Công nghệ 4.0 ứng dụng trong quan trắc môi trường

Công nghệ số chia thành các nhóm chính gồm: Khoa học dữ liệu, chế tạo kỹ thuật số, trí thông minh nhân tạo (AI), các hệ thống mô hình hóa, vạn vật kết nối (IoT), dữ liệu lớn (Big data) và các công nghệ liên quan đến việc giám sát. Các công nghệ này hỗ trợ và tạo điều kiện cho các hoạt động chức năng như tự động hóa, trao đổi thông tin, phân phối, định vị, mô hình hóa, tối ưu hóa, tái tạo, mô phỏng, tiêu chuẩn hóa và trực quan hóa thực hiện được tốt hơn. Trong bài viết này, sẽ giới thiệu về công nghệ 4.0 trên thế giới và Việt Nam, ứng dụng của công nghệ 4.0 trong quan trắc môi trường từ đó đưa ra các biện pháp quản lý, khai thác và sử dụng hiểu quả các nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường.

Giới thiệu

Công nghệ 4.0 dựa trên nền tảng công nghệ số, tích hợp tất cả các công nghệ thông minh để tối ưu hóa quy trình, phương thức sản xuất. Việc sử dụng công nghệ được nâng lên một cấp độ hoàn toàn mới với sự trợ giúp của kết nối thông qua Internet kết nối vạn vật (IoT), truy cập dữ liệu thời gian thực, các hệ thống mạng vật lý không gian ảo và điện toán đám mây. Nghiên cứu gần đây cho thấy công nghệ đang được quan tâm và có tác động to lớn nhất trong cách mạng công nghệ 4.0 bao gồm: Vạn vật kết nối (IoT), dữ liệu lớn (Big data); trí tuệ nhân tạo (AI), công nghệ robot, phương tiện tự điều khiển, công nghệ in 3D, nano và công nghệ sinh học, công nghệ điện toán. [6]

Xuất phát từ việc tổng quan các nghiên cứu trên phương diện quốc tế, bài báo này xem xét khả năng ứng dụng của các công nghệ này trong công tác quan trắc môi trường ở Việt Nam. Cách tiếp cận định tính dựa trên số liệu thứ cấp được sử dụng để phân tích làm rõ một số vấn đề về ứng dụng các công nghệ số này trong công tác bảo vệ môi trường ở Việt Nam.

Công nghệ 4.0 là gì

Dựa trên kết quả nghiên cứu tổng quan các công trình nghiên cứu được cơ sở dữ liệu Scopus đăng tải từ năm 2009 - 2020, các tác giả Perrier và cộng sự [10] đã tổng hợp lại các lĩnh vực công nghệ 4.0 (Hình 1). Các lĩnh vực công nghệ bao gồm: Khoa học dữ liệu, chế tạo kỹ thuật số, tiền chế, trí thông minh nhân tạo (AI), các hệ thống mô hình hóa (AR/VR, mô hình hóa nD) hoặc các công nghệ liên quan đến việc giám sát như GIS (quét laze, phương tiện bay không người lái, đo quang học, GPS). Việc phân các hướng công nghệ số này thành các nhóm trên chỉ mang tính tương đối, bởi các công nghệ trong các nhóm này có thể được sử dụng đồng thời, hoặc có tương tác với nhau, do đó, có thể có các chức năng, phạm vi ứng dụng trùng nhau. 

Trong số các công nghệ trên, kết nối vạn vật kết nối (IoT) có thể được coi là một trong những công cụ quan trọng trong công tác giám sát môi trường. Theo kết quả nghiên cứu của tác giả Lê Hoàng Anh và cộng sự đưa ra trong quan trắc môi trường nói chung, các thiết bị kết nối mạng thường liên kết theo giao thức máy móc- máy móc (M2M). Các hệ thống quan trắc tự động đa phần có trang bị cảm biến nhằm đo đạc và thông báo một số thông số môi trường. Tuy nhiên, những cảm biến này chỉ cung cấp thông tin trực tiếp cho PLC (thiết bị điều khiển lập trình), hoặc bộ điều khiển nội bộ, do vậy, chúng hhoạt động riêng lẻ và không kết nối trong hệ thống điều phối chung của doanh nghiệp (DN). M2M nếu được sử dụng trong những hệ thống này cũng thường liên quan tới hạ tầng kết nối riêng của hệ thống. Không như giao thức M2M hiện tại, IoT sẽ cung cấp giao tiếp dữ liệu ở mức hệ thống thông qua Ethernet (một công nghệ mạng cục bộ - LAN) và các chuẩn của nó, kiến trúc mạng mở thay cho mạng đóng trong các giao thức M2M. Và cũng theo 2 tác giả này, IoT gồm 3 loại hình kết nối: máy móc - máy móc (M2M), con người - máy móc (P2M) và con người - con người (P2P). Trong đó, kết nối M2M đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của IoT. Các thiết bị, máy móc trong IoT sẽ “phản ứng” dựa vào các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Giải pháp IoT cho phép thực hiện việc đo lường, thu thập và truyền nhận dữ liệu từ hệ thống các cảm biến/đầu đo về trung tâm tích hợp dữ liệu để phân tích, xử lý trên nền điện toán đám mây. Các ứng dụng IoT được phát triển trên nền điện toán đám mây cho phép phân tích xử lý và chuyển đổi khối lượng dữ liệu lớn từ vô số các cảm biến đo lường. [3]

Công nghệ 4.0 trong quan trắc môi trường

Đầu tiên, một chương trình quan trắc được thực hiện tuân theo 5 bước chính bao gồm (1) tổng quan; (2) thiết kế và lập kế hoạch; (3) thực hiện; (4) phân tích và báo cáo; (5) phát triển. Công nghệ 4.0 được sử dụng cho từng bước của chương trình quan trắc. Sử dụng các thiết bị hỗ trợ giám sát chất lượng môi trường bằng GIS, công nghệ theo dõi. Tiếp đó là ứng dụng công nghệ internet vạn vật (IoT) cho phép nhiều thiết bị chuyên dùng, di động kết nối và giao diện hiệu quả với nhau dưới sự điều hành của trung tâm điều khiển. 

Mô hình quan trắc môi trường truyền thống thường được dựa vào các trạm quan trắc cố định. Các trạm trạm quan trắc này được xây dựng với nhiều thiết bị phân tích dữ liệu hiện đại, có độ chính xác cao và phải có người điều hành. Trạm quan trắc cố định có kích thước lớn (cỡ 1 căn nhà) và rất tốn chi phí do nó phải có khả năng giám sát môi trường xung quanh với phạm vi đủ rộng. Tuy nhiên, những đặc trưng cơ bản của trạm quan trắc cố định như kích thước lớn, nặng và đặc biệt là rất tốn kém, khiến nó không thể triển khai trong phạm vi thành phố, nơi mật độ dân cư thường rất đông và có nhiều vật cản, làm cho việc đo đạc không chính xác và khách quan. Trạm quan trắc truyền thống thường phải đặt ở các khu vực biệt lập, cách xa khu dân cư. [2]

Cụ thể, các điểm quan trắc có kích thước nhỏ, mỗi điểm quan trắc được gắn các cảm biến cần thiết cho việc lấy thông tin về môi trường được sử dụng. Một số lượng lớn các điểm quan trắc này được phân bố rộng khắp môi trường cần giám sát, và gửi thông tin (bằng giao tiếp không dây) về 1 trạm chủ. Máy chủ sẽ chọn lọc, xử lý dữ liệu từ các điểm quan trắc để đưa ra kết luận về chất lượng môi trường. Với mô hình này, thông tin về môi trường có thể liên tục được cập nhật từng phút, hoặc thậm chí là từng giây. Yêu cầu này là không thể đối với các trạm quan trắc cố định truyền thống. Thêm nữa, các điểm quan trắc thường có kích thước nhỏ và có giá thành thấp, nên rất thuận tiện cho việc mở rộng ứng dụng. Người dùng có thể truy xuất được thông tin môi trường xung quanh mình bằng cách truy vấn dữ liệu từ các điểm cảm biến gần vị trí của mình nhất. Vì thế, các hệ thống quan trắc môi trường dựa trên IoT được xem là thế hệ kế tiếp trong quan trắc môi trường (viết tắt là TNGAPMS - The Next Generation Air Pollution Monitoring System). [2] 

Tuy nhiên, mô hình quan trắc dựa trên IoT có một hạn chế lớn về độ bền của các cảm biến tại điểm quan trắc. Với một số lượng lớn các cảm biến được phân bố rải rác khắp thành phố, việc thường xuyên phải bảo trì hoặc thay thế cảm biến là điều không khả thi và rất tốn chi phí. Hạn chế này sẽ là vấn đề lớn khi áp dụng ở Việt Nam với thời tiết nóng ẩm và mưa nhiều. Để khắc phục hạn chế này, các hệ thống quan trắc gần đây được cải tiến bằng cách sử dụng kết hợp với hệ thống lấy mẫu. Thay vì các cảm biến được lắp đặt tương tác trực tiếp với môi trường, các cảm biến sẽ được bảo vệ cẩn thận để đảm bảo độ bền và an toàn. Khi cần đo đạc thông tin về môi trường, hệ thống lấy mẫu sẽ hoạt động trước, rút trích một phần mẫu vật và đưa vào cho các cảm biến. Tại đây, các cảm biến mới bắt đầu xử lý lấy dữ liệu. [3]

Ứng dụng Công nghệ 4.0 trong quan trắc môi trường

Hình 1. Tổng quan về công nghệ 4.0

Ứng dụng thành quả của cuộc CMCN 4.0 vào chương trình bảo vệ môi trường để có một môi trường phát triển bền vững là xu hướng tất yếu là cơ hội để chúng ta nắm bắt. Tuy nhiên, phát triển môi trường 4.0 cần lựa chọn công nghệ phù hợp, sản phẩm phù hợp gắn với các loại hình quan trắc, quản lý, giám sát môi trường. Một số ứng dụng diển hình như: Mô hình hóa ô nhiễm không khí qui mô thành phố, tỉnh hay quốc gia gồm mô hình FVM - TAPOM; TAPM-CTM. Các mô hình mô phỏng đánh giá ô nhiễm không khí nguồn điện, công nghiệp, đường gồm mô hình AERMOD, GAUSS. - Mô hình mô phỏng không khí để đánh giá tác động của ô nhiễm không khí lên sức khỏe cộng đồng gồm mô hình CALPUFF.

Ứng dụng AI chủ yếu được ứng dụng trong các nghiên cứu về phân tích dòng chảy, đánh giá dự báo chất lượng nước. Cao Hoàng Hải và cộng sự, 2019 đã ứng dụng 2 mô hình AI là Random Forest (RF) và Support Vector Machine (SVM/SVR) để dự báo thử nghiệm dòng chảy đến hồ sông Hinh trên lưu vực sông Ba [2]. Hoàng Thị An và cộng sự, 2022 với nghiên cứu kết hợp mô hình thủy lực và AI trong mô phỏng chất lượng nước. Mô hình AI sử dụng thuật toán MLP - ANN xây dựng quan hệ hồi qui giữa lưu lượng nước sông và nồng độ các nguồn thải với các chỉ số chất lượng nước để dự báo chất lượng nước tại các vị trí kiểm soát theo các kịch bản kiểm soát và quản lý nguồn thải khác nhau môt cách nhanh chóng [2]. Các ứng dụng AI trong cung cấp nước, xử lý nước thải,… hiện chưa có nhiều nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam.

Sự ra đời của đồng hồ thông minh IoT, với khả năng thu thập dữ liệu lớn, giúp giải quyết lượng nước rò rỉ và vỡ đường ống nước trên thế giới. Cụ thể, đồng hồ thông minh cho phép các công ty cấp nước thường xuyên đọc đồng hồ của khách hàng trong ngày, cung cấp cho khách hàng dữ liệu tiêu thụ nước theo thời gian thực, cũng như nhanh chóng phát hiện thất thoát nước trong hệ thống (ibid.). Từ đó, có thể thấy, đồng hồ thông minh vừa hỗ trợ công ty cấp nước giám sát quá trình cấp nước, quản lý rủi ro, hỗ trợ tăng doanh thu, vừa giúp người tiêu dùng sử dụng nước tiết kiệm, hiệu quả, phù hợp với nhu cầu và khả năng kinh tế.

Hệ thống nước thải đang gặp nhiều vấn đề liên quan đến việc tắc nghẽn hệ thống [1]. Để khắc phục, thành phố hướng tới lắp đặt các thiết bị đo không tiếp xúc SmartScan 50 với nhiều loại cảm biến của Công nghệ Ứng dụng Solid (SolidAT). Với khả năng chống chịu cao trong môi trường mêtan của thiết bị cùng tốc độ thu thập và truyền tải dữ liệu nhanh chóng và tin cậy bằng IoT, thành phố có thể kiểm soát, quản lý hệ thống cống rãnh tốt hơn nhờ giám sát mực nước, nước thải từ xa và giải pháp gửi cảnh báo qua dịch vụ tin nhắn SMS khi mực nước đạt giới hạn cao hoặc thấp.

Kết luận

Kinh tế phát triển dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Vì vậy, việc nghiên cứu và thực hiện quản lý, giám sát môi trường là một việc tất yếu, Một trong những giải pháp rất thiết thực là ứng dụng cộng nghệ 4.0. Ứng dụng các công nghệ mới, chẳng hạn như Al, IoT và Big data, có thể cung cấp các giải pháp cho hệ thống phân quản lý, giám sát chất lượng nước, không khí, đất, chất thải. Nhờ đó giảm thiểu đáng kể ô nhiễm môi trường. Việc giám sát xử lý chất thải để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và bảo trì hệ thống thiết bị giám sát.

LÊ THỊ THÙY NGUYÊN, TRẦN TUẤN VIỆT, NGUYỄN TẤT THÀNH, TRẦN ÁI QUỐC
Viện Nhiệt đới môi trường, Viện khoa học và Công nghệ Quân sự
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 5 năm 2024