Tại buổi họp Hội đồng biên tập năm 2011 của tạp chí chuyên ngành hàng đầu về Tự động hóa, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, sau khi trình bày bốn đặc trưng chính của một hệ thống tự động hóa [1], đó là (i) chất lượng, (ii) năng suất, (iii) hiệu quả và (iv) tin cậy cũng như an toàn,vị tổng biên tập tạp chí, GS Ken Goldberg của Đại học California Berkeley cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của các tương tác với môi trường đến từ tự động hóa không chỉ trong lĩnh vực chế tạo mà còn ở các lĩnh vực khác như chăm sóc y tế, năng lượng, kết cấu hạ tầng, xây dựng,...
Xu hướng tự động hóa xanh được hình thành hướng đến phát triển bền vững và gia tăng hiệu suất bằng công nghệ tiên tiến của tự động hóa và khoa học robot. Qua các nhiệm vụ trọng tâm là (i) tiêu thụ tài nguyên có hiệu quả nhất, làm cho các dạng năng lượng tái tạo cạnh tranh được và thành công để thay thế dần năng lượng hóa thạch; (ii) đẩy mạnh nghiên cứu về robot, điều khiển tự động để có thể đóng vai trò tích cực trong việc thực hiện các mục tiêu bảo hộ môi sinh;(iii) tìm kiếm phương cách mới để phát triển tự động hóa/số hóa và sử dụng chúng nhằm tối ưu hóa tài nguyên, tiến tới sản xuất đại trà công nghệ xanh.
Thập kỷ thứ hai của thế kỷ 21 đã qua đi với những thảm họa do tự nhiên hay do con người đã chứng tỏ những thách thức về môi trường là có thật và đang đe dọa con người ở quy mô toàn cầu. Do tốc độ tăng trưởng dân số, gia tăng tuổi thọ, xu hướng đô thị hóa là một tất yếu. Ở mặt này, đô thị hóa còn làm xấu thêm hiện tượng nóng lên toàn cầu gây ra gia tăng phát xạ ra môi trường, thiếu hụt năng lượng, tình trạng xuống cấp cơ sở hạ tầng và các ảnh hưởng đến môi sinh khác. Dù do bất kỳ nguyên nhân nào, con người hay thiên nhiên, biến đổi khí hậu đã, đang và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dân sinh khu vực và ngày một lan rộng.
Tuy vậy, ở một mặt khác, mười năm vừa qua cũng đã xuất hiện những cơ hội nảy sinh từ các tiến bộ vượt bậc về khoa học-kỹ thuật, công nghệ truyền thông và tính toán, các thành tựu kinh tế và việc tăng cường các biện pháp bảo vệ môi trường. Sự hình thành của các thành phố thông minh thực hiện qua các công nghệ số hóa được xem là một trong các sự phát triển toàn cầu quan trọng, với triển vọng giải quyết các nhu cầu phát triển bền vững và an sinh của dân chúng. Thật vậy, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (cách mạng 4.0) đang diễn ra sẽ nhanh chóng đưa vào số hóa mọi hoạt động của con người, biến mọi vận động thành một không gian mạng-vật lý (cyberphysical) tích hợp, trong đó thế giới ảo (virtual) có thể điều khiển thế giới thực qua các thiết bị thông minh từ khắp mọi nơi.
Dưới góc độ tự động hóa, các thiết bị và hệ thống thông minh này tương tác và tự điều chỉnh chủ yếu qua IoT [2]. Bài báo này giới thiệu sơ nét về sự phát triển của IoT và vài kết quả nghiên cứu mới đây với vạn vật kết nối áp dụng trong hệ thống quản lý năng lượng vi lưới và chất lượng không khí trong tòa nhà thông minh cũng như hệ thống giám sát bề mặt của kết cấu hạ tầng. Tóm tắt những báo cáo liên quan về năng lượng, hạ tầng và môi trường tại Hội thảo EIER 2020 [3] cũng được đưa vào phần chính của bài báo. Những chủ đề này chắc chắn phải thu hút sự quan tâm của ngành tự động hóa hướng về tương lai, làm thế nào để bảo đảm cho mọi phát triển phải là thân thiện với môi trường.
2.Vạn vật kết nối (IoT)
Công nghệ IoT hiểu nôm na là hệ thống các cảm biến (sensors) và cơ cấu tác động (actuators) nhúng trong các đối tượng vật lý khắp nơi (ubiquitous) có kết nối mạng có dây hay không dây. Thuật ngữ IoT trở nên phổ biến trong thập niên gần đây và bắt đầu xuất hiện các áp dụng thương mại của IoT từ 2014 với các áp dụng gắn liền với đời sống con người. Khái niệm IoT do một nhà khởi nghiệp ở Anh quốc tên là Kevin Ashton chia sẻ trong một báo cáo trình bày ở Công ty Proctor & Gamble (P&G) vào 1999. Ashton là người đầu tiên đưa các kỹ thuật nhận dạng vô tuyến (RFID) vào các hệ quản trị chuỗi cung ứng (supply chain management) và là đồng sáng lập Trung tâm nhận dạng tự động (AutoID) ở Đại học Công nghệ Massachusetts (MIT) Hoa Kỳ.
Cùng với xu hướng số hóa, IoT đang phát triển nhanh chóng nhất là trong các ứng dụng của tự động hóa. Việc Windows 10 hỗ trợ lập trình trên nền tảng Windows IoT Core, càng mở ra nhiều cơ hội để phát triển đại trà các ứng dụng của IoT. Vài ví dụ có thể kể ra như tự động hóa ngôi nhà, quản lý các thiết bị cá nhân, mua sắm thông minh, chăm sóc sức khỏe (healthcare) thông minh, quản lý môi trường, xử lý chất thải, quản lý đô thị, tìm kiếm và cứu hộ, phản ứng trong tình trạng khẩn cấp,...
Nhờ IoT, sự kết nối của các thiết bị với nhau trở nên rất chặt chẽ. Ví dụ như, chỉ với chiếc điện thoại thông minh khi đi ra ngoàita có thể điều khiển các thiết bị (như lò vi sóng, đèn, cửa sổ,...)và giám sát tình trạng trong nhà. Hiển nhiên, điều này đòi hỏi một mạng lưới để kết nối các thiết bị với nhau. IoT sẽ dần làm thay đổi bộ mặt cuả đô thị, bằng việc giảm tắc nghẽn giao thông, cập nhật lộ trình các phương tiện vận tải, tạo ra các dịch vụ hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và đem lại sư tiện nghi và an toàn cho mọingười. IoT sẽ giúp ta giám sát, kiểm soát các hoạt động liên quan đến cơ sở hạ tầng, theo dõi các biến động, giúp lập kế hoạch sửa chữa, bảo trì cơ sở hạ tầng một cách hiệu quả nhất, tốn ít chi phí nhất thông qua kết nối giữa các nhà cung cấp. Các cơ sở hạ tầng quan trọng được giám sát qua mạng kiểm soát an toàn giao thông bởi các hệ thống vận tải thông minh, quản lý theo dõi mạng lưới năng lượng, thông tin, và các kết cấu hạ tầng khác. Việc theo dõi hạ tầng và các hoạt động liên quan giúp cho sự quản lý tốt hơn, giảm thiểu sự cố, giải quyết tốt các trường hợp khẩn cấp, đem lại chất lượng dịch vụ gia tăng mà chi phí giảm xuống. Kèm theo đó là các lĩnh vực liên quan đến phát xạ (emissions), xử lý ô nhiễm môi trường cũng theo hướng tích cực.
Công nghệ IoT hiện nay đang là một xu hướng được các chính phủ, doanh nghiệp quan tâm hàng đầu để đầu tư, nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Thập niên thứ ba bắt đầu từ 2020 sẽ là bướcđột phá trong việc triển khai các áp dụng IoT trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là tự động hóa. Trên quy mô lớn, một ứng dụng mà người dân và các chính phủ đang mong đợi là đô thị thông minh. Đó sẽ là một thành phố được quản lý số hóa với công nghệ thông tin, điện tử, viễn thông, tự động hóa cùng với những thành tựu của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence, AI). Hình 1 cho thấy các đặc trưng của một đô thị như thế với các tiêu chí bao gồm: nền chế tạo/sản xuất thông minh, chính phủ thông minh, các công dân và xã hội dân sự-văn hóa giáo dục thông minh, mạng di động phổ cập và an toàn, các dữ liệu lớn tin cậy và mở, nền y tế thông minh, các lĩnh vực nông lâm-nuôi trồng và ngư nghiệp thông minh, các tòa nhà thông minh, lưới điện thông minh, và hệ thống giao thông vận tải thông minh. Cần nhấn mạnh ở đây là thông minh không chỉ là được số hóa và tương tác, tự điều chỉnh đến tình trạng tốt nhất mà quan trọng hơn, là đã bao hàm tính chất bền vững (sustainability). Có thể nói bất cứ sự phát triển nào mà không bền vững, nhất là bền vững về môi trường, thì không thể gọi là thông minh được.
Hình 1
Công nghệ IoTvà tự động hóa là yếu tố căn bản để thực hiện các thành phố thông minh, trong đó các vấn đề về năng lượng, kết cấu hạ tầng, và môi sinh phải là ưu tiên. Bạn đọc nhập môn lập trình điều khiển cho hệ IoT có thể tham khảo cuốn sách [2], còn dưới đây là vài kết quả chuyên sâu về các lĩnh vực ưu tiên vừa kể.
3. Năng lượng, kết cấu hạ tầng và môi trường
Phần chính của bài báo này gồm hai tiểu mục về các nghiên cứu có liên hệ đến các vấn đề ta đang quan tâm mới công bố gần đây mà ít nhiều mang tính khả thi [3-8].
3.1 Vài kết quả mới về quản lý năng lượng, hạ tầng và môi trường với IoT
Như đã nói trên, tự động hóa xanh nhắm đến xử lý một cách hiêụ quả và bền vững trong việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch thay thế mà vẫn bảo đảm bốn tiêu chí của nền công nghiệp tự động hóa ngày nay. Việc quản lý các lưới điện vi mô song song với lưới điện chính vì vậy trở nên phức tạp. Trong các tòa nhà thông minh hiện nay đã có thể đạt được mức tiêu thụ năng lượng zero với các nguồn năng lượng tái tạo, chủ yếu là quang năng. Không chỉ năng lượng, hệ thống quản lý tòa nhà còn có khả năng kiểm soát các tương tác của tòa nhà với môi trường bên ngoài và giám sát các trạng thái nội tại (health monitoring) cùng dịch vụ mà nó cung ứng (building services) cũng như chất lượng không khí bên trong.
Vì cung cấp điện là một nhu cầu thiết yếu 24/7, một trong những khó khăn cho các hệ thống quản lý năng lượng vi lưới ngoài hiệu suất còn là độ tin cậy. Chúng tôi đã thiết kế và thực hiện các bộ điều khiển phụ thuộc cho vi lưới (microgrid) của một tòa nhà thông minh như Hình 2(a) theo sơ đồ điều khiển Hình 2(b) [4]. Các bo mạch vạn vật kết nối, như Hình 2(c), nhúng vào hệ thống điều khiển các tấm quang điện (photovoltaic PV) đặt trên nóc tòa nhà, như Hình 2(d), để điều hòa năng lượng sinh ra một cách tối ưu và tự phục hồi từ các sự cố như mất liên lạc, mất nguồn cung cấp hay có lỗi về mạng về hoặc lỗi cơ cấu chấp hành. Tính năng phụ thuộc điều khiển (control dependability) này có được là nhờ thuật toán trực lệnh thực hiện bằng IoT.
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 2
Cùng với xu thế đô thị hóa và gia tăng dân số trong khi môi trường sống bị đe dọa bởi các nguy cơ nhiễm bẩn, mô hình hóa và giám sát chất lượng không khí trở nên rất quan trọng [5]. Vì số trạm quan trắc bị hạn chế, mạng cảm biến (sensor network) với các cảm biến rẻ tiền có nối mạng được xem là một giải pháp. Trong chiều hướng này, rất cần thiết các hệ vạn vật kết nối để truyền dữ liệu kết hợp với những khả năng nâng cao trong thu thập và xử lý dữ liệu lớn. Một mặt khác, với tốc độ đô thị hóa và già hóa số dân, ngày càng nhiều cư dân sống và làm việc trong các buildings, chất lượng không khí bên trong tòa nhà gần đây trở nên rất quan trọng để bảo đảm sức khỏe và năng suất lao động. Công trình mới đây [6] cho thấy đối với cư dân nhạy cảm sống trong không gian kín của tòa nhà, cần xét đến (i) độ ẩm khi tính toán chỉ số chất lượng không khí nên trong (Indoor Air Quality Index-IAQI), và (ii) sự thiếu chính xác của dữ liệu thu thập vì mất thông tin do truyền dẫn từ người bị ảnh hưởng bởi các khí độc hại đến vị trí đặt cảm biến.
Ở đây, chúng tôi dùng mạng cảm biến có tích hợp IoT với các cảm biến tổ ong (waspmote), như Hình 3(a), đặt ở những vị trí nhất định tại một tầng của tòa nhà, xem Hình 3(b), và nối mạng không dây bằng bộ phân đường Meshlium, xem Hình 3(c), qua ethernet, Wi-Fi và mạng 3G. Mỗi cảm biến tổ ong có thể đo được nồng độ (phần tử trong đơn vị triệu, ppm) của 8 chất khí (hydro, oxy, CO, CO2, H2S, ethanol, toluene, và ammonia), nhiệt độ và độ ẩm tương đối. Một dạng tường minh để tính IAQI mở rộng được đề nghị cho (i) trong khi độ chính xác của việc ước lượng các phân bố nồng độ khí trong tòa nhà (ii) được giải quyết bằng bộ lọc Kalman có bậc phân số và hàm hiệp phương sai dạng Matérne. Phương pháp đưa ra đã được thử nghiệm với hệ thống quản lý tòa nhà như trong Hình 2(a). Kết quả đã lý giải được một trường hợp bị ngất xỉu dưới ảnh hưởng của thán khí CO trong một ngày mưa ẩm độ cao [6].
(a)
(b)
(c)
Hình 3
Cấu trúc hạ tầng cho thành phố thông minh có sức chịu đựng cao chống lại các tác nhân hư hao bên ngoài. Muốn vậy, cần có các hệ thống giám sát thường xuyên. Với sự phát triển các thiết bị không người lái (UAV)có gắn camera, GPS và bo mạch IoT, như Hình 4(a), bay đến được những địa hình khó khăn, chúng tôi đã phát triển một hệ thống điều khiển thời gian thực cho một đội hình bay bộ ba [7] để thực hiện ý tưởng kiểm tra thông minh bề mặt một chiếc cầu, xem Hình 4(b). Hìnhảnh thu thập cho một vết nứt trên cầu được qua xử lý tự động với thuật toán “trèo núi” [8] đã nhận được kết quả rất khả quan, như hiển thị ở Hình 4(c) lần lượt cho ảnh ban đầu, ảnh nền thực và ảnh xử lý cho thấy một sự trùng khớp được lượng định qua các tiêu chuẩn đánh giá phổ biến. Chúng tôi đang kết hợp với cách tiếp cận học sâu (deep learning) để cải tiến phương pháp.
(a)
(b)
(c)
Hình 4
3.2 Hội thảo EIER 2020
Như đã trình bày ở trên, các vấn nạn phát sinh do đà gia tăng dân số, kiệt quệ về tài nguyên, thiếu hụt về năng lượng, khuynh hướng đô thị hóa và hiện tượng nóng lên toàn cầu đã và đang gây ra nhiều cập lụy, đặc biệt cho môi trường sống. Tuy nhiên các tiến bộ vượt bậc trong y khoa, công nghệ thông tin, viễn thông, điều khiểntự động và công nghệ robotđang cho ta nhiều hy vọng. Để đối phó với các vấn nạn toàn cầu này, hơn lúc nào hết cần có tri thức và trách nhiệm. Với mong muốn nâng cao ý thức và khuyến khích các bạn trẻ quan tâm đến các giải pháp bền vững, thúc đẩy sự hợp tác và các nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt về các vấn đề do tương tác giữa năng lượng, hạ tầng và môi trường, chúng tôi lần đầu tổ chức một hội thảo ở Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, EECR-2020, quy tụ các nhà nghiên cứu, doanh nghiêp, nhà hoạt động, nhà báo của Việt Nam, Hàn Quốc, Malaysia và Úc [2].
Trong hội thảo này các chuyên gia sẽ tham luận về các vấn đề chính, ngoài các đề tài khác về sức khỏe môi sinh, quản lý năng lượng và giám sát hạ tầng, chất lượng không khí và phát xạ, mô hình hóa các hoạt động môi trường. Hội thảo cũng sẽ là dịp gặp gỡ giao lưu cho các nhà nghiên cứu trẻ và tạo các cơ hội cho hợp tác trong các lĩnh vực quan tâm.
4. Kết luận
Bài báo này đã điểm sơ lược về các thách thức và cơ hội liên quan giữa các vấn đề về năng lượng, hạ tầng và môi trường với tác động trực tiếp đến đời sống con người. Một tiêu chí quan trọng chung cho các giải pháp này: bền vững về môi trường. Để thỏa mãn các tiêu chí này, tự động hóa xanh với hệ vạn vật kết nối chắc chắn sẽ có vai trò nổi trội. Có thể nói hai điều kiện cần cho các hệ thống, thiết bị hay rộng ra cho các thành phố, được gọi là “thông minh” (smart) là khi chúng được tự động hóa và bền vững về môi trường (environmentally sustainable). Điều kiện còn lại sẽ là sự tiếp nối sáng tạo và có trách nhiệm của các bạn trẻ.