Tài liệu ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị để xây dựng hệ thống quản lý hạ tầng giao thông tại tỉnh quảng ngãi

MỤC LỤC ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ......1 MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................. 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................ 4 6. Bố cục của luận văn............................................................................. 4 CHƯƠNG 1. QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG ....................................6 1.1. Giới thiệu về hạ tầng giao thông ...................................................... 6 1.1.1. Khái niệm về hạ tầng giao thông .................................................6 1.1.2. Đặc điểm hạ tầng giao thông .......................................................6 1.1.3. Phân loại hạ tầng giao thông........................................................8 1.2. Quản lý hạ tầng giao thông .............................................................. 9 1.2.1. Khái niệm.....................................................................................9 1.2.2. Mục tiêu quản lý ........................................................................10 1.3. Hiện trạng quản lý hạ tầng giao thông tại Quảng Ngãi ................. 10 1.4. Khó khăn và thách thức ................................................................. 13 1.5. Bài toán cần giải quyết ................................................................... 15 1.6. Kết luận .......................................................................................... 15 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS TRONG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG .......................................................................................17 2.1. Giới thiệu GIS ................................................................................ 17 2.2. Các thành phần của GIS ................................................................. 17 2.3. Hoạt động của GIS ......................................................................... 18 2.4. Nhiệm vụ của GIS .......................................................................... 19 2.5. Dữ liệu GIS .................................................................................... 21 2.6. Ứng dụng GIS ................................................................................ 21 2.7. Kết luận .......................................................................................... 24 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ .................25 3.1. Giới thiệu cơ sở dữ liệu .................................................................. 25 3.2. Các phương pháp quản lý dữ liệu .................................................. 25 3.3. Cơ sở dữ liệu quan hệ .................................................................... 26 3.3.1. Khái niệm...................................................................................26 3.3.2. Lược đồ quan hệ và chuẩn hóa ..................................................27 3.3.3. Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ ..................................................29 3.3.4. Kết luận ......................................................................................30 3.4. Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng ...................................................... 30 3.4.1. Khái niệm...................................................................................30 3.4.2. Đối tượng và cơ sở dữ liệu đối tượng ........................................31 3.4.3. Kiểu dữ liệu ...............................................................................32 3.4.4. Quản lý đối tượng ......................................................................33 3.4.5. Kết luận ......................................................................................33 3.5. Cơ sở dữ liệu NoSQL..................................................................... 33 3.5.1. Giới thiệu ...................................................................................33 3.5.2. Kỹ thuật và mô hình ..................................................................34 3.5.3. Lưu trữ Khóa-Giá trị (Key-/Value-Store) .................................36 3.5.4. Cơ sở dữ liệu tài liệu (Document Store) ....................................38 3.5.5. Kết luận ......................................................................................39 3.6. Cơ sở dữ liệu đồ thị ........................................................................ 40 3.6.1. Lý thuyết đồ thị..........................................................................40 3.6.2. Định nghĩa cơ sở dữ liệu đồ thị .................................................41 3.6.3. Mô hình dữ liệu đồ thị ...............................................................42 3.6.4. Kết luận ......................................................................................44 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG TẠI TỈNH QUẢNG NGÃI ........45 4.1. Mô tả bài toán ................................................................................ 45 4.2. Hướng tiếp cận cơ sở dữ liệu đồ thị ............................................... 46 4.3. Trừu tượng hóa dữ liệu .................................................................. 47 4.3.1. Thu thập dữ liệu .........................................................................47 4.3.2. Phân tích dữ liệu ........................................................................48 4.3.3. Trừu tượng hóa dữ liệu ..............................................................51 4.4. Thiết kế cơ sở dữ liệu ..................................................................... 52 4.5. Cơ sở dữ liệu đồ thị Neo4J............................................................. 53 4.5.1. Giới thiệu ...................................................................................53 4.5.2. Trình duyệt (Browser) ...............................................................54 4.5.3. Ngôn ngữ truy vấn Cypher ........................................................55 4.6. Trực quan hóa dữ liệu .................................................................... 56 4.7. Nhập dữ liệu ................................................................................... 58 4.8. Truy vấn ......................................................................................... 60 4.9. Đánh giá tốc độ truy vấn ................................................................ 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................66 ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG TẠI TỈNH QUẢNG NGÃI Học viên: Nguyễn Quốc Hùng Chuyên nghành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 Trường Đại học Bách khoa – ĐHBK Khóa: K33 QNG Tóm tắt – Các hệ thống quản lý cơ sở hạ tầng giao thông trước đây thường được phát triển để quản lý các thành phần riêng lẻ của hệ thống hạ tầng giao thông. Luận văn nghiên cứu mô tả giải pháp ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị nhằm xây dựng hệ thống quản lý thông tin hạ tầng giao thông tại tỉnh Quảng Ngãi. Với mục đích xây dựng hệ thống có khả năng mở rộng chức năng dễ dàng, tích hợp các loại dữ liệu khác nhau trong quản lý hạ tầng giao thông, tác giả nghiên cứu một cách tổng quát các loại dữ liệu thường dùng trong quản lý hạ tầng giao thông: hệ thống thông tin địa lý GIS, cơ sở dữ liệu quan hệ và cơ sở dữ liệu phi quan hệ - NoSQL, nhằm xác định ưu thế của cơ sở dữ liệu đồ thị cũng như tìm hiểu bản chất dữ liệu trong quản lý thông tin hạ tầng giao thông, nhằm trừu tượng hóa dữ liệu trong thiết kế mô hình dữ liệu cho hệ thống quản lý thông tin hạ tầng giao thông. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo. Từ khóa – Cơ sở dữ liệu đồ thị, hạ tầng giao thông, hệ thống quản lý, GIS, Cơ sở dữ liệu quan hệ, Cơ sở dữ liệu phi quan hệ NoSQL. APPLICATION OF GRAPH DATABASE TO BUILD TRANSPORT INFRASTRUCTURE MANAGEMENT SYSTEM IN QUANG NGAI PROVINCE Abstract – Previous transport infrastructure management systems are often developed to manage individual components of transport infrastructure systems. The thesis describes the solution of applying graph database to build a transport infrastructure information management system in Quang Ngai provice. For the purpose of building a system that is able to easily expand functions, integrating different types of data in transport infrastructure management, the author has studied in general the types of data commonly used in transport infrastructure management: GIS - geographic information system, relational database and non-relational database, to determine the advantages of graph database as well as understanding the nature of data in management transport infrastructure information, to abstract data in data model design for traffic infrastructure information management system. The author has summarized the results achieved and given the next development directions. Keywords – Graph Database, transport infrastructure, management system, GIS, Relational Database, NoSQL Database. Trang 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với quy mô đô thị ngày càng mở rộng, các phương thức giao thông ngày càng trở nên đa dạng. Các loại phương tiện giao thông vận tải liên tục tăng mạnh, dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng nhanh của người dân đối với giao thông và sự gia tăng đáng kể lưu lượng giao thông. Quy hoạch và phát triển đô thị, khu dân cư cũng tăng nhanh, hạ tầng giao thông cũng được phát triển và mở rộng tương ứng. Tại Quảng Ngãi, phòng Quản lý kết cấu hạ tầng giao thông và phòng Quản lý chất lượng công trình giao thông là hai phòng quản lý trực tiếp và lưu hồ sơ các công trình hạ tầng giao thông. Hiện tại, tại đơn vị thực hiện lưu trữ hồ sơ và quản lý trên giấy, trên máy tính và một số dữ liệu được số hóa sử dụng công nghệ GIS. Tuy nhiên, dữ liệu chưa được cập nhật thường xuyên cũng như chưa phát huy hiệu quả trong việc quản lý. Việc quản lý thông tin về hạ tầng giao thông chưa phát huy được giá trị xứng đáng hay cung cấp hỗ trợ toàn diện cho việc quản lý, hoạch định và ra quyết định của cơ quan chức năng. Dẫn đến hạn chế trong việc phát huy hiệu quả quản lý cũng như dự đoán khả năng phát triển của hạ tầng giao thông. Bên cạnh đó, dữ liệu về hạ tầng giao thông là rất lớn và phức tạp. Dữ liệu này liên tục biến động do công tác xây mới, duy tu, bảo trì, sửa chữa,… Do đó, có thể thấy rằng việc quản lý hiệu quả và phân tích sâu về dữ liệu giao thông là nhiệm vụ quan trọng trong sự phát triển của mỗi đô thị. Việc quản lý dữ liệu hiện trạng công trình hạ tầng giao thông là rất cần thiết và khai thác dữ liệu cơ sở hạ tầng nhằm phục vụ công tác quản lý cũng như công tác phụ trợ liên quan là việc cấp thiết cần thực hiện ngay. Hạ tầng giao thông vốn dĩ phức tạp từ cấu trúc lẫn thành phần. Để quản lý tốt hạ tầng giao thông, chúng ta cần xét đến các loại dữ liệu cần được lưu trữ. Tuy nhiên, những hướng tiếp cận khác nhau về dữ liệu sẽ có những giải pháp riêng biệt, từ đây sẽ gây nên sự phức tạp trong hệ thống. Một cách tổng quát, chúng ta có thể xem xét dữ liệu theo ba hướng tiếp cận dưới đây. Trang 2 • Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Tổ chức các đối tượng địa lý trong hạ tầng giao thông như: đường, cầu, cống ngầm, các công trình phụ trợ. Tuy nhiên, việc tổ chức dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý khó để đáp ứng nhu cầu khai thác dữ liệu như lịch sử đối tượng, thông tin liên kết, đối tượng liên kết theo tiêu chí khác thông tin địa lý. • Cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Database) : Tổ chức dữ liệu theo dạng bảng, liên kết đối tượng hoặc nhóm đối tượng. Việc tổ chức dữ liệu bằng cơ sở dữ liệu quan hệ phù hợp với quản lý thông tin. Tuy nhiên, trong trường hợp các đối tượng có liên kết phức tạp, số lượng đối tượng nhiều, khả năng phát sinh và thay đổi cấu trúc liên kết xảy ra thường xuyên sẽ dẫn đến việc giảm hiệu suất hệ thống hoặc hệ thống sai sót. • Cơ sở dữ liệu đồ thị (Graph Database): Đây là hướng tiếp cận đột phá cho việc tổ chức dữ liệu có cấu trúc liên kết phức tạp giữa các thực thể phức tạp, như hệ thống giao thông. Nó cho hiệu suất kết nối cao và khả năng dễ thay đổi liên kết mà không ảnh hưởng đến dữ liệu. Đây là hướng tiếp cận thích hợp cho tổ chức dữ liệu hạ tầng giao thông. Bài toán đặt ra của đề tài là một giải pháp tổ chức dữ liệu hạ tầng giao thông thành một khối có khả năng lưu trữ hay liên kết các loại dữ liệu khác nhau cũng như khả năng mở rộng linh hoạt nhằm đáp ứng khả năng phát triển và thay đổi từ cấu trúc đến loại dữ liệu. Trong đó, cơ sở dữ liệu đồ thị là hướng tiếp cận mới trong việc lưu trữ dữ liệu đã mang lại nhiều sản phẩm thành công dù vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển. Mô hình dữ liệu này phù hợp với các bài toán kết nối dữ liệu, tương ứng với bài toán quản lý thông tin hạ tầng giao thông. Việc tăng cường thực nghiệm cũng như đưa ra thực nghiệm mang tính thiết thực là cần thiết. Vì những lý do như trên, tôi chọn đề tài luận văn: “Ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị để xây dựng hệ thống quản lý hạ tầng giao thông tại tỉnh Quảng Ngãi”. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, tìm hiểu về hướng tiếp cận sử dụng cơ sở dữ liệu đồ thị để xây dựng hệ thống quản lý thông tin hạ tầng giao thông. Trang 3 Thu thập tài liệu và tìm hiểu về các thành phần trong hạ tầng giao thông, xây dựng bản đồ tương đối chi tiết các thành phần trong hệ thống giao thông. Phân loại các thành phần trong hệ thống giao thông kết hợp thông tin địa lý nhằm trừu tượng hóa thành dữ liệu đồ thị. Thu thập tài liệu cho quy trình quản lý và khai thác thông tin trong quản lý hạ tầng giao thông tại thành phố Quảng Ngãi. Phân tích và thiết kế ứng dụng quản lý thông tin hạ tầng giao thông. Mục tiêu cụ thể là : • Tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý - GIS: o Khái niệm hệ thống thông tin địa lý. o Hoạt động và nhiệm vụ của GIS. o Dữ liệu và ứng dụng GIS. • Tìm hiểu về hạ tầng giao thông và công tác quản lý: o Các thành phần hạ tầng giao thông. o Công tác quản lý hạ tầng giao thông tại Quảng Ngãi. • Tìm hiểu về cơ sở dữ liệu đồ thị: o Khái niệm cơ sở dữ liệu đồ thị. o Phương pháp quản lý dữ liệu đồ thị. o Mô hình dữ liệu đồ thị. o Ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị. o Cơ sở dữ liệu đồ thị Neo4J. • Ứng dụng quản lý thông tin hạ tầng giao thông: o Phân tích thiết kế hệ thống. o Xây dựng mô hình. o Thực nghiệm và đánh giá. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hạ tầng giao thông đường bộ và công tác quản lý tại Quảng Ngãi. Trang 4 Hệ thống thông tin địa lý dùng trong quản lý đối tượng địa lý và bản đồ hạ tầng giao thông đường bộ tại Quảng Ngãi. Cơ sở dữ liệu quan hệ trong quản lý thông tin hạ tầng giao thông đường bộ. Ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị trong việc trừu tượng hóa các thành phần trong hạ tầng giao thông. Thiết kế cơ sở dữ liệu đồ thị và ứng dụng cơ sở dữ liệu đồ thị để xây dựng hệ thống quản lý thông tin hạ tầng giao thông. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống thông tin địa lý, cơ sở dữ liệu quan hệ và cơ sở dữ liệu đồ thị. Tìm hiểu thực tiễn qua việc thu thập thông tin mẫu về hiện trạng hạ tầng giao thông và công tác quản lý hạ tầng giao thông tại Quảng Ngãi. Thực nghiệm đánh giá hệ thống quản lý hạ tầng giao thông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học : o Đưa ra một thực nghiệm về cơ sở dữ liệu đồ thị. Thu thập thông tin hiệu suất về cơ sở dữ liệu đồ thị. o Khảo sát nhằm xây dựng bản đồ thành phần hệ thống giao thông, trừu tượng hóa mối quan hệ giữa các thành phần nhằm bổ sung luận cứ cho các nghiên cứu liên quan trong cùng lĩnh vực. Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng mô-đun quản lý và khai thác thông tin hạ tầng giao thông. Quản lý cập nhật thông tin công trình đường bộ, các nút giao thông, các tuyến đường, cầu cống; quản lý dữ liệu chi tiết về hạ tầng giao thông; tra cứu, tìm kiếm, kết xuất báo cáo dữ liệu; 6. Bố cục của luận văn Luận văn được trình bày bao gồm các phần chính như sau: Trang 5 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS TRONG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG CHƯƠNG 3: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ THỊ ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG TẠI TỈNH QUẢNG NGÃI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 6 CHƯƠNG 1. QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG 1.1. Giới thiệu về hạ tầng giao thông 1.1.1. Khái niệm về hạ tầng giao thông Hạ tầng giao thông được hiểu là khái niệm chỉ các loại cơ sở vật chất như đường sá, cầu cống, sân bay, bến cảng,… đồng thời bao gồm cả các cơ chế tổ chức và hoạt động để cho các loại cơ sở vật chất nêu trên có thể vận hành một cách hiệu quả phục vụ cuộc sống của con người. Trong cuộc sống hàng ngày, con người luôn có nhu cầu di chuyển người và vận chuyển hàng hóa từ nơi này đến nơi khác. Để việc đi lại và vận chuyển hàng hóa được dễ dàng và nhanh chóng, con người đã không ngừng lao động sáng tạo, phát minh ra các loại phương tiện vận tải từ thô sơ đến phức tạp, từ đơn giản đến hiện đại. Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghệ hiện đại, con người đã phát minh ra các loại phương tiện vận tải hiện đại như xe đạp, xe máy, ô tô, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay,… giúp cho việc di chuyển người và vận tải hàng hóa với tốc độ ngày càng cao, an toàn và tiện nghi hơn. Cùng với sự ra đời của các loại phương tiện vận tải hiện đại, con người xây dựng nên các công trình như đường sá, cầu cống, nhà ga, bến cảng, sân bay,… để cho các loại phương tiện này có thể di chuyển, đón trả khách và xếp dỡ hàng hóa một cách thuận lợi và an toàn. Các công trình này chính là những công trình hạ tầng giao thông. Hạ tầng giao thông là hệ thống những công trình vật chất kỹ thuật, các công trình kiến trúc và các phương tiện về tổ chức cơ sở hạ tầng mang tính nền móng cho sự phát triển của ngành giao thông vận tải và nền kinh tế. Kết cấu hạ tầng giao thông bao gồm hệ thống cầu, đường, cảng biển, nhà ga, sân bay, bến bãi và hệ thống trang thiết bị phụ trợ: thông tin tín hiệu, biển báo, đèn đường... [1]. 1.1.2. Đặc điểm hạ tầng giao thông Hạ tầng giao thông thường mang những đặc trưng cơ bản: Trang 7 • Tính hệ thống: hạ tầng giao thông tác động lên hoạt động sản xuất xã hội trên quy mô rộng. Sự trục trặc về hạ tầng giao thông ở một khâu, mắt xích nào đó có thể gây ra ách tắc toàn hệ thống sản xuất, ảnh hưởng đến nhiều tác nhân tham gia. • Tính đồng bộ: các bộ phận cấu thành hệ thống hạ tầng giao thông phải có sự liên kết đồng bộ, cân đối trong tổng thể hợp lý. Sự thiếu đồng bộ có thể sẽ dẫn đến làm tê liệt cả hệ thống hoặc làm cho công trình không thể phát huy được hết tác dụng. • Tính tiên phong, định hướng: muốn phát triển sản xuất và các hoạt động xã hội thì hệ thống hạ tầng giao thông phải được đi trước một bước, nghĩa là phải được xây dựng xong, hoàn chỉnh sau đó các hoạt động sản xuất và đời sống xã hội mới có thể diễn ra. Trong khoảng thời gian dài hạ tầng giao thông thường tác động tới hướng phát triển các hoạt động sản xuất và mở đường cho các hoạt động kinh tế - xã hội phát triển. • Tính công cộng: phần lớn sản phẩm do hạ tầng giao thông tạo ra là những sản phẩm hàng hóa công cộng. Nhiều đối tượng, không phân biệt vị trí xã hội hoặc kinh tế đều có thể tham gia hưởng lợi. • Tính vùng: việc phát triển hạ tầng giao thông phải tính đến và lệ thuộc rất nhiều vào điều kiện tự nhiên (địa hình, các nguồn tài nguyên, tính chất sản xuất xã hội,…) điều đó có nghĩa là việc phát triển hạ tầng giao thông phải tùy thuộc vào điều kiện địa lý có sẵn, vào hướng phát triển kinh tế của từng vùng, khu vực… không thể có hệ thống hạ tầng giao thông giống nhau trải khắp đất nước. Đặc trưng của kết cấu hạ tầng là có tính thống nhất và đồng bộ, giữa các bộ phận có sự gắn kết hài hoà với nhau tạo thành một thể vững chắc đảm bảo cho phép phát huy được sức mạnh tổng hợp của cả hệ thống. Đặc trưng thứ hai là các công trình kết cấu hạ tầng có quy mô lớn và chủ yếu ở ngoài trời, bố trí rải rác trên phạm vi rộng lớn, chịu ảnh hưởng nhiều của tự nhiên[1]. Trang 8 1.1.3. Phân loại hạ tầng giao thông Hạ tầng giao thông được phân loại theo nhiều tiêu thức tùy thuộc vào bản chất và phương pháp quản lý. Có thể phân loại theo hai tiêu thức phổ biến sau: a) Phân theo tính chất các loại đường Hạ tầng đường bộ bao gồm hệ thống các loại đường quốc lộ, đường tỉnh lộ, đường huyện, đường xã, đường đô thị, đường chuyên dùng và hệ thống các loại cầu: cầu vượt, cầu chui,… cùng những cơ sở vật chất khác phục vụ cho việc vận chuyển trên bộ như: bến bãi đỗ xe, tín hiệu, biển báo giao thông, đèn đường chiếu sáng, ... Hạ tầng đường sắt bao gồm các tuyến đường ray, cầu sắt, đường hầm, các nhà ga và hệ thống thông tin tín hiệu đường sắt... Hạ tầng đường sông bao gồm các cảng sông, luồng lạch, kè bờ... là những tiền đề để tiến hành khai thác vận tải đường thuỷ. Hạ tầng đường biển bao gồm hệ thống các cảng biển, cảng nước sâu, cảng container và các công trình phục vụ vận tải đường biển như hoa tiêu, hải đăng... Hạ tầng hàng không là những sân bay, đường băng ... b) Phân theo khu vực Hạ tầng giao thông đô thị bao gồm hai bộ phận: giao thông đối ngoại và giao thông nội thị. Giao thông đối ngoại là các đầu nút giao thông đường bộ, đường thuỷ, đường sắt, đường hàng không nối liền hệ thống giao thông nội thị với hệ thống giao thông quốc gia và quốc tế. Giao thông nội thị là hệ thống các loại đường nằm trong nội bộ, nội thị thuộc phạm vị địa giới hành chính của một địa phương, một thành phố. Giao thông tĩnh trong đô thị bao gồm nhà ga, bến xe ô tô, các điểm đỗ xe... Hạ tầng giao thông nông thôn chủ yếu là đường bộ bao gồm các đường liên xã, liên thôn và mạng lưới giao thông nội đồng phục vụ sản xuất nông ngư nghiệp. Hạ tầng giao thông nông thôn đóng góp một phần quan trọng vào hệ thống giao thông quốc gia, là khâu đầu và cũng là khâu cuối của quá trình vận chuyển phục vụ sản xuất, tiêu thụ hàng nông sản và sản phẩm tiêu dùng cho toàn bộ khu vực nông thôn. Trang 9 1.2. Quản lý hạ tầng giao thông 1.2.1. Khái niệm Trong các loại hạ tầng giao thông, đường bộ là loại công trình bổ trợ cho tất cả các loại hạ tầng giao thông khác như đường sắt và đường sông. Mạng lưới đường bộ kết nối các bến xe, nhà chờ xe bus, bãi đậu xe tạo thành một hệ thống giao thông liên hoàn, thông suốt. Việc tổ chức giao thông đi và đến các đầu mối giao thông này rất phức tạp, đòi hỏi phải kết hợp các phương thức vận tải như đường bộ, đường sắt, đường sông. Do tầm quan trọng của hệ thống giao thông đối với sản xuất và đời sống xã hội, nên việc quản lý hệ thống này là rất cần thiết vì sự phát triển của cộng đồng. Quản lý như một chức năng bắt nguồn từ tính xã hội của lao động trong điều kiện phát triển kinh tế, quản lý được xem là thước đo của hầu hết các hoạt động kinh tế - xã hội. Tùy theo đối tượng quản lý mà người ta có thể phân chia thành các loại như: quản lý kinh tế, quản lý xã hội hay chia thành quản lý công nghiệp, quản lý nông nghiệp,… trong đó có quản lý hạ tầng giao thông. Quản lý hạ tầng giao thông là quá trình sử dụng công cụ và phương pháp quản lý để thực hiện các nội dung: hoạch định, tổ chức, chỉ đạo, thanh tra, kiểm tra các quan hệ kinh tế - xã hội trong hoạt động sử dụng hạ tầng giao thông để đạt được các mục tiêu đã định nhằm hướng ý chí và hành động của các chủ thể quản lý vào mục tiêu chung, kết hợp hài hòa lợi ích cá nhân, lợi ích tập thể và lợi ích Nhà nước[2]. Quản lý hạ tầng giao thông là một bộ phận, đồng thời cũng là nội dung cơ bản của quản lý kinh tế - xã hội. Chủ thể quản lý là Nhà nước có chức năng và nhiệm vụ quản lý đối với tất cả các cá nhân, tổ chức thuộc các thành phần kinh tế, nhưng không được can thiệp trực tiếp vào hoạt động sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp. Quản lý hạ tầng giao thông là một trong những lĩnh vực đặc biệt quan trọng, cần phải được Nhà nước quan tâm hàng đầu trong bối cảnh toàn cầu hóa, hội nhập kinh tế quốc tế ngày càng sâu rộng, nhu cầu đi lại, giao thương ngày càng tăng, kéo theo đó là hàng loạt vấn đề phát sinh liên quan đến hạ tầng giao thông. Trang 10 1.2.2. Mục tiêu quản lý a) Mục tiêu kinh tế: Đảm bảo hiệu quả sử dụng vốn của các dự án phát triển, duy tu, bảo dưỡng hạ tầng giao thông: cũng như tất cả các dự án đầu tư khác, dự án phát triển, duy tu, bảo dưỡng hệ thống hạ tầng giao thông cũng đặt ra yêu cầu khách quan là hiệu quả sử dụng nguồn vốn, tránh thất thoát, lãng phí. Đảm bảo lưu thông của người dân diễn ra liên tục, hạn chế ùn tắc, tai nạn, tạo điều kiện thuận lợi cho đi lại, giao thương. b) Mục tiêu xã hội: Đảm bảo công bằng, công khai, minh bạch trong công tác quản lý quy hoạch hạ tầng giao thông: để đạt được mục tiêu này đòi hỏi các nhà quy hoạch phải tuân thủ đầy đủ các quy định của pháp luật và quy hoạch của thành phố về hạ tầng giao thông, thông báo cho người dân thuộc diện giải tỏa trong quy hoạch biết và có kế hoạch giải tỏa rõ ràng, cụ thể để người dân có kế hoạch chấp hành. Đảm bảo hiệu quả công tác quản lý trên địa bàn: triển khai nâng cao vai trò và trách nhiệm của lực lượng bảo vệ thực hiện công tác quản lý đô thị; Tổ chức rà soát, kiểm tra phát hiện, xử lý kịp thời các công trình xây dựng không phép, sai phép trên địa bàn ảnh hưởng đến giao thông. 1.3. Hiện trạng quản lý hạ tầng giao thông tại Quảng Ngãi Quá trình khảo sát được thực hiện tại Sở Giao thông Vận Tải Quảng Ngãi là đơn vị có chức năng đơn vị có chức năng quản lý, tuần tra bảo vệ công trình giao thông cầu, đường bộ và đường thủy nội địa trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi. Hiện nay, công tác quản lý được thực hiện dựa trên nhiều loại phần mềm khác nhau như: Microsoft Office (Word, Excel ...); AutoCAD (chuyên ngành); Arcgis (ứng dụng GIS để quản lý hạ tầng).... a) Phần mềm Microsoft Word Trang 11 Microsoft Office là một bộ ứng dụng văn phòng gồm các chương trình: Word, Excel, PowerPoint…. Trong đó công cụ được sử dụng nhiều nhất làm Microsoft Word, Microsoft Excel. Microsoft Word là một chương trình soạn thảo văn bản phổ biển hiện nay được ứng dụng cho việc soạn thảo công văn, báo cáo,... Các số liệu, dữ liệu trong các văn bản phải lấy từ các nguồn chương trình khác như Microsoft Excel, bản vẽ AutoCAD. Khi thực hiện nhiều văn bản giấy tờ giống nhau (giấy phép) thì ta phải thực hiện lại tuần tự từ đầu đến cuối hoặc sửa từ file khác tương tự làm mất nhiều thời gian cho việc soạn thảo những văn bản có nội dung gần tương tự nhau. b) Phần mềm Microsoft Excel Microsoft Excel là chương trình xử lý bảng tính trong bộ Microsoft Office của hãng phần mềm Microsoft được thiết kế để giúp ghi lại, trình bày các thông tin xử lý dưới dạng bảng, thực hiện tính toán và xây dựng các số liệu thống kê trực quan có trong bảng từ Excel. Ứng dụng trong công tác thống kê số liệu để thực hiện nhiệm vụ do sở giao như thống kê tai nạn, điểm đen, các công trình đang xuống cấp cần sửa chữa .... Số liệu, dữ liệu lưu trữ trong Excel được chuyển qua phần mềm Microsoft Word để thực hiện việc báo cáo. Do dữ liệu lưu trữ theo dạng bảng không được mềm dẻo, trực quan và khó chỉnh sửa thao tác, khi dữ liệu nhiều thì rất khó quan sát dễ gây nhầm lẫn khi thực hiện việc thống kê. c) Phần mềm AutoCAD AutoCAD là một ứng dụng phần mềm soạn thảo 2-D và 3-D được sử dụng trong kiến trúc, xây dựng và sản xuất để hỗ trợ chuẩn bị bản thiết kế và các kế hoạch kỹ thuật khác. AutoCAD được đơn vị sử dụng vào công việc xem, thiết kế, quản lý kết cấu của công trình đường bộ, công trình cầu bằng các bản vẽ liên quan. Đây là phần mềm chuyên ngành xây dựng nên không phải ai cũng biết sử dụng và không dùng để soạn thảo và không có hệ thống dữ liệu trực quan để tiến hành trích xuất, theo dõi riêng biệt [35]. d) Phần mềm ArcGis Trang 12 ArcMap là một phần trong bộ phần mềm ArcGis về hệ thống thông tin địa lý của hãng ESRI, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập, nhập số liệu, chỉnh lý và phân tích thông tin với các cấp độ khác nhau[33][34]. Xét về mặt công nghệ, công nghệ ESRI có thể xem xét như là một giải pháp mang tính chất tổng thể và hoàn chỉnh, có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD)... và có khả năng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau. Hiện nay, công nghệ GIS phát triển rất nhanh, trong đó phần mềm ArcMap là một trong những phần mềm với nhiều công cụ hỗ trợ, tính năng mạnh mẽ. Việc sử dụng phần mềm ArcMap trong việc số hóa dữ liệu giao thông đường bộ, đường thủy có thể giúp tăng cường công tác quản lý kỹ thuật. Dữ liệu được sử dụng trong phần mềm ArcMap là dữ liệu thông tin địa lý được số hóa tương thích với nhiều loại phần mềm khác vì vậy rất thuận lợi trong việc sử dụng lại dữ liệu khi có nhu cầu kết nối với một sản phẩm của đơn vị khác. Đồng thời có thể chia sẻ dữ liệu với các ngành khác. Tuy nhiên đây là phần mềm rất khó tiếp cận, khó sử dụng, hệ cơ sở dữ liệu theo dạng bảng không được mềm dẻo, khó chỉnh sửa khi có thêm các thuộc tính mới. Và để duy trì việc ứng dụng thường xuyên phần mềm ArcGIS vào công tác quản lý cần có nguồn kinh phí rất lớn. Cán bộ sử dụng phần mềm yêu cầu phải có chuyên môn sâu. e) Phần mềm PDF Reader PDF Reader là phần mềm hỗ trợ chứa các văn bản text, hình ảnh với dung lượng rất nhỏ. Số lượng file PDF lưu trữ khá lớn nên việc tìm kiếm, sắp xếp, cập nhật gặp rất nhiều khó khăn[36]. f) Phần mềm VBMS Phần mềm VBMS là phần mềm của tổng cục đường bộ dùng để theo dõi, lưu trữ hệ thống công trình trực tuyến tại Việt Nam. Đây là phần mềm của Tổng cục đường bộ nên chỉ được thường xuyên cập nhật cơ sở dữ liệu lên phần mềm. Trang 13 Phần mềm không ứng dụng công tác quản lý của đơn vị vì phần mềm chỉ mới khái quát được hệ thống dữ liệu cơ bản của Công trình cầu phục vụ công tác quản lý của Tổng cục đường bộ là chính[37]. g) Phần mềm quản lý tài sản (DRVN) Phần mềm DRVN là phần mềm của tổng cục đường bộ dùng để theo dõi, lưu trữ hệ thống công trình đường bộ trực tuyến tại Việt Nam. Mục đích để tính khấu hao cũng như biết thời gian cần sửa chữa trung tu, đại tu của các công trình đường bộ để phân bổ vốn hợp lý[38]. Vì đây là phần mềm của Tổng cục đường bộ nên Công ty chỉ thường xuyên cập nhật cơ sở dữ liệu lên phần mềm. Phần mềm không ứng dụng công tác quản lý của đơn vị vì phần mềm chỉ mới khái quát được hệ thống dữ liệu tài sản cơ bản của Công trình đường bộ phục vụ công tác quản lý tài sản của Tổng cục đường bộ là chính. h) Phần mềm Văn phòng điện tử (eOffice) Văn phòng điện tử là hệ thống phần mềm trao đổi thông tin, điều hành tác nghiệp và quản lý trình duyệt công văn, văn bản, hồ sơ công việc trên mạng máy tính. Phần mềm được thiết kế thân thiện đối với người sử dụng, giao diện hoàn toàn tiếng Việt. Tiêu chí của eOffice là đưa đến cho người sử dụng phần lớn những tiện ích của mạng máy tính, của Internet nhưng với một cách tiếp cận tự nhiên nhất, giúp người sử dụng dần có một tác phong làm việc hiện đại, hiệu quả, dễ dàng tiếp cận với các ứng dụng công nghệ thông tin hơn. Vì đây là phần mềm của công ty TNHH BKIS nên công ty chỉ cập nhật sửa lỗi và các tính năng sử dụng chung. Và phần mềm chỉ phục vụ công tác trao đổi thông tin và điều hành văn bản. 1.4. Khó khăn và thách thức Qua khảo sát có thể nhận thấy những khó khăn trong hiện trạng quản lý hạ tầng giao thông như sau: Trang 14 Tính bất đồng bộ: dữ liệu được lưu trữ ở nhiều dạng khác nhau, bằng nhiều phần mềm và hệ thống không có liên kết khác nhau dẫn đến tính bất đồng bộ trong dữ liệu. Tính phân tán: việc quản lý cơ sở hạ tầng giao thông nhằm mục tiêu duy tu, bảo dưỡng, xây mới hay tra cứu với nhiều mục đích khác nhau, cần có sự liên kết thông tin giữa nhiều nguồn dữ liệu khác nhau. Tuy nhiên hiện trạng dữ liệu được lưu trữ bằng nhiều hệ thống khác nhau, trên các thiết bị khác nhau và bởi nhiều người khác nhau. Việc phân tán dữ liệu một cách nghiêm trọng sẽ dẫn đến những khó khăn và sai sót nghiêm trọng trong quá trình truy vấn thông tin về hạ tầng giao thông. Thao tác bán tự động: các hệ thống hỗ trợ quản lý thông tin hạ tầng giao thông hiện tại chưa hỗ trợ toàn diện, dẫn đến các thao tác lưu trữ, truy vấn kết quả mang tính bán tự động, cần thao tác thủ công qua nhiều giai đoạn trước khi có được kết quả truy vấn cuối cùng. Việc lưu trữ dữ liệu với hiện trạng hiện tại hầu như ít có khả năng đáp ứng truy vấn câu hỏi trong thời gian ngắn, dẫn đến việc giảm hiệu suất quản lý, cũng như giảm tính chính xác của các kết quả báo cáo vì các sai sót trong quá trình tổng hợp báo cáo. Do vậy, khó khăn trong quá trình tổng hợp, sàng lọc truy vấn dữ liệu và tính chính xác của kết quả là một thách thức của nhà quản lý. Không có khả năng mở rộng: các hệ thống hiện dùng đều mang tính dùng chung hay chỉ đáp ứng một phần công tác quản lý, khó có khả năng mở rộng nhằm hoàn thiện công tác quản lý tự động và nâng hiệu suất. Vì vậy cần thiết có một giải pháp nhằm cung cấp khả năng liên kết cũng như tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau trong quá trình quản lý thông tin cơ sở hạ tầng giao thông nhằm hỗ trợ nhà quản lý xử lý cũng như tổng hợp dữ liệu có khả năng mang lại hiệu suất và tính chính xác là cần thiết cấp bách. Hiện nay có nhiều giải pháp quản lý cơ sở hạ tầng giao thông đã được giới thiệu, được xây dựng nền tảng GIS hay cơ sở dữ liệu quan hệ [24]. Tuy nhiên, đặc thù về thông tin đa dạng của cơ sở hạ tầng giao thông và nhu cầu quản lý hiện tại, việc duy trì và phát triển một hệ thống mang tính tổng quát có khả năng tích hợp nhiều loại thông tin là một bài toán mang tính thách thức cao. Trang 15 1.5. Bài toán cần giải quyết Từ các khảo sát và phân tích hiện trạng, bài toán được đặt ra nhằm giải quyết công tác quản lý thông tin hạ tầng giao thông một cách toàn diện có khả năng đáp ứng nhu cầu mở rộng cũng như cải thiện hiệu năng quản lý. Việc này cần một hệ thống cơ sở dữ liệu tổng quát nhằm kết nối và lưu trữ tất cả các loại dữ liệu có thể xuất hiện trong công tác quản lý thông tin hạ tầng giao thông. Các loại dữ liệu có thể xuất hiện như: dữ liệu GIS, dữ liệu quan hệ, bản vẽ kỹ thuật, hình ảnh, video, pdf,… Mục tiêu của việc thống nhất dữ liệu là phát triển một hệ thống quản lý dễ dàng, có khả năng kết nối đến cơ sở dữ liệu từ các sở ban ngành liên quan cũng như chia sẽ dữ liệu đến các sở ban ngành liên quan. Nghiên cứu này đề xuất giải pháp sử dụng cơ sở dữ liệu đồ thị để làm cơ sở dữ liệu tổng quát. Trong đó, đầu vào là tất cả các loại dữ liệu có thể có, đầu ra là kết quả của một câu truy vấn. 1.6. Kết luận Bản chất hệ thống quản lý thông tin hạ tầng giao thông cần làm việc với nhiều loại dữ liệu khác nhau. Ví dụ: đối với việc lưu trữ và xử lý bản đồ, chúng ta cần hệ thống dữ liệu GIS; đối với dữ liệu mô tả thông tin kỹ thuật của công trình, chúng ta cần hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ; đối với số liệu quan trắc từ cảm biến hoặc camera, chúng ta cần xử lý dữ liệu thời gian thực… Do đó, việc tổ chức hệ thống cơ sở dữ liệu mềm dẻo để có thể tích hợp tất cả các loại dữ liệu trên là một thách thức không thể thực hiện hoàn toàn bằng GIS, Excel hay một công cụ được phát triển cho việc quản lý thông tin thông dụng. Ngoài ra, hầu hết các hệ thống quản lý thông tin có liên quan đến GIS thường sẽ được xây dựng trên nền tảng GIS nhằm tận dụng tối đa sức mạnh sẵn có của GIS. Tuy nhiên, công tác quản lý thông tin hạ tầng giao thông có lượng cấu trúc thông tin phức tạp cũng như có tính thay đổi cao. Việc xây dựng hệ thống GIS linh hoạt cập nhật thường xuyên cần có nguồn kinh phí rất lớn. Trang 16 Vì vậy, cần thiết có một hệ thống có khả năng kết nối giữa các loại dữ liệu rời rạc và khác biệt trong quản lý thông tin hạ tầng giao thông.