Tuy nhiên nhiều thành phố hiện nay đang rơi vào trạng thái cơ sở hạ tầng thì không đầy đủ, chất thải, ô nhiễm, kém hiệu quả trong điều hành, tình trạng quá tải kéo dài và sự phân chia xã hội giữa người giàu người nghèo.

Xây dựng thành phố thông minh trong tương lai phải đảm bảo phải có cơ sở hạ tầng chất lượng cao để các nhà quản lý tốt họ đưa ra được các dịch vụ chất lượng, nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân với một nền kinh tế ổn định và phát triển. Cơ sở hạ tầng của một thành phố bao gồm các thành phần quan trọng như: đường hầm, cầu, đường, đường sắt, các tòa nhà và các tiện ích; chất lượng và hiệu suất của nó là điều cần thiết để hỗ trợ tăng trưởng kinh tế và năng suất. Cơ sở hạ tầng thành phố chất lượng cao thu hút các doanh nghiệp di động toàn cầu và thúc đẩy sự phát triển xã hội ngày một tốt đẹp hơn. Vậy hạ tầng để kết nối thông minh, công nghệ thông minh phục vụ thành phố thông minh trong tương lai là gì? Theo giáo sư Robert Mair của trường đại học Cambridge đã có bài viết giới thiệu trên cổng thông tin điện tử của chính phủ Anh về Cơ sở hạ tầng và cảm biến của thành phố sẽ được thực hiện thông minh như thế nào? Sau đây là nội dung bài viết:

Cơ sở hạ tầng thành phố hiện đại, thông minh phải đảm bảo mạnh mẽ, linh hoạt và thích nghi với các mô hình thay đổi, đặc biệt là đối phó với thiên tai và biến đổi khí hậu. Nó cũng cần phải được tối ưu hóa về hiệu quả, chi phí, lượng khí thải carbon thấp và chất lượng dịch vụ. Nó có thể được hưởng lợi rất nhiều từ việc trở nên “thông minh”, bao gồm việc sử dụng sáng tạo các công nghệ mới nổi trong cảm biến và quản lý dữ liệu. Chính vì lẽ đó Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Vật lý (EPSRC) Vương quốc Anh đã tài trợ cho Trung tâm Cơ sở hạ tầng và Xây dựng thông minh Cambridge (CSIC) để tập trung vào nghiên cứu các công nghệ mới, để có thể chuyển đổi hạ tầng của các thành phố trong tương lai.Với vai trò của trung tâm là để thúc đẩy nghiên cứu cơ sở hạ tầng thông minh và tạo ra tác động trong cơ sở hạ tầng, công nghiệp xây dựng. CSIC đang phát triển các mô hình phân tích và phân tích dữ liệu. Những điều này sẽ cung cấp một nền tảng cơ sở hạ tầng mạnh mẽ có thể cung cấp dữ liệu, cho phép ra các quyết định tài sản thông minh hơn và chủ động hơn, cả trong khi xây dựng tài sản thành phố mới và cho cơ sở hạ tầng thành phố hiện có.

CSIC đang cộng tác với ngành để thương mại hóa nghiên cứu độc lập, hàng đầu thế giới và thúc đẩy tăng trưởng kinh doanh do công nghệ dẫn đầu bằng các công nghệ mới như:

• Sợi quang
• Mạng cảm biến không dây
• Cảm biến công suất thấp dựa trên hệ thống cơ điện cỡ nhỏ (MEMS)
• Thị giác máy tính
• Thu thập năng lượng

Những công nghệ mới là cơ hội thực sự cho cuộc cách mạng hóa về xây dựng và quản lý cơ sở hạ tầng của thành phố, dẫn đến hiệu quả, nền kinh tế, khả năng phục hồi và khả năng thích ứng được nâng cao đáng kể. Điều này có thể mang lại lợi ích không chỉ cho ngành xây dựng mà cả xã hội phục vụ bởi cơ sở hạ tầng của nó.Các công nghệ mới này cũng có thể được sử dụng trong việc theo dõi sức bền, độ tiên tiến và định lượng được các vật liệu, công nghệ đầu tư vào cơ sở hạ tầng quan trọng hiện có, xác định mức độ hao mòn,thời gian còn lại của cơ sở hạ tầng, qua đó đảm bảo khả năng phục hồi và giảm nguy cơ thất thiệt hại. Các công nghệ cảm biến mới nhất cũng có thể biến đổi ngành công nghiệp thông qua một cách tiếp cận hoàn toàn trong việc tính toán độ bền vững khi xây dựng và cơ sở hạ tầng, tích hợp được từ thiết kế,quy trình xây dựng, vận hành, khai thác, sử dụng và cuối cùng là hết thời gian sử dụng.

Việc kỹ thuật, quản lý, bảo trì và nâng cấp cơ sở hạ tầng thành phố đòi hỏi tư duy mới để giảm thiểu sử dụng vật liệu, năng lượng và lao động trong khi vẫn đảm bảo khả năng phục hồi. Điều này chỉ có thể đạt được khi có sự hiểu biết đầy đủ về hiệu suất của cơ sở hạ tầng, cả trong quá trình xây dựng và thời gian hao mòn của hạ tầng thông qua việc ứng dụng công nghệ cảm biến tiên tiến và các công nghệ mới nổi khác. Trong nhiều trường hợp bắt buộc phải sử dụng cảm biến và phân tích dữ liệu để cho phép đưa ra quyết định quản lý tài sản thông minh hơn, chủ động hơn cho cơ sở hạ tầng thành phố. Có thể chủ động, cho phép bảo trì, kiểm tra và nâng cấp các chương trình hệ thống của cơ sở hạ tầng thành phố được phát triển, tập trung vào điều kiện và bảo trì phòng ngừa.Cần phải nắm bắt và phân tích dữ liệu phù hợp vào đúng thời điểm để các quyết định quản lý tài sản thành phố có hiệu lực.

CSIC gần đây đã tích cực tham gia vào hơn 40 trang thông tin tin điện tử về xây dựng và các ví dụ về cơ sở hạ tầng hiện có, hầu như tất cả đều ở các thành phố, áp dụng các công nghệ mới nổi như cảm biến sợi quang và mạng cảm biến không dây.

Cảm biến sợi quang

Tích hợp cấu trúc của các hệ thống cảm biến sợi quang là một nhánh nghiên cứu mới của công nghệ và là một bước đột phá lớn trong việc tạo ra cơ sở hạ tầng thành phố thông minh. Cảm biến sợi quang có khả năng như là hệ thống thần kinh của cơ sở hạ tầng, nó liên quan đến sự gắn kết độc đáo của sợi quang học, quang điện tử và khoa học vật liệu tổng hợp. Công nghệ sợi quang học của CSIC cho phép đo lường sự kéo dài liên tục và có thể lên đến 10 km; cáp sợi quang có hiệu lực một máy đo biến dạng liên tục và lâu dài.Các ví dụ gần đây về việc ứng dụng thành công cảm biến quang học của CSIC đối với cơ sở hạ tầng thành phố là:

- Giám sát hiệu suất các trục sâu và tường chắn tại các đường Pudding Mill Lane, Limmo, Stepney Green và Paddington của dự án đường sát London

- Giám sát tường vây quanh có độ sâu 84m tại trục Abbey Mills cho dự án sông Thames.

- Đánh giá thi công việc lót đường hầm của lưới điện quốc gia,  trong quá trình xây dựng đường hầm ở London bằng cách nhúng sợi quang vào các đoạn lót bê tông đúc sẵn khi được sản xuất tại nhà máy.

- Giám sát các vòm được xây dựng tại Ga London Bridge để quan sát các chuyển động trong quá trình đóng cọc mở rộng bên dưới.

- Thử nghiệm hiện trường cọc nhiệt để đánh giá phản ứng nhiệt cơ học của cọc trong quá trình gia nhiệt và làm mát cho hệ thống bơm nhiệt nguồn mặt đất, được thực hiện tại Trung tâm Shell của London, tại đại sứ quán London mới và tại một địa điểm ở Houston, Hoa Kỳ với Virginia Tech và Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ

- Thử nghiệm thực địa các cọc đường kính lớn bằng cách tích hợp đo lường sợi quang với công nghệ kiểm tra tải O-Cell, ví dụ cho Viện Francis Crick mới ở London

- Giám sát đường hầm Đường sắt Royal Mail cũ 100 năm tuổi trong khi xây dựng các đường hầm bên dưới của nhà ga Liverpool.

Đến nay CSIC đã tập trung vào việc phát triển và lắp đặt cảm biến quang trên bốn địa điểm của dự án mở rộng tàu điện của thủ đô Luân Đôn. Các cảm biến sợi quang đã được lắp đặt thành công trên các vách ngăn tường vây tại các vị trí, với cáp sợi quang được tháo ra khỏi trống và cố định vào lồng trong khi nó được hạ xuống rãnh sâu trong lòng đất, như trong Hình 1. Các kỹ thuật lắp đặt chính xác, mạnh mẽ để đảm bảo các phép đo được tin cậy và được triển khai thành công. Dữ liệu từ các cảm biến sợi quang đã cung cấp những hiểu biết, tính toán hoàn toàn mới về hành vi của các lớp lót trục và tường chắn trong quá trình xây dựng. Các cảm biến sẽ tiếp tục cung cấp dữ liệu về hiệu suất của các cấu trúc này trong suốt quá trình thiết kế của chúng.Cảm biến sợi quang này cho phép đưa ra quyết định dựa trên bằng chứng đáng tin cậy. Việc hợp lý hóa các phương pháp thiết kế cho trục và tường chắn, dựa trên hiệu suất thực tế được quan sát, sẽ mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp cho cơ sở hạ tầng thành phố, dẫn đến thiết kế hiệu quả hơn, giảm lượng vật liệu và xây dựng nhanh hơn.

Hình 1: Lắp đặt khung cốt thép cho tường vây của dự án đường sắt London (cho một trục sâu) với cảm biến sợi quang kèm theo

Mạng cảm biến không dây và hệ thống vicơ điện tử

Các hệ thống cảm biến thông minh trong tương lai chắc chắn sẽ bao gồm mạng cảm biến không dây, mạng cảm biến không dây trong cơ sở hạ tầng thành phố sẽ như là một phần của kết nối vạn vật “internet of things” và sẽ được thiết kế xung quanh khả năng của các nút độc lập. Mỗi nút trong mạng sẽ tích hợp các khả năng cảm biến cụ thể với giao tiếp, xử lý dữ liệu và cung cấp điện; một ví dụ được thể hiện trong Hình 2. Việc sử dụng công nghệ cảm biến không dây có lợi ích đáng kể cho việc giám sát cơ sở hạ tầng thành phố, cho phép triển khai nhanh chóng và thiết thực do loại bỏ bất kỳ các loại cáp kết nối nào khác. Sự kết hợp các cảm biếnvớihệ thống vicơ điện tử (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) công suất thấp, làm tăng khả năng tiết kiệm chi phí tổng thể đáng kể cho việc giám sát cơ sở hạ tầng thành phố thông minh quy mô lớn. Nhiều giải pháp thu năng lượng đã được triển khai cho thấy triển triển vọng nâng cao tuổi thọ pin hoặc có khả năng loại bỏ pin hoàn toàn.

Hình 2: Bộ cảm biến của mạng cảm biến không dây (bản quyền CSIC)

Hệ thống cảm biến không dây của trung tâm CSIC đã được tích hợp đầy đủ với các cảm biến - nhiều trong số này dựa trên công nghệ MEMS.Công nghệ MEMS tích hợp các thiết bị hoặc hệ thống nhỏ kết hợp các linh kiện điện và cơ khí có kích thước khác nhau từ micromet đến milimet. Chúng có thể kết hợp chức năng tính toán và giao tiếp với cảm biến và hành động để tạo ra một hệ thống kích thước thu nhỏ, có tiềm năng rất lớn cho cơ sở hạ tầng thành phố thông minh về yêu cầu năng lượng thấp, chi phí thấp. Các bộ cảm biến MEMS được gắn trên các hệ thống giám sát thường có các ưu điểm sau:

- Kích thước nhỏ hơn

- Tiêu thụ điện năng thấp hơn

- Chi phí rẻ hơn do sản xuất hàng loạt

- Hiệu suất mở rộng và tuổi thọ cao

Việc tích hợp hệ thống vi cơ điện tử mới mạng cảm biến không giây có thể cung cấp các giải pháp giám sát và kiểm soát được các thông số vật lý, hóa học trong nhiều ứng dụng của cơ sở hạ tầng thành phố thông minh. Nhiều nghiên cứu ứng dụng và triển khai của mạng cảm biến không dây bao gồm phần mềm, phần cứng đã được triển khai trong môi trường thực tế như giám sát kỹ thuật dân dụng, công cụ chuẩn đoán hiệu suất…

Hình 3: Công cụ siêu cảm biến không dây "UtterBerry"
siêu nhỏ (bản quyền UtterBerry)

Tương lai của các thành phố thông minh

Những thách thức mà chúng ta đang phải đối mặt là rất lớn và nhiều vấn đề gây bức xúc: nhiều thành phố chủ nằm trên bờ biển, vậy làm thế nào chúng ta có thể bảo vệ chúng khỏi sự gia tăng mực nước biển;làm thế nào chúng ta sẽ cung cấp cơ sở hạ tầng cho các thành phố trong tương lai vì tài nguyên ngày càng khan hiếm và năng lượng ngày càng đắt đỏ; Các thành phố trong tương lai sẽ trông như thế nào trong những thập kỷ tới; Quyền sở hữu xe sẽ biến mất, với khả năng xuất hiện của các phương tiện độc lập vàhành vi xã hội sẽ thay đổi như thế nào?

Đối với các thành phố tương lai, xã hội của chúng ta cần phải khẩn trương giải quyết nhu cầu hạ tầng thông minh, hệ thống thông tin và truyền thông hiện đại nhất trong kỷ nguyên số, cung cấp nước sạch, vệ sinh và chăm sóc sức khỏe, tất cả đều quan trọng cho xã hội của chúng ta đang sống.

Đang ở giữa thời kỳ của cuộc cách mạng công nghiệp kỹ thuật số, chúng ta không thể đánh giá thấp tầm quan trọng của dữ liệu lớn. Điều này cũng có một phần rất quan trọng trong việc thiết kế, phát triển và quản lý các thành phố thông minh trong tương lai của chúng ta. Các công nghệ cảm biến mới như được mô tả ở phần trên của bài viết này có khả năng tạo ra một lượng lớn dữ liệu mới và quan trọng để cung cấp sự hiểu biết mới, tinh giản và theo dõi sức bền của cơ sở hạ tầng thành phố của một quốc gia. Tuy nhiên, dữ liệu này cần phải được quản lý một cách tích hợp và phải được đề cao, phối hợp giữa các đơn vị trong công tác nghiên cứu và triển khai trong việc xây dựng các tiêu chuẩn của thành phố thông minh trong tương lai. Những tiêu chuẩn này sẽ giúp phát triển thị trường cho các sản phẩm và dịch vụ của thành phố thông minh đó cũng là cách sử dụng để cho phép các thành phố trở nên thông minh hơn.

Những thách thức trong tương lai là thiết lập các phương pháp cảm biến thông minh cho cơ sở hạ tầng thành phố mạnh mẽ, bền vững trong điều kiện hoạt động không gian hạn chế cho các hoạt động xây dựng chuyên sâu, đảm bảo hệ thống (cả cảm biến và thông tin liên lạc) được hiệu chỉnh đúng cách và dữ liệu được báo cáo theo đúng cách sẽ mang lại hiệu quả trong việc sử dụng, đó là cách để đưa ra những quyết định sáng suốt. Những công nghệ cảm biến tiên tiến này là những thành phần quan trọng trong tương lai khi xây dựng cơ sở hạ tầng thành phố. Mỗi thành phố trong tương lai cần có một cơ sở hạ tầng thông minh với những thiết bị cảm biếm thông minh, đó là cách tốt nhất, hiệu quả nhất khi xây dựng thành phố thông minh.

Bùi Hồng Hiếu

Tài liệu tham khảo:

1. How will city infrastructure and sensors be made smart? Professor Robert Mair - Cambridge Centre for Smart Infrastructure and Construction

2. Cổng thông tin của chính phủ Anh tại địa chỉ: Gov.uk