Mã số N2064: Xây dựng mô hình thủy lực theo thời gian thực

I. Nguyên nhân nảy sinh giải pháp:
 

Hướng tới mục tiêu Chương trình quốc gia chống thất thoát, thất thu nước sạch đến năm 2025, vấn đề quản lý tổng hợp giữa khai thác sử dụng nguồn nước và nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh nước sạch đáp ứng đủ nhu cầu của khu vực luôn được quan tâm khi chất lượng nguồn nước sạch đang diễn biến phức tạp do sự biến động của thời tiết, tác động của biến đổi khí hậu và nhu cầu sử dụng nước sạch của người dân ngày càng tăng do quá trình đô thị hóa nhanh chóng. Vì thế, công nghệ thông tin có vai trò rất quan trọng và ngày càng trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực trong quản lý mạng lưới cấp nước và cũng là xu hướng tất yếu của cuộc cách mạng 4.0 trong quản lý ngành cấp nước nói chung và hạ tầng kỹ thuật nói riêng. Giúp các công ty cấp nước có thể nâng cao được hiệu quả kinh doanh thông qua sử dụng và phân bổ tốt nguồn lực, giảm chi phí và đầu tư hợp lý, đồng thời đảm bảo cấp nước an toàn, sẵn sàng ứng phó với các rủi ro có thể xảy ra, giảm tỷ lệ thất thoát thất thu và cải thiện dịch vụ khách hàng,…
 

Công ty Cổ phần Cấp nước Thủ Đức cũng đã và đang thực hiện một số giải pháp hiệu quả hướng tới mục tiêu của Chương trình có thể kể đến như: phân vùng tách mạng, cải tạo mạng lưới (thay thế các đường ống cũ, lắp đặt đồng hồ thông minh, van giảm áp, sử dụng các thiết bị dò tìm rò rỉ, gắn các Datalogger truyền dữ liệu,…) kết hợp sử dụng công nghệ thông tin như sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để quản lý tài sản và cập nhật hiện trạng mạng lưới cấp nước, phần mềm quản lý khách hàng, kỹ thuật số hóa đảm bảo phương thức thanh toán tiền nước không dùng tiền mặt, phần mềm thủy lực để tính toán mạng lưới và hỗ trợ các công tác quy hoạch và phát triển mạng lưới,…
 

Xuất phát từ những yêu cầu cấp bách là làm sao quản lý vận hành hiệu quả được toàn bộ mạng lưới cấp nước trên nền cơ sở dữ liệu, hạ tầng phần cứng, phần mềm hiện có và từng bước cải thiện mạng lưới một cách khoa học, có tính toán cũng như bắt kịp các xu hướng tiến bộ của thế giới, với mục tiêu là “XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỦY LỰC THEO THỜI GIAN THỰC” được thực hiện nhằm đưa ra các biện pháp kịp thời nhằm khắc phục các sự cố hiệu quả và nhanh chóng, đảm bảo nguồn nước sạch cho người dân và hỗ trợ Công ty có thể giảm tình trạng thất thoát nước, từng bước tự động hóa, tăng cường khả năng dự báo, định hướng theo mô hình quản lý mạng lưới cấp nước thông minh.
 

II.  Nội dung giải pháp:
 

Trong những năm gần đây, Công ty đang triển khai quản lý hệ thống mạng lưới cấp nước trên nền tảng ArcGIS (dòng sản phẩm hỗ trợ GIS của ESRI) và xây dựng thành công hệ thống quản lý, giám sát, thu thập dữ liệu từ xa (WaterNET) với số lượng datalogger (thiết bị ghi nhận và truyền dữ liệu) phủ kín gần như hết địa bàn quản lý. Đây có thể được xem là những yếu tố rất thuận lợi để phát triển giải pháp áp dụng mô hình cấp nước thông minh quản lý hệ thống theo hướng thông minh khi phần mềm WaterGEMS có thể liên kết dữ liệu GIS và thu thập dữ liệu SCADA (hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu từ xa) trực tuyến để thực hiện các bài toán phân tích mạng lưới.
 

Đề tài có thời gian triển khai thu thập, rà soát và tinh chỉnh cơ sở dữ liệu GIS, SCADA, bao gồm: kết nối cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA để truy vấn; mô phỏng thủy lực tuyến ống phân phối DMA Trần Não 1 và Trần Não 2 thuộc khu vực 1, thành phố Thủ Đức; kết nối mô hình thủy lực vào SCADA giám sát tình trạng hoạt động của mô hình và thực tế.
 

1. Mã hóa cơ sở dữ liệu datalogger phục vụ cho kết nối với phần mềm thủy lực
 

- Với cách truyền thống trước đây, dữ liệu datalogger trên trang WaterNET sẽ được xuất định dạng excel sau đó thêm bước nhập liệu vào mô hình thủy lực, việc này thường gây mất thời gian cũng như một số sai sót trong quá trình đưa dữ liệu vào mô hình.
 

- Dữ liệu mạng lưới về áp lực và lưu lượng của các datalogger trong khu vực DMA Trần Não 1 và Trần Não 2 khi được gửi về và lưu trữ trong máy chủ server (WaterNET) đã được mã hóa thống nhất và kết nối với phần mềm thủy lực thông qua hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL server.
 

Hình 1: Quy trình kết nối dữ liệu SCADA và WaterGEMS
 

- Thông qua công cụ SCADA Signal thực hiện kết nối đến máy chủ để lấy dữ liệu datalogger gán vào các nút muốn giám sát áp lực và lưu lượng tương ứng trên mô hình thủy lực (kết nối không gian). Nghiên cứu sẽ tiến hành kết nối cả dữ liệu lịch sử (Historical signal) và dữ liệu theo thời gian thực (Real Time signal) phù hợp với từng datalogger trước đó, phục vụ cho công tác so sánh, hiệu chỉnh mô hình và thực hiện các bước phân tích phía sau.
 

Hình 2: Kết nối dữ liệu từ SCADA vào mô hình thủy lực
 

2. Tích hợp mô hình thủy lực và SCADA mô phỏng mạng lưới theo thời gian thực và các ứng dụng
- Với dữ liệu lịch sử được kết nối sẽ được dùng để so sánh với kết quả mô phỏng thủy lực nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình và đồng thời là nguồn dữ liệu đầu vào hỗ trợ cho công tác cân chỉnh mô hình gần đúng với hiện trạng thực tế của hai DMA được thử nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian, công sức trong việc truy vấn dữ liệu thủ công từng được thực hiện.

Hình 3: Dữ liệu SCADA vừa là dữ liệu so sánh vừa là dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực

- Đối với dữ liệu theo thời gian thực, nghiên cứu đã kiểm tra tính hiệu quả của khả năng tích hợp SCADA và phần mềm thủy lực thông qua công tác kiểm tra van từng bước (steptest) DMA Trần Não 1 và Trần Não 2 của Phòng Quản lý Mạng lưới 1. Thời gian được cài đặt chạy tự động mỗi 15 phút đồng bộ với mỗi bước steptest giúp cho việc giám sát sự thay đổi áp lực, lưu lượng thuận lợi và dễ dàng hơn. Ngoài ra, mô hình cũng đã cài đặt cảnh báo và hiển thị màu sắc theo từng khoảng giá trị áp lực cho các nút SCADA được gán để việc theo dõi được dễ dàng và trực quan.

Hình 4: Mô hình sẽ chạy tự động mỗi 15’ để việc theo dõi diễn biến áp lực, lưu lượng nhanh chóng

- Ngoài ra, mô hình cũng đã cài đặt cảnh báo và hiển thị màu sắc theo từng khoảng giá trị áp lực cho các nút SCADA được gán để việc theo dõi được dễ dàng và trực quan.

Hình 5: Mô hình cảnh báo theo thời gian thực

- Khi áp lực thấp hơn mức cho phép tương ứng với khu vực bị đóng ván ngoài thực tế, mô hình sẽ bắt đầu cảnh báo và thông qua công cụ có sẵn trong phần mềm WaterGEMS (SCADA Connect Simulator) sẽ gợi ý nhanh chóng cho chúng ta vẫn cần đóng và những khách hàng bị ảnh hưởng để giảm thiểu sự thiệt hại nhiều nhất có thể. Thêm nữa, những đồng hồ khách hàng bị ảnh hưởng từ sự cố còn được xuất ra định dạng excel một cách dễ dàng để thông báo đến hộ dân.

Hình 6: Đề xuất các van cần đóng và khu vực bị ảnh hưởng bởi sự cố

Hình 7: Xuất các đồng hồ khách hàng bị ảnh hưởng bởi sự cố ra định dạng excel

- Vấn đề kết nối SCADA giám sát và so sánh giữa kết quả mô hình và thực tế rất quan trọng, vì mô hình thủy lực vận hành lâu ngày sẽ dẫn đến sự sai lệch áp lực, lưu lượng giữa kết quả mô phỏng và thực tế. Nguyên nhân có thể kể đến bao gồm sự thay đổi nhu cầu dùng nước, các thông số áp lực,…Kết nối SCADA có thể giúp phát hiện sự khác biệt để hiệu chỉnh mô hình kịp thời.

III. Hiệu quả giải pháp:

- Cơ sở dữ liệu của datalogger được mã hóa và kết nối với phần mềm thủy lực thông qua hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL server, đây được xem là giá trị đầu vào để cân chỉnh mô hình (điều chỉnh áp lực) kịp thời gần đúng với hiện trạng thực tế của mạng lưới cấp nước giúp vận hành tối ưu mạng lưới cấp nước và giám sát, đánh giá khu vực có nguy cơ rò rỉ, phát hiện và khoanh vùng rò rỉ nhanh chóng hơn hỗ trợ giảm thiểu sự cố xảy ra. Việc này có ý nghĩa rất lớn trong việc giả lập các kịch bản sẽ xảy ra của mạng lưới cấp nước.

- Hệ thống SCADA cho phép dữ liệu được đo tại hiện trường được đưa trực tiếp vào WaterGEMS bằng việc sử dụng công cụ SCADA Connect Simulator. Công nghệ SCADA Connect với hỗ trợ cập nhật theo thời gian thực sẽ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí trong việc hiệu chỉnh mô hình so với cách thủ công vẫn thường thực hiện.

- Và khi SCADA Connect có thể sử dụng cả dữ liệu lịch sử và dữ liệu thực, mô hình không chỉ được cập nhật theo thực tế mà còn có những giá trị ngày trước đó hỗ trợ rất nhiều cho công tác nhận định tình trạng hiện tại và dự đoán tình trạng vận hành của mạng lưới trong tương lai. Dữ liệu về lưu lượng và áp lực ở mỗi DMA có thể được cung cấp trên cơ sở thời gian thực, cho phép hệ thống mô hình hóa các điều kiện thực tế. Đây được xem là cơ sở để hướng tới tự động hóa trong vận hành hệ thống cấp nước, nhằm giúp tăng năng suất lao động, giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng và kéo giảm tỷ lệ thất thoát thất thu nước hiệu quả.

IV. Kết quả giải pháp:

- Giải pháp đã được công nhận là sáng kiến cấp Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn TNHH MTV theo công văn số 529/TCT-KTCN ngày 31/01/2023 về việc “Kết quả xét duyệt các giải pháp sáng kiến năm 2023 đợt 1”.

- Giải pháp khi được áp dụng từ đầu năm 2023 đến nay đã giúp tự động nhận dữ liệu từ hệ thống SCADA, xuất các kết quả mô hình lên màn hình giám sát của Trung tâm Vận hành Mạng lưới (NOC) của công ty, hỗ trợ công tác dự báo các điều kiện vận hành và các vấn đề tiềm ẩn. 

- Mã hóa thêm những loại datalogger khác có trên mạng lưới nhằm thống nhất được về cùng một định dạng cơ sở dữ liệu, dễ dàng kết nối vào mô hình thủy lực.

- Từ nền tảng mô hình mô phỏng thủy lực theo thời gian thực đã có và công cụ Darwin Calibrator (phần mềm WaterGEMS), ứng dụng thuật toán di truyền sẽ hỗ trợ phát hiện vị trí rò rỉ trên đường ống giúp giải quyết các bài toán thất thoát, giảm thời gian, nhân lực dò tìm trên mạng lưới cũng như chi phí mang lại lợi ích cho công ty. Qua đó, có phương án xử lý kịp thời khi có sự cố bất ngờ xảy ra, đảm bảo cấp nước an toàn cho người dân, đồng thời góp phần kéo giảm tỷ lệ thất thoát nước của mạng lưới cấp nước từ 14.16% (năm 2022) xuống còn 10.63% (trong 05 tháng đầu năm 2024).

- Mô phỏng chất lượng nước: Phân tích chất lượng nước theo từng chỉ tiêu trên toàn mạng lưới thay đổi theo thời gian như Clo dư, pH, TDS, Age, Tracing, THMs… Đồng thời, kết nối dữ liệu của các tủ quan trắc vào mô hình thủy lực để công tác kiểm soát chất lượng nước trên khu vực được dễ dàng và nhanh chóng hơn.
 

Thông tin website: https://www.capnuocthuduc.vn/