Luận văn Nghiên cứu phát triển hệ thống dịch vụ dựa trên vịt rí địa lý và thử nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG DỊCH VỤ DỰA TRÊN VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ THỬ NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG DỊCH VỤ DỰA TRÊN VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ THỬ NGHIỆM Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC Hà Nội – 2009 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Văn Đức, Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã định hướng và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã tận tình truyền đạt các kiến thức, quan tâm, động viên trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại Trường. Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn tới nhóm các bạn học cùng lớp K14T1, lớp chuyên ngành Hệ thống thông tin, các bạn đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong thời gian tôi học tập, nghiên cứu tại Trường cũng như trong trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp vừa qua. Cuối cùng tôi xin bảy tỏ sự biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, những người thân trong gia đình đã luôn ở bên tôi, động viên, chia sẻ và dành cho tôi những gì tốt đẹp nhất trong suốt thời gian tôi học cao học cũng như trong thời gian tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Phạm Ngọc Hưng - ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu phát triển hệ thống dịch vụ dựa trên vị trí địa lý và thử nghiệm” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã được chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Phạm Ngọc Hưng - iii - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ........................... vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................... viii MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LBS .......................................................... 3 1.1. Giới thiệu chung về LBS ........................................................... 3 1.2. Các thành phần của LBS............................................................ 5 1.3. Các kiểu dịch vụ LBS ................................................................ 6 1.4. Xử lý các yêu cầu của LBS ........................................................ 6 1.5. Các thiết bị di động.................................................................... 8 1.5.1. Các loại thiết bị...................................................................... 8 1.5.2. Các hạn chế của thiết bị ......................................................... 9 1.6. Mạng thông tin di động không dây .......................................... 10 1.6.1. Mạng không dây diện rộng .................................................. 10 1.6.2. Mạng không dây cục bộ ....................................................... 11 1.6.3. Mạng không dây cá nhân ..................................................... 12 1.7. Hệ thống định vị ...................................................................... 14 1.7.1. Giới thiệu chung .................................................................. 14 1.7.2. Hệ thống định vị toàn cầu GPS ............................................ 16 1.8. Các mô hình dịch vụ LBS........................................................ 21 1.9. Giới thiệu một số ứng dụng dựa trên LBS................................ 22 Chương 2: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG TÌM ĐƯỜNG............... 24 2.1. Giới thiệu Logic mờ................................................................. 24 2.1.1. Nhắc lại về tập hợp kinh điển............................................... 25 - iv - 2.1.2. Khái niệm chung về tập mờ ................................................. 25 2.1.3. Các phép toán trên tập mờ ................................................... 27 2.2. Các thuật toán tìm đường......................................................... 27 2.3. Ứng dụng logic mờ trong bài toán tìm đường .......................... 36 Chương 3: THIẾT KẾ DỊCH VỤ LBS................................................... 38 3.1. Mục tiêu thiết kế ...................................................................... 38 3.2. Các mô hình dịch vụ thiết kế.................................................... 38 3.2.1. Mô hình triển khai trên nền dịch vụ web.............................. 38 3.2.2. Mô hình triển khai dựa trên dịch vụ SMS ............................ 40 3.2.3. Mô hình kết hợp dịch vụ web và SMS ................................. 42 3.3. Dịch vụ tìm đường đi trong thành phố ..................................... 44 3.3.1. Mục tiêu............................................................................... 44 3.3.2. Kiến trúc tổng quan của hệ thống......................................... 44 3.3.3. Phần cứng hệ thống.............................................................. 46 3.3.4. Cơ sở hạ tầng mạng truyền thông......................................... 46 3.3.5. Định vị................................................................................. 47 3.3.6. Cơ sở dữ liệu GIS ................................................................ 47 3.3.7. Các kiểu dịch vụ và cách khai thác ...................................... 47 3.3.8. Vấn đề cập nhật tình trạng hệ thống giao thông ................... 53 Chương 4: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM .................................................... 54 4.1. Lựa chọn mô hình cài đặt......................................................... 54 4.1.1. Mô hình dịch vụ................................................................... 54 4.1.2. Phần cứng ............................................................................ 55 4.2. Lựa chọn công nghệ................................................................. 55 4.2.1. Xử lý dữ liệu bản đồ số bằng MapInfo................................. 55 4.2.2. Công cụ lập trình ................................................................. 57 4.2.3. Cài đặt ứng dụng desktop và web với MapXtreme............... 58 4.2.4. Giao tiếp GSM Modem bằng tập lệnh AT............................ 60 4.3. Định dạng gói tin SMS sử dụng để giao tiếp trong hệ thống .... 64 4.3.1. Máy khách cài đặt phần mềm............................................... 64 - v - 4.3.2. Máy khách chỉ sử dụng tin nhắn SMS.................................. 66 4.4. Xử lý tìm đường tại máy chủ ................................................... 68 4.4.1. Thuật toán tìm đường........................................................... 69 4.4.2. Xử lý phần dữ liệu “mờ” trong đồ thị................................... 70 4.4.3. Xử lý kết quả trả lại máy khách ........................................... 70 4.5. Giao diện của hệ thống ............................................................ 71 4.5.1. Giao diện phía máy chủ ....................................................... 71 4.5.2. Giao diện phía máy khách.................................................... 72 KẾT LUẬN............................................................................................ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 79 - vi - DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ CSDL Cơ sở dữ liệu GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) GPRS Dịch vụ vô tuyến gói chung (General Packet Radio Service) GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications) LBS Dịch vụ dựa trên vị trí địa lý (Location-based Service) WLAN Mạng không dây cục bộ (Wireless Local Area Networks) WPAN Mạng không dây cá nhân (Wireless Personal Area Networks) WWAN Mạng không dây diện rộng (Wireless Wide Area Network) SMS Dịch vụ tin nhắn ngắn (Short Message Services) - vii - DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc điểm và sự khác nhau giữa các công nghệ mạng không dây ..... 13 Bảng 4.1: Tập lệnh AT xử lý tin nhắn (SMS), chế độ văn PDU ....................... 60 Bảng 4.2: Tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi..................................................... 61 Bảng 4.3: Tập lệnh AT điều khiển Card........................................................... 61 Bảng 4.4: Tập lệnh AT điều khiển máy điện thoại ........................................... 61 Bảng 4.5: Tập lệnh AT xử lý tin nhắn (SMS), chế độ văn bản ......................... 62 - viii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: LBS là phần giao của các công nghệ.................................................. 4 Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của LBS ........................................................ 5 Hình 1.3: Luồng thông tin giữa các thành phần của LBS................................... 7 Hình 1.4: Hình ảnh minh họa các thiết bị di động dùng trong LBS.................... 9 Hình 1.5: Phân loại mạng không dây di động .................................................. 10 Hình 1.6: Mạng không dây diện rộng (WWAN).............................................. 11 Hình 1.7: Mạng không dây cục bộ (WLAN).................................................... 12 Hình 1.8: Mạng không dây cá nhân (WPAN) .................................................. 13 Hình 1.9: Định vị dựa trên mạng truyền thông................................................. 14 Hình 1.10: Định vị dựa trên thiết bị đầu cuối................................................... 15 Hình 1.11: Các phần của hệ thống GPS [6] ..................................................... 18 Hình 1.12: Quỹ đạo các vệ tinh của hệ thống GPS [6] ..................................... 19 Hình 1.13: Minh hoạ dịch vụ dẫn đường ......................................................... 22 Hình 1.14: Minh hoạ dịch vụ quản lý, theo dõi và giám sát ............................. 23 Hình 2.1: Minh hoạ phép toán hợp trên tập mờ ............................................... 27 Hình 2.2: Minh hoạ phép toán giao trên tập mờ............................................... 27 Hình 2.3: Đồ thị mờ G minh hoạ thuật toán FSA............................................. 36 Hình 2.4: Các đường đi mờ ngắn nhất của đồ thị mờ G ................................... 37 Hình 3.1: Mô hình dịch vụ LBS trên nền Web................................................. 39 Hình 3.2: Mô hình dịch vụ LBS trên dịch vụ tin nhắn SMS............................. 41 Hình 3.3: Mô hình dịch vụ LBS trên nền Web và SMS ................................... 43 Hình 3.4: Kiến trúc tổng quan hệ thống cung cấp dịch vụ tìm đường .............. 45 Hình 3.5: Minh hoạ giao diện hỗ trợ GPS, hiển thị bản đồ số .......................... 48 Hình 3.6: Minh hoạ giao diện chỉ sử dụng tin nhắn SMS................................. 50 Hình 3.7: Sơ đồ tổng quát hệ thống dịch vụ tìm đường.................................... 52 Hình 4.1: Giao tiếp của hệ thống LBS thử nghiệm .......................................... 54 Hình 4.2: Giao diện soạn thảo bản đồ MapInfo Professional 9.0 ..................... 56 Hình 4.3: Giao diện Microsoft Visual Studio 2008.......................................... 58 - ix - Hình 4.4: Giao diện MS Studio 2008 với sự tích hợp của MapXtreme 2008 ... 59 Hình 4.5: Hiển thị dữ liệu bản đồ bằng MapXtreme 2008 ............................... 59 Hình 4.6: Định dạng gói tin yêu cầu 1 ............................................................. 65 Hình 4.7: Định dạng gói tin kết quả 1.............................................................. 66 Hình 4.8: Định dạng gói tin yêu cầu 2 ............................................................. 66 Hình 4.9: Định dạng gói tin kết quả 2.............................................................. 68 Hình 4.10: Giao diện phần mềm phía máy chủ ................................................ 72 Hình 4.11: Giao diện phần mềm phía máy khách (mới khởi động) .................. 73 Hình 4.12: Giao diện phần mềm phía máy khách (menu chính)....................... 74 Hình 4.13: Giao diện phần mềm phía máy khách (tìm đường)......................... 76 MỞ ĐẦU Ngày nay, khi ra ngoài đường, đến công sở, tới các trung tâm giải trí,... hầu như ở đâu ta cũng đều có thể bắt gặp sự xuất hiện của điện thoại, các thiết bị liên lạc di động. Sự ra đời của các thế hệ điện thoại, các thiết bị di động thông minh, có khả năng kết nối internet, khai thác dịch vụ định vị toàn cầu đã làm cho các ứng dụng trên chúng ngày càng trở lên phong phú, đa dạng, đặc biệt là các ứng dụng dịch vụ dựa trên vị trí địa lý như các hệ thống dẫn đường, hỗ trợ lái tự động sử dụng trong máy bay, ô tô; bản đồ kèm theo chức năng tìm đường dành cho điện thoại di động có định vị toàn cầu... Mặc dù đã có nhiều sản phẩm phần mềm, dịch vụ dựa trên vị trí địa lý được triển khai khá hiệu quả nhưng những sản phẩm, dịch vụ mang đặc thù riêng, phù hợp với điều kiện kinh tế, xã hội hiện tại của Việt Nam thì vẫn còn rất thiếu. Việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai các dịch vụ này cho phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam là rất cần thiết. Sản phẩm mang lại sẽ góp phần cho ra đời các phần mềm, các dịch vụ thực sự hữu ích, phù hợp và đáp ứng tối đa nhu cầu trong nước. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống dịch vụ dựa trên vị trí địa lý và thử nghiệm” nhằm mục tiêu tiếp cận, nghiên cứu các đặc điểm, ứng dụng, cơ sở hạ tầng, các mô hình triển khai dịch vụ dựa trên vị trí địa lý; tìm hiểu bài toán triển khai hệ thống cung cấp dịch vụ chỉ đường cho các thiết bị di động (như điện thoại có định vi toàn cầu); trên cơ sở đó xây dựng dịch vụ tìm đường ứng dụng thử nghiệm cho điện thoại di động có tính đến các yếu tố thường xuyên thay đổi đồng thời lại có tác động lớn đến chất lượng đường đi tìm được đó là sự tắc đường, úng lụt cục bộ,... ứng dụng logic mờ vào giải bài toán tìm đường đi “tốt nhất” khai thác các yếu tố tác động nêu trên. Việc triển khai thành công dịch vụ này sẽ có ý nghĩa rất lớn trong quá trình tìm lời giải cho bài toán tắc đường, úng lụt cục bộ trong các thành phố lớn đang xuất hiện ngày một nhiều và có ảnh hưởng rất nhiều tới đời sống xã hội hiện nay đồng thời cũng là cơ sở để phát triển các dịch vụ khác dựa trên vị trí địa lý, đáp ứng các yêu cầu trong điều kiện cụ thể của Việt Nam. Luận văn được trình bày thành 3 phần bao gồm: phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận: Phần mở đầu: giới thiệu khái quát về đề tài, mục tiêu, ý nghĩa khoa học và xã hội mạng lại thông qua việc giải quyết các vấn đề được nêu trong đề tài. - 2 - Phần nội dung: được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về LBS Giới thiệu tổng quan về LBS, trình bày các định nghĩa về LBS, nêu ra các thành phần chính của LBS, mô tả hoạt động, các xử lý yêu cầu dịch vụ của LBS và đi vào phân tích đặc điểm, vai trò một số thành phần chính của LBS. Chương 2: Ứng dụng logic mờ trong tìm đường Giới thiệu về tổng quan về logic mờ, một số khái niệm về logic mờ, các thuật toán tìm đường và ứng dụng logic mờ trong bài toán tìm đường. Chương 3: Thiết kế dịch vụ LBS Giới thiệu tổng quan một số mô hình dịch vụ LBS, phân tích đặc điểm, ưu và nhược điểm của mỗi mô hình. Lựa chọn và triển khai thiết kế dịch vụ LBS tìm đường đi trong thành phố. Chương 4: Cài đặt thử nghiệm Trình bày các nội dung cài đặt thử nghiệm dịch vụ LBS tìm đường đi trong nội thành thành phố Hà Nội. Lựa chọn mô hình, kiểu dịch vụ, công nghệ áp dụng và kết quả. Phần kết luận: trình bày tóm tắt kết quả đạt được của đề tài cũng như hướng phát triển để sản phẩm của đề tài thực sự trở lên hữu ích và áp dụng tốt vào thực tiễn. - 3 - Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LBS Giới thiệu tổng quan về LBS, trình bày các định nghĩa về LBS, nêu ra các thành phần chính của LBS, mô tả hoạt động, các xử lý yêu cầu dịch vụ của LBS và đi vào phân tích đặc điểm, vai trò một số thành phần chính của LBS. 1.1. Giới thiệu chung về LBS LBS viết tắt của Location-based Service (dịch vụ dựa trên vị trí địa lý) là dịch vụ được tạo ra từ sự kết hợp của công nghệ GPS (Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu), công nghệ truyền thông không dây, công nghệ GIS (Geographic Information Systems - Hệ thống thông tin địa lý) và công nghệ Internet. Điện thoại di động và Internet đã tạo nên cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông và có tác động đến lớn đến đời sống xã hội, làm thay đổi lối sống của nhiều người. Việc gia tăng về số lượng điện thoại di động, điện thoại thông minh, các thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số (PDA- Personal Digital Assistants),... cho phép chúng ta có thể truy cập Internet bất cứ đâu, ở bất cứ thời điểm nào mong muốn. Từ Internet, ta có thể nhận được mọi thông tin mà ta cần (tin tức sự kiện, thông tin mua sắm, dự báo thời tiết, vị trí các nhà hàng – khách sạn – bệnh viện,...). Với các hỗ trợ từ Internet, mạng di động, thiết bị định vị toàn cầu, bản đồ số ta có thể dễ dàng tìm ra được một nhà hàng, hay siêu thị gần nhất. Các nhu cầu tương tự như vậy ngày nay dễ dàng được đáp ứng nhờ vào một loại dịch vụ mới, dịch vụ dựa trên vị trí địa lý – LBS. Có nhiều cách định nghĩa về LBS như: LBS là dịch vụ thông tin có thể truy cập bằng các thiết bị di động thông qua môi trường mạng di động và mang lại các lợi ích nhờ vào sự khai thác vị trí của thiết bị di động (theo Virrantaus et al. 2001). Định nghĩa tương tự thứ hai về LBS được đưa ra bởi Open Geospatial Consortium (OGC, 2005), một tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: LBS - Một dịch vụ IP không dây sử dụng các thông tin địa lý để phục vụ cho người dùng di động. Mọi ứng dụng dịch vụ đều khai thác vị trí của các thiết bị di động đầu cuối. - 4 - Từ các định nghĩa này cho thấy, LBS là phần giao giữa ba nhóm công nghệ là các công nghệ thông tin và truyền thông hiện đại như các hệ thống truyền thông di động, thiết bị di động cầm tay với Internet và các hệ thống thông tin địa lý (GIS)/cơ sở dữ liệu (CSDL) không gian. Hình 1.1: LBS là phần giao của các công nghệ Hình 1.1 cho thấy LBS chính là phần giao của các công nghệ, bên cạnh đó, nó cho thấy sự hình thành các hệ thống thông tin tích hợp: Hệ thống “Web GIS” được hình thành từ việc tích hợp Internet với GIS/CSDL không gian. Hệ thống “GIS di động” được hình thành từ việc tích hợp GIS/CSDL không gian với Các thiết bị di động. Hệ thống “Internet di động” được hình thành từ việc tích hợp Internet với Các thiết bị di động. Còn dịch vụ LBS được hình thành từ việc tích hợp ba loại công nghệ Internet, GIS/CSDL không gian và Các thiết bị di động. Luận văn tập trung nghiên cứu về LBS, các thành phần, các mô hình triển khai của LBS, trên cơ sở đó thiết kế dịch vụ LBS ứng dụng logic mờ trong thuật toán tìm đường để triển khai thử nghiệm dịch vụ tìm đường trên điện thoại di động. Phần tiếp theo giới thiệu về các thành của LBS. GIS/CSDL không gian Các thiết bị di động Internet -