Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin trong tiếp nhận và quản lý dữ liệu quan trắc môi trường tự động

Bài viết này được xây dựng theo mô hình dữ liệu tập trung. Cơ sở dữ liệu và ứng dụng sẽ được cài đặt, triển khai tại hệ thống máy chủ và tích hợp, hiển thị trên môi trường Web. Từ đó phục vụ công tác quản lý, vận hành hệ thống, giám sát số liệu quan trắc môi trường trực tuyến, nhằm tăng cường năng lực quản lý và hình thức khai thác, chia sẻ thông tin số liệu quan trắc môi trường.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG TIẾP NHẬN VÀ QUẢN LÝ DỮ LIỆU QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỰ ĐỘNG Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Vinh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 10/04/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 05/05/2017 Ngày báo duyệt đăng: 20/05/2017 Tóm tắt: Bài báo xây dựng theo mơ hình liệu tập trung Cơ sở liệu ứng dụng cài đặt, triển khai hệ thống máy chủ tích hợp, hiển thị mơi trường Web Từ phục vụ công tác quản lý, vận hành hệ thống, giám sát số liệu quan trắc môi trường (QTMT) trực tuyến, nhằm tăng cường lực quản lý hình thức khai thác, chia sẻ thông tin số liệu QTMT Là công cụ đắc lực phục vụ công tác điều hành, tác nghiệp quan quản lý Trung ương/địa phương việc áp dụng công nghệ công tác bảo vệ môi trường Việt Nam Đáp ứng nhu cầu thông tin điều tra phục vụ quản lý nhà nước bảo vệ môi trường phục vụ cơng tác dự báo, cảnh báo, phịng tránh, giảm nhẹ thiệt hại cố mơi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu Từ khóa: Mơ hình liệu tập trung, Cơ sở xử lý liệu, Quan trắc môi trường Mở đầu Những năm gần đây, Việt Nam đường hướng tới hội nhập quốc tế, bên cạnh việc tốc độ tăng trưởng kinh tế thị hóa nhanh, quyền cấp, quan hữu trách nhân dân có nhiều cố gắng, tình trạng nhiễm, suy thối mơi trường thành phố lớn, khu công nghiệp, vùng kinh tế trọng điểm tiếp diễn, làm cho chất lượng môi trường nhiều khu vực bị suy giảm đáng kể Để góp phần cải thiện chất lượng môi trường, ngành tài nguyên môi trường có mục tiêu hành động cụ thể [1, 2] Nhiều hoạt động quản lý, kiểm sốt nhiễm cấp, ngành quan tâm giải quyết, hoạt động quan trắc mơi trường nhằm cung cấp số liệu chất lượng không khí, chất lượng nước theo khơng gian thời gian trì thực nhiều năm [3] Thời gian qua, việc lắp đặt hệ thống quan trắc môi trường tự động khu công nghiệp tỉnh, địa phương nước bắt đầu đầu tư trọng, nhằm theo dõi, giám sát chất lượng môi trường cung cấp số liệu theo dạng thời gian thực đáp ứng tính xác, kịp thời phục vụ đắc lực cho công tác quản lý bảo vệ môi trường [4] Việc ứng dụng công nghệ thông tin hoạt động quan trắc môi trường đóng vai trị quan trọng công tác quản lý bảo vệ môi trường, tạo hiệu rõ rệt mặt kinh tế, thời gian nhân lực, giúp cung cấp số liệu chất lượng môi trường, dự báo xu hướng diễn biến thành phần môi trường nhằm đề xuất giải pháp quản lý sử dụng 62 hiệu tài nguyên thiên nhiên môi trường Việt Nam [5, 6, 7] Thực theo quy định Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24/4/2015 Chính phủ quản lý chất thải phế liệu; Thông tư số 35/2015/TT-BTNMT ngày 30/6/2015 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường bảo vệ môi trường khu kinh tế, khu công nghiệp, khu chế xuất, khu công nghệ cao; Thông tư số 43/2015/TTBTNMT ngày 29/9/2015 Bộ Tài nguyên Môi trường báo cáo trạng môi trường, thị môi trường quản lý số liệu quan trắc môi trường, số sở sản xuất, khu kinh tế, khu công nghiệp, khu chế xuất, khu công nghệ cao phải lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải, khí thải tự động, liên tục đảm bảo yêu cầu kỹ thuật kết nối để truyền kết quan trắc tự động, liên tục quan quản lý nhà nước [8, 9, 10] Bài báo đưa số nghiên cứu, đánh giá ứng dụng công nghệ thông tin tiếp nhận, quản lý số liệu QTMT dựa kết nghiên cứu thử nghiệm quan quản lý nhà nước môi trường trung ương địa phương nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ thông tin quản lý, giám sát chất lượng môi trường Việt Nam Nghiên cứu phương án xây dựng hệ thống truyền, nhận quản lý liệu hệ thống QTMT tự động 2.1 Yêu cầu hệ thống truyền, nhận quản lý liệu (datalogger) [11] (*) Mơ hình hệ thống truyền, nhận quản lý liệu trung tâm, Hình (*) Yêu cầu tiếp nhận, lưu giữ quản lý Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 liệu: Phải kết nối trực tiếp đến thiết bị đo, phân tích, điều khiển (data controller), hệ thống lấy mẫu tự động (đối với hệ thống quan trắc môi trường nước mặt nước thải tự động, liên tục) mà khơng thơng qua thiết bị khác; Tín hiệu đầu dạng số (digital); Đảm bảo lưu trữ liên tục 30 ngày liệu gần Các liệu lưu giữ tối thiểu gồm: Tên thông số, kết đo, đơn vị đo, thời gian đo; Đảm bảo tiếp nhận lưu giữ liệu trạng thái thiết bị đo; Các trạng thái thiết bị đo tối thiểu bao gồm đo, hiệu chuẩn báo lỗi thiết bị; Đảm bảo hiển thị trích xuất liệu chỗ (*) Yêu cầu kết nối truyền/nhận liệu: Đường truyền internet tối thiểu mức 3-10Mb/s; Kết nối truyền liệu phương thức FTP Truyền số liệu (Pull) Bộ điều khiển: (Data Controller) Thiết bị đo, phân tích Lấy số liệu, giám sát, điều khiển lấy mẫu (trạm nước) (Pull) Truyền số liệu (Pull) - Thiết bị lưu trữ, truyền nhận số liệu: Chuyển đổi tín hiệu Lưu trữ số liệu Truyền nhận số liệu Địa IP tĩnh Có tài khoản truy cập Sở TN&MT: Địa IP tĩnh Nhận số liệu Lưu trữ số liệu Quản lý tài nguyên mật truy cập Dữ liệu trung bình (*) Dữ liệu thời gian thực Dữ liệu tối thiểu phút sau thiết bị kiểm tra - Bộ TN&MT: (Tổng cục Môi trường) - Nhận số liệu - Lưu trữ số liệu Hình Mơ hình hệ thống truyền, nhận quản lý liệu (*)Thực truyền đồng thời thơng số có giá trị quan trắc vượt ngưỡng theo quy chuẩn hành với trạm quan trắc môi trường nước tự động liên tục, thơng số có giá trị quan trắc lớn khoảng thời gian 01giờ truyền trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động, liên tục Dữ liệu truyền theo thời gian thực từ trạm quan trắc môi trường quan quản lý nhà nước ngành tài nguyên môi trường địa phương từ địa phương lên trung ương theo địa IP tĩnh, tối thiểu sau 05 phút kết quan trắc hệ thống trả ra, lần 01 tệp liệu; Đảm bảo đồng thời gian thực theo chuẩn quốc tế múi Việt Nam (GMT+7) Trường hợp việc truyền liệu bị gián đoạn, sau việc truyền liệu hoạt động trở lại, hệ thống tự động thực truyền lại liệu khoảng thời gian bị gián đoạn Đảm bảo nhận tín hiệu điều khiển từ quan quản lý phục vụ việc tự động lưu mẫu từ xa (đối với hệ thống quan trắc môi trường nước mặt nước thải tự động, liên tục) kiểm tra giám sát lấy liệu có yêu cầu; Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 (*) Yêu cầu định dạng nội dung tệp liệu: Dữ liệu định dạng theo dạng tệp liệu *.txt Nội dung tệp liệu bao gồm thơng tin chính: Tên thơng số, kết đo, đơn vị đo, thời gian đo, trạng thái thiết bị đo (nếu có) (*) Yêu cầu bảo mật tính tồn vẹn liệu: Sau trạm quan trắc môi trường tự động liên tục vào hoạt động thức, hệ thống phải kiểm sốt truy cập tài khoản mật Tài khoản mật thiết lập, quản lý quan quản lý nhà nước môi trường địa phương Đảm bảo chịu trách nhiệm bảo mật, tính tồn vẹn liệu địa IP tĩnh nơi truyền liệu Journal of Science and Technology 63 ISSN 2354-0575 2.2 Yêu cầu sở hạ tầng Có tối thiểu từ 01 đến 03 máy chủ có cấu hình tối thiểu, cụ thể: Bộ vi xử lý 2,5 Ghz; Bộ nhớ (RAM) 32 Gbps; Ổ cứng 2-5 Tbps; Đường truyền internet tối thiểu mức 3-10 Mbps/s; Phải có địa IP (Internet Protocol) tĩnh thông báo địa IP tĩnh với quan quản lý Ngồi có tối thiểu 2-10 hình (tối thiểu 40 inch) phục vụ hiển thị, theo dõi giám sát liệu quan trắc tự động liên tục theo thời gian thực 2.3 Yêu cầu hệ thống phần mềm quản lý việc truyền, nhận liệu Cơ sở liệu đảm bảo lưu trữ liệu từ tất trạm quan trắc tự động liên tục địa bàn để quản lý tối thiểu thông tin tên trạm, thông số đo, kết đo, thời gian đo, trạng thái thiết bị đo (nếu có) thơng số vượt ngưỡng Phần mềm đảm bảo tối thiểu chức sau: trích xuất liệu theo hình thức bảng biểu, biểu đồ; quản lý, hiển thị liệu (tên trạm, thông số, kết đo, thời gian, trạng thái thiết bị thơng số vượt ngưỡng); tính tốn so sánh biên tập liệu (tính tốn giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, giá trị trung bình, so sánh kết với qui chuẩn Việt Nam); kiểm soát số liệu tương quan thông số; theo dõi cảnh báo trực tuyến (dữ liệu vượt chuẩn, gián đoạn truyền liệu; quản trị hệ thống (tạo phân quyền tài khoản) Phần mềm đảm bảo chủ động điều khiển lấy liệu data logger lấy mẫu tự động từ trạm quan trắc môi trường tự động liên tục Xây dựng sở liệu Hệ thống quan trắc tự động mơ hình hóa Hình trường Để đánh giá thay đổi chất lượng thành phần môi trường theo thời gian, không gian cần xây dựng sở liệu lâu dài theo không gian cập nhật thường xuyên Phần mềm theo dõi, giám sát liệu quan trắc môi trường thiết kế xây dựng theo quy trình kết nối liệu Ở giai đoạn tác nhân hệ thống xác định tác động sử dụng hệ thống bao gồm tác nhân Hình Hình Mơ hình truy cập CSDL Các đối tượng quản lý hệ thống bao gồm số liệu quan trắc môi trường (bao gồm thơng số, nhóm thơng số, thành phần, giá trị quan trắc, thời điểm, ngưỡng trên, ngưỡng dưới) thông tin trạm quan trắc môi trường tự động (bao gồm mã trạm, tên trạm, địa chỉ, tọa độ, thông tin kết nối, thông tin gián đoạn truyền số liệuvà trạng thái hoạt động) Ngồi ra, chức hiển thị thơng tin dạng mơ hình hóa biểu đồ hỗ trợ cho người sử dụng đánh giá thay đổi tiêu phân tích theo khơng gian thời gian Hình Hình Hệ thống quan trắc tự động Việc quan trắc, lấy mẫu phân tích cần thiết việc giám sát, đánh giá chất lượng mơi 64 Hình Mơ hình use-case quản trị hệ thống Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Cấu trúc phân quyền quản trị Mơ hình use-case quản trị hệ thống quản lý số liệu, Hình Hệ thống thơng tin truyền nhận liệu từ trạm quan trắc, khu công nghiệp, sở sản xuất… xây dựng theo cấu trúc lớp (3-tier structure), bao gồm tầng trình diễn (presentation), tầng nghiệp vụ tầng liệu, Hình Hình Mơ hình lớp (3-tiers) Hình Mơ hình phân rã chức Cơ sở liệu quan trắc mơi trường xây dựng hồn tồn mới, phân tích thiết kế theo mơ hình nghiệp vụ chi tiết ràng buộc chặt chẽ đối tượng quản lý, hồn tồn tn theo mơ hình sở liệu sở liệu tiêu chuẩn, Hình Hình trình bày mơ hình liên kết sở liệu dựa thông tin phân tích thiết kế trên, Khoa học & Cơng nghệ - Số 14/Tháng - 2017 thực xây dựng phần mềm theo module, sản phẩm lập trình mã nguồn (source code) cài đặt (dạng đóng gói theo tiêu chuẩn) với trường hợp sử dụng Thực việc kiểm tra triển khai cài đặt phần mềm, CSDL máy chủ đơn vị chuyển đổi liệu từ trạm quan trắc môi trường tự động tích hợp vào CSDL cài đặt Journal of Science and Technology 65 ISSN 2354-0575 máy chủ đơn vị Hình Mơ hình liên kết sở liệu Kết thảo luận Sau cài đặt phần mềm, người dùng truy cập vào phần mềm sử dụng chức sau: Chức quản lý user nhóm users, chức thiết lập cảnh báo, quản lý liệu bản, chức theo dõi số liệu trực tuyến Hình Chức theo dõi dạng widget Đối với chức theo dõi trạm quan trắc môi trường tự động từ trạm, khu công nghiệp… cho phép quản lý không giới hạn trạm quan trắc tham gia vào hệ thống thông tin truyền nhận liệu quan trắc Đối với trạm, thiết lập phương án hiển thị theo dõi khác Ví dụ, chức theo dõi dạng widget (các thông số kèm theo giá trị cụ thể), cho phép theo dõi tồn thơng số quan trắc trạm, theo dõi giá trị vượt chuẩn theo tỷ lệ % số liệu nhận được, đơn vị kèm theo giá trị theo qui chuẩn Việt Nam [9, 10] 66 Nội dung nghiên cứu báo phần góp phần giải số vấn đề đặt công tác bảo vệ môi trường giai đoạn mới, bao gồm: Đánh giá tương đối đầy đủ xác khả hoạt động tính đáp ứng hệ thống thơng tin truyền, nhận liệu từ trạm QTMT, KCN, sở sản xuất… trung tâm điều khiển đặt quan quản lý nhà nước môi trường địa phương Đánh giá tình hình chất lượng liệu thu thập từ trạm quan trắc môi trường tự động quản lý đơn vị (liên quan đến dịch vụ liệu) Xây dựng công cụ phần mềm tiếp nhận, phân tích tích hợp liệu vào CSDL cho phép chạy hệ điều hành có đơn vị (Window Server) cung cấp khả truy vấn liệu nhanh với liệu trực tuyến Xây dựng trường hợp sử dụng phục vụ quản lý liệu quan trắc môi trường mức cho phép theo dõi số liệu trực tuyến, truy vấn tìm kiếm, thay đổi thông tin liệu Cơ sở liệu hệ thống thông tin truyền nhận liệu từ trạm QTMT, khu công nghiệp, sở sản xuất… quan quản lý nhà nước môi trường địa phương trung ương xây dựng theo dạng đóng gói cài đặt Tồn phần phân tích thiết kế, cấu trúc liệu, kiến trúc phần mềm hồn tồn làm sở để thực phát triển module hệ thống, đặc biệt hoàn toàn phù hợp với hệ thống điều khiển trung tâm sau Sản phẩm đầu sản phẩm mức độ hồn tồn xây dựng theo mơ hình tiếp nối Các giai đoạn sau có kế hoạch phát triển, hệ thống kế thừa toàn mặt kiến trúc mặt khối lượng liệu quản lý Sau xây dựng đưa vào sử dụng hệ thống thông tin truyền nhận liệu từ trạm, khu công nghiệp, sở sản xuất… quan quản lý nhà nước môi trường địa phương trung ương, nhận ý kiến phản hồi tầm quan trọng tính cần thiết từ cấp lãnh đạo, cán quản lý tính trực quan, dễ dàng theo dõi số liệu quan trắc hoạt động trạm Kết luận Nội dung báo này, nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quan trắc môi trường tự động với việc thu thập liệu từ hệ thống tiếp nhận giám sát số liệu quan trắc môi trường tự động với tần suất liên tục độ xác cao Việc kết hợp công nghệ tự động với công nghệ truyền thống quan trắc mơi trường cho phép cải thiện độ xác thông tin quan trắc Mặc dù việc đưa công nghệ tự động vào quan trắc, giám sát môi trường cịn nhiều khó khăn với xu Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 thời đại, việc ứng dụng công nghệ thông tin theo dõi giám sát cảnh báo quản lý liệu quan trắc môi trường tự động ngày sử dụng nhiều công tác quản lý bảo vệ môi trường Trong thời gian tới, nội dung nghiên cứu, phát triển tiếp tục ứng dụng công nghệ mới, thành tựu trí tuệ nhân tạo công tác quản lý liệu quan trắc môi trường Đặc biệt lĩnh vực CNTT, kỹ thuật số, bao gồm thành tố: cảm biến, Internet, Clould Computing (điện toán đám mây), Data Technology Big Data Analytics (phân tích liệu lớn), phục vụ hệ thống thơng tin quan trắc ngành tài nguyên môi trường theo mơ hình “Internet kết nối vạn vật (IoT)”, bước cần thiết để tiếp cận thành công Cách mạng công nghiệp 4.0 Tài liệu tham khảo [1] Quốc hội Nước Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa (CHXHCN) Việt Nam, “Luật Bảo vệ Môi trường,” số 55/2014/QH13, ngày 23/6/2014 [2] Quốc hội Nước CHXHCN Việt Nam, “Luật Đo lường”, số 04/2011/QH13, ngày 11/11/2011 [3] Quốc hội Nước CHXHCN Việt Nam, “Luật Công nghệ thông tin,” số 67/2006/QH11, ngày 29/6/2006 [4] Nghị định số 102/2008/NĐ-CP ngày 15/9/2008 Thủ tướng Chính phủ việc thu thập, quản lý, khai thác sử dụng liệu tài nguyên môi trường [5] Quyết định số 179/2004/QĐ-TTg ngày 06/10/2004 Thủ tướng Chính phủ việc phê duyệt Chiến lược ứng dụng phát triển công nghệ thông tin tài nguyên môi trường đến năm 2015 định hướng đến năm 2020 [6] Thông tư số 10/2007/TT-BTNMT ngày 22/10/2007 Bộ Tài nguyên Môi trường (TN&MT) hướng dẫn việc bảo đảm chất lượng kiểm soát chất lượng hoạt động quan trắc môi trường [7] Thông tư số 26/2014/TT-BTNMT ngày 28/5/2014 Bộ TN&MT quy định quy trình định mức kinh tế - kỹ thuật xây dựng sở liệu tài nguyên môi trường [8] Thông tư số 35/2015/TT-BTNMT ngày 30/6/2015 bảo vệ môi trường khu kinh tế, khu công nghiệp, khu chế xuất, khu công nghệ cao [9] Thông tư số 43/2015/TT-BTNMT ngày 29/9/2015 báo cáo trạng môi trường, thị môi trường quản lý số liệu quan trắc môi trường [10] Quyết định số 1740/QĐ-TCMT Tổng cục Trưởng Tổng cục Môi trường Quản lý thông tin, liệu quan trắc môi trường trạm quan trắc môi trường quốc gia [11] Thông tư Quy định hoạt động quan trắc môi trường (Dự thảo) RESEARCH AND APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY IN RECEPTION AND MANAGEMENT OF AUTOMATIC ENVIRONMENTAL DATA Abstract: This paper is based on a centralized data model Databases and applications will be installed, deployed at the server system and integrated, displayed on the Web From then on, it will serve the management and the operation of the system, the monitoring of online environmental monitoring data in order to enhance the management capacity and form of exploitation and the sharing of environmental monitoring data It is an effective tool for the management and operation of the central/local administration by applying new technologies to the environmental protection in Vietnam To meet the demand of basic survey information in service of state management of environmental protection and in service for the forecast, warning, prevention and mitigation of environmental incident and response to gas changes climate Keywords: Data Centric Model, Data Processing Facility, Environmental Monitoring Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 67 ... dụng công nghệ thông tin theo dõi giám sát cảnh báo quản lý liệu quan trắc môi trường tự động ngày sử dụng nhiều công tác quản lý bảo vệ môi trường Trong thời gian tới, nội dung nghiên cứu, phát... số liệu quan trắc hoạt động trạm Kết luận Nội dung báo này, nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin quan trắc môi trường tự động với việc thu thập liệu từ hệ thống tiếp nhận giám sát số liệu quan. .. môi trường [10] Quyết định số 1740/QĐ-TCMT Tổng cục Trưởng Tổng cục Môi trường Quản lý thông tin, liệu quan trắc môi trường trạm quan trắc môi trường quốc gia [11] Thông tư Quy định hoạt động quan