Luận văn thạc sĩ về tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải sử dụng thuật toán bầy salp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích quản lý xây dựng tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải khu vực sử dụng thuật toán bầy, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Võ Mỹ Nguyệt
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Vũ Hồng Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Quản Lý Xây Dựng
• Đề tài: Tối Ưu Chi Phí Xây Dựng Mạng Lưới Thoát Nước Thải Khu Vực Sử Dụng Thuật Toán Bầy Salps - Chuồn Chuồn (SSA–DA)
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Sự cần thiết của đề tài
• 1.3. Lựa chọn đề tài
• 1.4. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Quy trình nghiên cứu
• 1.7. Công cụ thực hiện nghiên cứu
• 1.8. Nội dung của luận văn
• 1.9. Đóng góp của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tối ưu chi phí thiết kế mạng lưới thoát nước thải
• 2.2. Thuật toán tìm kiếm SSA
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thuật toán tối ưu
• 3.1.1. Lý do sử dụng thuật toán tối ưu
• 3.1.2. Thăm dò và Khai thác
• 3.2. Thuật toán bầy Salps – Salp Swarm Algorithm (SSA)
• 3.2.1. Nguồn cảm hứng hình thành thuật toán
• 3.2.2. Mô hình toán học
• 3.2.2.1. Vị trí con lãnh đạo và con theo sau
• 3.2.2.2. Mô phỏng hành vi bầy đàn
• 3.2.3. Ưu điểm của thuật toán SSA
• 3.3. Thuật toán tối ưu Chuồn Chuồn - Dragonfly Algorithm (DA)
• 3.3.1. Nguồn cảm hứng hình thành thuật toán
• 3.3.2. Mô hình toán học
• 3.3.2.1. Quá trình vận hành thăm dò và khai thác
• 3.3.3. Ưu điểm của thuật toán Chuồn Chuồn
• 3.4. Thuật toán lai ghép Bầy Salps – Chuồn Chuồn (SSA–DA)
• 4. CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY LỰC
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.1.1. Mạng lưới thoát nước chung
• 4.1.2. Mạng lưới thoát nước riêng
• 4.2. Tầm quan trọng của chi phí đối với hệ thống thoát nước
• 4.2.1. Ước tính lưu lượng nước thải
• 4.3. Mô hình hóa thiết kế mạng lưới cống thoát nước thải
• 4.3.1. Tính toán thuỷ lực cống thoát nước
• 4.3.2. Những vấn đề tối ưu thiết kế mạng lưới cống thoát nước
• 4.3.2.1. Hàm mục tiêu
• 4.3.2.2. Điều kiện ràng buộc trong thiết kế
• 4.3.2.3. Hàm phí phạt
• 4.3.2.4. Quy trình vận hành bài toán thoát nước thải
• 5. CHƯƠNG 5: KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT
• 5.1. Trường hợp nghiên cứu 1
• 5.1.1. Giới thiệu mạng lưới
• 5.1.2. Thông số đầu vào và điều kiện ràng buộc của bài toán
• 5.1.3. Kết quả sau khi sử dụng thuật toán
• 5.1.4. Phân tính, so sánh kết quả, nhận xét
• 5.2. Trường hợp nghiên cứu 2
• 5.2.1. Giới thiệu mạng lưới
• 5.2.2. Thông số đầu vào và điều kiện ràng buộc của bài toán
• 5.2.3. Kết quả sau khi sử dụng thuật toán
• 5.2.4. Phân tính, so sánh kết quả, nhận xét
• 5.3. Trường hợp nghiên cứu 3
• 5.3.1. Giới thiệu mạng lưới
• 5.3.2. Thông số đầu vào và điều kiện ràng buộc của bài toán
• 5.3.3. Kết quả sau khi sử dụng thuật toán
• 5.3.4. Phân tính, so sánh kết quả, nhận xét
• 5.4. Đánh giá chung thông qua 3 trường hợp nghiên cứu
• 5.5. Ứng dụng mô hình dự án thực tiễn
• 5.5.1. Giới thiệu mạng lưới
• 5.5.2. Thông số đầu vào và điều kiện ràng buộc của bài toán
• 5.5.3. Kết quả sau khi sử dụng thuật toán
• 5.5.4. Phân tính, so sánh kết quả, nhận xét
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• 6.2. Phạm vi công việc trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải

Mạng lưới thoát nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Việc tối ưu hóa chi phí xây dựng mạng lưới này không chỉ giúp tiết kiệm ngân sách mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc áp dụng thuật toán bầy salp để tối ưu hóa chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải.

1.1. Tầm quan trọng của mạng lưới thoát nước thải

Mạng lưới thoát nước thải là yếu tố thiết yếu trong việc xử lý nước thải và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường. Hệ thống này giúp thu gom và xử lý nước thải, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí xây dựng

Chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế, vật liệu, công nghệ thi công và quy mô dự án. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa chi phí hiệu quả hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong xây dựng mạng lưới thoát nước thải

Xây dựng mạng lưới thoát nước thải gặp nhiều thách thức như tình trạng ngập úng, ô nhiễm môi trường và chi phí cao. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của hệ thống thoát nước.

2.1. Tình trạng ngập úng tại các đô thị

Ngập úng là một trong những vấn đề nghiêm trọng tại các đô thị lớn như TP.HCM. Hệ thống thoát nước hiện tại không đủ khả năng xử lý lượng nước thải lớn, dẫn đến tình trạng ngập lụt thường xuyên.

2.2. Ô nhiễm môi trường do nước thải

Nước thải không được xử lý đúng cách có thể gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc cải thiện hệ thống thoát nước là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm.

III. Phương pháp tối ưu hóa chi phí xây dựng bằng thuật toán bầy salp

Thuật toán bầy salp (SSA) là một trong những phương pháp tối ưu hóa hiệu quả, giúp cải thiện chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải. Nghiên cứu này sẽ áp dụng SSA để tìm ra giải pháp tối ưu nhất.

3.1. Giới thiệu về thuật toán bầy salp

Thuật toán bầy salp được phát triển dựa trên hành vi của loài salp trong tự nhiên. Nó giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật trong thiết kế mạng lưới thoát nước.

3.2. Cách thức hoạt động của thuật toán

Thuật toán hoạt động dựa trên nguyên tắc thăm dò và khai thác, giúp tìm kiếm giải pháp tối ưu cho bài toán tối ưu hóa chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thuật toán bầy salp trong xây dựng mạng lưới thoát nước

Nghiên cứu đã áp dụng thuật toán bầy salp vào ba trường hợp thực tế tại TP.HCM. Kết quả cho thấy thuật toán này mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa chi phí xây dựng.

4.1. Kết quả từ các case study

Ba case study cho thấy thuật toán bầy salp giúp giảm chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước so với các phương pháp truyền thống. Kết quả này chứng minh tính khả thi của thuật toán.

4.2. So sánh với các phương pháp khác

So sánh với các phương pháp tối ưu hóa khác cho thấy thuật toán bầy salp đạt được kết quả tốt hơn về chi phí và hiệu suất hoạt động của mạng lưới.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng thuật toán bầy salp trong tối ưu hóa chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước thải là một giải pháp hiệu quả. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa mới.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy thuật toán bầy salp không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn nâng cao hiệu suất của mạng lưới thoát nước thải.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về việc kết hợp thuật toán bầy salp với các phương pháp tối ưu hóa khác để đạt được kết quả tốt hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với hệ thống hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là tình trạng ngập úng và ô nhiễm môi trường nước. Tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, ngân sách nhà nước đã đầu tư hàng chục ngàn tỷ đồng cho các dự án thoát nước và chống ngập. Tuy nhiên, phần lớn các đô thị vẫn đang vận hành hệ thống thoát nước chung cũ kỹ, kích thước cống nhỏ và chưa được phân tách giữa nước mưa với nước thải sinh hoạt. Trong cơ cấu tổng mức đầu tư một dự án thoát nước, chi phí vật tư đường ống và chi phí đào đắp đất chiếm tỷ trọng rất lớn, thường từ 70% đến 85% tổng chi phí xây lắp.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết bài toán tối ưu hóa đa biến, phi tuyến tính và có ràng buộc phức tạp trong thiết kế mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt. Mục tiêu cụ thể là xây dựng một thuật toán lai ghép thông minh giữa Thuật toán bầy Salps (SSA) và Thuật toán Chuồn Chuồn (DA), tích hợp mô phỏng thủy lực bằng mô hình SWMM trên nền tảng lập trình Matlab. Nghiên cứu hướng đến việc tìm ra phương án bố trí đường kính cống và cao độ chôn ống hợp lý nhất nhằm giảm thiểu tối đa chi phí xây dựng nhưng vẫn đảm bảo toàn bộ các yêu cầu kỹ thuật thủy lực.

Nghiên cứu được hoàn thành trong giai đoạn từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 và bảo vệ thành công vào tháng 1 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi ứng dụng thực tiễn được triển khai trực tiếp trên mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt tại khu vực Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng khi chứng minh khả năng tiết kiệm từ 8% đến 14.8% chi phí đầu tư xây dựng mạng lưới cống so với các phương pháp tính toán truyền thống, đồng thời đảm bảo độ ổn định cao qua 10 lần chạy thử nghiệm độc lập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tối ưu hóa metaheuristic lấy cảm hứng từ tự nhiên và lý thuyết thủy lực cống ngầm chảy tự do. Khung lý thuyết kết hợp hai thuật toán trí tuệ bầy đàn tiên tiến:

Thứ nhất, Thuật toán bầy Salps (SSA) được Seyedali Mirjalili công bố vào năm 2017, mô phỏng hành vi di chuyển theo chuỗi của loài Salps dưới đại dương. SSA sở hữu ưu điểm cấu trúc tinh gọn với chỉ một tham số điều khiển chính c1, giúp tốc độ hội tụ rất nhanh nhưng dễ rơi vào trạng thái trì trệ cục bộ khi không gian tìm kiếm mở rộng.

Thứ hai, Thuật toán Chuồn Chuồn (DA) được công bố vào năm 2015, mô phỏng 5 hành vi sinh thái bầy đàn gồm phân tách, xếp hàng, gắn kết, tìm kiếm thức ăn và tránh kẻ thù. DA có khả năng thăm dò không gian tìm kiếm cực kỳ linh hoạt và đa dạng.

Mô hình lai ghép SSA-DA tận dụng khả năng khai thác sâu của SSA và năng lực thăm dò rộng của DA để tạo ra sự cân bằng hoàn hảo trong không gian đa chiều. Các khái niệm cốt lõi của bài toán gồm có: hàm mục tiêu chi phí xây dựng (tổng chi phí đường ống theo đường kính D và chi phí đào đắp đất theo độ sâu h), các điều kiện ràng buộc thủy lực (vận tốc dòng chảy tự làm sạch tối thiểu 0.7 m/s và tối đa 4.0 m/s, độ sâu chôn cống tối thiểu 1.0 m, độ dốc cống tối thiểu đảm bảo dòng chảy không bị lắng cặn, tỷ lệ độ đầy h/D cho phép), và hàm phí phạt dùng để xử lý các nghiệm vi phạm ràng buộc kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp mô phỏng số học thủy lực và phương pháp tối ưu hóa metaheuristic:

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm 3 mạng lưới đối chuẩn quốc tế kinh điển được trích xuất từ các công bố khoa học uy tín (như mạng lưới Kerman với 21 ống cống, mạng lưới 15 nút và mạng lưới mở rộng), cùng dữ liệu thực địa thu thập từ hồ sơ thiết kế mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh với đầy đủ cao độ mặt đất tự nhiên, lưu lượng xả thải và chiều dài tuyến.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm EPA SWMM phiên bản 5.1 để giải hệ phương trình thủy lực Saint-Venant và Manning, xác định chính xác lưu lượng, vận tốc và mực nước trong từng đoạn cống. Thuật toán lai ghép SSA-DA được lập trình toàn diện trên môi trường ngôn ngữ Matlab R2021a để tự động điều chỉnh các biến quyết định (đường kính ống thương mại từ 200 mm đến 1000 mm và cao độ đáy cống tại từng hố ga).

Quy mô thực nghiệm thiết lập cỡ quần thể từ 50 đến 100 cá thể, số lượng vòng lặp tối đa từ 200 đến 500 thế hệ và được đánh giá thống kê qua 10 lần chạy độc lập ngẫu nhiên nhằm xác định giá trị cực tiểu, cực đại, trung bình và độ lệch chuẩn. Lý do lựa chọn phương pháp metaheuristic lai ghép là vì các phương pháp toán học cổ điển như quy hoạch tuyến tính (LP) hay quy hoạch động (DP) thường gặp hiện tượng bùng nổ số chiều và không thể xử lý tốt các biến số rời rạc của đường kính ống thương mại. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai thực hiện liên tục trong 4 tháng cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm nghiệm mô hình SSA-DA trên các mạng lưới chuẩn và dự án thực tế đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trên 3 trường hợp nghiên cứu chuẩn quốc tế, thuật toán lai ghép SSA-DA đều đạt được giá trị hàm mục tiêu chi phí thấp hơn đáng kể so với các thuật toán đơn lẻ và phương pháp truyền thống. Cụ thể, tại mạng lưới Kerman, chi phí xây dựng tối ưu bằng SSA-DA giảm 5.3% so với thuật toán di truyền thích ứng (Adaptive GA), giảm 7.2% so với thuật toán bầy sói xám (GWO), và giảm 14.8% so với phương pháp đàn kiến Max-Min (MMAS).

Thứ hai, thuật toán lai ghép SSA-DA chứng minh sự vượt trội rõ rệt khi so sánh trực tiếp với hai thuật toán thành phần. Giá trị chi phí tìm được bởi SSA-DA thấp hơn từ 4.5% đến 9.2% so với SSA nguyên bản và thấp hơn 6.8% so với DA nguyên bản trên cùng một số lượng vòng lặp 200 thế hệ.

Thứ ba, khi ứng dụng vào mạng lưới thoát nước thực tế tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh, thuật toán SSA-DA đã tối ưu hóa toàn bộ hệ thống gồm hàng chục đoạn cống và hố ga. Chi phí xây lắp tổng thể giảm khoảng 11.6% so với phương án thiết kế ban đầu của dự án, tương đương tiết kiệm hàng trăm triệu đồng ngân sách xây dựng cho một tiểu lưu vực.

Thứ tư, về mặt độ tin cậy thống kê, qua 10 lần chạy thử nghiệm độc lập trên môi trường Matlab, độ lệch chuẩn của thuật toán SSA-DA đạt mức cực thấp, dao động dưới 1.2% so với giá trị trung bình. Toàn bộ 100% các đoạn cống trong phương án tối ưu đều đáp ứng nghiêm ngặt các ràng buộc về vận tốc tự làm sạch trên 0.7 m/s và độ sâu đặt cống an toàn trên 1.0 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất vượt bậc của mô hình là nhờ cơ chế bổ trợ lẫn nhau giữa SSA và DA. Trong khi thuật toán SSA khai thác cục bộ rất nhanh theo chuỗi lãnh đạo thì các toán tử di chuyển bầy đàn của DA giúp phân tán các cá thể tìm kiếm, ngăn chặn hiện tượng thuật toán bị kẹt vào các điểm cực tiểu cục bộ (local minima).

Khi đối chiếu với các công bố khoa học quốc tế như nghiên cứu của Walters (mức tiết kiệm chi phí đạt từ 4% đến 14%), nghiên cứu của Moeini và Afshar ứng dụng thuật toán đàn kiến ACO kết hợp cây tăng trưởng TGA, hay nghiên cứu của Fariborz Masoumi năm 2021 về thuật toán SGWO, giải pháp SSA-DA của luận văn cho kết quả tối ưu chi phí tương đương hoặc tốt hơn, đồng thời rút ngắn từ 15% đến 20% số vòng lặp cần thiết để đạt điểm hội tụ.

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn được trực quan hóa mạch lạc thông qua các biểu đồ hội tụ (Convergence Curves) thể hiện xu hướng giảm dần của chi phí qua 200 thế hệ lặp, các đồ thị so sánh phân bố vận tốc dòng chảy thực tế trong cống, cùng các bảng tổng hợp chi tiết về đường kính thương mại, độ dốc thiết kế và độ sâu đào đất tại từng nút mạng lưới. Kết quả chứng minh rằng việc tăng nhẹ độ sâu đào đắp ở một số đoạn cống hợp lý có thể giúp giảm mạnh đường kính ống mà vẫn duy trì độ dốc thủy lực tự chảy, từ đó tạo ra điểm cân bằng chi phí tối ưu toàn diện.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước đô thị:

Thứ nhất, tích hợp công cụ SSA-DA vào quy trình tư vấn thiết kế kỹ thuật. Các công ty tư vấn thiết kế hạ tầng kỹ thuật cần ứng dụng bộ mã nguồn Matlab liên kết tự động với phần mềm SWMM để thay thế phương pháp tính toán thủ công từng tuyến cống. Mục tiêu là rút ngắn 30% thời gian lập đồ án thiết kế và giảm từ 8% đến 12% tổng dự toán xây lắp công trình. Lộ trình thực hiện trong vòng 6 đến 12 tháng tại các đơn vị tư vấn xây dựng.

Thứ hai, đẩy mạnh đầu tư phân tách mạng lưới thoát nước riêng cho các khu đô thị mới và khu vực cải tạo tại Thành phố Hồ Chí Minh. Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Hạ tầng Đô thị phối hợp cùng Sở Xây dựng cần ưu tiên triển khai mô hình cống gom nước thải riêng biệt tại các khu vực thường xuyên ngập nước như Quận 12, Gò Vấp và Bình Thạnh. Mục tiêu nâng tỷ lệ thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt đạt trên 85% vào giai đoạn 2023 - 2026.

Thứ ba, xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa địa hình và hạ tầng ngầm trên nền tảng GIS. Sở Quy hoạch - Kiến trúc cùng Sở Tài nguyên và Môi trường cần chuẩn hóa dữ liệu cao độ bề mặt với sai số dưới 5 mm, giúp thuật toán tối ưu hóa độ sâu đào đất đạt độ chính xác tuyệt đối. Thời gian triển khai hoàn thiện hệ thống dữ liệu số hóa trong 18 tháng.

Thứ tư, tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong quản lý xây dựng. Các trường đại học khối kỹ thuật và viện nghiên cứu cần mở các khóa tập huấn chuyên sâu 40 giờ về ứng dụng thuật toán metaheuristic và mô phỏng SWMM cho đội ngũ kỹ sư, hướng đến mục tiêu 70% kỹ sư hạ tầng làm chủ công nghệ tối ưu hóa vào năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo khoa học và ứng dụng thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các kỹ sư tư vấn thiết kế cấp thoát nước và hạ tầng đô thị. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình thiết lập hàm mục tiêu chi phí, xử lý hàm phạt và mô hình toán thủy lực. Kỹ sư có thể áp dụng trực tiếp để tự động lựa chọn đường kính cống tối ưu từ 200 mm đến 1000 mm, giúp nâng cao chất lượng hồ sơ thiết kế và tiết kiệm hàng tỷ đồng cho dự án.

Thứ hai, các chủ đầu tư, ban quản lý dự án và cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng. Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học vững chắc phục vụ công tác thẩm định dự toán, đánh giá tính khả thi kinh tế - kỹ thuật của các đồ án thoát nước đô thị quy mô lớn tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận.

Thứ ba, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Quản lý xây dựng, Kỹ thuật công trình thủy, Kỹ thuật môi trường. Đề tài mở ra phương pháp luận kết hợp thuật toán AI tiên tiến (SSA, DA) với bài toán công trình thực tế, cung cấp 3 bộ dữ liệu đối chuẩn chuẩn mực để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

Thứ tư, giảng viên đại học và các chuyên gia nghiên cứu trí tuệ nhân tạo trong xây dựng. Luận văn là nguồn học liệu thực chứng phong phú cho các môn học Tối ưu hóa trong xây dựng, Tin học chuyên ngành và Quản lý chi phí dự án hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp

Thuật toán lai ghép SSA-DA giải quyết bài toán tối ưu mạng lưới thoát nước như thế nào? Mô hình kết hợp thế mạnh hội tụ nhanh của bầy Salps và khả năng phân tán tìm kiếm của loài Chuồn Chuồn để tự động duyệt qua hàng triệu phương án kết hợp đường kính ống và độ sâu chôn cống. Thuật toán liên kết với SWMM để kiểm tra thủy lực, tìm ra phương án có chi phí thấp nhất mà không vi phạm vận tốc 0.7 m/s đến 4.0 m/s.

Tại sao tối ưu hóa mạng lưới cống ngầm lại là bài toán phi tuyến phức tạp? Chi phí mạng lưới phụ thuộc vào hai yếu tố đối nghịch: giảm đường kính ống giúp tiết kiệm chi phí vật tư nhưng đòi hỏi tăng độ dốc cống để đảm bảo lưu lượng, dẫn đến chi phí đào đắp đất tăng vọt. Sự kết hợp giữa đường kính thương mại rời rạc và cao độ liên tục tạo ra bài toán tối ưu đa biến cực kỳ nan giải.

Mô hình SSA-DA có điểm gì vượt trội so với các thuật toán di truyền GA hay bầy hạt PSO truyền thống? Các thuật toán truyền thống như GA hay PSO thường gặp hiện tượng hội tụ sớm và mắc kẹt tại cực trị địa phương. Mô hình SSA-DA với cơ chế chia sẻ thông tin đa hướng giúp duy trì đa dạng quần thể, giảm chi phí thêm từ 4.5% đến 14.8% và đạt độ lệch chuẩn ổn định dưới 1.2% qua 10 lần chạy thử nghiệm.

Phần mềm EPA SWMM đóng vai trò gì trong khuôn khổ nghiên cứu này? Phần mềm SWMM đóng vai trò là công cụ mô phỏng động học dòng chảy chính xác, nhận thông số đường kính và độ dốc từ Matlab để tính toán lưu lượng, vận tốc và chiều cao mực nước trong cống. Kết quả thủy lực từ SWMM là căn cứ để thuật toán xác định mức phạt và đánh giá chất lượng nghiệm.

Kết quả nghiên cứu tại Quận 12 có thể áp dụng cho các đô thị khác tại Việt Nam không? Hoàn toàn khả thi. Toàn bộ quy trình thuật toán được xây dựng có tính tổng quát hóa cao, chỉ cần thay đổi dữ liệu đầu vào gồm bình đồ cao độ tự nhiên, chiều dài tuyến và lưu lượng xả thải là có thể áp dụng tối ưu chi phí cho bất kỳ hệ thống thoát nước đô thị nào trên toàn quốc.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công thuật toán lai ghép SSA-DA, khắc phục triệt để nhược điểm hội tụ sớm của thuật toán SSA và nâng cao hiệu quả tìm kiếm tối ưu toàn cục.
• Tích hợp hoàn hảo ngôn ngữ lập trình Matlab với phần mềm mô phỏng thủy lực SWMM 5.1 để giải quyết bài toán thiết kế mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt đa biến và đa ràng buộc.
• Kiểm chứng thành công trên 3 mạng lưới chuẩn quốc tế, mang lại mức tiết kiệm chi phí xây lắp vượt trội từ 5.3% đến 14.8% so với các thuật toán kinh điển như GA, PSO, ACO và GWO.
• Ứng dụng xuất sắc vào mạng lưới thực tế tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh, giúp cắt giảm khoảng 11.6% chi phí xây dựng công trình mà vẫn đảm bảo tuyệt đối các chỉ tiêu thủy lực.
• Khẳng định độ tin cậy khoa học vững chắc với độ lệch chuẩn dưới 1.2% qua 10 lần chạy lặp độc lập, mở ra hướng ứng dụng AI mạnh mẽ trong quản lý dự án xây dựng.

Đóng góp lớn nhất của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh công cụ tối ưu hóa tự động chi phí xây lắp cống thoát nước thải, tạo tiền đề khoa học cho việc phân tách hệ thống thoát nước mưa và nước thải tại các đô thị Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2023 - 2025 là mở rộng mô hình cho các mạng lưới có trạm bơm trung chuyển và tích hợp mô-đun tối ưu hóa bố cục hình học tuyến cống. Các đơn vị tư vấn và ban quản lý dự án hạ tầng hãy ứng dụng ngay giải pháp thuật toán SSA-DA vào thực tiễn để nâng cao hiệu quả đầu tư và hiện đại hóa công tác quản lý xây dựng đô thị bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hệ thống thoát nước cần thiết ở các khu vực đô thị phát triển vì mối liên hệ tương quan giữa hoạt động của con người và chu trình nước tự nhiên, gồm hai dạng chính: Loại thứ nhất, nước thải, là nước cấp sau khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt, sản xuất. Sau khi sử dụng, nếu không được thoát nước đúng cách, nó có thể gây ô nhiễm và gây nguy hiểm cho sức khỏe. Nước thải chứa vật chất hòa tan, chất rắn mịn và chất rắn lớn hơn, có nguồn gốc từ nhà vệ sinh, từ quá trình giặt giũ khác nhau, từ công nghiệp và từ các mục đích sử dụng nước khác, chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ dễ bị phân hủy thối rửa và chứa nhiều vi trùng gây và truyền bệnh nguy hiểm [1]. Loại nước thứ hai là nước mưa, chảy trên các mái nhà, mặt đường, sân vườn.

Nếu nước mưa không được tiêu thoát đúng cách, nó sẽ gây ra bất tiện, thiệt hại, lũ lụt và các nguy cơ về sức khỏe. Nước mưa chứa một số chất ô nhiễm, có nguồn gốc từ mưa, không khí hoặc bề mặt lưu vực. Nếu những loại nước thải này xả một cách bừa bãi, sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, nảy sinh và lan truyền các thứ bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và động vật. Mặt khác, nếu không thu gom, vận chuyển đi thì có thể gây nên tình trạng ngập lụt trong các điểm dân cư, xí nghiệp công nghiệp, làm hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình, gây trở ngại giao thông và tác hại tới một số ngành kinh tế khác… Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống thoát nước là thu gom, vận chuyển nhanh chóng mọi loại nước thải ra khỏi khu vực dân cư, xí nghiệp công nghiệp, đồng thời xử lý và khử trùng đạt yêu cầu vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận (ao, hồ, sông, biển…), điều này giúp quản lý tác động đến đời sống con người và môi trường [1].

Ở nhiều khu vực đô thị hóa, hệ thống thoát nước được xây dựng có hệ thống đầy đủ: các đường ống và công trình thu gom và xử lý nước. Ở các khu vực đã xây dựng cũ, mức độ đô thị hóa còn hạn chế thường không có hệ thống thoát nước chính. Nước thải được xử lý cục bộ (hoặc hoàn toàn không), nước mưa được thoát tự nhiên vào lòng đất. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1.

Hình ảnh ngập nước tại một tuyến đường trong Thành Phố Hệ thống thoát nước phổ biến nhất ở các đô thị của Việt Nam là hệ thống thoát nước chung, phát triển trên cơ sở cống thoát nước mưa hình thành từ trước, kích thước và độ dốc cống nhỏ, mật độ tính theo chiều dài trên đầu người thấp, ít khi được sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng nên bị xuống cấp nghiêm trọng, không còn đủ khả năng phục vụ tiêu thoát nước hiện tại cho các đô thị; việc xây dựng bổ sung được thực hiện một cách chắp vá, không theo quy hoạch lâu dài, không đáp ứng được yêu cầu phát triển đô thị. Tình hình ngập lụt hiện nay tại các đô thị của Việt Nam đang ngày càng trở nên phức tạp, khó lường, nhất là tại những đô thị có tốc độ đô thị hóa nhanh, mật độ dân số lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội. Tại thành phố Hồ Chí Minh đã nổ lực triển khai đồng bộ các giải pháp dự án thoát nước, chống ngập với nguồn kinh phí hàng chục ngàn tỷ đồng, tuy nhiên tình trạng ngập úng do mưa vẫn xảy ra, kể cả những thời điểm mực nước triều thấp. Ngập lụt đang là yếu tố cản trở sự phát triển bền vững của thành phố, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống của người dân.

thể hiện trình trạng ngập nước tại một tuyến đường trong Thành Phố. Nguyên nhân ngập úng do hệ thống tiêu (cống tiêu, kênh tiêu.): Đặc biệt là khu nội thành, hệ thống tiêu thoát nước cũ kỹ, hư hỏng, không hoặc chưa được HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 duy tu, bão dưỡng, nạo vét thường xuyên hoặc chưa được hoàn chỉnh,… cho nên khi có mưa (dù mưa vừa) cũng đã gây nên ngập úng nhiều khu vực của thành phố.2 minh họa hình ảnh cống thoát cũ bị tắt nên nước thải bị ùng ứ đọng vũng [2]. Nguyên nhân ngập úng do đô thị hoá: Quá trình đô thị hoá thành phố đã làm giảm sự điều tiết tự nhiên của bề mặt lưu vực. Đối với nội thành, phần lớn đất đai được bê tông hoá, nhựa hoá xây dựng nhà, công xưởng, đường sá.

Do vậy, khi mưa xuống, hầu như toàn bộ mưa đều tập trung thành dòng chảy (đường trở thành sông cũng chính vì vậy), không thể thấm xuống đất để giảm bớt lượng dòng chảy tập trung, tệ hơn, hệ thống kênh rạch, ao hồ bị san lấp vô tội vạ như rạch Ông Kích, rạch Bà Lài, rạch Cụt, Bình Tiên, Bà Lài, Đầm Sen, ao Sen, v.v…Nhiều kênh rạch khác đang ở trong tình trạng báo động đỏ như rạch Lăng, rạch Bình Lợi, rạch Văn Thánh,… [2] Nguyên nhân ngập úng do ý thức của người dân chưa cao: Người dân thường có những hành vi như xả rác bừa bãi ra đường dẫn đến bít đường ống tiêu thoát nước làm cho tình trạng tiêu thoát nước khó khăn. Bên cạnh đó, TP.HCM cũng đang trong quá trình phát triển và đang là “đại công trường xây dựng” với rất nhiều xe cộ thực hiện vận chuyển các vật liệu xây dựng như cát sỏi gây vương vãi, khi mưa đến tập trung vào các hố ga, miệng cống làm giảm tiết diện tải nước cũng như làm tăng độ nhám của hệ thống, cản trở quá trình di chuyển của dòng chảy làm cho tình trạng ngập úng trầm trọng hơn. Mặt khác nhiều kênh rạch bị san lấp làm mất thể tích trữ nước [2]. Nguyên nhân ngập úng do công tác quản lý đô thị kém: Việc quản lý kém có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan khác nhau.

Trên thực tế, hiện trạng các hệ thống công trình tiêu còn thiếu, còn yếu thì điều rõ ràng giải quyết tốt các vấn đề tiêu thoát một cách triệt để là khó khả thi, và thực tế đã chứng minh điều này. Bên cạnh đó, chi phí xây dựng mới, cải tạo, nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước đối với TP.HCM cần có nguồn vốn lớn. Tuy nhiên, vấn đề này còn có nguyên nhân chủ quan là tiến độ thực hiện các dự án, giải quyết vấn đề thường chậm, mối liên hệ phối hợp trong nghiên cứu, chủ động tìm giải pháp thích hợp chưa được quan tâm đúng mức [2]. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1.

Hình ảnh cống thoát cũ bị tắt nên nước thải bị ùng ứ đọng vũng Qua đánh giá hiện trạng có thể thấy việc qui hoạch, xây dựng hệ thống thoát nước là chưa hợp lý, việc quản lý phối hợp giữa các ngành giao thông công chính và các ngành khác chưa chặt chẽ, đã gây ra không ít những khó khăn và phức tạp trong quản lý thoát nước hiện nay. Cần tách hệ thống thoát nước thải riêng biệt với hệ thống thoát nước mưa, lên phương án cải tạo, sửa chữa các cống đã cũ mục. Hầu hết các đô thị mới đang được áp dụng hệ thống thoát nước thải riêng biệt, các khu vực đã có mạng lưới thoát nước chung chưa có xử lý nước thải cần phải được đầu tư, nâng cấp, cải tạo thành hệ thống thoát nước riêng hoặc xây dựng các giếng tràn nước mưa, các tuyến cống bao hoặc cống gom để thu gom, vận chuyển nước thải về nhà máy xử lý nước thải tập trung.2 Sự cần thiết của đề tài Việc chăm sóc môi trường và tính bền vững là vô cùng quan trọng đối với con người, cần sự hiểu biết và xử lý các thách thức của phát triển bền vững. Một trong những bước chính trong việc hướng tới sự bền vững là thiết kế và vận hành hiệu quả các hệ thống cơ sở hạ tầng.

Mạng lưới cống thoát nước là một trong những thành phần quan trọng nhất của cơ sở hạ tầng quản lý tài nguyên nước. minh họa quá trình thoát nước của khu vực tự nhiên và khu đô thị. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1. Hình ảnh minh họa quá trình thoát nước của khu vực tự nhiên và khu đô thị [3] HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hệ thống thoát nước đóng vai trò quan trọng trong nhu cầu phát triển đô thị hóa hiện nay, là cấu trúc quan trọng được thiết kế để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

Thoát nước đô thị đưa ra một loạt các thách thức môi trường vừa hiện đại vừa cổ điển: nhu cầu cải tiến kỹ thuật hiệu quả về chi phí và đảm bảo thỏa mãn các hệ thống hạ tầng hiện hữu, nhu cầu đánh giá tác động của các hệ thống đó và nhu cầu tìm kiếm các giải pháp bền vững và có khả năng chống chịu. Việc xây dựng và bảo trì mạng lưới cống thoát nước khá tốn kém. Tuy nhiên, chi phí xây dựng mạng lưới cống thoát nước có thể giảm đáng kể nếu cấu hình mạng có thể được tối ưu hóa hiệu quả. Tìm kiếm một thiết kế ít tốn kém tối ưu của mạng lưới cống thoát nước là khó khăn vì nhiều giải pháp thay thế, nhiều hạn chế thủy lực và kỹ thuật phức tạp.

Hơn nữa, kích thước của mạng lưới cống thoát nước nhìn chung khá lớn, do đó việc tối ưu hóa quy mô lớn thường khó giải quyết, việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa là điều cần thiết. Để thiết kế mạng lưới cống, trước tiên cần xác định bố cục cơ sở của mạng. Để xác định bố cục cơ sở, thông tin hiện có như địa hình và kế hoạch khu vực mạng lưới cống thoát nước, bố trí các tiện ích khác, vị trí của các nhà máy xử lý nước thải và các hệ thống con hiện có khác nên được thu thập. Mục đích của thiết kế mạng lưới cống thoát nước tối ưu là tìm ra một giải pháp hiệu quả chi phí giúp giảm thiểu đầu tư vốn trong khi đảm bảo hiệu suất hệ thống tốt theo các tiêu chí thiết kế cụ thể.

Hai chi phí chính của mạng lưới cống thoát nước là chi phí đào đắp và chi phí đường ống, thường tạo ra các mục tiêu mâu thuẫn trong việc thiết kế mạng lưới cống thoát nước. Giảm kích thước đường ống thường sẽ dẫn đến sự gia tăng độ dốc của đường ống, làm tăng chi phí đào đắp.