Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)

Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Biểu Diễn Không GianThời Gian Trong Dịch Vụ Quản Lý Phương Tiện Giao Thông (LV thạc sĩ)

-

LƯƠNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU BIỂU DIỄN KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG DỊCH VỤ QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

LƯƠNG VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU BIỂU DIỄN KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG DỊCH VỤ QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung và những kết quả của luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Vĩnh Phước Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những nội dung được trình bày là của cá nhân tôi hoặc được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác Tất cả các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn rõ ràng ở phần cuối của luận văn

Tôi xin cam đoan những lời trên là sự thật Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

TPHCM, ngày 28 tháng 05 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Lương Văn Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Vĩnh Phước, người đã tận tình hướng dẫn tôi những kiến thức chuyên môn, phương pháp nghiên cứu khoa học đồng thời cũng là tấm gương trong mọi mặt của cuộc sống để tôi học tập và noi theo

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và bạn bè đã cung cấp cho tôi những kiến thức bổ ích trong thời gian tôi học tập tại trường

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã luôn ủng hộ tôi trên con đường học tập và nghiên cứu với nhiều khó khăn, vất vả Mặc dù tôi đã cố gắng hết sức trong quá trình làm luận văn nhưng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được những góp ý của thầy cô và các bạn

TPHCM, ngày 28 tháng 05 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Lương Văn Tuấn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH BẢNG ix

DANH SÁCH HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG QUẢN LÝ XE BUÝT TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ 3

1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 3

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.2.1 Phần mềm BUS IS 2.0 4

1.2.2 Phần mềm BUS_GPS 5

1.2.3 Ứng dụng Busmap hổ trợ đi xe buýt tại TPHCM 6

1.2.4 Ứng dụng Vietmap hổ trợ dẫn đường, giám sát hành trình 7

1.3 Mục tiêu và định hướng của đề tài 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU 10

2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS 10

2.1.1 Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu GPS 10

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của GPS 11

2.1.3 Độ chính xác của GPS 12

2.1.4 Tín hiệu GPS 12

2.1.5 Các thành phần của một hệ GPS 13

2.1.6 Ứng dụng của GPS trong quản lý phương tiện giao thông 14

2.2 Giới thiệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) 14

2.2.1 Ứng dụng của GIS 15

2.2.2 Cách tiếp cận GIS 16

2.2.3 Cơ sở dữ liệu địa lý 17

2.2.4 Ứng dụng GPS và GIS trong quản lý hoạt động xe buýt 19

2.3 Giới thiệu về GPRS 20

2.3.1 Sơ lược về GPRS TCP server 23

2.3.2 Ưu nhược điểm 24

2.3.3 Kết hợp hai phương thức truyền nhận dữ liệu bằng GPRS và SMS 25

2.4 Giới thiệu mô hình không gian – thời gian 26

2.4.1 Các thành phần cơ bản trong thế giới thực 26

2.4.1.1 Đối tượng 26

2.4.1.2 Không gian 27

2.4.1.3 Thời gian 28

2.4.1.4 Không gian - thời gian 31

2.4.1.5 Quan hệ giữa đối tượng, không gian và thời gian 33

2.4.1.6 Minh họa mô hình không gian – thời gian 34

2.4.2 Mô hình không gian – thời gian trong quản lý phương tiện giao thông 35

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

37

3.1 Phân tích yêu cầu bài toán quản lý phương tiện giao thông 37

3.2 Mô hình hoạt động bài toán quản lý phương tiện giao thông 38

3.3 Lựa chọn công nghệ 39

3.3.1 Google Maps APIs 39

3.3.2 Realtime “Openfire” APIs 40

3.3.3 Xây dựng ứng dụng 43

3.3.4.1 Ứng dụng trên thiết bị chạy hệ điều hành Android dành cho tài xế 43

3.3.3.2 Các chức năng chính trên website quản lý 45

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH BIỂU DIỄN XE BUÝT DI CHUYỂN HIỂN THỊ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN 52

4.1 Tổng quan về ArcGIS 52

4.2 Tổng quan Google Sketchup 53

4.3 Tổng quan về 3D GIS 55

4.4 Đăng ký tọa độ và tạo ảnh nền từ Google Earth 55

4.5 Xây dựng lớp dữ liệu về trạm xe buýt 57

4.6 Chuyển đổi shapefile sang dạng Feature Class 3D và mô hình Collada trên Google Sketchup 60

CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 63

5.1 Thử nghiệm 63

5.2 Nhận xét và đánh giá chất lượng sản phẩm 66

5.3 Ý nghĩa của luận văn 66

5.4 Sự khác biệt của luận văn so với các sản phẩm hiện tại 67

KẾT LUẬN 69

Về phía bản thân 69

Về phía luận văn 69

Hạn chế 70

Kiến nghị 71

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền nhận tập tin

System

Hệ thống thông tin địa lý

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

Interconnection Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở

hàng không

DANH SÁCH BẢNG

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.3: Ứng dụng Vietmap chỉ hiển thị không gian mà chưa hiển thị thời gian 8

Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa thế giới thực và trực quan hóa 26

Hình 2.11: Biểu đồ di chuyển của phương tiện theo không gian – thời gian 36

Hình 3.6: Giao diện đăng ký dành cho khách hàng (Công Ty, DN, TTĐH) 46 Hình 3.7: Quản lý người dùng (Cấp quyền quản lý truy cập cho khách hàng) 46

Hình 3.14: Kết quả báo cáo theo lộ trình di chuyển của phương tiện 50

Hình 4.6: Thiết lập giá trị chiều cao trong cửa sổ Layer Properties 61

Hình 5.2: Lộ trình xe buýt di chuyển trên bản đồ vệ tinh của google 64 Hình 5.3: Mô hình 3D, lộ trình xe buýt di chuyển hiển thị không gian-thời gian 65 Hình 5.4: Mô phỏng hành trình xe buýt di chuyển hiển thị không gian-thời gian 65

MỞ ĐẦU

Quản lý phương tiện giao thông theo thời gian thực là một nhu cầu cấp thiết của những người chủ phương tiện Đối với cá nhân, nhiều người cần theo dõi sự di chuyển của phương tiện để đề phòng mất cắp Đối với các công ty giao nhận hàng hóa, trung tâm điều hành phương tiện cần theo dõi sự di chuyển của các phương tiện theo thời gian thực để tính toán hiệu quả của dịch vụ giao nhận Đối với các công ty

xe khách như xe buýt, taxi, xe liên tỉnh, … giám sát phương tiện theo thời gian thực

là một nhu cầu cần thiết để nâng cao hiệu quả khai thác phương tiện Hiện nay, nhiều dịch vụ quản lý phương tiện di chuyển đã ra đời và có những đóng góp đáng kể trong việc quản lý phương tiện vận tải [25], [26], [27], [29] Tuy nhiên, các dịch vụ này chỉ hiển thị trực quan vị trí phương tiện theo không gian trên các nền bản đồ mà chưa hiển thị thời gian Trong khi đó, khoa học GIS về thời gian đã phát triển các mô hình biểu diễn và hiển thị đối tượng theo không gian-thời gian được áp dụng hữu hiệu trong nhiều lĩnh vực liên quan trực quan hóa

Luận văn “Nghiên cứu biểu diễn không gian - thời gian trong dịch vụ quản lý phương tiện giao thông” được đề xuất để nghiên cứu áp dụng mô hình biểu diễn dữ

liệu không gian-thời gian cho các dịch vụ quản lý phương tiện giao thông như xe cá nhân, xe tải, xe giao hàng, xe khách, v.v

Đề tài đã thiết lập một ứng dụng quản lý phương tiện giao thông bao gồm ứng dụng di động cài trên smartphone của tài xế (máy khách) chuyển thông tin định vị về trung tâm (máy chủ) và biểu diễn quá trình di chuyển của xe buýt theo không gian – thời gian trên nền công nghệ quản lý bản đồ 3D GIS bằng phần mềm Acrgis kết hợp với Google earth và Sketchup

Mặc dù thời gian thực hiện đề tài có hạn, điều kiện thực hiện đề tài còn nhiều khó khăn nhưng tôi đã cố gắng hoàn thiện ý tưởng để đưa ra các giải pháp công nghệ phù hợp và các phương án quản lý hiệu quả Hệ thống và các trang thiết bị đã được

triển khai thử nghiệm trong thực tế trên xe buýt, kết quả đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra

Nội dung của luận văn gồm 5 chương được cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan các hệ thống quản lý xe buýt trong và ngoài nước

Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung về quá trình nghiên cứu

Chương 3: Xây dựng ứng dụng quản lý phương tiện giao thông

Chương 4: Mô hình biểu diễn xe buýt di chuyển hiển thị không gian – thời gian Chương 5: Thử nhiệm, nhận xét và đánh giá

Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG QUẢN

LÝ XE BUÝT TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ

1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Để nâng cao khả năng, hiệu quả ứng dụng của GIS người ta thường kết hợp GIS với một số hệ thống khác: viễn thám; hệ thống định vị toàn cầu (GPS); hệ thống quản

lý cơ sở dữ liệu, nhằm bổ sung những chức năng quản lý, xử lý và phân tích số liệu phi không gian trong cơ sở dữ liệu của GIS Mô hình ứng dụng này được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ như:

• Ứng dụng giải pháp GPS thời gian thực kết hợp GIS trong hỗ trợ quản lý thảm họa tại bang Victoria, Australia.[33]

• Hệ thống CAD/GIS của NYCDOT (Sở giao thông vận tải New York, Mỹ) có chức năng: Dò tìm các hố nước sâu, lập bản đồ các cây cầu, quy hoạch các loại cây trồng, phân tích các tai nạn, tập hợp các điểm giao cắt đường bộ điển hình [34]

• Quản lý duy trì tình trạng đường xá qua hệ GIS của Nebraka, Mỹ: Đối chiếu nhanh chóng các kế hoạch tu sửa, bổ sung cho những ngày đan xen, dễ dàng đối với đặc thù lĩnh vực xây dựng công trình

Trong lĩnh vực quản lý xe Bus, có rất nhiều hệ thống quản lý đã được áp dụng rộng rãi và đưa vào thương mại hóa Có thể kể đến hệ thống BusTrack [46] Hệ thống đưa ra giải pháp quản lý xe Bus phục vụ cho các trường học bao gồm hệ thống phần cứng gắn trên xe bus và hệ thống phần mềm quản lý tại trung tâm

Hình 1.1: Thiết bị phần cứng của hệ thống BUSTRACK

Các chức năng chính của hệ thống BusTrack:

• Theo dõi tốc độ, ngày tháng, thời gian, vị trí dừng khi xe buýt di chuyển trên đường bằng hệ thống phần mềm trên máy tính Từ đó xác định thời gian dừng

và kiểm soát đường đi thực tế của xe

• Có khả năng thống kê số lượng hành khách trên xe, số người lên xuống xe sau mỗi lần dừng đỗ

• Tạo các báo cáo để xác định quãng đường đi được của xe buýt phục vụ việc theo dõi và thống kê số liệu

• Phần cứng được thiết kế nhỏ gọn, có thể lưu dữ liệu từ 5 đến 10 ngày dữ liệu

có thể truy suất dễ dàng và hiển thị trực tiếp trên bản đồ chuyên dụng

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam công nghệ GIS cũng được thí điểm khá sớm và đến nay đã được ứng dụng trong khá nhiều ngành như quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị Trong lĩnh vực giao thông vận tải, từ 1/7/2009 theo quy định của Chính phủ, các phương tiện kinh doanh vận tải phải gắn thiết bị giám sát hành trình xe Do vậy việc trang bị các hệ thống giám sát hành trình cho phương tiện vận tải đang là mối quan tâm lớn đối với các doanh nghiệp vận tải trong nước Tuy nhiên phần lớn các thiết bị trong nước là thiết

bị nhập ngoại đi kèm với hệ thống phần mềm tích hợp nên giá thành còn cao, chưa được sử dụng phổ biến trong thực tế Gần đây một số đơn vị đã bắt đầu đưa ra các sản phẩm quản lý xe buýt thương mại, có thể kể đến một vài sản phẩm sau:

1.2.1 Phần mềm BUS IS 2.0

BUS IS 2.0 do Vidagis (Công ty TNHH Việt Nam Đan Mạch) viết được nước ngoài hỗ trợ cho công ty cổ phần dịch vụ công cộng TPHCM giúp người dân theo dõi thông tin xe buýt qua bản đồ Dữ liệu của phần mềm BusIS 2.0 là bản đồ kỹ thuật số TPHCM với tỷ lệ 1/10.000 bao gồm các lớp thông tin bản đồ sau :

• Lớp bản đồ các đường phố TPHCM (bao gồm các đường phố có có chiều rộng lớn hơn 5 mét trong khu vực nội thành và các đường chính ở khu vực ngoại thành TPHCM)

• Tên của các đường phố trên mỗi tuyến

• Bản đồ hệ thống đường đi của xe buýt

Các chức năng chính của BusIS

• Xem thông tin thuộc tính của các tuyến và điểm dừng xe buýt

• Tìm kiếm các tuyến xe buýt, các điểm dừng

• Tìm đường phố

• Tạo bảng danh sách các điểm dừng xe buýt của một hay nhiều tuyến

• Tạo bảng chứa thông tin khoảng cách giữa các điểm dừng

• Xác định vùng phục vụ cho các tuyến và các điểm dừng xe buýt

• Chỉnh sửa và cập nhật thông tin thuộc tính cho các điểm dừng hoặc các tuyến

xe buýt

• Thay đổi thuộc tính không gian của các đối tượng trên nền bản đồ

• Mô phỏng sự chuyển động của các xe buýt

Hiện tại các xe buýt của công ty đã lắp đặt hệ thống tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức

độ quản lý đơn lẻ trên một số tuyến, chưa có hệ thống thống kê quản lý tích hợp

1.2.2 Phần mềm BUS_GPS

Giải pháp giám sát và điều hành xe buýt ứng dụng GPS được công ty điện tử Bình Anh đưa ra đầu năm 2011 Theo thông tin giới thiệu BusGps là giải pháp giám sát,

điều hành xe buýt trực tuyến dựa trên cơ sở sử dụng hộp đen đa năng BA_BlackBox Mỗi xe buýt sẽ được trang bị hộp đen đa năng BA-BlackBox, hộp đen thu thập những thông tin trạng thái của xe (vị trí, vận tốc, trạng thái xe, ) gửi về TTĐH đồng thời xác định điểm dừng tiếp theo để thông báo bằng âm thanh cho khách xuống xe Điều hành viên xe buýt sẽ truy cập vào website của công ty Bình Anh để giám sát, tổng hợp kết quả hoạt động của xe Tính năng của giải pháp:

• Thể hiện vị trí xe, lộ trình xe, các điểm dừng đỗ quy định, trên bản đồ số

• Thể hiện lại lộ trình và trạng thái của xe tại một thời điểm bất kỳ trong quá khứ

• Quản lý điểm dừng đỗ, các điểm đặc biệt trên lộ trình

• Thông báo điểm dừng đỗ bằng âm thanh cho khách xuống xe (có thể kết hợp giới thiệu địa danh, hoặc quảng cáo trên xe)

• Tổng hợp, tạo báo cáo các lỗi vi phạm của xe (lỗi dừng đỗ, lỗi đóng/mở cửa, lỗi điều hòa, lỗi vận tốc, lỗi thời gian xuất bến/đến bến, )

• Quản lý lái xe, nhân viên bán vé, ca kíp

Có thể nhận thấy hệ thống của Bình Anh cung cấp tương đối hoàn chình về chức năng, tuy nhiên người sử dụng vẫn phải sử dụng Server quản lý của Bình Anh, không thể tự tùy biến phần mềm quản lý ví dự như: quản lý xe, tuyến xe và quản lý người dùng

1.2.3 Ứng dụng Busmap hổ trợ đi xe buýt tại TPHCM

Ứng dụng BusMap là một phần mềm chạy trên thiết bị di động, cung cấp các gói về lộ trình của từng tuyến xe, biểu đồ giờ, hướng đi cũng như thời gian, khoảng cách thực tế theo thời gian thực Thông qua những chỉ số này, phần mềm sẽ giúp người sử dụng tra cứu thông tin cũng như chỉ cho họ cách di chuyển bằng xe bus sao cho thuận tiện và nhanh chóng nhất "Ví dụ, muốn đến một địa điểm nào đó, ứng

sẽ thay đổi và hiển thị mới ngay lập tức Bus Map cũng cho phép người dùng thấy xe buýt đang di chuyển theo thời gian thực trên bản đồ

Hình 1.2: Ứng dụng Busmap chọn tuyến xe bus trên thiết bị di động

Ứng dụng này có thể nói là gần như hoàn thiện nhưng vẫn còn hạn chế như chỉ hiển thị dạng bản đồ số 2D mà chưa hiển thị được 3D

1.2.4 Ứng dụng Vietmap hổ trợ dẫn đường, giám sát hành trình

Thiết bị dẫn đường hiển thị hình ảnh bản đồ và lộ trình trực tiếp lên màn hình

có sẵn trên xe ôtô Phần mềm này tích hợp trên nhiều loại thiết bị khác nhau như thiết

bị dẫn đường cầm tay, dẫn đường dành cho điện thoại di động và đặc biệt là phần mềm dẫn đường tích hợp trên màn hình dành cho xe ô tô đang được giới chơi xe rất yêu thích

Hiện nay, VIETMAP được biết đến như một trong những công ty hàng đầu của Việt Nam về bản đồ số, cung cấp các dịch vụ và giải pháp ứng dụng GIS Dựa trên sản phẩm cốt lõi là bản đồ số chi tiết và có độ chính xác cao của 63 tỉnh thành

Hình 1.3: Ứng dụng Vietmap chỉ hiển thị không gian mà chưa hiển thị thời gian

1.3 Mục tiêu và định hướng của đề tài

Qua tìm hiểu và nghiên cứu các ứng dụng [26], [27], [28], [29], [31], [32], [33], chỉ dừng lại ở mức tìm đường, xác định vị trí của phương tiện, xem lịch trình - hành trình của xe, ứng dụng xe buýt tích hợp trên smartphone Nhìn chung những ứng dụng trên chỉ hiển thị không gianmà chưa hiển thị thời gian theo trục đứng và quãng đường theo trục ngang Đề tài này nhằm nghiên cứu biểu diễn hành trình của xe buýt

di chuyển hiển thị không gian và hiển thị thời gian trên bản đồ 3D trong dịch vụ quản

lý phương tiện giao thông Trong đó thời gian hiển thị trên trục đứng, quãng đường hiển thị trên trục ngang Được tích hợp GPS và 3D GIS theo thời gian trực quan hóa, phù hợp cho công tác giám sát xe buýt để tiết kiệm kinh phí và nâng cao chất lượng

dịch vụ quản lý vận tải, hành khách công cộng

Hình 1.4: Hành trình xe buýt di chuyển hiển thị 3D trực quan

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG

VỀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định

vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí

đó

Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào

Các nước trong Liên minh châu Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2013 [35]

2.1.1 Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả

vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian

Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu

vô tuyến điện Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN (LOng RAnge Navigation) hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN (TACtical Air Navigation) dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME (VHF Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) dùng cho hàng không dân dụng

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũ cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển

hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh

Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc

dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Chỉ có

hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ

Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu

và phần mềm nhúng hỗ trợ

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

2.1.3 Độ chính xác của GPS

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc trong thành phố với các toà nhà cao tầng Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất phí

để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này

Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ

2.1.4 Tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà

L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác

vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống

Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu

có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào Các vệ tinh hoàn thành 2 vòng quỹ đạo trong vòng mỗi ngày đêm Các vệ tinh sử dụng năng lượng mặt trời, và được trang bị ắc quy để hoạt động khi bị che khuất hoặc nhật thực vv… Ngoài ra, còn có các tên lửa đẩy nhỏ để điều chỉnh quỹ đạo khi cần thiết

• Thành phần điều khiển: Các trạm điều khiển theo dõi và cung cấp cho các vệ tinh thông tin về vị trí và thời gian với độ chính xác cao Có 5 trạm được bố trí trên toàn thế giới, 4 cái không tên và một trạm trung tâm Các trạm không tên liên tục thu nhận thông tin và truyền về trạm trung tâm để xử lý và phát lên các vệ tinh các thông tin hiệu chỉnh

• Người dùng là máy thu và người sử dụng bao gồm thủy thủ, phi công, ngư dân, người leo núi, thợ săn vv… bất kỳ ai muốn biết họ ở đâu, đã đi qua những đâu

và đang đi tới nơi nào

2.1.6 Ứng dụng của GPS trong quản lý phương tiện giao thông

Các nhà khoa học dựa vào tính năng chính xác của GPS để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện, đường dây tải điện, quản lý các tuyến xe… Các xe hơi hiện nay đều có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường (Navigation) Qua đó, các thông tin về vị trí, tọa

độ của xe sẽ được hiển thị ngay trên màn hình, người lái có thể chủ động tìm kiếm và thay đổi lộ trình phù hợp trong thời gian ngắn nhất Một ứng dụng nữa của GPS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GPS Tất cả các hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây Nam Bộ

Riêng đối với Thành phố Hồ Chí Minh, việc ứng dụng GPS trong việc quản lý các tuyến xe buýt hiện nay đang được triển khai Cơ sở hạ tầng đã được xây dựng hoàn chỉnh, các doanh nghiệp vận tải chỉ cần trang bị các đầu thu cho mỗi xe để quản

lý phương tiện của mình

Tình trạng xe buýt bỏ trạm, chạy quá tốc độ, đi sai tuyến hay bất cứ thái độ nào của nhân viên cũng được phát hiện dễ dàng bằng cách nắm bắt tọa độ của từng xe, qua đó kiểm tra hộp đen lưu trữ thông tin (Thiết bị GSHT)

Chất lượng phục vụ trên xe buýt qua đó sẽ ngày càng hiệu quả hơn, thu hút người dân sử dụng phương tiện vận chuyển công cộng, giảm bớt tiền trợ giá hàng năm cho các phương tiện vận chuyển hành khách công cộng

2.2 Giới thiệu hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm trở lại đây GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định 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, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân đánh giá được hiện trạng

của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau khi định nghĩa GIS Nếu xét dưới góc độ hệ thống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm các thành phần: con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản

lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin

Khi xây dựng một hệ thống GIS ta phải quyết định xem GIS sẽ được xây dựng theo mô hình ứng dụng nào, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện nào Chỉ trên

cơ sở đó người ta mới quyết định xem GIS định xây dựng sẽ phải đảm đương các chức năng trợ giúp quyết định gì và cũng mới có thể có các quyết định về nội dung, cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống cũng như cơ cấu tài chính cần đầu tư cho việc hình thành và phát triển hệ thống GIS Với một xã hội có sự tham gia của người dân và quá trình quản lý thì sự đóng góp tri thức từ phía cộng đồng đang ngày càng trở nên quan trọng và càng ngày càng có vai trò không thể thiếu

2.2.1 Ứng dụng của GIS

Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian, phân tích thời gian Những khả năng này phân biệt GIS với các

hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược) Việc áp dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực dữ liệu không gian đã tiến những bước dài: từ hỗ trợ lập bản đồ (CAD mapping) sang hệ thống thông tin địa lý (GIS) Cho đến nay cùng với việc tích hợp các khái niệm của công nghệ thông tin như

• Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả

và sử dụng như là một nền thao tác với thế giới thực

• Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính

• Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động

• Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống như các hệ thông tin khác Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò rất quan trọng

• Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý…

2.2.2 Cách tiếp cận GIS

Khi làm việc với hệ thống GIS có thể tiếp cận dưới các cách nhìn nhận như sau:

• Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase - theo cách gọi của ESRI): GIS là một cơ sở

dữ liệu không gian chuyển tải thông tin địa lý theo quan điểm gốc của mô hình dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster )

• Hình tượng hoá (Geovisualization): GIS là tập các bản đồ thông minh thể hiện các yếu tố và quan hệ giữa các yếu tố trên mặt đất Dựa trên thông tin địa lý

có thể tạo nhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như là một cửa sổ vào trong cơ

sở dữ liệu để hỗ trợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin

• Xử lý (Geoprocessing): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra các thông tin mới từ thông tin đã có Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy

Do các ứng dụng GIS trong thực tế quản lý nhà nước có tính đa dạng và phức tạp xét cả về khía cạnh tự nhiên, xã hội lẫn khía cạnh quản lý, những năm gần đây GIS thường được hiểu như một hệ thống thông tin đa quy mô và đa tỷ lệ Tùy thuộc vào nhu cầu của các người sử dụng mà hệ thống có thể phải tích hợp thông tin ở nhiều mức khác nhau, nói đúng hơn, là ở các tỷ lệ khác nhau, nói cách khác là tuỳ thuộc vào các định hướng do cơ sở tri thức đưa ra

2.2.3 Cơ sở dữ liệu địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm

dữ liệu của mình

Các thành phần của cơ sở dữ liệu không gian bao gồm:

• Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đường và vùng)

• Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mô hình DEM hoặc ảnh)

• Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (ví dụ như đường giao thông, lưới cấp thoát nước, lưới điện )

• Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác

Mô hình cơ sở dữ liệu không gian không những quy định mô hình dữ liệu với các đối tượng đồ hoạ, đối tượng thuộc tính mà còn quy định liên kết giữa chúng thông qua mô hình quan hệ và định nghĩa hướng đối tượng bao gồm các tính chất như thừa

kế (inherit), đóng gói (encapsulation) và đa hình (polymorphism)

Ngoài ra, cơ sở dữ liệu không gian hiện đại còn bao gồm các ràng buộc các đối tượng đồ hoạ ngay trong cơ sở dữ liệu, được gọi là topology Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản và các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý

và phân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có hai công cụ quan trọng đặc biệt là phân tích liền kề và phân tích chồng xếp Nhóm này tạo nên ứng dụng quan trọng đối với nhiều ứng dụng mang tính phân tích Quá trình chồng xếp sử dụng một số bản đồ để sinh ra thông tin mới và các đối tượng mới Trong nhiều trường hợp topology mới sẽ được tạo lại Phân tích chồng xếp khá tốn thời gian và thuộc vào nhóm các ứng dụng có tính chất sâu, khi hệ thống được khai thác sử dụng ở mức độ cao hơn là được sử dụng cho từng vùng cụ thể hoặc cả nước với tỷ lệ bản đồ phù hợp Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau Các thao tác phân tích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý Sự chồng xếp này, hay liên kết không gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế

Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và trao đổi thông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới để mở rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh

ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện) Nhờ khả năng xử lý các

tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm

vụ quản lý tài nguyên môi trường Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS

GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc

Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đưa ra những quyết định một cách nhanh chóng Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số Việc chia sẻ dữ liệu sẽ kích thích sự phát triển các nhu cầu về sản phẩm và dịch vụ GIS Các nguồn dữ liệu tăng thêm nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và công nghệ viễn thám, đã cung cấp các công cụ thu thập dữ liệu hiệu quả hơn GIS đã được công nhận là một hệ thống với nhiều lợi ích không chỉ trong các công tác thu thập đo đạc địa lý mà còn trong các công tác điều tra tài nguyên thiên nhiên, phân tích hiện trạng và dự báo xu hướng diễn biến tài nguyên môi trường

Tại Việt Nam công nghệ GIS cũng được thí điểm khá sớm và đến nay đã được ứng dụng trong khá nhiều ngành như quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị Tuy nhiên, các ứng dụng có hiệu quả nhất mới giới hạn ở các lĩnh vực lưu trữ, in ấn các tư liệu bản đồ bằng công nghệ GIS Các ứng dụng GIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giúp quyết định hầu như mới dừng ở mức thử nghiệm, còn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa vào ứng dụng chính thức

2.2.4 Ứng dụng GPS và GIS trong quản lý hoạt động xe buýt

Trung tâm Quản lý và Điều hành vận tải hành khách công cộng Thành phố Hồ Chí Minh đang quản lý hơn 1.680 xe buýt trên 120 tuyến đường và hơn 2000 trạm dừng [21], thực hiện vận chuyển hơn 15.000 chuyến xe mỗi ngày Trung tâm có đội kiểm tra trên tuyến, nhân viên điều hành các bến đầu và cuối (khoảng 300 người) để

giám sát hoạt động của tài xế và tiếp viên: kiểm tra tài xế chạy đúng biểu đồ thời gian, lộ trình, trạm dừng đỗ, kiểm tra công việc bán vé, kiểm vé của tiếp viên Hằng ngày, thông tin về số chuyến của từng xe trên tuyến, tổng số xe trên tuyến, số lượng hành khách (vé lượt, vé tập, vé tháng, miễn vé) được thu thập và xử lý

Dễ thấy rằng, phương pháp quản lý hiện tại có thể có những điểm bất cập như thông tin về hoạt động của xe buýt, tình hình vận chuyển hành khách chỉ dựa vào thông tin do các nhân viên thu thập và do vậy, phụ thuộc nhiều vào tính khách quan của nhân viên tác nghiệp Từ đó, chưa thể giám sát đầy đủ để khắc phục các khuyết điểm: xe chạy không đúng lộ trình, thắng gấp, không bật máy lạnh, không xé vé Bên cạnh đó, hệ thống thông tin liên lạc giữa tài xế và trung tâm điều hành (để trung tâm điều phối, thay đổi hoạt động của xe ở các tình huống khẩn cấp; tài xế báo cáo về trung tâm tình hình lưu thông, các sự cố bất chợt trên đường ) vẫn chưa được triển khai trong cách quản lý này

Đứng trước những khó khăn đó, các chuyên gia và các nhà quản lý đã đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ tích hợp hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) phục vụ công tác quy hoạch và quản lý xe buýt Một điều rất thuận lợi là GIS hiện đã được xây dựng hoàn chỉnh ở Việt Nam với khả năng lưu trữ, truy cập, xử lý phân tích và cung cấp thông tin cần thiết ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quản lý công trình công cộng, dịch vụ [24]

Với việc ứng dụng công nghệ tích hợp GPS và GIS, công tác điều hành và quản lý VTHKCC sẽ được cải tiến theo hướng tiết kiệm kinh phí, tận dụng nguồn nhân lực

và trang thiết bị sẵn có, bảo đảm chia sẻ thông tin và phát triển đồng bộ

2.3 Giới thiệu về GPRS

Ý tưởng của GPRS được thảo luận năm 1992 và đến năm 1997 được phát hành thành chuẩn Chuẩn này chứa tất cả các chức năng chính của GPRS, bao gồm việc truyền dẫn điểm - điểm của số liệu người sử dụng, tương tác với mạng Internet

và X.25, truyền dẫn SMS nhanh sử dụng các giao thức GPRS, cộng thêm vào đó là

các chức năng về bảo mật, tập hợp các công cụ tính cước cơ bản Một năm sau chuẩn này được bổ sung về truyền dẫn điểm - đa điểm, các dịch vụ bổ sung và thêm vào đó

là các chức năng tương tác với mạng bên ngoài như ISDN và tương tác modem…

Công nghệ GPRS cung cấp các dịch vụ số liệu trên mạng GSM, khả năng thoại của mạng không thay đổi Với mạng GSM sử dụng công nghệ TDMAvà FDMA với một TS dùng cho một kênh thông tin người sử dụng, trong khi đó, mạng GPRS khi truyền dữ liệu có thể sử dụng một TS hay có thể kết hợp nhiều TS đồng thời cùng một lúc, bằng cách đó tốc độ truyền số liệu của GPRS có thể lên tới 171.2 kbps (về lý thuyết) khi sử dụng cả 8 TS của kênh vô tuyến cùng một lúc Do đó tốc

độ truyền dữ liệu của GPRS được nâng cao

GPRS cung cấp dịch vụ truy cập vô tuyến gói cho các MS của GSM và chức năng định tuyến chuyển mạch gói trong mạng GSM thế hệ 2.5G Công nghệ chuyển mạch gói được đưa ra để tối ưu việc truyền số liệu dạng cụm và tạo điều kiện cho một dung lượng truyền tải dữ liệu lớn

Đối với người sử dụng thì ưu điểm quan trọng nhất của GPRS là việc tính cước dựa vào lưu lượng truyền tải, khi đó họ không phải trả cước cho dung lượng truyền dẫn không sử dụng đến Vì trong thời gian rỗi phổ tín hiệu được dành cho những người sử dụng khác một cách hiệu quả hơn

Các dịch vụ chủ yếu cho các ứng dụng với các đặc tính lưu lượng của truyền tải tuần hoàn với khối lượng truyền dẫn nhỏ và truyền tải không tuần hoàn với khối lượng truyền dẫn có kích cỡ nhỏ và trung bình Điều này tạo khả năng cho hệ thống

có thể phục vụ các dịch vụ và các ứng dụng mới Sự truyền tải một lượng lớn dữ liệu vẫn sẽ được duy trì qua các kênh chuyển mạch theo mạch, để tránh ảnh hưởng cho phổ vô tuyến gói Các ứng dụng của GPRS có thể tiến hành từ các thiết bị truyền thông tin như một máy tính xách tay PC (thư điện tử, truyền dẫn file, hiển thị trang web), đến các ứng dụng đặc biệt khác cho việc truyền tải dữ liệu dung lượng thấp (như đo lường, điều khiển từ xa…)

Dịch vụ GPRS có thể cũng được dùng với các gói giao thức chuẩn Giao diện giữa tập giao thức GPRS và các giao thức ứng dụng dựa trên giao thức điểm - điểm (PPP) hoặc vài bộ điều khiển được sử dụng chung

GPRS là một phương thức truyền số liệu gói trên nền mạng GSM đã có sẵn, vì vậy người ta đã thiết kế ba dạng máy cơ bản đó là: GPRS nhóm A GPRS nhóm B, GPRS nhóm C

Nhóm A: Với nhóm A thì MS có thể kết nối đồng thời với cả dịch vụ số liệu GPRS và dịch vụ GSM, có nghĩa là cùng một lúc máy Mobile có thể vừa kết nối với truyền số liệu và thoại

Nhóm B: Khi đó MS có thể kích hoạt cả dịch vụ GPRS và dịch vụ GSM, nhưng chỉ có một dịch vụ được thực hiện tại một thời điểm, có nghĩa là với nhóm B máy di động có thể nhận hay thực hiện cuộc gọi thoại trong khi đang kết nối truyền

Nhằm mục đích tối đa hoá hiệu quả sử dụng, truyền số liệu GPRS còn được chia ra thành một số kiểu chi tiết hơn, với các cách sử dụng số lượng các TS khác nhau gọi là các kiểu đa khe GPRS Trong các kiểu đa khe, số lượng TS được sử dụng truyền tải ở các đường lên và đường xuống có thể khác nhau Thông thường là số TS

ở đường xuống nhiều hơn nhằm mục địch phục vụ cho các dịch vụ yêu cầu tải số liệu xuống nhiều hơn (như Bảng 2.5)

Ở đây số khe được kích hoạt xác định số lượng TS mà thiết bị GPRS có thể dùng đồng thời cho cả hai đường lên và xuống Hình: 2.3 là một ví dụ cụ thể cho số

lượng TS trong GPRS kiểu 3, ở đây sử dụng 3 TS cho đường xuống và 1 TS cho đường lên

Hình 2.1: Số timeslot sử dụng trong GPRS Như vậy ta có thể thấy rằng hầu như các kiểu GPRS đều hỗ trợ cho đường xuống nhiều hơn đường lên

Bảng 2.1: Số timeslot sử dụng trong các kiểu GPRS

2.3.1 Sơ lược về GPRS TCP server

Đây là chương trình trên máy tính dùng để truyền nhận các gói TCP giữa modem GPRS và máy tính được kết nối với đường truyền internet công cộng (cáp đồng ADSL hoặc cáp quang FTTH) Chương trình ứng dụng được xây dựng trên lớp TCP

cho phép nâng cao tính linh động của ứng dụng, do không phải phụ thuộc vào các ứng dụng ở lớp cao hơn như FTP, HTTP, đồng thời cho phép giảm bớt dữ liệu lưu thông trên đường truyền, tiết kiệm chi phí duy trì hệ thống, do không phải thêm vào các protocol tương thích với các ứng dụng ở các lớp cao

Thực ra có hai sự lựa chọn ở đây, đó là TCP và UDP Đây là hai phương thức truyền nhận dữ liệu phổ biến trong các ứng dụng liên quan đến internet Mỗi phương thức truyền nhận đều có ưu nhược điểm riêng:

Bảng 2.2: So sánh giữa giao thức TCP và UDP

Đảm bảo độ tin cậy của gói dữ liệu được

truyền đi do quá trình kết nối và bắt tay

chặt chẽ giữa client (trong trường hợp

này là module SIM508) và server

Độ tin cậy không cao Gói dữ liệu chỉ được truyền đi mà không cần biết đến trạng thái kết nối giữa client và server, không cần biết gói dữ liệu có truyền được đến đích hay không

Tốc độ truyền nhận chậm hơn so với

UDP, do phải chờ gói dữ liệu bắt tay của

gói dữ liệu trước đó trước khi gói dữ liệu

tiếp theo được truyền đi

Tốc độ truyền nhận nhanh, do không cần phải chờ các gói dữ liệu phục vụ cho quá trình bắt tay khi truyền nhận

Các thông tin truyền nhận trong hệ thống yêu cầu phải kiểm soát được các liên kết giữa các module SIM508 và GPRS TCP Server, đồng thời yêu cầu độ tin cậy cao trong quá trình truyền nhận, nên TCP là sự lựa chọn phù hợp

2.3.2 Ưu nhược điểm

Mô hình truyền nhận dữ liệu giữa các module qua mạng GPRS mang lại một sự lựa chọn mới trong việc ứng dụng GPRS So với mô hình liên kết giữa module và GPRS server, mô hình liên kết giữa các module SIM508 đơn giản hơn, chi phí triển khai hệ thống thấp hơn Tuy nhiên, khả năng xử lí thông tin dựa trên hai mô hình

này hạn chế hơn rất nhiều, do không có được một server đầy đủ chức năng, đồng thời số lượng kết nối, thời gian truyền nhận dữ liệu cũng còn nhiều hạn chế Mô hình truyền nhận dữ liệu giữa các module qua mạng GPRS thích hợp với các ứng dụng có qui mô nhỏ và yêu cầu đơn giản trong việc xử lí thông tin Ngoài ra, có thể kết hợp cả hai mô hình ứng dụng sử dụng cho các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng Ý tưởng của sự kết hợp hai mô hình bắt nguồn từ tính năng của module, có khả năng vừa đóng vai trò là một server, vừa đóng vai trò là một client

2.3.3 Kết hợp hai phương thức truyền nhận dữ liệu bằng GPRS và SMS

Bảng 2.3: So sánh giữa truyền tin bằng SMS và GPRS

Không được ổn định tại nơi sóng di động yếu

Ứng dụng GPRS trong truyền nhận dữ liệu mang lại nhiều ưu thế hơn so với SMS:

• Chi phí duy trì hệ thống thấp hơn rất nhiều lần so với SMS

• Tốc độ nhanh, dung lượng thông tin cho phép truyền tải lớn Độ tin cậy cao

• Chủ động được trạng thái đường truyền

• Tương thích với nhiều mô hình ứng dụng, từ đơn giản đến phức tạp

Tuy nhiên trong thực tế, hạn chế của GPRS là vùng phủ sóng Các mạng cung cấp dịch vụ GPRS tại Việt Nam chỉ mới phủ sóng GPRS ở các khu vực trung tâm hoặc thành phố Sự kết hợp giữa hai phương thức này có khả năng mang lại một giải pháp hoàn thiện cho ứng dụng

SMS có thể được sử dụng để cập nhật địa chỉ IP của server trong trường hợp GPRS server không có được một địa chỉ IP tĩnh, và trong trường hợp mô hình truyền nhận dữ liệu giữa các module được đưa vào ứng dụng

Ngoài ra, trong trường hợp vị trí hiện tại của module không được hỗ trợ sóng GPRS, có thể tạm thời thay thế đường truyền dữ liệu GPRS bằng dịch vụ SMS Giải pháp này vừa tiết kiệm chi phí duy trì hệ thống, vừa đáp ứng được phần nào nhu cầu cải thiện chất lượng đường truyền qua dịch vụ SMS

2.4 Giới thiệu mô hình không gian – thời gian

Ý tưởng chính của nghiên cứu là giải quyết thách thức hiện nay trong quá trình biểu diễn trực quan hóa các bộ dữ liệu của đối tượng không gian thời gian đa biến Đề tài sẽ đi sâu phân tích các quan hệ đối tượng không gian, đối tượng thời gian, đối tượng không gian - thời gian, đối tượng di động để đề xuất các mô hình biểu diễn đối tượng không gian, đối tượng thời gian, đối tượng không gian - thời gian, đối tượng không gian thời gian đa biến, đối tượng di động, đối tượng di động đa biến

Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa thế giới thực và trực quan hóa

2.4.1 Các thành phần cơ bản trong thế giới thực

Thế giới thực được biểu diễn một cách trực quan dựa trên việc phân tích các thuộc tính cơ bản về không gian – thời gian và được nghiên cứu chi tiết cụ thể như sau:

2.4.1.1 Đối tượng

Đối tượng (object) là một thực thể vật lý hoặc trừu tượng Một đối tượng được cảm nhận thông qua thuộc tính của nó như tên gọi, hình ảnh, phân loại, màu sắc, kích thước, chiều cao, cân nặng… Dựa vào những tính chất không gian và thời gian, đối tượng có thể được xếp vào nhóm đối tượng không gian hoặc đối tượng thời gian Đối tượng không gian là đối tượng có không gian xác định, mỗi đối tượng không gian có

một vị trí xác định trong không gian ở bất kỳ thời điểm nào Đối tượng thời gian là đối tượng xảy ra trong một khoảng thời gian xác định ở bất kỳ vị trí nào, mỗi đối tượng thời gian được gọi là một sự kiện hay một hiện tượng Khi xét đến đối tượng không gian ta quan tâm đến đối tượng và vị trí tồn tại của đối tượng trong không gian Khi xét đến đối tượng thời gian ta quan tâm đến đối tượng và thời gian tồn tại của đối tượng

Một đối tượng có thể được phân loại theo quan hệ không gian, thời gian, không gian – thời gian, hoặc di động (Hình 2.2) Đối tượng không gian là đối tượng được xác định tại một vị trí cụ thể trong không gian mỗi khi nó xuất hiện Đối tượng thời gian là đối tượng xuất hiện tại những khoảng thời gian xác định Đối tượng không gian – thời gian là đối tượng được xuất hiện tại những vị trí và những thời điểm tương ứng Đối tượng di động là đối tượng có vị trí thay đổi liên tục trong không gian theo thời gian

2.4.1.2 Không gian

Không gian (space) là khái niệm dùng để chỉ vị trí mà các thực thể hiện hữu Không gian là nơi xảy ra một sự kiện hoặc một hoạt động của một đối tượng nào đó Không gian và thời gian là một cặp phạm trù tương tác không tách rời, không gian là một trong ba thành phần chính của địa lý thời gian Không gian được cảm nhận thông qua không gian địa lý mà không gian địa lý biết được nhờ các đối tượng địa lý

Không gian được xác định bởi các đối tượng địa lý tự nhiên hoặc đối tượng địa lý do con người áp đặt [17]. Vị trí của các đối tượng địa lý được dùng để tham chiếu, xác định vị trí của các đối tượng khác trong không gian Không gian là liên tục nhưng các đối tượng địa lý thường không liên tục (ví dụ: đất đai, sông hồ, biên giới,…)

Mặt phẳng được dùng để tả mô hình đối tượng địa lý, bởi vì mặt phẳng giống không gian địa lý[18] Mặt phẳng được dùng để mô phỏng và hiển thị bằng đồ họa các đối tượng địa lý gọi là bản đồ địa lý Bản đồ hiển thị các đối tượng địa lý bằng