Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống cơ sở hạ tầng thoát nước đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ môi trường đô thị và duy trì chất lượng cuộc sống của cộng đồng dân cư. Tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, mặc dù ngân sách địa phương đã đầu tư hàng chục ngàn tỷ đồng vào các dự án chống ngập và cải tạo kênh rạch, tình trạng ngập úng và ô nhiễm nguồn nước do quá tải nước thải sinh hoạt vẫn diễn biến phức tạp. Hiện trạng phần lớn hạ tầng kỹ thuật tại các đô thị Việt Nam vẫn là hệ thống thoát nước chung, trong đó cống thoát nước mưa kết hợp thu gom nước thải sinh hoạt, dẫn đến nguy cơ quá tải lưu lượng trong mùa mưa và phát tán dịch bệnh trong mùa khô. Việc quy hoạch, nâng cấp và chuyển đổi sang hệ thống thoát nước riêng biệt là yêu cầu cấp thiết nhằm đáp ứng mục tiêu phát triển đô thị bền vững.

Thách thức cốt lõi trong xây dựng mạng lưới cống thoát nước nằm ở bài toán kinh tế kỹ thuật: chi phí mua sắm đường ống và chi phí đào đắp, tái lập mặt bằng thường chiếm từ 70% đến 85% tổng mức đầu tư xây lắp. Hai thành phần chi phí này luôn mâu thuẫn trực tiếp với nhau, bởi việc giảm đường kính ống sẽ đòi hỏi tăng độ dốc thủy lực, kéo theo độ sâu chôn cống tăng và làm gia tăng khối lượng đào đất. Các phương pháp tối ưu hóa cổ điển như quy hoạch tuyến tính hay quy hoạch động thường gặp khó khăn trước bài toán phi tuyến quy mô lớn với nhiều biến số rời rạc.

Nghiên cứu của tác giả Võ Mỹ Nguyệt, bảo vệ thành công ngày 09 tháng 01 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, tập trung phát triển thuật toán lai ghép Bầy Salps - Chuồn Chuồn nhằm tối ưu hóa đồng thời đường kính ống, độ dốc và cao độ đáy cống. Đề tài thực hiện trên phạm vi 3 mạng lưới chuẩn quốc tế và mạng lưới thoát nước thải thực tế tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 09 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn to lớn khi giúp cắt giảm từ 5% đến 15% tổng chi phí xây dựng mạng lưới, đồng thời đảm bảo 100% các tiêu chuẩn thủy lực tự làm sạch và an toàn vận hành dài hạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng thủy lực công trình thu gom nước thải và lý thuyết tối ưu hóa thông minh theo đàn. Về mặt thủy lực, mạng lưới cống tự chảy tuân thủ phương trình dòng chảy đều Manning và phương trình liên tục, xác định vận tốc dòng chảy, lưu lượng và tỷ lệ đầy trong tiết diện ống tròn. Các khái niệm cốt lõi bao gồm:

  • Chi phí xây dựng mạng lưới: Tổng hàm mục tiêu bao gồm chi phí vật tư đường ống theo đường kính danh định, chi phí đào đắp đất theo các cấp độ sâu chôn cống, chi phí hố ga và hệ số phạt vi phạm ràng buộc kỹ thuật.
  • Ràng buộc thủy lực và thi công: Giới hạn vận tốc dòng chảy tối thiểu 0.6 m/s đến 0.7 m/s để ngăn ngừa lắng cặn, vận tốc tối đa 3.0 m/s để tránh xói mòn ống, độ sâu chôn cống tối thiểu từ 0.7 m đến 1.0 m để đảm bảo khả năng chịu tải trọng giao thông, cùng tỷ lệ chứa đầy không vượt quá 0.8.
  • Thuật toán bầy Salps: Thuật toán mô phỏng hành vi di chuyển và kiếm ăn theo chuỗi của loài Salp trong đại dương do Seyedali Mirjalili đề xuất năm 2017, nổi bật với khả năng khai thác nhanh nhờ cơ chế cá thể dẫn đầu và các cá thể bám đuôi.
  • Thuật toán Chuồn Chuồn: Mô hình trí tuệ bầy đàn do Mirjalili giới thiệu năm 2015, mô phỏng 5 hành vi di chuyển cơ bản gồm chia tách, căn chỉnh, gắn kết, tìm thức ăn và né tránh kẻ thù, mang lại khả năng thăm dò không gian tìm kiếm rộng lớn.
  • Mô hình lai ghép SSA-DA: Tích hợp cơ chế thăm dò đa dạng của thuật toán Chuồn Chuồn vào giai đoạn định hướng của thuật toán Bầy Salps, khắc phục hiện tượng mất cân bằng giữa tìm kiếm cục bộ và toàn cục.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô phỏng số thủy lực với phương pháp tối ưu hóa toán học hiện đại. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm tập dữ liệu tiêu chuẩn từ các công trình quốc tế đã công bố và dữ liệu khảo sát thực tế về cao độ địa hình, dân số, lưu lượng nước thải tại khu vực dân cư thuộc Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế chặt chẽ với 3 trường hợp mạng lưới chuẩn có quy mô và cấu trúc hình học khác nhau, cùng 1 mạng lưới thực tế đô thị gồm hàng chục tuyến cống nhánh và cống chính. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích, nhằm kiểm chứng thuật toán từ cấp độ lý thuyết chuẩn hóa đến điều kiện thi công phức tạp ngoài hiện trường.

Lý do lựa chọn phần mềm SWMM của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) kết hợp với môi trường lập trình MATLAB là vì SWMM cho phép giải chính xác phương trình sóng động thủy lực trong mạng lưới cống hở, trong khi MATLAB cung cấp nền tảng tính toán mạnh mẽ để thực thi thuật toán SSA-DA với 10 lần chạy độc lập cho mỗi kịch bản nhằm triệt tiêu yếu tố ngẫu nhiên. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, mô hình hóa và phân tích thống kê được hoàn thành trong chu kỳ 4 tháng cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm nghiệm mô hình lai ghép SSA-DA trên các bộ dữ liệu thực nghiệm đã mang lại những kết quả kỹ thuật vượt trội:

  • Nâng cao hiệu quả kinh tế so với thuật toán đơn lẻ: Thuật toán lai ghép SSA-DA cho kết quả tổng chi phí xây dựng thấp hơn từ 4.8% đến 12.3% so với việc chỉ sử dụng riêng lẻ thuật toán Bầy Salps hoặc thuật toán Chuồn Chuồn trên cùng điều kiện biên.
  • Vượt trội so với các thuật toán tiến hóa kinh điển: Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng giải thuật Di truyền (GA), Tối ưu hóa bầy hạt (PSO) hay Tối ưu hóa đàn kiến (ACO), mô hình SSA-DA tìm được điểm chi phí tối ưu toàn cục thấp hơn khoảng 3.5% đến 8.2%, đồng thời giảm số lượng vòng lặp cần thiết để hội tụ xuống dưới 200 thế hệ.
  • Độ ổn định và độ tin cậy thống kê cao: Qua 10 lần chạy độc lập trên mỗi kịch bản, độ lệch chuẩn của giá trị hàm mục tiêu từ thuật toán SSA-DA chỉ dao động trong khoảng 0.015 đến 0.038, thấp hơn 35% so với các thuật toán đối sánh, chứng minh tính ổn định tuyệt đối và không bị phụ thuộc vào quần thể khởi tạo ban đầu.
  • Hiệu quả ứng dụng thực tế tại Quận 12: Khi áp dụng vào bài toán thực tế của khu vực Quận 12, mô hình đã tối ưu hóa toàn bộ hệ thống đường kính cống và cao độ đặt cống, giúp giảm khoảng 8.5% chi phí đầu tư xây lắp so với phương án thiết kế truyền thống, tương đương tiết kiệm hàng trăm triệu đồng trên mỗi kilomet đường ống xây dựng mà vẫn duy trì 100% các đoạn cống nằm trong ngưỡng thủy lực an toàn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của mô hình bắt nguồn từ sự tương hỗ hoàn hảo giữa cơ chế dịch chuyển của bầy Salps và các toán tử bầy đàn của Chuồn Chuồn. Trong thuật toán SSA gốc, các cá thể phía sau di chuyển phụ thuộc tuyến tính vào cá thể đứng trước, dẫn đến nguy cơ hội tụ sớm và mắc kẹt tại các cực trị địa phương khi không gian tìm kiếm có nhiều ràng buộc phi tuyến. Việc tích hợp các yếu tố chia tách và né tránh kẻ thù từ thuật toán DA đã tạo ra các bước nhảy ngẫu nhiên có kiểm soát, giúp bầy đàn thoát khỏi vùng trũng cục bộ và nhanh chóng tiến về nghiệm tối ưu toàn cục.

So sánh với các nghiên cứu của Moeini & Afshar năm 2016 và Masoumi cùng cộng sự năm 2021, mô hình SSA-DA giải quyết tốt bài toán dung hòa giữa độ dốc đặt cống và kích thước hình học của ống dẫn. Các dữ liệu tối ưu hóa có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong hội tụ biểu thị biến thiên chi phí qua các thế hệ lặp, kết hợp với bảng tổng hợp trắc dọc thủy lực hiển thị chi tiết cao độ đáy cống, độ sâu chôn ống và biểu đồ phân bố vận tốc dòng chảy. Những bảng biểu và đồ thị này là cơ sở trực quan giúp kỹ sư thiết kế nhanh chóng nhận diện các đoạn cống có nguy cơ lắng cặn hoặc chịu áp lực đào sâu quá mức để kịp thời hiệu chỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và đầu tư xây dựng mạng lưới thoát nước đô thị:

  • Tích hợp công cụ SSA-DA vào quy trình tư vấn thiết kế hạ tầng kỹ thuật: Các đơn vị tư vấn thiết kế xây dựng cần chuyển đổi từ phương pháp tính toán bán thủ công hoặc tra bảng truyền thống sang sử dụng mô hình tối ưu hóa tự động hóa trên nền tảng MATLAB kết nối SWMM. Giải pháp này hướng tới mục tiêu rút ngắn 60% thời gian thiết kế cơ sở và tiết kiệm từ 8% đến 10% chi phí xây lắp trực tiếp. Thời gian triển khai áp dụng từ 6 đến 12 tháng, do các công ty tư vấn thiết kế và viện quy hoạch xây dựng chủ trì thực hiện.
  • Chuẩn hóa hệ thống cơ sở dữ liệu GIS và mô hình thủy lực đô thị: Cơ quan quản lý nhà nước cần xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa đồng bộ về cao độ địa hình, mạng lưới tiện ích ngầm và lưu lượng xả thải theo thời gian thực cho toàn bộ 22 quận, huyện và thành phố Thủ Đức thuộc TP.HCM. Mục tiêu hoàn thành 100% số hóa mạng lưới thoát nước trọng điểm trong vòng 24 tháng, do Sở Xây dựng phối hợp cùng Trung tâm Quản lý Hạ tầng Kỹ thuật TP.HCM thực hiện.
  • Ban hành lộ trình phân tách mạng lưới thoát nước riêng cho các đô thị phát triển: Ủy ban nhân dân TP.HCM và các Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng cần kiên quyết áp dụng thiết kế mạng lưới cống riêng biệt cho 100% các khu đô thị mới, đồng thời xây dựng kế hoạch cải tạo hệ thống cống gom nước thải cho các khu dân cư hiện hữu giai đoạn 2023 - 2030, ngăn chặn hoàn toàn việc xả thải trực tiếp ra kênh rạch.
  • Mở rộng nghiên cứu bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu: Nhóm các nhà khoa học và cơ sở đào tạo chuyên ngành Quản lý Xây dựng cần tiếp tục phát triển mô hình SSA-DA tích hợp thêm các hàm mục tiêu về chi phí vòng đời công trình (Life Cycle Cost - LCC), giảm thiểu phát thải carbon trong quá trình sản xuất vật liệu ống và đánh giá rủi ro ngập lụt dưới tác động của biến đổi khí hậu trong chu kỳ nghiên cứu 12 đến 18 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn hạ tầng kỹ thuật: Tài liệu cung cấp thuật toán và mã nguồn mô phỏng chi tiết, hỗ trợ các kỹ sư áp dụng trực tiếp vào việc xác định tối ưu kích thước đường kính ống, cao độ đặt cống và hướng tuyến thoát nước cho các đồ án quy hoạch hạ tầng đô thị.
  • Giám đốc dự án và chủ đầu tư xây dựng: Cung cấp khung phương pháp luận khoa học để thẩm định dự toán, tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư ban đầu, kiểm soát chi phí đào đắp hoàn trả mặt bằng và giảm thiểu phát sinh chi phí trong giai đoạn thi công mạng lưới cấp thoát nước.
  • Cán bộ quản lý quy hoạch tại các cơ quan nhà nước: Là căn cứ kỹ thuật vững chắc giúp Sở Xây dựng, các ban quản lý dự án thoát nước đô thị xây dựng tiêu chuẩn thiết kế, đánh giá tính khả thi kinh tế của các hồ sơ dự thầu và lập kế hoạch nâng cấp hạ tầng thoát nước thích ứng biến đổi khí hậu.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo học thuật giá trị về ứng dụng trí tuệ nhân tạo, giải thuật bầy đàn metaheuristic (SSA, DA) và mô hình liên kết thủy lực (SWMM) trong lĩnh vực Quản lý Xây dựng và Kỹ thuật Công trình Thủy.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao cần lai ghép thuật toán Bầy Salps với thuật toán Chuồn Chuồn trong tối ưu mạng lưới thoát nước? Thuật toán SSA tiêu chuẩn có tốc độ hội tụ nhanh nhưng dễ bị bẫy vào cực trị địa phương do sự phụ thuộc lớn vào con dẫn đầu. Thuật toán DA bổ sung cơ chế thăm dò đa hướng với 5 hành vi bầy đàn linh hoạt. Khi lai ghép thành SSA-DA, mô hình cân bằng hoàn hảo giữa thăm dò và khai thác, giúp giảm thêm khoảng 5% đến 12% chi phí xây dựng so với các thuật toán đơn lẻ.

  • Các điều kiện ràng buộc kỹ thuật nào được kiểm soát trong bài toán tối ưu? Mô hình kiểm soát đồng thời 4 ràng buộc thủy lực và thi công nghiêm ngặt gồm: vận tốc dòng chảy tối thiểu từ 0.6 m/s đến 0.7 m/s để tự làm sạch lòng cống, vận tốc tối đa 3.0 m/s để chống mài mòn kết cấu cống, độ sâu đặt cống tối thiểu từ 0.7 m đến 1.0 m để đảm bảo an toàn chịu lực mặt đường, và tỷ lệ chứa đầy d/D không vượt quá 0.8.

  • Phần mềm SWMM đóng vai trò gì trong quy trình tính toán của luận văn? Phần mềm SWMM của EPA đóng vai trò là công cụ mô phỏng động lực học chất lưu, thực hiện giải các phương trình thủy lực phức tạp để xác định chính xác lưu lượng, mực nước và vận tốc dòng chảy trong từng đoạn cống. Dữ liệu này được truyền sang môi trường MATLAB để thuật toán SSA-DA đánh giá hàm chi phí và phạt vi phạm.

  • Thuật toán SSA-DA có khả năng áp dụng cho các mạng lưới quy mô lớn hay không? Thuật toán hoàn toàn có khả năng áp dụng cho các mạng lưới quy mô lớn với hàng trăm nút và đoạn cống. Thực nghiệm trên 3 case study quốc tế và khu vực Quận 12 cho thấy SSA-DA có khả năng mở rộng tuyệt vời, duy trì tốc độ hội tụ dưới 200 vòng lặp và đạt độ ổn định cao qua 10 lần thử nghiệm độc lập.

  • Yếu tố nào chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng chi phí xây dựng mạng lưới cống? Trong cơ cấu tổng mức đầu tư, chi phí đào đất, vận chuyển và tái lập mặt bằng chiếm tỷ trọng lớn từ 50% đến 60%, trong khi chi phí vật tư ống cống chiếm từ 40% đến 50%. Tối ưu hóa độ dốc thủy lực để giảm chiều sâu chôn cống chính là chìa khóa then chốt mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất cho dự án.

Kết luận

  • Luận văn xây dựng thành công thuật toán lai ghép SSA-DA giải quyết bài toán tối ưu hóa phi tuyến phức tạp trong thiết kế mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt đô thị.
  • Mô hình giúp cắt giảm từ 4.8% đến 12.3% tổng chi phí đầu tư xây dựng mạng lưới so với các thuật toán truyền thống và thuật toán đơn lẻ.
  • Đảm bảo 100% các tiêu chí an toàn kỹ thuật về vận tốc dòng chảy tự làm sạch, độ dốc thủy lực và độ sâu bảo vệ kết cấu ống cống.
  • Ứng dụng thành công vào mạng lưới thực tế tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh, khẳng định tính khả thi vượt trội trong quản lý dự án xây dựng hạ tầng kỹ thuật đô thị.
  • Kế hoạch giai đoạn 2024 - 2025: Tiếp tục hoàn thiện bộ công cụ phần mềm tích hợp và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng.

Các cơ quan quản lý đô thị và doanh nghiệp tư vấn xây dựng nên chủ động ứng dụng ngay giải thuật tối ưu hóa thông minh SSA-DA vào công tác lập dự án để tối đa hóa hiệu quả nguồn vốn đầu tư công và thúc đẩy phát triển đô thị bền vững.