Tài liệu ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong dự báo ống vỡ trên mạng lưới cấp nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- HỒ ĐẮC BẢO ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO TRONG DỰ BÁO ỐNG VỠ TRÊN MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC APPLICATION OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS TO PREDICT PIPE FAILURE IN WATER SUPPLY NETWORK Chuyên ngành : Kỹ Thuật Công Trình Biển. Mã số: 60580203. LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 2 năm 2021. i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN QUANG TRƯỞNG Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHẠM THỊ MINH LÀNH Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. LÊ ĐÌNH HỒNG Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HỒ TUẤN ĐỨC Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 1 tháng 2 năm 2021. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. CHỦ TỊCH: PGS. TS. NGUYỄN THỐNG 2. THƯ KÝ: TS. TRẦN HẢI YẾN. 3. PHẢN BIỆN 1: TS. LÊ ĐÌNH HỒNG 4. PHẢN BIỆN 2: TS. LÊ ĐÌNH HỒNG 5. ỦY VIÊN: TS. TRƯƠNG CHÍ HIỀN Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS. TS. NGUYỄN THỐNG ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Đắc Bảo. MSHV: 1770069. Ngày, tháng, năm sinh: 19/06/1994. Nơi sinh: Điện Trung, Điện Bàn, Quảng Nam. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Công Trình Biển. Mã số : 60580203. I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng Dụng Mạng Nơron Nhân Tạo Trong Dự Báo Ống Vỡ Trên Mạng Lưới Cấp Nước. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thu thập và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu về mạng nơron nhân tạo và các mô hình dự báo ống vỡ trên hệ thống cấp nước từ đó đề xuất mô hình dự báo áp dụng mạng nơron nhân tạo. - Thu thập tài liệu ống vỡ trên mạng lưới cấp nước DMA 17 Trung An, Quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh. Phân tích và đánh giá dữ liệu đưa vào mô hình đã đề xuất ở trên. - Tổng kết và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/09/2020. IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/01/2021. V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN - TS. NGUYỄN QUANG TRƯỞNG - TS. PHẠM THỊ MINH LÀNH Tp. HCM, ngày 21 tháng 9 năm 2020. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) PHẠM THỊ MINH LÀNH NGUYỄN QUANG TRƯỞNG (Họ tên và chữ ký) LÂM VĂN PHONG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là nội dung quan trọng nhất và kết quả của quá trình đào tạo Sau Đại học. Đây là thành quả hơn 2 năm học hỏi kiến thức và cũng là cơ hội để học viên nâng cao vả trang bị nhiều kiến thức chuyên ngành, khoa học. Trong quá trình học tập và công tác, em có tìm hiểu và cảm thấy hứng thú về một lĩnh vực khá mới và đang trên đà phát triển là lĩnh vực ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong dự báo ống vỡ trên mạng lưới cấp nước. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Ứng Dụng Mạng Nơron Nhân Tạo Trong Dự Báo Ống Vỡ Trên Mạng Lưới Cấp Nước”. Do tìm hiểu một trong những lĩnh vực hoàn toàn mới, cộng với thời gian thực hiện luận văn tương đối hạn hẹp nên em đã gặp không ít khó khăn trong quá trình tiếp cận và thực hiện đề tài tốt nghiệp. Để có thể hoàn thành được đề tài luận văn này ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân em còn rất may mắn nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM, Đại Học Kiến Trúc Tp. HCM đặc biệt là các Thầy Cô trong Bộ Môn Cảng – Công trình biển, Bộ Môn Tài Nguyên Nước. Vì vậy em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô của Bộ môn Cảng – Công trình Biển, Bộ Môn Tài Nguyên Nước đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, em muốn gửi lời cảm ơn đến Giáo viên hướng dẫn là Thầy TS. Nguyễn Quang Trưởng và Cô TS. Phạm Thị Minh Lành vì đã theo sát em trong suốt quá trình thực hiện luận văn, hỗ trợ tận tình cho em không chỉ về kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm làm việc mà cả những lời động viên để em vượt qua khó khăn và đạt được thành quả ngày hôm nay. Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS. Nguyễn Danh Thảo, Thầy TS. Lưu Xuân Lộc, Thầy PGS.TS. Lương Văn Hải, Thầy PGS.TS. Huỳnh Thanh Sơn, Thầy PGS.TS. Nguyễn Thống, Cô ThS. Đoàn Đình Tuyết Trang, Thầy TS. Trần Thu Tâm, Thầy ThS. Lâm Văn Phong … đã giảng dạy và giúp đỡ em trong học tập. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Nhưng do luận văn tiếp cận một đề tài còn khá mới mẻ, bản thân em kiến thức còn hạn chế, thiếu kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của Thầy Cô, các anh chị và các bạn quan tâm để luận văn được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn! iv TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Rò rỉ nước trên mạng lưới vẫn đang là vấn đề cần giải quyết của các công ty cấp nước, một trong những nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ống vỡ. Các mô hình dự báo nguy cơ ống vỡ cũng không ngừng được cải thiện để dự báo vị trí ống vỡ một cách chính xác và nhanh chóng. Với mục tiêu phát triển một mô hình tốt hơn và có thể ứng dụng vào thực tế, trong nghiên cứu này đã đề xuất sử dụng mô hình mạng nơron nhân tạo để dự báo ống vỡ. Mô hình đề xuất được kiểm chứng bằng mạng lưới cấp nước DMA17 Trung An thuộc phường 17, quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Minh, đánh giá kết quả dự báo bằng chỉ số AUC đã cho thấy mô hình đề xuất đạt chất lượng rất tốt. ABSTRACT Water leakage on the water supply network is still a problem to be solved by water supply companies, one of the main causes of this phenomenon is due to pipe failure. Prediction models of water pipe failure are also constantly being improved to accurately and quickly to predict the position of pipe leakage. With the aim of developing a better model and can be applied in fact, This study proposed application of the neural network model to predict pipe failure on water supply network. The proposed model is verified by the water supply network in ward 17 (DMA17) Trung An, Go Vap district, Ho Minh city, evaluating this model results with the AUC standard shows that the proposed model is of very good quality. v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận văn này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tp HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2021 Tác giả luận văn Hồ Đắc Bảo. vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ..................................................................... iii CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ........................................................................................... iii CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ......................................................................... iii (Họ tên và chữ ký) ......................................................................................................... iii GIỚI THIỆU……………………………………………………………………………1 1. Tính cấp thiết của nghiên cứu ............................................................................1 2. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của nghiên cứu ...........................................5 * Mục tiêu ....................................................................................................................6 3. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................ 6 4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................6 5. Cấu trúc luận án .................................................................................................8 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO ỐNG VỠ TRÊN MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC (MLCN)..............................................................................9 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về khả năng ống vỡ trên MLCN ..........9 Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước về ống vỡ trên MLCN .......................10 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện vỡ ống trên MLCN ......................10 1.2.2 Các mô hình dự báo ống vỡ............................................................... 14 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN .......................20 Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới sự kiện ống vỡ trên MLCN ......................20 2.1.1 Đặc trưng cho nguyên nhân vỡ từ bên trong ống .............................. 21 2.1.2 Đặc trưng cho nguyên nhân vỡ từ bên ngoài ống.............................. 22 2.1.3 Lịch sử vỡ ống (Prior) .......................................................................22 2.1.4 Phương pháp xác định kích thước mẫu .............................................22 Phương pháp đánh giá chất lượng mô hình dự báo ống vỡ trên MLCN .........23 Các công cụ sử dụng ........................................................................................24 2.3.1 Sơ lược về phần mềm R-Studio.........................................................24 2.3.2 Công cụ nntool trong phần mềm MATLAB .....................................26 vii Xây dựng mô hình ANN dự báo ống vỡ trên MLCN ......................................28 2.4.1 Lựa chọn mạng nơ ron nhân tạo ........................................................28 2.4.2 Mô hình ANN dự báo ống vỡ trên MLCN ........................................36 Đề xuất quy trình dự báo khả năng ống vỡ trên MLCN ..................................38 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ANN DỰ BÁO ỐNG VỠ CHO MLCN THỰC TẾ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................................40 Cơ sở lựa chọn khu vực nghiên cứu ................................................................ 40 Giới thiệu MLCN khu vực Trung An, quận Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh..........................................................................................................................40 3.2.1 Thu thập số liệu DMA 17 Trung An .................................................42 3.2.2 Mô tả số liệu MLCN DMA 17 Trung An .........................................44 Áp dụng mô hình ANN dự báo nguy cơ ống vỡ trên DMA17 Trung An .......48 3.3.1 Chuẩn bị dữ liệu cho mô hình ........................................................... 48 3.3.2 Thiết lập ANN bằng công cụ nntool trong MATLAB ......................49 3.3.3 Số nơ ron ẩn tối ưu cho ANN dự báo ống vỡ trên DMA17 Trung An 50 3.3.4 Kết quả mô hình ANN dự báo ống vỡ ..............................................51 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 56 Kết luận ............................................................................................................56 Những đóng góp mới của luận văn ..................................................................56 Kiến nghị ..........................................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 60 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Tỉ lệ thất thoát (%) của các công ty cấp nước thuộc Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn [42] ...........................................................................................................................4 Hình 1. 1 Tổng hợp nghiên cứu dự báo ống vỡ trên MLCN theo thời gian..................11 Hình 1. 2 Nội dung nghiên cứu dự báo ống vỡ trên MLCN. ........................................18 Hình 1. 3 Phần mềm QGIS. ........................................................................................... 19 Hình 2. 1 Nguyên nhân dẫn đến ống vỡ trên mạng lưới cấp nước (MLCN)………….20 Hình 2. 2 Phần mềm R-Studio. ......................................................................................25 Hình 2. 3 Phần mềm MATLAB R2017A. .....................................................................27 Hình 2. 4 Công cụ nntool để xây dựng mạng nơron nhân tạo (ANN) trong MATLAB .......................................................................................................................................28 Hình 2. 5 Cấu trúc một nơron sinh học và một nơron nhân tạo ....................................29 Hình 2. 6 Hàm Sigmoid. ................................................................................................ 31 Hình 2. 7 Mạng nơron nhân tạo .....................................................................................33 Hình 2. 8 Quá trình học của mạng nơron nhân tạo .......................................................34 Hình 2. 9 Mô hình ANN dự báo ống vỡ ........................................................................37 Hình 2. 10 Quy trình dự báo ống vỡ..............................................................................39 Hình 2. 10 Quy trình dự báo ống vỡ…………………………………………………..39 Hình 3. 1 Tổng quan về 3 quận, huyện công ty Trung An quản lý cấp nước…………40 Hình 3. 2 Đồng hồ nước và sản lượng tiêu thụ nước từ năm 2006 – 2019 của công ty Trung An . [43]. .............................................................................................................41 Hình 3. 3 Vật liệu và chiều dài ống trong MLCN của công ty Trung An. ...................42 Hình 3. 4 Dữ liệu GIS của mạng lưới cấp nước khu vực Gò Vấp. ............................... 43 Hình 3. 5 Hình ảnh GIS của mạng lưới cấp nướcquận Gò Vấp. ...................................44 Hình 3. 6 Tỉ lệ ống vỡ qua 6 năm và tỉ lệ chiều dài của từng loại vật liệu trong DMA17 .......................................................................................................................................45 Hình 3. 7 Mô tả số liệu DMA17 mạng lưới cấp nước Trung An ..................................47 Hình 3. 8 Công cụ nntool trong MATLAB tính toán ANN. .........................................49 Hình 3. 9 Các bước sử dụng công cụ nntool trong MATLAB. .....................................50 Hình 3. 10 Chỉ số AUC của các mô hình ANN có số lớp ẩn khác nhau. ....................51 Hình 3. 11 Giá trị MSE của mô hình ANN 13 nơron ẩn. ..............................................52 ix Hình 3. 12 Bề mặt lỗi của mô hình ANN 13 nơron ẩn. .................................................52 Hình 3. 13 Đường cong ROC và AUC của mô hình ANN 13 nơron ẩn .......................53 Hình 3. 14 Giá trị trọng số trong ANN ..........................................................................54 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Tuổi thọ đường ống [42] ...................................................................................4 Bảng 1. 1 Tuổi thọ đường ống [42]……………………………………………………4 Bảng 2. 1 So sánh kết quả mô hình dự báo và thực tế…………………………………23 Bảng 2. 2 Diện tích dưới đường cong (AUC) để đánh giá hiệu suất của mô hình........24 Bảng 3. 1 Tổng chiều dài mạng lưới qua các năm…………………………………….44 Bảng 3. 2 Mô tả ảnh hưởng của các yếu tố tới sự kiện ống vỡ. ...................................46 Bảng 3. 3 Dữ liệu mẫu sử dụng cho mô hình dự báo ống vỡ quận Gò Vấp. ................47 Bảng 3. 4 Dữ liệu đích và huấn luyện để luyện ANN ..................................................48 Bảng 3. 5 Dữ liệu kiểm tra ANN và dữ liệu thực tế của biến F tương ứng .................48 Bảng 3. 6 Kết quả dự báo của mô hình ANN 13 nơron ẩn ..........................................53 Bảng 3. 7 Kết quả dự báo của mô hình ANN ................................................................ 54 xi GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của nghiên cứu Hiện nay, trong quá trình hoạt động của các hệ thống cấp nước luôn xảy ra hiện tượng nước bị thất thoát một lượng nhất định. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến thất thoát nước trong đó chủ yếu là do nguyên nhân kỹ thuật như: rò rỉ trên mạng lưới tuyến ống cấp nước, thi công không đúng kỹ thuật, vỡ ống do đào đường, ăn cắp nước sạch… Trên thực tế cho thấy thất thoát nước phần lớn là do rò rỉ trên đường ống vì đường ống cấp nước được chôn ngầm dưới nền đất nên công tác tìm kiếm rò rỉ rất khó khăn. Đây là vấn đề vô cùng khó khăn đối với tất cả các đơn vị cấp nước và là một đề tài nóng bỏng trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam. Nhu cầu nước sạch đang gia tăng trong bối cảnh tốc độ đô thị hóa nhanh. Ngành cấp nước là ngành tiện ích thiết yếu, cung cấp nước sạch cho người dân và các doanh nghiệp chính vì vậy có tính ổn định cao. Theo quy hoạch về phát triển cấp nước cho các khu đô thị và công nghiệp đến năm 2025, Việt Nam hướng đến các mục tiêu tỷ lệ tiếp cận nước sạch được cung cấp tập trung ở khu đô thị là 100% với tiêu chuẩn tiêu thụ 120 lít/người/ngày. Trong khi đó, tỷ lệ tiếp cận nước sạch an toàn ở nông thôn chỉ đạt 75%. Đây là những cơ hội lớn cũng như dư địa lớn cho việc tăng trưởng của các doanh nghiệp ngành cấp nước. Các công ty cấp nước đã và đang thực hiện một số công tác giảm thất thoát nước như: kế hoạch phân vùng tách mạng để quản lý rò rỉ, thay thế các tuyến ống cũ mục, lắp đặt các đồng hồ điện từ, sử dụng van điều áp để điều tiết áp lực mạng lưới, sử dụng các thiết bị dò tìm rò rỉ, gắn datalogger…, kết hợp với công nghệ thông tin như phần mềm SCADA quản lý từ xa áp lực, lưu lượng, chất lượng nước trên mạng lưới, phần mềm GIS quản lý tài sản, cập nhật hiện trạng dữ liệu mạng lưới, phần mềm quản lý khách hàng, phần mềm thủy lực để tính toán mạng lưới và truyền thông nâng cao nhận thức cộng đồng. Tuy nhiên, công tác nâng cấp cải tạo mạng lưới cấp nước gặp nhiều khó khăn do dân số đông, đường xá chật hẹp, nguồn lực tài chính hữu hạn… Trước tình hình thất thoát nước của các đơn vị cấp nước trong cả nước rất cao từ 30% đến 40%, đặc biệt là tại các thành phố lớn gây tổn thất nặng nề cho nền kinh tế đất 1 nước. Năm 2010 Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 2147/QĐ-TTg Phê duyệt Chương trình quốc gia chống thất thoát, thất thu nước sạch đến năm 2025 với mục tiêu huy động và tập trung các nguồn lực cho hoạt động chống thất thoát, thất thu nước sạch, giảm tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân từ 30% năm 2009 xuống dưới 15% vào năm 2025, mục tiêu cụ thể cho từng giai đoạn như sau: - Đến năm 2015: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 25%. - Đến năm 2020: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 18%. - Đến năm 2025: tỷ lệ thất thoát, thất thu nước sạch bình quân là 15%. Hệ thống cung cấp nước sạch thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) được xây dựng từ thời Pháp thuộc, phát triển không đồng bộ qua các thời kỳ. Bắt đầu là hệ thống cấp nước nhỏ Sài Gòn- Gia Định, hiện nay công suất cấp nước 1.8 triệu m3/ngày đêm và sẽ lên đến 2,5 triệu m3/ngày đêm trong tương lai gần và đến 4-5 triệu m3/ ngày đêm chính phủ phê duyệt. Tình hình biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ô nhiễm gây ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước thô cho các nhà máy xử lý nước hiện tại và tương lai. Hệ thống đường ống cỡ lớn truyền tải nước sạch và hệ thống đường ống phân phối nước sạch của 6 vùng cấp nước Thành phố Hồ Chí Minh đan xen phức tạp, xuống cấp, cập nhật không đầy đủ, không thể quản lý dẫn đến rò rỉ ngầm, tỷ lệ thất thoát nước rất cao đến 40% -50%, ảnh hưởng rất lớn đến việc cung cấp nước sạch cho Thành phố Hồ Chí Minh. Thành phố Hồ Chí Minh có dân số hiện tại là khoảng 9 triệu người, dự kiến đến năm 2025 dân số dự kiến sẽ là 10 triệu người thường trú và 2,5 triệu người vãng lai cho toàn bộ 24 quận, huyện. Hệ thống cấp nước Thành phố Hồ Chí Minh được hình thành từ thời Pháp thuộc, trải qua thời gian dài sử dụng, không đồng bộ về vật liệu và chủng loại cũng như mạng lưới cấp nước trải ra trên một diện tích rộng. Mạng lưới truyền dẫn khoảng 4500 km đường ống có DN ≥ 100mm, cung cấp 1,8 triệu m3 nước sạch cho cả thành phố, và tỉ lệ thất thoát khoảng 38,42% lượng nước sạch tương ứng thất thoát 691560 m3/ngày. Với giá bình quân 8000 đồng/m3, thì số tiền thất thoát là 5,53 tỉ đồng/ ngày và hơn 2018 tỉ đồng/ năm và gây lãng phí tài nguyên nước. [1] [2] Đường ống chiếm cũ mục tuổi thọ > 30 năm hơn 38%, vì đã cũ mục nên lượng nước rò rỉ ở mức cao. Công tác chống thất thoát nước đem lại lợi ích kinh tế, tiết kiệm 2 nguồn tài nguyên nước quý giá khi mà khí hậu ngày càng khắc nghiệt và tình trạng thiếu nước sạch, giảm chi phí xử lý và giảm nguồn nước bổ sung thêm, tránh phát triển nguồn cung cấp mới, ngăn ngừa thiệt hại khi sự cố rò rỉ gây ra thiệt hại lớn hơn... Trong quá trình hoạt động của các mạng lưới cấp nước luôn xảy ra hiện tượng nước bị thất thoát một lượng nhất định từ sự cố vỡ đường ống trên mạng lưới cấp nước. Trên thực tế cho thấy thất thoát nước phần lớn là do rò rỉ trên đường ống vì đường ống cấp nước được chôn ngầm dưới nền đất nên công tác tìm kiếm rò rỉ rất khó khăn cũng như công tác sửa chữa thay mới đường ống khi xảy ra vỡ ống khi vận hành trên mạng lưới cấp nước. Giảm thất thoát nước từ nghiên cứu ống vỡ trên mạng lưới cấp nước cũng như sửa chữa sẽ giúp giảm chi phí quản lý và vận hành mạng lưới cấp nước, từ đó có thể giảm giá bán nước sạch cung cấp cho người dân. Ngoài ra, việc giảm thất thoát nước từ nghiên cứu ống vỡ còn góp phần cải thiện chất lượng nước, nâng cao áp lực của mạng lưới cấp nước. Do đó, vấn đề đặt ra là phải có một giải pháp để hạn chế lượng nước thất thoát một cách hiệu quả, tiết kiệm thời gian và chi phí. Giải pháp này không những góp phần đem lại nguồn lại kinh tế cho cả doanh nghiệp lẫn người dân, mà còn làm giảm gánh nặng gia tăng công suất cấp nước đầu vào, giải quyết các vấn đề về chất lượng nước, nâng cao áp lực, chi phí vận hành và sửa chữa đường ống trên mạng lưới cấp nước, giải quyết nhu cầu dùng nước của người dân. Vấn đề đặt ra cho tất cả các đơn vị cấp nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Để phát hiện sớm và loại bỏ nguy cơ rò rỉ nước trên mạng lưới cấp nước cần sử dụng mô hình dự báo nguy cơ ống vỡ. Đề tài nghiên cứu nhằm đưa giải pháp mô hình nghiên cứu khoa học thích hợp nhằm chống thất thoát nước cho hệ thống cung cấp nước sạch Thành phố Hồ Chí Minh. Mạng nơron đã bắt đầu xuất hiện từ những năm 1940 tuy nhiên mới bắt đầu ứng dụng nhiều trong khoảng 10 năm trở lại đây và ngày một phát triển rộng rãi hơn. Đặc biệt là trong lĩnh vực dự báo và phân loại dữ liệu, mạng nơron nhân tạo đã cho thấy ưu điểm nổi bật khi xử lý các dữ liệu có tính chất phức tạp, khối lượng dữ liệu lớn. Đồng thời kết quả mô hình ứng dụng mạng nơron nhân tạo hỗ trợ quá trình ra quyết định chính xác và có độ tin cậy cao. Vậy nên trong nghiên cứu này sẽ xem xét việc ứng 3 dụng mạng nơron nhân tạo để xây dựng mô hình dự báo ống vỡ trên mạng lưới cấp nước. Hình 1 Tỉ lệ thất thoát (%) của các công ty cấp nước thuộc Tổng công ty Cấp nước Sài Gòn [42] Bảng 1 Tuổi thọ đường ống [42] Tuổi thọ đường ống trên mạng lưới hiện hữu Tỉ lệ Dưới 20 năm 2,790 km 62% Từ 20 đến 30 năm 900 km 20% Trên 30 năm 810 km 18% Tổng 4500 km 100% Hiện nay chính quyền thành phố cũng như Tổng công ty cấp nước Sài Gòn rất quan tâm và chú trọng đến công tác giảm thiểu được lượng nước thất thoát thất thu và đặt ra mục tiêu hằng năm giảm thiểu lượng nước thất thoát từ 1-2% đến năm 2025 tỷ lệ thất thoát nước của thành phố giảm còn 25%. Theo đó, Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) đã tích cực ứng dụng nhiều công nghệ mới cũng như tham gia các chương trình hợp tác, nghiên cứu quốc tế. Đến nay, tỷ lệ nước thất thoát thất thu của 4 thành phố Hồ Chí Minh cũng đã có những chuyển biến tích cực và đạt được mục tiêu đề ra. 2. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ sở lý luận, thực nghiệm và kế thừa kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó phát triển cho vấn đề nghiên cứu. Đây chính là cơ sở và ý nghĩa khoa học của luận văn. Bên cạnh đó, quá trình áp dụng mô hình đề xuất cho các mạng lưới cấp nước (MLCN) thực tế đạt được kết quả rất tốt cũng đã đóng góp và làm phong phú thêm kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực này. Đã có nhiều nghiên cứu tìm hiểu nguyên nhân vỡ ống trên mạng lưới phân phối để từ đó dự báo khả năng vỡ ống, theo thời gian các phương pháp cũng như nội dung nghiên cứu được mở rộng và xem xét vấn đề toàn diện hơn. Đề tài nghiên cứu nhằm đưa giải pháp mô hình nghiên cứu khoa học thích hợp nhằm chống thất thoát nước cho hệ thống cung cấp nước sạch Thành phố Hồ Chí Minh, các hệ thống cung cấp trong nước và nước ngoài. Là một trong những đề tài cấp thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phát triển kinh tế đất nước. Tính thực tiễn của nghiên cứu Rò rỉ nước trên mạng lưới vẫn đang là vấn đề cần giải quyết của các công ty cấp nước, một trong những nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ống vỡ. Các mô hình dự báo nguy cơ ống vỡ cũng không ngừng được cải thiện để dự báo vị trí ống vỡ một cách chính xác và nhanh chóng. Với mục tiêu phát triển một mô hình tốt hơn và có thể ứng dụng vào thực tế, trong nghiên cứu này đã đề xuất sử dụng mô hình mạng nơron nhân tạo để dự báo ống vỡ. Mô hình mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks - ANN) tuy đã được nghiên cứu ứng dụng phổ biến trên thế giới tuy nhiên vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Hiện nay, các trường đại học, Viện nghiên cứu khoa học và các công ty rất ít áp dụng mô hình mạng nơron nhân tạo (ANN) vào để nghiên cứu vấn đề ống vỡ trong mạng lưới cấp nước (MLCN). Kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần làm rõ lý thuyết, 5 nguyên lý, cấu trúc mạng nơron nhân tạo (ANN). Qua đó, ứng dụng dự báo vào công tác dự báo giảm thiểu tỉ lệ rò rỉ nước trên mạng lưới đường ống. Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở cho các Công ty cấp nước tham khảo đưa ra chiến lược cấp nước an toàn cũng như lập kế hoạch nâng cao chất lượng nước cung cấp, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững phục vụ cộng đồng tốt hơn. * Mục tiêu nghiên cứu Đề tài được thực hiện với mục tiêu sau: - Nghiên cứu lý thuyết mô hình mạng nơron nhân tạo (ANN). - Xác định được cơ sở khoa học cho việc xây dựng mô hình từ đó đề xuất mô hình dự báo ống vỡ trên mạng lưới cấp nước và quy trình thực hiện. - Ứng dụng thực tế để kiểm chứng mô hình đã để xuất. - Kiểm tra hiệu quả và độ chính xác hai mô hình mạng nơron nhân tạo (ANN). 3. Phạm vi nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu được giới hạn trong các phạm vi sau: - Nghiên cứu trên mạng lưới cấp nước ở Việt Nam và có thể áp dụng cho các hệ thống đường ống có điều kiện tương tự. - Điểm vỡ xuất hiện trên thành ống cấp nước trong điều kiện làm việc bình thường không xét tới vỡ tại các phụ tùng đấu nối hay do nguyên nhân bất thường như động đất thiên tai… - Điểm vỡ có rất nhiều hình dạng khác nhau như vết nứt, hình tròn, hình ovan,.. nhưng trong nghiên cứu này không xem xét tới hình dạng điểm vỡ. 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích là nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích chỉ ra, làm rõ ràng về ý nghĩa, cấu trúc, mục đích về các vấn đề trong đề tài luận văn. Tổng hợp là liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo ra một hệ thống lý thuyết cơ bản, chính xác nhằm giúp luận văn tổng hợp lại các vấn đề và đánh giá bao quát về nó. Trong phân tích, việc xây dựng một cách đúng đắn kiến thức, phân loại làm cơ sở khoa học hình thành 6 đối tượng nghiên cứu về vấn đề, có ý nghĩa rất quan trọng. Trong nghiên cứu tổng hợp vai trò quan trọng thuộc về khả năng liên kết các kết quả cụ thể (có lúc ngược nhau) từ sự phân tích, khả năng trìu tượng, khái quát nắm bắt được mặt định tính từ rất nhiều khía cạnh định lượng khác nhau. Phân tích và tổng hợp là hai phương pháp gắn bó chặt chẽ quy định và bổ sung cho nhau và có cơ sở khách quan trong vấn đề nghiên cứu của luận văn. - Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các tư tiệu, tài liệu, cũng như kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận văn. - Phương pháp thu thập, tổng hợp thông tin số liệu: Thu thập, hệ thống hoá, xử lý, phân tích tài liệu từ đó thiết lập tập số liệu đầu vào cho mô hình luận văn đề xuất. Những số liệu được lấy có nguồn gốc rõ ràng và độ chính xác cao. - Phương pháp nghiên cứu định tính: Phương pháp được ứng dụng để đánh giá tổng quan số liệu từ đó xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố tới hiện tượng vỡ ống trên mạng lưới cấp nước. Vì lý do nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đòi hỏi kết quả có sự chính xác cao nên mặt phân tích định lượng có vai trò khá quyết định kết quả nghiên cứu tuy nhiên quá trình tổng hợp, nghiên cứu định tính là những phán đoán, dự báo, chỉ đạo cả quá trình nghiên cứu của luận văn. Bên cạnh đó phương pháp còn được áp dụng khi lựa chọn cấu trúc mạng nơron nhân tạo phù hợp trong đề tài. - Phương pháp điều tra thực địa: Sử dụng phương pháp này để điều tra hiện trạng hệ thống cấp thoát nước trong các khu vực nghiên cứu thực tế, nhằm bổ sung tài liệu, điều chỉnh thông tin và kiểm chứng kết quả nghiên cứu. - Phương pháp chuyên gia: Sử dụng để tăng thêm nguồn thông tin, độ tin cậy trong các kết quả nghiên cứu của luận văn, giúp cho việc lựa chọn các phương án giải quyết các vấn đề đặt ra chính xác hơn. Các chuyên gia được tham khảo ý kiến bao gồm các nhà khoa học có kinh nghiệm trong các lĩnh vực liên quan đến mạng lưới cấp thoát nước, cán bộ quản lý tại các công ty cấp thoát nước. - Phương pháp lịch sử: Phương pháp được áp dụng để tìm nguồn sốc phát sinh, quá trình phát triển, hình thành đối tượng đối tượng nghiên cứu dựa trên các tài liệu đã được ghi chép rồi từ đó rút ra được mấu chốt của vấn đề. Phương pháp giúp cho người nghiên cứu hiểu biết lý do tác động đến vấn đề nghiên cứu. 7 5. Cấu trúc luận án Trên cơ sở các mục tiêu đề ra đồng thời vận dụng các phương pháp nghiên cứu ở trên, đảm bảo tính logic trong trình bày vấn đề nghiên cứu. Luận văn được cấu trúc như sau: Giới thiệu: Giới thiệu lý do lựa chọn đề tài và định hướng mục tiêu, phạm vi cần nghiên cứu. Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về dự báo ống vỡ trong mạng lưới cấp nước Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan tới mục tiêu đã định hướng từ đó xây dựng nội dung thực hiện để đạt được mục tiêu cụ thể. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận Trình bày cơ sở lý thuyết của các mô hình dự báo ống vỡ và đề xuất phương pháp nghiên cứu và các bước thực hiện. Đồng thời giới thiệu các công cụ sử dụng cho các mô hình đề xuất. Chương 3: Ứng dụng mô hình ANN dự báo ống vỡ cho MLCN thực tế và thảo luận Trình bày kết quả ứng dụng mô hình đã đề xuất trong Chương 2 cho số liệu của MLCN thực tế, từ đó thảo luận về tính chính xác và độ tin cậy của mô hình. Chương 4: Kết luận và kiến nghị Kết luận nội dung đã thực hiện, những đóng góp mới của luận văn và kiến nghị hướng phát triển trong tương lai. 8 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO ỐNG VỠ TRÊN MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC (MLCN) Tổng quan các nghiên cứu trong nước về khả năng ống vỡ trên MLCN Mỗi ngày, các công ty cấp nước đều ghi nhận các sự cố vỡ trên tuyến ống đặc biệt là các tuyến ống dịch vụ và vẫn tốn thêm chi phí để tìm rò rỉ trên các tuyến ống cấp I, II. Theo báo cáo của một số công ty cấp nước ở Việt Nam tính đến năm 2014 thì tỉ lệ thất thoát nước lên đến hơn 50% tổng lượng nước đưa vào mạng lưới [1] trong đó những đô thị lớn có tỉ lệ rò rỉ nước tương đối cao như thành phố Hồ Chí Minh tính đến năm 2015 trên MLCN là 34% gây thất thu trên 950 tỷ đồng 1 năm, hay công ty VIWACO (Hà Nội) lên đến 60% [1]. Vậy nên các nghiên cứu về giảm tỉ lệ này được quan tâm nhiều hơn. Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng như giảm áp suất làm việc của đường ống [2], quy hoạch phân vùng tách mạng để nâng cao hiệu quả quản lí mạng lưới cấp nước [3]. Hay các đề xuất xác định vị trí rò rỉ bằng công nghệ phát hiện rò rỉ [4] và tự động hóa kết hợp các thiết bị cảm biến [5]. Tuy nhiên thực hiện các giải pháp này các công ty cấp nước cần có thời gian, nguồn nhân lực và chi phí tương đối lớn. Vậy nên đánh giá khả năng vỡ ống không những phục vụ cho công tác dự báo MLCN bị ô nhiễm mà còn là cơ sở để giảm thiểu tỉ lệ nước bị thất thoát trên đường ống cấp nước tốt hơn. Nguyên nhân vỡ ống có thể do tác động từ tự nhiên như động đất thiên tai, đây là những trường hợp rất khó để kiểm soát và đề phòng vậy nên chỉ có thể đưa ra giải pháp ứng phó và khắc phục hệ thống trong những trường hợp này. Ngoài ra, các hoạt động bên ngoài như thi công các công trình ở khu vực đặt ống; khả năng chịu tải của mặt đường phía trên ống dẫn nước thấp hơn tải trọng xe chạy gây nên gẫy ống cũng rất khó để dự báo trước. Mặc dù đã có những cải tiến để tăng khả năng chịu lực của vật liệu và các biện pháp bảo vệ khỏi tải trọng động nhưng vẫn không tránh khỏi những hư hỏng trong những trường hợp này. Các sự cố này có thể xem là trường hợp đặc biệt cần quan tâm trong quá trình quản lí và vận hành mạng lưới. Bỏ qua những sai sót trên sản phẩm cũng như quy trình thi công thì nguyên nhân dẫn đến vỡ đường ống chủ yếu là do ăn mòn [6] hoặc lực tác động từ môi trường trong và ngoài [7], một số đoạn ống thường xuyên xảy ra vỡ thì cần xem xét cả hai nguyên nhân này. Đôi khi chi phí để sửa chữa đoạn ống nhiều lần sẽ cao hơn so với việc lắp đặt ống 9