1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS CỦA
ESRI VÀ MÔ HÌNH DỮ LIỆU DAN-VAND TRONG
LĨNH VỰC CẤP NƯỚC SẠCH

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60 48 05
thoát
2 CNTT Công nghệ thông tin Công nghệ thông tin
3 CS Custommer Service Dịch vụ khách hàng
4 CSDL Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu
5 DBMS Database Management Systems Hệ quản trị cơ sở dữ liệu
6 DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số
7 ESRI
Environmental Systems
Research Institute
Viện nghiên cứu môi trường
8 GIS
Geographic Information
Systems
Hệ thống thông tin địa lý
9 HQTCSDL Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu
10 LA Leakage Auditing Kiểm soát rò rỉ
11 LAN Local Area NetWork Mạng cục bộ
12 MBM Meter and Billing system Quản lý đồng hồ và hóa đơn
13 Module Phân hệ Phân hệ
14 NRW Non Revenue Water Nước thất thoát
15 NSD Người sử dụng Người sử dụng
16 PM Pressure Management Quản lý áp lực đồng hồ
17 PR Pipe Registration Đăng ký đường ống
18 RP Rehabilitation Planning Kế hoạch bảo dưỡng
19 Test Kiểm thử Kiểm thử
20 UseCase Trường hợp sử dụng Trường hợp sử dụng
21 View Khung nhìn Khung nhìn
22 WDMS
Water Distribution Management
system

Server Máy chủ phục vụ Máy chủ phục vụ
30

Browser Trình duyệt Trình duyệt
4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Giao diện phần mềm WATSYS được mở trong phần mềm AutoCAD
Hình 1.2 Bản đồ chuyên đề trên phần mềm WATSYS
Hình 1.3 Hiển thị thông tin đối tượng
Hình 1.4 Biểu đồ thời gian
Hình 1.5 ArcGIS là hệ thống phần mềm GIS đầy đủ.
Hình 1.6 Cấu trúc ArcObjects
Hình 1.7 Sử dụng ArcGIS Engine gắn vào GIS trong ứng dụng
Hình 2.1
Mô hình quan hệ giữa đường ống(Pipe), điểm nối(Node )và thiết bị lắp
đặt(Component)
Hình 2.2
Mối quan hệ giữa Mô hình, Công nghệ phần mềm và cơ sở dữ liệu cho
GIS.
Hình 2.3 Miêu tả 2 lớp RESIDENCE và STREET.
Hình 2.4 Thể hiện RESIDENCE là lớp con của BUILDING
Hình 2.5
Lớp cha BUILDING có nhiều lớp con: RESIDENCE, HOSPITAL,
COMMERCIALBUILDING
Hình 2.6

Hình 3.9 Biểu đồ UserCase đối với chức năng cập nhật đối tượng điểm nối
Hình 3.10 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật thiết bị cho điểm nối
Hình 3.11 Biểu đồ Usercase chức năng cập nhật thiết bị cho điểm nối
Hình 3.12 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật đường ống
Hình 3.13 Biểu đồ UserCase chức năng cập nhật đường ống
Hình 3.14 Biểu đồ hoạt động chức năng cập nhật vùng cấp nước
Hình 3.15 Biểu đồ UserCase chức năng cập nhật vùng cấp nước
Hình 3.16 Biểu đồ hoạt động chức năng xem biểu đồ
Hình 3.17 Biểu đồ UserCase chức năng xem biểu đồ
Hình 3.18 Biểu đồ hoạt động chức năng xem bản đồ
Hình 3.19 Biểu đồ Usercase chức năng xem bản đồ
Hình 3.20 Biểu đồ hoạt động chức năng in ấn bản đồ
Hình 3.21 Biểu đồ usercase chức năng in ấn bản đồ
Hình 3.22 Biểu đồ hoạt động chức năng kiểm tra mạng lưới
Hình 3.23 Biểu đồ usercase chức năng kiểm tra mạng lưới
Hình 3.24 Giao diện màn hình chính của phần mềm WDMS
Hình 3.25 Giao diện của phân hệ Quản lý đường ống
Hình 3.26 Thanh công cụ thao tác với bản đồ
Hình 3.27 Thanh công cụ cập nhật dữ liệu
Hình 3.28 Một góc bản đồ có dữ liệu về vùng cấp nước, đường ống và điểm nối
Hình 3.29 Truy vấn dữ liệu thuộc tính
Hình 3.30 Truy vấn dữ liệu không gian
Hình 3.31 Thiết lập màu sắc cho chức năng bản đồ chuyên đề
Hình 3.32 Bản đồ chuyên đề phân loại theo danh mục đường ống
Hình 3.33 Biểu đồ phân loại theo danh mục đường ống
Hình 3.34 Màn hình nhập dữ liệu thuộc tính cho điểm nối
Hình 3.35 Màn hình chọn và nhập dữ liệu thuộc tính cho thiết bị
Hình 3.36 Màn hình nhập dữ liệu thuộc tính cho đường ống
Hình 3.37 Hình ảnh của một đường ống sau khi đã tạo
Hình 3.38 Chức năng tạo cầu vồng cho đường ống (fly-over)

Bảng 20 Loại thiết bị phức tạp
Bảng 21 Các điểm lắp đặt
Bảng 22 Loại điểm lắp đặt
Bảng 23 Các điểm lắp đặt đồng hồ
Bảng 24 Hạng mục đồng hồ
Bảng 25 Danh mục của đồng hồ
Bảng 26 Loại đồng hồ
Bảng 27 Các điểm lắp đặt máy bơm
Bảng 28 Danh mục mã điều khiển đồng hồ
Bảng 29 Danh mục máy bơm
Bảng 30 Kiểu máy bơm
Bảng 31 Bể chứa
Bảng 32 Loại bể chứa
Bảng 33 Danh mục bể dự trữ
Bảng 34 Các điểm tiêu thụ nước
Bảng 35 Danh mục các điểm tiêu thụ
Bảng 36 Loại điểm tiêu thụ nước 7

Bảng 37 Đồng hồ nước
Bảng 38 Danh mục đồng hồ nước
Bảng 39 Loại Van
Bảng 40 Danh mục điều khiển Van
Bảng 41 Danh mục bề mặt
Bảng 42 Tiến độ thực hiện dự án WDMS
Bảng 43
Tiến độ thực hiện phân hệ Đăng ký đường ống


3.4.6 Bố trí nhân lực, tiến độ thực hiện dự án 81
3.4.7 Yêu cầu về chức năng nghiệp vụ 87
3.5 Kết quả thực hiện được 99
3.6 Kết quả thực tế dự án WDMS áp dụng phân hệ Đăng ký đường ống 108
3.7 Định hướng phát triển của sản phẩm tại Việt Nam 109
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 9

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và các số
liệu trong khoá luận chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi hoàn
toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này!

Hà nội, ngày tháng năm 2009
Tác giả

Nguyễn Việt Hùng
10

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành ngoài nỗ lực hết sức của bản thân, trong quá

Chương 1: Tổng quan về mô hình cấp nước
Trình bày về vai trò và tầm quan trọng của việc quản lý cấp nước và một số mô
hình cấp nước
Chương 2: Trình bày chi tiết về mô hình cơ sở dữ liệu cấp nước DAN-VAND
và phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng áp dụng
Chương 3: Trình bày chi tiết mô tả hệ thống phần mềm quản lý mạng lưới cấp
nước sạch, sử dụng GIS trong việc đăng ký đường ống. Trình bày kết quả thực tiễn
thực hiện dự án, và định hướng phát triển mở rộng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
12

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CẤP NƯỚC
1.1 Vai trò và tầm quan trọng của việc quản lý cấp nước
Nước sạch và sử dụng nước sạch là nhu cầu thiết yếu của con người, kể cả
trong xã hội nguyên thủy đến xã hội hiện đại như ngày nay.
Thử hình dung trong cuộc sống hàng ngày chúng ta bị thiếu nước sạch để sinh
hoạt thì điều gì sẽ sảy ra?
Nước sạch có thể được khai thác bằng các hình thức khác nhau, như giếng đào,
giếng khoan, nước mưa nhưng ngày nay con người đã xây dựng được một mô
hình mạng lưới cấp nước chung phục vụ cho một phạm vi địa bàn rộng lớn, và từ
một nguồn khai thác, nước được xử lý để đảm bảo vệ sinh đủ tiêu chuẩn để đưa
đến nới tiêu thụ.
Trong cuộc sống của đô thị hiện đại, thì việc thiết kế và xây dựng một hệ thống
quản lý cấp nước cần phải đáp ứng được các yêu cầu về sự phát triển tăng lên một
cách nhanh chóng của dân cư và hệ thống cơ sở hạ tầng để làm sao trong một
khoảng thời gian 40 đến 50 năm sau, hệ thống vẫn có thể đáp ứng được một cách

20%. Ngày nay lượng nước tiêu thụ vào khoảng 730 triệu mét khối, tính ra mỗi gia
đình tiêu thụ khoảng 200 lít/ người/ngày.
Theo thống kê, năm 2004 trên thế giới có khoảng 3,5 tỉ người đang sử dụng
nước sạch từ các vòi nước hay nguồn nước công cộng của các nhà máy cấp nước.
1,3 tỉ người sử dụng nước từ các nguồn giếng khoan, giếng đào. Một tỉ người sử
dụng nước từ các nguồn thiên nhiên như sông, suối, ao hồ [9].
Những thống kê trên chỉ ra cho thấy, việc quản lý cấp nước có vai trò rất quan
trọng trong đời sống văn hóa xã hội trong cuộc sống đô thị hiện đại.
1.2 Các hệ thống quản lý cấp nước
Hệ thống quản lý cấp nước là một hệ thống trợ giúp cho con người để quản lý
trong lĩnh vực cấp nước sinh hoạt, được tự động hóa nhằm làm giảm tối đa sức lao
động bằng chân tay, và các thao tác thủ công nhưng vẫn thực hiện được đầy đủ các
chức năng nghiệp vụ trong hệ thống cấp nước.
Các hoạt động trong việc quản lý cấp nước gồm có:
- Đảm bảo chất lượng nước được xử lý
- Thiết kế mạng lưới đường ống cấp nước và các thành phần được lắp đặt
và phân tích nhu cầu sử dụng trong hệ thống
- Quản lý lưu lượng và áp lực cho mạng lưới đường ống
- Phát hiện và xử lý kịp thời các điểm rò rỉ
- Chống thất thoát trong hệ thống
- Quản lý hệ thống đồng hồ, hóa đơn
- Thay thế, bảo dưỡng hệ thống mạng lưới đường ống

Sau đây là một số hệ thống quản lý cấp nước hiện có trên thị trường:
Hệ thống WATSYS. [17]
Hệ thống WATSYS được cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ phát triển, với
hạt nhân cơ bản là EPANET
WATSYS sẽ giúp người dùng phân tích, thiết kế và quản lý hệ thống cấp nước.
Đó là một hệ thống thông tin đồ họa (GIS) cho các cơ sở hạ tầng nước.
Phần mềm này mô phỏng các tình huống để xác định và sửa chữa thiếu sót


15

trên các đường ống, các điểm nối, áp suất đường ống, đường kính đường
ống, dòng chảy, sự giảm /mất mát và vận tốc dòng chảy.
- Đặt biểu tượng cho các đối tượng Điểm nối, các đường ống có các điểm
nối mà van đóng, van đang kiểm tra, hay van điều khiển, máy bơm và hồ
chứa
2. Làm việc trên các sơ đồ
- Chọn vào vị trí của các điểm nối hay các đường ống để hiển thị thông tin
hoặc sửa đổi thông tin của đối tượng đó trên các bảng biểu hay sơ đồ hoặc
các bản vẽ AutoCAD
- Dựa vào các ô nhãn hiện lên trên màn hình để hiện thông tin do người
dùng chọn khi di chuột lên các điểm nối hoặc đường ống.
- Nháy đúp chuột lên các điểm nối hoặc đường ống để sửa đổi thông tin
thuộc tính cho đối tượng
- Có khả năng phóng to/thu nhỏ, sao chép, lưu, in sơ đồ
- Chèn các dòng văn bản hay chú giải lên sơ đồ
- Các đường ống thể hiện bán kính của từng đối tượng tương ứng
- Màu sắc của các đường ống thể hiện các thông tin chính của người dùng
- Có thể xem được các biểu đồ thời gian nếu nháy chuột lên các điểm nối
hay đường ống
- Có thể nhìn thấy được áp lực đường ống, vận tốc, chất lượng nước, tuổi
nước bằng sự biến đổi màu sắc trên các đường ống

Hình 1.2: Bản đồ chuyên đề trên phần mềm WATSYS
3. Mô hình cấp nước trong hệ thống WATSYS
Dễ dàng chuyển đổi giữa phương pháp phân tích khoảng thời gian và các
phương pháp phân tích khác:
o Trạng thái ổn định Hình 1.4: Biểu đồ thời gian
4. Quản lý kho đường ống
Phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng hệ thống, ghi chép các mã màu sẽ giúp
người quản lý có thể ưu tiên hóa công việc. Công việc bao gồm:
o Ngày kiểm tra và ngày lắp đặt
o Ghi chú kiểm tra
o Các điều kiện
o Loại nguyên vật liệu
o … 18

Như vậy với những mô tả như ở trên, thì có thể nhận thấy là trong hệ thống
WATSYS đã ra đời từ rất sớm, và có một số đặc điểm sau:
o Không sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để lưu trữ và quản lý
dữ liệu, chỉ sử dụng các bản vẽ ở các định dạng AutoCAD – là công
cụ để làm các bản vẽ thiết kế làm “nền" để thực hiện các phép phân
tích dữ liệu và xử lý số liệu
o Do không sử dụng hệ thông tin địa lý, nên không có cơ sở dữ liệu
GIS về các đối tượng trong hệ thống phân phối nước. Mô hình cấp
nước được mô tả không có thiết kế chi tiết các bảng dữ liệu, không
chỉ ra được mối quan hệ giữa các đối tượng trên bản đồ
o Hệ thống chuyên sâu về phân tích mức độ tiêu thụ, nhu cầu sử dụng
(Demand) và tính toán đo áp lực đường ống, từ đó hiển thị thành các
sơ đồ và biểu đồ.

này
- Cơ sở dữ liệu của WDMS là CSDL GIS, sử dụng phần mềm ArcGIS của
hãng ESRI (www.esri.com), tích hợp vào một hệ quản trị CSDL.
- Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu trong WDMS sử dụng HQTCSDL SQL Server
của hãng Microsoft
- Nền tảng để phát triển: Trên ngôn ngữ C# và DotNet FrameWork của
Microsoft
Công nghệ nền tảng để phát triển phần mềm WDMS là sử dụng công nghệ GIS
của hãng ESRI, có tên là ArcGIS, sau đây là một số thông tin về công nghệ GIS
hiện nay đang có trên thị trường:
1. Công nghệ MapInfo [24], [26]
MapInfo: là phần mềm bản đồ đang được sử dụng rất rộng rãi trên thị trường
Việt Nam. Một điểm mạnh của MapInfo là khả năng hiển thị, giàn trang in rất tiện
lợi và đây là một trong những ưu thế của MapInfo so với các phần mềm GIS khác.
Giải pháp desktop (ứng dụng độc lập) của MapInfo tương đối nhỏ gọn nên
MapInfo đang được chiếm ưu thế lớn ở Việt Nam, nhất là đối với những nơi tiếp
cận GIS sớm, quy mô nhỏ.
Ngoài các giải pháp Desktop , MapInfo còn có các giải pháp mạng, Web. Tuy
nhiên cũng như các giải pháp mạng và Web của các hãng khác hiện đang ít được
sử dụng trên thị trường Việt Nam, vì trên thực tế thị trường này cũng mới làm
quen với chúng.
Những đặc điểm chính của MapInfo gồm:
 Chạy trên các hệ điều hành: UNIX, Windows.
 Hỗ trợ các thiết bị: Bàn số, máy quét ảnh, chuột, các máy vẽ.
 Các chức năng chính: Tạo vùng đệm, phân tích bản đồ, phân tích mạng.
 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: dBase, cơ sở dữ liệu bên trong.
 Cấu trúc dữ liệu: Non-topological Vector, dữ liệu thuộc tính, dữ liệu bảng
biểu.
 Đơn giản, dễ sử dụng.
 Phù hợp với mô hình quy mô nhỏ.

chuyên nghiệp để kết nối với dataset và database. Trạm làm việc bao gồm các ứng
dụng GIS, sự cải tiến các công cụ của GIS đã được sử dụng để hoàn thành hầu hết
các thao tác GIS.
Khái niệm của phần mềm GIS đã được chứng minh rộng rãi bởi các chuyên gia
GIS trong gần 200 nghìn tổ chức trên khắp thế giới. Ngoại trừ một vài ý tưởng của
GIS trong mô hình máy tính hiện đại clien/server đã rất thành công thì càng ngày
tầm nhìn của GIS càng được mở rộng. Gần đây, sự phát triển của máy tính, sự
bùng nổ của Internet, tiến bộ của kỹ thuật DBMS, ngôn ngữ lập trình hướng đối
tượng, sự lan rộng của GIS đã làm mở rộng thêm tầm nhìn cho GIS. Trong điều
kiện GIS desktops, GIS software tập trung trong Application servers và Web
servers để phân phát GIS tới một số người sử dụng trên mạng.
Người sử dụng GIS kết nối tới trung tâm GIS chủ như Web browsers với thiết
bị máy tính di động, thiết bị số.
Sơ đồ dưới sẽ chỉ ra các sản phẩm GIS trong dòng sản phẩm ArcGIS. 21Hình 1.5:ArcGIS là hệ thống phần mềm GIS đầy đủ.
ArcGIS cung cấp trạm làm việc mở rộng được cho việc thực thi GIS cho một
hoặc nhiều người sử dụng trên PC, trên server hay Web. ArcGIS là tập hợp đồng
nhất của sản phẩm phần mềm GIS cho việc xây dựng GIS hoàn chỉnh. Nó bao
gồm một số frameworks cho việc triển khai GIS:
 ArcGIS Desktop - là một bộ phận của chương trình GIS chuyên nghiệp
 ArcGIS Engine - Gắn các thành phần cho việc xây dựng các ứng dụng
GIS cho khách hàng.
 Server GIS - ArcSDE®, ArcIMS®, ArcGIS Server
 Mobile GIS - ArcPad® giống như ArcGIS Desktop and ArcGIS Engine
cho máy PC

23

thành phần ArcGIS sử dụng bên ngoài ArcGIS Desktop trong môi trường ứng
dụng Framework. Sử dụng ArcGIS Engine Developer Kit phát triển xây dựng
khung nhìn GIS cùng với giao diện để truy nhập các chức năng của GIS hoặc có
thể gắn vào GIS các ứng dụng đã có để triển khai GIS tới nhóm người sử dụng.
ArcGIS Engine có COM, .NET, Java, và C++ (API).
ArcGIS Engine là thư viện đầy đủ các thành phần GIS cho việc xây dựng, phát
triển ứng dụng. Sử dụng ArcGIS Engine, bạn có thể đưa các chức năng GIS vào
ứng dụng gồm Microsoft® Office, Word, Excel .
Cùng với Windows, Solaris, Linux (Intel), người phát triển có thể tạo ra các
ứng dụng truy cập chéo (cross-platform) cho người sử dụng trên một phạm vi
rộng.
ArcGIS Engine có năm thành phần chính:
1. Base Services – GIS ArcObjects đòi hỏi hầu hết ứng dụng GIS những đặc
trưng hình học và cách hiển thị
2. Data Access-ArcGIS Engine cung cấp sự đa dạng về định dạng vector và
raster
3. Map Presentation-ArcObjects tạo và hiển thị nhãn, biểu tượng
4. Developer Components-High điều khiển giao diện người sử dụng cho
phát triển ứng dụng và trợ giúp hệ thống cho việc hoàn thiện ứng dụng.
5. Extensions-ArcGIS Engine Runtime triển khai cùng với chức năng chuẩn
hoặc cùng với điều kiện mở rộng cho các chức năng nâng cao.
Các công nghệ khác
Ngoài 2 công nghệ phổ biến đã được nêu ở trên, để phát triển và ứng dụng
công nghệ GIS trong các lĩnh vực đời sống xã hội còn rất nhiều các công nghệ ứng
dụng khác như sau:
 DolGIS Sản phẩm của DolSoft ra đời năm 1991.

 GeoTools-Các công cụ phát triển mã nguồn mở của GIS trong Java.

2.1 Mô hình cơ sở dữ liệu DAN-VAND
Xuất phát từ kinh nghiệm làm việc từ các dự án cấp thoát nước tại các quốc gia
Đan Mạch, Thái Lan, Trung Quốc, Philipines và Việt Nam, công ty WaterTech
(nay đổi tên thành công ty Alectia Aqua) đã phát triển thành mô hình Cơ sở dữ
liệu cho cấp nước với tên gọi DAN-VAND, được hiệp hội cấp thoát nước Đan
Mạch (Danish Water & Sewerage association) công nhận năm 2004, lấy tên từ
tiếng Đan Mạch
Các quy tắc trong mô hình cơ sở dữ liệu DAN-VAND là cơ sở cho các thao tác
quản lý trong hoạt động cấp nước. DAN-VAND đơn thuần là một mô hình dữ liệu
về chuẩn hệ thống đăng ký đường ống nước được sử dụng ở Đan Mạch và hiện
đang được ứng dụng vào quản lý cấp nước tại Malaysia.
Một trong những mục đích chính của mô hình DAN-VAND là tạo ra một
chuẩn thống nhất cho liên kết và trao đổi dữ liệu. Việc trao đổi dữ liệu này cũng
phải phù hợp với hệ thống không hỗ trợ GIS. Chính vì vậy, sẽ có các trường dữ
liệu về tọa độ và trường để lưu các đối tượng hình học trong các bảng dữ liệu. Dữ
liệu hình học được mô tả trong đó là các điểm nối (Nodes) và các đường ống dẫn
nước (Pipes)
Có 3 thành phần cơ bản nhất trong mô hình dữ liệu DAN-VAND gồm có
những đối tượng sau:
 Đường ống dẫn nước (Pipes)
 Các điểm nối (Nodes) của các ống nước
 Các thiết bị (Components) được gắn trên các điểm nối, như van khóa-mở
nước(valve), đồng hồ đo nước (meter), các mối nối, các điểm lắp đặt,
bơm tăng - giảm áp…
Quan hệ hình học giữa các đối tượng: