Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ xây dựng mô hình hệ thống quan trắc khí theo công nghệ telemonitoring

Trong loại hình quan trắc này, từ đầu đo tự động tại trạm quan trắc khí, các thông số thành phần thu được được truyền liên tục thông qua quay số, modem, cáp đồng trục… về hệ thống xử lý

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Chủ nhiệm đề tài: Văn Hùng Vỹ

8210

HÀ NỘI, 2009

BTNMT TCMT

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

* Chủ trì đề tài: Văn Hùng Vỹ, Thạc sỹ Công nghệ thông tin

Chức vụ: Cán bộ Trung tâm Quan trắc môi trường

1 TS Hoàng Dương Tùng Trung tâm Quan trắc môi trường

2 Ths Lê Hoàng Anh Trung tâm Quan trắc môi trường

3 Ths Lê Thanh Hải Học viện kỹ thuật quân sự

4 Ks Nguyễn Tuấn Minh Học viện kỹ thuật quân sự

5 CN Nguyễn Thúy Quỳnh Trung tâm Quan trắc môi trường

6 Ks Vũ Trường Giang Trung tâm Quan trắc môi trường

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆM VỤ 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.3 Đối tượng và phạm vi của đề tài 6

1.4 Các nội dung công việc của đề tài 6

1.5 Các sản phẩm chính của đề tài 8

II PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 9

III KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 9

3.1 Nghiên cứu, khảo sát kinh nghiệm phát triển hệ thống truyền dữ liệu telemonitoring 9

a Thái Lan 10

b Hàn Quốc 12

c Vấn đề thời gian thực và bảo mật cho các Hệ thống ứng dụng công nghệ Telemonitoring 14

3.2 Khảo sát hiện trạng các trạm quan trắc khí phục vụ triển khai đề tài 16

3.3 Xây dựng Cơ sở dữ liệu và phần mềm phục vụ truyền, nhận và lưu trữ dữ liệu giữa các trạm quan trắc và trung tâm dữ liệu 19

3.3.1 Một số mô hình và công nghệ đã và đang được áp dụng 19

3.3.2 Xây dựng hệ thống 25

a Mô hình triển khai 26

b Các chức năng chính 28

3.4 Áp dụng thử nghiệm 51

IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

4.4 Kết luận 55

4.4 Kiến nghị 56

PHỤ LỤC 1 57

PHỤ LỤC 2 59

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆM VỤ

1.1 Đặt vấn đề

Một trong những mục tiêu cụ thể cho giai đoạn 2007 – 2010 của Quy hoach tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020 theo Quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ngày 29/01/2007 là “tăng cường năng lực

và đảm bảo truyền tin thông suốt giữa các trạm quan trắc, các trung tâm thông tin, tư liệu tài nguyên và môi trường; tạo lập, quản lý và khai thác có hiệu quả cơ

sở dữ liệu quan trắc tài nguyên và môi trường” Ngoài ra, Quyết định số 179/ 2004/ QĐ-TTg ngày 06/10/2004 của Thủ tướng chính phủ về phê duyệt Chiến lược ứng dụng và phát triển công nghệ thông tin tài nguyên và môi trường đến năm 2015 và định hướng đến năm 2020 đã xác định rõ xu hướng tương lai là hiện đại hoá các thiết bị, công nghệ phục vụ điều tra, khảo sát, quan trắc và đo đạc; đảm bảo tự động hoá hầu hết việc thu thập và cập nhật thông tin số liệu vào

cơ sở dữ liệu

Trên thực tế, từ năm 2000 đến nay, xác định quan trắc và quản lý số liệu quan trắc là nhiệm vụ thường xuyên hàng năm, đồng thời khi mạng lưới quan trắc đã dần đi vào hoạt độ ng có nền nếp, việc xây dựng kế hoạch hoạt động của từng trạm được thống nhất, rất ít trường hợp có sự thay đổi về chương trình quan trắc của mỗi trạm nên việc triển khai thực hiện nhiệm vụ của các trạm hầu như năm sau tương tự năm trước Với tiền đề đó, ngày nay khi ngành môi trường ngày càng được nhân loại quan tâm và công nghệ truyền thông ngày một vững mạnh thì xu hướng gắn kết chúng với nhau đang dần cho thấy hiệu quả Thực vậy, các kết quả thực tế cho thấy quan trắc môi trường dựa trên mô hình Telemonitoring đang thể hiện rõ những ưu điểm vượt trội mà giải pháp này mang lại

Theo định nghĩa từ hội y khoa Mỹ, Telemonitoring là thuật ngữ mô tả việc sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông phục vụ việc cung cấp, hỗ trợ chăm sóc sức khoẻ từ xa Ngoài ra, Telemonitoring còn được định nghĩa như là một

mô hình có sử dụng âm thanh, hình ảnh và các phương thiện thông tin liên lạc khác trên cơ sở công nghệ xử lý thông tin phục vụ công tác giám sát từ xa

Xét về khía cạnh môi trường, “Telemonitoring” là thuật ngữ chuyên ngành

thông tin để phản ánh giá trị tức thời tại địa điểm quan trắc đến trung tâm quản

lý, phục vụ theo dõi tập trung, quản lý điều hành và tự động cảnh báo khi xảy ra biến động môi trường hoặc sự cố về mặt kỹ thuật

Trong môi trường, diễn biến các chất ô nhiễm môi trường thường thay đổi rất nhanh, ảnh hưởng rất mạnh mẽ đến sức khỏe cộng đồng.Việc giám sát thường xuyên, liên tục theo thời gian thực một số thành phần môi trường như nước, không khí cho phép phản ánh kịp thời chất lượng của các thành phần môi trường qua các giá trị tức thời của các thông số là rất quan trọng, đặc biệt là đối với các nguồn thải Hiện nay, áp dụng công nghệ kiểu “Telemonitoring” trong quan trắc môi trường bằng kết hợp công nghệ thông tin hiện đại, các phương pháp ghép nối giữa thiết bị quan trắc tự động liên tục và các phương tiện kết nối truyền tín hiệu đã đưa công tác quan trắc sang một bước ngoặt mới Bằng sự hỗ trợ của công nghệ này các diễn biến chất lượng môi trường luôn được phản ánh chính xác và tức thời đến trung tâm xử lý góp phần cảnh báo và xử lý ô nhiễm môi trường tức thời Tuy vậy, tuỳ từng lĩnh vực và thành phần môi trường quan trắc

mà mạng lưới theo mô hình telemonitoring – quan trắc môi trường từ xa được thiết kế tương ứng Đối với quan trắc ô nhiễm nước sông, trạm quan trắc nước tự động được thiết kế phù hợp, tương ứng với điểm đo, theo mục đích sử dụng nguồn nước và khả năng tự làm sạch của lưu vực sông ấy Trong khi đó, đối với quan trắc chất lượng không khí việc thiết kế mạng lưới quan trắc chất lượng không khí xung quanh sẽ khác với giám sát khí thải Trong quan trắc thành phần không khí, thực tế đã chứng minh quan trắc khí tự động là một hình thức giám sát và lấy mẫu đáng lưu ý bởi hiệu quả và ý nghĩa mà nó mang lại Trong loại hình quan trắc này, từ đầu đo tự động tại trạm quan trắc khí, các thông số thành phần thu được được truyền liên tục thông qua quay số, modem, cáp đồng trục…

về hệ thống xử lý số liệu trung tâm cách đó có thể lên tới hàng trăm km Việc xử

lý số liệu phục vụ thống kê báo cáo vì thế cũng được tiến hành một cách thuận lợi, nhanh chóng với tính thời sự cao

Với việc áp dụng telemonitoring, các trạm quan trắc khí/ nước tự động có thể hỗ trợ cho quan trắc định kỳ bằng cách cung cấp kết quả quan trắc chất lượng khí/ nước liên tục trong 24 giờ Toàn bộ thông tin của các trạm quan trắc khí/ nước tự động được gửi đến trung tâm thông tin và tại đây các chuyên gia sẽ tiến hành phân tích số liệu Các quy trình và phương pháp phân tích và thiết bị

quan trắc ngày nay đã hiện đại và chuẩn hoá để có thể cho những kết quả chính xác, dễ dàng bảo dưỡng và thiết bị phân tích được điều khiển tự động Triển khai, ứng dụng mạng lưới quan trắc theo công nghệ telemonitoring sẽ là bước đột phá trong công nghệ quan trắc môi trường tại Việt Nam Đặc biệt, mạng lưới quan trắc tự động theo công nghệ telemonitoring luôn cung cấp giá trị tức thời, liên tục của chất lượng môi trường là công cụ phục vụ yêu cầu quản lý môi trường

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tổng quát:

- Nghiên cứu, lựa chọn và thử nghiệm ứng dụng mô hình Telemonitoring trong quan trắc môi trường, đáp ứng yêu cầu của công tác quản lý và bảo vệ môi trường trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Mục tiêu cụ thể:

- Xác định cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ thiết kế mô hình truyền thông tin, số liệu trong hệ thống quan trắc môi trường không khí theo công nghệ telemonitoring;

- Nghiên cứu, xây dựng thử nghiệm hệ thống phầm mềm quản lý, khai thác số liệu và gửi tín hiệu cảnh báo dưới hình thức thư điện tử và điện thoại di động;

- Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm phục vụ lưu trữ và quản lý thông tin/ số liệu quan trắc về khí thu thập được;

1.3 Đối tượng và phạm vi của đề tài

Đối tượng:

Các trạm quan trắc không khí xung quanh tự động liên tục

Phạm vi:

- Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ telemonitoring phục vụ việc thu thập

số liệu tại các trạm quan trắc không khí xung quanh tự động liên tục;

- Triển khai áp dụng thử nghiệm đối với 02 trạm quan trắc không khí tự động

1.4 Các nội dung công việc của đề tài

(1) Nghiên cứu, khảo sát kinh nghiệm phát triển hệ thống truyền dữ liệu telemonitoring:

- Nghiên cứu kinh nghiệm quốc tế trong thực tiễn, nghiên cứu, xác định các yêu cầu nhằm thiết lập hệ thống trạm quan trắc khí theo mô hình telemonitoring đối với Việt Nam

- Nghiên cứu kinh nghiệm quốc tế về việc khai thác, xử dụng các thông tin dữ liệu từ hệ thống telemonitoring

(2) Khảo sát hiện trạng các trạm quan trắc khí phục vụ triển khai xây dựng hệ thống tại 05 trạm quan trắc không khí của Hà Nội

(3) Xây dựng cơ sở dữ liệu và phần mềm phục vụ truyền, nhận và lưu trữ dữ liệu giữa các trạm quan trức và trung tâm dữ liệu

ƒ Xây dựng phương thức kết nối và truyền số liệu quan trắc không khí liên tục từ các trạm quan trắc tới hệ thống trung tâm (cấp 1)

- Thiết lập kết nối bằng hình thức quay số qua modem;

- Thiết lập kênh kết nối qua đường ADSL;

- Định dạng và phân loại các file dữ liệu gốc do các trạm quan trắc gửi về; Xây dựng phần mềm truyền số liệu khí giữa Trung tâm và Trạm Quan trắc khí qua Internet; thử nghiệm triển khai đối với 2 trạm quan trắc khí trên địa bàn Hà Nội

ƒ Xây dựng Module phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu phục vụ lưu trữ và quản lý số liệu quan trắc không khí tự động đặt tại trung tâm dữ liệu

- Thiết kế Cơ sở dữ liệu phục vụ việc lưu trữ thông tin, số liệu quan trắc không khí tự động;

- Xây dựng module cập nhật dữ liệu tại Cơ sở dữ liệu trung tâm;

- Xây dựng moudle tìm kiếm và truy suất thông tin dưới dạng báo cáo

ƒ Xây dựng Module phần mềm phục vụ chuyển đổi, chuẩn hoá dữ liệu

- Chuyển đổi và chuẩn hoá dữ liệu đầu vào từ các trạm quan trắc

- Cập nhật tự động dữ liệu sau chuẩn hoá

ƒ Xây dựng Module giám sát, hiển thị: sơ đồ hoá các điểm quan trắc, hiển thị số liệu quan trắc theo thời gian thực

- Xây dựng chức năng sơ đồ hoá các điểm quan trắc khí tự động đang

- Chức năng hiển thị số liệu quan trắc theo thời gian thực tại các trạmquan trắc khí tự động tham gia kết nối vào hệ thống

ƒ Nghiên cứu, xây dựng thử nghiệm giải pháp cảnh báo và gửi thông tin cảnh báo dưới hình thức thư điện tử và tin nhắn trên điện thoại di động; (4) Áp dụng thử nghiệm các giải pháp công nghệ đối với 02 trạm quan trắc không khí tự động

1.5 Các sản phẩm chính của đề tài

Sản phẩm của đề tài gồm: sản phẩm nghiên cứu lý thuyết và phần mềm ứng dụng

ƒ Các sản phẩm lý thuyết: bảo đảm cả về mặt lý luận lẫn thực tế, ứng

dụng công nghệ mới, hiện đại với điều kiện thực tế và có tính khả thi cao

- Báo cáo vận dụng kinh nghiệm quốc tế trong thực tiễn, nghiên cứu, xác định các yêu cầu nhằm thiết lập hệ thống kết nối các trạm quan trắc khí theo mô hình telemonitoring đối với Việt Nam

- Báo cáo vận dụng kinh nghiệm quốc tế về việc khai thác, sử dụng các thông tin dữ liệu từ hệ thống telemonitoring

- Báo cáo khảo sát hiện trạng các trạm quan trắc khí phục vụ triển

khai xây dựng hệ thống

ƒ Phần mềm ứng dụng: đảm bảo các tính chất: tính thống nhất; tính kế

thừa cao, sử dụng tối đa các dịch vụ và hạ tầng trang thiết bị có sẵn, tránh đầu tư trùng lặp gây lãng phí; tin cậy, an toàn và bảo mật; ổn

định, khả thi và hướng dịch vụ Các chức năng của phần mềm:

- Quản trị cơ sở dữ liệu phục vụ lưu trữ và quản lý số liệu quan trắc không khí tự động đặt tại trung tâm dữ liệu;

- Kết nối và truyền số liệu quan trắc khí liên tục từ các trạm quan trắc tới hệ thống trung tâm (cấp 1);

- Chuyển đổi, chuẩn hoá và cập nhật dữ liệu sau chuẩn hoá;

- Giám sát và hiển thị: sơ đồ hoá các điểm quan trắc đang tham gia kết nối trong hệ thống, hiển thị số liệu quan trắc theo thời gian thực;

- Cảnh báo và gửi thông tin cảnh báo cho nhà quản lý dưới hình thức thư điện tử và tin nhắn trên điện thoại di động

II PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Phương pháp điều tra, khảo sát: Nhóm thực hiện đã tiến hành hoạt động

khảo sát tại 5 trạm quan trắc môi trường trên địa bàn Hà Nội nhằm thu thập các thông tin:

- Hạ tầng thiết bị, hãng sản xuất, model thiết bị…;

- Hoạt động quản lý, vận hành máy móc tại trạm;

- Tần suất quan trắc, các thành phần và thông số quan trắc;

- Định dạng file lưu trữ, cách thức mã hóa và cơ chế lưu trữ thông tin, số liệu;

Phương pháp kế thừa: Kế thừa các hoạt động khảo sát và các kết quả

nghiên cứu từ các dự án liên quan như tổng hợp và tái sử dụng các thông tin về hoạt động quản lý thông tin quan trắc của hệ thống TMS của cơ quan bảo vệ môi trường Hàn Quốc, một số đánh giá về hiện trạng mạng lưới quan trắc môi trường quốc gia

Phương pháp thống kê: Tổng hợp và hệ thống hóa các tài liệu, thông tin

thu thập được từ quá trình khảo sát và thiết kế hệ thống Thống kê và đánh giá

sơ lược về hiện trạng thiết bị máy móc và các thông số đo tại từng trạm: chủng loại thiết bị, thành phần môi trường, tần suất quan trắc, phân loại thiết bị đang hoạt động, thiết bị hỏng hóc…

Phương pháp chuyên gia: Trong quá trình thực hiện, Trung tâm Quan

trắc đã tổ chức các hội thảo, họp nhóm nhằm đánh giá độ tin cậy, biên tập các tài liệu thu thập được đồng thời nhận được đánh giá, góp ý của các chuyên gia đầu ngành trong lĩnh vực môi trường, khí tượng… về công nghệ và kỹ thuật áp dụng

để việc triển khai đi đúng hướng

III KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.1 Nghiên cứu, khảo sát kinh nghiệm phát triển hệ thống truyền dữ liệu telemonitoring

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, vấn đề quản lý, giám sát hoặc đánh giá môi trường bằng hệ thống quan trắc môi trường tự động từ xa cũng đã được các

nước nghiên cứu và đưa vào áp dụng trong thực tế Xét về khía cạnh môi trường,

“Telemonitoring” là thuật ngữ chuyên ngành được hiểu là việc ứng dụng các phương tiện và các công nghệ truyền thông thông tin để phản ánh giá trị tức thời tại địa điểm quan trắc đến trung tâm quản lý, phục vụ theo dõi tập trung, quản lý điều hành và tự động cảnh báo khi xảy ra biến động môi trường hoặc sự cố về mặt kỹ thuật

Trên thế giới nhiều quốc gia đã xây dựng và đưa vào hoạt động các hệ thống quan trắc môi trường tự động như mạng lưới quan trắc chất lượng nước tự động, chất lượng không khí tự động đối với môi trường xung quanh và giám sát nguồn thải (khí thải ống khói) Một số nước trong khu vực Đông Nam Á như Malaysia, Thái Lan, Singapore….cũng như trong khu vực Châu Á như: Nhật Bản và Hàn Quốc … đã thiết lập hệ thống telemonitoring giám sát chất lượng không khí và nước đồng bộ và rất hiệu quả Kết quả, sự thành công của các hệ thống quan trắc môi trường từ xa của các quốc gia có trong khu vực có nhiều nét tương đồng về địa lý, vùng khí hậu cũng như tập quán sẽ là những kinh nghiệm quý cho Việt Nam

a Thái Lan

Thái Lan – một nước đang phát triển có khá nhiều đặc điểm tương đồng với nước ta là một ví dụ điển hình trong việc triển khai áp dụng telemonitoring trong quan trắc môi trường Với sự ra đời của trung tâm Thông tin tài nguyên môi trường NERIC từ những năm 1994 mạng lưới quan trắc không khí tự động nước này đã hoạt động khá đồng bộ Với vai trò là trung tâm quốc gia về thông tin dữ liệu môi trường, nâng cao chất lượng số liệu và tính hiệu quả trong sử dụng dữ liệu môi trường và hiểu biết của cộng đồng, mô hình hoạt động chính của NERIC được mô tả như hình vẽ dưới đây:

Hình vẽ dưới đây là một trong số các quy trình đã được xây dựng nhằm phục vụ việc trao đổi và kiểm soát thông tin số liệu tại Thái Lan

Việc giám sát chất lượng không khí và tiếng ồn thông qua các trạm tự động được triển khai trên toàn quốc với trung tâm điều hành đặt tại ngoại ô Băng kok Các trạm quan trắc tự động liên tục truyền các thông tin dữ liệu môi trường về trung tâm điều hành 24/24 giờ một ngày Tại trung tâm này, số liệu sẽ được lưu trữ và xử lý Số liệu đầu ra sau khi kết xuất bởi phần mềm chuyên biệt sẽ được

gửi thông báo với tần suất định trước bằng phương tiện báo chí, phát thanh truyền hình Nếu tại một địa phương nào đó xảy ra hiện tượng số liệu quan trắc thay đổi đột biến, trung tâm điều hành sẽ phối hợp với cơ quan bảo vệ môi trường địa phương để xử lý kịp thời Nhiệm vụ của trung tâm điều hành này được quy định khá rõ ràng, gồm có:

- Hợp tác trao đổi dữ liệu với các đơn vị cung cấp số liệu;

- Đảm bảo sự kết nối liên tục và truyền tin thông suốt;

- Tối ưu hoá trong xử lý và lưu trữ dữ liệu

b Hàn Quốc

Tại Hàn Quốc, việc quản lý và kiểm soát chất lượng không khí được nâng lên một bậc với việc thiết lập và đi vào hoạt động của hệ thống quan trắc không khí tác động (Stack Tele-Monitoring System -TMS) Với hệ thống này, mỗi ống khói lớn – nơi phát ra khí thải gây ô nhiễm đều được theo dõi và giám sát Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc giữ gìn chất lượng không khí và phát triển công nghiệp ở mức độ thích đáng nhất

Hơn nữa, TMS được có khả năng tự động hoá hệ thống kiểm soát phát thải khắp đất nước, đánh dấu các điểm phát thải mạnh để giảm thiểu và cải tiến trong quy trình xử lý Một phần cơ bản của TMS là các phương thức kiểm soát, TMS

có khả năng quan trắc tự động 24 giờ liên tục và lưu trữ dữ liệu cùng một lúc Căn cứ trên thông tin thu thập đuợc từ TMS, chính phủ có thể dựa vào đó để đánh thuế phát thải và như vậy vô hình chung đã hình thành một cơ chế thông suốt, điều hành trên cơ sở khoa học Với các kết quả đạt được, TMS được lựa chọn là dự án công nghệ thông tin cấp quốc gia năm 2004 TMS cổ vũ các cơ sở công nghiệp để tạo hiệu quả tiên phong trong việc giảm thiểu ô nhiễm – đánh dấu bằng cam kết nâng cao chất lượng không khí Bằng việc tận dụng các thông tin quan trắc không khí thời gian thưc, các nhà máy có thể có các hành động thiết thực để nâng cấp quy trình sản xuất trong khi đưa ra các giải pháp quản lý thích hợp để ngăn ngừa ô nhiễm

Nhằm hướng dẫn một cách hiệu quả việc quản lý chất lượng không khí, Bộ Môi trường Hàn Quốc đã phân lãnh thổ quốc gia làm ba vùng – vùng đặc biệt dành cho việc bảo tồn môi trường không khí, vùng kiểm soát ô nhiễm và vùng khác Ngoài ra các nhà máy công nghiệp nặng được nhóm lại theo 3 cấp khác nhau trên cơ sở thải lượng, loại nhà máy và vị trí nhà máy Các nhà máy trong phạm vi vùng bảo tồn phải được cài đặt hệ thống TMS để giám sát

Trung tâm giám sát, điều khiển TMS tại Hàn Quốc

Quy trình xử lý của TMS được mô tả như sau:

Mô hình mô tả quy trình xử lý của hệ thống TMS

TMS quan trắc 7 thành phần gây ô nhiễm cơ bản (bụi, SO2, NOx, HCI, HF, NH3, CO) và 3 thành phần khác (O2, Nhiệt độ, lưu lượng khí) Chất ô nhiễm quan trắc được phân tích và truyền tới thiết bị DataLogger một cách tự động, các giá trị được số hoá Thiết bị DataLogger cung cấp 03 chức năng chính: lưu trữ các dữ liệu đo được trên mỗi giây, tính toán giá trị trung bình sau mỗi 5 và 30 phút (CPU); lưu giá trị trung bình của số liệu lần lượt trong 3 và 7 ngày (trên đĩa) Cuối cùng, dữ liệu được truyền tới trung tâm điều kiển TMS thông qua cáp hoặc wireless Với hình thức truyền thông bằng cáp, dữ liệu được truyền từ modem thông qua đường leasedline tới đích Với việc truyền tin dưới dạng wireless, dữ liệu được truyền từ thiết bị không dây tới trung tâm điều khiển thông qua các điểm khuếch đại trung gian Trung tâm điều khiển TMS thu thập

và phân tích dữ liệu phục vụ đánh giá liên quan tới sự nâng cấp chất lượng hoặc đánh thuế phát thải tới những cơ sở vượt quá tiêu chuẩn Khi TMS dò được vị trí gây ô nhiễm vượt quá tiêu chuẩn cho phép, cả cơ quan chủ quản của điểm gây ô nhiễm và chính quyền địa phương đều được cảnh báo dưới hình thức gọi điện hoặc fax

Việc quản lý có hiệu quả hệ thống TMS đòi hỏi vai trò của nhiều đơn vị khác nhau: Chính phủ, Hội đồng quản lý môi trường và các cơ sở công nghiệp Đầu tiên, Chính phủ ký phê chuẩn thời gian cài đặt TMS và quy định danh mục các thành phần gây ô nhiễm cần kiểm soát Hơn hết, phê chuẩn này được nâng cấp thành luật môi trường và các hướng dẫn liên quan tới TMS Thứ hai, Hội đồng quản lý môi trường – một bộ phận của Bộ môi trường, chịu trách nhiệm trong việc xây dựng và quản lý các trung tâm điều khiển TMS, thu thập dữ liệu, xác định phạm vi phân tích, cung cấp trợ giúp kỹ thuật cho các cơ sở công nghiệp và báo cáo số liệu và kết quả thu thập được tới Chính phủ Thứ ba, các

cơ sở công nghiệp đóng phí để cài đặt TMS, truyền dữ liệu và cho hoạt động của TMS

c Vấn đề thời gian thực và bảo mật cho các Hệ thống ứng dụng công nghệ Telemonitoring

Hệ thống điều hành từ xa có nhiều thành phần khác nhau với các yêu cầu

về tri thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau Để phát triển một hệ thống điều hành từ

xa hiệu quả, cần tập trung vào nhiều vấn đề và các yêu cầu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng thực hiện Các giải pháp đưa ra phải cân bằng, tức là hiệu suất cao trong một lĩnh vực sẽ mang lại ít giá trị nếu các tác nhân khác giới hạn hiệu năng của hệ thống Trong phạm vi ứng dụng công nghệ Telemonitoring để truyền dữ liệu từ xa, chúng tôi chỉ xin đề cập đến 2 vấn đề đó là truyền dữ liệu thời gian thực và đảm bảo an toàn hệ thống

Truyền dữ liệu thời gian thực: Thiết bị đo là một đầu cảm biến, những

thay đổi theo thời gian sẽ được ghi lại thông qua đầu cảm biến này Dựa trên một cơ chế đã thiết lập sẵn, các lệnh điều khiển thích hợp sẽ đươc đưa ra Thực

tế, các ứng dụng thời gian thực khá khác với các ứng dụng dữ liệu chuẩn, và yêu cầu dịch vụ không thể được phân phối trên cơ sở cấu trúc dịch vụ dữ liệu chuẩn Trễ và mất mát dữ liệu là những vấn đề nghiêm trọng phải đối mặt trong các ứng dụng thời gian thực thông qua internet Các vấn đề này cần được chỉ ra một cách đúng đắn và các giải pháp được giới thiệu nhất thiết phải khắc phục được vấn đề này Các mạng hiện nay sử dụng chuyển mạch gói như một phương tiện tự động phân phối tài nguyên mạng dựa trên các yêu cầu cơ bản Chuyển mạch gói được

sử dụng rộng rãi bởi nó tạo thuận lợi cho các kết nối với nhiều kiến trúc mạng khác nhau, và nó bố trí các tài nguyên một cách mềm dẻo và tin cậy nhằm loại trừ lỗi từ các nút mạng và các liên kết Tuy nhiên, chuyển mạch gói cung cấp ít các kiểm soát trễ trên các gói tại các chuyển mạch Rõ ràng rằng mạng máy tính đưa ra thời gian trễ được mô tả rõ nhất thông qua một xử lý ngẫu nhiên thời gian khác nhau Những khó khăn phải đối mặt của giao thức truyền thông chuyển mạch gói thời gian thực là: Thông lượng, một ứng dụng có thể phải đối mặt với

sự nghẽn mạng và không đủ khả năng trao đổi dữ liệu một cách thống nhất Trễ: giới hạn trên của nó phụ thuộc vào lưu lượng mạng Khủng hoảng trễ: load mạng có thể sinh ra nhiều biến thể trễ, xáo trộn gói và mất mát gói dữ liêu; máy chủ định tuyến có thể loại bỏ các gói tin làm tràn bộ đệm Có nhiều giao thức khác nhau được sử dụng trên mạng Tuy nhiên các giao thức này không bảo đảm rằng các tín hiệu sẽ được trao đổi giữa bên gửi và bên nhận một cách đồng bộ Thông thường băng thông và truyền thông trễ của trên mạng ảnh hưởng bởi tốc

độ tài mạng và chúng thay đổi một cách tự động Trong không gian thông tin, đồng bộ các tín hiệu không quan trọng Tuy nhiên, khi thiết bị được kết nối với

mạng, truyền thời gian thực và sự đồng bộ các tín hiện là vấn đề vô cùng quan trọng và nghiêm túc Có nhiều cách để giảm thiểu tác động nghiệm trọng của vấn đề độ trễ

Bảo mật và an toàn hệ thống: Internet cung cấp các cơ hội mới cho các

thiết bị và quy trình được điều khiển từ xa sử dụng các máy tính cá nhân và truyền thông mạng với chi phí thấp Song bảo đảm an toàn là một vấn đề đặt ra Như vậy, để đảm bảo cho việc kiểm soát hệ thống được an toàn và quyền sở hữu

dữ liệu được bảo vệ, các cơ chế phải được đặt ra để kiểm soát truy nhập dữ liệu

và hệ thống Để an toàn, tính tin cậy và giảm thiểu chi phí, bảo mật dữ liệu phải được triển khai trong một hệ thống điều hành từ xa, đặc biệt là khi hệ thống hoạt động thông qua các mạng mở rộng Những điều khác nhau mà một dịch vụ điều hành từ xa có thể làm trên cơ sở đảm bảo an toàn, trong mối quan hệ tới các hoạt động điều hành trên internet có thể nhóm thành 2 loại sau:

1 Đảm bảo định danh của mỗi người sử dụng: đảm bảo rằng các truy cập được biết và được phép;

2 Bảo vệ truyền thông dữ liệu, đảm bảo rằng dữ liệu này không bị chặn, hỏng, hoặc thay thế trong quá trình vận chuyển

Loại đầu tiên phục vụ mục đích cho phép hệ thống kiểm soát được đối tượng nào đang thực sự sử dụng chúng Loại thứ hai nêu khá rõ về mục đích của

hệ thống; nó đảm bảo rằng dữ liệu đến nguyên vẹn, và không rò rỉ khi chưa được cá nhân cho phép Một số hình thức đảm bảo việc này là mã hóa, sử dụng mật khẩu … Bên nhận sẽ thực hiện giải mã trước khi đọc dữ liệu

3.2 Khảo sát hiện trạng các trạm quan trắc khí phục vụ triển khai đề tài

Tại Việt Nam, các trạm quan trắc môi trường không khí tự động có thể kể tới:

ƒ Tại Hà Nội, bao gồm 06 trạm do các đơn vị khác nhau quản lý Hầu hết

các trạm này được trang bị các máy móc phần lớn có nguồn gốc từ Hoa

Kỳ, Nhật Bản và Pháp; cụ thể như sau:

- Trạm quan trắc không khí khu vực Nam Thăng Long tại đường Phạm Văn Đồng: hoạt động từ năm 1999 đến nay Tần suất quan trắc 24/24

giờ, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx, O3, CO, bụi TSP; do Sở TNMT Hà Nội quản lý

- Trạm quan trắc không khí khu vực Đại học KHTN, Thượng Đình: hoạt động từ năm 2002 đến nay Tần suất quan trắc 24/24 giờ, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx, O3, CO, bụi TSP; do Sở TNMT Hà Nội quản lý (hiện nay đang ở tình trạng thay đổi địa điểm nên không hoạt động)

- Trung tâm công nghệ xử lý môi trường, Bộ tư lệnh hoá học, 285 Lạc Long Quân: bắt đầu quan trắc từ năm 2001 đến nay Tần suất quan trắc 24/24 giờ, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx, O3, CO, bụi TSP, các thông sô khí tượng; do Bộ Tư lệnh Hoá học quản lý, hiện chỉ hoạt động một 4 modul sau;

- Trạm đặt tại Trạm Quan trắc môi trường vùng 1 thuộc Viện khoa học và

kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội Trạm tự động cố định: bắt đầu quan trắc từ năm 1999 Tần suất quan trắc 24/24 giờ, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx,

O3, CO, PM10; các thông số khí tượng Hiện trạm không hoạt động do các thiết bị hỏng, không có phụ tùng thay thế;

- Trạm tự động di động: bắt đầu quan trắc từ năm 2002 đến năm 2004 Hoạt động quan trắc được tiến hành trên cơ sở các chương trình/ dự án, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx, O3, CO, bụi TSP, các thông số khí tượng Hiện nay, Tổng cục môi trường đang lên kế hoạch sửa chữa

để tiếp tục đưa vào hoạt động

- Trạm đặt tại 556 Nguyễn Văn Cừ, do Trung tâm Quan trắc Môi trường quản lý, lắp đặt từ 2009, đến nay vẫn hoạt động tốt, các thông số đo:

SO2, NOx, O3, CO, bụi PM10, PM2.5, PM1, các thông số khí tượng

ƒ Tại Hải Phòng, trạm quan trắc không khí có tần suất quan trắc 24/24 giờ,

do Viện Tài nguyên và Môi trường Biển, Viện KH&CN Việt Nam quản

lý, các thông số gồm có SO2, NOx, O3, CO, bụi TSP; các thông số khí tượng Hiện nay trạm cũng chỉ hoạt động một số bộ phần

ƒ Hệ thống trạm do Mạng lưới Khí tượng thuỷ văn và môi trường quản

lý: gồm 09 trạm ( Láng, Cúc Phương, Phủ Liễn, Sơn La, Vinh, Pleyku, Cần Thơ, Đà Nẵng, Nhà Bè), bắt đầu quan trắc từ tháng 09/2002, riêng trạm Pleyku từ tháng 08/2003; thiết bị có nguồn gốc từ Nhật Tần suất quan trắc 24/24 giờ, các thông số quan trắc gồm có: SO2, NOx, O3, CO, bụi (TSP, PM10, muội than OBC), hydrocacbon (gốc CH4 và không có gốc

CH4)

ƒ Tại thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống 09 trạm khí tự động do Sở TNMT

TP Hồ Chí Minh chịu trách nhiệm quản lý Các thiết bị có xuất xứ từ Mỹ Tần suất quan trắc 24/24 giờ, bắt đầu quan trắc từ năm 2002, các thông số quan trắc SO2, NOx, CO

Nhìn chung, đối với các trạm quan trắc này, tuy đã tiến hành quan trắc không khí tự động có nơi lên đến 24/24 giờ liên tục song việc liên kết giữa các trạm do các đơn vị khác nhau quản lý còn chưa thực hiện được, nguyên nhân chủ yếu là

do công nghệ, thiết bị sử dụng khác nhau về đời máy, chủng loại và hãng sản xuất và thiếu một cơ chế chung trong quản lý, vận hành… Mặt khác, việc triển khai vẫn tính thụ động, một chiều, dữ liệu thu thập được chủ yếu phục vụ mục đích phân tích báo cáo, chưa có sự tương tác với người sử dụng khi hệ thống gặp

sự cố, cảnh báo khi giá trị sai hoặc vượt mức cho phép báo hiệu gây ô nhiễm môi trường

Trong phạm vi kinh phí của đề tài, phục vụ mục đích xây dựng hệ thống nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát tại một số trạm quan trắc không khí tự động cố định tại Hà Nội, cụ thể như sau là:

- Trạm đặt tại 285 Lạc Long Quân;

- Trạm đặt tại ĐH Xây dựng;

- Trạm Thượng Đình - ĐH tự nhiên;

- Trạm Nam Thăng Long;

- Trạm Láng

Về hiện trạng truyền nhận dữ liệu tại các trạm quan trắc: Cả 5 trạm này đều

sử dụng hình thức truyền số liệu quan trắc bằng dial up, cụ thể như sau:

Hạn chế lớn cho phương pháp này đó là việc sử dụng các đầu số thuê bao điện thoại cố định, các trạm muốn truyền số liệu phải lần lượt quay số tới trạm trung tâm Trong trường hợp các trạm chung nhau một đường truyền, khi đó mỗi lần 1 trạm quay số tới trung tâm, nó sẽ chiếm dụng dường truyền và khi đó các trạm khác nếu có nhu cầu gửi số liệu sẽ phải đợi đến khi trạm trước nó truyền xong Để giải quyết xung đột xảy ra, người ta thường sử dụng giải pháp khá tốn kém đó là cung cấp mỗi line cho một trạm hoặc đặt lịch để các trạm kết nối và gửi số liệu đến trung tâm lưu trữ Tuy vậy, trong trường hợp đột xuất khi có báo động hoặc cảnh báo, cách làm này không cho thấy được tính đáp ứng của hệ thống

3.3 Xây dựng Cơ sở dữ liệu và phần mềm phục vụ truyền, nhận và lưu trữ

dữ liệu giữa các trạm quan trắc và trung tâm dữ liệu

3.3.1 Một số mô hình và công nghệ đã và đang được áp dụng

Hiện nay có nhiều mô hình về trạm quan trắc khí được sản xuất và sử dụng tại nhiều nước trên thế giới Các mô hình này có thể có cấu trúc khác nhau tuy nhiên đều có vai trò chung là dùng để đo đạc sự có mặt cúa các thành phần không khí như O2, O3, Hydro, SO2, NO, NO2, NOx, CO hay các tham số khác như độ ẩm, nhiệt độ nhằm mục đích cung cấp các thông tin chính xác về môi trường không khí mà từ đó các cơ quan chức năng có thể đánh giá mức độ ô

nhiễm tại các vùng khác nhau và nhằm đưa ra các quyết định hay biện pháp khắc phục kịp thời Về mặt thiết kế, mô hình kết nối các trạm quan trắc với trạm trung tâm như sau:

Trạm quan trắc: Trạm quan trắc ở đây được coi là hệ thống các mạng

sensor nội bộ có mục đích thu thập thông tin của môi trường khí thông qua các cảm biến chuyên dụng Các số liệu thu về này sẽ được lưu trữ lên các bộ data logger và có thể được xử lý rồi lưu lại dưới dạng file (.txt, file excel ) hay được gửi về trung tâm dữ liệu Theo như thiết kế của mạng telemonitoring thì trạm quan trắc được phân quyền ở mức thấp nhất, nghĩa là chỉ có vai trò thu thập thông tin, gửi thông tin theo định kỳ hay tức thời tùy theo các yêu cầu của trạm

có phân quyền cao hơn và thông báo cho trạm trung tâm biết khi xảy ra các thông tin vượt ngưỡng (báo động)

Trạm trung tâm: Trạm trung tâm được trang bị đầy đủ các giao diện kết

nối và bằng các hình thức trực tiếp hay gián tiếp có thể liên lạc, ra lệnh cho bất

cứ thành phần nào của mạng Ngoài nhiệm vụ thu thập dữ liệu, trạm trung tâm còn có vai trò quan trọng trong việc xử lý các số liệu nhận được và đưa ra thông

tin dưới dạng các văn bản và siêu văn bản trực quan Trạm trung tâm có các server chuyên dụng để lưu trữ lịch sử thông tin, cho phép truy xuất và thay đổi

dữ liệu Ngoài ra các phần mềm chuyên dụng đóng vai trò phân tích, dự báo và xây dựng các cơ sở dữ liệu cần thiết cho việc quản lý môi trường và các ứng dụng cụ thể khác Những ứng dụng khai thác dữ liệu từ hệ thống mạng Telemonitoring này sẽ được nói rõ hơn trong chuyên đề tiếp theo Đối với các trạm xử lý trung tâm hiện đại, ngoài việc lập các báo cáo theo phương pháp truyền thống, trạm còn phải có khả năng xây dựng mô hình truy xuất dữ liệu theo kiểu Web Sensor, truy xuất truyền thông đa phương tiện không chỉ qua mạng Internet mà còn qua các mạng di động (WAP), qua vệ tinh Nghĩa là trạm trung tâm phải được trang bị các giao diện đa truy nhập

Kỹ thuật Telemonitoring thực chất là việc lựa chọn các hình thức truyền thông tin từ các trạm thành phần về trạm trung tâm sao cho vừa đảm bảo độ chính xác của dữ liệu, chống lại hiện tượng nghẽn mạng thường gặp, tối ưu hóa băng thông lại đồng thời có chi phí thấp nhất phù hợp với cơ sở hạ tầng viễn thông của nước ta Kỹ thuật này cũng cho phép việc nâng cấp độ thông minh tại từng trạm nhằm trang bị cho trạm khả năng xử lý thông tin cơ bản (tiền xử lý) để đảm bảo thông tin gửi về có giá trị cao và ngắn gọn Điều này là hết sức quan trọng, vì khi hệ thống mạng được mở rộng lên thì nếu giữa các nút mạng không

có sự thống nhất, thỏa thuận, tình trạng nghẽn mạng vào giờ cao điểm chắc chắn

sẽ xảy ra gây sự cố làm mất mát, gián đoạn thông tin hay thậm chí làm cho mạng bị đánh sập hoàn toàn

Phương thức truyền dữ liệu được chia làm hai loại: hữu tuyến và vô

tuyến Đường truyền hữu tuyến bao gồm các đường dial up sử dụng modem truyền số liệu qua đường điện thoại, hoặc truyền qua đường mạng theo chuẩn Ethernet, hoặc cáp quang Đường truyền vô tuyến được thực hiện bằng cách sử dụng sóng vô tuyến ở các tần số khác nhau bằng cách sử dụng các bộ thu phát chuyên dụng (máy sóng ngắn HF, VHF,UHF), sử dụng chuẩn 802.11 a,b,g,n (Wifi), truyền qua mạng điện thoại di động GSM (các modem GSM), mạng di động công nghệ 3G hay WiMax Việc lựa chọn kỹ thuật truyền tin phụ thuộc hoàn toàn vào tính chất địa lý và cơ sở hạ tầng viễn thông của từng khu vực Một khi kết nối đã thông suốt thì các phần mềm chức năng trên các thiết bị đầu cuối và chức năng sẽ có nhiệm vụ quản lý luồng dữ liệu:

Truyền dữ liệu qua đường điện thoại theo kiểu dial-up: hai phương thức

truyền dữ liệu qua đường dây thoại: truyền trực tiếp từ trạm đo đến trạm trung tâm hoặc truyền gián tiếp qua mạng dial-up Trong hai phương pháp này thì phương pháp thứ 2 tỏ ra hiệu quả hơn đặc biệt là khi hệ thống được mở rộng với

số lượng trạm đo khí lớn

Ưu điểm: yêu cầu trang thiết bị tối thiểu, cấu trúc của mạng cực kỳ đơn

giản với hai đầu số thuê bao điện thoại cố định, dây thoại và 2 modem kiểu V90

là hai nút mạng có thể liên lạc được với nhau thông qua các lệnh kết nối đơn giản

Nhược điểm: sử dụng các đầu số thuê bao điện thoại cố định Theo kinh

nghiệm thực tế thì số lượng đầu số thuê bao là hạn chế và như vậy các trạm đo thường phải dùng chung đầu số này với các trạm khác hay với dịch vụ thoại thông thường Việc này dẫn tới tình trạng mất mát thông tin, đặc biệt là thông tin báo động do khi trạm muốn quay số kết nối thì đường dây đang bận do có người hay dịch vụ khác sử dụng Để xử lý vấn đề khó khăn này, việc kết nối qua đường dial-up cần có thêm cơ chế tự động chiếm đường truyền và phân quyền

sử dụng đường truyền Các dịch vụ dùng chung đầu số thuê bao phải kết nối vào thiết bị tự động chuyển kênh để được dùng đường truyền

Truyền thông tin qua mạng Internet hữu tuyến: Cấu trúc của 1 hệ thống

mạng như sau: Các trạm kết nối qua chuẩn Ethernet (IEEE 802.3) cấu thành mạng LAN (ví dụ với các trạm ở gần nhau), truyền qua switch hoặc router qua mạng Internet tới trạm trung tâm Trạm trung tâm có nhiệm vụ thu thập và xử lý thông tin truyền về từ các trạm bao gồm một đường thuê bao internet ADSL có địa chỉ IP tĩnh và server chuyên dụng Với cách thức truyền thông tin như thế này, phần mềm trên server cho phép người quản lý đặt các mạng LAN ảo để phâm nhóm quản lý các trạm đo đạc mà không cần phải đặt các trạm gần nhau

Ưu điểm: là loại hình phổ biến hiện nay, cấu trúc đơn giản, giá thành thấp

và độ tin cậy cao Ta có thể kết chia sẻ kết nối với nhiều thiết bị và người dùng khác, thậm chí còn có thể dùng song song đường điện thoại và internet mà không cần phải tạm ngưng dịch vụ thoại như dial-up Một ưu thế nữa đối với việc truyền thông tin qua mạng internet đó là các trạm đầu cuối còn có thể thông tin trực tiếp với nhau thông qua sự quản lý của server trạm trung tâm

Nhược điểm: Chỉ thực hiện được tại những địa điểm có lắp đặt internet

Truyền thông tin qua mạng không dây Wifi, Wi-Max, Bluetooth: Việc

sử dụng các chuẩn truyền thông tin này nhằm mục đích liên kết nội bộ hệ thống mạng LAN gồm các sensor đặt gần nhau tại cùng một vị trí địa lý

Ưu điểm: tính phổ biến của thiết bị thu phát, giá thành thấp và sử dụng tần

số thu phát miễn phí Phương pháp này đặc biệt phù hợp với các khu vực chật hẹp hay không có điều kiện triển khai các kết nối hữu tuyến

Nhược điểm: khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng do đặc trưng phát tín

hiệu ở công suất thấp và tần số cao Phương thức này chỉ phù hợp với mạng sensor nội bộ trong các tòa nhà, nhà máy, các khu vui chơi giải trí có sẵn cơ sở

hạ tầng mạng không dây Việc kết nối với trung tâm xử lý tín hiệu vẫn cần phải thực hiện qua máy tính chủ truyền tới trung tâm qua đường internet hữu tuyến

Truyền thông tin qua mạng điện thoại di động GSM: Việc truyền thông

tin qua mạng GSM-GPRS có thể thực hiện bằng cách sử dụng các modem chuyên dụng ở mỗi đầu hệ thống cộng với các thuê bao tương ứng (sim card) và đăng ký dịch vụ thoại (hay GPRS) Các modem sẽ tự động điều chế tín hiệu cần truyền đi và quay số kết nối gửi qua mạng thông tin di động Quá trình này hoàn toàn đơn giản, tương tự như việc sử dụng modem hữu tuyến

Ưu điểm: Tốc độ truyền khá lớn, của GSM là 14.4 kbps cho mỗi kênh,

nếu sử dụng toàn bộ 8 kênh thì tốc độ theo lý thuyết sẽ là 115.2 kbps, còn trên thực tế tốc độ chỉ đạt tới 57.6 kbps là tối đa; tốc độ tối đa thực tế của GPRS có thể lên tới 80kbps

Nhược điểm: Chỉ sử dụng tốt ở những vị trí có chất lượng tín hiệu cao,

ngoài ra GPRS cũng chưa được phủ sóng tới toàn bộ mạng mà chỉ tập trung ở các thành phố hay đô thị Đối với cơ sở hạ tầng mạng tại Việt Nam, việc nghẽn mạng vào những giờ cao điểm thường xuyên xảy ra và chất lượng truyền thực tế không cao như tiêu chuẩn Đây là những hạn chế mà người thiết kế cần tính toán

để đạt hiệu suất sử dụng cao nhất

Truyền thông tin qua mạng điện thoại di động GSM, 3G: Truyền thông

tin qua mạng 3G: mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 (3th Generation) hỗ trợ

dịch vụ truyền tải thông tin băng thông rộng đang trở nên rất phổ biến tại các nước Mỹ, châu Âu, Hàn Quốc, Nhật Bản Việc cấp phép dịch vụ 3G cho một

số công ty viễn thông lớn tại nước ta mở ra một kênh thông tin mới đầy tiềm năng đặc biệt là trong các lĩnh vực khai thác mạng di động như các dịch vụ video, TV trực tuyến cho điện thoại di động

Ưu điểm: Cho hiệu quả truyền thông tin rất cao và giúp gia tăng lượng

kết nối và dịch vụ Vấn đề hiện nay của mạng 3G chính là lượng thiết bị đầu cuối hỗ trợ truyền thông tin còn có giá thành cao và chưa được ứng dụng phổ biến

Nhược điểm: Cơ sở hạ tầng mạng chưa thể hoàn thiện trong thời gian

ngắn do các nhà cung cấp dịch vụ cần thời gian để đầu tư và thử nghiệm hệ thống

Truyền thông tin qua các kênh vô tuyến HF, VHF, UHF: Thông tin

sóng ngắn (HF) đã phát triển trong suốt 60 năm qua Hiện nay các ứng dụng mạng thông tin dạng cell (cellular network) đã thay thế phương pháp truyền tin

cổ điển bằng sóng ngắn Đặc biệt phù hợp với các vùng sâu, vùng xa và hải đảo, nơi không có các điều kiện cơ sở hạ tầng mạng thông tin Ngoài sóng ngắn, các tần số cực ngắn (VHF, UHF) hay vi ba cũng có thể được sử dụng để truyền thông tin giữa các trạm có khoảng cánh gần nhau Các thông tin này sẽ được trạm trung gian liên kết và truyền về trạm trung tâm bằng đường sóng ngắn HF

Mô hình này đã được xây dựng và hoạt động khá thành công tại các nước có địa hình trải dài như Australia

Ưu điểm: Khoảng cách truyền lớn (lên tới 1000 km);

Nhược điểm: tốc độ thấp (chỉ khoảng 1200 baud), phụ thuộc nhiều vào

điều kiện môi trường, thời tiết, thời gian trong ngày (do tín hiệu phát phản xạ

qua tầng điện ly của khí quyển tới máy thu), tần số sử dụng phải đăng ký

Truyền thông tin qua vệ tinh: Sự kiện Việt Nam phóng thành công và

đưa vào sử dụng vệ tinh Vinasat 1 thực sự đã giúp tạo nên một kênh thông tin mới cho nhiều ứng dụng như viễn thông, truyền hình, Việc liên kết mạng sensor trên toàn lãnh thổ hay trong khu vực sử dụng kênh thông tin này là hoàn toàn khả thi

Ưu điểm: Độ phủ sóng rộng, thiết bị đầu cuối đơn giản và nhỏ gọn, có thể

sử dụng được tại những vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện thời tiết

Nhược điểm: hạn chế kênh truyền do vệ tinh chỉ được sử dụng chủ yếu

cho việc phát quảng bá như các kênh truyền hình Ngoài ra tín hiệu phát lên vệ tinh cũng tiêu thụ nguồn khá lớn thì mới đảm bảo công suất phát

3.3.2 Xây dựng hệ thống

Trên cơ sở những đánh giá về công nghệ và phương thức truyền nhận nêu trên, để phù hợp với thực tiễn Việt Nam, nhóm thực hiện đã lựa chọn việc triển khai hệ thống theo mô hình phân cấp, truyền tin kết hợp bởi 3 loại hình sau:

- Dial up: kết quả khảo sát cho thấy 5 trạm quan trắc nêu trên đều sử dụng hình thức này để gửi số liệu Để giảm thiểu chi phí, kế thừa tối đa

hạ tầng thiết bị hiện có và sử dụng ngay nguồn số liệu này cho hệ thống, dial up sẽ là một lựa chọn để gửi thông tin;

- Truyền qua internet: Đây là hình thức truyền tin nhanh và hiệu quả hiện nay Hệ thống sẽ cung cấp dịch vụ web để nhận các file dữ liệu do các trạm gửi tới, hỗ trợ việc quản lý số liệu tại bất cứ nơi đâu và bất kỳ

thời gian nào;

- Dịch vụ cổng kết nối truyền tin: Cung cấp số liệu quan trắc theo thời gian dưới hình thức tin nhắn SMS, hỗ trợ tự động gửi thông tin cảnh

báo tới cấp lãnh đạo, các đơn vị chức năng liên quan

Khắc phục nhược điểm của thực tế hiện nay như truyền nhận thông tin bằng quay số qua điện thoại, dữ liệu chủ yếu được lưu trữ phục vụ viết các báo cáo phân tích, tính thời sự của số liệu không cao do phải thông qua những phân tích đánh giá của con người hoàn toàn không có sự hỗ trợ của phần mềm và công nghệ, hệ thống tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Mở rộng loại hình kết nối, truyền tin cả về hình thức và số lượng, thông tin sẽ được truyền tới trung tâm điều khiển dưới nhiều kênh khác nhau như dialup, internet và dịch vụ cổng kết nối truyền tin Tăng tính

an toàn dữ liệu thông qua việc mã hóa dữ liệu trên đường truyền;

- Chuẩn hóa dữ liệu từ nhiều định dạng (do thiết bị tại các trạm là khác nhau);

- Xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý và giám sát dữ liệu tại trung tâm lưu trữ: sơ đồ hóa các trạm kết nối, hỗ trợ tìm kiếm và trích rút thông tin số liệu;

- Tạo cơ chế quản lý, truyền dữ liệu,theo thời gian thực với độ trễ cho trước (bằng dịch vụ Web – web service và các tổng đài truyền tin)

- Cập nhật vào cơ sở dữ liệu dưới 2 hình thức : Thủ công và tự động

- Cung cấp các hình thức xem số liệu khác nhau trên Website của trung tâm

a Mô hình triển khai

Mô hình triển khai hệ thống được xây dựng như hình vẽ dưới đây:

Hệ thống được tổ chức theo ba cấp, gồm có các trạm quan trắc không khí

tự động, trung tâm điều khiển cấp 1 và trung tâm điều khiển cấp 2, mô tả như sau:

1) Các trạm quan trắc: gửi các thông số không khí một cách tự động tới

2) Trung tâm điều khiển cấp 1:

- Nhận số liệu do các trạm quan trắc không khí tự động gửi tới;

- Chuẩn hoá dữ liệu vừa nhận được;

- Giám sát và hiển thị dữ liệu: sơ đồ hoá các điểm quan trắc đang thực hiện kết nối tới trung tâm điều kiển cấp 1 và hiển thị các số liệu tương ứng với từng trạm quan trắc không khí tự động trên màn hình led hoặc

máy tính;

- Cảnh báo và gửi thông tin cảnh báo bằng hình thức thư điện tử và tín nhắn trên điện thoại di động tới những người có thẩm quyền liên quan khi hệ thống gặp sự cố, giá trị sai hoặc vượt mức cho phép báo hiệu gây

ô nhiễm môi trường;

- Cập nhật số liệu sau chuẩn hoá vào cơ sở dữ liệu trung tâm;

- Báo cáo phân tích diễn biến môi trường trên cơ sở số liệu quan trắc không khí liên tục và tình hình hoạt động của hệ thống telemonitoring

không khí tới trung tâm điều khiển cấp 2

3) Trung tâm điều khiển cấp 2: giám sát hoạt động thu nhận và xử lý số

liệu của các đơn vị trực thuộc trên cơ sở số liệu báo cáo nhận được từ trung tâm điều khiển cấp 1

Chú thích: Trung tâm điều khiển cấp 2 với vai trò đánh giá, giám sát và

tổng hợp báo cáo về hoạt động của Trung tâm điều khiển cấp 1 hoàn toàn có thể sáp nhập vào Trung tâm điều khiển cấp 1 dưới sự đảm nhận của cấp quản lý/ lãnh đạo của hệ thống này Do thiết kế có tính mở trên cơ sở các chức năng dự kiến, trong quá trình triển khai, hệ thống hoàn toàn có thể được áp dụng một cách linh động phù hợp với thực tiễn triển khai

Trong giai đoạn trước mắt, hệ thống chỉ triển khai đến Trung tâm điều khiển cấp 1, được cài đặt tại Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục môi trường Trong giai đoạn sau, khi hệ thống này triển khai mở rộng, Trung tâm điều khiển cấp 1 sẽ được cài đặt tại các Sở TNMT địa phương, đồng thời phát triển Trung tâm điều khiển cấp 2 cài đặt tại Tổng cục Môi trường

b Các chức năng chính

Trong phạm vi đề tài khoa học công nghệ “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ xây dựng mô hình hệ thống quan trắc khí theo công nghệ Telemonitoring”, theo đánh giá từ quá trình khảo sát có 3 nhóm thiết bị quan trắc do các hãng Kimoto, Edas và Horiba sản xuất Với nội dung cụ thể như sau:

™ Hãng Kimoto

Thiết bị do hãng Kimoto sản xuất được sử dụng tại 9 trạm do Trung tâm Mạng lưới Khí tượng thủy văn và Môi trường quản lý Trong hình vẽ này sẽ lấy trạm Láng làm ví dụ để mô tả Hệ thống này tổ chức trao đổi dữ liệu qua hình thức: quay số tự động để lấy số liệu vào 9h sáng hàng ngày và quay số cưỡng bức tới trạm mỗi khi có nhu cầu về số liệu Dưới sự hỗ trợ của phần mềm Kimoto số liệu theo tháng cần lấy sẽ được xuất ra dạng một file mã hóa có dạng DLYYMMS.001

- Với DL: dạng file là dữ liệu;

- YY : Là năm tiến hành lấy số liệu ;

- MM : Là tháng sẽ lấy số liệu Tên ;

- S : Mã trạm lấy dữ liệu ;

- 001 : Đuôi mở rộng của file mã hóa

Định dạng file mã hóa của trạm Láng

File mã hóa sẽ được truyền qua đường điện thoại (hình thức dial up) truyền tới Trung tâm Mạng lưới Khí tượng thủy văn và Môi trường Bằng việc sử dụng phần mềm Kimoto, file mã hóa sẽ được tự Thông qua các điều kiện chọn báo cáo phần mềm Kimoto có thể xuất ra file excel(viết lại phần này sao cho không nhấn mạnh vào giải mã của Kimoto vì mã hóa là họ mã mà, giải mã chỉ nhấn mạnh ở kết quả mình làm vì mình không biết mã hóa)

Do vậy, khi xây dựng phần mềm, nhóm thực hiện đã tìm hiểu các nội dung như:

- Tìm hiểu cách thức lấy số liệu

- Cách lưu trữ file dữ liệu trên máy tính

- Cách tổ chức cập nhật dữ liệu (ví dụ : mỗi tháng cập nhật vào 1 file)

- Tìm hiểu định dạng file dữ liệu đã mã hóa, cách thức mã hóa;

- Cơ chế truyền file dữ liệu;

- Tổ chức giải mã (decode) và xuất ra file excel phục vụ lưu trữ vào cơ sở

dữ liệu quản lý tại trung tâm;

Mô hình thao tác với dữ liệu của hệ thống cụ thể trong hình vẽ dưới đây:

Nhóm nghiên cứu đã thiết lập một đường dial up trực tiếp từ trạm quan trắc tại Láng truyền dữ liệu về Trung tâm Quan trắc môi trường Mô hình này đáp ứng lộ trình triển khai của quyết định 16: song song với việc quản lý số liệu quan trắc tự động của Trung tâm Mạng lưới Khí tượng thủy văn và Môi trường,

dữ liệu hoàn toàn có khả năng truyền trực tiếp về Trung tâm Đầu mạng của Mạng lưới quan trắc môi trường quốc gia Số liệu được chia sẻ một cách nhanh

chóng và chủ động

™ Hãng EDAS

Thiết bị do hãng Edas sản xuất được sử dụng tại trạm Đất liền 1 do Trường Đại học Xây dựng quản lý Phần mềm Edas là phần mềm do nước ngoài sản xuất, có bản quyền được bán kèm với thiết bị Khó mở rộng do kinh phí mua bản quyền là khá lớn Với yêu cầu về quản lý số liệu, phần mềm Edas đặt tại trạm cho phép người sử dụng chọn thời gian lấy dữ liệu và hỗ trợ xuất dữ liệu dạng text Tương tự như các trạm Quan trắc do Trung tâm KTTV&MT quản lý,

dữ liệu sẽ được truyền qua hình thức dial up để gửi đi

Để thực hiện nhận các file dữ liệu này, nhóm thực hiện sẽ xây dựng chức năng phần mềm thiết lập kết nối và truyền số liệu theo hình thức quay số tới trạm; đọc dữ liệu tại trung tâm và thực hiện lưu trữ vào Cơ sở dữ liệu (Xem hình vẽ)

Trong phạm vi triển khai đề tài, nhóm thực hiện đã thử nghiệm thành công việc thiết lập một kênh truyền dữ liệu từ trạm quan trắc khí tự động tại Đại học Xây dựng Hà Nội bằng đường dial up tới Trung tâm Quan trắc môi trường

Đây sẽ là kết quả tốt trong lộ trình triển khai quyết định 16 của Chính phủ

™ Hãng Horiba

Thiết bị do hãng Horiba sản xuất được sử dụng tại trạm quan trắc môi trường không khí xung quanh đặt tại 556 Nguyễn Văn Cừ do Trung tâm Quan trắc môi trường quản lý Xây dựng và vận hành vào năm 2008, Trạm cho kết quả quan trắc đều đặn và số liệu theo đánh giá là tốt Các thông số của trạm gồm

có O3, CO, NOX, SO2 Hiện tại số liệu tại trạm được quản lý bằng một máy tính

PC đặt ngay trong trạm Máy tính này được kết nối trực tiếp với Datalogger, quản lý và lưu trữ thông tin bằng phần mềm quản trị kèm với thiết bị do hãng cung cấp Nhược điểm của nó là việc lấy dữ liệu không tự động Để lấy được dữ liệu từ datalogger, cán bộ phải vào trong trạm, chọn thời gian lấy dữ liệu từ đó lưu ra thư mục định sẵn trên PC Với đề tài khoa học công nghệ “Nghiên cứu cơ

sở khoa học và thực tiễn phục vụ xây dựng mô hình hệ thống quan trắc khí theo công nghệ Telemonitoring”, nhóm thực hiện sẽ tổ chức lại việc truyền dữ liệu Đầu tiên tiến hành lắp thêm một đường IP tĩnh nối từ PC đặt tại trạm với máy chủ Web đặt tại trung tâm Dữ liệu sẽ được gửi trực tiếp từ máy PC tại trạm, đẩy lên máy chủ Web Thông qua dịch vụ Web, dữ liệu sẽ được tổ chức theo thư mục và tải lên trang web của Trung tâm Quan trắc môi trường Từ đây, cán bộ nhập lệu có thể tại dữ liệu cần thiết xuống, nhập vào máy chủ cơ sở dữ liệu Mặt khác, các cán bộ khác hoàn toàn có thể down load dữ liệu một cách nhanh chóng

phục vụ việc viết báo cáo phân tích

Theo thiết kế ban đầu, hiện hệ thống được tổ chức theo ba cấp, gồm có các trạm quan trắc không khí tự động, trung tâm điều khiển cấp 1 và trung tâm

điều khiển cấp 2 với công việc được tổ chức và phân rã về mặt chức năng như sau:

- Các trạm quan trắc: gửi các thông số không khí một cách tự động tới

Trung tâm điều khiển cấp 1 trên cơ sở kênh kết nối đã được thiết lập

- Trung tâm điều khiển cấp 1:

o Nhận số liệu do các trạm quan trắc không khí tự động gửi tới Chuẩn hoá dữ liệu vừa nhận được (do lịch sử để lại vì những nguyên nhân chủ quan và khách quan đem lại, máy móc, trang thiết bị đo tại các trạm quan trắc là khác nhau vì vậy số liệu được gửi từ các trạm này có nhiều định dạng khác nhau; chính vì vậy, tại hệ thống cấp 1, dữ liệu thời gian thực thu thập được sẽ được chuyển đổi theo định dạng chuẩn trước khi lưu vào cơ sở dữ liệu trung tâm)

o Giám sát và hiển thị dữ liệu: sơ đồ hóa các điểm quan trắc đang thực hiện kết nối tới trung tâm điều kiển cấp 1 và hiển thị các số liệu tương ứng với từng trạm quan trắc không khí tự động trên màn hình led, máy tính hoặc theo dõi trên website Hỗ trợ trích rút

dữ liệu và truy suất thông tin thông qua dịch vụ tin nhắn cung cấp thông tin các thông số quan trắc;

o Cảnh báo và gửi thông tin cảnh báo bằng hình thức thư điện tử và tín nhắn trên điện thoại di động tới những người có thẩm quyền liên quan khi hệ thống gặp sự cố, giá trị sai hoặc vượt mức cho phép báo hiệu gây ô nhiễm môi trường

o Cập nhật số liệu sau chuẩn hoá vào cơ sở dữ liệu trung tâm

o Báo cáo phân tích diễn biến môi trường trên cơ sở số liệu quan trắc không khí liên tục và tình hình hoạt động của hệ thống telemonitoring không khí tới trung tâm điều khiển cấp 2

- Trung tâm điều khiển cấp 2: giám sát hoạt động thu nhận và xử lý sô

liệu của các đơn vị trực thuộc trên cơ sở số liệu báo cáo nhận được từ trung tâm điều khiển cấp 1

Trong giai đoạn trước mắt, hệ thống chỉ triển khai đến Trung tâm điều khiển cấp 1, được cài đặt tại Tổng cục Môi trường Trong giai đoạn sau, khi hệ

Sở TNMT địa phương, đồng thời phát triển Trung tâm điều khiển cấp 2 cài đặt tại Tổng cục Môi trường Với mục tiêu đó, việc xây dựng các chức năng dữ liệu được thực hiện trên cơ sở 2 cấp là Trung tâm điều khiển cấp 1 (trong tài liệu này tạm gọi là trung tâm lưu trữ) và các trạm quan trắc

Tại các trạm quan trắc: Phần mềm quay số và truyền dữ liệu từ trạm tới

trung tâm dữ liệu Trong khuôn khổ chương trình này, chúng tôi đã xây dựng phần mềm quay số và gửi dữ liệu từ 2 trạm Láng và trạm tại Đại học Xây dựng

Hà Nội Lý do lựa chọn 2 trạm này là vì thiết bị ở đây đồng bộ, khá đặc trưng cho thiết bị của các trạm khí phía bắc Ngoài ra, việc quan trắc không khí vẫn được thực hiện khá đều đặn và thực tế là số liệu về các thành phần không khí khá đầy đủ Với một lịch cho trước, thông qua phần mềm này việc quay số từ các trạm tới trung tâm được thực hiện thời gian thực và lưu trữ tại một thư mục định trước trên trạm trung tâm

Tại trung tâm lưu trữ: về mặt chức năng có 2 loại phần mềm là phần mềm

kết nối, tiếp nhận phục vụ quá trình phân loại, lưu trữ số liệu và phần mềm quản

lý dữ liệu

Phần mềm kết nối, tiếp nhận số liệu từ các trạm quan trắc gửi tới Tương

tự như tại các trạm, tại trung tâm lưu trữ việc bắt tay để nhận dữ liệu từ các trạm

gửi tới được thực hiện bằng phần mềm chuyên biệt

Có 2 hình thức gửi dữ liệu là dial up và truyền qua internet Dữ liệu này đã được các trạm chuyển về và lưu trên một thư mục định trước đặt tại trung tâm

dữ liệu Dữ liệu được gửi dưới hình thức quay số dial up sẽ được mã hóa để đảm bảo tính an tòan và tòan vẹn dữ liệu khi thực hiện truyền Riêng với hình thức truyền qua internet, do sự hỗ trợ của các giao thức mạng hệ thống chỉ thực hiện nhận dữ liệu gửi tới và lưu trữ vào một thư mục cho trước Việc kết nối và xử lý

dữ liệu trên các file được thực hiện như sau:

Truyền dữ liệu bằng Internet:

Việc lấy số liệu từ các thiết bị đo của trạm thông qua 1 máy tính kết nối với

bộ lưu giữ số liệu (Data Logger) Máy tính được kết nối với Data Logger qua cổng mạng sử dụng kết nối RJ45 Máy tính và Data Logger phải là thành viên của cùng một mạng con (subnet) khi sử dụng kết nối máy tính với Data Logger

thông qua giao thức Internet (TCP / IP) Tùy theo việc đặt thời gian mặc định tại trạm, dữ liệu sẽ tự động cập nhật lên web site 5 phút 1 lần hoặc lâu hơn:

Truyền số liệu bằng Dial up:

Trong hình thức truyền dữ liệu này, ta sẽ quy định trước số điện thoại để quay số và thư mục tương ứng để lưu trữ dữ liệu Trước hết, người dùng chọn 1 trạm cần lấy dữ liệu:

Chọn 1 trạm cần lấy dữ liệu

Người sử dụng chọn thư mục và file lưu trữ dữ liệu cần xử lý (trong hình vẽ

là file dữ liệu đã mã hóa của trạm Láng)

Chọn 1 file datalog từ trạm Láng để xử lý

Chọn thành phần không khí cần xử lý

Tại đây, sẽ tiến hành giải mã file dữ liệu Tiếp theo, phần mềm thực hiện chức năng nhận dạng dữ liệu, chuẩn hóa lại chúng trước khi phân tách thành các file excel tương ứng với các thành phần không khí hoặc lưu trữ thành một file chung theo yêu cầu của người sử dụng Các file dữ liệu này sẽ được cập nhật (import) tự động hoặc bằng tay vào cơ sở dữ liệu

Lưu số liệu sau khi phân tách theo yêu cầu của người sử dụng

File số liệu sau khi lọc dữ liệu Phần mềm quản trị dữ liệu tại trung tâm lưu trữ gồm các chức năng:

- Xây dựng phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu phục vụ lưu trữ và quản lý số liệu quan trắc không khí tự động đặt tại trung tâm dữ liệu

- Phương thức kết nối và truyền số liệu quan trắc không khí liên tục từ các trạm quan trắc tới hệ thống trung tâm (cấp một)

- Module phần mềm phục vụ chuyển đổi, chuẩn hoá và cập nhật dữ liệu sau chuẩn hoá

- Module giám sát, hiển thị: sơ đồ hoá các điểm quan trắc, hiển thị số liệu quan trắc theo thời gian thực

- Giải pháp cảnh báo và gửi thông tin cảnh báo cho nhà quản lý dưới hình thức thư điện tử và tin nhắn trên điện thoại di động

Lựa chọn cơ sở dữ liệu cần kết nối tới

™ Chức năng xây dựng cập nhật dữ liệu tại trung tâm

Sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL 2005, hệ thống lưu trữ có tính tin cậy vào ổn định cao Dưới đây là chức năng xây dựng cập nhật dữ liệu tại trung

tâm:

Form nhập các thông tin dữ liệu cập nhật

Chức năng này cho phép nhập nhiều thông số cách nhau bằng dấu “;” Tương ứng với nó, người dùng cần nhập đơn vị cho các thông số này Chú ý số lượng các thông số bằng với số lượng các đơn vị đo Nhập tên trạm quan trắc để gán danh sách thông số và đơn vị đo ở trên Để giảm thiểu nhập trùng, người dùng có thể chọn 1 trạm từ danh mục các trạm đã có trong cơ sở dữ liệu