Deep Learning: Ứng Dụng Cho Dự Báo Lưu Lượng Nước Đến Hồ Chứa Hòa Bình

Abstract

Từ khóa-Deep learning, mạng nơron, máy véctơ hỗ trợ, rừng ngẫu nhiên, LASSO, khai phá dữ liệu, học máy. I. ĐẶT VẤN ĐỀHồ chứa Hòa Bình là hồ chứa lớn nhất Việt Nam nằm trên dòng sông Đà, cách Hà Nội khoảng 70km, hệ thống thủy điện của hồ Hòa Bình được đưa vào vận hành từ năm 1990 giữ vai trò quan trọng trong kiểm soát lũ, hạn hán và cung cấp điện cho đồng bằng châu thổ sông Hồng. Dung tích hồ là 9.6*10 9 m 3 với khả năng xả lớn nhất đạt 2,400 m 3 /s. Điều tiết nước trong mùa lũ luôn là bài toán quan trọng trong vận hành hồ chứa, việc dự báo chính xác lưu lượng nước đổ về hồ chứa trước một khoảng thời gian chủ động luôn là thách thức lớn đối với nhà quản lý trong công tác vận hành tổ hợp công trình tại thủy điện Hòa Bình.Dự báo chính xác lưu lượng là yêu cầu chủ yếu trong việc xây dựng thành công một hệ thống quản lý và giảm nhẹ ảnh hưởng của lũ, an toàn hồ đập trong một lưu vực sông. Các phương pháp học máy tiếp cận bài toán dự báo lưu lượng nước đổ về hồ chứa đã được nghiên cứu và đạt được nhiều kết quả khả quan [17,18,19]. Mạng nơron (neural) nhân tạo (ANN) được chứng minh bằng thực nghiệm cho thấy là một trong các phương pháp hiệu quả nhất và được dùng nhiều trong tính toán dự báo dạng chuỗi thời gian đối với bài toán thuộc dạng này [18,[20][21][22][23][24]. Trong những năm gần đây, phương pháp Deep learning (Học sâu) dựa trên nền tảng mạng nơron nhân tạo đang phát triển rất nhanh và thu hút đông đảo cộng đồng nghiên cứu tham gia. Trong nghiên cứu này, phương pháp Deep learning được nghiên cứu để phân tích, dự báo trung hạn lưu lượng nước đổ về hồ Hòa Bình trước 10 ngày, từ đó trợ giúp công tác hỗ trợ ra quyết định trong điều hành hồ chứa; phương pháp Deep learning cũng có thể mở rộng với các bài toán dự báo lưu lượng tại các hồ chứa khác của Việt Nam phục vụ phòng, tránh và giảm nhẹ thiên tai.Bài toán dự báo lượng nước đổ về hồ Hòa Bình thường dựa trên vào các dữ liệu quan sát được trong quá khứ và các yếu tố tác động đến lưu lượng nước đổ về hồ. Dự báo lưu lượng nước sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả dự báo như mưa, dòng chảy, địa hình, thảm phủ thực vật, độ ẩm, khí hậu và các tác động của con người trên lưu vực,… Trong những yếu tố đó thì mưa đóng vai trò quan trọng nhất, còn các yếu tố về địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật ít thay đổi, nghiên cứu này chưa xét đến yếu tố khí hậu và tác động của con người làm thay đổi lưu vực. Chúng tôi tập trung nghiên cứu vào xây dựng mô hình Deep learning cải thiện chất lượng bài toán dự báo lưu lượng nước đến hồ Hòa Bình dựa trên số liệu mưa quan trắc được và các quan sát lưu lượng nước về hồ trong quá khứ.Các số liệu quan trắc về lượng mưa là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dự báo. Hình 1 mô tả quá trình thu thập số liệu quan trắc theo chuỗi thời gian, thông thường ta xét trong 1 khoảng thời gian cố định (cửa sổ trượt) có dữ liệu quan sát phản ánh đủ những kịch bản dự báo. Những dữ liệu này được gọi chung là tập dữ liệu huấn luyện hay dữ liệu để học mô hình dự báo. Ta ký hiệu tập dữ liệu đầu vào này là *( ) ( ) ( ), ...