301050

LỜI NÓI ĐẦU Việc ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh (GPS) trong các bài toán quản lý phương tiện giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới. Với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả, mang lại giá trị gia tăng cao dựa trên nền tảng của các dịch vụ viễn thông. Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông… tuy nhiên các ứng dụng GPS mang tính tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội vẫn chưa được phổ biến. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý vị trí và hành trình các tàu đánh bắt cá xa bờ đang trở thành nhu cầu cấp thiết, phục vụ yêu cầu quản lý của các cơ quan nhà nước, hỗ trợ công tác tìm kiếm cứu nạn và cảnh báo thiên tai trên biến. Đề tài đã thiết kế, chế tạo thiết bị chuyển đổi và thiết lập một hệ thống quản lý hành trình tàu cá trên biển bao gồm các thiết bị định vị, chuyển đổi dữ liệu lắp đặt trên các tàu đánh bắt cá xa bờ để truyền thông tin định vị về trung tâm, thiết bị thu nhận giải mã tín hiệu để truyền thông tin cho máy vi tính và hệ thống quản lý tập trung trên nền công nghệ quản lý bản đồ GIS. Mặc dù thời gian thực hiện đề tài có hạn, điều kiện thực hiện đề tài còn nhiều khó khăn nhưng nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thiện sản phẩm cả về phần cứng và phần mềm, đưa ra được 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, kết quả đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra. Ngoài phần mở đầu, kết luận - kiến nghị, Báo cáo kết quả đề tài gồm có 7 chương: Chương 1: Sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Chương 2: Tổng quan về công nghệ GPS Chương 3: Mô tả kỹ thuật hệ thống quản lý thông tin định vị tàu cá Chương 4: Thiết kế thiết bị chuyển đổi và bộ nhận dữ liệu. Chương 5: Chương trình quản lý dữ liệu GPS tàu cá trên nền GIS Chương 6: Quá trình thử nghiệm trên tàu cá. 5 Chương 7 Phân tích hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống quản lý thông tin định vị và hành trình tàu đánh bắt cá xa bờ. Cơ quan chủ trì, Chủ nhiệm và nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn Bộ Thông tin và Truyền thông, Vụ Khoa học- CN và các đơn vị trực thuộc Bộ, UBND tỉnh Bình Định, Sở Khoa học và Công nghệ cùng các sở ngành trong tỉnh, các tổ chức và cá nhân đã tham gia đóng góp góp ý kiến và hỗ trợ chúng tôi hoàn thành đề tài này. Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 6 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI TỔ CHỨC, CÁ NHÂN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI “ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI BẰNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỂ TRUYỀN THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TÀU CÁ QUA THIẾT BỊ LIÊN LẠC VÔ TUYẾN ICOM ” CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: SỞ BƯU CHÍNH, VIỄN THÔNG BÌNH ĐỊNH Địa chỉ: 13- Hà Huy Tập- Thành phố Quy Nhơn Điện thoại: 056 815519 Fax: 056 815517 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGÔ ĐÔNG HẢI CƠ QUAN THAM GIA PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I - HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT CÁ NHÂN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: Họ và tên Cơ quan công tác Thời gian làm việc cho đề tài (Số tháng quy đổi) 1 Phan Vũ Ngọc Trường Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 10 2 Trần Ngọc Vinh Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 10 3 Nguyễn Nguyên Võ Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 6 4 Ngô Hồng Vương Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 8 5 Trần Quang Triết Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 8 6 Đỗ Minh Đức Sở Bưu chính, Viễn thông Bình Định 8 7 Đặng Hoài Bắc Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Kỹ thuật Điện tử I Học viện CN BCVT 10 8 Nguyễn Trung Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Kỹ thuật Điện tử I Học viện CN BCVT 10 MỞ ĐẦU 7 1. Yêu cầu thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài: Trong thời gian qua, nhất là sau cơn bão ChanChu đầu năm 2006, tai nạn nghề cá, đặc biệt là tai nạn do bão đối với các tàu đánh bắt cá xa bờ, liên tiếp xảy ra gây thiệt hại lớn đến tính mạng và tài sản của ngư dân. Công tác cứu hộ cứu nạn sau thiên tai còn gặp nhiều khó khăn và hạn chế. Một trong nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên là những hạn chế về khả năng nắm bắt và quản lý thông tin về số lượng, vị trí, địa bàn hoạt động và hành trình đánh bắt của các tàu cá. Một vấn đề cấp thiết được đặt ra là làm thế nào để có thể quản lý, nắm bắt được hành trình và vị trí của các tàu đánh bắt cá trong phạm vi lãnh hải Việt Nam. Thực tế đó đòi hỏi cần phải nghiên cứu, xây dựng các hệ thống thông tin, liên lạc cho các tàu đánh bắt cá xa bờ sao cho từ đất liền có thể liên lạc và kiểm soát được số tàu, vị trí từng con tàu trên biển phục vụ công tác cảnh báo sớm thiên tai, hướng dẫn phòng tránh và hỗ trợ công tác tìm kiếm, cứu nạn sau khi thiên tai xảy ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu của đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị trung gian truyền nhận thông tin định vị qua thiết bị liên lạc vô tuyến ICOM, có khả năng xác định toạ độ, quản lý hành trình của tàu đánh bắt cá xa bờ bằng chương trình quản lý tập trung trong phạm vi dưới 1000 km. Kiến nghị các chương trình, biện pháp, giải pháp nhằm quản lý thông tin về tọa độ và hành trình của các tàu đánh bắt cá xa bờ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng giải pháp có khả năng tận dụng hạ tầng hệ thống thông tin vô tuyến hiện có (hệ thống các Đài thông tin duyên hải, các trạm thu phát vô tuyến của các tổ chức, các nhân, máy thu phát vô tuyến trên tàu cá ngư dân) để truyền đưa tín hiệu thông tin định vị tàu cá và các thông tin cảnh báo, hướng dẫn khác. Chỉ nghiên cứu chế tạo các thiết bị bổ sung, có thể kết hợp với các thiết bị sẵn có (của ngư dân và của hệ thống thông tin khác) mà không cần thay đổi hoàn toàn trang thiết bị, thói quen thông tin liên lạc của người dân. 8 Sản phẩm phải có giá thành thấp, phù hợp với yêu cầu và khả năng đáp ứng trong nước; vận hành, sử dụng đơn giản, không tốn thêm chi phí; có khả năng đưa vào sản xuất số lượng lớn và thương mại hoá để áp dụng phổ biến. 4. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp sau đây được sử dụng để thực hiện đề tài: - Phương pháp chuyên gia: trên cơ sở lý luận và tham vấn chuyên gia đầu ngành có kinh nghiệm về nghiên cứu và thiết kế các hệ thống thiết bị kỹ thuật điện tử, xây dựng phương án và kỹ thuật cơ bản để thực hiện đề tài. - Phương pháp thực nghiệm: Trên cơ sở đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tìm hiểu thực trạng sử dụng thiết bị liên lạc vô tuyến nghề cá, đề tài đã tập trung nghiên cứu kỹ thuật thông tin định vị vệ tinh từ thiết bị GPS, phương pháp mã hóa và truyền/ nhận thông tin thông qua thiết bị vô tuyến ICOM và phương pháp quản lý, biểu diễn thông tin trên nền GIS để lựa chọn giải pháp phù hợp với thực tiễn Việt Nam. - Phương pháp thu thập số liệu và xử lý thống kê: theo dõi thu thập các thông số kỹ thuật, xử lý các số liệu thống kê thu được từ kết quả thực nghiệm để điều chỉnh phương án và hoàn chỉnh giải pháp kỹ thuật. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lắp đặt trên tàu cá có chức năng định vị thông qua vệ tinh, truyền dữ liệu định vị vào đất liền thông qua máy vô tuyến ICOM. - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị nhận dữ liệu lắp đặt tại trung tâm quản lý có chức năng nhận thông tin từ máy ICOM, giải mã và chuyển dữ liệu định vị nhận được cho máy tính. - Nghiên cứu giải pháp nhận thông tin và xây dựng chương trình mô phỏng quản lý thông tin trên nền GIS. - Kiến nghị các chương trình, biện pháp, giải pháp nhằm quản lý thông tin về tọa độ và hành trình của các tàu đánh bắt cá xa bờ. 9 6. Tổ chức thực hiện Căn cứ đề cương và dự toán kinh phí đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền nhận thông tin định vị tàu đánh bắt cá thông qua thiết bị liên lạc vô tuyến Icom” tại Hợp đồng Khoa học kỹ thuật số 100/HĐ-KHKT ngày 28/2/2007 giữa Văn phòng Bộ Bưu chính, Viễn thông (nay là Bộ Thông tin và Truyền thông) và Sở Bưu chính, Viễn thông V/v thực hiện Đề tài khoa học kỹ thuật, mã số: 100-07-KHKT-QL. Sở Bưu chính, Viễn thông và cá nhân chủ trì đề tài cùng các cộng sự đã tổ chức thực hiện đề tài theo đúng tiến độ: STT Nội dung thực hiện Thời gian thực hiện Kết quả đạt được (1) (2) (3) (4) 1 Xây dựng đề cương chi tiết 02/2007 Đề cương chi tiết của đề tài. 2 Khảo sát điều kiện thực tế và xây dựng phương án thực hiện đề tài. 03/2007 Phương án thực hiện chi tiết phù hợp với yêu cầu của đề tài và thời gian hoàn thành. 3 Thiết kế hệ thống và chế tạo các thiết bị giao tiếp 03/2007 – 07/2007 Mô hình chi tiết của kiến trúc hệ thống. Bộ đọc dữ liệu GPS Bộ giao tiếp phát với thiết bị ICOM Bộ giao tiếp nhận dữ liệu từ thiết bị ICOM CSDL của chương trình quản trị hệ thống 4 Tổ chức triển khai xây dựng chương trình quản lý thông tin định vị 03/2007 -07/2007 Chương trình giao tiếp giữa thiết bị với máy tính. Chương trình quản lý số liệu thông tin định vị. Chương trình xử lý số liệu cho bản đồ. 5 Kiểm tra chức năng hệ thống 08/2007 Hệ thống vận hành đúng theo thiết kế, các thông số kỹ thuật đạt yêu cầu đề ra 6 Triển khai cài đặt phần mềm, thử nghiệm hệ thống trên đất liền. 08/2007 – 09/2007 Phần mềm được cài đặt hoàn chỉnh và vận hành thông suốt. 7 Vận hành thử nghiệm ngoài hiện trường 05/2007 – 10/2007 Lựa chọn 05 tàu cá để triển khai thử nghiệm 8 Hội thảo 10/2007 12/2007 Đã tổ chức 01 Hội thảo nội bộ, 01 Hội thảo chuyên gia và 01 Hội thảo rộng rãi. Sau 10 tháng thực hiện, đề tài đã thu được những kết quả tốt, đáp ứng được các mục tiêu đề ra. Hệ thống thiết bị và chương trình quản lý được chế tạo đảm bảo các yêu cầu thực tế, vận hành tốt trong thực nghiệm và cho ra các kết quả khả quan. 10 CHƯƠNG I. SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Sơ lược tình hình nghiên cứu ngoài nước: Trên thế giới hiện đã có nhiều hệ thống quản lý định vị tàu biển với quy mô toàn cầu hoặc khu vực: ví dụ hệ thống Ship Global Navigation là hệ thống thông tin quản lý tàu biển thông qua vệ tinh có phạm vi phủ sóng trên toàn cầu; Hệ thống tự động nhận dạng AIS (Automatic Identification System) là một hệ thống thông tin liên lạc cho phép các tàu trao đổi các thông tin về nhận dạng vị trí, hướng, tốc độ với nhau hoặc trao đổi với các trạm trên bờ. Hệ thống này đã được xây dựng thành một tiêu chuẩn quốc tế cho ngành Hàng hải và bắt buộc yêu cầu sử dụng đối với một số loại tàu như các tàu viễn dương, tàu chở hàng lớn (từ 300 tấn trở lên), các loại tàu chở khách… Các hệ thống như trên là những hệ thống định vị, truyền tin với công nghệ hiện đại, có những đặc điểm sau: - Việc định vị và truyền tin được thực hiện thông qua hệ thống thông tin vệ tin toàn cầu. Tàu biển tham gia vào các hệ thống này phải là thành viên chính thức của tổ chức quản lý hệ thống. - Được sử dụng cho các loại tàu biển cỡ lớn, tàu vận tải hàng hóa hoặc hành khách hoặc các tàu đánh bắt cá hiện đại có hải trình dài ngày vòng quanh thế giới. - Để tham gia được vào hệ thống này, tàu biển và các tổ chức liên quan trên bờ phải được trang bị các hệ thống trang thiết bị hiện đại, đòi hỏi kinh phí đầu tư thiết bị trạm gốc và thiết bị di dộng rất cao. Thêm vào đó, lệ phí và phí thuê bao tham gia hệ thống cũng rất lớn. Theo một số chuyên gia, ước tính ban đầu cho thấy cần một số vốn chừng 63 triệu USD để cung cấp thiết bị cho khoảng 7.000 tàu đánh cá xa bờ với kinh phí lắp đặt mỗi thiết bị khoảng 1.000 USD/tàu - Thông tin chỉ dẫn, cảnh báo truyền đưa trong các hệ thống dạng này thường được thực hiện bằng các ngôn ngữ giao tiếp quốc tế thông dụng như tiếng Anh, tiếng Bồ Đào Nha. Người sử dụng hệ thống cũng cần phải có trình độ thích hợp và phải được đào tạo cơ bản. 1.2. Sơ lược tình hình nghiên cứu trong nước: a. Các nghiên cứu về công nghệ định vị vệ tinh: 11 Hiện nay, trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ định vị vệ tinh phục vụ quản lý các trang thiết bị, phương tiện thường xuyên di chuyển. Ví dụ các hệ thống quản lý taxi, định vị quản lý các đội xe vận tải, xe vận chuyển bưu chính . Đặc biệt, gần đây đã có nghiên cứu về thiết bị hiển thị vị trí và tốc độ của tàu hỏa cho người lái tàu đạt giải 3 Trí tuệ Việt Nam. Với mục đích theo dõi và giám sát các phương tiện chuyển động trong bài toán quản lý giao thông đô thị, toạ độ và thời gian hiện tại của phương tiện xác định bởi đầu thu tín hiệu GPS được lưu giữ và truyền về trung tâm điều khiển theo hai phuơng thức trực tuyến và không trực tuyến. Thiết bị thu thập dữ liệu cho phép lưu giữ một số lượng lớn thông tin kỹ thuật của phương tiện vận chuyển như mã số phương tiện, thời gian hoạt động, thời điểm dừng, tốc độ tối đa, toạ độ di chuyển…Các dữ liệu này được trao đổi với trung tâm điều khiển thông qua mạng thông tin di động (GSM) hoặc kênh truyền dữ liệu vô tuyến (BlueTooth). Ngoài ra thiết bị có thể nhận các thông tin điều khiển từ trung tâm qua hệ thống nhắn tin (SMS) hoặc truyền dữ liệu qua kênh GPRS. Hiện nay tại Việt nam phạm vi phủ sóng của hệ thông tin di động GMS đã được mở rộng tại tất cả các tỉnh trên cả nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai hệ thống trong thực tế. Hình 1.1 Hệ thống quả lý phương tiện vận tải. Tuy nhiên, các công nghệ nói trên đều dựa trên cơ sở sử dụng các thiết bị định vị vệ tinh (GPS) bán sẵn trên thị trường, và ở dạng đơn giản là tìm các đọc thông tin vị trí và hiển thị thông tin đó (giải pháp hiển thị vị trí và vận tốc tàu hỏa), hoặc truyền nhận thông tin định vị về một trung tâm xử lý để tổ chức quản lý, điều hành (hệ thống 12 quản lý taxi, xe bưu chính). Việc truyền nhận thông tin hiện chỉ được thực hiện thông qua hệ thống thông tin di động toàn quốc. Do đó, loại sản phẩm này có các nhược điểm sau: - Thiết bị quản lý phức tạp, chi phí đầu tư cao do phải liên kết với hệ thống hạ tầng thông tin di động. - Giá thành thiết bị đầu cuối cao, phải mất chi phí truyền tin cho mỗi lần gửi tin, không phù hợp với đối tượng sử dụng là ngư dân. - Chỉ hoạt động được trên đất liền và ven bờ, nơi có sóng thông tin di động. b. Các nghiên cứu về quản lý, hỗ trợ tàu đánh bắt cá: Từ năm 1998 đến năm 2001, Chương trình Quốc gia về Tự động hoá đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu và Chế tạo thử nghiệm hệ thống thu – phát trực canh cứu nạn chuyên ngành trên biển. Đề tài đã được nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thành công tại hai địa điểm Phú Yên (tháng 3/2000 ) và Nghệ An (tháng 5/2001). Tuy nhiên, hạn chế của đề tài này là mới chỉ tập trung cho đối tượng ngư dân đánh bắt gần bờ; mặt khác, đây chỉ là phương án trực canh thông báo bão, chưa có chức năng quản lý vị trí tàu cá. Hiện nay, chức năng trực canh thông báo bão đã được các Đài thông tin duyên hải đảm nhiệm. 13 CHƯƠNG 2. TỒNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 2.1 Tìm hiểu các hệ thống dẫn đường Các phương pháp dẫn đường lần lượt ra đời cho phép người đi biển có được vị trí chính xác và liên tục. Sự ra đời của các phương tiện hiện đại như máy bay, tàu vận tải cỡ lớn, tàu vũ trụ … đòi hỏi phải có giải pháp xác định vị trí một cách chính xác liên tục. Kỹ thuật dẫn đường và xác định vị trí (navigation) không chỉ còn giới hạn trong việc dẫn dắt tàu thủy mà được mở rộng ứng dụng cho việc dẫn đường cho máy bay, tàu vũ trụ và những phương tiện vận tải trên mặt đất, cùng với sự ra đời của các thuật ngữ mới: dẫn đường: hàng không (air navigation), du hành vũ trụ (space navigation), dẫn đường hàng hải (marine navigation) và dẫn đường trên mặt đất (land navigation). Vào khoảng sau những năm 1920s, trên thế giới xuất hiện những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện đã tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu. Những hệ thống hàng hải vô tuyến điện đó bao gồm: các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như đèn hiệu vô tuyến (radio beacons), radar, máy tìm phương, các thiết bị có tầm hoạt động dài hơn (còn được gọi là hệ thống dẫn đường hyperbol) như các hệ thống OMEGA, DECCA và LORAN-C. Những hệ thống dẫn đường này chủ yếu được sử dụng để dẫn tàu và máy bay. 2.1.1 Hệ thống dẫn đường OMEGA. OMEGA là hệ thống dẫn đường hyperbol dựa trên việc đo lệch pha tín hiệu giữa trạm phát (ít nhất từ ba trạm) và máy thu ở tần số 10-14 kHz. Việc triển khai hệ thống OMEGA được bắt đầu vào giữa thập niên 60, sau một thời gian chạy thử trên một số trạm phát, nhưng lịch sử của hệ thống này có thể lùi lại vào ngay sau những năm sau Đại chiến thế giớ 2. Trước khi hệ thống OMEGA ra đời, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thí nghiệm trên việc sử dụng tín hiệu tần số rất thấp (VLF very low frequency) bằng các hệ thống so sánh pha. Ưu điểm của hệ thống này xuất phát từ việc tận dụng tần số rất thấp cho phép bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất bằng tám trạm phát sóng (xem Bảng 2.1). 14