(Nguồn: Moxa’s website)

Tóm tắt

Cùng với sự tiến bộ và phát triển không ngừng của công nghệ mạng Ethernet,các nhà qui hoạch giao thông trên thế giới đang sử dụng để giải quyết lưu lượng giao thông thông qua việc triển khai các hệ thống giao thông thông minh (ITS).Trong khi hệ thống giám sát bằng hình ảnh video có thể là nhân tố lớn nhất cần phải quan tâm trong việc triển khai hệ thống ITS mới, việc truyền hình ảnh vidoe có thể làm nhanh chóng chiếm hết băng thông, và khiến cho các mạng ITS không có khả năng mở rộng.

Các yếu tố quan trọng khác cần được xem xét đối với các mạng ITS bao gồm các yếu tố ảnh hưởng bởi môi trường ngoài trời khắc nghiệt lên các thiết bị mạng, các chi phí bảo trì và triển khai, việc tích hợp các thiết bị hiện hữu, tập trung các mạng hiện hữu, và các biện pháp bảo mật để chống lại sự truy cập trái phép. Mạng ITS yêu cầu sự tin cậy vượt trội so với các mạng triển khai cho doanh nghiệp, đây chỉ là một trong nhiều lý do; tuy nhiên sự sống còn lại phụ thuộc vào điều này. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về các giải pháp để đảm bảo sự tin cậy cho mạng ITS, sự quản lý hiệu quả của việc vận hành và bảo trì hệ thống ITS, cũng như xu hướng phát triển của hệ thống ITS công nghiệp hiện nay và các ứng dụng tốt nhất.

Tổng quan

Đèn tín hiệu giao thông có thể được coi là dạng sơ khởi của ứng dụng ITS, được phát minh vào năm 1920^[1] và nó vẫn giữ nguyên vai trò ban đầu trong các mạng ITS tiên tiến ngày nay; chúng tạo sự an toàn và khả năng di chuyển hiệu quả hơn cho các lái xe. Tuy nhiên, các cơ sở hạ tầng của hệ thống ITS hiện đại phức tạp hơn và được mong chờ với các tính năng nhiều hơn là các chu kỳ đèn 3 màu.. Các tổ chức giao thông vận tải trên toàn thế giới đang mở rộng một cách đều đặn các mạng ITS, đặc biệt là đối với các tuyến đường huyết mạch, để giảm tình trạng tắc đường, nâng cao độ an toàn cho lái xe, và giảm khí thải từ các phương tiện giao thông.

Khi các ứng dụng trong hệ thống ITS trở nên đa dạng thì cũng đòi hỏi các dạng thiết bị khác nhau, các mạng ITS mới nhất đang được phát triển tập trung chủ yếu vào các ứng dụng cho đường cao tốc với các hệ thống video giám sát gồm các ứng dụng cơ bản và quan trọng nhất để triển khai. Nhưng với bất kể kiểu ứng dụng và cơ sở hạ tầng cơ bản theo đường trục của bất kỳ mạng ITS nào cũng bao gồm ba yêu tố cơ bản để giảm tổng chi phí của chủ sở hữu (TCO), tối thiểu thời gian triển khai, và dễ dàng đáp ứng các nhu cầu trong tương lai.1

Tính linh hoạt

Vấn đề đầu tiên mà mọi dự án giao thông thông minh (ITS) cần quan tâm đó là việc tích hợp các thiết bị và mạng hiện hữu vào hệ thống mới như thế nào. Ví dụ, các ứng dụng ITS bao gồm hệ thống giám sát video, hệ thống thông tin tuyến đường/thời tiết (RWIS), trạm thu phí, các hệ thống quản lý giao thông tiên tiến (ATMS) cho nhiều giới hạn tốc độ, và các bảng tín hiệu điện tử (VMS), tất cả đều được quản lý một cách tập trung tại trung tâm quản lý giao thông từ xa (TMC), cho phép người vận hành đưa ra các quyết định và hành động phù hợp.

Các thiết bị hiện hữu dựa trên nền tảng nối tiếp (serial), nhưng thực tế kểt nối được dùng trong truyền thông ITS lại thường là Ethernet. Các thiết bị chuyển đổi Serial-to-Ethenet device servers có thể cung cấp khả năng kết nối Ethernet cho các thiết serial hiện hữu, tuy nhiên một số khu vực không thể tiến hành dải cáp đồng/quang do đó đòi hỏi DOT (Bộ giao thông) phải lắp đặt các tuyến cáp quang mới hoặc các bộ thu phát sóng không dây.

Chi phí cáp quang giảm đáng kể nhưng việc lắp đặt cáp quang mới vẫn cần bỏ ra chi phí cho thời gian và nhân công. Các nhà qui hoạch hệ thống ITS đang tăng cường sử dụng các giải pháp tiết kiệm để kết nối tới các thiết bị hiện trường; EoC (Ethernet qua cáp đồng). Bằng cách sử dụng các bộ mở rộng DSL (digital subscriber line), kết nối Ethernet có thể được truyền qua các tuyến cáp đồng hiện hữu. Hai dạng phổ biến nhất của truyền dẫn DSL được diễn tả trong hình 1.

	G.SHDSL	VDSL2
Chuẩn	ITU-T G.991.2	ITU-T G.993.2
Tốc độ	Lên tới 5.7 Mbps	Lên tới 100 Mbps
Khoảng cách	Lên tới 10 km	Lên tới 5 km

Hình 1

Tại các khu vực khó rải cáp, như các đoạn cầu và đường hầm, không có các kết nối hạ tầng bằng cáp quang hoặc cáp đồng, do đó có thể cần dùng đến kết nối không dây. Các Ethernet gateway di động và phần mềm truyền thông chuyên dụng có thể bổ xung tính linh hoạt và di động cho các mạng ITS. Khi được cài đặt trên một gateway có IP công cộng, phần mềm có thể tạo các kết nối truyền thông hiệu quả giữa các trung tâm quản lý giao thông (TMC) và thiết bị hiện trường thông qua các mạng di động riêng. Sử dụng các thiết bị PoE (power over Ethernet) có thể giảm các chi phí phát sinh do không sử dụng cáp nguồn riêng. Tuy nhiên, khi sử dụng các mạng di động để kết nối, sẽ làm phát sinh cước sử dụng dữ liệu.

Cước dịch vụ di động đối với các ứng dụng ITS là rất nhỏ, nhưng nếu sử dụng công nghệ không dây WiFi (IEEE 802.11) sẽ mang lại hiệu quả về chi phí lớn hơn nữa. WiFi bị hạn chế về khoảng cách truyền và trong nhiều trường hợp chi phí cần trả trước sẽ nhiều hơn đôi chút khi xây dựng cơ sở hạ tầng, nhưng về lâu dài thì tổng chi phí của chủ sở hữu là rất thấp. Nếu công nghệ không dây (wireless) sử dụng cho các ứng dụng video, WiFi là lựa chọn tốt nhất, bởi chúng cung cấp băng thông lớn (150Mbps cho mỗi đường truyền).

Độ tin cậy

Yếu tố quan trọng nhất trong một mạng bất kỳ là độ tin cậy và nếu các biện pháp thích hợp không được thực hiện để tăng cường độ tin cậy và toàn vẹn của mạng, hoạt động của mạng ITS sẽ thường xuyên gián đoạn, chi phí bảo trì cao, và hệ thống có thể phải đối mặt với các cuộc tấn công và gây ra các kết quả tai hại.

Dự phòng mạng là một biện pháp phổ biến nhất để đảm bảo hoạt động không gián đoạn của các ứng dụng quan trọng. Tuy nhiên, việc dự phòng đơn giản thông qua cấu trúc mạng đơn giản là không đủ cho nhiều ứng dụng ITS. Thời gian khôi phục theo chuẩn RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) là khoảng 6 giây và chỉ hỗ trợ tới 40 switch trong một mạng. Đối với các ứng dụng tín hiệu giao thông, có rất nhiều sự kiện cùng xảy ra trong 6 giây, đặc biệt trong các giờ cao điểm. Công nghệ dự phòng mạng tiên tiến cho phép thời gian khôi phục nhỏ hơn 20 ms với trên 250 thiết bị switch quản lý trong mạng.

Công nghệ dự phòng tiên tiến, như Turbo Ring và Turbo Chain, không chỉ cung cấp thời gian khôi phục mạng nhỏ hơn 20ms, mà còn tiết kiệm đáng kể chi phí rải cáp, nâng cao độ linh hoạt của mạng, khả năng mở rộng cao, và không yêu cầu cấu hình lại khi mở rộng mạng (điều này có thể làm gián đoạn mạng và thậm chí phải có thời gian tắt hệ thống). Hình 2 mô tả sự khác nhau giữa dự phòng Turbo Ring và Turbo Chain với dự phòng kiểu mạch vòng/ring-coupling thông thường.

Dữ liệu chi phí giao thông của Cơ quan giao thông Mỹ. Năm 2009^[2], một dặm (1.6 km) cáp quang single mode (96 sợi quang) có giá 11.880 $. Giả sử khoảng cách giữa điểm đầu và cuối của mỗi chuỗi là một dặm, công nghệ Turbo Chain đã tiết kiệm được 47.520 $ chi phí cáp.

Hình 2

Môi trường hoạt động ngoài trời có thể nhanh chóng vô hiệu hóa các mạng ITS, đặc biệt khi nhiệt độ ban đêm xuống thấp và tăng cao vượt quá ngưỡng 120°F (49°C) vào ban ngày. Nhiệt độ trong các tủ hai bên đường có thể vượt quá 140°F (60°C). Ngoài ra, các chứng nhận về ITS như NEMA TS2 và E-mark, chỉ số IP (bảo vệ chống xâm nhập) cũng rất quan trọng trong các ứng dụng tại các vị trí có độ ẩm và các yêu tố gây ô nhiễm có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của thiết bị.

Hệ thống giám bằng hình ảnh video là thành phần phổ biến nhất của mọi mạng ITS và nhiều các ứng dụng khác đều phụ thuộc vào nó. Một số dự án ITS yêu cầu độ nét cao, khả năng zoom, hoặc các tiện ích hình ảnh nâng cao. Nhưng sẽ không có gì nếu camera không lỗi. Cơ quan giao thông của chính phủ cung cấp khả năng cho phép truy cập miễn phí các hình ảnh video giao thông trực tiếp từ mạng camera CCTV được lắp đặt dọc theo tuyến đường của bang và câu hỏi đầu tiên trong FAQ (các câu hỏi thường gặp) trên các trang web^[³^] về camera giao thông là “Tại sao thường hiển thị thông báo “Temporarily Unavaible” hoặc không hiển thị được hình ảnh ?”

Camera hỏng không ảnh hưởng quá nhiều tới an toàn của lái xe và sự vận hành của hệ thống ITS. Tuy nhiên, thay thế camera sẽ mất chi phí. Theo cơ quan giao thông Mỹ U.S. DOT báo cáo^[⁴^], một camera CCTV giao thông được lắp mới tiêu tốn khoảng 9.000-19.000 $, chí phí này bao gồm: cột camera, một camera hình ảnh màu, phụ kiện PTZ (pan/tilt/zoom), và chi phí lắp đặt. Trong mộtbài viết ^[⁵^] , được đăng trên website của cơ quan giao thông Mỹ, việc thay thế một camera (không bao gồm chi phí nhân công lắp đặt) cần khoảng 2.500$.

Loại camera “ngoài trời” đơn giản chỉ là camera trong nhà được lắp đặt trong một hộp kín có gắn quạt và sấy. Vấn đề lớn nhất với thiết kế này là khi quạt hoặc bộ sấy gặp sự cố, camera sẽ dễ bị hỏng. Các phát triển mới cho IP camera giờ đây cho phép các ứng dụng ITS không cần sử dụng quạt/sấy. Bằng thiết kế đặc biệt với khả năng tản nhiệt tốt, các camera IP có thể hoạt động một cách bền bỉ trong môi trường có nhiệt độ âm và nhiệt độ cao.

Các lỗ hổng bảo mật thật không may luôn xuất hiện trên hầu hết các mạng ITS. Các hệ thống điều khiển giao thông hiện hữu trước đây bị cô lập và không thể truy cập từ xa. Tuy nhiên, việc tích hợp các hệ thống hiện hữu với mạng dữ liệu công nghệ thông tin chắc chắn sẽ làm phát sinh các mối nguy hiểm và lỗ hổng bảo mật vốn có của mạng.

Cơ quan an ninh quốc gia Mỹ U.S DHS đã thêm vấn đề bảo mật vào trong một báo cáo^[⁶^] được phát hành, trong đó xác định các lỗi quản lý chủ yếu và các lỗ hổng có thể có của các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại, đồng thời cũng khuyến cáo nên sử dụng VPNs và tường lửa để kiểm soát mạng, nhằm tránh khỏi các cuộc tấn công mạng. Dưới đây là ví dụ về một số cuộc tấn công nổi tiếng trên mạng ITS.

	Lerici, Ý – Năm 2009, 38 nhân viên văn phòng đối mặt án phạt vượt đèn đỏ. Chi phí lên tới 210.000 € trong vòng 2 tháng[7].
	Lodz, Ba Lan – Năm 2008, một cậu bé 14 tuổi sử dụng một chiếc điều khiển TV từ xa (đã được chỉnh sửa) để thay đổi các điểm theo dõi trên hệ thống xe điện thành phố, làm chệch ray xe điện và 12 người bị thương. [8].
	Los Angeles, Mỹ – Năm 2006, 2 kỹ sư bất mãn đã chặn tín hiệu điều khiển tại 4 nút giao thông đông đúc nhất của thành phố. Phải mất 4 ngày để khôi phục lại hoàn toàn hệ thống[9]

Các mạng ITS có thể trải rộng trên hàng trăm kilo mét vuông với hàng nghìn thiết bị ngoại vi. Các thiết bị chắc chắn với công nghệ khôi phục tiến tiến được bổ sung để nâng cao độ ổn định của mạng ITS, nhưng việc thiết bị hư hỏng vẫn sẽ xuất hiện. Khi một phần của mạng hỏng, người điều hành hệ thống ITS cần ngay lập tức xác định chính xác vị trí hư hỏng và cử kỹ thuật viên tiến hành bảo trì.

Khả năng mở rộng

Sự tập trung và mở rộng của các mạng ITS sẽ làm chúng khó quản lý hơn. Sử dụng các thiết bị switch Layer 2 và Layer 3 cho các kiến trúc đa tầng có thể hỗ trợ người vận hành trong quản lý mạng và bảo trì hệ thống, nhưng các thiết bị switch phân lớp không đủ để quản lý các mạng ITS có phạm vi lớn. Kiến trúc mạng ITS phân lớp không chỉ cần sắp xếp hợp lý cho việc mở rộng mạng ITS và tối ưu hóa khả năng mở rộng mạng, ngoài ra sử dụng thiết kế edge-to-core (xem hình 3) sẽ giúp người vận hành quản lý và bảo trì có hiệu quả các mạng ITS.

Hình 3

Phần mềm NMS tinh vi (phần mềm quản lý mạng) có thể được dùng để tự động nhận dạng các thiết bị mạng, cung cấp khả năng giám sát thiết bị mạng theo thời gian thực, hiển thị sơ đồ biểu diễn của mạng, tạo các nhật ký sự kiện với khả năng mô phỏng lại (playback) một cách rõ ràng, trực quan một sự cố mạng đã xảy ra trong quá khứ, và cung cấp màn hình ảo để thông báo trạng thái thời gian thực của các cổng kết nối (xem Hình 4).

Hình 4.

Băng thông rộng được yêu cầu cho các hệ thống giám sát lớn và nhiều hệ thống ITS đã được đầu tư hạ tầng mạng cấp độ Gigabit để đảm bảo khả năng mở rộng mạng. Mỗi camera hình ảnh cần xấp xỉ 3 Mbps băng thông tại độ phân giải và tỉ lệ khung hình trung bình. Điều này sẽ không phù hợp với mạng có băng thông 100 Mbps, nhưng có tới 20 camera. Các nhà xây dựng hệ thống ITS cần xem xét và sử dụng mạng Gigabit. Một số công trình có số camera trong mạng lớn (250-300) và đã đầu tư mạng đường trục (backbone) với băng thông 10 Gigabit.

Các switch lớp lõi (Core) thường được dùng tại các TMC và NOC (network operation centers). Tùy thuộc vào quy mô của mạng ITS, các switch lớp lõi có thể có nhiều cổng để kết nối với lớp phân phối (distribution), cổng 10 Gigabit được dùng để truyền dữ liệu một cách nhanh chóng trong mạng backbone, và với thiết kế dạng modular cho phép mở rộng số lượng cổng một cách linh hoạt. Các switch dạng rackmount với số lượng cổng lớn thường được dùng cho lớp lõi và phân phối. Tuy nhiên, mục đích rõ ràng của tập trung và điều khiển từ xa hệ thống là chuyển các switch dạng rackmount tới các tủ ven đường để cung cấp đủ số lượng cổng kết nối cho các thiết bị hiện trường.

Mạng ITS – Các nhiệm vụ quan trọng

Khoảng 5,5 triệu vụ tai nạn giao thông với hơn 33.000 người thương vong^[10] tại Mỹ trong năm 2009. Ứng dụng ITS cho đường cao tốc quan trọng nhất là an toàn, tại nơi mà khi hệ thống bị lỗi có thể dẫn tới các tại nạn nghiêm trọng và tử vong. Một số ứng dụng khác liên quan tới hệ thống ITS, như đường sắt và hàng không cũng rất chú trọng đến đảm bảo an toàn cho hành khách, khi mà xảy ra các sự cố sập hệ thống bất ngờ có thể mang tới hậu quả thảm khốc và gây nguy hiểm đến tính mạng của nhiều hành khách. Và đây là điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng ITS và mạng doanh nhiệp thông thường.

Một số vấn đề không được các nhà quy hoạch hệ thống ITS nhận thức đúng đắn do đó có thể dẫn tới sự cố cho các mạng ITS, đó là việc sử dụng các bộ phận (thiết bị) phi công nghiệp có thể dẫn tới các hư hỏng không thể lường trước. Các trung tâm quản lý giao thông – TMC và các phòng điều khiển tại chỗ được đặt tại các khu vực có điều kiện thời tiết khắc nghiệt, yêu cầu phải sử dụng các hệ thống điều hòa không khí để điều khiển nhiệt độ bên trong, nhưng nếu các hệ thống điều hòa này có sự cố, thiết bị bên trong tòa nhà sẽ có nguy cơ quá nhiệt. Độ tin cậy của mạng ITS không được phép bị ảnh hưởng bởi sự cố của hệ thống điều hòa không khí. Đối với các ứng dụng quan trọng, các nhà xây dựng hệ thống ITS nên quan tâm đến khả năng triển khai một mạng ITS công nghiệp trọn vẹn.

Một mạng ITS công nghiệp trọn vẹn mở rộng tới cả các phòng điều khiển tại chỗ và các trung tâm quản lý giao thông-TMC có thể đòi hỏi chí phí đầu tư ban đầu lớn hơn, nhưng đem lại các lợi ích về thời gian hoạt động của mạng, tối ưu hiệu suất mạng, và giảm chi phí bảo trì, tất cả các lợi ích này góp phần làm giảm tổng chi phí phải bỏ ra của chủ đầu tư.

Gartner, một công ty có uy tín trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ thông tin, đã từng đưa ra kết luận trong một báo cáo^[¹¹^] về cơ sở hạ tầng mạng trong doanh nghiệp do một nhà cung cấp đã không cung cấp đúng các thiết bị mạng quan trọng theo khuyến cáo của nhà cung cấp hệ thống chính. Khi tìm kiếm trong báo cáo này, thông tin có thể đúng cho các mạng doanh nghiệp; nhưng mạng của hệ thống ITS thì ngược lại, nhu cầu về khả năng tương tác tối đa của các phần tử trong mạng là phải ổn định và có kết hợp với sự vận hành của nhiều hệ thống. Với toàn bộ các ưu điểm của các công nghệ trong hệ thống ITS, như phần mềm NMS công nghiệp tiên tiến để tối ưu hóa việc quản lý và bảo trì mạng, thời gian khôi phục mạng cỡ ms, dải nhiệt độ làm việc của thiết bị rộng (môi trường công nghiệp), do đó sẽ yêu cầu việc triển khai kết nối edge-to-core (thiết bị cấp trường với thiết bị truyền dẫn đường trục) để đáp ứng hoạt động của hệ thống.

Cơ sở hạ tầng mạng của nhiều nhà cung cấp có thể đáp ứng được các hệ thống giám sát video đơn giản, nhưng đối với các ứng dụng ITS quan trọng trọng cuộc sống, nên sử dụng cơ sở hạ tầng mạng của một nhà cung cấp duy nhất với các thiết bị được thiết kế và hiệu chỉnh riêng cho các nhu cầu của ứng dụng trong hệ thống ITS.

Để biết thêm về phương pháp và các lợi ích mà các công nghệ mạng công nghiệp tiến tiến mang lại cho mạng ITS xem tại http://www.moxa.com/Solutions/ITS/index.htm

Các tài liệu tham khảo

1. Moyer, Sheldon (March 1947). "Mr. 'Trafficlight'". Motor News (Automobile Club of Michigan): 14–15, 27. <http://www33.brinkster.com/iiiii/trfclt/mrtrafficlight/mrtrafficlight.html> Website last accessed August 31, 2012.

2. RITA - U.S. DOT,http://www.benefitcost.its.dot.gov/ITS/benecost.nsf/0/16C8B5B29C8490FE8525798B0055AC46?OpenDocument&Query=Home Website last accessed September 21, 2012.

3. Caltrans, <http://www.dot.ca.gov/dist2/cctv/faqs.htm> Website last accessed September 11, 2012.

4. CFLHD - U.S. DOT, http://www.cflhd.gov/ttoolkit/flt/FactSheets/ITS/CCTV.htm

Website last accessed September 11, 2012.

5. RITA - U.S. DOT,http://www.benefitcost.its.dot.gov/ITS/benecost.nsf/0/5D4B7534D9133AD2852576AC00753306?OpenDocument&Query=Home Website last accessed September 11, 2012.