Nhu cầu nước ngày càng tăng trong khi nguồn nước và nhân lực hạn chế, cùng những thách thức về biến đổi khí hậu và chi phí vận hành gia tăng đã thúc đẩy Cơ quan Nước Quốc gia của Singapore, được viết tắt là PUB (Public Utilities Board), nghiên cứu và triển khai ứng dụng các giải pháp kỹ thuật số và công nghệ tiên tiến để tăng cường khả năng hoạt động, tăng năng suất nước cấp, đảm bảo an ninh và an toàn nguồn nước.
Triển khai tích hợp các công nghệ nước thông minh là một trong những trụ cột chính trong chiến lược quản lý nước của Singapore để việc lập kế hoạch, vận hành dịch vụ cấp nước nhanh và đạt hiệu quả cao hơn. Chìa khóa để PUB quản lý và thực hiện cung cấp nước một cách thông minh là triển khai ứng dụng các công nghệ cảm biến hiện đại, dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo, phân tích dữ liệu,… để giám sát và hỗ trợ ra quyết định theo thời gian thực, đồng thời thiết kế lại quy trình quản lý thông minh hơn. Mạng lưới nước thông minh (SWG-Smart Water Grid) được PUB triển khai sẽ đề cập dưới đây gồm các khía cạnh chính để hệ thống phân phối hoạt động hiệu quả là: quản lý cơ sở hạ tầng, quản lý rò rỉ, giám sát chất lượng nước, và mục tiêu hướng đến khách hàng bằng cách sử dụng đồng hồ đo nước thông minh để tăng cường tương tác và tiết kiệm nước.
Công nghệ thông minh quản lý cơ sở hạ tầng cấp nước
Giám sát hệ thống đường ống cấp nước
Hầu hết các đường ống của mạng lưới cấp nước ở Singapore có tuổi đời vài chục năm, được chôn lấp và có cấu hình nhấp nhô, nên khi tiếp tục đặt nhiều đường ống cho nhu cầu cấp nước làm cơ sở hạ tầng ngày càng phát triển dẫn đến tiềm ẩn nhiều điểm hư hỏng hơn. Song song đó, cách đánh giá tình trạng đường ống hiện được sử dụng có tính xâm nhập và yêu cầu đường ống ngưng hoạt động nên chỉ có thể áp dụng tại một số vị trí được chọn. Để đảm bảo an toàn hệ thống đường ống, bộ phận quản lý hệ thống cấp nước của PUB là WSN (Water Supply Network Department) hợp tác với Aqleo, là công ty spin-off của Đại học Quốc gia Singapore (National University of Singapore) triển khai dự án R&D để phát triển mô hình phân tích đường ống, dự đoán các điểm hư hỏng. Mô hình này sử dụng phương pháp phân tích Bayes, có thể xác định 25% tổng số đường ống trong mạng lưới có nhiều khả năng xảy ra hư hỏng nhất. Tuy nhiên, mô hình dự báo này chỉ đạt hiệu quả nếu dữ liệu đầu vào chính xác và đủ lớn để phân tích.
Để thu thập thông tin của hệ thống đường ống nhiều hơn, WSN cộng tác với các phòng thí nghiệm tiến hành thử nghiệm phá hủy các đường ống bị ăn mòn lộ ra ngoài để biết tình trạng của các đường ống tương tự trong vùng lân cận, đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu về đất để phát triển một mô hình gây hư hỏng đường ống có tính đến tác động của đất.
Với việc kết hợp các mô hình dự báo hư hỏng vào hệ thống quản lý tài sản, WSN sẽ đặt ra mục tiêu xác định tỉ lệ đường ống có nguy cơ cao để thay thế hàng năm, tỉ lệ này được xác định cho năm 2020 là 2%.
Quản lý và tăng cường giám sát rò rỉ
Theo kế hoạch phát hiện rò rỉ của WSN, nhóm hiện trường đến khảo sát để xác định vị trí rò rỉ nước bằng cách dựa vào các dấu hiệu từ thị giác, thính giác và bộ định vị tiếng ồn rò rỉ. Mạng lưới đường ống cấp nước trải khắp Singapore khoảng 6.000 km, mỗi vòng khảo sát định kỳ có thể mất một năm để hoàn thành. Với yêu cầu hạn chế thất thoát nước và nhân lực, mục tiêu của WSN là tìm ra giải pháp nhanh nhất để phát hiện và xử lý sự cố rò rỉ.
Công nghệ cảm biến tiên tiến là giải pháp WSN ứng dụng để phát hiện rò rỉ nước. Các loại cảm biến như cảm biến âm thanh sử dụng gia tốc kế, cảm biến âm thanh dựa trên cảm biến thu sóng trong nước, và cảm biến áp suất cao,…được các chuyên gia phân tích đánh giá để lựa chọn sử dụng phát hiện rò rỉ sao cho phù hợp yêu cầu từng nơi trong hệ thống và chi phí. WSN lập kế hoạch mở rộng phạm vi lắp đặt các cảm biến trong toàn mạng lưới đường ống và có bổ sung thêm các cảm biến đa thông số.
Các cảm biến liên tục theo dõi, phản hồi thông tin nhanh, cung cấp dữ liệu để phân tích phát hiện sớm rò rỉ nước để xử lý khắc phục, giảm thiểu ảnh hưởng đến khách hàng, giảm đáng kể nhân lực giúp hoạt động dịch vụ hiệu quả và tiết tiệm chi phí đáng kể.
Quản lý nước theo phân khu
Sử dụng đồng hồ đo lưu lượng để theo dõi dòng nước vào và ra của các tiểu vùng của mạng lưới nước, kết hợp với các chỉ số đồng hồ đo nước thông minh từ khách hàng, sau đó tính toán cân bằng khối lượng được sử dụng để tính được lượng nước thất thoát thực tế trong một tiểu vùng, từ đó sẽ phát hiện được tiểu vùng có thất thoát nước để tập trung khảo sát rò rỉ.
Phân tích thống kê các dòng chảy và áp suất cũng được áp dụng để phát hiện các sai lệch có thể chỉ ra điểm rò rỉ mới. Tuy nhiên, sự dao động của dòng nước có thể do nhiều lý do như thay đổi sử dụng nước theo mùa hay các ngày nghỉ lễ,… nên phân tích thống kê cũng cần tính đến các bộ dữ liệu khác để cải thiện mức độ chính xác.
Tăng cường giám sát chất lượng nước và tương tác với khách hàng
Công nghệ thông minh giám sát chất lượng nước
Mục tiêu dài hạn của WSN là giám sát và lập mô hình quản lý chất lượng nước theo thời gian thực để phát hiện sớm ô nhiễm và kiểm soát sự lây lan nhằm giảm thiểu tối đa tác động không tốt đến khách hàng.
WSN đã triển khai lắp đặt các cảm biến chất lượng nước thông minh ở các vị trí chiến lược của mạng lưới phân phối nước. Các cảm biến thông thường đo trực tiếp các thông số chất lượng nước như độ pH, độ đục và độ dẫn nhiệt. Ngoài ra còn có các cảm biến nhằm mục đích phát hiện bất kỳ sai lệch so với tiêu chuẩn yêu cầu của nước sạch như các cảm biến sinh học giám sát các sinh vật sống trong nước để đánh giá độ độc của mẫu nước. WSN đặt mục tiêu sẽ sở hữu mô hình chất lượng nước theo thời gian thực vào năm 2030, mô hình sẽ giúp xác định các khu vực có thể yêu cầu can thiệp bổ sung, như tăng lưu lượng dòng chảy và/hoặc khử trùng bổ sung…
PUB đã cộng tác với Phòng Thí nghiệm Quốc gia Sandia (Sandia National Laboratories) - Mỹ, để phát triển phần mềm CANARY, là công cụ phát hiện các vấn đề về chất lượng nước trong mạng lưới phân phối. PUB đã cùng với Visenti (http://www.visenti.com) phát triển hệ thống WaterWise chuyên dụng, bao gồm 300 đầu dò đa tham số để phát hiện rò rỉ và các vấn đề chất lượng nước theo thời gian thực.
Tương tác với khách hàng qua đồng hồ đo nước thông minh
WSN phụ trách hơn 1,4 triệu đồng hồ đo nước theo dõi sử dụng và thanh toán của khách hàng (năm 2016), tần suất đọc thủ công đồng hồ không cung cấp đủ dữ liệu để nhận biết cách tiêu thụ nước của khách hàng. Để cải tiến, đồng hồ đọc tự động AMR (Automated Meter Reading) được triển khai sử dụng. AMR có ưu điểm là ngoài chức năng báo chỉ số nước tiêu thụ còn có thể cung cấp dữ liệu tiêu thụ theo giờ cho khách hàng biết để kiểm soát việc sử dụng nước tiết kiệm hơn, hay xác định tức thì chỉ số nước tiêu thụ bất hợp lý do rò rỉ để xử lý, ngăn chặn kịp thời.
Dữ liệu thu được từ AMR sẽ cung cấp cho PUB thông tin theo thời gian cụ thể về lượng nước mà khách hàng sử dụng, bao gồm cả nơi nào có nhu cầu cao hơn trong ngày, điều này giúp dễ dàng lập kế hoạch cho những thay đổi cần thực hiện đối với hệ thống phân phối, hay sử dụng để phân tích hành vi tiêu thụ nước cho việc phát triển các biện pháp bảo tồn nước. Dữ liệu từ AMR được tổng hợp cùng với các thông tin từ cảm biến rất hữu ích cho việc phân tích hiệu suất của cả mạng lưới cấp nước.
PUB đang chuẩn bị lắp đặt 300.000 đồng hồ AMR trong giai đoạn 2021-2023 tại các khu dân cư (chiếm 90%), các khu thương mại và khu công nghiệp với hy vọng cư dân và các doanh nghiệp có thể nhận được kịp thời các thông tin liên quan đến nước sử dụng và cảnh báo về khả năng rò rỉ, giúp giảm thất thoát nước và hình thành thói quen tiết kiệm nước trong cộng đồng.
Thách thức cần vượt qua
Hệ thống cấp nước sẽ “thông minh” hơn khi ứng dụng các công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, để đổi mới thành công cần vượt qua không ít rào cản, đó là:
- Những hạn chế trong việc tích hợp các thành phần chính của mạng lưới nước thông minh (như các loại cảm biến, truyền thông không dây và các công cụ phân tích dữ liệu) do thiếu các tiêu chuẩn kỹ thuật về khả năng tương tác của các thành phần này.
- Dữ liệu từ các cảm biến theo thời gian thực và số đo của đồng hồ nước thông minh tạo ra lượng lớn dữ liệu đòi hỏi phải được tổ chức tốt và có công cụ phân tích mạnh mẽ để trích xuất thông tin hữu ích.
- Công nghệ ứng dụng trong mạng lưới nước thông minh là mới và cần nghiên cứu, thử nghiệm thêm để sử dụng và nhận thức rõ được toàn bộ ưu nhược điểm của mạng lưới nước thông minh.
- Phải xem xét thiết kế mới quy trình vận hành mạng lưới cấp nước phù hợp với những đổi mới, sắp xếp và đào tạo lại lực lượng lao động hiện có.
- Truyền thông công cộng phải giải quyết các mối quan tâm một cách thỏa đáng để đảm bảo những đổi mới trong ngành cấp nước được phổ biến ra công chúng và xã hội chấp nhận.
Nguồn tham khảo: Public Utilities Board Singapore; Public Utilities Board Singapore Smart Water (2016), Managing the water distribution network with a Smart Water Grid.
Anh Trung (CESTI)