Mô hình dữ liêu Dan-vand và ứng dụng công nghệ Gis trong quản lý cấp nước

Mô hình dữ liêu Dan-vand và ứng dụng công nghệ Gis trong quản lý cấp nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG MÔ HÌNH DỮ LIỆU DAN-VAND VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG QUẢN LÝ CẤP NƯỚC Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HẢI CHÂU Hà Nội- 2009 2 DANH MỤC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải Tiếng Việt 1 GIS Geographic Information Systems Hệ thống thông tin địa lý 2 UseCase Trường hợp sử dụng Trường hợp sử dụng 3 ESRI Environmental Systems Research Institute Viện nghiên cứu môi trường 4 DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số 5 CSDL Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu 6 HQTCSDL Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu 7 DBMS Database Management Systems Hệ quản trị cơ sở dữ liệu 8 CNTT Công nghệ thông tin Công nghệ thông tin 9 Module Phân hệ Phân hệ 10 WDMS Water Distribution Management system Hệ thống quản lý phân phối nước (sạch) 11 NSD Người sử dụng Người sử dụng 12 LAN Local Area NetWork Mạng cục bộ 13 LA Leakage Auditing Kiểm soát rò rỉ 14 PR Pipe Registration Đăng ký đường ống 15 PM Pressure Management Quản lý áp lực đồng hồ 16 MBM Meter and Billing system Quản lý đồng hồ và hóa đơn 17 CS Custommer Service Dịch vụ khách hàng 18 BM Burst Management Quản lý các điểm rò rỉ, thất thoát 19 RP Rehabilitation Planning Kế hoạch bảo dưỡng 20 NRW Non Revenue Water Nước thất thoát 21 View Khung nhìn Khung nhìn 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Giao diện phần mềm WATSYS được mở trong phần mềm AutoCAD Hình 1.2 Bản đồ chuyên đề trên phần mềm WATSYS Hình 1.3 Hiển thị thông tin đối tượng Hình 1.4 Biểu đồ thời gian Hình 1.5 ArcGIS là hệ thống phần mềm GIS đầy đủ. Hình 1.6 Cấu trúc ArcObjects Hình 1.7 Sử dụng ArcGIS Engine gắn vào GIS trong ứng dụng Hình 2.1 Mô hình quan hệ giữa đường ống(Pipe), điểm nối(Node )và thiết bị lắp đặt(Component) Hình 2.2 Mối quan hệ giữa Mô hình, Công nghệ phần mềm và cơ sở dữ liệu cho GIS. Hình 2.3 Miêu tả 2 lớp RESIDENCE và STREET. Hình 2.4 Thể hiện RESIDENCE là lớp con của BUILDING Hình 2.5 Lớp cha BUILDING có nhiều lớp con: RESIDENCE, HOSPITAL, COMMERCIALBUILDING Hình 2.6 Lớp con RESIDENCE có thể mở rộng thành các lớp con RURALRESIDENCE và URBANRESIDENCE Hình 2.7 Lớp CITY được hợp tác bởi 3 lớp HOUSELOT, STREET, PARK. Hình 2.8 Kế thừa của URBANRESIDENCE và RURALRESIDENCE với RESIDENCE. Hình 2.9 Thuộc tính địa chỉ được kế thừa từ lớp BUILDING xuống các lớp con của nó. Hình 2.10 Lớp LANDPARCEL được đa kế thừa từ lớp TAXABLEITEM và REALESTATEOBJECT. Hình 2.11 Một ví dụ về GIS sử dụng đa kế thừa. Hình 2.12 Lớp BUILDING kế thừa thuộc tính không gian từ lớp cha GEOMETRIC. Hình 2.13 Lớp BUILDING kế thừa nhiều thuộc tính từ các lớp cha của nó. Hình 2.14 Dân số của một quốc gia được lấy từ dân số của các vùng Hình 3.1 Mô hình kiến trúc tổng thể của WDMS Hình 3.2 Cấu trúc cơ sở dữ liệu. Hình 3.3 Sơ đồ lắp đặt theo Mô hình Dan-Vand Hình 3.4 Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu Hình 3.5 Giao diện ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS. Hình 3.6 Sơ đồ tổ chức thực hiện tổng thể dự án WDMS Hình 3.7 Sơ đồ tổ chức nhân sự thực hiện phát triển dự án WDMS Hình 3.8 Biểu đồ hoạt động cập nhật đối tượng điểm nối 4 Hình 3.9 Biểu đồ UserCase đối với chức năng cập nhật đối tượng điểm nối Hình 3.10 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật thiết bị cho điểm nối Hình 3.11 Biểu đồ Usercase chức năng cập nhật thiết bị cho điểm nối Hình 3.12 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật đường ống Hình 3.13 Biểu đồ UserCase chức năng cập nhật đường ống Hình 3.14 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật vùng cấp nước Hình 3.15 Biểu đồ UserCase chức năng cập nhật vùng cấp nước Hình 3.16 Biểu đồ hoạt động chức năng xem biểu đồ Hình 3.17 Biểu đồ UserCase chức năng xem biểu đồ Hình 3.18 Biểu đồ hoạt động chức năng xem bản đồ Hình 3.19 Biểu đồ Usercase chức năng xem bản đồ Hình 3.20 Biểu đồ hoạt động chức năng in ấn bản đồ Hình 3.21 Biểu đồ usercase chức năng in ấn bản đồ Hình 3.22 Biểu đồ hoạt động chức năng kiểm tra mạng lưới Hình 3.23 Biểu đồ usercase chức năng kiểm tra mạng lưới Hình 3.24 Giao diện màn hình chính của phần mềm WDMS Hình 3.25 Giao diện của phân hệ Quản lý đường ống Hình 3.26 Thanh công cụ thao tác với bản đồ Hình 3.27 Thanh công cụ cập nhật dữ liệu Hình 3.28 Một góc bản đồ có dữ liệu về vùng cấp nước, đường ống và điểm nối Hình 3.29 Truy vấn dữ liệu thuộc tính Hình 3.30 Truy vấn dữ liệu không gian Hình 3.31 Thiết lập màu sắc cho chức năng bản đồ chuyên đề Hình 3.32 Bản đồ chuyên đề phân loại theo danh mục đường ống Hình 3.33 Biểu đồ phân loại theo danh mục đường ống Hình 3.34 Màn hình nhập dữ liệu thuộc tính cho điểm nối Hình 3.35 Màn hình chọn và nhập dữ liệu thuộc tính cho thiết bị Hình 3.36 Màn hình nhập dữ liệu thuộc tính cho đường ống Hình 3.37 Hình ảnh của một đường ống sau khi đã tạo Hình 3.38 Chức năng tạo cầu vồng cho đường ống (fly-over) Hình 3.39 Chức năng kéo dài đường ống (Extend) Hình 3.40 Chức năng cắt đường ống Hình 3.41 Chức năng nối đường ống (Merge) Hình 3.42 Chức năng chia cắt đường ống (split) Hình 3.43 Chức năng tìm “ốc đảo” trong mạng đường ống (Network Island) 5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 6 LỜI CẢM ƠN 7 MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CẤP NƯỚC . 9 1.1 Vai trò và tầm quan trọng của việc quản lý cấp nước 9 1.2 Các hệ thống quản lý cấp nước 10 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU DAN-VAND VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG 22 1.1 Mô hình cơ sở dữ liệu DAN-VAND 22 1.2 Mô hình hướng đối tượng đối với cơ sở dữ liệu GIS . 24 1.2.1 Giới thiệu 24 1.2.2 Mô hình cho hệ thống thông tin địa lý GIS 26 1.2.3 Cơ chế trừu tượng hướng đối tượng .28 1.2.4 Mô hình hóa trực quan 33 1.2.5 Tổng kết 41 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIS SỬ DỤNG ARCGIS TRÊN MÔ HÌNH DỮ LIỆU DAN-VAND TRONG QUẢN LÝ CẤP NƯỚC SẠCH . 43 1.1 Đặt vấn đề 43 1.2 Khái niệm về đô thị và quá trình quy hoạch phát triển đô thị 43 1.3 Sự cần thiết khi ứng dụng công nghệ GIS trong công tác quản lý và quy hoạch 45 1.4 Mô tả ứng dụng 46 1.4.1 Đăng ký đường ống trong WDMS – Pipe Registration 48 1.4.2 Mục tiêu của Hệ thống đăng ký đường ống . 49 1.4.3 Những yêu cầu chung . 50 1.4.4 Yêu cầu về xây dựng cơ sở dữ liệu 51 1.4.5 Yêu cầu về ứng dụng nhân GIS 77 1.4.6 Bố trí nhân lực, tiến độ thực hiện dự án . 80 1.4.7 Yêu cầu về chức năng nghiệp vụ 86 1.5 Kết quả thực hiện được 98 1.6 Kết quả thực tế của dự án WDMS áp dụng phân hệ Đăng ký đường ống . 107 1.7 Định hướng phát triển của sản phẩm tại Việt Nam 108 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 110 6 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và các số liệu trong khoá luận chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này! Hà nội, ngày . tháng . năm 2009 Tác giả (chữ ký) Nguyễn Việt Hùng 7 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành ngoài nỗ lực hết sức của bản thân, trong quá trình làm việc tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy cô tại khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, Trường đại học Công Nghệ, đặc biệt là thầy giáo, Tiến sĩ Nguyễn Hải Châu, ng ười trực tiếp hướng dẫn tôi. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám đốc công ty VIDAGIS – nơi tôi đang công tác, đặc biệt là Phó Tổng Giám đốc, Thạc sỹ Lê Phước Thành, đã tạo điều kiện tốt nhất về thời gian, cơ sở vật chất, kiến thức, chuyên gia trợ giúp trong quá trình thực hiện dự án, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian tôi thực hiện đề tài này. Xin gử i lời cám ơn tới cha mẹ, bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian qua. Luận văn thạc sĩ này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mang mã số QG.09.27, Đại học Quốc gia Hà Nội. 8 MỞ ĐẦU Hiện nay việc ứng dụng và triển khai các ứng dụng GIS vào trong quản lý để phục vụ cho đời sống xã hội đã và đang phát triển rất nhanh, điển hình là trong các lĩnh vực Giao thông liên lạc, Y Tế, Giáo dục, Lam Nghiệp, Nông nghiệp, Điện lực, Tài nguyên Môi trường, và đặc biệt là trong việc quản lý mạng lưới cấp nước sạch. Mục đích của đề tài là trình bày lại những kiến thức c ơ bản đã được áp dụng để xây dựng thành công dự án phát triển phần mềm „Quản lý cấp nước sạch“ đang được sử dụng tại thành phố Seremban, Malaysia, nhằm tìm ra một hướng giải pháp để có thể mở rộng, khai thác năng lực của dự án để có thể áp dụng được rộng rãi ở nhiều nơi, nhất là ở Việt Nam. Luận văn gồm 4 chương v ới bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về mô hình cấp nước Trình bày về vai trò và tầm quan trọng của việc quản lý cấp nước và một số mô hình cấp nước Chương 2: Trình bày chi tiết về mô hình cơ sở dữ liệu cấp nước DAN- VAND và phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng áp dụng Chương 3: Trình bày chi tiết mô tả hệ thống phần mềm quản lý mạng lưới c ấp nước sạch, sử dụng GIS trong việc đăng ký đường ống. Trình bày kết quả thực tiễn thực hiện dự án, và định hướng phát triển mở rộng Chương 4: Kết luận và kiến nghị 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CẤP NƯỚC 1.1 Vai trò và tầm quan trọng của việc quản lý cấp nước Nước sạch và sử dụng nước sạch là nhu cầu thiết yếu của con người, kể cả trong xã hội nguyên thủy đến xã hội hiện đại như ngày nay. Thử hình dung trong cuộc sống hàng ngày chúng ta bị thiếu nước sạch để sinh hoạt thì điều gì sẽ sảy ra? Nước sạch có thể được khai thác bằng các hình thức khác nhau, như giếng đào, giếng khoan, nước mưa .nhưng ngày nay con người đã xây dựng được một mô hình mạng lưới cấp nước chung phục vụ cho một phạm vi địa bàn rộng lớn, và từ một nguồn khai thác, nước được xử lý để đảm bảo vệ sinh đủ tiêu chuẩn để đưa đến nới tiêu thụ. Trong cuộc sống của đô thị hiện đại, thì việc thiết kế và xây dựng một hệ thống quản lý cấp nước cần phải đáp ứng được các yêu cầu về sự phát triển tăng lên một cách nhanh chóng của dân cư và hệ thống cơ sở hạ tầng để làm sao trong một khoảng thời gian 40 đến 50 năm sau, hệ thống vẫn có thể đáp ứng được một cách tối đa khả năng cung cấp nước sạch và không bị ảnh hưởng bới sự thay đổi của kết cấu cơ sở hạ tầng. Để làm được điều đó thì trước hết cần phải có sự trợ giúp đắc lực của công nghệ. Ngày nay công nghệ có thể làm thay đổi cả thế giới, có vai trò quan trọng trong việc hoạch định các chính sách của hệ thống chính quyền. Một đô thị hiện tại được đánh giá là vă n minh thì một trong các tiêu chí để đánh giá là đô thị đó phải có hệ thống phân phối nước sạch tốt, đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt của người dân và phục vụ cho các lĩnh vực khác, hệ thống nước sạch có vai trò rất quan trọng đối với các lĩnh vực của đời sống văn hóa xã hội của người dân, thể hiện những nỗ lực trong quản lý của các c ấp chính quyền. Để làm được việc đó thì cần phải có một bộ máy chuyên trách đảm nhiệm việc quản lý hệ thống cấp nước, đảm bảo duy trì hệ thống hoạt động từ việc lắp đặt hệ thống bơm dẫn, tích trữ, xây lắp mạng lưới dẫn nước, các điểm xử lý .và đưa nước sạch vào các hộ dân, quản lý hệ thống hóa đơn, đồng hồ, duy tu, bảo dưỡng hệ thống, quản lý tài sản . Tất cả những công đoạn đó được gọi là quản lý cấp nước. Ở Thụy Điển, nước và các dịch vụ công cộng theo quy định được quản lý bởi các đô thị. Khi các công trình cấp nước đô thị bắt đầu được xây dựng vào cuối thế kỷ 19, nó thể hiện sự quyết tâm và cam kết c ủa chính quyền thành phố. Ngay cả các cộng đồng nhỏ ở các vùng nông 10 thôn cũng đều có các công trình cấp nước công cộng của chính họ. Chỉ các công ty công nghiệp lớn được cấp phép khai thác nước mặt hoặc nước ngầm cho các công trình cấp nước riêng của họ. Trong những năm 90 của thế kỷ trước, có hơn 2 nghìn công trình cấp nước và 67 nghìn km đường ống cấp nước của các thành phố, cung cấp cho 7,7 triệu người tiêu dùng hay 90% dân số với nước sạch chất lượng cao. Lượng nước tiêu th ụ cao nhất vào cuối những năm 1960, khi có tới 800 triệu mét khối nước đã được sử dụng hàng năm. Việc rò rỉ trong hệ thống đường ống được ước tính bằng khoảng 20%. Ngày nay lượng nước tiêu thụ vào khoảng 730 triệu mét khối, tính ra mỗi gia đình tiêu thụ khoảng 200 lít/ người/ngày. Theo thống kê, năm 2004 trên thế giới có khoảng 3,5 tỉ người đang sử dụng nước sạch từ các vòi nước hay nguồn nước công cộng của các nhà máy cấp nước. 1,3 tỉ người sử dụng nước từ các nguồ giếng khoan, giếng đào. Một tỉ người sử dụng nước từ các nguồn thiên nhiên như sông, suối, ao hồ. Do vậy, quản lý cấp nước có vai trò rất quan trọng trong đời sống văn hóa xã hội trong cuộc sống đô thị hiện đại. 1.2 Các hệ thống quả n lý cấp nước Hệ thống quản lý cấp nước là một hệ thống trợ giúp cho con người để quản lý trong lĩnh vực cấp nước sinh hoạt, được tự động hóa nhằm làm giảm tối đa sức lao động bằng chân tay, và các thao tác thủ công nhưng vẫn thực hiện được đầy đủ các chức năng nghiệp vụ trong hệ thống cấp nước. Các hoạt động trong vi ệc quản lý cấp nước gồm có: - Đảm bảo chất lượng nước được xử lý - Thiết kế mạng lưới đường ống cấp nước và các thành phần được lắp đặt và phân tích nhu cầu sử dụng trong hệ thống - Quản lý lưu lượng và áp lực cho mạng lưới đường ống - Phát hiện và xử lý kịp thời các điểm rò rỉ - Chống thất thoát trong hệ thống - Quản lý hệ thống đồng hồ, hóa đơn - Thay thế, bảo dưỡng hệ thống mạng lưới đường ống Sau đây là một số hệ thống quản lý cấp nước hiện có trên thị trường: Hệ thống WATSYS. Hệ thống WATSYS được cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ phát triển, với hạt nhân cơ b ản là EPANET