Ứng dụng bản sao số để quản lý đô thị Việt Nam: Thuận lợi và thách thức

1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa cao dẫn tới các đô thị xuất hiện ngày càng nhiều tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Quản lý đô thị là hoạt động phức tạp, bao gồm nhiều công việc như: Quy hoạch xây dựng, kiến trúc; hoạt động đầu tư xây dựng; giao thông vận tải; phát triển đô thị; hạ tầng kỹ thuật đô thị, khu công nghiệp, khu kinh tế, khu công nghệ cao (bao gồm: Cấp nước, thoát nước đô thị và khu công nghiệp, khu kinh tế, khu công nghệ cao, cơ sở sản xuất vật liệu xây dựng; chiếu sáng đô thị, cây xanh đô thị; quản lý nghĩa trang, trừ nghĩa trang liệt sĩ; quản lý xây dựng ngầm đô thị; quản lý sử dụng chung cơ sở hạ tầng kỹ thuật đô thị); nhà ở; công sở; thị trường bất động sản; vật liệu xây dựng trên địa bàn đô thị.

Trong quá trình đô thị hóa với sự xuất hiện của hàng loạt công trình, các công việc của quản lý đô thị trở nên ngày càng phức tạp, đặc biệt là những đô thị mới với cơ sở hạ tầng kỹ thuật tiên tiến, cấu tạo phức tạp đặt ngầm đất, có nhiều bên hữu quan như quản lý nhà nước, nhà đầu tư và đặc biệt là cộng đồng cư dân tham gia vào quá trình quản lý đô thị là những thách thức chính dẫn tới công tác này chưa đạt được hiệu quả và mục đích mong muốn.

Những khó khăn này đã được một số nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu giải quyết thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến để xây dựng bản sao số (Digital twin – DT) cho các đô thị [1]. Bản sao này sẽ hỗ trợ chuyển đổi chu trình quản lý đô thị nói chung và đặc biệt là quản lý các công trình xây dựng (các tòa nhà, các công trình giao thông, cấp thoát nước, công viên…) trong đô thị đó từ thủ công sang tự động hóa, nâng cao chất lượng cộng tác của các bên hữu quan. Theo đó, các chu trình và công việc chính của công tác quản lý đô thị sẽ được các bên phối hợp thực hiện với sự hỗ trợ của DT [2].

Nằm trong chiến lược chuyển đổi số quốc gia [3], việc áp dụng công nghệ số để nâng cao hiệu quả quản lý đô thị là yêu cầu cấp thiết.

2. DT và ứng dụng để quản lý đô thị

2.1. Bản sao số – Digital twin (DT)

Bản sao số – Digital twin là một thuật ngữ được Michael Grieves đưa ra khái niệm lần đầu trong khóa học quản lý vòng đời sản phẩm của ông tại Đại học Michigan (Hoa Kỳ) năm 2003. Sau gần 20 năm, đến nay đã có hàng nghìn bài báo được xuất bản liên quan tới thuật ngữ này, đỉnh cao là năm 2021 với 2.934 bài báo [4]. Bản sao số đã được nghiên cứu từ lý thuyết tới thực tiễn, với nhiều ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau, một trong số đó là quản lý đô thị [5].

Tại Việt Nam, khái niệm DT là một thuật ngữ không quá xa lạ nhưng còn chưa được phổ biến rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực quản lý đô thị. DT được định bao gồm 4 đặc điểm sau (Mô tả cụ thể ở hình 1): 1. Sử dụng biểu diễn ảo (virtual representations) để thể hiện một thực thể (the physical counterpart); 2. Liên kết trong DT yêu cầu truyền dữ liệu từ thực thể sang phần biểu diễn ảo (nhưng không bắt buộc chiều ngược lại); 3. Phần ảo có thể điều khiển/ kiểm soát phần thực thể tương ứng (Đặc điểm này có thể khống bắt buộc); 4. DT phải phục vụ một dịch vụ cụ thể [6].

Từ khái niệm trên, có thể nhận thấy DT không đơn thuần chỉ là mô hình biểu diễn ảo của các thực thể, mà còn là môi trường để các thực thể truyền dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xa hơn là sử dụng dữ liệu để điều khiển các thực thể, phục vụ một mục đích cụ thể nào đó. Do đó, nó hoàn toàn phù hợp để quản lý đô thị trong thực tế [7].

2.2. Ứng dụng DT để quản lý hoạt động quy hoạch, đầu tư xây dựng

DT có thể được ứng dụng ngay từ khi thực hiện hoạt động đầu tư xây dựng công trình, từ việc khảo sát nghiên cứu hiện trạng xung quanh dự án, cho tới việc lập quy hoạch, thiết kế sơ bộ, thiết kế cơ sở, thiết kế thi công cho tới tận khi dự án đưa vào vận hành [6]. Thông qua việc mô phỏng các phương án khác nhau, DT có thể phân tích và cung cấp cho các nhà quản lý các kết quả tương ứng như mô tả ở Hình 2. Đó là cơ sở khoa học định lượng để việc lựa chọn mang tính khách quan hơn, tránh được những rủi ro về hiệu quả của dự án trong tương lai.

2.3. Ứng dụng DT để quản lý công trình, hạ tầng đô thị sẵn có

Hầu hết các đô thị hiện nay đều có lượng công trình, hạ tầng đô thị chiếm phần lớn, còn những công trình mới chỉ chiếm phần nhỏ. Do đó, nhiệm vụ đặt ra cho công tác quản lý công trình, hạ tầng đô thị sẵn có là nặng nề hơn những công trình xây dựng mới. DT có thể giúp cho công tác quản lý công trình sẵn có trở nên dễ dàng hơn, tuy nhiên việc xây dựng DT cho các công trình này là không hề đơn giản do yêu cầu về thông tin khổng lồ [1]. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để làm đơn giản hóa hơn quá trình này, nhưng vẫn đầy đủ thông tin thiết yếu để việc quyết định quản lý phù hợp nhất [5].

Nhiều dự án trong thực tế đã thành công trong việc áp dụng DT để quản lý đô thị như dự án quản lý cầu ở Brisol – Vương quốc Anh [5] (Hình 3), quản lý hoạt động giao thông ở Bologna – Ý [9], dự án quản lý công trình y tế ở Đại học Florida (Hoa Kỳ) [10], hoặc quản lý hoạt động vận hành và bảo trì tòa nhà ở đại học ở Vương quốc Anh [11].

Cụ thể, việc quản lý cầu ở Brisol – Vương quốc Anh qua DT được thực hiện như sau:

1. Mô hình DT của cầu được xây dựng với đầy đủ thông tin mô tả thiết yếu nhất (thiết kế chi tiết, vật liệu cấu tạo, kết nối với công trình xung quanh, vị trí lắp đặt sensor) cho quá trình quản lý vận hành (bảo trì, sửa chữa).

2. Hệ thống cảm ứng sensor truyền các dữ liệu cần thiết về trung tâm dữ liệu. Dữ liệu truyền về được xử lý, mô hình hóa và lưu trữ thông tin cần thiết.

3. Khi có tình huống quản lý xảy ra (sửa chữa, bảo trì, tình huống khẩn cấp…), hệ thống mô phỏng và đưa ra quyết định xử lý thích hợp.

3. Thuận lợi và thách thức để áp dụng DT cho quản lý đô thị tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu áp dụng DT cho các hoạt động chính của công tác quản lý đô thị như đã phân tích tại phần 2 cho thấy những thuận lợi và khó khăn nhất định. Trong lĩnh vực xây dựng – thành phần công việc chính của quản lý đô thị, DT có thể được xây dựng dựa trên nền tảng của công nghệ BIM – mô hình thông tin công trình (Building Information Modelling – BIM) và các công nghệ có liên quan để xây dựng mô hình như: Scan 3D, hoặc các công nghệ tích hợp vào BIM như: Nhận dạng qua tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID), công nghệ cảm ứng (Sensor), Internet vạn vật (Internet of Things – IOT) hay công nghệ trí thông minh nhân tạo (Artifical Intelligence) và công nghệ thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality – AR). Những công nghệ này đã được biết đến và sử dụng tại Việt Nam nhưng chưa được nghiên cứu áp dụng rộng rãi cho công tác quản lý đô thị. Bên cạnh đó, các công nghệ này cũng đang được nghiên cứu việc ứng dụng đơn lẻ, chưa được tích hợp với nhau để tận dụng hiệu quả cộng hưởng của các công nghệ trong điều kiện của Việt Nam [8].

Trong các công nghệ tiên tiến có thể áp dụng cho công tác bảo trì và quản lý chất lượng nêu trên, công nghệ BIM đã không còn xa lạ trong ngành xây dựng Việt Nam từ sau năm 2016, sau khi Thủ tướng Chính phủ ban hành lộ trình triển khai áp dụng công nghệ này trong ngành xây dựng tại Quyết định số 2500/QĐ-TTg. Đến năm 2017, Bộ Xây dựng cũng ban hành Quyết định số 1057/QĐ-BXD, đế có một hướng dẫn tạm thời trong giai đoạn thí điểm áp dụng BIM để các cơ quan, tổ chức, cá nhân có liên quan sử dụng.

Tuy nhiên, sau 5 năm thực hiện Quyết định của Thủ tướng Chính phủ, và 4 năm thực hiện theo hướng dẫn của Bộ Xây dựng, nghiên cứu từ các dự án thí điểm áp dụng BIM cho thấy, số lượng các dự án nghiên cứu áp dụng BIM cho giai đoạn vận hành còn rất hạn chế [15]. Nguyên nhân là do hiện nay việc sử dụng BIM trong công tác quản lý vận hành, bảo trì công trình ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung vẫn còn mới mẻ và đang cần được nghiên cứu hoàn thiện. Dù vậy, hiệu quả mang lại từ những dự án mà BIM được áp dụng trong giai đoạn xây dựng sẽ là tiền đề và cơ sở hạ tầng để xây dựng và phát triển BIM trong giai đoạn vận hành ở nước ta.

Những công nghệ tiên tiến có liên quan và có thể được tích hợp cùng với công nghệ BIM còn lại đã được sử dụng rộng rãi hàng ngày trong cuộc sống tại Việt Nam. Công nghệ mã vạch được dùng để định danh cho các sản phẩm hàng hóa trong cửa hàng hoặc siêu thị. Ngành logistic sử dụng công nghệ nhãn RFID để theo dõi hành trình của các lô hàng hóa trong quá trình vận chuyển hoặc lưu kho [16]. Công nghệ cảm ứng được sử dụng để đo nhiệt độ, độ ẩm, độ sáng và chuyển vị của các thiết bị hoặc khu vực. Một lượng lớn thiết bị di động, máy tính, các tài khoản có kết nối internet trên nền tảng internet bang thông rộng là một ví dụ cụ thể của việc áp dụng công nghệ Internet vạn vật tại Việt Nam [17].

Công nghệ trí thông minh nhân tạo cũng được áp dụng rộng rãi và có thể bắt gặp thường xuyên trong cuộc sống hàng ngày như: mô phỏng giọng nói trong các phần mềm của thiết bị di động để học ngôn ngữ, mô phỏng nhận diện khuôn mặt. Công nghệ thực tế ảo cũng được khai thác rộng rãi trên nền tảng thiết bị di động để xây dựng các trò chơi hoặc các phần mềm giảng dạy học tập, và nghiên cứu trong công tác quản lý vận hành hệ thống cơ điện của công trình [18].

Những phân tích trên cho thấy sự sẵn sàng của công nghệ là thuận lợi chính cho việc áp dụng DT trong quản lý đô thị ở nước ta. Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn và thách thức lớn liên quan tới sự sẵn sàng về tài chính và nhân lực. Cụ thể là, xây dựng DT cho quản lý đô thị yêu cầu nguồn tài chính lớn cũng như nguồn nhân lực có trình độ cao để sử dụng thành thạo và hiệu quả DT. Những thách thức này cần được nghiên cứu sâu hơn để tháo gỡ và giải quyết, đẩy mạnh quá trình số hóa cho công tác quản lý đô thị, mang lại điều kiện sống tốt hơn cho người dân.

4. Kết luận và kiến nghị

Kết quả nghiên cứu của bài báo cho thấy hiệu quả đáng ghi nhận của việc ứng dụng DT trong công tác quản lý đô thị trên thế giới. Việc áp dụng DT sẽ thay thế các hoạt động quản lý thủ công bằng các công tác được tự động hóa. DT mang lại một môi trường làm việc cộng tác, trực quan hóa, khách quan, đây là căn cứ quan trọng để khuyến khích các bên hữu quan ứng dụng DT cho công tác quản lý đô thị.

Nghiên cứu cũng cho thấy khả năng ứng dụng DT cho quản lý đô thị Việt Nam thông qua kết quả phân tích mức độ sẵn sàng cả về mặt tài chính, nhân sự và công nghệ. Kết quả của nghiên cứu là căn cứ khoa học quan trọng để các nhà khoa học, các nhà quản lý tiếp tục xem xét giải quyết những vấn đề còn tồn tại về tài chính và nhân lực. Giải quyết những thách thức này sẽ góp phần đẩy mạnh chuyển đổi số trong ngành xây dựng nói chung, đồng thời nâng cao chất lượng và hiệu suất của công tác quản lý đô thị tại Việt Nam.

Tài liệu tham khảo:

[1] L. Wan, T. Nochta, and J. M. Schooling, “Developing a city-level digital twin – Propositions and a case study,” International Conference on Smart Infrastructure and Construction 2019, ICSIC 2019: Driving Data-Informed Decision-Making, no. January, pp. 187-193, 2019.

[2] T. Deng, K. Zhang, and Z. J. (Max) Shen, “A systematic review of a digital twin city: A new pattern of urban governance toward smart cities,” Journal of Management Science and Engineering, vol. 6, no. 2, pp. 125-134, 2021.

[3] Thủ tướng Chính phủ Việt Nam, “Chương trình chuyển đổi số quốc gia đến năm 2025, định hướng đến năm 2030,” 2020.

[4] F. Tao, B. Xiao, Q. Qi, J. Cheng, and P. Ji, “Digital twin modeling,” Journal of Manufacturing Systems, vol. 64, no. January, pp. 372-389, 2022.

[5] M. Pregnolato et al., “Towards Civil Engineering 4 . 0 : Concept , workflow and application of Digital Twins for existing infrastructure,” Automation in Construction, vol. 141, no. July, p. 104421, 2022.

[6] F. Jiang, L. Ma, T. Broyd, and K. Chen, “Digital twin and its implementations in the civil engineering sector,” Automation in Construction, vol. 130, no. July, p. 103838, 2021.

[7] V. V. Mantulenko, “International Scientific Conference on Smart Nations: Global Trends In The Digital Economy, 2022,” in Lecture Notes in Networks and Systems, 2022, vol. 397 LNNS.

[8] Q. T. Thi Huong, P. L. Quang, and N. Le Hoai, “Applying Bim and Related Technologies for Maintenance and Quality Management of Construction Assets in Vietnam,” International Journal of Sustainable Construction Engineering and Technology, vol. 12, no. 5, pp. 125-135, 2021.

[9] A. Bujari, A. Calvio, L. Foschini, A. Sabbioni, and A. Corradi, “A digital twin decision support system for the urban facility management process,” Sensors, vol. 21, no. 24, 2021.

[10] O. C. Madubuike and C. J. Anumba, “Digital Twin Application in Healthcare Facilities Management,” Computing in Civil Engineering 2021, no. June, pp. 366-373, 2021

[11] Q. Lu, X. Xie, A. K. Parlikad, and J. M. Schooling, “Digital twin-enabled anomaly detection for built asset monitoring in operation and maintenance,” Automation in Construction, vol. 118, no. March, p. 103277, 2020.

[12] W. Charles, M. Hakkarainen, and T. Kuula, “Mobile Augmented Reality for Building Maintenance,” 2020. [Online]. Available: https://ercim-news.ercim.eu/en103/special/mobile-augmented-reality-for-building-maintenance. [Accessed: 20-Jul-2020].

[13] T. Kuula, K. Piira, A. Seisto, and M. Hakkarainen, “User requirements for mobile AR and BIM utilization in building user requirements for mobile AR and BIM utilization,” 2012, no. November.

[14] P. Diao and N.-J. Shih, “BIM-Based AR Maintenance System ( BARMS ) as an Intelligent Instruction Platform for Complex Plumbing Facilities,” Applied sciences, vol. 9, no. 1592, pp. 1-12, 2019.

[15] N. H. L. and T. P. N. G V Hoang, D K T Vu, “Benefits and challenges of BIM implementation for facility management in operation and maintenance face of buildings in Vietnam,” in FORM 2020, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 869 (2020) 022032, 2020, pp. 1-15.

[16] B. Q. Hoa, N. N. Hoa, and D. Van Anh, “The application of RFID technology in identifying the position of containers in container port,” Scientific Journal of Van Lang University, vol. 5, pp. 98-105, 2017.

[17] D. Nha, L. Le, M. Nguyen, and D. Tuan, “Smart-building management system : An Internet-of-Things ( IoT ) application business model in Vietnam,” Technological Forecasting & Social Change, vol. 141, no. January 2018, pp. 22-35, 2019.

[18] T. A. Binh, N. T. Ban, N. M. Tuan, D. Q. Hoang, and P. Van Hoan, “Studying and establishing the maintenance management model for M&E – Mechanical & Electrical system applying Building information modelling (BIM) intergrated with Augmented reality (AR),” 2019.