Tin tức

  2. Tin tức
  3. Ứng dụng GIS trong các dự án Đô thị thông minh

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) được phát minh vào những năm 1960 và đã trở nên rất phổ biến trong 10 năm trở lại đây. GIS là công cụ hỗ trợ quan trọng trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, nhà quản lý, doanh nghiệp, cá nhân... đánh giá được hiện trạng của quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin thể hiện bằng tọa độ trên một bản đồ với các dữ liệu đầu vào. (theo wikipedia). Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã được sử dụng trong việc xây dựng mô hình quy mô lớn của một dự án đô thị thông minh ở Pháp.

Đô thị thông minh đang phát triển rất nhanh trên khắp thế giới, bởi vì nó cung cấp một môi trường số toàn diện, cải thiện hiệu quả và an ninh của các hệ thống đô thị và tăng cường sự tham gia của người dân vào công cuộc phát triển. Đô thị thông minh có thể được xây dựng bằng việc sử dụng dữ liệu không gian địa lý về môi trường xây dựng đô thị, môi trường tự nhiên và các dịch vụ đô thị. Để thực hiện thành công dự án đô thị thông minh cần phải phát triển một hệ thống quản lý và trực quan hóa dữ liệu không gian địa lý trên môi trường số với giao diện thân thiện với người dùng. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cung cấp các khả năng tiên tiến và thân thiện với người sử dụng cho các dự án đô thị thông minh. Bài viết này chỉ ra phương pháp áp dụng GIS nhằm thực hiện các dự án đô thị thông minh và mô tả việc sử dụng nó trong việc xây dựng một mô hình quy mô lớn của đô thị thông minh.

Khái niệm 'đô thị thông minh' được đề cập ở đây tương ứng với việc phát triển một hệ thống quy mô lớn sử dụng dữ liệu không gian địa lý để nâng cao hiểu biết về các hệ thống phức tạp trong đô thị và cải thiện hiệu quả, bảo mật của các hệ thống này. Dữ liệu không gian địa lý này bao gồm (i) môi trường xây dựng đô thị như cơ sở hạ tầng, các tòa nhà và không gian công cộng; (ii) môi trường tự nhiên như đa dạng sinh học, không gian xanh, chất lượng không khí, đất và nước, và (iii) các dịch vụ đô thị như giao thông, rác thải đô thị, nước, năng lượng, y tế và giáo dục. Xây dựng đô thị thông minh cũng nhằm mục đích chuyển đổi việc quản lý thành phố theo kiểu “silo” (Các bộ, ban, ngành hoạt động và phát triển riêng lẻ, không liên quan đến nhau, giống như các silô) thành một hệ thống liên kết, chia sẻ có sự tham gia của tất cả các thành phần trong đô thị.

Công nghệ phát triển cho phép các thành phố đạt được sự quản lý linh hoạt hơn, từ đó cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân, tăng cường phát triển kinh tế, sức hấp dẫn của thành phố và sự tham gia của người dân vào các quyết định của chính quyền. Đô thị thông minh cung cấp cho các nhà quản lý thông tin cần thiết về hiệu suất của cơ sở hạ tầng và dịch vụ đô thị, cũng như các phản hồi của người dân. Việc phân tích thông tin này cho phép các nhà hoạch định chính sách và chính quyền nâng cao hiệu quả của hệ thống đô thị cũng như chất lượng các dịch vụ đô thị. Phân tích thông tin còn đặc biệt quan trọng cho công tác  an ninh và khả năng phục hồi của thành phố sau khi xảy ra các thiên tai, thảm họa. Nó cho phép thu thập dữ liệu về phương thức để cơ sở hạ tầng của thành phố ứng phó với các mối mối nguy hiểm tiềm tàng. Phân tích dữ liệu còn giúp hiểu biết rõ hơn về hoạt động của các hệ thống đô thị (cơ sở hạ tầng, dịch vụ công cộng, ứng phó khẩn cấp, v.v.) trong trường hợp khủng hoảng hoặc thảm họa đô thị và từ đó, cải thiện năng lực của thành phố để giải quyết thách thức về khả năng phục hồi. Ngoài ra, đô thị thông minh cung cấp khả năng hạn chế các sự cố cục bộ và ngăn chặn sự lan truyền của nó ra khu vực lớn hơn.

Sử dụng GIS trong các dự án thành phố thông minh

Hình 1: Các bước thực hiện 1 dự án Đô thị thông minh

Thực hiện các dự án thành phố thông minh được dựa trên một số bước (Hình 1) bao gồm xây dựng mô hình đô thị số, thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng lớp cảm biến, sau đó phân tích dữ liệu, trực quan hóa dữ liệu tương tác và kiểm soát hệ thống. GIS đóng góp vai trò trong tất cả các bước này, như được mô tả dưới đây.

Xây dựng mô hình đô thị số

Bước đầu tiên trong việc thực hiện các dự án thành phố thông minh là việc xây dựng mô hình đô thị số mô tả các thành phần của môi trường tự nhiên, công trình xây dựng trong đô thị. Đối với mỗi thành phần đô thị, mô hình số này cung cấp định vị địa lý và các đặc điểm (thuộc tính). GIS được sử dụng để xây dựng mô hình số của các "thành phần theo chiều ngang" (những thành phần có độ phủ rộng khắp đô thị) như mạng lưới đô thị, phương tiện giao thông và môi trường tự nhiên, trong khi mô hình thông tin công trình (Building Information Modeling – viết tắt là BIM) được sử dụng để mô tả các "thành phần theo chiều dọc" (những thành phần riêng lẻ, được định vị ở 1 vị trí cụ thể) như các tòa nhà, bảo tàng, văn phòng. Sự kết hợp của GIS và BIM cung cấp một công cụ mạnh mẽ để xây dựng mô hình số của đô thị với dữ liệu tham chiếu địa lý và hiển thị dữ liệu này trong môi trường giao diện thân thiện với người dùng.

Lớp cảm biến

Hình 2: Cảm biến được sử dụng để giám sát các tiện ích

Bước thứ hai trong các dự án đô thị thông minh liên quan đến việc xây dựng lớp cảm biến, chuyển dữ liệu vận hành đô thị sang hệ thống thông tin đô thị thông minh. Lớp này bao gồm các cảm biến được sử dụng để giám sát mạng lưới và cơ sở hạ tầng đô thị. Dữ liệu cũng có thể được tăng cường bằng hình ảnh, video và các tệp âm thanh kéo theo việc xây dựng dữ liệu lớn đô thị. Hình 2 cho thấy các ví dụ về cảm biến được sử dụng trong giám sát các tiện ích về tài nguyên nước và năng lượng. Hệ thống nước sinh hoạt sử dụng công tơ đọc đồng hồ tự động (Automatic meter reading – viết tắt là AMR) để ghi lại lượng nước tiêu thụ, cảm biến áp suất, áp lực nước và các thiết bị giám sát chất lượng nước để theo dõi chất lượng (độ đục, pH, clo, độ dẫn điện). Hệ thống thoát nước sử dụng các cảm biến để theo dõi mực nước và lưu lượng, chất lượng nước thải (độ đục, nhiệt độ, pH, v.v.) và các thiết bị bơm. Các cảm biến này cho phép phát hiện sớm lũ lụt hoặc sự cố trong hệ thống nước. Lưới điện sử dụng các cảm biến để đo sức căng điện, dòng điện và tần số. Chúng giúp phát hiện sớm các lỗi trong lưới điện. Hệ thống sưởi của các tòa nhà  được giám sát bởi các cảm biến nhiệt độ, áp suất và lưu lượng chất đốt lỏng cũng như trạng thái của van khí. GIS mang lại khả năng giám sát hệ thống giống như các cảm biến. Nó cũng thể hiện những dữ liệu lịch sử và dữ liệu thời gian thực một cách trực quan hóa.

Hình 3: Hệ thống GIS của lưới điện (Dự án SunRise City)

Phân tích dữ liệu

Bước thứ ba trong việc thực hiện dự án thành phố thông minh là sự phát triển của môi trường phân tích, nhằm chuyển đổi dữ liệu lịch sử và thời gian thực thành dữ liệu hoạt động. Môi trường phân tích bao gồm các phần mềm kỹ thuật, quản lý và đảm bảo an toàn cho các hệ thống đô thị cũng như các công cụ kỹ thuật số tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI). Trong các dự án thành phố thông minh, GIS cung cấp các công cụ để (i) phân tích dữ liệu không gian địa lý (khoảng cách và hướng, xử lý hình học, mô hình lưới), (ii) phân tích không gian, (iii) thống kê không gian (tự tương quan không gian và các tiến trình), (iv) phân tích bề mặt (dạng bề mặt, phân tích dòng chảy, phương pháp lập lưới và nội suy) và (v) phân tích vị trí (tính toán đường đi ngắn nhất, vị trí cơ sở).

Trực quan hóa dữ liệu tương tác

Trực quan hóa dữ liệu tương tác cho phép người dùng tương tác với các thành phần của thành phố thông minh trong một môi trường giao diện thân thiện. Các ứng dụng web được sử dụng để tạo ra môi trường tương tác này. Cửa sổ HTML pop-up cho phép người dùng truy cập tất cả các nội dung trên web, chẳng hạn như đồ họa được tham chiếu bởi URL. Môi trường đồ họa GIS tương tác cho phép hiển thị trực quan các thành phần đô thị và bản đồ cảm biến. Người dùng và người quản lý có thể sử dụng các bản đồ này để truy cập dữ liệu tĩnh và động liên quan đến hệ thống đô thị cũng như cập nhật dữ liệu.

Hình 4: Sử dụng GIS để theo dõi hệ thống thoát nước mưa (Dự án SunRise City)

Lớp điều khiển

Phân tích dữ liệu (lịch sử và thời gian thực) là công cụ tạo ra các phương án tối ưu quản lý và đảm bảo an toàn cho các hệ thống đô thị. Các phương án này được truyền đến lớp điều khiển dưới dạng lệnh, lớp này bao gồm các thiết bị điện tử khác nhau như van thông minh, máy bơm, động cơ, công tắc, cầu dao và khóa. Hệ thống GIS cho phép hiển thị thời gian thực về các thiết bị này cũng như trạng thái của chúng. Nó cũng có thể chỉ ra lỗi trong các lệnh.

Dự án thành phố thông minh SunRise

Dự án thành phố thông minh SunRise nhằm mục đích xây dựng mô hình thành phố thông minh quy mô lớn tại khuôn viên khoa học của Đại học Lille. Khuôn viên của trường tương đương với một thị trấn nhỏ, với 145 tòa nhà, khoảng 25.000 người và 100km tiện ích đô thị.

Bước đầu tiên của dự án SunRise bao gồm việc thu thập dữ liệu về tài sản, các tiện ích trong khuôn viên trường và tích hợp vào hệ thống SunRise GIS. Dữ liệu là các thành phần tuyến tính như đường ống, đường dây và các thuộc tính của chúng (đường kính, vật liệu, thời gian sử dụng, v.v.) cũng như các thiết bị liên quan đến tiện ích như van, vòi nước, máy bơm, trạm biến áp, hố ga và bể chứa. Hình 3 cho thấy việc sử dụng GIS cho lưới điện trong khuôn viên trường. Bản đồ GIS cung cấp kiến ​​trúc lưới điện cũng như các thuộc tính của các thành phần lưới điện bao gồm các đường dây điện và trạm biến áp. Hình 4 cho thấy bản đồ GIS của hệ thống thoát nước mưa và các thiết bị liên quan (van, bộ điều chỉnh lưu lượng, bể chứa và trạm nâng).

Hình 5: Sử dụng GIS để theo dõi việc bảo trì hệ thống (Dự án SunRise City)

Hệ thống SunRise GIS cũng bao gồm các dữ liệu kiểm tra và bảo trì. Hình 5 cho thấy hình ảnh của video kiểm tra hệ thống vệ sinh. Đối với mỗi thành phần của hệ thống này, nhóm quản lý có thể truy cập vào lịch sử bảo trì và các báo cáo bao gồm hình ảnh và video. Nhóm cũng có thể tiến hành phân tích không gian địa lý của dữ liệu bảo trì để tối ưu hóa chi phí cải tạo và bảo trì.

Hình 6: Sử dụng GIS để theo dõi hệ thống cấp nước (Dự án SunRise City)

Hệ thống giám sát cũng được tích hợp trong hệ thống SunRise GIS. Hình 6 cho thấy sự giám sát thông minh của mạng lưới nước sinh hoạt. Nó bao gồm đồng hồ đọc tự động (AMR) và đồng hồ đo áp suất cho việc cung cấp, tiêu thụ nước. Người quản lý nhóm có thể truy cập trực tiếp thông tin về các cảm biến và trực quan hóa lịch sử tiêu thụ. Nhóm cũng có thể so sánh mức tiêu thụ của các tòa nhà và sử dụng phân tích dữ liệu để tìm ra mức tiêu thụ bất thường.

Phần kết luận

Bài viết này đã trình bày việc sử dụng GIS trong việc thực hiện các dự án thành phố thông minh. Các dự án thành phố thông minh đều được xây dựng dựa vào việc thu thập, phân tích, chia sẻ và trực quan hóa dữ liệu của các hệ thống và dịch vụ đô thị, GIS cung cấp năng lực mạnh mẽ để thực hiện thành công các dự án đó. GIS là mọt hệ thống kỹ thuật số có giao diện thân thiện với người sử dụng và được sử dụng rộng rãi trong quản lý hệ thống đô thị. Dự án đô thị thông minh SunRise tại khuôn viên Đại học Lille là một ví dụ điển hình trong việc áp dụng GIS. Việc sử dụng GIS còn tạo điều kiện cho sự hợp tác hiệu quả giữa khoảng 20 nhà nghiên cứu trẻ và đội ngũ quản lý trường đại học Lille. Ngoài ra, GIS còn được sử dụng để lưu trữ, chia sẻ và phân tích dữ liệu các tiện ích trong khuôn viên trường cũng như việc bảo trì và giám sát chúng.

 Nguyễn Công Minh, theo https://aita.gov.vn

Quý Khách hàng vui lòng liên hệ với chúng tôi để được tư vấn.