Để hướng tới việc giải quyết các thách thức về tính bền vững trong bối cảnh xu hướng đô thị hóa ngày càng leo thang thì bài viết này sẽ nghiên cứu cách thành phố thông minh dựa trên dữ liệu mới nổi đang được chứng minh tại London và Barcelona là những thành phố thông minh dựa trên dữ liệu hàng đầu ở khu vực Châu Âu. Nghiên cứu này chỉ ra rằng các thành phố này có mức độ phát triển các công nghệ ứng dụng theo hướng dữ liệu, nhưng chúng lại khác nhau về mức độ triển khai các công nghệ đó trong các hệ thống và lĩnh vực thành phố khác nhau. London dẫn đầu về cơ sở hạ tầng CNTT-TT và nguồn dữ liệu, trong khi Barcelona có các thực tiễn tốt nhất về năng lực định hướng dữ liệu, đặc biệt là các nền tảng thông tin ngang, trung tâm hoạt động, bảng điều khiển, chương trình đào tạo và viện giáo dục, phòng thí nghiệm đổi mới, trung tâm nghiên cứu và văn phòng hoạch định chiến lược.

1. Tiêu chí lựa chọn, phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu

Nghiên cứu các trường hợp của Barcelona và London để xác định tập hợp các giải pháp hướng dữ liệu cần thiết để phát triển mô hình đề xuất cho các thành phố bền vững thông minh dựa trên dữ liệu trong tương lai. Các thành phần đô thị được xác định thông qua hai nghiên cứu điển hình riêng biệt: chiến lược thành phố nhỏ gọn và chiến lược thành phố sinh thái. Một số lựa chọn Barcelona và London trong số tất cả các thành phố hàng đầu dẫn đầu bảng xếp hạng “thành phố thông minh” và xếp hạng thành phố “theo hướng dữ liệu” dựa trên 3 lý do chính sau:

a) Trọng tâm nghiên cứu là dự đoán giá trị chưa biết (hay còn gọi là BACKCASTING). Đối với lý do này, chúng ta dự đoán rằng, các thành phố thuộc khu vực Châu Âu, trong đó có London và Barcelona là những thành phố thông minh theo hướng dữ liệu hàng đầu.

b) Cả 2 thành phố đều được công nhận rộng rãi và có uy tín trong việc ứng dụng các giải pháp công nghệ theo hướng dữ liệu trong hoạt động vận hành, quản lý và lập kế hoạch mà đòi hỏi yêu cầu về năng lực, cơ sở hạ tầng và nguồn dữ liệu

c) Thứ ba, cả 2 thành phố được coi là những thành phố hàng đầu Châu Âu đi đầu trong việc sử dụng và ứng dụng công nghệ dữ liệu lớn để nâng cao tính bền vững, từ đó phát triển thành các thành phố thông minh bền vững theo tiêu chuẩn dữ liệu. Chính quyền địa phương của London và Barcelona đã thiết lập một số dự án và thực hiện một số biện pháp lập kế hoạch để hiện đại hóa cơ sở hạ tầng CNTT-TT của họ và tăng cường sự sẵn sàng để tích hợp các giải pháp và phương pháp tiếp cận theo hướng dữ liệu vào các quy trình và thực tiễn đô thị.

Dựa trên 3 lý do đó, Barcelona và London thể hiện các sáng kiến ​​thiết thực mẫu mực liên quan đến việc tích hợp các giải pháp dựa trên dữ liệu và các chiến lược phát triển bền vững, được coi là những ví dụ thành công về mô hình mới nổi của đô thị thông minh trong phát triển bền vững ở quốc gia.

Hình 1. Khung khái niệm cho các thành phố thông minh bền vững dựa trên dữ liệu

2. Kết quả nghiên cứu thành phố thông minh dựa trên dữ liệu và các giải pháp ứng dụng vào các khía cạnh văn hóa, kinh tế, xã hội của London và Barcelona

(1)  Công nghệ và sự sẵn sàng

Vào đầu những năm 2010, London và Barcelona là những thành phố Châu Âu đầu tiên triển khai các công nghệ thông minh theo hướng dữ liệu để cải thiện dịch vụ của họ. Họ đã đầu tư rất nhiều vào cơ sở hạ tầng CNTT-TT của mình, bao gồm mạng lưới cảm biến IoT mở rộng thu thập dữ liệu về giao thông, năng lượng, môi trường, an ninh, chăm sóc sức khỏe,... Được triển khai tại London và Barcelona là một loạt các giải pháp công nghệ ứng dụng dựa trên việc phân tích dữ liệu được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, với mục đích cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân.

a) Trọng tâm của Kế hoạch London thông minh là sử dụng sức mạnh sáng tạo của công nghệ dữ liệu lớn để phục vụ người dân và cải thiện cuộc sống của họ.

b) Vào năm 2015, Barcelona đã đưa ra sáng kiến ​​thành phố thông minh theo một hướng mới bằng cách đặt ra mục tiêu dân chủ hóa cơ sở hạ tầng CNTT-TT, với tầm nhìn lấy người dân làm trung tâm. Tức là, thành phố thông minh phục vụ người dân với tư cách là người dùng công nghệ thay vì một chương trình nghị sự thúc đẩy công nghệ (Hình 1).

Ngoài ra, điểm chuẩn của chính quyền Thành phố thông minh được thể hiện trong bảng xếp hạng 50 chính quyền thành phố thông minh hàng đầu trên thế giới, Viện Chiến lược Eden năm 2018 đã xếp chính quyền London và Barcelona là chính quyền hàng đầu ở Châu Âu và tính tổng điểm cho từng chính quyền dựa trên các khía cạnh khác nhau liên quan đến sáng kiến ​​thành phố thông minh (Hình 2).

(2) Các công nghệ theo hướng dữ liệu và các ứng dụng của chúng cho các hệ thống và lĩnh vực của thành phố

Các thành phố thông minh đang áp dụng các công nghệ dữ liệu lớn và các ứng dụng mới của chúng, đặc biệt là những ứng dụng được hỗ trợ bởi IoT trong kiểm soát giao thông, lập kế hoạch giao thông, năng lượng, môi trường,…

a) Giao thông vận tải và tính di động

Quản lý giao thông và vận tải là lĩnh vực phổ biến nhất của việc sử dụng các giải pháp theo hướng dữ liệu trong thành phố thông minh và thành phố thông minh bền vững. Cả London và Barcelona đều áp dụng công nghệ điều khiển bằng dữ liệu để quản lý giao thông và vận tải.

1) Tại London, London áp dụng công nghệ để quản lý các dịch vụ vận tải trên cơ sở dữ liệu do trung tâm nhận được, cũng như việc điều khiển tự động các tín hiệu giao thông trên cơ sở dữ liệu thu thập được về tắc nghẽn giao thông bằng cách sử dụng cảm biến nhúng vào đèn giao thông.

Theo Kế hoạch London thông minh, thành phố có kế hoạch chứng minh cách công nghệ có thể giảm va chạm giao thông và thử nghiệm các công nghệ mới có thể giảm nguy cơ va chạm với người đi xe đạp và những người tham gia giao thông dễ bị tổn thương khác. Hơn nữa, tại Hội nghị Thành phố thông minh đến tương lai ở London, được tổ chức vào tháng 4 năm 2019, Cán bộ Chiến lược Thành phố Thông minh London, Dr. Stephen Lorimer tuyên bố rằng “Người dân London là những người đầu tiên nhìn thấy các chính sách bền vững về kinh tế, xã hội và môi trường được đưa ra dưới cùng một biểu ngữ thông qua phí tắc nghẽn và Vùng phát thải cực thấp ULEZ (Ultra Low Emission Zone), và đây là lần đầu tiên người dân nhìn thấy rõ ràng rằng ôtô có tác động đến cả ba trụ cột của sự bền vững ở các thành phố”.

Hệ thống chiếu sáng đường phố ở London đang được mở rộng, chẳng hạn như chiếu sáng đường phố, giúp người dân cảm thấy an toàn hơn, giám sát mức tiêu thụ năng lượng, tiết kiệm chi phí,... Có ý kiến ​​cho rằng đèn đường và cơ sở hạ tầng chiếu sáng toàn thành phố có thể là xương sống để xây dựng các thành phố thông minh bền vững trong tương lai bằng cách chuyển đổi không gian đô thị theo cách chúng có thể thu thập dữ liệu làm cho cuộc sống đô thị bền vững hơn với môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân nhờ công nghệ IoT và các khả năng giao tiếp và mạng cảm biến liên quan. Về vấn đề này, cơ sở hạ tầng chiếu sáng tạo điều kiện và kết hợp một số ứng dụng liên quan đến giao thông, di chuyển, ô nhiễm, chất lượng không khí, bãi đậu xe, kết nối Wi-Fi công cộng,... Phát biểu tại hội nghị Thành phố Thông minh Tương lai ở London, Ms. Kressler cho biết: “Chiếu sáng đường phố là xương sống lý tưởng và là con đường thú vị nhất để sử dụng các công nghệ IoT tại các thành phố. Công nghệ chỉ là một yếu tố thúc đẩy, một thành phố thông minh sẽ chỉ thành công nếu nó mang lại lợi ích thực sự cho người dân và các nhà lãnh đạo của nó”. Ngoài ra, bà nói rằng 40% ngân sách năng lượng của chính quyền địa phương được chi cho chiếu sáng đường phố, trong khi điều khiển đèn đường thông minh và kết nối IoT có thể tiết kiệm năng lượng từ 70% đến 80%. Điều làm cho cơ sở hạ tầng chiếu sáng trở thành một giải pháp công nghệ ứng dụng hiệu quả cho tính bền vững là tính lan tỏa của nó, kết nối với hệ thống cung cấp điện và tác động thị giác cao. Như vậy, nó cho phép các thành phố thông minh đạt được tham vọng bền vững với chi phí thấp hơn, đặc biệt là liên quan đến bền vững môi trường.

2) Barcelona ​​ứng dụng giám sát chi tiết các chuyển động của phương tiện giao thông công cộng bằng các cảm biến của Hệ thống Định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), cũng như hệ thống đèn giao thông thông minh để cung cấp tự động mức độ ưu tiên cho phương tiện giao thông công cộng và các loại phương tiện giao thông khác như dịch vụ khẩn cấp.

Barcelona còn xây dựng ​​hệ thống chiếu sáng thông minh bao gồm đèn đi-ốt phát sáng điều khiển bằng cảm biến LED (light emitting diode) cho đường dành cho người đi bộ và xe đạp, đèn đường LED tự điều khiển với lịch chiếu sáng đặt trước và đèn điều khiển từ xa. Theo đó, đèn đường được sử dụng công nghệ LED tiết kiệm năng lượng và sử dụng cảm biến để phát hiện khi nào cần đèn (ví dụ: bật khi có người qua đường), tiết kiệm năng lượng và giảm nhiệt do đèn cũ tạo ra. Hơn nữa, chúng bao gồm các cảm biến phát hiện những thay đổi về nhiệt độ và mức độ ô nhiễm và được sử dụng làm bộ phát Wi-Fi. Điều này ngụ ý rằng các ứng dụng tiên tiến đang được tích hợp vào cơ sở hạ tầng chiếu sáng. Một trong những ứng dụng này là khi trường hợp khẩn cấp được thông báo ở Barcelona, ​​tuyến đường gần đúng của xe cấp cứu được nhập vào hệ thống đèn giao thông, đặt tất cả các đèn thành màu xanh lục khi phương tiện tiếp cận thông qua sự kết hợp giữa GPS và phần mềm quản lý giao thông, cho phép các dịch vụ khẩn cấp tiếp cận sự cố mà không bị chậm trễ. Phần lớn dữ liệu này được quản lý bởi Nền tảng Sentilo. Nhìn chung, lợi ích của giải pháp chiếu sáng thông minh ở Barcelona nằm ở việc tối ưu hóa hiệu quả của việc lắp đặt hệ thống chiếu sáng công cộng cũng như tăng mức độ an ninh của đường phố thông qua hệ thống chiếu sáng chất lượng nhờ sự kết hợp của hệ thống điều khiển và chiếu sáng LED, bao gồm hệ thống ánh sáng theo yêu cầu và hệ thống quản lý từ xa chiếu sáng đường phố.

Ngoài ra, Barcelona sử dụng đèn giao thông thông minh để tối ưu hóa giao thông trong chế độ thời gian thực. Một hệ thống thông minh quản lý đèn giao thông bằng cách xử lý thông tin nhận được từ các cảm biến từ kế giao thông với khả năng không dây. Điều này giúp loại bỏ sự gián đoạn đối với luồng giao thông.

Sự phát triển hơn nữa trong lĩnh vực công nghệ giao thông ở London và Barcelona đang theo hướng tự động hóa quản lý trong thời gian thực (tức là đèn giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, cảnh báo giao thông tự động,...).

- Hệ thống xe buýt trực giao (hay còn gọi là Orthogonal): mạng lưới xe buýt của thành phố dựa trên sơ đồ lưới trực giao, thúc đẩy tính liên phương thức, đặt các trạm dừng xe buýt một cách chiến lược để cho phép kết nối giữa các tuyến xe buýt cũng như xe điện, tàu điện ngầm, xe đạp,... Vì xe buýt được bố trí theo kiểu mỗi tuyến xe buýt giao nhau với nhiều tuyến xe buýt khác, vì vậy người dân có thể đến bất kỳ điểm nào trong thành phố mà không cần thay đổi xe buýt nhiều lần. Xe buýt hybrid được sử dụng để giảm lượng khí thải và các biển báo chạy bằng năng lượng mặt trời cho biết thời gian đến bến xe buýt.

- Mạng lưới xe buýt dựa trên phân tích dữ liệu về các luồng giao thông phổ biến nhất ở Barcelona, ​​chủ yếu sử dụng các tuyến đường dọc, ngang và chéo với một số điểm giao nhau. Việc tích hợp nhiều công nghệ thông minh có thể thấy được thông qua việc triển khai đèn giao thông thông minh khi xe buýt chạy trên các tuyến đường được thiết kế để tối ưu hóa số lượng đèn xanh.

- Hệ thống chia sẻ xe đạp: hệ thống cung cấp 6.000 xe đạp có thể được mượn hoặc thuê cho các chuyến di chuyển ngắn trong thành phố. Trạm đón xe đạp được bố trí gần các phương tiện giao thông công cộng và khu vực đỗ xe, thuận tiện cho việc đón hoặc trả xe đạp của người dân. Người dân sẽ trả phí hàng năm và kiểm tra tính khả dụng của xe đạp bằng ứng dụng Bicing, ứng dụng có hơn 120.000 người dùng.

- Hệ thống bãi đậu xe thông minh: Giải pháp này cho phép giảm thiểu giao thông bằng cách giúp người điều khiển phương tiện tìm được nơi đỗ xe, giảm ùn tắc và giúp đường phố an toàn hơn. Các cảm biến không dây được triển khai bên dưới đường và được lắp đặt trên đường phố để hướng dẫn người điều khiển phương tiện đến các điểm đỗ xe có sẵn, cho phép truy vấn thời gian thực thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh. Ứng dụng này cũng cho phép trả tiền khi đỗ xe và cung cấp dữ liệu đỗ xe để các hệ thống thành phố thông minh khác sử dụng.

b) Hệ thống xử lý chất thải thông minh, hệ thống lưới điện thông minh và quản lý năng lượng thông minh

Hệ thống thu gom chất thải thông minh hoạt động tốt ở Barcelona, Barcelona đặt các cảm biến siêu âm đặc biệt trong thùng chứa chất thải cho phép xác định mức độ lấp đầy của thùng chứa, từ đó lập kế hoạch các tuyến đường cho phù hợp. Có nghĩa là, các thùng rác thông minh phát hiện lượng chất thải mà chúng chứa và các nhân viên vệ sinh sẽ lập kế hoạch tuyến đường thu gom phù hợp với dữ liệu họ nhận được từ các thùng rác. Kết quả là việc tối ưu hóa các tuyến đường làm giảm lượng khí thải độc hại do máy thu gom chất thải. Hệ thống này có một số lợi ích ở Barcelona, ​​bao gồm giảm thời gian dành cho việc thu gom chất thải nhờ vào việc tối ưu hóa sự di chuyển của các phương tiện xử lý chất thải, từ đó giảm chi phí nhiên liệu tiêu thụ trong quá trình thu gom chất thải. Hơn nữa, một số thùng kết nối trực tiếp với các kho chứa dưới lòng đất thì chất thải sẽ được hút ra bằng máy hút chân không qua đường ống ngầm giúp giảm thiểu tiếng ồn và tắc nghẽn do xe thu gom rác gây ra. Năng lượng tạo ra từ quá trình đốt chất thải được sử dụng cho hệ thống sưởi của thành phố. Việc sử dụng năng lượng tiên tiến này thường được kết hợp với các thành phố sinh thái thông minh. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ theo hướng dữ liệu liên quan đến việc tích hợp thông tin thu thập được về các dự án phục vụ việc tái phát triển cơ sở hạ tầng đô thị.

Hơn nữa, việc triển khai các giải pháp lưới điện thông minh ở Barcelona và London đòi hỏi nhiều biện pháp vận hành và năng lượng, bao gồm đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh và các nguồn năng lượng hiệu quả. Hệ thống lưới điện thông minh tiết kiệm chi phí, an toàn và bền vững. Nó tích hợp và điều phối quá trình sản xuất, tiêu thụ, cung cấp và cơ sở hạ tầng năng lượng thông qua việc hỗ trợ các công nghệ, dịch vụ năng lượng và người dùng tích cực. Tại Barcelona, ​​dự án MONICA phát triển một hệ thống có khả năng thiết lập chính xác trạng thái của lưới điện phân phối trong thời gian thực tại bất kỳ thời điểm nào thông qua công cụ ước tính tình trạng, cung cấp thông tin thực tế và tức thì về tác động đến chất lượng và an toàn của năng lượng được cung cấp.

Lợi ích mang lại của việc ứng dụng hệ thống lưới điện thông minh theo hướng dữ liệu là:

- Hỗ trợ việc ra quyết định liên quan đến quá trình sản xuất và cung cấp điện phù hợp với nhu cầu thực tế của người dân, doanh nghiệp để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và qua đó đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng.

- Tối ưu hóa mạng lưới điện phân phối gắn với nhu cầu cung cầu năng lượng.

- Giám sát và phân tích mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải Khí nhà kính GHG (Greenhouse Gases) trong thời gian thực trên nhiều quy mô không gian và quy mô thời gian khác nhau, cũng như nâng cao hiệu suất và hiệu quả của hệ thống điện.

- Quản lý các thiết bị tự động hóa phân phối nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và tính bền vững của sản xuất và phân phối điện.

- Tránh tình trạng mất điện tiềm ẩn do nhu cầu sử dụng năng lượng cao bằng cách sử dụng các mô hình định giá năng động, tăng phí trong thời gian cao điểm để làm giảm mức sử dụng điện và áp dụng mức phí thấp hơn trong thời gian bình thường.

- Tránh những đỉnh điểm tốn kém và thâm dụng carbon trong lưới điện bằng cách sử dụng các cách điều phối mới liên quan đến người sử dụng và người tiêu dùng.

c) Môi trường

- Barcelona, ​​các công nghệ tiên tiến cho phép theo dõi thời gian thực của chất lượng không khí cũng như áp dụng các biện pháp phòng ngừa kịp thời. Dữ liệu thời gian thực thu thập được về chất lượng không khí trong thành phố được phân tích để xác định tác động của các giải pháp đã được áp dụng trong việc cải thiện điều kiện môi trường, cũng như xác định các khu vực. Barcelona dẫn đầu so với London về chất lượng không khí nhờ sử dụng một số hệ thống ngăn ngừa ô nhiễm, bao gồm dự báo và mô hình hóa dựa trên các kỹ thuật học máy.

- London đặt mục tiêu có chất lượng không khí tốt nhất của các thành phố lớn trên thế giới vào năm 2020, điều này giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính từ các lĩnh vực giao thông của thành phố trở thành thành phố không carbon vào năm 2050.

Kết luận

Nghiên cứu ở trên đã xác định các khía cạnh cốt lõi của thành phố thông minh theo hướng dữ liệu dựa trên việc kết hợp và so sánh giữa London và Barcelona là các thành phố thông minh định hướng dữ liệu hàng đầu ở Châu Âu, ứng dụng các giải pháp công nghệ theo hướng dữ liệu cải thiện tăng trưởng kinh tế và phát triển bền vững.

Từ góc độ so sánh giữa London và Barcelona liên quan đến tỷ lệ triển khai các công nghệ dữ liệu lớn và việc sử dụng các giải pháp định hướng dữ liệu trong các hệ thống và lĩnh vực của thành phố trong bối cảnh bền vững, để tích hợp, cấu thành và ứng dụng CNTT-TT trong các lĩnh vực của đô thị; triển khai, quản lý và ứng dụng công nghệ dữ liệu lớn trong các khía cạnh về môi trường, kinh tế và xã hội của thành phố. Các thành phố thông minh bền vững dựa trên dữ liệu như một cách tiếp cận toàn diện đối với đô thị, đang mở ra những cơ hội hoàn toàn mới để thúc đẩy tính bền vững thông qua việc sử dụng các công nghệ tiên tiến.

Tại Việt Nam, phát triển đô thị thông minh dựa trên dữ liệu là một trong những động lực quan trọng để thực hiện mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một nước công nghệ theo hướng hiện đại, có thu nhập cao vào năm 2045. Đồng thời, xây dựng phát triển đô thị thông minh cũng là một yếu tố để đẩy nhanh mục tiêu chuyển đổi số quốc gia, phát triển kinh tế số trên nền tảng khoa học - công nghệ và đổi mới sáng tạo theo Nghị quyết số 52-NQ/TW ngày 27/9/2019 của Bộ Chính trị.

Trần Thanh Hà

Tài liệu tham khảo

 [1] https://d-nb.info/1216700176/34

[2] Data Smart Cities - Empowering Cities Through Data

https://smartnet.niua.org/dsc/pdf/DataSmart_Cities_Strategy.pdf