intTypePromotion=1

Phương pháp phân tích ưu tiên hoá trong hệ thống quản lý mặt đường: Tổng quan và hướng phát triển

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

0
54
lượt xem
3
download

Phương pháp phân tích ưu tiên hoá trong hệ thống quản lý mặt đường: Tổng quan và hướng phát triển

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình phân tích ưu tiên hoá các phương án đầu tư ở cả mức độ dự án và mức độ mạng lưới được xem là cấu phần cốt lõi cho công tác thiết lập hệ thống QLMĐ nhằm giúp cho công tác QL&BT đem lại hiệu quả cao về kinh tế trong các điều kiện hạn chế về nguồn vốn. Bài viết này tổng quát các phương pháp tiếp cận và các mô hình phân tích ưu tiên hoá sử dụng trong hệ thống QLMĐ, để đưa ra cái nhìn toàn diện và những định hướng cho việc áp dụng và phát triển mô hình phân tích cho hợp lý ứng với từng điều kiện cụ thể của mạng lưới đường và phạm vi của đơn vị quản lý. Bên cạnh đó, bài viết đề cập đến định hướng phát triển mô hình tối ưu hoá hợp nhất cho việc quản lý các tài sản thuộc mạng lưới đường bộ khi xem xét đồng thời nhiều hệ thống công trình hoặc các phân khu quản lý khác nhau.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Phương pháp phân tích ưu tiên hoá trong hệ thống quản lý mặt đường: Tổng quan và hướng phát triển

Phương pháp Phân tích Ưu tiên hoá trong Hệ thống Quản lý Mặt đường:<br /> Tổng quan và Hướng phát triển<br /> (Methodologies of Prioritization used in Pavement Management System:<br /> Comprehensive Overview and Prospective Development)<br /> <br /> ThS. Đinh Văn Hiệp<br /> Giảng viên, Bộ môn Đường ôtô và Đường đô thị,<br /> Khoa Xây dựng Cầu Đường, Trường Đại học Xây dựng<br /> Email: dvhiep.huce@gmail.com<br /> <br /> Tóm tắt: Mô hình phân tích ưu tiên hoá các phương án đầu tư ở cả mức độ dự án và mức độ mạng<br /> lưới được xem là cấu phần cốt lõi cho công tác thiết lập hệ thống QLMĐ nhằm giúp cho công tác<br /> QL&BT đem lại hiệu quả cao về kinh tế trong các điều kiện hạn chế về nguồn vốn. Bài viết này<br /> tổng quát các phương pháp tiếp cận và các mô hình phân tích ưu tiên hoá sử dụng trong hệ thống<br /> QLMĐ, để đưa ra cái nhìn toàn diện và những định hướng cho việc áp dụng và phát triển mô hình<br /> phân tích cho hợp lý ứng với từng điều kiện cụ thể của mạng lưới đường và phạm vi của đơn vị<br /> quản lý. Bên cạnh đó, bài viết đề cập đến định hướng phát triển mô hình tối ưu hoá hợp nhất cho<br /> việc quản lý các tài sản thuộc mạng lưới đường bộ khi xem xét đồng thời nhiều hệ thống công<br /> trình hoặc các phân khu quản lý khác nhau.<br /> <br /> Abstract: A major task of pavement management system (PMS) is to prioritize investment<br /> alternatives at both network and project levels to obtain maximum benefit or minimum total cost<br /> subject to budget constraint. The paper overviews comprehensively methodologies of prioritization<br /> used in PMS and identifies appropriate applications according to the nature and situation of road<br /> networks or road agencies. In addition, the paper presents future directions to develop a unified<br /> optimization procedure for managing a road asset system, which consists of various structure<br /> components or different road agencies.<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Mạng lưới đường bộ hiện nay đã và đang tương đối hoàn thiện ở rất nhiều nước, đặc biệt là các<br /> nước đã phát triển. Sự tập trung vào việc xây dựng các tuyến mới đã và đang chuyển dần sang việc<br /> quản lý và bảo trì (QL&BT) hệ thống mạng lưới đường hiện có. Trong đó, hệ thống mặt đường<br /> không những cần nguồn vốn đầu tư rất lớn cho việc xây dựng ban đầu (thường chiếm từ 60 – 70 %<br /> tổng chi phí) mà còn cần nhiều chi phí cho các công tác QL&BT sau này. Do vậy, hệ thống quản<br /> lý mặt đường (QLMĐ) đã được thiết lập nhằm giúp cho công tác QL&BT đem lại hiệu quả cao về<br /> kinh tế và đáp ứng mức độ phục vụ mong muốn trong các điều kiện hạn chế, thường là nguồn vốn<br /> hạn hẹp và ràng buộc về chính sách cấp vốn. Hệ thống quản lý này được hình thành đầu tiên ở một<br /> số bang của Mỹ từ những năm 1960, sau đó đã được mở rộng và phát triển trong suốt những thập<br /> niên qua và đã đem lại nhiều lợi ích cho cộng đồng.<br /> Tại Việt Nam trong những năm gần đây, Chính phủ đã tập trung nguồn vốn đầu tư lớn vào phát<br /> triển và hoàn thiện mạng lưới đường bộ. Bên cạnh đó, các nhà quản lý đang nỗ lực xây dựng hệ<br /> thống QLMĐ hiệu quả cả về mặt kinh tế và kỹ thuật thông qua một số dự án tiêu biểu, như là Dự<br /> án tăng cường năng lực quản lý mạng lưới đường bộ (1), Dự án nâng cấp mạng lưới đường bộ -<br /> Hợp phần xây dựng thể chế và quản lý đường bộ (2), và Dự án nâng cấp đường bộ giai đoạn 3 -<br /> Thực thi phát triển chính sách ngành (3). Một trong những cấu phần chính của hệ thống quản lý<br /> này là việc phân tích ưu tiên hoá dự án đầu tư ở cả mức độ dự án và mức độ mạng lưới trong<br /> <br /> 1<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> những điều kiện hạn chế về nguồn vốn. Trong điều kiện Việt Nam, đây là vấn đề còn mới và<br /> những nghiên cứu tổng hợp cho vấn đề này vẫn còn hạn chế. Do vậy, mục đích của bài viết sẽ tổng<br /> quát các phương pháp tiếp cận và các mô hình phân tích ưu tiên hoá, thông qua việc phân tích các<br /> ưu và nhược điểm của chúng khi ứng dụng trong hệ thống QLMĐ. Cuối cùng, bài viết đưa ra một<br /> số nhận xét cho việc ứng dụng các phương pháp và mô hình sao cho phù hợp với quy mô của từng<br /> mạng lưới, phạm vi của đơn vị quản lý, và đảm bảo tính phù hợp với xu hướng phát triển.<br /> 2. Chức năng của phân tích ưu tiên hoá<br /> Một trong các cấu phần chính của hệ thống QLMĐ là việc phân tích ưu tiên các phương án đầu tư<br /> (ở cả mức độ dự án và mạng lưới) dưới nguồn vốn biết trước, và thường bị hạn chế hoặc ràng buộc<br /> về chính sách phân bổ. Các hình thức phân tích ưu tiên thay đổi từ việc sắp xếp ưu tiên định tính<br /> đơn giản đến các hình thức tối ưu hoá chính xác phức tạp. Mặc dù vậy, tất cả các hình thức ưu tiên<br /> hoá cho công tác QLMĐ ở mức độ mạng lưới đều hợp nhất 4 bước chính cơ bản như thể hiện trên<br /> Hình 1, đó là cung cấp và xử lý thông tin, xác định những việc cần ở hiện tại và tương lai, phân<br /> tích ưu tiên, và lập báo cáo cùng với các kiến nghị cho kế hoạch công việc (4). Đồng thời, các hình<br /> thức này đều cần phải trả lời những câu hỏi sau:<br /> 1. Lựa chọn dự án: Dự án (đoạn tuyến) 1 nào nên được nâng cấp, cải tạo hoặc bảo trì?<br /> 2. Lựa chọn các giải pháp công việc: Các công việc được nâng cấp, cải tạo, hoặc bảo trì như<br /> thế nào?<br /> 3. Lựa chọn thời gian: Khi nào các công việc nên được thực hiện?<br /> Khi các giải pháp đầu tư được tối ưu hoá hoàn toàn thì tất cả các tổ hợp có thể có của 3 câu hỏi<br /> trên đều phải được xem xét và đánh giá cụ thể. Tuy vậy, phương pháp tiếp cận khi xem xét các câu<br /> hỏi này có thể khác nhau như được trình bày trong phần tiếp theo.<br /> Thu thập và xử lý thông tin (mức<br /> độ phục vụ, độ hư hỏng, số liệu về<br /> kết cấu, giao thông, môi trường,<br /> đơn giá, …)<br /> <br /> <br /> Mô hình xuống Mô hình xuống<br /> cấp cấp<br /> <br /> <br /> Xác định sự<br /> Mức độ cần thiết hiện Thời gian lập<br /> can thiệp tại và trong kế hoạch<br /> tương lai<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Phân tích ưu tiên:<br /> Hạn chế về Chiến lược các<br /> Sắp xếp ưu tiên<br /> nguồn vốn phương án<br /> hay Tối ưu hoá<br /> <br /> <br /> <br /> Báo cáo Kết quả:<br /> 1. Kiến nghị kế hoạch công việc<br /> 2. Phân tích độ nhạy của các trường hợp<br /> nguồn vốn khác nhau<br /> <br /> <br /> Hình 1: Các bước cơ bản trong phân tích ưu tiên hoá<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> Đoạn tuyến ở đây được xem là các đoạn đồng nhất có các đặc tính cơ bản đồng đều.<br /> 2<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> 2. Phương pháp tiếp cận trong quản lý mặt đường<br /> Có 2 phương pháp tiếp cận cơ bản trong mô hình QLMĐ, đó là phương pháp tiếp cận xuôi (top-<br /> down) và phương pháp tiếp cận ngược (bottom-up) (5, 6). Phương pháp xuôi thực hiện những<br /> phân tích đồng thời cho toàn bộ mạng lưới đường, khi đó bất kỳ đoạn đường nào thuộc mạng lưới<br /> đều được xem xét trong phân tích. Phương pháp dựa trên mô hình tối ưu hoá với mục tiêu là xác<br /> định chiến lược công việc tối ưu sao cho tối đa hoá lợi ích thu được hoặc tối thiểu hoá tổng chi phí<br /> của nhà quản lý và người sử dụng đường, trong khi đảm bảo những tiêu chí của mạng lưới do<br /> người sử dụng định trước như là tình trạng mạng lưới mong muốn hay các điều kiện hạn chế về<br /> chính sách nguồn vốn. Các chiến lược tối ưu xác định được từ phân tích sẽ đưa ra đường lối chỉ<br /> đạo trong việc lựa chọn các dự án thực tế cho công tác đường.<br /> Cách tiếp cận này sẽ cho phép người sử dụng xem xét mối quan hệ hợp lý giữa công việc, như là<br /> giữa cải tạo và duy tu ngăn ngừa. Có nghĩa, với một nguồn vốn nhất định, có thể chọn các công<br /> việc cải tạo cho một số lượng nhỏ các đoạn tuyến hoặc lựa chọn giải pháp duy tu ngăn ngừa cho<br /> nhiều đoạn tuyến hơn. Trong quá trình phân tích, những câu hỏi mang tính chiến lược “Cái gì nên<br /> làm?” sẽ được nêu ra đầu tiên để đảm bảo tiêu chí về mức độ phục vụ của mạng lưới dưới điều<br /> kiện nguồn vốn hạn hẹp. Tiếp theo, câu hỏi mang tính kế hoạch “Cái gì sẽ được làm?” sẽ được<br /> xem xét trên cơ sở của những chỉ dẫn đã được xác lập từ bước chiến lược trước đó. Cuối cùng, câu<br /> hỏi mang tính thực thi “Cái gì đã được làm?” hay “Kế hoạch đã được thực thi như thế nào?” được<br /> xem xét bằng việc theo dõi tiến trình thực hiện của mỗi dự án từ giai đoạn chuẩn bị đến khi kết<br /> thúc và thu thập các phản hồi từ thực tế công việc của dự án.<br /> Ngược lại với phương pháp tiếp cận xuôi, phương pháp tiếp cận ngược sẽ lựa chọn các dự án trước<br /> dựa trên những phán đoán mang tính kỹ thuật, ngưỡng can thiệp tình trạng hư hỏng hoặc tuổi thọ<br /> dự báo còn lại của mặt đường. Các chi phí (C) và lợi ích (B) của mỗi dự án được định lượng, sau<br /> đó dựa trên tỉ số B/C các dự án sẽ được sắp xếp theo thứ tự ưu tiên giảm dần. Với nguồn vốn được<br /> biết, người lập kế hoạch sẽ dò tìm dọc theo danh sách đã được sắp xếp theo mức độ ưu tiên để lựa<br /> chọn cho đến khi toàn bộ nguồn vốn được sử dụng hết. Nhược điểm của phương pháp tiếp cận này<br /> là các quyết định tối ưu cho từng dự án riêng lẻ không phản ánh được tiêu chí tối ưu của toàn mạng<br /> lưới. Bởi vì quyết định tối ưu của mạng lưới dựa trên tiêu chí mức độ phục vụ của toàn mạng lưới<br /> hơn là cho từng dự án riêng lẻ. Tiêu chí mạng lưới có thể ví dụ như chiều dài đường của mạng lưới<br /> ít nhất là 80% trong điều kiện tốt và không lớn hơn 5% trong điều kiện xấu.<br /> Kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp tiếp cận xuôi có thể giảm đáng kể<br /> chi phí cho công tác đường khi duy trì toàn bộ mạng lưới ở tình trạng mong muốn (7, 8). Việc tiết<br /> kiệm các chi phí trở nên khả thi bởi vì các chiến lược mạng lưới tối ưu xác định theo phương pháp<br /> xuôi nhìn chung lựa chọn các dự án có giải pháp thiên về duy tu ngăn ngừa hơn, trong khi phương<br /> pháp ngược có xu hướng chỉ chọn các dự án có mặt đường đã xuống cấp tương đối nghiêm trọng<br /> (khi đã đạt đến ngưỡng can thiệp về hư hỏng kết cấu) và cần áp dụng những công việc cải tạo có<br /> mức độ lớn để phục hồi lại trạng thái tương đương ban đầu. Để mô hình hoá các phương pháp tiếp<br /> cận trong phân tích ưu tiên, có rất nhiều các phương pháp lập trình được ứng dụng và được tổng<br /> quát trong phần dưới đây.<br /> 3. Các phương pháp phân tích ưu tiên<br /> Xác lập mức độ ưu tiên của các dự án (đoạn tuyến) được thực hiện bởi nhiều phương pháp phân<br /> tích ưu tiên khác nhau, từ việc sắp xếp mức độ ưu tiên một cách định tính đơn giản đến các hình<br /> thức phức tạp theo các mô hình tối ưu hoá. Dựa trên cách phân loại của GS. Haas cùng cộng sự (9),<br /> Tác giả đã tổng hợp các phương pháp khác nhau cùng với những ưu điểm, nhược điểm, và những<br /> chú ý khi sử dụng trong hệ thống QLMĐ như trên Bảng 1. Tương tự, TS. Robinson cùng cộng sự<br /> (10) phân nhóm các phương pháp phân tích ưu tiên theo 3 thế hệ. Thế hệ thứ nhất là những phương<br /> 3<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> pháp sắp xếp ưu tiên dựa trên tổ hợp của chi phí, điều kiện và chức năng của đường. Thế hệ thứ 2<br /> thì việc sắp xếp ưu tiên dựa trên hiệu quả về chi phí, tuổi thọ của các công tác đường, và phân tích<br /> các phương án trì hoãn. Thế hệ cuối cùng là việc áp dụng các phương pháp phân tích tối ưu hoá<br /> cho toàn mạng lưới, đồng thời với việc xem xét nhiều phương án công việc trong suốt thời gian lập<br /> kế hoạch. Trong đó, phương pháp sắp xếp ưu tiên có ưu điểm là đơn giản nhưng làm mất đi rất<br /> nhiều ưu điểm của hệ thống QLMĐ nên phương pháp này chỉ sử dụng trong khi chưa có các<br /> phương pháp khác thay thế. Phương pháp tối ưu hoá theo các mô hình toán thường phức tạp nhưng<br /> đem lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp sắp xếp ưu tiên. Các phần tiếp theo đây sẽ trình<br /> bày kỹ hơn về các phương pháp được sử dụng phổ biến.<br /> Bảng 1. Phân loại các Phương pháp ưu tiên hoá<br /> Phương pháp Ưu, nhược điểm<br /> Sắp xếp định tính đơn giản các dự án dựa theo các Nhanh và đơn giản, nhưng mang tính định<br /> phán đoán tính, kết quả xa với giải pháp tối ưu<br /> Sắp xếp dựa theo các thông số như là mức độ phục Đơn giản và dễ sử dụng, những có thể xa giải<br /> vụ, độ biến dạng, v.v. pháp tối ưu<br /> Sắp xếp dựa trên các chỉ tiêu của phân tích kinh tế Tương đối đơn giản và có thể tiếp cận gần<br /> giải pháp tối ưu hơn<br /> Tối ưu hoá sử dụng các mô hình lập trình toán học Khá phức tạp và yếu tố thời gian không được<br /> theo cách thức các năm kế tiếp nhau, như là xem xét, nhưng có thể tiếp cận được gần giải<br /> nguyên lý xích Markov pháp tối ưu,<br /> Tối ưu hoá gần đúng, theo nguyên lý mò tìm và Tương đối đơn giản, số lượng phép tính<br /> loại trừ (heuristic method) tương đối nhỏ, và tiếp cận gần với giải pháp<br /> tối ưu<br /> Tối ưu hoá sử dụng các mô hình toán, như là tối ưu Rất phức tạp nhưng có thể đưa ra giải pháp<br /> hoá toàn bộ, tối ưu hoá động, sử dụng lập trình tối ưu chính xác<br /> fuzzy, hoặc thuật toán phát sinh (genetic), …<br /> <br /> 3.1 Phương pháp sắp xếp ưu tiên<br /> Phương pháp sắp xếp ưu tiên được thực hiện thông qua tổ hợp các tham số lựa chọn cùng với hệ số<br /> tỷ trọng của chúng. Phương pháp phổ biến và được nhiều nhà quản lý sử dụng nhất là phương pháp<br /> xếp hạng theo tỷ trọng (Rational Factorial Rating Method). Trong phương pháp này, ý kiến chuyên<br /> gia được sử dụng để xây dựng phương trình xác định hệ số ưu tiên. Đầu tiên, các đoạn tuyến đặc<br /> trưng cho các điều kiện khác nhau được lựa chọn để phục vụ cho việc xây dựng các phiếu điều tra.<br /> Sau đó, nhóm chuyên gia sẽ đánh giá những đoạn tuyến dựa trên những thuộc tính đã xác lập trước.<br /> Kết quả đánh giá thu được thông qua phân tích thống kê sẽ dùng để thiết lập phương trình xác định<br /> mức độ ưu tiên như thể hiện dưới đây (11).<br /> Y = 5.4 – 0.0263.X1 – 0.0132.X2 – 0.4. log (X3) + 0.749.X4 + 1.66.X5<br /> trong đó Y là hệ số ưu tiên có trị số từ 1 đến 10 tương ứng với điều kiện đường từ rất xấu đến rất<br /> tốt. Giá trị Y càng lớn thì mặt đường càng có mức độ ưu tiên cao và cần phải hực hiện các công<br /> việc đường. Ký hiệu từ X1 đến X5 lần lượt là lượng mưa, mức độ đóng và tan băng, lưu lượng giao<br /> thông, chỉ số mức độ phục vụ (PSI), và mức độ hư hỏng mặt đường.<br /> 3.2 Phương pháp tối ưu hoá<br /> <br /> 4<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> Phương pháp tối ưu hoá sử dụng mô hình lập trình toán cho việc phân tích ưu tiên trong kế hoạch<br /> công việc một năm hoặc nhiều năm. Phương pháp này cho phép phân tích mối quan hệ qua lại giữa<br /> các đoạn tuyến đồng thời với việc xem xét các phương án công việc cho mỗi đoạn tuyến đó trong<br /> chương trình nhiều năm của mạng lưới đường, đảm bảo những tiêu chí định sẵn cho mạng lưới<br /> trong điều kiện hạn chế về nguồn vốn. Tiêu chí định sẵn được thể hiện thông qua hàm mục tiêu<br /> như là tối đa hoá mức độ phục vụ, tối đa hoá lợi ích mang lại hay tối thiểu hoá tổng chi phí (bao<br /> gồm cả chi phí nhà quản lý và chi phí người sử dụng) của mạng lưới. Phần dưới đây sẽ tổng quan<br /> một số phương pháp tối ưu hoá phổ biến trong hệ thống QLMĐ.<br /> 3.2.1 Phương pháp phân tích xác suất<br /> Phương pháp phân tích xác suất dự đoán khả năng xảy ra của tình trạng đoạn tuyến nhất định tại<br /> một thời điểm xác định trong tương lai. Mức độ chuyển tiếp xác suất về điều kiện đường trong<br /> tương lai thông thường được ấn định bởi các đánh giá mang tính kỹ thuật dựa trên phân tích của<br /> nhóm chuyên gia. Có 2 hình thức chính được sử dụng, đó là phân phối xác suất dựa trên hàm xác<br /> suất liên tục và nguyên lý “xích Markov” sử dụng các biến rời rạc. Trong đó, nguyên lý Markov<br /> được sử dụng rộng rãi và sớm nhất vào những năm 1980 bởi các nhà quản lý đường bộ bang<br /> Kansas và Arizona của Mỹ để đưa ra các chương trình công việc ưu tiên. Phương pháp sử dụng giả<br /> thiết là quá trình chuyển tiếp xác suất tình trạng đường chỉ được thiết lập cho mỗi bước và chỉ phụ<br /> thuộc vào điều kiện hiện trạng của đường và công việc lựa chọn tại thời điểm xem xét. Do<br /> vậy, phương pháp không xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng trước đó của đoạn tuyến, chẳng hạn<br /> nguyên nhân đã gây ra tình trạng mặt đường như hiện tại. Bảng 2 minh hoạ cách thức chuyển tiếp<br /> xác suất tình trạng mặt đường theo thời gian (thông thường là hàng năm) thông qua ma trân<br /> chuyển tiếp (9). Trong ví dụ này, tình trạng mặt đường được thể hiện thông qua chỉ số từ 1 đến 9,<br /> tương ứng với điều kiện mặt đường từ tốt đến rất xấu.<br /> Bảng 2: Ma trận chuyển tiếp sử dụng nguyên lý xích Markov<br /> Tình trạng Xác suất (%) của điều kiện mặt đường cho năm tiếp theo<br /> ban đầu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tổng<br /> 1 90 4 2 3 1 0 0 0 0 100<br /> 2 1 90 3 0 5 1 0 0 0 100<br /> 3 0 1 92 0 1 3 0 1 2 100<br /> 4 0 0 0 92 5 2 0 1 0 100<br /> 5 0 0 0 1 94 3 1 1 0 100<br /> 6 0 0 0 0 1 94 0 1 4 100<br /> 7 0 0 0 0 2 0 95 2 1 100<br /> 8 0 0 0 0 0 0 1 96 3 100<br /> 9 0 0 0 0 0 1 0 1 98 100<br /> <br /> Quá trình chuyển tiếp xác suất được thực hiện liên tục cho các năm liên tiếp dưới những phương<br /> án công việc nhất định. Cùng với đó là rất nhiều các chi phí, bao gồm chi phí cho một công việc<br /> đường chính được thực hiện 1 lần, chi phí duy tu thường xuyên, và chi phí của người sử dụng<br /> trong suốt năm sau khi đã thực hiện công tác đường. Đối với mỗi phương án công việc đường nhất<br /> định, tổng chi phí được xác định bằng tổng các chi phí hàng năm dự tính trong suốt thời kỳ lập kế<br /> hoạch được quy đổi về giá trị hiện tại. Khi đó, mục đích của phân tích tối ưu hóa ở đây sẽ tìm<br /> phương án công việc sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất hoặc lợi ích cho xã hội là lớn nhất, đảm bảo<br /> các tiêu chí của mạng lưới và điều kiện hạn chế về nguồn vốn. So với phương pháp sắp xếp ưu tiên,<br /> <br /> <br /> 5<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> phương pháp tối ưu sử dụng nguyên lý xích Markov đã tiếp cận việc phân tích đồng thời mạng<br /> lưới nhưng vẫn còn có những nhược điểm sau:<br /> 9 Khái niệm về xích Markov tương đối phức tạp cho việc thuyết phục các nhà quản lý và nhà<br /> hoạch định so với phương pháp sắp xếp ưu tiên.<br /> 9 Do phải sử dụng một số lượng lớn các phương án thực hiện công việc, nên phương pháp này<br /> phức tạp và khó có thể tìm được giải pháp tối ưu chính xác.<br /> 9 Phương pháp thường ứng dụng mô hình lập trình tuyến tính cho việc phân tích với số lượng<br /> lớn về tình trạng đường, xác suất chuyển tiếp và các phương án công việc. Nên những tham số<br /> này phải hạn chế (như là tối đa 3 chỉ số hư hỏng với 4 mức độ hư hỏng cho một loại mặt đường<br /> nhất định) do hạn chế về số lượng phép tính của công nghệ máy tính hiện hành.<br /> <br /> 3.2.2 Phương pháp tối ưu hoá toàn bộ<br /> Phương pháp tối ưu hoá toàn bộ (total enumeration) phân tích tất cả các phương án có thể rồi chọn<br /> phương án tối ưu hàm mục tiêu định trước và thoả mãn các điều kiện ràng buộc. Phương pháp<br /> được lập trình tuyến tính trong Mô hình Chi tiêu Vốn (EBM) và được kết hợp với phần mềm<br /> HDM-III (12) và HDM-4 (13) cho các phân tích tối ưu mạng lưới. Quá trình tối ưu hoá cho mạng<br /> lưới đường với K đoạn tuyến, Mk phương án công việc, trong thời gian lập kế hoạch với T thời<br /> đoạn cấp vốn được thực hiện như sau:<br /> Hàm mục tiêu tối đa hoá tổng lợi ích dòng ở giá trị hiện tại<br /> K Mk<br /> Max TNPV [X km ] = ∑ ∑ NPV km X km , với k = 1, 2, … K; m = 1, 2, …, Mk ; (1)<br /> k =1 m=1<br /> <br /> Thoả mãn điều kiện nguồn vốn hạn hẹp<br /> K Mk<br /> <br /> ∑ ∑R<br /> k =1 m=1<br /> kmqt . X km ≤ TRqt , với q = 1, 2, … Q; t = 1, 2, …, T (2)<br /> <br /> và đảm bảo các phương án công việc độc lập nhau<br /> Mk<br /> <br /> ∑X<br /> m =1<br /> km ≤1 (3)<br /> <br /> Trong đó,<br /> - NPVkm là giá trị lợi ích dòng tương đối với phương án cơ bản (phương án thực hiện<br /> công việc tối thiểu) được quy đổi về giá trị hiện tại với hệ số chiết khấu là r, của đoạn<br /> tuyến k (trong tổng số K đoạn tuyến), với phương án công việc m (trong tổng số Mk<br /> phương án).<br /> - X km là biến rời rạc, bằng 1 nếu phương án công việc m được chọn cho đoạn tuyến i, và<br /> bằng 0 khi chọn phương án cơ bản. Phương án công việc được hiểu là tổ hợp các công<br /> việc dự kiến thực hiện trong suốt thời gian lập kế hoạch.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> - TRqt là nguồn vốn có sẵn lớn nhất dự kiến, của loại nguồn vốn q (trong tổng Q loại<br /> nguồn vốn 2 ), và cho thời đoạn cấp vốn thứ t (trong tổng số T lần cấp vốn). Số năm của<br /> mỗi thời đoạn t có thể là 1 hoặc nhiều năm và không nhất thiết phải bằng nhau.<br /> - Rkmqt là nguồn vốn (chưa chiết khấu) loại q do công việc đầu tư đòi hỏi nhà quản lý tại<br /> lần cấp vốn thứ t.<br /> Ưu điểm của phương pháp này là đưa ra giải pháp tối ưu chính xác, nhưng lại cần một khối lượng<br /> tính toán khổng lồ (mk.t phép tính cho một phân tích gồm k đoạn tuyến, m phương án trong thời<br /> gian phân tích t). Chẳng hạn, phân tích mạng lưới gồm 1.000 đoạn đồng nhất trong vòng 10 năm<br /> với 5 phương án công việc được xem xét thì số lượng tính toán sẽ là 510.000. Khối lượng tính toán<br /> này là không thực tế. Do vậy, phương pháp tối ưu hoá toàn bộ chỉ ứng dụng cho những phân tích<br /> mạng lưới nhỏ có ít đoạn tuyến và có khối lượng tính toán thực hiện được.<br /> 3.2.3 Phương pháp tối ưu hoá động<br /> Nhằm hạn chế về khối lượng phép tính, phương pháp tối ưu hoá dựa trên mô hình lập trình động<br /> (dynamic programming) được đề xuất bởi Bellman và Dreyfus (14) vào năm 1962. Phương pháp<br /> tối ưu hoá động này sử dụng giả thiết là bất kỳ giải pháp tối ưu (optimal solution) nào đều có thể<br /> thay thế bằng các tổ hợp giải pháp thứ cấp tối ưu (optimal sub-solutions). Bằng cách này, phương<br /> pháp đã chia nhỏ bài toán tổng thể thành những bài toán thứ cấp tối ưu đơn giản hơn để cho việc<br /> thực hiện tính toán được dễ dàng và hạn chế được số lượng phép tính. Thông thường, nguồn vốn<br /> TRqt được chia nhỏ N phần bằng nhau và khi đó phương pháp sẽ phân tích cho ( N + 1) QT tổ hợp<br /> thứ cấp và loại bỏ những tổ hợp không có khả năng cho giải pháp tối ưu. Kinh nghiệm cho thấy<br /> phương pháp này chỉ hiệu quả khi số điều kiện hạn chế về nguồn vốn là 3 và khi đó số phần chia<br /> không nhỏ hơn 100 để đảm bảo mức độ chính xác hợp lý (12). Mặc dù phương pháp đã khắc phục<br /> phần nào nhược điểm của phương pháp tối ưu toàn bộ, nhưng với những phân tích có số lượng thời<br /> đoạn cấp vốn lớn (chẳng hạn lớn hơn 4) thì phương pháp động sẽ tăng số lượng phép tính rất nhiều<br /> dẫn đến không thể thực hiện được hoặc mức độ chính xác sẽ giảm khi phải sử dụng số chia phần<br /> nhỏ. Do vậy, phương pháp động vẫn gặp khó khăn đối với những bài toán phức tạp trong thực tế<br /> khi có số thời đoạn cấp vốn lớn.<br /> 3.2.4 Phương pháp tối ưu hoá gần đúng<br /> Phương pháp tối ưu hóa gần đúng (heuristic method) dựa trên nguyên tắc khoanh vùng những<br /> phương án khả thi và thực hiện phân tích ưu hoá trên vùng đã được xác định này. Bằng việc<br /> khoanh vùng loại trừ các phương án không có khả năng cho giải pháp tối ưu, phương pháp tối ưu<br /> hoá gần đúng làm giảm một lượng phép tính đáng kể đảm bảo cho việc phân tích tối ưu được đơn<br /> giản đi rất nhiều. Phương pháp này được thể hiện ở nhiều dạng khác nhau, như là phương pháp độ<br /> dốc có hiệu (effective gradient method) (15), phương pháp gia tăng tỉ số lợi ích ròng và chi phí<br /> (incremental NPV/cost method) (16), hoặc là phương pháp đường bao sinh lợi (ecomomical<br /> boundary/efficiency frontier method). Phương pháp độ dốc có hiệu được sử dụng trong mô hình<br /> EBM, tuy nhiên số lượng đoạn tuyến chỉ hạn chế dưới 400 với mỗi đoạn tuyến có không quá 17<br /> giải pháp công việc. Trong khi đó, 2 phương pháp còn lại được sử dụng kết hợp trong mô hình<br /> HDM-4 và số lượng tổ hợp đoạn tuyến và giải pháp công việc (KxMK) đã được tăng lên 9.999 ở<br /> phiên bản V1.3 và 32.000 trong phiên bản mới V2.03. Quá trình áp dụng phương pháp tối ưu hóa<br /> gần đúng đã được trình bày tương đối rõ ràng cùng với ứng dụng thực tế cho việc xác lập chương<br /> trình công việc nhiều năm trong điều kiện cụ thể của Việt Nam, thông qua sử dụng mô hình HDM-<br /> 4 với phương thức phân đoạn đồng nhất động của Tác giả (17, 18). Ưu điểm của phương pháp gần<br /> 2<br /> Ví dụ nguồn vốn thường xuyên hay nguồn vốn định kỳ<br /> 7<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> đúng là tương đối đơn giản và có thể sử dụng cho mạng lưới đường có số lượng lớn các đoạn tuyến,<br /> các giải pháp công việc, và với nhiều thời đoạn cấp vốn. Ngoài ra, theo những phân tích so sánh thì<br /> phương pháp này cho kết quả tương đối gần với giải pháp tối ưu, sai số thường dưới 5% (12). Vì<br /> vậy, phương pháp gần đúng đã được sử dụng rất phổ biến hiện nay ở nhiều hệ thống QLMĐ như là<br /> của Mỹ và Canada (10). Đặc biệt, mô hình HDM-4, đang được sử dụng rộng rãi trên hơn 100 nước<br /> và quốc gia, cũng sử dụng phương pháp này như là công cụ chính trong việc xác lập chương trình<br /> công việc ưu tiên cho nhiều năm của mạng lưới đường.<br /> 4. Xây dựng mô hình tối ưu hoá hiệu quả<br /> Hiện nay, mô hình tối ưu hoá đang được phát triển nhằm hợp nhất các quy trình phân tích mối<br /> quan hệ qua lại giữa các công việc (duy tù ngăn ngừa, cải tạo, nâng cấp) đồng thời với việc xem<br /> phân bổ tối ưu nguồn vốn giữa các hệ thống công trình (mặt đường, cầu, thoát nước, vỉa hè, biển<br /> báo, …) hoặc giữa các hệ thống giao thông khác nhau (đường bộ, đường sắt, …) trong một hệ<br /> thống tổng thể dưới quyền thực thi của nhà quản lý, như minh hoạ trên Hình 2. Mô hình phải đáp<br /> ứng được sự trợ giúp trong việc phân bổ tổng nguồn vốn cho các hệ thống khác nhau và đồng thời<br /> phải tối ưu hoá các phương án công việc trong mỗi hệ thống này. Ưu điểm của mô hình là cung<br /> cấp khả năng kết nối hiệu quả các công việc nằm trong toàn bộ hệ thống thuộc quyền thực thi của<br /> nhà quản lý.<br /> Mô hình tối ưu hợp nhất các hệ thống công trình khác nhau đã được bắt đầu quan tâm vào những<br /> năm cuối 1980s. Sau đó, những năm 1990s mô hình hợp nhất đã bắt đầu được xây dựng và ứng<br /> dụng trong thực tế, nhưng mới chỉ dừng lại cho hệ thống mặt đường và hệ thống cầu đường bộ.<br /> Trong những năm gần đây, mô hình này đã được phát triển để có thể hợp nhất các hệ thống công<br /> trình khác như là hệ thống thoát nước, biển báo, đường xe đạp và hè đường (19, 20, 21). Bên cạnh<br /> đó, mô hình tối ưu nhằm hợp nhất các phân khu hoặc phân vùng quản lý đường bộ khác nhau cũng<br /> được phát triển thông qua những phương pháp sử dụng các tham số chứa đựng ý kiến chuyên gia<br /> một cách trực tiếp hoặc gián tiếp (22, 23). Gần đây nhất, GS.Tsunokawa và Đinh Văn Hiệp (24) đã<br /> đề xuất phương thức tối ưu hoá hợp nhất có thể xem xét cho cả các hệ thống công trình hoặc các<br /> phân khu mạng lưới khác nhau trong chương trình nhiều năm, với hàm mục tiêu là tối thiểu hoá<br /> tổng chi phí hoặc tối đa hoá lợi ích.<br /> Năm t<br /> Năm 2<br /> Năm 1 Phân bổ tối ưu giữa các hệ thống<br /> <br /> <br /> Mặt đường Cầu Cống Biển báo Hệ thống thứ n<br /> Tối ưu trong hệ thống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Dự án 1 PA11 PA 21 PA31 PA41 … PAn1<br /> Dự án 2 PA12 PA 22 PA32 PA42 … PAn2<br /> <br /> . . . . . … .<br /> . . . . . … .<br /> . . . . . … .<br /> <br /> Dự án m PA1m PA 2m PA3m PA4m … PAnm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> *)<br /> PAnm là phương án công việc của dự án m trong hệ thống n.<br /> Hình 2: Mô hình tối ưu hoá hợp nhất giữa nhiều hệ thống<br /> <br /> 8<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> Kết luận<br /> Bài viết đã tổng quan các phương pháp tiếp cận và các mô hình phân tích chương trình công việc<br /> ưu tiên của mạng lưới đường bộ, đảm bảo những tiêu chí định trước trong điều kiện ràng buộc về<br /> các chính sách nguồn vốn. Bên cạnh đó, bài viết phân tích những ưu nhược điểm và phạm vi ứng<br /> dụng của chúng khi ứng dụng trong hệ thống QLMĐ. Các phương pháp đi từ việc sắp xếp ưu tiên<br /> đơn giản đến những phương pháp tối ưu hoá phức tạp nhưng đảm bảo độ chính xác cao nhằm tăng<br /> hiệu quả thực hiện của hệ thống QLMĐ. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp nào cho thích hợp<br /> còn tuỳ thuộc vào đặc tính của từng mạng lưới và điều kiện của mỗi nhà quản lý. Một trong những<br /> yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp phù hợp là khả năng đáp ứng cho việc thu thập<br /> số liệu của nhà quản lý. Do vây, đối với những nhà quản lý mạng lưới đường quy mô lớn (như<br /> mạng lưới đường quốc lộ) và nguồn nhân lực có kỹ năng tốt thì nên hướng vào việc sử dụng các<br /> mô hình tối ưu hoá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả cho công tác quản lý trên phạm vi quốc gia.<br /> Đối với các nhà quản lý các mạng lưới đường nhỏ (như mạng lưới đường địa phương, đường khu<br /> vực) thì có thể ứng dụng các phương pháp đơn giản, và chỉ cần thực hiện các công việc thu thập và<br /> xử lý những số liệu cần thiết cơ bản. Ngoài ra, việc xây dựng những mô hình tối ưu hóa hợp nhất<br /> giữa các hệ thống công trình, các hình thức giao thông khác nhau, hay hợp nhất các mạng lưới khu<br /> vực thành một thể hợp nhất dưới quyền thực thi của nhà quản lý cần được quan tâm phát triển.<br /> Việc thực hiện phương thức tối ưu hóa trong một thể hợp nhất giúp cho nhà quản lý và nhà hoạch<br /> định có những quyết định đầu tư hiệu quả và việc phân bổ nguồn vốn được hợp lý khi xem xét một<br /> cách toàn diện, đảm bảo các tiêu chí đã được xác lập và thỏa mãn những điều kiện hạn chế về<br /> chính sách nguồn vốn.<br /> <br /> <br /> <br /> Tài liệu tham khảo<br /> 1. HMCP (2002). Dự án Tăng cường Năng lực Quản lý Đường bộ. Cục Đường bộ Việt Nam, Bộ Giao<br /> thông Vận tải Việt Nam.<br /> 2. RNIP (2003). Dự án nâng cấp mạng lưới đường quốc lộ – Kế hoạch chiến lược 10 năm. Cục Đường<br /> bộ Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam.<br /> 3. ISDP (2005). Dự án nâng cấp đường bộ giai đoạn 3 - Thực thi phát triển chính sách ngành. Cục<br /> Đường bộ Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam.<br /> 4. Hudson, W.R, R. Haas, and W. Uddin (1997). Infrastructure Management: Integrating Design,<br /> Construction, Maintenance, Rehabilitation and Renovation. McGraw-Hill Professional Publishing,<br /> New York.<br /> 5. AASHTO (2001). Pavement Management Guide: Executive Summary Report. American<br /> Association of State Highway and Transportation Officials, Washington D.C.<br /> 6. Kulkarni, R.B and R.W. Miller (2003). Pavement Management Systems: Past, Present, and Future.<br /> Transportation Research Record 1853, Transportation Research Board, Washington, DC., pp 65-71.<br /> 7. Way, G.B (1985). Network Optimization System for Arizona. North American Pavement<br /> Management Conference, Vol.2, Toronto, Canada, pp.6.16 – 6.22.<br /> 8. Altiviti, E. R.B. Kulkarni, E.G. Johnson, N. Clark, V. Walrafen, L. Nazareth, and J. Stone (1994).<br /> Enhancements to the Network Optimization System. Third International Conference on Managing<br /> Pavements. Transportation Research Board, Washington, D.C., pp.190-194.<br /> 9. Haas, R., W.R. Hudson, and J.P. Zaniewski (1994). Modern Pavement Management. Krieger<br /> Publishing Company, Malabar, Florida.<br /> <br /> 9<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br /> 10. Robinson, R., U. Danielson, and M. Snaith (1997) Road Maintenance Management: Concepts and<br /> Systems. Palgrave Macmillan, Hampshire, England.<br /> 11. Fernado, E.G. and W.R. Hudson (1983). Development of a Prioritization Procedure for the Network<br /> Level Pavement Management System. Center for Transportation Research. The Univ. of Texas at<br /> Austin, Texas.<br /> 12. Watanatada T., C.G. Harral, W.D.O. Paterson, A.M. Dhareshwar, A. Bhandari, and K. Tsunokawa<br /> (1987). The Highway Design and Maintenance Standards Model, Vol. 1: Description of the HDM-<br /> III Model. World Bank Publications, Washington, D.C.<br /> 13. PIARC (2001). Highway Development and Management Model (HDM-4). International Study of<br /> Highway Development and Management (ISOHDM), World Road Association (PIARC), Paris and<br /> The World Bank, Washington, DC.<br /> 14. Bellman, R. and S.E. Dreyfus (1962). Applied Dynamic Programming. Princeton University Press,<br /> Princeton NJ.<br /> 15. Ahmed, N.U. (1983). An Analytical Decision Model for Resource Allocation in Highway<br /> Maintenance Management. Transportation Research, 17A.<br /> 16. Phillips, S.J. (1994). Development of United Kingdom Pavement Management System. Third<br /> International Conference on Managing Pavement, Texas.<br /> 17. Đinh Văn Hiệp (2006). Phương pháp Ưu tiên hóa trong Phân tích Chiến lược và Chương trình Xây<br /> lắp cho Mạng lưới đường sử dụng Mô hình HDM-4. Tạp chí Cầu Đường, số 8/2006. Hội Cầu<br /> Đường Việt Nam.<br /> 18. Đinh Văn Hiệp and K. Tsunokawa (2006). Identification of Rolling Multiyear Work Programs for<br /> Road Network: A Strategy Analysis with Dynamic Sectioning. The 12th International Seminar on<br /> Transport Research, Bangkok, Thailand, pp 59 – 68<br /> 19. Gharaibeh, N. G., M. I. Darter, D. R. Uzarski (1999). Development of Prototype Highway Asset<br /> Management System. Journal of Infrastructure Systems, ASCE, 5(2), 61-68.<br /> 20. Sadek, A. W., A. Kvasnak, and J. Segale (2003). Integrated Infrastructure Management Systems: Small<br /> Urban Area’s Experience. Journal of Infrastructure Systems, ASCE, 9 (3), 98–106.<br /> 21. Gharaibeh, N.G., Y.C. Chiu, and P.L. Gurian (2006). Decision Methodology for Allocating Funds<br /> across Transportation Infrastructure Assets. Journal of Infrastructure Systems, ASCE, 12 (1), 1–9.<br /> 22. Heggie, I. G., and Vickers, P.(1998). ‘‘Commercial Management and Financing of Roads.’’ World<br /> Bank Technical Paper No. 409, Washington, D.C.<br /> 23. Chan W. T. Chan, T. F. Fwa, ; and J. Y. Tan. (2003). Optimal Fund-Allocation Analysis for<br /> Multidistrict Highway Agencies. Journal of Infrastructure Systems, ASCE, 9 (4), 167–175.<br /> 24. Tsunokawa, K. and Đinh Văn Hiệp (2008). A Unified Optimization Procedure for Road Asset<br /> Management. The 6th International Conference on Road and Airfield Pavement Technology,<br /> Sapporo, Japan, pp 286-294.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br /> Tạp chí Cầu Đường - Hội Cầu Đường Việt Nam, số 4/2008<br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2