Trong các thập kỷ gần đây, với sự gia tăng dân số, hoạt động kinh tế và hiện tượng biến đổi khí hậu mang tính toàn cầu, lượng nước trong chu trình nước (water cycle) trở nên thất thường và không thể dự đoán trước. Nhận biết sự quan trọng của tài nguyên nước cùng với tiến bộ của công nghệ, hệ thống quản lý thông minh được đưa ra với mục đích mang đến phương án giải quyết hiệu quả nhất.

IWMS là tương lai của Ngành quản lý tài nguyên nước, là công cụ hiệu quả của các đơn vị hoạt động trong ngành quản lý tài nguyên nước trong việc cung cấp nguồn nước sạch và bền vững. Hệ thống có thể đưa ra các kết quả theo dõi, đánh giá nhanh chóng và chính xác về tình trạng thất thoát, quản trị thay đổi hiệu quả cho đơn vị quản lý – vận hành nguồn tài nguyên nước thông qua hình ảnh, video và dữ liệu thông tin hệ thống được thu thập.

Hệ thống cũng cung cấp tính năng phân tích dự báo để đưa ra bộ tài liệu tiêu chuẩn, đề xuất các hành động ngăn chặn cần thiết phù hợp các tình huống xảy ra.

Nhu cầu quản lý nguồn tài nguyên nước

Trong các thập kỷ gần đây, với sự gia tăng dân số, hoạt động kinh tế và hiện tượng biến đổi khí hậu mang tính toàn cầu, lượng nước trong chu trình nước (water cycle) trở nên thất thường và không thể dự đoán trước.

Từ các nguyên do trên, tầm quan trọng của nguồn tài nguyên nước được đặt ra ở mức quốc gia, và có xu hướng tiến tới ở mức khu vực và toàn cầu, dẫn đến nhu cầu bức thiết phải quản lý hiệu quả hơn các hoạt động liên quan đến nước và nguồn tài nguyên nước.

Với tiến bộ của công nghệ, một hệ thống quản lý thông minh đã được đưa ra để quản trị tập trung nhiều nguồn dữ liệu, các thông tin tức thời để các đơn vị quản lý – vận hành có thể đưa ra phương án ứng phó hiệu quả với các vấn đề, đồng thời cung cấp cho các đội phản ứng sự cố tại hiện trường nguyên nhân và phương án xử lý vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả thông qua việc sử dụng các mô hình dữ liệu mẫu và dự báo.

Xây dựng kế hoạch giám sát mạng liên tục

Xây dựng một kế hoạch giám sát mạng liên tục bao gồm việc triển khai các cảm biến thu thập dữ liệu trên toàn mạng lưới cấp nước từ hệ thống hồ chứa, xử lý, truyền tải và phân phối nước đến các mạng lưới cung cấp nước tới các hộ gia đình. Dữ liệu sau đó được thu thập, xử lý và gửi lại cho một trung tâm điều khiển. Ngoài ra, với khả năng thiết lập tự động các cơ chế, các mức cảnh báo cho các sự kiện quan trọng lên ban quản lý, giúp việc giám sát hệ thống nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Với hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ, liên tục là tiên đề cho việc xây dựng một Hệ thống quản lý thông minh (IWMS) từ thu thập, đánh giá tới phân tích dữ liệu để đưa ra kết luận, đề xuất phương án xử lý cho các vấn đề xảy ra theo cơ chế thiết lập trước. Việc này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của dữ liệu, giảm bớt các lỗi chủ quan của con người, đồng thời giúp xây dựng mô hình dự báo chuẩn và tối ưu hóa vận hành hệ thống.

Hệ thống giám sát thời gian thực

Một hệ thống giám sát thời gian thực thường bao gồm:

• Cảm biến / trạm giám sát đo các thông số khác nhau của nước như mực nước, lưu lượng, áp suất và chất lượng nước
• Hệ thống đo xa / thông tin liên lạc thu thập các dữ liệu báo cáo, gửi lại cho hệ thống phụ trợ
• Hệ thống phụ trợ có nhiệm vụ thu thập, xử lý và cung cấp dữ liệu đã được làm sạch cho các hệ thống chuyên ngành như Hệ thống Thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA), Quản lý quan hệ khách hàng (Customer relationship management – CRM) hay mô hình thủy lực (hydraulic modelling).

Các thiết bị cảm biến và trạm giám sát

Đối với một mạng lưới phân phối nước, thông thường sẽ cần một hệ thống SCADA để có thể điều khiển và giám sát tình trạng mạng lưới một cách hiệu quả. Trong trường hợp không có hệ thống SCADA, lúc đó các trạm giám sát độc lập có thể được sử dụng thay thế để thu thập các dữ liệu liên quan cần thiết.

Các trạm giám sát gồm nhiều thiết bị cảm biến / thiết bị thăm dò các yếu tố như mực nước, tốc độ dòng chảy, áp suất và chất lượng nước. Các thiết bị cảm biến / thăm dò này hoạt động hoàn toàn tự động và có thể theo dõi các thông số một cách liên tục trong khoảng thời gian dự kiến. Với tính chất như vậy và được triển khai trên một khu vực địa lý rộng, các thiết bị này cần phải đảm bảo yếu tố thuận tiện trong vận hành và bảo trì. Do vậy, chúng thông thường sử dụng nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống pin dự phòng.

Các thiết bị cảm biến này được triển khai ở điểm gần cuối của mạng lưới giám sát hồ chứa ngầm và bể chứa nước. Còn với tính chất người dùng nước là các tòa nhà văn phòng và các hộ gia đình, việc sử dụng đồng hồ đo tự động (AMRs – Automated Meter Readers) sẽ đem lại hiệu quả trong tăng thu ngân sách, có khả năng cung cấp dữ liệu gần ở mức thời gian thực và khả năng phát hiện thất thoát nhỏ trong từng hộ người dùng nước. Với các đặc điểm trên, việc trả phí sử dụng nước của các hộ gia đình rất linh hoạt, có thể bằng thẻ trả trước hay bằng các ứng dụng thanh toán trên mạng hay thiết bị di động, tùy thuộc vào loại đồng hồ nước được sử dụng. Để đảm bảo tính hiệu quả, chính xác và an toàn, AMR dành cho văn phòng/hộ gia đình được đề xuất phải đảm bảo các yếu tố cơ bản như là loại đồng hồ đo tự động, sử dụng pin với thời gian hoạt động lên đến 10 năm, hỗ trợ tính năng bảo mật gửi tin nhắn khi bị xâm nhập và chỉnh sửa không được phép.

Trong trường hợp mạng lưới giám sát mà không có 1 hệ thống SCADA quản trị tập trung, các thiết bị cảm biến / trạm giám sát phải sử dụng 1 phương án khác để gửi dữ liệu hoạt động vào hệ thống phụ trợ. Thông thường, với đặc trưng của ngành nước, mạng lưới phân phối có quy mô địa lý rộng lớn, địa hình phức tạp, nên việc cung cấp thông tin thông thường là thông qua kết nối không dây, với nhiều công nghệ sử dụng như Wi-FI, RF, hay GPRS / 3G tùy thuộc vào phạm vi, môi trường và băng thông yêu cầu.

Về nguyên tắc, việc truyền/nhận dữ liệu, đối với khoảng cách ngắn, công nghệ kết nối Wi-Fi hay tần số vô tuyến (RF) có ưu thế về tốc độ và chi phí sử dụng. Đối với phạm vi xa hơn, công nghệ GPRS / 3G dựa trên mạng viễn thông sẽ có nhiều ưu thế trong vận hành.

Trên thực tế triển khai, dữ liệu của các cảm biến được triển khai trong một khu vực quy định sẽ được gửi đến một Thiết bị tập trung dữ liệu (Data Concentrator Unit – DCU), rồi các thiết bị trung gian này sẽ tổng hợp và gửi tới hệ thống máy chủ phụ trợ thông qua Wi-Fi, RF hoặc GPRS / 3G.

Ưu điểm của việc sử dụng các DCUs  là khi các AMRs được triển khai dù là trên diện rộng hoặc trong các tòa nhà, các AMRs sẽ sử dụng các mạng lưới không dây vốn có chi phí rẻ hơn, truyền dữ liệu vào DCUs, rồi từ đó, DCUs sử dụng dịch vụ viễn thông (GPRS/3G hay RF) để truyền tới hệ thống máy chủ phụ trợ, qua đó, giảm được chi phí viễn thông cho việc truyền/nhận dữ liệu.

Hệ thống phụ trợ (Backend System)

Hệ thống phụ trợ bao gồm các máy chủ và thiết bị phục vụ sản xuất, có vai trò thu thập và lưu trữ các dữ liệu đầu vào. Hệ thống này chứa các thông tin theo dõi tình trạng của tất cả các thiết bị cảm biến, dữ liệu bảng biểu và báo cáo

Giảm thất thoát nước bằng phát hiện rò rỉ

Khi một hệ thống giám sát thời gian thực được xây dựng, bước tiếp theo là xây dựng một hệ thống phát hiện rò rỉ (Leak Detection System). Khi hệ thống ống truyền tải xảy ra hiện tượng rò rỉ, LDS giúp nhanh chóng phát hiện và xác định vị trí nơi xảy ra rò rỉ, chuyển thông tin đến hệ thống giám sát, đề xuất phương án xử lý, do đó làm giảm lượng nước thất thoát (nước không doanh thu, Non-Revenue Water – NRW). Điều này sẽ giúp ngăn chặn dẫn đến các nguy cơ nghiêm trọng hơn như vỡ lớn, hỏng nghiêm trọng gây dừng hệ thống.

Một LDS phổ biến là loại sử dụng các thiết bị cảm biến âm thanh thiết lập trên toàn mạng. Các thiết bị cảm biến này liên tục đo ồn của trong đường ống, thu thập các dữ liệu “nghe” được, truyền đến hệ thống phụ trợ bằng hệ thống SCADA hoặc qua hệ thống mạng không dây.

Khi xảy ra 1 điểm rò rỉ, các hiện tượng bất thường truyền qua đường ống đến các thiết bị cảm biến ở vùng lân cận điểm rò rỉ. Dựa trên thời điểm khác nhau nhận được tín hiệu của các cảm biến, vị trí rò rỉ có thể được định vị và xác định chính xác, rồi gửi đến trung tâm điều khiển của hệ thống.

Đối với hộ gia đình, thông qua việc sử dụng các đồng hồ đo tự động (AMRs), có thể thiết lập tính năng kiểm tra lượng nước tiêu thụ hàng ngày hoặc hàng giờ để xác định việc sử dụng nước. Với thông tin về việc sử dụng nước của các hộ gia đình, đối chiếu với các hoạt động thực tế, họ có thể kiểm soát chính xác lượng nước tiêu thụ, nhanh chóng phát hiện sự rò rỉ khi có sự thay đổi đột biến của lượng nước mà không có nguyên nhân cụ thể.

Sau khi thiết lập xong hệ thống các thiết bị cảm biến và phát hiện rò rỉ, việc hoàn thành hệ thống quản lý nước thông minh (IWMS) sẽ tạo ra một công cụ hỗ trợ hiệu quả mang lại nhiều giá trị gia tăng cho các nhà khai thác – vận hành hệ thống quản lý mạng lưới phân phối nước.

IWMS cung cấp bảng thông tin trực quan, thông tin hiển thị gồm nhiều định dạng như text, bảng biểu, đồ thị, âm thanh… cùng với các báo cáo tiêu chuẩn giúp các nhà khai thác – vận hành nhanh chóng nắm bắt tình trạng của hệ thống.

Các nhà khai thác – vận hành hệ thống có thể được cảnh báo qua email hoặc SMS khi một số thông số vượt quá ngưỡng quy định. Các cảnh báo cũng được hiển thị trên bảng điều khiển và các nhà khai thác có thể trỏ vào cảnh báo để xem nội dung chi tiết trong đó.

Nguyên tắc cảnh báo điển hình như sau, hệ thống phát hiện rò rỉ (LDS) phát hiện ra có rò rỉ, thông tin được gửi về IWMS, sau đó với các thiết lập từ trước, cảnh báo được phát ra cho đơn vị khai thác – vận hành, bằng tin nhắn, email và thông báo trên bảng thông tin điều khiển. Khi nhà khai thác – vận hành truy xuất vào xem cảnh báo, các thông tin chi tiết được trình bày, như vị trí rò rỉ được hiển thị trực quan trên bản đồ, đặc điểm rò rỉ…. Nếu tích hợp với hệ thống quản lý tài sản (Asset Management System – AMS), các đặc tính của ống (chiều dài, đường kính, vật liệu, độ nhám của ống cũng có thể được hiển thị trên bản đồ. Sau đó, các thông tin cần thiết này được gửi đến các đội sửa chữa đường ống.

IWMS còn có thể cung cấp một module quản lý phản ứng (Response Management Module – RMS) cho các đội cung cấp dịch vụ, được tích hợp với ứng dụng bản đồ số, tương thích với thiết bị di động và khả năng tương tác để có thể đối phó với các sự cố nhanh hơn, hiệu quả hơn. Ngoài ra, các dữ liệu thu thập được bên cạnh mục đích dùng để phát hiện xâm nhập, còn được dùng để phân tích các yếu tố như dự báo nhu cầu, công suất và tối ưu hóa hệ thống nước. Đây chính là các giá trị gia tăng của IWMS mang lại.

IWMS bao gồm:

• Xây dựng một Nền tảng dữ liệu thống nhất (UDP) là nền tảng căn bản để IWMS có thể quản trị tập trung; Xây dựng một Nền tảng dữ liệu thống nhất thực hiện việc thu thập, tập trung hóa và tích hợp dữ liệu.
• Nền tảng này có thể chuyển đổi dữ liệu từ bất kỳ hệ thống và kết nối với các hệ thống liên quan trong ngành tài nguyên nước như SCADA, hệ thống quản lý CRM / Case management system, Hệ thống dự đoán/mô hình hóa, hệ thống GIS cũng như các ứng dụng chuyên ngành nước (kiểm soát chất lượng, áp suất và lưu lượng nước…) với rất các loại dữ liệu khác nhau.
• Khi số lượng và loại dữ liệu mà IWMS thu thập và quản trị ngày càng lớn và gia tăng, cần thiết lập một mô hình dữ liệu (data model) để tạo cơ sở, tổ chức và quản lý dữ liệu.
• Các thông tin thời gian thực sẽ đưa lên bảng điều khiển sau khi thu thập và phát hiện bởi IWMS. Với các quy chế cảnh báo thiết lập trước, các thông tin vi phạm sẽ được hệ thống tự động gửi cho người có trách nhiệm liên quan để có hành động ngay lập tức.
• Nền tảng dữ liệu thống nhất này giúp thiết lập 1 tiêu chuẩn cho phép IWMS có thể mở rộng hệ thống, cả hiện tại và trong tương lai. Các dữ liệu trong UDP có thể dễ dàng chia sẻ với các hệ thống khác thông qua việc sử dụng các dịch vụ trên nền web.

• Dashboard giúp hiển thị thông tin nhanh chóng và dễ nắm bắt. Người dùng có thể xem ở mức tổng quan và chỉ cần trỏ và xem (click-and-see) để biết các thông tin chi tiết hơn.
• Dashboards cũng có thể tạo ra các mức thông tin hiển thị khác nhau theo từng nhóm người dùng khác nhau, Thông tin chung (trên Cổng thông tin); Thông tin dành cho quản lý; Thông tin cho từng phòng/ban.
• Widget là những công cụ tích hợp được sử dụng để tạo ra các bảng thông tin điều khiển, có thể được tái sử dụng và đóng gói lại để phù hợp với nhu cầu của các nhóm người sử dụng khác nhau thông qua việc dùng chính sách phân quyền. Các bảng thông tin cũng có thể được cấu hình để hiển thị nhiều thời điểm khác nhau trên cùng một dữ liệu, ví dụ, về dự báo thời tiết, bảng điều khiển có thể hiển thị thông tin thời tiết hiện tại và thông tin dự báo cùng lúc trên một màn hình hiển thị. Điều này giúp phân loại thông tin và cho phép người dùng biết được cơ sở lịch sử dữ liệu mà hệ thống sử dụng để đưa ra các phân tích, đánh giá và dự đoán.
• Bảng thông tin cho Bộ phận điều hành cấp cao cho phép họ có quyền truy cập vào các cảnh báo và thông tin quan trọng đòi hỏi sự chú ý của họ, chẳng hạn như rò rỉ đường ống lớn hoặc thời tiết xấu, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ thống.
• Các đơn vị Phòng/Ban chuyên môn sẽ có bảng thông tin cho thấy các thông tin cần thiết cần thiết cho hoạt động của mình. Ví dụ, các bộ phận phụ trách kiểm soát thủy lợi sẽ thấy dự báo nhu cầu của từng khu vực, sự sẵn sàng của nguồn nước, và tiến độ công việc bảo dưỡng đường ống dẫn nước.
• Người dùng có thể truy xuất các thông tin liên quan theo mức phân quyền truy cập thông qua một ứng dụng di động. Ứng dụng di động sẽ không nhất thiết phải hiển thị đủ bảng thông tin trên 1 thiết bị di động, nhưng sẽ có các tiện ích phù hợp cho người dùng ở hiện trường để thực hiện hoạt động kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống, ví dụ tải lên một hình ảnh thực tế và vị trí địa lý trên bản đồ số của máy bơm bị hỏng trong hệ thống.

• Tại các trung tâm hoạt động, khi có một sự cố xảy ra, các đội phản ứng với sự cố sẽ đến nơi xảy ra vụ việc, trang bị thiết bị di động có cài đặt ứng dụng kết nối với IWMS, sẽ cung cấp cho họ tất cả các thông tin cần thiết để giải quyết vụ việc.
• Các thiết bị di động cũng cho phép các đội tương tác với các trung tâm hoạt động thông qua việc tải lên các hình ảnh và video tại hiện trường, hoặc thậm chí mở hội nghị truyền hình để cập nhật các hoạt động hay tìm sự hỗ trợ về chuyên môn từ trung tâm hoạt động.

• Tất cả các thông tin cần thiết cho IWMS để có thể điều hành hoạt động tập trung được hiển thị trên một hệ thống màn hình videowall. Cùng với các thiết bị hỗ trợ quản trị như bàn điều khiển và các thiết bị kiểm soát, tạo điều kiện cho ban điều hành và các nhân viên có thể ứng phó sự cố, quản lý hệ thống và triển khai các đội hoạt động tại hiện trường có hiệu quả.
• Các trung tâm hoạt động nên có một đơn vị quản lý khủng hoảng để chuẩn bị đối phó với tình trạng khẩn cấp mức quốc gia/quốc tế hoặc sự cố quy mô lớn. Chủ tịch của trung tâm hoạt động sẽ có thể tương tác với các nhân viên của mình thông qua những thông tin hiển thị trên một màn hình videowall với các cảnh báo, dữ liệu và kết quả phân tích từ IWMS.

Kết luận

Những thách thức đối với ngành quản lý nguồn tài nguyên nước có thể được kiểm soát bằng việc có một hệ thống thông minh như IWMS. IWMS sẽ giúp cập nhật, quản lý các nguồn dữ liệu đa dạng của ngành, đưa ra đánh giá và giải pháp kịp thời để ứng phó hiệu quả với các vấn đề và cung cấp cho đội phản ứng sự cố các phương án và đề xuất thông qua việc sử dụng các mô hình và dự báo.

IWMS là một đề xuất hiệu quả để cho phép các nhà quản lý để thực hiện công việc của họ một cách hiệu quả, làm giảm chi phí vận hành một hệ thống nước.