Phát triển phần mềm ứng dụng trong thuỷ lợi thách thức và khả năng

PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TRONG THUỶ LỢI THÁCH THỨC VÀ KHẢ NĂNG GS. TS. Nguyễn Văn Lệ Tóm tắt báo cáo Báo cáo trình bày những nét chính về yêu cầu phát triển phần mềm ứng dụng trong thuỷ lợi, một số kết quả đã đạt được và triển vọng phát triển Thuỷ lợi là một ngành kinh tế có vai trò quan trọng trong việc phát triển nông nghiệp, công nghiệp, giao thông thuỷ, bảo vệ và cải tạo môi trường sống, phòng chống lũ lụt và giảm nhẹ thiên tai, xoá đói giảm nghèo và cải thiện điều kiện sinh hoạt cho dân cư ở các vùng có điều kiện tự nhiên khắc nghiệt v.v. Các hoạt động trong lĩnh vực thuỷ lợi dựa trên cơ sở xử lý thông tin khá đa dạng: + Xây dựng ngân hàng dữ liệu về địa hình, địa chất, khí tượng, thuỷ văn, dân sinh, kinh tế v.v. phục vụ cho công tác lập qui hoạch, thiết kế, quản lý vận hành công trình. + Thực hiện các tính toán phục vụ cho công tác qui hoạch, thiết kế, thi công, vận hành công trình. + Vẽ thiết kế công trình v.v. Trước năm 1990, khi các phần mềm ngoại nhập còn hạn chế, hầu hết công việc xử lý tính toán được thực hiện bằng các phần mềm "tự viết" chạy trên các máy tính lớn, xử lý lô hoặc trên các máy tính PC với hệ điều hành DOS và dữ liệu chủ yếu nhập từ file. Người sử dụng chương trình cũng chính là người viết chương trình, nên rất am hiểu về lĩnh vực chuyên môn của mình và do vậy phần mềm làm ra đáp ứng hầu như tối đa yêu cầu của người sử dụng. Hạn chế của các phần mềm này là tính chuyên nghiệp chưa cao, do hầu hết người viết đều ở dạng "nghiệp dư" về tin học, tự trang bị kiến thức về lập trình. Do vậy, kiến trúc của phần mềm còn nhiều điểm chưa hợp lý, hiệu năng sử dụng chưa cao, chương trình khó sử dụng, chỉ người viết chương trình hoặc một nhóm nhỏ "có kiến thức về lập trình" mới có thể thực hiện, tính thương mại hầu như không có. Sau năm 1990, các phần mềm ngoại nhập ngày càng nhiều, đưa đến những tác động cả tích cực, lẫn tiêu cực. Tác dụng tích cực là thúc đẩy việc phát triển phần mềm chuyên nghiệp hơn. Hầu hết các phần mềm được viết chạy trên nền WINDOWS với giao diện khá thân thiện. Tác dụng tiêu cực là một bộ phận khá lớn người sử dụng từ chỗ hăm hở tự trang bị thêm kiến thức về tin học để có thể viết được phần mềm phục vụ cho công việc của mình và phổ biến trong cộng đồng, chuyển sang sử dụng phần mềm sẵn có và "ngại" viết phần mềm. Về mặt chuyên môn, phải nói các phần mềm chuyên dụng ngoại nhập có tính năng mạnh, độ tin cậy cao, đáp ứng khá đầy đủ yêu cầu người dùng, giao diện thân thiện v.v. Điểm hạn chế cơ bản của các phần mềm ngoại nhập là hướng dẫn và giao diện viết bằng tiếng Anh, nên nhân rộng khó khăn, nhất là ở các địa phương, nơi các cán bộ kỹ thuật nói chung có kiến thức tiếng Anh hạn chế. Mặt khác, nhiều phần tính toán và cách biểu diễn không phù hợp với tiêu chuẩn và thói quen hiện dùng trong nước. Chẳng hạn, các phần mềm phân tích kết cấu như SAP hoặc ANSYS của Mỹ chỉ sử dụng được phần tính toán ứng suất và nội lực, không sử dụng được phần tính toán bê tông cốt thép hoặc thép được xây dựng theo tiêu chuẩn của Mỹ. Biểu diễn ngoại, nội lực thể hiện trong các phần mềm này cũng khác với cách biểu diễn ở trong nước đã quen dùng. Thực tế này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các ứng dụng trong nước. Công việc này hiện được tiến hành theo hai hướng: + Thêm vào phần mềm ngoại nhập những chức năng chưa có hoặc không phù hợp để vừa tận dụng được sức mạnh của các phần mềm đã được thừa nhận rộng rãi có độ tin cậy cao, hiệu năng tốt v.v. để đáp ứng đầy đủ hơn các yêu cầu của người sử dụng trong nước. + Làm phần mềm mới có công năng tương tự với phần mềm ngoại nhập, thân thiện hơn với người sử dụng trong nước (giao diện tiếng Việt, biểu diễn quen dùng v.v.). Về hướng thứ nhất, chẳng hạn, để dễ dàng hơn cho người thiết kế trong việc xây dựng một bản vẽ 3D về cống lộ thiên, với ngôn ngữ Autolisp của AutoCAD có thể thêm vào phần mềm AutoCAD công năng chuyên dụng vẽ 3D và render kết cấu cống lộ thiên với các giao diện hướng dẫn người dùng nhập các dữ liệu cơ bản để máy tự xử lý [1]. H. 1. Form nhập dữ liệu để dựng hình 3D của cống H. 1 là giao diện người dùng phục vụ cho công năng này, trong đó người dùng nhập các dữ liệu chung như số khoang cống và kích thước mỗi khoang. Sau đó, chọn các chức năng như nhập dữ liệu của các bộ phận của cống (tường cánh, cầu giao thông, cửa van v.v.). H. 2 là form nhập dữ liệu để vẽ kết cấu tường cánh. H. 2. Form nhập dữ liệu để dựng tường cánh cánh và sân phủ H. 3. Hình vẽ 3D sau khi nhập dữ liệu Hình 4. Kết quả sau khi render Sau khi đã nhập đủ kích thước cho các bộ phận của cống, chỉ cần bấm OK, máy sẽ tự vẽ và hiện ảnh 3D của cống như biểu diễn trong h. 3 và ảnh sau khi render như h. 4. Về hướng thứ hai, chẳng hạn, phần mềm Tính toán kết cấu công trình thuỷ lợi được xây dựng bởi Trung tâm Tin học, Đại học Thuỷ lợi có các công năng tương tự như các công năng của SAP, nhưng giao diện được Việt hoá và hướng mạnh vào các dạng kết cấu công trình thuỷ lợi thường gặp như cống ngầm, đường hầm, bản đáy tràn v.v. để tăng tính tiện dụng cho người dùng trong lĩnh vực này (h. 5). H. 5. Một số giao diện của phần mềm Tính toán kết cấu CTTL Mặt khác, trong thiết kế giao diện nhập dữ liệu và hiển thị kết quả cũng như các công năng tính toán liên quan đến các tiêu chuẩn kỹ thuật đều sử dụng các biểu diễn quen dùng và các qui chuẩn kỹ thuật hiện hành trong nước. Thêm vào đó, để hạn chế tối đa các sai sót của người dùng, trong chương trình đã đưa vào các bẫy lỗi hoặc các cảnh báo trong trường hợp người dùng nhập sai định dạng dữ liệu, nhập dữ liệu không hợp lý về mặt chuyên môn hoặc nhập thiếu dữ liệu (h. 6). H. 6. Bẫy lỗi và cảnh báo khi nhập dữ liệu Để thêm các công năng chuyên biệt cho các phần mềm thông dụng hoặc xây dựng các phần mềm mới ứng dụng trong thuỷ lợi đòi hỏi người phát triển phần mềm phải có "đủ" kiến thức về lĩnh vực này và nắm vững các công việc mà phần mềm sẽ hỗ trợ. Mâu thuẫn xuất hiện ở đây là, các kỹ sư chuyên ngành có kiến thức tốt về lĩnh vực chuyên môn của mình nhưng lại thiếu nền tin học, còn các kỹ sư tin học thì lại không đủ kiến thức về lĩnh vực này. Đây là thách thức lớn trong việc phát triển các ứng dung ngay cả ở Mỹ, chẳng hạn có dự án đã tiêu tốn 35 triệu USD và mất thời gian 4 năm mà không đem lại kết quả gì chỉ vì kỹ sư tin học không nắm được đầy đủ kiến thức của lĩnh vực họ phát triển ứng dụng hỗ trợ [2]. Trong lĩnh vực thuỷ lợi còn rất nhiều ứng dụng mang tính đặc thù có yêu cầu cấp thiết đòi hỏi phải phát triển. Ví dụ: + Các hệ thống cảnh báo các thảm hoạ thiên nhiên như lũ quét, lở đất v.v. + Các hệ thống giám sát và quản lý các hệ thống công trình trong thời gian xây dựng và sau khi đi vào vận hành, + Các hệ thống điều khiển các công trình hoặc cụm công trình có qui mô lớn v.v. Lấy một ví dụ, h. 7 biểu diễn công trình Maeslant ngăn nước biển dâng do bão (storm surge barrier) và bảo đảm giao thông thủy ở Hà Lan. H. 5. Yêu cầu hệ thống điều khiển công trình chống ngập Maeslant ở Hà Lan Do tầm quan trọng của công trình này, hệ thống phần mềm BOS phục vụ điều khiển đã được xây dựng là một hệ thống phức tạp với yêu cầu rất cao về độ tin cậy, ví dụ tự động hoá về mặt quyết định, rủi ro về mặt vận hành đóng chỉ là 1/1000, kết nối nhiều kênh liên lạc và vệ tinh v.v. Phần mềm này đã được phát triển trên cơ sở phương pháp hình thức (formal method) và có qui mô lên đến 450000 dòng lệnh [3]. Trong tương lai không xa, hệ thống các công trình chống ngập cho thành phố Hồ Chí Minh có qui mô khá lớn với yêu cầu vận hành tương tự sẽ được xây dựng. Đây là một thách thức to lớn đối với các kỹ sư tin học và thuỷ lợi. Như vậy là yêu cầu phát triển các phần mềm ứng dụng trong thuỷ lợi là bức thiết và to lớn. Những năm qua, trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và phục vụ sản xuất nhiều phần mềm ứng dụng đã được phát triển. Tuy vậy, để có các phần mềm mang tính tầm cỡ, vấn đề đặt ra cho cả công tác đào tạo và tổ chức phát triển phần mềm trong lĩnh vực này là cần có chính sách và biện pháp kết nối hai khối kiến thức tin học và lĩnh vực ứng dụng. Tài liệu tham khảo [1] Po-Han Chen, Nguyen Thi Lan Truc: Automatic 3D Modelling Development and Application for Hydraulic Construction The 25th Symposium on Automation and Robotics in Construction, 2008 [2] Những bài học từ một dự án phần mềm www.dt.ussh.edu.vn/index.php [3] Jan Tretmans et. al.: Software Engineering with Formal Methods: The Developmnt ò a Storm Surge Barrier Control System. www.minvenw.nl/rws/dzh/svk/engels/ DEVELOPMENT OF APPLICATION SOFTWARE IN WATER RESOURCES: CHALLENGE AND POSSIBILITY Prof. Dr. Nguyen Van Le Summary The paper presents the main features of demand on water resources application development, some results and prospectives.