Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Thiết kế triển khai hệ thống công nghệ thông tin ứng dụng hoạt động rà phá bom mìn

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Thiết kế triển khai hệ thống công nghệ thông tin ứng dụng hoạt động rà phá bom mìn Lê Đình Sơn*, Đồng Thanh Tùng Học viện Kỹ thuật quân Ngày nhận 6/2/2017; ngày chuyển phản biện 16/2/2017; ngày nhận phản biện 28/3/2017; ngày chấp nhận đăng 31/3/2017 Tóm tắt: Hệ thống ứng dụng công nghệ thông tin hoạt động rà phá bom mìn (RPBM) Tổ chức hành động nhân đạo bom mìn (GICHD - Geneva International Centre for Humanitarian Demining) xây dựng với tên gọi IMSMA (The Information Management Software for Mine Action), ứng dụng rộng rãi giới Tuy nhiên vấn đề quyền phần mềm, muốn tùy biến theo điều kiện riêng phải phụ thuộc hoàn toàn vào đơn vị cung cấp, khiến Việt Nam gặp nhiều khó khăn việc ứng dụng hệ thống Để khắc phục, nhóm nghiên cứu xây dựng hệ thống cơng nghệ thông tin nhằm nâng cao chất lượng hoạt động RPBM, làm sở cho việc xây dựng đồ ô nhiễm bom mìn Việt Nam thời gian tới Từ khố: Bản đồ từ trường, máy dị bom, quản lý chất lượng RPBM, thiết bị giám sát định vị, thiết bị nhúng Chỉ số phân loại: 2.2 Đặt vấn đề Designing and developing the it system for mine action operations Keywords: Embedded computer, magnetic map, MAO quality management, mine clearance vehicle, navigation devices Nhằm khắc phục hậu chiến tranh, nhiều quốc gia giới nghiên cứu chế tạo hệ thống thiết bị, phần mềm hỗ trợ để xác định vị trí, phục vụ cơng tác dị tìm, xử lý loại bom mìn cịn sót lại [1] Là nước chịu hậu nghiêm trọng chiến tranh, với hàng triệu hecta mặt đất, mặt nước tồn quốc bị nhiễm bom mìn, Việt Nam có thiết bị hỗ trợ hoạt động dị tìm, mà chưa tự xây dựng hệ thống tích hợp để quản lý, giám sát hoạt động Với mục tiêu xây dựng hệ thống đồng bộ, nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống công nghệ thông tin (IT) để quản lý liệu định vị (GPS Global Positioning System) mức độ từ trường đo từ máy dị bom mìn, góp phần nâng cao chất lượng hoạt động RPBM, làm sở cho việc lập đồ từ trường khu vực nghi ngờ tồn bom mìn, tiến tới xây dựng đồ nhiễm bom mìn Việt Nam Trong khn khổ báo này, nhóm nghiên cứu trình bày giải pháp tổng thể tốn quản lý, khơng trình bày tất thành phần hệ thống mà trình bày sâu hệ thống nhúng làm sở đầu vào cho toàn hệ thống Classification number: 2.2 Đối tượng phương pháp nghiên cứu Dinh Son Le*, Thanh Tung Dong Military Technical Academy Received February 2017; accepted 31 March 2017 Abstract: Applications of embedded systems in science and technology have been becoming the most attractive field in the Vietnamese scientific community In this paper, the authors present the study and implemention of an embedded computer for mine action operations (MAO) The evaluation and test of the system have been conducted on the mine clearance vehicle Vallon EL 1303D2 in the mine testing center The results have shown the ability of embedded technology in the mine action operations, and this is a basis to design a pollution mine map in Vietnam Tổng quan mơ hình toán quản lý hoạt động RPBM * Tác giả liên hệ: Email: sonld2004@gmail.com 16(5) 5.2017 34 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Theo kết thống kê sơ bộ, Việt Nam có tới 9.284/10.511 xã nước bị nhiễm bom mìn, với diện tích khoảng 6,6 triệu ha, chiếm 20% tổng diện tích, phân bố rải rác 63 tỉnh/thành phố Trong đó, có khoảng 925.600 cịn nhiều bom mìn, vật nổ, chiếm 13,9% Tổng diện tích loại đất canh tác bị bỏ hoang bom mìn 435.900 ha, chiếm gần 7% [2] Trong toán quản lý hoạt động RPBM, việc xác định vị trí nghi ngờ có tồn bom mìn quan trọng Tại Việt Nam nay, thường dùng thiết bị hãng nước ngồi cung cấp Tuy nhiên, chi phí quyền hệ thống phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị RPBM lớn phải hiệu chỉnh số tham số sử dụng với địa chất Việt Nam, đồng thời việc yêu cầu cung cấp thông tin khai thác hệ thống phần mềm phức tạp Vì vậy, việc tự xây dựng hệ thống tích hợp phần cứng phần mềm ứng dụng hoạt động RPBM Việt Nam có ý nghĩa Thiết kế hệ thống IT ứng dụng hoạt động RPBM Trên sở khảo sát yêu cầu đơn vị tham gia hoạt động RPBM, tìm hiểu nhu cầu xử lý thông tin, xác định đối tượng tham gia hệ thống bao gồm: - Người dân, tổ chức bị ảnh hưởng bom mìn cịn sót lại sau chiến tranh cần có thơng tin địa điểm an tồn, khơng an tồn sinh sống, học tập cơng tác Mặc dù có nhiều dự án triển khai thực hiện, mang tính đơn lẻ, chưa có khả tra cứu, đánh giá mức độ ô nhiễm bom đạn thực tế toàn lãnh thổ Việt Nam Vì vậy, việc xây dựng hệ thống IT hỗ trợ công tác cần thiết - Người quản lý hoạt động RPBM cần có hệ thống hỗ trợ nâng cao chất lượng cơng việc, góp phần quản lý, đánh giá chất lượng hoạt động RPBM, giúp giảm thiểu sai sót, mát khơng đáng có - Người trực tiếp tham gia hoạt động RPBM vừa cần nắm vững chuyên môn, vừa cần hỗ trợ trang thiết bị để cơng việc thuận lợi, an tồn, xác Trên sở xây dựng hệ thống cho đối tượng nêu trên, chúng tơi đề xuất mơ hình quản lý quốc gia bom mìn Việt Nam hình 16(5) 5.2017 Hình Mơ hình tổng thể hệ thống quản lý hành động bom mìn Việt Nam Cổng thơng tin điện tử hành động quốc gia bom mìn: Hướng tới hệ thống Intranet quân Internet, đáp ứng nhu cầu khai thác khác tin tức liên quan tới khắc phục hậu bom mìn Việt Nam, liệu vùng bị nhiễm bom mìn, giám sát hoạt động RPBM đồ số, sở liệu quốc gia hành động bom mìn… Các đơn vị tác nghiệp: Mỗi đơn vị có tài khoản cổng thông tin, phục vụ việc quản lý điều hành nội bộ, cung cấp thông tin cần thiết dự án RPBM đơn vị thực Đơn vị tác nghiệp (các tổ đội thi công RPBM) trang bị hệ thống máy dị tích hợp thiết bị nhúng, giúp thu thập liệu dị hỗ trợ cơng tác điều hành cho người huy khu vực dị tìm Kết dị tìm báo cáo dạng liệu từ trường, GPS khu vực RPBM gửi sở liệu cổng thông tin Các đối tượng liên quan: Bao gồm quan nhà nước, tổ chức xã hội, cá nhân có nhu cầu khai thác thông tin liên quan qua cổng thông tin Với mơ hình tổng thể trên, ngồi cổng thơng tin điện tử cung cấp thông tin hành động RPBM, hệ thống hỗ trợ điều hành, thu thập liệu từ trường, rà phá cho tổ đội trực tiếp thực (hình 2) 35 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ hãng Foerster (chiếm 25,44%) Nhóm nghiên cứu tập trung vào khai thác máy dò Vallon EL 1303-D2 Nguyên lý hoạt động máy dò thể hình Hình Máy dị bom, mìn EL 1303-D2 Hình Mơ hình ứng dụng hệ thống quản lý hành động bom mìn Việt Nam Máy chủ Web: Cài đặt cổng thông tin điện tử theo mơ hình Web-base với đồ số ngơn ngữ lập trình ASP.Net, ArcEngine, cung cấp đầy đủ thơng tin cho nhà quản lý người khai thác hệ thống Máy chủ sở liệu: Cài đặt hệ quản trị sở liệu PostgreSQL/PostGIS, cho phép quản lý sở liệu thuộc tính khơng gian Máy huy dị mìn: Cài đặt phần mềm điều hành khu vực RPBM hệ điều hành Windows, ngơn ngữ lập trình NET, ArcEngine, hệ quản trị sở liệu PostgreSQL/PostGIS Hệ thống hỗ trợ người huy điều hành công tác RPBM trường, công cụ kết nối người quản lý cán trực tiếp làm công tác RPBM Bộ máy dò thiết bị nhúng: Hỗ trợ cán trường công tác: Tổng hợp số liệu, hiển thị, cảnh báo, đồng thời cung cấp liệu cho việc quản lý, xây dựng đồ ô nhiễm bom mìn Trong khuôn khổ báo, chúng tơi xin trình bày cụ thể việc thiết kế, chế tạo thiết bị nhúng tích hợp vào máy dị bom mìn, làm sở cho việc quản lý sau Nội dung nghiên cứu Giới thiệu máy dị tìm bom mìn Trang thiết bị chun dụng phục vụ cơng tác dị tìm bom mìn đa dạng, phân loại theo nhiều tiêu chí khác [3, 4]: Thiết bị cầm tay/thiết bị xe chuyên dụng; thiết bị đầu dò/thiết bị đa đầu dò; thiết bị dị tìm cạn/thiết bị dị tìm nước; phân loại theo cơng nghệ sử dụng để dị tìm bom mìn… Tại Việt Nam, chủ yếu sử dụng hệ máy dị bom mìn hãng Vallon (chiếm 51,57%) (hình 3), hệ máy dị 16(5) 5.2017 Hình Nguyên lý đo thay đổi từ trường gặp vật thể kim loại Bom mìn cịn sót lại lịng đất thường có từ tính mạnh vỏ làm thép hợp kim [5] Do tác động trường từ trái đất, chúng bị từ hóa (nhiễm từ) Máy dò EL 1303-D2 hoạt động dựa nguyên lý đo từ trường hình 4, gặp đối tượng nhiễm từ, máy dị thơng báo dạng âm biểu thị giá trị từ trường qua đồng hồ đo Đây tín hiệu hiển thị dạng đơn giản, việc xác định vị trí nghi ngờ có bom mìn hồn tồn phụ thuộc vào kinh nghiệm người thực Thiết kế, chế tạo thiết bị nhúng Phân tích chức năng: Trên sở phân tích ngun lý dị tìm bom mìn thông số kỹ thuật chủng loại thiết bị, nhóm nghiên cứu tập trung xây dựng thiết bị nhúng tích hợp vào máy dị tìm bom mìn Vallon EL 1303-D2 Mơ hình thiết kế hệ thống thể hình Bộ thiết bị bao gồm khối: Sơ cấp thứ cấp, với yêu cầu chức sau: - Khối sơ cấp: Nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào máy dị bom, khơng gây nhiễu từ trường; nguồn điện lấy từ bên sử dụng chung với máy dị bom; trích rút liệu đo trực tiếp từ bên máy dị bom mìn EL 1303-D2 (khơng thơng qua cổng đầu có sẵn máy) Khối sơ cấp có cấu tạo gồm: mơđun định vị GPS; thang đo liệu đồng với chế độ máy dò bom; xử lý đánh dấu vị trí nghi ngờ có bom, mìn; xử lý liệu (từ trường định vị GPS) theo thời gian thực, giúp tổng hợp liệu, ghi vào thẻ nhớ truyền đến khối thứ cấp thông qua cổng Bluetooth - Khối thứ cấp: Nhận liệu từ khối sơ cấp thông qua Bluetooth; xử lý, tổng hợp liệu từ trường, có nhiệm vụ tổng hợp nhiều gói liệu nhận từ khối sơ cấp thành gói tin tổng hợp, vị trí gói tin tổng hợp giá trị trung bình vị trí gói, giá trị từ trường 36 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ gói tin tổng hợp giá trị từ trường trung bình gói Thơng qua việc tổng hợp, khối thứ cấp tự động xác định vị trí nghi ngờ có bom mìn, đưa cảnh báo cho người sử dụng cường độ từ trường đổi chiều (từ âm sang dương từ dương sang âm) mức độ từ trường vượt ngưỡng, từ biểu diễn mức độ từ trường thu theo thời gian thực hiển thị vị trí dị tìm bom mìn đồ số, đồ lưới khu vực RPBM Khối sơ cấp khiển khối chức cịn lại; mơđun GPS có chức đọc, hiệu chỉnh tọa độ WGS84 theo thời gian thực UTC từ vệ tinh, lắp đặt với vị trí đầu dị máy dị; mơđun xử lý lưu trữ liệu (giá trị từ trường, thang đo, tọa độ WGS84, thời gian thực) thẻ nhớ SD-Card theo chế độ quay vòng, lưu hết dung lượng trống, tự động ghi đè lên vùng liệu cũ nhất, bảo đảm không bị thiếu liệu, giúp hạn chế tháo lắp thiết bị dò Dữ liệu ghi truyền bên (khối thứ cấp) qua cổng Bluetooth Với yêu cầu, chức môđun trên, phần cứng khối sơ cấp thiết kế chi tiết hình Tích hợp Gửi liệu qua Bluetooth Máy dị bom mìn EL 1303-D2 Khối thứ cấp Hình Mơ hình thiết kế thiết bị nhúng tích hợp máy dị bom Vallon EL 1303-D2 Thiết kế khối sơ cấp: Khối sơ cấp (có thể sử dụng chung nguồn pin với máy EL1303-D2 sử dụng nguồn trang bị độc lập) kết nối với máy dò Vallon EL 1303-D2 để đọc, tổng hợp, hiệu chỉnh giá trị từ trường, thang đo; hoạt động mức tiêu thụ lượng thấp để đảm bảo nguồn pin lâu dài Cấu tạo khối sơ cấp gồm thành phần (hình 6): Bộ vi xử lý trung tâm; đầu đọc thẻ nhớ; môđun kết nối Bluetooth; môđun GPS; nguồn cấp: 5V/DC; định thời - lập lịch cho hoạt động hệ thống theo thời gian [6] Hình Thiết kế khối sơ cấp Hình Mơ hình khối sơ cấp Trong đó, xử lý trung tâm thực kết nối, điều 16(5) 5.2017 Thiết kế khối thứ cấp: Với yêu cầu chức nhận, lưu trữ, hiển thị thông tin từ khối sơ cấp, khối thứ cấp sử dụng phần cứng điện thoại thông minh hệ điều hành Android, có hỗ trợ Bluetooth hiệu chỉnh để không gây nhiễu từ trường Các chức khối thứ cấp cung cấp qua phần mềm tích hợp nhóm nghiên cứu thiết kế (hình 8) 37 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Hình Hai mặt khối sơ cấp Hình 9: mặt khối sơ cấp Hình Một số hình ảnh phần mềm khối thứ cấp Phần mềm khối thứ cấp thiết kế tối ưu để tiết kiệm lượng, bao gồm môđun chức sau: - Quản trị tham số hệ thống: Hiển thị trạng thái pin, trạng thái kết nối khối (Bluetooth tắt, mở) - Quản trị việc lưu trữ, truyền liệu (dữ liệu truyền phải mã hóa), bật, tắt việc kết nối đến máy liên quan; thay đổi mật - Quản lý thông tin dự án: Thêm dự án, cập nhật liệu dự án mới, sửa dự án, xóa dự án, hiển thị danh sách dự án, xuất liệu dự án; hiển thị thông tin chi tiết dự án - Điều hành dự án: Lựa chọn dự án, hiển thị thông tin dự án, đọc liệu vị trí, từ trường, điểm đánh dấu qua Bluetooth lưu vào file liệu từ trường, tự động lưu liệu từ trường vào sở liệu, hiển thị đồ biến đổi cường độ từ trường theo thời gian thực [7, 8] Hình 10 thiết bị dị mìn trước sau tích hợp khối sơ cấp Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm kỹ thuật bãi thử nghiệm bom mìn Trạm kiểm định - Cục Kỹ thuật - Bộ Tư lệnh Cơng binh, Bộ Quốc phịng (hình 11) Thử nghiệm Các tham số đánh giá: Hệ thống đánh giá dựa việc kiểm tra tham số sau: Khả tích hợp cần đảm bảo gọn nhẹ, khơng ảnh hưởng tới tính máy dị bom mìn; thời gian sử dụng đảm bảo liên tục, nguồn pin dung lượng lớn sạc, ngồi khối sơ cấp nằm máy dị nên sử dụng nguồn pin máy dị, cơng suất khối phải phù hợp; độ xác, tin cậy phải cao, tín hiệu khối sơ cấp ghi lại từ máy dị bom mìn phải có độ xác cao, khơng bỏ sót, liệu truyền qua khối thứ cấp phải mã hóa; phải biểu diễn liệu thu theo thời gian thực, hiệu cao đưa vào sử dụng thực tế Tích hợp sử dụng máy dị có thiết bị nhúng: Dựa khơng gian bên máy dị EL 1303-D2, khối sơ cấp chế tạo thành mạch với kích thước 10,2x8,01 cm, mặt trước sau hình hình 10 16(5) 5.2017 Hình 11 thử nghiệm Trạm kiểm định, Cục Kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Công binh Đánh giá Với phương pháp truyền thống (không sử dụng hệ thống tự động), kết dị tìm bom mìn khơng mơ tả xác, dẫn tới nhiều sai sót việc xác định vị trí an tồn bom mìn, khơng đủ sở để xây dựng đồ số nhiễm bom mìn Qua q trình thử nghiệm, mức độ hiệu hệ thống ứng dụng công nghệ thông tin hoạt động RPBM nhóm nghiên cứu đánh sau: 38 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Về khả tích hợp: Thiết bị nhúng tích hợp thành cơng với máy dị bom Vallon EL 1303-D2, khơng làm ảnh hưởng đến hoạt động máy dị, khơng bị nhiễu từ thu tín hiệu từ trường từ máy dị Về độ xác, tin cậy: khối thứ cấp kết nối với khối sơ cấp thông qua đường truyền Bluetooth cho tín hiệu ổn định cự ly nhỏ m Việc kết nối khối sơ cấp thứ cấp bảo đảm thời gian, không bị mát thơng tin q trình truyền nhận Về thời gian đáp ứng: tín hiệu thu từ máy dị có giá trị khoảng -6,7 đến 6,7 V, giá trị cường độ từ trường thu khoảng từ đến 20.000 nT Tốc độ lấy mẫu trình thử nghiệm thiết bị nhúng mẫu/s Về khả áp dụng thực tế: khối sơ cấp lưu đầy đủ thông tin theo yêu cầu, đáp ứng công tác quản lý giám sát hoạt động RPBM với định dạng liệu thu đảm bảo yêu cầu lưu trữ bảo mật (hình 12) Cụ thể là: - Giá trị đo từ trường có mã lệnh $MDGTD (ID máy, giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm), mức tín hiệu đo từ trường (A tốt, V xấu), giá trị từ trường, tổng số vị trí GPS thu được, vị trí cơng tắc MODE, vị trí SENS (hiệu chỉnh thang đo), giá trị kiểm tra tồn vẹn gói liệu (CheckSum) - Giá trị GPS có mã lệnh $MDGPS (ID máy, giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm), mức tín hiệu đo từ trường (A tốt, V xấu), vĩ độ (tọa độ WGS84), Bắc/Nam, kinh độ (tọa độ WGS84), Đông/Tây, tốc độ di chuyển (km/h), góc chuyển động (độ), góc so với phương Bắc (độ), giá trị kiểm tra tồn vẹn gói liệu truyền nhận (CheckSum) Các liệu đồng tới khối thứ cấp q trình dị, làm sở để xác định vị trí nhiễm bom mìn, thiết bị có tính ứng dụng cao 16(5) 5.2017 Hình 12 liệu lưu trữ khối sơ cấp Kết luận Trên sở nghiên cứu mơ hình tốn quản lý hoạt động RPBM, cấu tạo, ngun lý hoạt động máy dị bom mìn Vallon EL 1303-D2, nhóm nghiên cứu xây dựng thiết bị với đầy đủ đặc điểm, tính thiết bị nhúng giải toán quản lý hoạt động RPBM Việc phát triển hệ thống thông tin hỗ trợ quản lý điều hành toàn hoạt động RPBM (bản đồ ô nhiễm bom mìn, cổng thông tin điện tử quốc gia bom mìn) sở thơng tin nhận từ thiết bị nêu hướng triển khai nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Introduction to Programming Embedded Systems, Department of Computer and Information Science, University of Pennsylvania, CSE480/CIS700 [2] Trung tâm Công nghệ xử lý bom mìn (2009), Dự án điều tra, khảo sát đánh giá tác động ô nhiễm bom mìn sót lại sau chiến tranh Việt Nam, Binh chủng Cơng binh, Bộ Quốc phịng [3] http://www.vallon.de [4] http://www.foerstergroup.de [5] Sổ tay Sỹ quan công binh (1980), Nhà xuất Quân đội [6] SIMCOM Ltd (2007), SIM548C Hardware Design V1.01 [7] USGS (2005), Geographic Information System U S Geological Survey, National Center, Reston, VA 20192, USA [8] Department of the Army (1959), Grenades and Pyrotechnics, Washington 25, D.C 39 ... hoạt động RPBM Việc phát triển hệ thống thông tin hỗ trợ quản lý điều hành toàn hoạt động RPBM (bản đồ nhiễm bom mìn, cổng thơng tin điện tử quốc gia bom mìn) sở thông tin nhận từ thiết bị nêu