Công nghệ 5G, lựa chọn của tương lai trong công tác giảm thiểu ảnh hưởng của thiên tai

Nền tảng mạng di động thế hệ thứ 5 (mạng 5G) đang được triển khai những bước đầu ở Việt Nam. Đây cũng là cơ sở rất quan trọng, để có giải pháp công nghệ hiện đại, tối ưu, góp phần giảm thiểu những tác động của thiên tai gây ra.

 Nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của thiên tai, đặc biệt đối với những vùng được dự đoán bị ảnh hưởng nặng nề như Việt Nam, các bên liên quan bao gồm những tổ chức ứng phó tiên phong, đơn vị an toàn công, cơ quan ứng cứu khẩn cấp, và tổ chức chính phủ đều phải thường xuyên phối hợp triển khai các công tác giám sát, phòng chống, cứu hộ và cứu nạn. Để làm được điều này một các hiệu quả nhằm đáp ứng (với) và phục hồi (từ) thiên tai nhanh hơn, các bên liên quan phải hợp tác chặt chẽ với các nhà mạng viễn thông cũng như các nhà cung cấp dịch vụ và công nghệ hiện đại. Một hệ thống công nghệ thông tin và viễn thông không dây (CNTT-VT) cần được thiết kế cho nhu cầu giao tiếp của người dùng di động (có khả năng đạt đến mức cao nhất trong thiên tai), ví dụ như: liên lạc với người thân, gởi các thông tin về hiện trạng khu vực bị ảnh hưởng, nắm bắt các thông tin ứng phó cần thiết, nhận các hướng dẫn khẩn cấp để đảm bảo an toàn và phục hồi nhanh chóng. Tuy nhiên, khi xảy ra thiên tai, hạ tầng/dịch vụ/thiết bị hệ thống thông tin liên lạc có thể bị hư hỏng (một hoặc đa phần, thậm chí toàn phần) với nguồn tài nguyên giới hạn. 

Với bài báo này, các mô hình CNTT-VT dựa trên nền tảng mạng di động thế hệ thứ 5 (mạng 5G) sẽ được giới thiệu. Nó đáp ứng các tiêu chí về sự linh hoạt, khả năng khôi phục, ổn định, sử dụng hiệu quả tài nguyên với chi phí hợp lý, ứng dụng trong giảm thiểu ảnh hưởng của thiên tai từ trước, trong, và sau khi xảy ra.

Sơ lược tình hình thiên tai tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, cứ sau một tuần, không khó để tìm thấy những bản tin về những cảnh tượng thảm họa tự nhiên đang tàn phá hủy hoại cuộc sống con người trên toàn thế giới. Một trong những vùng bị ảnh hưởng thiên tai nhiều nhất là Việt Nam, nơi mà hàng năm, thiên tai (gồm động đất, bão, lũ lụt, triều cường, sạt lở đất, lốc xoáy và hạn hán) đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của hàng triệu con người. Từ năm 2005 đến 2014, trung bình hàng năm ở Việt Nam có đến khoảng 649 đợt thiên tai xảy ra. Trung bình hàng năm Việt Nam phải gánh chịu 469.526 ngôi nhà bị phá huỷ, 174.653 ngôi nhà bị hư hỏng, và khoảng 2.715 thiệt hại về tính mạng con người do tất cả các thảm hoạ tự nhiên gây ra [1]. Tổng thiệt hại về kinh tế trung bình hàng năm (từ 2005 đến 2014) ước tính khoảng 5,2 tỷ USD [2].

Nghiêm trọng hơn đó là tần suất và cường độ của các thảm họa ngày càng tăng và tồi tệ hơn do nguyên nhân của biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu. Thiên tai như lũ lụt, bão, cháy rừng, động đất, đang tấn công Việt Nam với tần suất cao và mức độ thiệt hại lớn. Hệ quả là những tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường. Nhiệt độ và mực nước biển dâng cao sẽ gây ra ngập lụt và độ mặn của nước đó có thể gây những tác động tiêu cực đối với nông nghiệp và rủi ro cao cho ngành công nghiệp và các hệ thống kinh tế xã hội trong tương lai. Biến đổi khí hậu đã, đang và sẽ tiếp tục dẫn đến những thay đổi toàn diện và sâu sắc trong phát triển toàn cầu và an ninh, đặc biệt là năng lượng, nước, thực phẩm, xã hội, công việc, văn hóa, kinh tế và thương mại. Theo ước tính, khoảng 10 - 12% dân số Việt Nam sẽ bị tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu với tổn thất khoảng 10% GDP vào cuối thế kỷ 21 [3]. Xem xét tại Bình Dương (miền Nam) và Đà Nẵng (miền Trung), là 2 tỉnh có tiềm lực và sức bật kinh tế khá mạnh làm ví dụ để thấy rõ mức độ thiệt hại nghiêm trọng do thiên tai gây ra.

Tỉnh Bình Dương các năm qua đã hứng chịu nhiều trận mưa lớn kèm theo giông bão, lốc xoáy, sạt lở đất và triều cường với tần suất ngày càng cao hơn, thiệt hại nhiều hơn, và số khu vực bị ảnh hưởng ngày càng nhiều hơn. Ví dụ, theo số liệu thống kê trong năm 2015, thiên tai đã làm 1 người chết, 4 người dân bị thương, 13 ngôi nhà bị phá hủy, 287 ngôi nhà bị tốc mái, 4 phòng học bị hư hỏng, 17,83 ha cây cao su bị hủy hoại, 282,05 ha lúa và hoa màu bị ngập lụt, 7,4 ha ao cá bị ngập nước, và 5.062 gia súc và gia cầm chết, thiệt hại kinh tế ước tính khoảng 8,057 tỷ đồng [4]. Hơn nữa, theo Ban chỉ đạo phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn của tỉnh Bình Dương, có 40 khu vực sạt lở bên bờ sông Sài Gòn kéo dài từ Thành phố Hồ Chí Minh qua địa bàn tỉnh Bình Dương [5]. Những vấn đề sạt lở đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của người dân sống xung quanh. Từ những vấn đề này, Uỷ ban nhân dân tỉnh Bình Dương vừa ban hành chỉ thị số 08 /CT-UBND về tăng cường nâng cao năng lực phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn trong giai đoạn 2016-2020 do diễn biến phức tạp, bất ngờ, và nguy hiểm của biến đổi khí hậu toàn cầu, thời tiết và thiên tai.

Nghiêm trọng hơn, nằm ở miền trung Việt Nam, nơi bị tác động mạnh nhất bởi biến đổi khí hậu toàn cầu, thành phố Đà Nẵng hầu như bị ảnh hưởng khắc nghiệt bởi thiên tai bao gồm không chỉ các cơn bão và lũ lụt, mà còn hạn hán kéo dài. Xét về bão và lũ lụt, trung bình mỗi năm, thành phố Đà Nẵng phải hứng chịu hơn 9 cơn bão và 3 cơn lũ. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực trong việc nâng cao năng lực phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn, số người thương vong, cơ sở hạ tầng bị hư hỏng, và các tàu đánh cá bị chìm ngày càng tăng sau mỗi năm. Đặc biệt, từ năm 2005 đến 2013, đã có hơn 100 người chết, 200 người bị thương, hơn 100 tàu thuyền đánh cá bị chìm, và khoảng 150.000 ngôi nhà bị hư hỏng do các cơn bão và lũ lụt. Ước tính trong 9 năm (2005-2013), thiệt hại kinh tế khoảng 8.500 tỷ đồng, bao gồm các hư hỏng của hệ thống giao thông vận tải, nông nghiệp, lâm nghiệp, và ngư nghiệp. Hơn nữa, liên quan đến hạn hán, có 4 kỳ hạn hán khắc nghiệt trong các năm 1988, 1990, 1998, và 2002 khiến hơn 700.000 người dân thiếu nguồn cung cấp nước sinh hoạt, hàng ngàn nhà máy sản xuất và các dịch vụ hoạt động ngưng trệ. Gần đây, số ngày và tháng có nhiệt độ cao hơn 35 độ C đã tăng qua các năm, nguyên nhân chính là do quá trình đô thị hóa nhanh chóng ở thành phố Đà Nẵng. Tại Đà Nẵng và các tỉnh khác ở miền trung Việt Nam, do những diễn biến phức tạp, bất ngờ, và nguy hiểm cao của thiên tai, những người ứng cứu tiên phong, cơ quan cứu hộ cứu nạn, tổ chức bảo đảm an toàn công cộng, nhân viên chính phủ và cư dân luôn luôn được yêu cầu phải sẵn sàng để đối phó với các tình huống khẩn cấp do thiên tai gây ra nhằm giảm thiểu tác hại khi xảy ra thảm họa.

Cho đến nay, những nỗ lực để giảm thiểu những ảnh hưởng của thiên tai chủ yếu tập trung vào việc cải thiện ngăn ngừa và ứng phó bằng cách cung cấp các khóa huấn luyện cho người dân và những người ứng phó tiên phong của vùng bị ảnh hưởng. Việc tích hợp huấn luyện là những hoạt động nhằm xây dựng năng lực trong quản lý thiên tai và cung cấp thiết bị máy móc dự phòng cho việc ứng phó khẩn cấp [6]-[7]. Tuy nhiên, tất cả các chương trình và nỗ lực này cũng sẽ không đạt hiệu quả cao nếu không đầu tư triển khai các ứng dụng và dịch vụ công nghệ thông tin và viễn thông không dây (CNTT&VT) hiện đại dựa trên nền tảng mạng 5G nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của thiên tai.

Trong bài viết này, Phần 2 sẽ trình bày vai trò của hệ thống CNTT&VT trong giảm thiểu tác động của thiên tai. Sau đó, một số giải pháp khả thi ứng dụng CNTT&VT dựa trên nền tảng mạng 5G vào việc giảm thiểu tác động của thiên tai sẽ được đề xuất trong Phần 3. Phần 4 sẽ giới thiệu một hệ thống CNTT&VT được triển khai với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài viết trong Phần 5.

Vai trò của hệ thống CNTT&VT trong giảm thiểu tác động của thiên tai

Vào năm 2015, ngay sau khi thảm họa động đất xảy ra ở Nepal làm chết và bị thương hơn 8000 người, Facebook đã giới thiệu ứng dụng "Nepal Earthquake – Facebook safety check" (Động đất ở Nepal–Xác nhận an toàn trên Facebook) để hỗ trợ kết nối những người bị ảnh hưởng trong thảm họa, mà nếu không có nó thì cũng không thể có kết nối truyền thông cần thiết nào khác. Tuy nhiên, bất chấp những nỗ lực cứu hộ trên diện rộng, nhiệm vụ sơ tán đã không hiệu quả, và việc thiếu thông tin liên lạc ở vùng xa đã tạo ra sự hỗn loạn thậm chí cao hơn ở các cộng đồng cư dân bị ảnh hưởng trực tiếp.

Khi thiên tai xảy ra, kết nối liên lạc cơ bản được duy trì sẽ tạo nên huyết mạch của sự sống. Nói cách khác, giải quyết vấn đề về yêu cầu truyền thông cấp bách khi thiên tai xảy ra với xu hướng ngày gia tăng, đặc biệt trong những vùng dễ xảy thảm họa ở các nước đang phát triển nói chung và Việt Nam nói riêng, sẽ cứu sống được rất nhiều người. Hệ thống CNTT&VT đóng vai trò quan trọng và hữu ích trong toàn bộ quá trình quản lý thiên tai, từ hệ thống cảnh báo sớm hoặc phương tiện truyền thông (radio, TV, SMS) đến hệ thống thông tin địa lý (GIS), nhằm nhanh chóng triển khai ứng phó và phục hồi sau thảm họa.

Để nhanh chóng ứng phó và phục hồi từ các thảm họa, các tổ chức quản lý thiên tai phải phối hợp chặt chẽ, đồng bộ với các nhà điều hành mạng di động và/hoặc các nhà cung cấp trang thiết bị công nghệ [2]. Tuy nhiên, thảm họa thường gây ra sự gián đoạn nghiêm trọng đến mạng lưới truyền thông và hệ thống cung cấp năng lượng, điều này làm cho việc phối hợp, đồng bộ nhằm phục hồi nhanh chóng và duy trì hệ thống CNTT&VT là một nhiệm vụ đầy thử thách. Điều này sẽ đạt được bằng cách thiết kế một hệ thống CNTT&VT hỗ trợ kết nối và dự báo liên tục với các thuộc tính như: chất lượng phù hợp; ứng phó và phản hồi nhanh; ổn định và độ tin cậy cao, tự tổ chức và tự cung cấp năng lượng; dễ dàng tích hợp, khả năng kết nối và bao phủ cao; thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu nhanh chóng, chính xác.

Trong những nỗ lực để hạn chế rủi ro và tăng cường năng lực quản lý môi trường và thiên tai dựa trên hệ thống CNTT&VT, cả nước đã triển khai rất nhiều trạm quan trắc về không khí (26 trạm), nước (56 trạm) và nước biển (06 trạm) được lồng ghép với mạng quan trắc khí tượng, thủy văn và hải văn một cách hiệu quả. Tất cả các trạm quan trắc và điểm quan trắc truyền số liệu tự động về Trung tâm Quan trắc môi trường của Tổng cục Môi trường [8].

Do điều kiện địa lý, hầu hết các tỉnh miền Trung của Việt Nam (như Quảng Nam, Huế, Quảng Trị,...) luôn luôn bị ảnh hưởng nặng nề nhất bởi thiên tai. Kết quả là, chất lượng cuộc sống trong khu vực này là tương đối thấp. Đặc biệt, sau sự cố ô nhiễm môi trường biển tại 4 tỉnh Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, thủ tướng chính phủ vừa phê duyệt chủ trương lắp đặt 1 trạm quan trắc môi trường tự động quan trắc môi trường nước biển và 1 trạm quan trắc môi trường không khí xung quanh khu Kinh tế Vũng Áng và vùng phụ cận. Dự kiến sẽ xây dựng hệ thống các trạm quan trắc môi trường biển gồm: Trạm quan trắc nước biển tự động, liên tục và trạm quan trắc không khí tự động liên tục, xây dựng hệ thống giám sát môi trường biển 4 tỉnh [9].

          Riêng tại Đà Nẵng, tháng 01/2018 vừa qua, trung tâm Vi mạch Đà Nẵng (CENTIC) triển khai 4 trạm quan trắc đầu tiên tại các hồ trên địa bàn nhằm giám sát chất lượng nước và cảnh báo ô nhiễm ở sông hồ tự nhiên, nhằm giám sát và đánh giá chất lượng nước thải công nghiệp, bảo vệ môi trường nước và phòng ngừa sự cố ô nhiễm. Các trạm này sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, tự động truyền số liệu quan trắc về hệ thống máy tính trung tâm và đưa dữ liệu lên trang web của Trung tâm quan trắc môi trường thuộc Sở Tài nguyên môi trường Đà Nẵng [10].

Tại Quảng Nam, nhóm tác giả Vũ Thị Thu Lan, Hoàng Thanh Sơn thuộc Viện Địa Lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã triển khai đề tài "Nghiên cứu biến động của thiên tai (lũ lụt và hạn hán) ở Quảng Nam trong bối cảnh biến đổi khí hậu". Mục tiêu của đề tài là: Nhận thức hiện trạng, cảnh báo thiên tai lũ lụt, xây dựng một hệ thống hỗ trợ ra quyết định, có khả năng tính toán, cập nhật diễn biến các loại hình thiên tai giám sát thiên tai nhằm giảm đến tối thiếu mức độ thiệt hại do lũ lụt và hạn hán gây ra, phục vụ phát triển bền vững [11].

Có thể thấy rằng, những nhà nghiên cứu, các tổ chức trong nước đều nhận diện được tầm quan trọng của CNTT&VT trong bài toán giảm thiểu ảnh hưởng của thiên tai. Tuy nhiên, các hệ thống trên chỉ thực hiện riêng lẻ, chưa tích hợp thành một hệ thống cảnh báo chung, đa mục tiêu, và trên diện rộng, cũng như phải đảm bảo tham gia vào trong toàn bộ quá trình quản lý thiên tai, từ giảm nhẹ và chuẩn bị, ứng phó đến phục hồi và tái thiết.

Giải pháp hệ thống CNTT&VT đề xuất dựa trên nền tảng mạng 5G

Mục tiêu:

Hệ thống CNTT&VT được thiết kế như mô tả trong Hình 1. Hệ thống dựa trên cơ sở hạ tầng thông tin truyền thông mạng 5G – là mạng di động thế hệ thứ 5 đáp ứng các tiêu chí cao về chất lượng cũng như nhu cầu truyền thông mọi lúc – mọi nơi của lượng lớn người dùng và thiết bị trong kỷ nguyên của nền công nghiệp 4.0. Để cung cấp tính linh động trong khi đảm bảo chi phí thấp, CNTT&VT dựa trên nền tảng mạng 5G là sự kết hợp của các mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Networks) [12], mạng  không dây dạng lưới (WMN – Wireless Mesh Networks), các mạng di động ad hoc (Manet – Mobile Ad hoc Networks) [13], và các mạng di động (MCN – Mobile Cellular Networks), mạng IoT trên nền tảng Internet, mạng truyền thông từ thiết bị đến thiết bị (D2D – Device-to-Device) [14], mạng của các thiết bị bay không người lái (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) [15-18], dữ liệu lớn và điện toán đám mây.

Hệ thống được thiết kế sẽ đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và khả năng chuyển phát nội dung có dung lượng cao, khả năng tương tác cao, kết nối mạnh mẽ và độ tin cậy cao, với ràng buộc phù hợp về yêu cầu lưu lượng. Những khả năng này của hệ thống có thể giúp cả nhà quản lý thiên tai và cư dân nhanh chóng nắm bắt được những nguy cơ và rủi ro của một thảm họa để đưa ra quyết định phù hợp và kịp thời. Nó cũng có thể giúp theo dõi những thay đổi chi tiết trong tất cả các giai đoạn của thảm họa để quản lý tốt hơn. Đặc biệt, khả năng khôi phục của hệ thống là điều cần thiết cho những người ứng phó tiên phong, những người bị thương ngay thời điểm đó, và tất cả các cư dân bị ảnh hưởng, đây là những người cần được phối hợp ứng phó, yêu cầu hỗ trợ, tiếp cận thông tin và liên hệ với bạn bè, gia đình, và người thân.

Một số giải pháp

Một hệ thống CNTT&VT hiệu quả phải đảm nhiệm những công việc như được mô tả trong Hình 2. Hệ thống phải cung cấp thông tin dữ liệu toàn diện và nhanh chóng để hỗ trợ giám sát và cảnh báo kịp thời các vấn đề về thảm họa cũng như đánh giá mức độ của thảm họa khi xảy ra; thông tin dữ liệu phải là các dạng thông tin dễ nắm bắt trên các phương tiện đại chúng (loa báo, truyền hình, tin nhắn) và ứng dụng trực tuyến (website, mobile app, SMS, email …). Hệ thống phải giám sát liên tục và chặt chẽ nhằm xác định nguyên nhân và dự đoán phương hướng các thảm họa tiếp theo, đánh giá được tình trạng vấn đề, dự báo sớm nhất và chính xác nhằm thông báo kịp thời cho cộng đồng, cơ quan chuyên trách hỗ trợ hoạch định chính sách và giải pháp phòng chống thiệt hại từ thiên tai. Một số mô hình giải pháp công nghệ và kỹ thuật được đề xuất cho hệ thống CNTT&VT sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.

Sử dụng và triển khai công nghệ cảm biến trong các trạm quan trắc

Hệ thống CNTT&VT dựa trên nền tảng mạng 5G sẽ được tích hợp các trạm quan trắc mới và kết nối với các trạm quan trắc đã có, đồng thời tăng cường công nghệ và thiết bị cảm biến chất lượng để đánh giá, theo dõi và dự báo trước tình hình biến đổi ngày càng phức tạp của môi trường, khí hậu. Các cảm biến được sử dụng phải phù hợp cho từng ứng dụng, môi trường và khu vực địa hình. Ví dụ, thiên tai sạt lở đất xảy ra ở các loại địa hình khác nhau (sông suối, ao hồ, đồi núi, ven biển) thì nguyên nhân, tình trạng và diễn biến cũng rất khác nhau. Như vậy, hệ thống CNTT&VT đề xuất phải sử dụng loại cảm biến phù hợp cho từng nhiệm vụ và cách thức triển khai (loại cảm biến, giá thành, độ chính xác đo đạc, cách vận hành triển khai); phải có công suất thấp, hoạt động lâu dài trong môi trường bất kỳ; có khả năng hấp thu các nguồn năng lượng xung quanh (gió, mặt trời) để kéo dài thời gian hoạt động.

Việc triển khai lắp đặt các trạm quan trắc cảm biến cũng được chú ý trong hệ thống CNTT&VT được đề xuất. Nhằm giám sát hiệu quả và chính xác, cũng như hỗ trợ dự báo tức thời thảm họa, các trạm quan trắc được đề xuất sẽ bao gồm nhiều mô hình khác nhau, có thể là cố định và cơ động. Đối với loại cố định, các trạm được lắp đặt ngay tại vị trí thường xuyên bị sạt lở, bộ cảm biến đo đạc và bộ giao tiếp vô tuyến sẽ được tích hợp chung. Loại cơ động sẽ gồm trên mặt đất và trên không trung. Trên mặt đất có thể triển khai trên các phương tiện công cộng, cơ động trong triển khai lắp đặt nhằm linh hoạt thay đổi phù hợp với nhiều loại địa hình, cũng như tận dụng các mô hình mạng truyền thông tin linh hoạt từ thiết bị đến thiết bị. Song song đó, trên không trung, hệ thống sử dụng các thiết bị bay không người lái (UAV) để giám sát và truyền thông tin từ trên cao có tích hợp ứng dụng với lộ trình bay hợp lý (năng lượng tiêu thụ thấp và độ phủ rộng).

Công nghệ mạng viễn thông không dây tầm xa

Nhằm triển khai và kết nối các hệ thống cảm biến và các trạm quan trắc trên diện rộng, hệ thống CNTT&VT dựa trên nền tảng mạng 5G sẽ là một mạng lưới truyền thông tin không dây toàn diện, cho phép dễ dàng tích hợp các công nghệ kết nối không dây hiện đại và hiệu quả, ví dụ như mạng vô tuyến kết nối diện rộng – LoRaWan, NB-IoT; mạng vô tuyến công suất thấp – Bluetooth, Xbee, ZigBee; mạng di động thế hệ mới – 3G/4G/5G, Internet tốc độ cao – WiFi. Ngoài ra, hệ thống CNTT&VT có thể được mở rộng tùy theo kịch bản ứng phó và khôi phục bằng cách sử dụng mô hình mạng vô tuyến gồm các UAV đồng thời sử dụng các công nghệ mạng kết nối vạn vật (IoT) đảm bảo triển khai nhanh, linh hoạt, đa phạm vi trong thực tế như được mô tả trong Hình 3.

Công nghệ mạng kết nối vạn vật và điện toán đám mây

Sự phát triển của công nghệ IoT đang thúc đẩy những giải pháp mới về giám sát và đánh giá môi trường khí hậu, hỗ trợ cho công tác phòng chống thiên tai cho các quốc gia, đặc biệt là ở Việt Nam, một trong những nước đang chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi biến đổi khí hậu và thiên tai thường xuyên. Những  lợi điểm nổi bật khi ứng dụng điện toán đám mây và IoT trong hệ thống CNTT&VT dựa trên nền tảng mạng 5G đề xuất được mô tả trong Hình 4.

Để ứng dụng hiệu quả công nghệ IoT và điện toán đám mây, hệ thống CNTT&VT đề xuất phải tích hợp một hệ cơ sở dữ liệu trực tuyến toàn diện trên nền tảng điện toán đám mây mà không cần triển khai lắp đặt bất kỳ thiết bị máy chủ nào như trước đây. Tất cả các dữ liệu từ mạng lưới quan trắc sẽ được thu thập và lưu trữ tại trung tâm dữ liệu này như được mô tả trong Hình 5. Hệ thống giám sát và đánh giá biến đổi môi trường, khí hậu sẽ được tăng cường và cải thiện với độ chính xác cao khi ứng dụng các mô hình tính toán mới và phân tích dữ liệu lớn (big data analytics) [19]; cung cấp khả năng phân tích, dự báo và phản hồi tức thời bằng cách ứng dụng các giải thuật xử lý tín hiệu mạnh mẽ (advanced data processing algorithms) và các mô hình tối ưu hóa thời gian thực (real-time optimization) [20], [21] nhằm hỗ trợ cho các cơ quan ban ngành ra quyết định chính xác và nhanh chóng. Các thông tin và dự báo tác động của biến đổi môi trường và thiên tai được truy xuất một cách chính xác và kịp thời bằng nguồn cơ sở dữ liệu trực tuyến tin cậy đã được thu thập từ các trạm quan trắc; kết hợp với các mô hình trí tuệ nhân tạo [22], phân tích dữ liệu để hỗ trợ và tạo cơ sở tiền đề cho các hoạch định và chính sách về lâu dài.

Các ứng dụng trực tuyến (ví dụ như web-app và mobile-app) cũng được xây dựng và phát triển trên nền tảng điện toán đám mây sử dụng hệ thống cơ sở dữ liệu trực tuyến, cung cấp thông tin hiện trạng tức thời về biến đổi môi trường, và các dự báo về thời tiết, thiên tai có thể xảy ra cho tất cả mọi người (từ cơ quan chính phủ, viện nghiên cứu, tổ chức, doanh nghiệp và cộng đồng dân cư). Các ứng dụng sẽ hiển thị trực quan kết quả bằng các giao diện phù hợp với tất cả người sử dụng, cho phép tiếp cận và giám sát tình trạng môi trường cụ thể rõ ràng, cung cấp dữ liệu trực tuyến cho các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý môi trường, cơ quan phòng chống thiên tai (Hình 6).

Một ví dụ điển hình

Trong phần này, một hệ thống CNTT&VT điển hình và hiệu quả được thiết kế và triển khai nhằm giám sát, phát hiện và cảnh báo sớm thiên tai tại Quảng Nam, một trong những tỉnh bị thiệt hại nặng do thiên tai gây ra tại miền Trung, Việt Nam. Nội dung thiết kế và triển khai hệ thống được tham khảo từ tài liệu [23].

Mục tiêu và yêu cầu

Mục tiêu

Thiết kế và triển khai một hệ thống CNTT&VT có các chức năng cảm biến, giao tiếp truyền thông, lưu trữ, xử lý, hiển thị dữ liệu cảm biến và cảnh báo về lượng mưa, tốc độ và hướng gió, mực nước, và sạt lở đất/động đất ở Quảng Nam. Các kết quả thực nghiệm có thể giúp chính quyền địa phương và người dân có những giải pháp quản lý phù hợp nhằm giảm thiểu các tác hại do thiên tai gây ra.

Yêu cầu hệ thống

Hệ thống CNTT&VT được thiết kế bằng cách tích hợp mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng di động (MCN). WSN được trang bị các nút cảm biến để nắm bắt những bất lợi tự nhiên như bão, lụt, và sạt lở đất/động đất thông qua các cảm biến thời tiết, mực nước và rung chấn. Các cảm biến thời tiết đảm nhận việc theo dõi lượng mưa, hướng và tốc độ của gió; cảm biến mực nước ngang và dọc được sử dụng để quan sát lũ; và các cảm biến rung chấn là để đo rung động mặt đất để phát hiện sạt lở/động đất. Tất cả các cảm biến được kết nối đến các mô-đun GPRS. Dữ liệu cảm biến sẽ được gởi đến máy chủ thông qua GPRS của MCN. Máy chủ lưu trữ, phân tích, xử lý các dữ liệu cảm biến và kịp thời cảnh báo cho chính quyền địa phương và người dân (nếu cần) về các diễn biến xấu của thiên tai tại Quảng Nam. Hơn nữa, một cổng thông tin điện tử được thiết kế tại máy chủ để hiển thị dữ liệu được cảm biến ở dạng biểu đồ để thuận tiện trong việc giám sát thời gian thực. Trong thiết kế này, thiết bị được sử dụng được cung cấp bởi Libelium với chất lượng cao cũng như các giải pháp và hỗ trợ kỹ thuật tốt.

Kiểm thử và khảo sát vị trí lắp đặt

Trước khi triển khai thực tế, các cảm biến, board mạch chức năng và mô-đun GPRS được kiểm thử trong phòng thí nghiệm. Libelium hỗ trợ cổng thông tin https://thingspeak.com như một máy chủ ảo miễn phí, cho phép kiểm thử thông qua phương thức POST của giao thức http được gửi từ các cảm biến, board mạch và mô-đun. Chúng tôi sử dụng https://thingspeak.com để kiểm tra dữ liệu cảm biến nhằm đảm bảo rằng dữ liệu được gửi và nhận chính xác. Cổng thông tin điện tử này cũng cho phép chúng tôi điều chỉnh và chuẩn hóa dữ liệu cảm biến trước khi triển khai chính thức qua cổng thông tin điện tử http://www.ictsolutions.com.vn.

Song song với kiểm thử là quá trình khảo sát vị trí lắp đặt các trạm cảm biến. Xác định vị trí các trạm cảm biến là công việc rất quan trọng, vị trí các trạm cảm biến được chọn phải thỏa mãn 3 yếu tố sau: 1) là nơi rất dễ bị ảnh hưởng bởi thiên tai với mức độ thiệt hại lớn, 2) là nơi đảm bảo kết nối cho truyền thông giữa các board/mô-đun cảm biến của WSN đến các trạm nền trong MCN, và 3) được sự hỗ trợ của người dân, ví dụ, trong việc sử dụng nguồn điện của họ, bảo quản thiết bị, thông báo khi trạm gặp sự cố, v.v. Sau khi khảo sát 6 điểm tại đập thủy điện Sông Tranh, Huyện Phú Ninh, Xã Đại Đồng - Huyện Đại Lộc, TP Hội An, Hà Lam - Thăng Bình, Xã Điện Hòa - Huyện Điện Bàn, chúng tôi đã chọn 3 vị trí gồm TP Hội An, Hà Lam-Thăng Bình và Xã Điện Hòa - Huyện Điện Bàn.

Triển khai hệ thống CNTT&VT

Hệ thống được thiết kế và triển khai tại Quảng Nam như được mô tả trong Hình 7. Hệ thống gồm nhóm các cảm biến, board mạch chính thu thập dữ liệu cảm biến, mô-đun hỗ trợ giao tiếp GPRS, và máy chủ được thuê cho phép triển khai webportal tại trang http://www.ictsolutions.com.vn.

Cụ thể, các board WEVENT1, WEVENT2 và WEVENT3 thu thập dữ liệu cảm biến mực nước ngang và dọc và cảm biến rung chấn; các board WAGR1, WAGR2 và WAGR3 thu thập dữ liệu cảm biến lượng mưa, hướng và tốc độ gió của mô-đun thời tiết WS- 3000. Các board mạch này đều được trang bị mô-đun GPRS và pin có thể sạc lại để gửi dữ liệu đến máy chủ thông qua trạm nền trong MCN. Tất cả các board, mô-đun GPRS, và cảm biến đều có thể làm việc ở chế độ tiết kiệm năng lượng khi không có nhu cầu truyền tin và do đó chúng có thể hoạt động trong nhiều tháng. Trong một số trường hợp thuận tiện, nguồn điện chính được cung cấp thông qua các bộ chuyển đổi phù hợp. Các board, mô-đun cùng các cảm biến tương ứng được liệt kê trong Bảng 1.

Bảng 1: Các board, mô-đun và cảm biến được dùng trong hệ thống

Các board được lập trình để đọc dữ liệu từ các cảm biến, sau đó, sẽ gởi dữ liệu về máy chủ qua GPRS dưới dạng POST. Tạo máy chủ, dữ liệu nhận sẽ được hiển thị trên webportal, đồng thời so sánh với mức ngưỡng để ra quyết định cảnh báo nếu có. Việc thiết kế webportal phải đảm bảo các yêu cầu như sau:

- Cho phép phân quyền quản lý.

- Cho phép linh hoạt thêm bớt thiết bị/board mạch.

- Có giao diện hiển thị thông số các cảm biến, hiển thị được các giá trị cảm biến liên tục, biểu diễn các giá trị cảm biến trên đồ thị. Các giá trị đọc về phải lưu lại và có chức năng xuất ra excel, có chức năng hiển thị theo đồ thị theo ngày, tháng, năm.

- Có chức năng cảnh báo, khi đọc giá trị các cảm biến về thì so sánh với mức ngưỡng, nếu vượt ngưỡng thì phải hiển thị cảnh báo trên giao diện web, gởi email được chỉ định để cảnh báo.

- Cho phép sao lưu dữ liệu thường xuyên.

Kết quả triển khai

Hiệu năng hệ thống

Để đánh giá hiệu năng của hệ thống, ta cần xác định tỷ lệ phần trăm các lần đo hợp lệ đã gởi về hệ thống trên tổng số các mẫu quan trắc theo kế hoạch đề ra. Sau khi thống kê các số liệu có được trên hệ thống,  kết quả đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Đánh giá hiệu năng của hệ thống

Phân tích dữ liệu cảm biến

Dữ liệu cảm biến được thu thập trong một năm, từ tháng 3/2016 đến 3/2017. Sau khi loại bỏ dữ liệu không hợp lệ, các dữ liệu cảm biến mức nước thẳng đứng và ngang, rung chấn và lượng mưa được phân tích cụ thể như sau.

Mực nước thẳng đứng và ngang

Trong quá trình thu thập, dữ liệu cảm biến mức nước thẳng đứng và ngang không có thông tin quan trọng. Trên thực tế, không có sự kiện ngập lụt ở vị trí của các trạm cảm biến, và do đó, chúng tôi không trình bày thông tin.

Độ rung chấn

Trong khoảng thời gian quan sát, có hai trận động đất liên tiếp được ghi nhận bởi 2 trạm cảm biến tại Hà Lam – Thăng Bình và Hội An. Cụ thể, vào lúc 22h12'50'', ngày 9/4/2016, trung tâm Cảnh báo sóng thần và thông tin động đất (EITWC) thuộc viện Vật lý địa cầu cho biết trận động đất đầu tiên 3,2 độ Richter với độ sâu chấn tiêu 7km đã xảy ra tại khu vực nhà máy thủy điện Sông Tranh 2. Bốn ngày sau đó, vào lúc 14h46'21", ngày 13/4/2016, trận động đất thứ hai 3,0 độ Richter với độ sâu chấn tiêu 5km, đã được EITWC ghi lại tại cùng khu vực. Hai trận động đất này xảy ra tại khu vực nhà máy thủy điện Sông Tranh 2, huyện Bắc Trà My, cách trạm cảm biến tại Hà Lam – Thăng Bình 55km và cách trạm cảm biến tại Hội An 90km (Hình 8). Kết quả ghi nhận được mô tả như trong Hình 9, Hình 10, Hình 11 và Hình 12.

Hình 8 – Khoảng cách từ vị trí động đất đến trạm cảm biến ở Hà Lam – Thăng Bình và trạm cảm biến ở Hội An, Quảng Nam

Tuy nhiên, một số board ở Điện Bàn - Điện Hòa đã không phát hiện vì những trận động đất này xảy ra trong thời gian ngắn ở mức không cao, các tâm chấn nằm xa trạm cảm biến rung chấn (100km). Ngoài ra, cũng có hai trận động đất khác xảy ra vào ngày 26 tháng 2 và 1 tháng 3 năm 2017. Nhưng do khoảng cách từ tâm chấn xa các trạm cảm biến rung nên các cảm biến không thể phát hiện được hai trận động đất này.

Lượng mưa

Lượng mưa được thể hiện bằng mức trung bình, thấp nhất và cao nhất mỗi tháng. Như kết quả trong Hình 13, lượng mưa ở Quảng Nam chỉ ở mức nhẹ, nghĩa là ít hơn 1mm/h. Tuy nhiên, lượng mưa rất đa dạng giữa giá trị lượng mưa thấp nhất và cao nhất, đặc biệt từ tháng 9 đến tháng 12/2016.

Hướng và tốc độ gió

Hướng và tốc độ gió được thể hiện bằng giá trị trung bình, thấp nhất và cao nhất mỗi tháng. Gió ở Quảng Nam chủ yếu ở hướng đông nam, tốc độ trung bình nhẹ, nghĩa là từ 1 đến 5 km/h (Hình 14). Tốc độ gió rất đa dạng trong mỗi tháng, đặc biệt là vào tháng 9 năm 2016, từ 0,8km/h (thấp nhất) đến 30km/h (cao nhất). Nhưng vẫn không đủ gây hại ngay cả với tốc độ cao nhất là 30km/h.

Nhận xét kết quả

Tóm lại, chúng ta có thể kết luận các dữ liệu cảm biến ở Quảng Nam trong Bảng 3. Trong đó, trị số "1" là  trường hợp xấu nhất và trị số "5" là trường hợp tốt nhất. Cần lưu ý rằng tính thống kê sẽ cho ra kết quả chính xác hơn nếu dữ liệu cảm biến được thu thập trong thời gian dài hơn, ví dụ, hơn 2 năm chẳng hạn.

 Box:

Trong khoảng hơn 10 năm nghiên cứu khoa học, GS Dương Quang Trung đã giành nhiều giải thưởng danh giá: 1 trong 8 nhà khoa học giành giải Fellowship của Hội Khoa học hoàng gia Anh Quốc từ năm 2016 đến năm 2021 (trị giá 1 triệu USD); giải thưởng Newton Prize 2017 của Chính phủ Anh (trị giá 200 nghìn bảng Anh); giải thưởng Nhà khoa học trẻ xuất sắc nhất năm 2016 của ĐH Queen's; được ĐH Queen's vinh danh là nhà khoa học có công trình nghiên cứu mang tính đột phá sáng tạo năm 2018.

Ông cũng đoạt giải thưởng công trình nghiên cứu khoa học xuất sắc nhất (Best Paper Award) tại các hội nghị hàng đầu về ngành Viễn Thông và mạng 5G như hội nghị IEEE GLOBECOM 2016 và 2019 được nhắc trên, hội nghị IEEE ICC 2014 tại Australia, hội nghị IEEE VTC 2013 tại Đức.

Cũng trong năm 2019, GS Dương Quang Trung góp tên trong danh sách 100.000 nhà khoa học có trích dẫn nhiều nhất thế giới năm 2017 do Tạp chí PLoS Biology công bố.

Đồng thời, Giáo sư cũng là tác giả chính và đồng tác giả của hơn 340 công trình nghiên cứu khoa học được đăng trên các tạp chí chuyên ngành và hội nghị quốc tế (trong đó có hơn 200 công trình thuộc tạp chí danh mục ISI).