Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới (chuyên ngành: quy hoạch và quản lý tài nguyên nước)

Đây là một trong các đóng góp mới của luận án trong việc đề xuất cơ sở khoa

học mô hình hóa bài toán và phát triển, ứng dụng phương pháp tiến hóa sai

phân đa mục tiêu (MODE) để giải bài toán lập kế hoạch QLKT “tối ưu” HTT.

Nhờ phương pháp lập kế hoạch QLKT “tối ưu” này, các nguồn tài nguyên đất,

nước và cây trồng trên HTT được sử dụng hợp lý và hiệu quả nhất, tiết kiệm

nước, cây trồng được cung cấp nước theo khả năng tối đa của các công trình

đầu mối, góp phần tăng năng suất và sản lượng cây trồng. Kết quả ứng dụng mô

hình cho thấy có thể tiết kiệm được 19,74% lượng nước tưới cho HTT Phù Sa

trong vụ chiêm năm 2014, tương ứng giảm chi phí QLVH khoảng 4.552.188,8

đồng, đồng thời có thể tăng năng suất và sản lượng cây trồng lên 7,3%.

3. Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế trên

nền tảng công nghệ SCADA (IP Modem – RTU) hoàn toàn có thể đáp ứng tốt

yêu cầu cung cấp dịch vụ tưới: chính xác, tin cậy, linh hoạt và công bằng. Mô

hình này cho phép cập nhật thông tin tức thời hoặc định kỳ về các yếu tố khí

tượng, thủy văn, lớp nước mặt ruộng, độ ẩm trong tầng đất nuôi cây, mực nước

tại các vị trí cần thiết và những thông số làm việc của các công trình trên HTT.

Đồng thời, nó cho phép tính toán xác định yêu cầu nước của cây trồng, lập và

thực hiện kế hoạch tưới, kế hoạch vận hành một cách kịp thời và điều khiển

kiện thực tế. Nhờ đó nâng cao hiệu quả của các HTT và giảm các chi phí

QLVH. Kết quả kiểm chứng mô hình bằng số liệu thực tế năm 2011 và 2013

cho thấy có thể tiết kiệm được trên 23% lượng nước tưới. Kết quả ứng dụng mô

hình QLVH theo số liệu quan trắc tại HTT Phù Sa năm 2014 có thể tiết kiệm

được 25,98 % lượng nước tưới và nâng cao hệ số năng suất tương đối 8,25%.

pdf27 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 462 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới (chuyên ngành: quy hoạch và quản lý tài nguyên nước), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
hích nghi tính toán dự báo các yếu tố khí tượng, thủy văn trong QLVH với độ chính xác và tin cậy cao hơn hiện nay... 7 Các mô hình trên thế giới đòi hỏi kiến thức, kỹ năng CNTT cao và phải thạo tiếng Anh, Mô hình cùng phần mềm phải đơn giản, hỗ trợ theo tình huống (ngữ cảnh)... Định hướng nghiên cứu: Mô hình hiện đại hóa QLVH sẽ bao gồm 6 chức năng: 1. Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu” 2. Lập kế hoạch dùng nước 7 3. Lập kế hoạch vận hành hệ thống 4. Giám sát và điều khiển hệ thống tự động từ xa 5. Quản lý công trình 6. Đánh giá hiệu quả quản lý vận hành (Quản lý kinh tế). CHƢƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu 1. Nghiên cứu xây dựng mô hình lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” hệ thống tưới. 2. Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế (thời gian thực). 3. Nghiên cứu hiện đại hóa quản lý vận hành và giám sát, điều khiển hệ thống tưới thông qua mạng Internet và mạng viễn thông di động toàn cầu (Website GS&ĐK, phần mềm HĐH QLVH, cơ sở dữ liệu trực tuyến,...). 4. Nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển. Ngoài ra, 2 nội dung dưới đây cũng được đưa vào nghiên cứu kết hợp, lồng ghép với 4 nội dung trên để khép kín chu trình nâng cao hiệu quả QLKT: 5. Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý và vận hành các công trình trên hệ thống tưới. 6. Nghiên cứu cải tiến, phát triển bộ công cụ đánh giá hiệu quả quản lý khai thác và hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu quả của hệ thống tưới. 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tổng quát trong Luận án này là kết hợp lý luận với thực tiễn: điều tra, thu thập, quan trắc số liệu và thiết lập mô hình, phần mềm tính toán phân tích, mô phỏng trên máy vi tính cũng như trên mạng Internet và UMTS, rồi thử nghiệm kiểm chứng mô hình từng phần thông qua các số liệu đo đạc, quan trắc thực tế về quản lý vận hành các HTT [43]. 2.2.1 Phương pháp mô hình hóa 2.2.1.1 Mô hình hóa bài toán quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới Lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” HTT là bài toán thực tế phức tạp, đòi hỏi phải thiết lập một mô hình và quy trình tối ưu để giải bài toán theo 7 bước: * Bước 1: Phân tích xác định một cách định tính các mục tiêu cần đạt được trong QLKT, vận hành các HTT. * Bước 2: Xác định các điều kiện kỹ thuật, kinh tế, xã hội cần thoả mãn. * Bước 3: Xác định sơ bộ các thông số (biến số) có thể biểu thị trạng thái HTT. 8 * Bước 4: Lập sơ đồ khối biểu thị cấu trúc và cơ chế hoạt động của HTT. * Bước 5: Thiết lập những biểu thức toán học biểu thị các hàm mục tiêu thông qua các biến vào, biến ra và biến điều khiển. * Bước 6: Biểu thị các điều kiện ràng buộc bằng các biểu thức hoặc các bất đẳng thức toán học, thuỷ lực, thuỷ nông,... Bước 5 và 6 được thực hiện dựa trên cơ sở khoa học, lý thuyết toán học về bài toán quy hoạch phi tuyến đa mục tiêu [54]. * Bước 7: Đưa các hàm mục tiêu và những ràng buộc đã xác định (bước 5 và 6) về dạng chính tắc để giải bài toán quy hoạch phi tuyến tối ưu đa mục tiêu: min {F1(X, C, Y), F2(X, C, Y), ..., Fm(X, C, Y)} (2-1) C  S Với gj(C)  0 (2-2) Những năm gần đây, phương pháp tiến hóa sai phân đa mục tiêu (tiếng Anh là: Multi-objective differential evolution, được viết tắt là: MODE) được ứng dụng ngày càng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới với lý do là có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng, rất thích hợp cho việc lập trình và tính toán song song trên máy vi tính; cho phép tính toán tối ưu tất cả các hàm mục tiêu một cách đồng thời 2.2.1.2 Mô hình hóa bài toán quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc thực tế Thực chất của bài toán quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc thực tế hàng ngày là phải thường xuyên cung cấp nước đúng thời điểm, đúng khoảng thời gian cây trồng cần nước và đủ lượng nước theo nhu cầu sinh trưởng, phát triển (đúng như công thức tưới tăng sản). - Hàm mục tiêu: Chênh lệch giữa tổng lượng nước do HTT cung cấp tại mặt ruộng cho cây trồng và tổng nhu cầu nước thực tế của cây trồng phải là nhỏ nhất: | Wcc – Wyc |  Min (2-3) Trong đó: Wcc là tổng lượng nước do HTT cung cấp tại mặt ruộng. Wyc là tổng nhu cầu nước thực tế ở mặt ruộng của các loại cây trồng. - Ràng buộc chính là về lớp nước mặt ruộng và độ ẩm đất thực tế hàng ngày: phải luôn luôn nằm trong khoảng cho phép của công thức tưới tăng sản: [hmin] ≤ hi ≤ [hmax] và [min] ≤ i ≤ [max]. - Các thông số điều khiển trực tiếp là: số máy bơm làm việc, lưu lượng máy bơm, thời gian bơm nước của mỗi máy bơm; độ mở cửa cống lấy nước,... 9 Cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc là dựa trên phương trình cân bằng nước và căn cứ vào các số liệu quan trắc thực tế về lớp nước mặt ruộng (hci) cũng như độ ẩm đất (βci)... 2.2.2 Phương pháp dự báo thích nghi các yếu tố khí tượng, thuỷ văn Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới đang sử dụng khá phổ biến một số phương pháp dự báo KTTV dựa trên các mô hình thống kê hiện đại [60], [61]: 1. Các mô hình dự báo thích nghi 2. Các mô hình vật lý thống kê. Trong Luận án sử dụng ”Các phương pháp thích nghi trong dự đoán ngắn hạn” để dự báo các yếu tố khí tượng và thuỷ văn nguồn nước. Mô hình ARIMA viết ở dạng ngắn gọn như sau: ao(L).yt = b(L).zt hay a(L).D d yt = b(L).zt Các bước thực hiện phương pháp dự báo thích nghi theo ARIMA(p, d, q): * Kiểm định tính thuần nhất (tính dừng) của chuỗi số liệu: được thực hiện dựa trên các đồ thị ACF(k) và PACF(k, k) theo những bước trễ thời gian (k). * Xác định dạng mô hình thích hợp: Hai tham số p, q được xác định trên cơ sở phân tích những trị số đầu tiên khác 0 của đồ thị ACF(k), PACF(k, k) và sử dụng 3 tiêu chuẩn đánh giá: Akaike, BIC, HQ. * Ước lượng các hệ số (tham số) trong mô hình: Các hệ số trong mô hình dự báo là C, ai và bi được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu mở rộng (lặp dưới dạng quét) * Kiểm chứng và dự báo theo mô hình ARIMA(p, d, q) 2.2.3 Phương pháp lập trình Để đáp ứng những yêu cầu trong tính toán nhanh chóng, kịp thời và ngay lập tức trong QLVH và GS&ĐK, Luận án đã sử dụng phương pháp lập trình mạng Internet là chính. Ngôn ngữ lập trình là MS Visual Studio 2012 [62], chủ yếu nhất là Visual C# 2012 và Microsoft ASP.NET 4.5 [63] kết hợp với CSDL MS SQL Server 2012 [64]. Trong đó, lập trình websockets được sử dụng nhiều... 2.2.4 Phương pháp thí nghiệm, thực nghiệm Phương pháp thí nghiệm, thử nghiệm và thực nghiệm được sử dụng khi nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ SCADA QLVH các HTT: Các giao thức TCP/IP, Websockets giao tiếp giữa các thiết bị SCADA; Thiết bị truyền thông IP modem F2X14, vi xử lý F2X64 RTU; Các phần mềm chạy trên môi trường ASP.NET và máy chủ web. 10 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hiện đại hóa QLVH HTT 3.1.1 Mô hình hóa bài toán lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” 3.1.1.1 Mô hình hóa các hàm mục tiêu * Hàm mục tiêu 1: Tổng lợi ích thực thu do hệ thống tưới mang lại là lớn nhất: )13(max})M.zCnn(g.Y.Yr{SF v,cv,c 1c v,cv,cv,c v,c v 1v L cnn .    Trong đó: nv là tổng số vùng đất canh tác trên HTT. nc là tổng số loại cây trồng được tưới trên HTT. Sc,v là diện tích canh tác loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (ha). Yc,v là năng suất của loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (tấn/ha). gc,v là giá bán một tấn sản phẩm của loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (triệu đồng/tấn). Cnnc,v là chi phí sản xuất nông nghiệp cho 1 ha loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (triệu đồng/ha). z là giá thành 1 m 3 nước tại mặt ruộng. Mc,v là tổng mức tưới (mức tưới toàn vụ) cho loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v (m3/ha). Yrc,v là hệ số năng suất tương đối của loại cây trồng [65] thứ c trên vùng đất thứ v. Yrc,v được xác định theo công thức: Yrc,v = Yc,v / Ymaxc,v * Hàm mục tiêu 2: Tổng diện tích gieo trồng được tưới trên HTT là lớn nhất: )23(max cnn 1c v,c v 1v S SF    * Hàm mục tiêu 3: Tổng lượng nước tưới phải là ít nhất: )33(minM.SF v,c 1c v,c v 1v I cnn    * Hàm mục tiêu 4: Lượng nước thiếu hụt do khả năng cung cấp của hệ thống không đáp ứng các yêu cầu tưới phải là ít nhất (hay mức giảm sản là ít nhất): )43(min nt 1i iii t.QQF )( knycD    Trong đó: Qyci và Qkni là lưu lượng yêu cầu cần cung cấp và lưu lượng có thể cung cấp của hệ thống ở thời kỳ thứ i có Qkni < Qyci. 3.1.1.2 Các điều kiện ràng buộc * Những điều kiện ràng buộc về diện tích canh tác: 11 - Tổng diện tích sẽ gieo trồng các loại cây trồng trên một vùng đất canh tác thứ v nào đó trong một vụ không được lớn hơn diện tích đất canh tác Sv: SS v 1c v,c cn   (3-5) - Diện tích sẽ gieo trồng loại cây trồng c trên vùng đất canh tác thứ v nào đó trong một vụ phải nhỏ hơn diện tích lớn nhất cho phép [Smax]c,v và phải lớn hơn diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v để đáp ứng nhu cầu cần thiết về lương thực, thực phẩm của người dân và thị trường tiêu thụ: [Smin]c,v ≤ Sc,v ≤ [Smax]c,v (3-6) * Những ràng buộc về khả năng của công trình đầu mối và nguồn nước: Ràng buộc về khả năng của các công trình đầu mối bao gồm tất cả những thông số khống chế về máy bơm, cống lấy nước, kênh dẫn nước... * Những điều kiện ràng buộc về nông nghiệp: Ngày bắt đầu và kết thúc thời gian gieo trồng của một loại cây trồng trong một mùa vụ nào đó phải nằm trong khoảng cho phép về thời vụ theo nông lịch và điều kiện khí tượng, thuỷ văn: T0_c,v  Tc,v  Tc_c,v (3-7) Trong đó: T0_c,v là ngày cho phép có thể bắt đầu gieo trồng loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v trong vụ đó. Tc_c,v là ngày muộn nhất phải gieo trồng loại cây trồng thứ c trên vùng đất v... Tc,v là ngày gieo trồng loại cây trồng thứ c trên vùng đất thứ v... * Những điều kiện ràng buộc về kinh tế và thị trường: Những ràng buộc này luôn được kết hợp cùng với các ràng buộc (3-6) về diện tích lớn nhất cho phép [Smax]c,v và diện tích tối thiểu cần canh tác [Smin]c,v. * Những ràng buộc thực tế là các biến quyết định phải là những số không âm: Sc,v  0 (3-8) Mc,v  0 (3-9) Tc,v  0 (3-10). 3.1.1.3 Các biến (tham số) quyết định + Diện tích trồng trọt mỗi loại cây trồng trên từng loại đất khác nhau ở các vùng đất canh tác khác nhau: Sc,v. Tổng số biến quyết định Sc,v đó là nv x nc. + Thời gian (ngày bắt đầu) gieo trồng từng loại cây trồng vào đầu mỗi vụ trong năm và thời gian cấp nước cho các đối tượng khác: T0_c,v. Tổng số biến quyết định T0_c,v đó là nv x nc + nk với nk là tổng số các đối tượng khác... 12 Trong trường hợp HTT chỉ cung cấp nước tưới cho các loại cây trồng, tổng số biến quyết định trực tiếp sẽ bằng: nv x nc + nv x nc = 2 x (nv x nc)... 3.1.1.4 Các kết quả đầu ra Ngoài các kết quả đầu ra là những biến quyết định (mục 3.1.1.3) còn có cả 2 nhóm kết quả đầu ra quan trọng nữa là: Kế hoạch dùng nước của HTT, chế độ tưới cho các loại loại cây trồng và Kế hoạch vận hành các công trình đầu mối... 3.1.1.5 Kết quả nghiên cứu phát triển và mở rộng thuật toán lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ hệ thống tưới * Bước 1: Khởi tạo một tập hợp các phương án (lời giải) ban đầu Tạo ra một tập hợp có Ns phương án một cách ngẫu nhiên theo phân phối (xác suất) đều trong phạm vi cho phép của các biến quyết định Sc,v và To_c,,v. - Tính toán xác định các mức tưới toàn vụ Mc,v (các chế độ tưới), Qyc ~ t đầu HTT và quá trình lưu lượng mà hệ thống có thể cung cấp: Qkn ~ t. - Gán chỉ số thế hệ tính toán: g = 1. Ký hiệu các phương án ban đầu là Cs,g với s = 1, 2, ..., 2 x (nv x nc), g = 1, 2, ..., Ng với Ng là số thế hệ tính toán cần thiết... * Bước 2: Tính toán giá trị các hàm mục tiêu của các phương án ban đầu Tính toán các hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo các biểu thức 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 với s = 1, 2, ..., 2 x (nv x nc). * Bước 3: Tính toán tạo ra các phương án đột biến - Ứng với một phương án thứ s nào đó ở thế hệ tính toán thứ g (ký hiệu là Cs,g), lựa chọn một cách ngẫu nhiên 3 phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g khác nhau và khác với phương án Cs,g. - Tính toán xác định các phương án đột biến: Vs,g+1 = Cr1,g + F.(Cr2,g – Cr3,g) Trong đó: F > 0 là hệ số tỉ lệ đột biến, có thể chọn F trong khoảng [0,5  1,0]. Với các biến quyết định Mc,v trong toán tử Vs,g+1 không tính trực tiếp từ 3 phương án cha Cr1,g, Cr2,g, Cr3,g mà trước hết phải tính toán xác định To_c,v rồi mới tính ra Mc,v cho các toán tử Vs,g+1. (Đây là phần thuật toán được tác giả Luận án phát triển và mở rộng). * Bước 4: Tính toán xác định các phương án trao đổi chéo và các hàm mục tiêu - Với mỗi phương án Cs,g và phương án đột biến Vs,g+1 tương ứng được tạo ra ở bước 3, tiến hành tính toán xác định các phương án trao đổi chéo Us,g+1: Us,g+1 = ud,s,g+1 = vd,s,g+1 nếu rd ≤ Cr hoặc d = drnd Us,g+1 = ud,s,g+1 = cd,s,g nếu rd > Cr và d  drnd. cd,s,g, vd,s,g+1, ud,s,g+1 là biến số thứ d lần lượt của phương án Cs,g, phương án đột biến Vs,g+1 và phương án trao đổi chéo Us,g+1. 13 - Tính toán xác định giá trị các hàm mục tiêu FLs,g, FSs,g, FIs,g, FDs,g theo các biểu thức 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 cho từng phương án trao đổi chéo (s = 1, 2, ..., 2 x (nv x nc). Cũng để tiện cho việc lập trình tính toán, ký hiệu Fu_1,s,g+1(Us,g+1) = FLs,g, Fu_2,s,g+1(Us,g+1) = FSs,g, Fu_3,s,g+1(Us,g+1) = FIs,g, Fu_4,s,g+1(Us,g+1) = FDs,g. * Bước 5: Tính toán chọn lọc các phương án cho thế hệ kế tiếp - So sánh giá trị hàm mục tiêu của các phương án trao đổi chéo Fu_i,s,g+1(Us,g+1) với các phương án cha tương ứng Fi,s,g(Cs,g), trong đó chỉ số i = 1, 2, 3, 4: + Nếu Fu_i,s,g+1(Us,g+1) trội hơn Fi,s,g(Cs,g) và các điều kiện ràng buộc không bị vi phạm hoặc phương án Cs,g vi phạm một trong các điều kiện ràng buộc thì chọn phương án Us,g+1 cho thế hệ kế tiếp: Cs,g+1 = Us,g+1. + Nếu không phải như trên hoặc phương án Us,g+1 vi phạm một trong các điều kiện ràng buộc thì chọn phương án Cs,g cho thế hệ tiếp theo: Cs,g+1 = Cs,g. * Bước 6: Kiểm tra điều kiện dừng tính toán - Tăng chỉ số phương án s thêm 1 đơn vị: s = s + 1. - Nếu s ≤ Ns thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu s > Ns thì tăng g = g + 1. - Tăng chỉ số phương án s thêm 1 đơn vị: s = s + 1. - Nếu s ≤ Ns thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu s > Ns thì tăng g = g + 1. - Nếu g ≤ Ng thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu g > Ng thì chuyển sang bước 7. * Bước 7: Tính toán xác định các phương án tối ưu Pareto - Phân loại các phương án ở thế hệ thứ Ng theo phương pháp sắp xếp không trội: sử dụng thuật toán sắp xếp nhanh các phương án tối ưu Pareto: FAFNDS... Sơ đồ thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng như ở hình 3.2. Hình 3.2: Thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng 14 - Nếu g ≤ Ng thì trở lại tính toán từ bước 3. Nếu g > Ng thì chuyển sang bước 7. * Bước 7: Tính toán xác định các phương án tối ưu Pareto - Phân loại các phương án ở thế hệ thứ Ng theo phương pháp sắp xếp không trội: sử dụng thuật toán sắp xếp nhanh các phương án tối ưu Pareto: FAFNDS... Sơ đồ thuật toán tiến hóa sai phân đa mục tiêu mở rộng như ở h/ình 3.2. 3.1.1.6 Kết quả xây dựng phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu” Chương trình phần mềm lập kế hoạch quản lý khai thác “tối ưu“ HTT được lập trình chủ yếu bằng ngôn ngữ Microsoft Visual C# 2012 và Microsoft ASP.NET 4.5 kết hợp với hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ Microsoft SQL Server 2012. Các mã (codes) chương trình đã viết cho bài toán tổng quát nên có thể sử dụng cho mọi hệ thống tưới. Trong phụ lục 5 có in ra các mã lập trình đó. 3.1.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc (thời gian thực) 3.1.2.1 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ giám sát, cập nhật số liệu quan trắc thực tế Trang web là công cụ nền tảng cho việc cập nhật các số liệu quan trắc. Máy chủ web (webserver) sẽ định kỳ gửi những “gói tin“ đến các IP modem RTU nhờ giao thức Internet (TCP/IP) để yêu cầu chúng gửi về các trị số quan trắc được tại các thiết bị cảm biến đặt trên HTT rồi hiển thị lên website 3.1.2.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ xa Bộ công cụ điều khiển hệ thống tưới tự động từ xa đã được xây dựng bao gồm: website máy chủ web, phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành (HĐHQLVH), cơ sở dữ liệu trực tuyến, các thiết bị IP modem RTU,... Cơ cấu, chức năng các thành phần và phương thức sử dụng những công cụ đó được thể hiện như trên hình 3.8. 3.1.3 Kết quả nghiên cứu hiện đại hóa quản lý vận hành và giám sát, điều khiển hệ thống tưới thông qua mạng Internet và hệ thống viễn thông di động toàn cầu 3.1.3.1 Trang web hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Về cơ bản, trang web không những là một website động hướng cơ sở dữ liệu SQL Server mà còn có đầy đủ các chức năng của một chương trình phần mềm chuyên dụng nhưng chạy trên môi trường 15 mạng Internet [66]. Ngôn ngữ lập trình website là Microsoft ASP.NET 4.5 (ngôn ngữ kịch bản trên máy chủ web) kết hợp với hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server 2012. Các trình đơn (menu) chính của website là: Trang chủ; Cơ sở dữ liệu; Mô hình HĐH quản lý vận hành; Hiện đại hóa QLVH các HTTL; Diễn đàn; Giảng dạy và Đào tạo; Quản trị; Liên hệ; và nhiều chuyên mục khác hỗ trợ QLVH như chuyên mục Dự báo thời tiết, Liên kết... Hình 3.8: Mô hình quản lý vận hành hệ thống tưới theo số liệu quan trắc 3.1.3.2 Cơ sở dữ liệu trực tuyến Cơ sở dữ liệu hiện đại hóa quản lý vận hành HTT được xây dựng trên nền tảng hệ quản trị cơ sở dữ liệu dùng chung Microsoft SQL Server 2012 để đáp ứng yêu cầu tương tác, truy xuất dữ liệu từ tầng thứ nhất trong mô hình nhiều tầng (N Tiers). Hai bảng chính của cơ sở dữ liệu hiendaihoaqlvh_com_db là OnMs về vận hành công trình và MnMs về quản lý công trình, đánh giá hiệu quả... 16 3.1.3.3 Kết quả xây dựng giao diện giám sát, điều khiển và phần mềm hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Giao diện giám sát và điều khiển được xây dựng trong trường hợp tổng quát nên có thể ứng dụng cho mọi hệ thống tưới. Người quản lý có thể dễ dàng thay đổi, bổ sung số chỉ số cần giám sát và số tham số cần điều khiển cũng như tên thực của các chỉ số và tham số đó. Phần mềm HĐHQLVH sẽ tính toán lập kế hoạch phân phối nước và các thông số vận hành máy bơm hay cửa cống dựa vào những số liệu đang hiển thị trên giao diện do các thiết bị giám sát, đo đạc gửi về. Những người quản lý sẽ có được các thông báo về kế hoạch và các thông số vận hành, các cảnh báo, báo động sự cố khi xảy ra. Khi đó, họ sẽ quyết định thực hiện các thao tác nhấn nút cần thiết và máy chủ web sẽ ra lệnh cho các thiết bị điều khiển thực hiện... Hình 3.11: Giao diện GS&ĐK trên trang web 3.1.3.4 Kết quả nghiên cứu từng bước hiện đại hóa giám sát, điều khiển cho các HTT đang được quản lý vận hành bằng thủ công và giai đoạn quá độ tiến tới tự động hóa Kết quả nghiên cứu sử dụng công nghệ “LINQ to SQL“ và phương thức truyền thông tin qua mạng Internet cho phép những người quản lý có thể cập nhật các dữ liệu về lớp nước mặt ruộng, độ ẩm đất và các yếu tố khí tượng, thủy văn từ bất cứ nơi đâu và bất cứ lúc nào có máy tính hoặc điện thoại di động kết nối 17 Internet. Các số liệu được cập nhật đó sẽ ngay lập tức được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu MS SQL Server trên máy chủ web. 3.1.4 Kết quả nghiên cứu ứng dụng, phát triển công nghệ giám sát và điều khiển hệ thống tưới 3.1.4.1 Kết quả phát triển, ứng dụng công nghệ giám sát và điều khiển HTT theo hướng truyền thông hiện đại và lựa chọn thiết bị GS&ĐK đi kèm hợp lý Kết quả nghiên cứu chuyên sâu là phát triển giao thức TCP Socket (công nghệ giao thức kiểm soát truyền thông) cho các giao diện web (ASP.NET web forms) giao tiếp với modem F2X64 (8 cổng I/O và 4 rơle đầu ra 24 VDC - 220 VAC,...). Chu trình và các bước phát triển ứng dụng công nghệ WebSockets như đã trình bày ở mục 3.1.3.3. Các codes lập trình xây dựng phần mềm kết nối, giao tiếp thiết bị như ở trang 92 trong Luận án toàn văn. 3.1.4.2 Kết quả nghiên cứu xây dựng bộ công cụ thực hiện hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí cho các công ty QLKT CTTL Bộ công cụ triển khai, thực hiện hiện đại hóa quản lý vận hành miễn phí giúp cho các công ty QLKT CTTL tạo ra một giao diện quản lý vận hành và giám sát, điều khiển HTT của họ với nhiều chức năng tinh xảo như đã trình bày trong các phần trên đây. Có thể thực hiện theo 3 bước độc lập sau đây từ thủ công cho đến tự động giám sát và điều khiển tự động từ xa: * Bước 1: Thiết lập hệ thống giám sát và điều khiển theo số liệu được đo đạc, quan sát bằng thủ công (vẫn dùng các thước thủy trí đo đạc mực nước và đóng ngắt các công tắc vận hành bằng tay). * Bước 2: Thiết lập các trạm giám sát và điều khiển cục bộ tại các công trình thủy lợi chủ chốt. * Bước 3: Thiết lập hệ thống GS&ĐK tự động từ xa các công trình thủy lợi 3.1.5 Kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trực tuyến phục vụ công tác quản lý các công trình trên hệ thống tưới Kết quả nghiên cứu xây dựng được giao diện quản lý các công trình trực tuyến (trên Internet) bao gồm bản đồ số hóa các công trình và cơ sở dữ liệu được hiển thị thông qua các bảng truy xuất, cập nhật. Người quản lý HTT chỉ việc dịch chuyển mũi tên con trỏ đến một vị trí công trình nào đó là có ngay các thông tin về công trình đó. Công cụ theo dõi lịch duy tu, sửa chữa định kỳ các công trình 18 trên HTT và nhắc việc tự động qua website Hàng ngày, người quản lý sẽ được thông báo tự động về các công trình đã đến thời hạn phải sửa chữa định kỳ (ngày tháng đến hạn, kinh phí cần cho công tác sửa chữa định kỳ, đơn vị thực hiện,). 3.1.6 Kết quả nghiên cứu cải tiến, phát triển bộ công cụ đánh giá hiệu quả quản lý khai thác và hỗ trợ chu trình nâng cao hiệu quả của hệ thống tưới Trong Luận án đã cải tiến, đề xuất bổ sung thêm 3 chỉ số mới dùng cho việc đánh giá hiệu quả cung cấp dịch vụ tưới nhất là khi HTT được hiện đại hóa công tác QLVH: 1. Hệ số cung cấp đủ nước theo nhu cầu dùng nước (Kcđ). 2. Mức độ cung cấp nước đúng thời điểm cần nước (Tcl). 3. Hệ số cung cấp nước đồng đều (Kđđ). Kết quả tổng hợp lựa chọn 26 chỉ số để đánh giá hiệu quả QLKT các HTT như trong bảng 3.2. Bộ công cụ đánh giá các chỉ số hiệu quả QLKT và hỗ trợ nâng cao hiệu quả quản lý khai thác các HTT bao gồm: - Giao diện trang web tính toán nhanh bộ chỉ số đánh giá hiệu quả và tương tác phân tích, xác định những giải pháp khả thi. - Phần mềm tính toán bộ chỉ số đánh giá hiệu quả của HTT và so sánh với các chỉ tiêu phấn đấu có thể đạt được - Cơ sở dữ liệu dùng chung 3.1.7 Kết quả tổng hợp và liên kết các thành phần trong mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Từ những kết quả nghiên cứu được trình bày trong chương này có thể tổng hợp và liên kết các thành phần của mô hình hiện đại hóa QLVH như trên hình 3.28. Ba chức năng: Lập kế hoạch quản lý khai thác tài nguyên ”tối ưu”, Lập kế hoạch dùng nước và Tính toán lập kế hoạch vận hành hệ thống được thực hiện (bước 1, 2, 3 và 4) thông qua việc giải quyết bài toán quy hoạch phi tuyến tối ưu 4 mục tiêu (FL, FS, FI, FD) theo thuật toán MODE mở rộng. Bốn thành phần: 5, 6, 7 và 8 của mô hình HĐH QLVH sẽ thực hiện chức năng GS&ĐK tự động từ xa. Trong đó, trang web 19 và hệ thống SCADA (IP Modem + RTU) là công cụ quan trọng nhất cho việc giám sát và điều khiển HTT tự động từ xa. Hình 3.28: Mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành hệ thống tưới Như trên, chức năng quản lý nước của các công ty QLKT CTTL sẽ được thực hiện thông qua 8 thành phần đầu tiên của mô hình hiện đại hóa QLVH: bắt đầu với bài toán quy hoạch phi tuyến tối ưu 4 mục tiêu (FL, FS, FI, FD) cho đến bước điều khiển hệ thống tưới. Một trong các cơ sở khoa học và thực tiễn cho công tác quản lý nước ở đây là mô hình quản lý vận hành HTT theo số liệu quan trắc (thời gian thực)... Thành phần thứ 9 của mô hình hiện đại hóa QLVH thực hiện chức năng quản lý công trình. Chức năng quản lý kinh tế (Đánh giá hiệu quả QLKT) được thực hiện nhờ thành phần cuối cùng của mô hình HĐH QLVH. 3.2 Kết quả ứng dụng mô hình hiện đại hóa quản lý vận hành HTT 3.2.1 Địa điểm ứng dụng mô hình HTT Phù Sa được chọn làm địa điểm chính cho việc nghiên cứu xây dựng và ứng dụng mô hình HĐH QLVH vì có các đặc điểm địa hình, khí hậu, diện tích canh tác, cây trồng, thể loại công trình đầu mối, quy trình QLVH, cơ sở hạ tầng về truyền thông khá đại diện cho nhiều HTT vùng đồng bằng ven sông 20 3.2.2 Kết quả lập kế hoạch quản lý khai thác ”tối ưu” hệ thống tưới Phù Sa (năm 2014) 3.2.2.1 Các số liệu đầu vào - Tài liệu dự báo khí tượng và thủy văn theo mô hình ARIMA: Kết quả xác định tham số p, d, q và các thông số

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftomtatlats_ngodanghai_tiengviet_2016_8354_1854460.pdf
Tài liệu liên quan