Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý, giám sát, vận hành cống thủy lợi - hệ thống thủy lợi bắc hưng hải (01/04/2026)

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, lũ lụt, hạn hán và xâm nhập mặn có xu hướng gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ, đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với công tác quản lý, khai thác và vận hành các hệ thống công trình thủy lợi. Bên cạnh đó, xu hướng chuyển đổi số và ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực thủy lợi, đang được Đảng và Nhà nước quan tâm, chỉ đạo và khuyến khích triển khai mạnh mẽ. Việc ứng dụng các công nghệ hiện đại như Internet vạn vật (IoT), truyền dữ liệu thời gian thực, điều khiển từ xa và phần mềm quản lý tập trung đã được chứng minh mang lại hiệu quả rõ rệt tại nhiều quốc gia trên thế giới và một số địa phương trong nước.

Hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải là một trong những hệ thống thủy lợi lớn và quan trọng nhất của khu vực đồng bằng Bắc Bộ, với diện tích tự nhiên lên đến 214.932 ha, bao gồm đất đai của toàn bộ tỉnh Hưng Yên, bảy huyện thị của Hải Dương, ba huyện của Bắc Ninh và hai quận huyện của thành phố Hà Nội. Hệ thống được bao bọc bởi bốn con sông lớn là sông Đuống, sông Luộc, sông Thái Bình và sông Hồng. Trong hệ thống này, các công trình cống điều tiết giữ vai trò then chốt trong việc phân phối, kiểm soát dòng chảy và điều hành nguồn nước phục vụ tưới tiêu, tiêu úng và phòng chống thiên tai.

Tuy nhiên, thực tế công tác quản lý, giám sát và vận hành các cống thủy lợi trong hệ thống Bắc Hưng Hải vẫn chủ yếu dựa trên phương thức thủ công, yêu cầu bố trí lực lượng trực tiếp tại hiện trường. Việc theo dõi trạng thái vận hành, xác định độ mở cống, giám sát mực nước thượng lưu và hạ lưu còn mang tính thủ công, chưa được tự động hóa và kết nối đồng bộ. Điều này không chỉ làm tăng chi phí nhân lực, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động mà còn gây khó khăn trong công tác điều hành kịp thời, chính xác, đặc biệt trong các tình huống mưa lũ, úng ngập hoặc thiếu nước. Đặc biệt, đối với các cống sử dụng cửa van cung và máy đóng mở dạng tời cáp, hiện chưa có giải pháp đo độ mở cửa van tự động, liên tục và chính xác để phục vụ công tác giám sát và điều khiển từ xa.

Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn đó, Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thủy lợi Bắc Hưng Hải đã chủ trì thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp tỉnh "Ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý, giám sát, vận hành cống thủy lợi – Hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải",do ThS. Trịnh Thế Trường – Chủ tịch kiêm Giám đốc Công ty – làm chủ nhiệm đề tài. Đề tài được thực hiện từ tháng 1/2024 đến tháng 12/2025, với tổng kinh phí 1.135,67 triệu đồng, trong đó ngân sách sự nghiệp khoa học cấp 488 triệu đồng, phần còn lại từ nguồn khác.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát chi tiết hiện trạng tại hai công trình tiêu biểu là cống Neo và cống Bá Thủy – những công trình điều tiết quan trọng trong hệ thống Bắc Hưng Hải, cả hai đều sử dụng cửa van cung và vận hành bằng máy đóng mở tời điện – cáp kéo. Kết quả khảo sát cho thấy hệ thống máy đóng mở cửa van sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha hiện vẫn hoạt động ổn định; các thiết bị quan trắc mực nước thượng lưu, hạ lưu và camera giám sát đã được lắp đặt từ trước và vẫn đang vận hành. Tuy nhiên, chưa có thiết bị đo độ mở cửa van, việc xác định trạng thái đóng mở và mức độ mở cống vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm vận hành và quan sát thủ công với độ chính xác thấp, yêu cầu nhiều nhân lực và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động cao, đặc biệt trong điều kiện mưa lũ.

Khu vực vận hành cống Neo và cống Bá Thủy.

Đề tài đã nghiên cứu, đánh giá và đối chiếu các mô hình quản lý, giám sát và điều khiển cống thủy lợi đã triển khai tại các nước phát triển như Trung Quốc, Nhật Bản và Mỹ, đồng thời phân tích các giải pháp trong nước. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn và phát triển các giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế tại hệ thống Bắc Hưng Hải.

Đối với bài toán đo độ mở cửa van cung, sau khi xem xét hai phương án chính là đo áp suất thủy tĩnh và đo góc nghiêng, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp đo góc nghiêng gắn tại trục cửa van vì phù hợp với kết cấu hiện hữu, lắp đặt đơn giản, chi phí hợp lý và độ ổn định cao. Cảm biến góc được thiết kế và chế tạo sử dụng IC AS5045 12-bit, kết hợp với hệ bánh răng chuyển đổi và bánh đà đối trọng, cho phép đo liên tục góc nghiêng của trục cánh cung và quy đổi thành giá trị độ mở cống theo đơn vị mét với độ phân giải lý thuyết đạt 0,3 cm.

Về giải pháp điều khiển từ xa, đề tài thiết kế và lắp đặt thiết bị RTU (Remote Terminal Unit) chuyên dụng tại mỗi trạm cống, kết nối với hệ thống contactor và relay trung gian hiện có để điều khiển các lệnh mở, đóng và dừng động cơ điện. Cơ chế an toàn được tích hợp chặt chẽ: mọi lệnh đóng hoặc mở từ xa chỉ được thực hiện khi thỏa mãn đồng thời các điều kiện như không có tín hiệu quá tải, không vi phạm giới hạn hành trình đóng kín hoặc mở thông, không tồn tại cảnh báo lỗi nghiêm trọng và hệ thống đang ở trạng thái cho phép điều khiển. Hệ thống tự động ngắt khi phát hiện kẹt cơ khí, mất tín hiệu hoặc vận hành vượt thời gian cho phép.

Về truyền thông dữ liệu, sau khi so sánh các phương án LAN, RS485, LoRa, RF và WiFi, đề tài lựa chọn WiFi kết hợp Internet với giao thức MQTT cho điều khiển và truyền trạng thái thời gian thực, HTTP/API cho hiển thị và truy xuất dữ liệu. Bộ dẫn truyền WiFi thương hiệu Mercury được lắp đặt để mở rộng vùng phủ sóng từ nhà quản lý đến các cửa cống, đảm bảo kết nối ổn định và bảo mật.

Hệ thống phần mềm được xây dựng theo kiến trúc website, bao gồm các module chức năng chính: quản lý bộ máy tổ chức và phân quyền người dùng; giám sát dữ liệu SCADA; điều khiển vận hành cống; vận hành tự động theo kịch bản; cảnh báo tình huống; và lưu trữ, tra cứu lịch sử vận hành. Phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình PHP và cơ sở dữ liệu MySQL, chạy trên nền tảng IIS, đảm bảo khả năng truy cập từ mọi thiết bị thông minh có kết nối Internet. Hệ thống cảnh báo tự động hỗ trợ nhiều kênh thông báo bao gồm Zalo, tin nhắn SMS, Email và ứng dụng riêng. Toàn bộ thao tác điều khiển được ghi nhật ký để đảm bảo truy xuất và kiểm soát trách nhiệm vận hành.

Hệ thống đã được triển khai đồng bộ tại cống Neo và cống Bá Thủy, bao gồm lắp đặt RTU và các thiết bị bảo vệ, cảm biến góc đo độ mở cửa van, công tắc hành trình xác định trạng thái đóng kín và mở thông, bảng LED hiển thị số liệu tại từng cửa cống và tại trạm quản lý, thiết lập phòng điều khiển trung tâm tại trụ sở công ty với hệ thống máy chủ, màn hình giám sát và cơ sở hạ tầng bảo mật hoàn chỉnh.

Kết quả vận hành thử nghiệm ngày 25/9/2025 cho thấy sai số đo độ mở cửa van tại mười cửa cống (năm cửa tại cống Neo, năm cửa tại cống Bá Thủy) chỉ ở mức 0 đến 2 cm, tương đương sai số tỷ lệ không vượt quá 1%. Tỷ lệ truyền dữ liệu đạt từ 99% trở lên, độ trễ lệnh điều khiển dưới một giây, hệ thống vận hành ổn định xuyên suốt quá trình thử nghiệm.

Với kết quả nghiên cứu trên, đề tài đã hoàn thành toàn bộ mục tiêu, nội dung và sản phẩm theo hợp đồng với việc nghiên cứu và đề xuất thành công giải pháp kỹ thuật đo và giám sát độ mở cửa cống phù hợp với đặc điểm kết cấu cửa van cung và máy đóng mở dạng tời cáp, khắc phục triệt để hạn chế của phương thức giám sát thủ công trước đây. Đồng thời, đã xây dựng được hệ thống giám sát, truyền dữ liệu và hỗ trợ điều khiển vận hành cống theo thời gian thực, tích hợp đồng bộ giữa thiết bị hiện trường và phần mềm quản lý tập trung. Hệ thống vận hành ổn định trong quá trình thử nghiệm, đáp ứng yêu cầu giám sát từ xa, hỗ trợ hiệu quả công tác điều hành công trình và nâng cao tính minh bạch, trách nhiệm trong vận hành.

Kết quả triển khai cho thấy giải pháp của đề tài phù hợp với điều kiện hạ tầng kỹ thuật, tổ chức quản lý và năng lực vận hành tại địa phương. Việc áp dụng hệ thống giúp giảm đáng kể phụ thuộc vào nhân lực tại hiện trường, tăng tính chính xác và kịp thời trong điều hành, đặc biệt trong các tình huống mưa lũ và điều tiết khẩn cấp. Với kiến trúc mở, module hóa, hệ thống có khả năng mở rộng và nhân rộng cao cho các công trình cống có kết cấu tương tự trong toàn hệ thống Bắc Hưng Hải và các hệ thống thủy lợi khác mà không yêu cầu thay đổi lớn về kết cấu công trình hiện hữu.

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần từng bước hiện đại hóa công tác quản lý và vận hành công trình thủy lợi theo hướng số hóa, tự động hóa và bền vững, tạo tiền đề quan trọng cho việc xây dựng mô hình quản lý thủy lợi thông minh phù hợp với định hướng phát triển khoa học công nghệ và chuyển đổi số của thành phố Hải Phòng và tỉnh Hải Dương trong giai đoạn hiện nay và các năm tiếp theo.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ thông tin và truyền thông Hải Phòng./.