở các công trình điều tiết) khác nhau với những giá trị rời rạc thay vì xét đến toàn miền giá trị có thể có của chúng. Dựa trên những giá trị rời rạc được xác định trước này, chúng ta có thể đánh giá kết quả các kịch bản đưa ra và từ đó lựa chọn kịch bản tốt nhất theo mục đích của nhà quản lý. Phương pháp này không đưa ra được giải pháp tối ưu mà chỉ đưa ra được giải pháp tốt nhất trong số các giải pháp được xét đến vì các giá trị đầu vào là các giá trị rời rạc.
Tuy nhiên nó vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản của nó (Nelen J. Tại các nước tiên tiến trên thế giới, nhiều cách tiếp cận khác nhau liên quan đến mô hình hóa hoạt động của hệ thống. Đó là các mô hình xác định, mô hình khái niệm và mô hình thống kê. Việc xây dựng và áp dụng các chương trình vận hành quản lý hệ thống thủy lợi đã được thực hiện tại nhiều nước trên thế giới trong hai chục năm gần đây, nhất là tại các nước phát triển tại Bắc Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản, Australia còn ở các nước đang phát triển vùng Đông Nam Á như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Malaysia, Srilanca.
cũng đang được bước đầu thực hiện mạnh mẽ cho kết quả tốt, đem lại hiệu quả rất đáng kể. Một số mô hình, phần mềm và hệ thống SCADA/MAC được sử dụng khá phổ biến trên thế giới là CROPWAT, INCA, FQM, EAO, OPDM, CANALMAN, IMSOP, SIMIS, WASAMTC/TM System. Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9 − Mô hình INCA được xây dựng bởi công ty Wallingford (Anh) đang được ứng dụng rộng rãi cho việc vận hành và quản lý các hệ thống thủy nông ở Châu Á như Srilanca, Bangladesh, Thổ Nhĩ Kỳ, Thái Lan, Ấn Độ, Philippines và một số nước châu phi như Zimbawe, Sudan, Kenya… Mục đích của INCA là nhằm trợ giúp cho người quản lý phân tích nhanh chóng một lượng lớn các dữ liệu để có các thông tin cần thiết cho việc ra quyết định điều khiển hợp lý trong các công tác vận hành hệ thống tưới. − Mô hình và phần mềm SIMIS do ban quản lý và phát triển tài nguyên nước của FAO thiết lập.
SIMIS là một công cụ trợ giúp rất hiệu quả trong việc quản lý các hệ thống tưới. Mô hình này cho phép giải quyết khá hoàn chỉnh bài toán vận hành phân cấp, đa mục tiêu. Ngoài chức năng chính trợ giúp công tác quản lý, SIMIS còn hỗ trợ nhiều cho công tác quản lý hệ thống như kinh tế, thủy lợi phí, duy tu bảo dưỡng…Mô hình SIMIS cũng đã được dùng phổ biến trên thế giới cũng như châu Á. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Ở nước ta, việc mô hình hóa hoạt động của hệ thống thủy nông đã được đề cập đến từ vài thập kỷ nay.