Độ tĩnh không thấp của công trình vượt sông (cầu) ở Việt Nam đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến tình trạng an toàn và tắc nghẽn giao thông đường thủy. Hiện nay, các số liệu khảo sát về độ tĩnh không cho thấy rằng việc sử dụng các biển báo tĩnh chia vạch lắp đặt sát chân cầu không còn phù hợp cho công tác cảnh báo, dẫn đến rất nhiều tai nạn do va chạm với tàu thuyền. Dự án này đề xuất một phương pháp nhận dạng, dự báo và hiển thị thông số độ tĩnh không nhằm hỗ trợ đưa ra quyết định từ xa, đáp ứng bài toán giao thông đường thủy.
Trang 1NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT
ĐỘ TĨNH KHÔNG TRONG BÀI TOÁN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY
Trịnh Văn Thịnh*, Đỗ Trọng Tín, Nguyễn Hồng Ý, Nguyễn Văn Kiệt, Nguyễn Tấn Lũy
Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh
*Tác giả liên hệ: trinhvanthinh.iuh@gmail.com
TÓM TẮT
Độ tĩnh không thấp của công trình vượt sông (cầu) ở Việt Nam đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến tình trạng an toàn và tắc nghẽn giao thông đường thủy Hiện nay, các số liệu khảo sát về độ tĩnh không cho thấy rằng việc sử dụng các biển báo tĩnh chia vạch lắp đặt sát chân cầu không còn phù hợp cho công tác cảnh báo, dẫn đến rất nhiều tai nạn do va chạm với tàu thuyền Dự án này đề xuất một phương pháp nhận dạng, dự báo và hiển thị thông số độ tĩnh không nhằm hỗ trợ đưa ra quyết định từ xa, đáp ứng bài toán giao thông đường thủy Thứ nhất, phần cứng bao gồm thiết bị đo không tiếp xúc và các bộ thu phát dữ liệu không dây được thiết kế và chế tạo Thứ hai, phần mềm giám sát, điều khiển và thu thập
dữ liệu thời gian thực được lập trình sao cho thông số độ tĩnh không không chỉ hiển thị trực tuyến trên bảng điện tử ở khoảng cách xa tại mỗi cây cầu, mà còn trên các trang web hoặc điện thoại thông minh qua điện toán đám mây Sử dụng phần mềm này, các tàu thuyền dễ dàng di chuyển theo lộ trình thích hợp tránh “đội” cầu và tắc nghẽn giao thông đường thủy Cuối cùng, mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất
Từ khóa: Độ tĩnh không, đo không tiếp xúc, NI-MyRIO, LabVIEW, Internet of things
RESEARCH AND MANUFACTURING OF CONTROL SYSTEMS, MONITORING
OF THE CLEARANCE IN THE WATERWAY TRANSPORTATION
Trinh Van Thinh*, Do Trong Tin, Nguyen Hong Y, Nguyen Van Kiet, Nguyen Tan Luy
Industrial University of Ho Chi Minh City
*Corresponding Author: trinhvanthinh.iuh@gmail.com
ABSTRACT
Low levels of the clearance of structures over rivers (bridges) in Vietnam are seriously affecting the safety and waterway traffic congestion Currently, survey data of the clearance shows that using scaled static warning boards located adjacent to the bridge are no longer appropriate for the warring led to many bridges collapsed due to collision with ships This project proposes a method of identification, prediction, and display of the clearance to support the problem of decision-making remotely for waterway transportation First, the hardware includes non-contact measurement device and the wireless data transceiver is designed and manufactured Second, supervisory, control and data acquisition (SCADA) software is programmed such that parameters of clearance display online not only on the electronic boards at a far distance from the bridge but also
on websites or smart-phones through the cloud server Using this software, it is easy to find the appropriate routes of the vessels navigation to avoid “pushing up” the bridges and waterway traffic congestion Finally, simulations and experiments are conducted to verify the effectiveness of the proposed method
Keywords: Navigational clearance of bridges, non-contact measurement, NI-MyRIO,
LabVIEW, Internet of things
GIỚI THIỆU
Với tổng chiều dài 220.000 km và mật độ
sông ngòi dày đặc 0.6 km/km2, Việt Nam trở
thành một trong những quốc gia có hệ thống
sông ngòi dày đặc nhất trên thế giới Hàng
năm, sản lượng hàng hóa của ngành giao thông vận tải đường thủy nội địa luôn chiếm
40 - 45% tổng sản lượng vận tải nội địa So sánh với các loại hình giao thông vận tải khác, đường thủy có khá nhiều ưu thế như
Trang 2119
vận chuyển hàng hóa siêu trường, siêu trọng,
khối lượng lớn,… với giá rẻ và thuận lợi Vì
vậy, có thể thấy rằng sông ngòi đóng vai trò
quan trọng trong vận chuyển hàng hóa ở Việt
Nam
Tuy nhiên, chỉ với những con tàu có tải trọng
vừa và nhỏ được phép lưu thông trên những
con sông vì có rất nhiều cây cầu bắt qua sông
được xây dựng từ rất lâu với độ tĩnh không
thấp, khoang thông thuyền hẹp, không đảm
bảo tiêu chuẩn kỹ thuật đã làm hạn chế phát
triển vận tải thủy và luôn đe dọa an toàn vận
hành phương tiện qua cầu Bên cạnh đó,
nước ta còn tồn tại nhiều dòng sông bị bồi
lắng, chưa thể nạo vét phù hợp với cấp kỹ
thuật của tuyến đường thủy Ngoài ra, triều
cường thường xuyên lên xuống ở một số
sông cũng gây khó khăn cho các tàu thuyền
trong việc dự báo hành trình di chuyển trong
nội địa Ngoài ra khi triều cường dâng cao sẽ
làm độ tĩnh không cầu hạ thấp xuống khiến
sà lan, tàu thuyền rất dễ va chạm vào cầu mỗi
khi qua lại Hàng năm mực nước sông ngày
một dâng cao do thay đổi khí hậu, đặc biệt
khi có triều lên, nhưng độ tĩnh không của các
cây cầu cũ không thay đổi, do đó va chạm
giữa tàu và cầu hoặc bị mắc kẹt giữa cầu là
điều không thể tránh khỏi nếu người điều
khiển tàu chủ quan hoặc không được thông
tin đầy đủ
Hiện tại, chúng tôi chưa tìm thấy bất kỳ dự
án nào về va chạm giữa phương tiện đường
thủy với các công trình bắt qua sông hay tắc
nghẽn giao thông đường thủy ở các nước trên
thế giới Trong cuộc khảo sát gần đây của
chúng tôi, trong những năm gần đây đã xảy
ra nhiều vụ va chạm giữa tàu và cầu bắt qua
sông Đặc biệt nghiêm trọng nhất là ở Đồng
Nai, vào ngày 20/03/2016, một chiếc xà lan
đã va vào cầu Ghềnh Hậu quả đã làm cho 2
nhịp cầu Ghềnh đã bị gãy, chìm xuống sông
Tuyến đường sắt nối liền Bắc - Nam bị tê liệt
hoàn toàn Ở ga Sài Gòn và ga Biên Hòa bị
cô lập Hàng hóa trên toa tàu (hơn một trăm
toa) từ Bắc vào Nam bị tắc nghẽn Nhiều tàu
và xà lan khác bị ùn tắc, không thể đi qua và
toàn bộ hệ thống điện trên cầu Ghềnh bị đứt
hoàn toàn Tổng thiệt hại hơn 800 tỉ đồng và
mất khoảng 3 - 5 tháng để xây dựng lại cầu
Như vậy, tùy theo đặc điểm của dòng sông, cách mỗi cầu khoảng 100 - 150m sẽ có các biển thông báo độ tĩnh không, cho phép loại tàu thuyền tương ứng qua lại Tuy nhiên các loại biển báo này không hiển thị các thông số thay đổi độ tĩnh không khi mực nước lên xuống, do đó các thuyền trưởng, chủ tàu không dự báo chính xác độ tĩnh không cần thiết, không chọn được tuyến đi phù hợp dẫn đến hiện tượng kẹt cầu hoặc va chạm cầu Ngoài ra, ban đêm các biển báo hầu như không tác dụng vì thiếu ánh sáng trực tiếp, người điều khiển tàu không thể quan sát được các thông số từ xa Tóm lại, các biển báo hiện có chưa thật sự là công cụ hổ trợ ra quyết định trong bài toán giao thông đường thủy
GIẢI PHÁP
Hiện nay, nhờ sự phát triển không ngừng của lĩnh vực điện tử - tự động hóa, cơ khí, các hệ thống điều khiển, nhận dạng, dự báo, đặc biệt là công nghệ IoT được phát triển cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu
Để lựa chọn các phương pháp thích hợp để
đo độ tĩnh không của cầu, phương pháp đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc được xem xét
và phân tích Vì phương pháp đo không tiếp xúc có nhiều ưu điểm về công nghệ, chẳng hạn như đơn giản, nhỏ gọn, không phụ thuộc vào địa hình và không bị hao mòn cơ khí và
ăn mòn hóa học Đó là lý do chúng tôi chọn phương pháp đo không tiếp xúc trong dự án này (Hình 1) Sau khi xem xét một số loại cảm biến, chẳng hạn như siêu âm, radar, lazer, dựa trên các tiêu chí kinh tế và khả năng áp dụng cho các vấn đề đo độ tĩnh không, cảm biến siêu âm (SRF-04) được lựa chọn là phù hợp
Cảm biến siêu âm được chọn là SRF 04, kèm mạch đo Để đọc được giá trị của cảm biến,
bộ thu thập và xử lý phải gửi một tín hiệu xung ngắn đến chân TRIG của cảm biến (khoảng 10us) Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra một tín hiệu xung cao trên chân ECHO cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ cũng tại chân này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến
và quay trở lại
Trang 3Hình 1 Sơ đồ phân tích hệ thống
Để có cơ sở lựa chọn phần cứng chúng tôi
tiến hành so sánh chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật
giữa các loại vi xử lý chuyên dùng và thông
dụng khác nhau Loại vi xử lý chuyên dùng
trong đề tài là MyRIO của công ty National
Instruments (NI) MyRIO được chọn để so sánh vì đây loại vi xử lý phù hợp cho nghiên cứu và được công ty NI hỗ trợ kinh phí học thuật
Bảng 1 Bảng so sánh chỉ tiêu chất lượng kinh tế - kỹ thuật giữa các loại vi xử lý
Hệ thống Giá thành Tính năng kỹ thuật
NI
MyRIO
≈ 7 triệu đồng
- Dùng hệ điều hành Linux thời gian thực, cho phép người dùng sử dụng Phần mềm LabVIEW để lập trình, tái cấu hình phần cứng, sử dụng cơ chế đa tuyến (multi-thread) để xử lý song song Nếu tại cầu ta dùng hai hay nhiều cảm biến để đo để tăng độ tin cậy, sử dụng MyRIO là cần thiết
- MyRIO với lõi FPGA cho phép người dùng thu thập, xử
lý, lọc dữ liệu ở tốc độ cao đến 40MHz Việc kháng nhiễu công nghiệp rất tốt
- MyRIO có tốc độ xử lý đến 667 MHz, dung lượng bộ nhớ lớn Nếu tương lai mở rộng thu thập và giám sát tại cầu bằng thị giác máy tính sử dụng USB camera thì Myrio là một lựa chọn phù hợp
- Tốc độ truyền UART của MyRIO lên đến 230,400 bps Chất lượng đường truyền rất tin cậy
- I/O của MyRIO có nhiều tùy chọn Độ phân giải của cổng vào ra tương tự lưỡng cực (bipolar) cao hơn so với các vi điều khiển khác
Vi xử lý
(PIC,
ARM,
Arduino)
và chế tạo
mạch đo
tin cậy
≈ 3 triệu đồng
- Lập trình phức tạp, cần truy cập các thanh ghi để sử dụng, không có cơ chế xử lý song song
- Cần thiết kế mạch tích hợp các chức năng cần thiết cho
dự án Tốc độ xử lý tín hiệu analog thấp, độ phân giải không cao
- Tốc độ xử lý thông thường khoảng 16 MHz
- Độ tin cậy truyền nhận dữ liệu thời gian thực trong môi trường công nghiệp thấp
Trang 4121
Kết quả trên Bảng 1 cho thấy rằng mặc dù
giá thành gần gấp đôi các vi xử lý khác
nhưng MyRIO là lựa chọn kỹ thuật cần thiết
cho hệ thống đo độ tĩnh không cần xử lý dữ
liệu thời gian thực, bền vững với nhiễu, độ
tin cậy theo thời gian Ngoài ra, trong tương
lai nếu mở rộng hệ thống thì giá thành của
MyRIO trở thành thấp nhất
NI MyRIO sẽ tính toán thời gian từ lúc phát
xung đến lúc nhận được xung Từ thời gian
này có thể tính ra được độ tĩnh không cần đo
Giá trị độ tĩnh không được gửi lên
Cloudserver với thời gian delay là 0,5 giây
Lưu ý phải chắc chắn rằng phần “Real-Time
Application” trên NI MyRIO phải được chạy
để chương trình được chạy độc lập không
còn phụ thuộc vào máy tính Thuật toán xử lý
dữ liệu từ cảm biến để cài đặt mã cho phần
mềm nhúng trên vi điều khiển thực hiện thu
thập dữ liệu theo thời gian thực được viết
bằng ngôn ngữ lập trình LabVEIW, thực hiện
2 tác vụ cùng một lúc: Đọc cảm biến và tính
toán, lọc nhiễu tín hiệu và đọc, ghi dữ liệu
Để gửi giá trị độ tĩnh không lên Cloudserver,
kết nối Wireless trên NI MyRIO phải được
thực hiện và phương thức truyền nhận dữ liệu
HTTP GET trong phần mềm LABVIEW
phải được sử dụng Thuật toán truyền dữ liệu
nhằm chuyển toàn bộ công việc tính toán và
hiển thị về server
Tận dụng khả năng tính toán của sever, nhất
là với những loại cảm biến có đường đặc
tuyến phi tuyến Mở rộng kênh thu nhận dữ
liệu: hầu hết các loại cảm biến đều có thể
truyền tín hiệu, không phân biệt các hãng
khác nhau trong cùng một loại Hệ quản trị
cơ sở dữ liệu được chọn là MySQL, trong đó
dữ liệu được tổ chức theo dạng bảng với
hàng và cột thể hiện lần lượt là các đối tượng
dữ liệu và tính chất của các đối tượng dữ liệu
đó
Như được trình bày ở phần trên, NI MyRIO được lập trình để truyền dữ liệu lên Cloudserver, sau đó một ứng dụng từ webserver được thiết kế và xây dựng để lấy
dữ liệu đó từ Cloudserver, xử lý chúng thành
“dữ liệu độ tĩnh không” được lưu trữ vào cơ
sở dữ liệu (CSDL) CSDL có thể được truy cập bởi một thiết bị khác như máy tính, điện thoại,…
Hệ thống cho phép người truy cập có thể kiểm tra trạng thái kết nối của NI MyRIO, có thể xem lịch sử độ tĩnh không dạng bảng hoặc dạng đồ thị tại các cây cầu vào bất kỳ thời gian nào từ quá khứ cho đến hiện tại, truy xuất dữ liệu ra file Excel, dò hướng di chuyển dựa trên bản đồ số Bên cạnh đó, hệ thống dành riêng cho quản trị viên cũng được xây dựng để có thể thêm cây cầu mới vào hệ thống khi có thêm NI MyRIO được lắp đặt tại cây cầu mới cũng như tính năng xóa dữ liệu không hữu ích đã tồn tại
Hình 2 biểu diễn cách lắp đặt thiết bị và các giá trị đo cần quan tâm, dựa vào đó độ tĩnh không thực tế được tính theo công thức sau:
𝐻 = 𝐻1 + 𝐻2 (1.1) trong đó: 𝐻 là giá trị độ tĩnh không
𝐻1 là giá trị đo được bằng cảm biến (mm) 𝐻2 là khoảng cách từ điểm thấp nhất của cây cầu đến cảm biến (mm)
Chú ý: Do giới hạn khoảng cách đo của cảm biến siêu âm, nên 𝐻1 được chọn sao cho 𝐻1
≤ � 𝑚𝑎𝑥 với � 𝑚𝑎𝑥 là tầm đo lớn nhất của cảm biến
𝐻2 được chọn sao cho giá trị hiển thị trên bảng điện tử là độ tĩnh không thấp nhất nhằm đảm bảo hệ số an toàn khi tàu thuyền qua cầu trong mọi trường hợp đặc biệt nếu mực nước sông tăng nhanh
Hình 2 Sơ đồ lắp đặt thiết bị tại cầu
Trang 5Bảng điện tử LCD được sử dụng để hiển thị
độ tĩnh không của cầu Ứng dụng công nghệ
IOTs, bảng điện tử này có thể đặt cách xa cầu
giúp thông tin kịp thời cho các tàu thuyền
Nhờ ứng dụng công nghệ IOTs, một hệ thống
web được thiết kế, một bảng điện tử LCD
được xây dựng để giám sát hiển thị độ tĩnh
không của các cây cầu Song, sẽ là thiếu sót
nếu như việc giám sát này không được thực
hiện trên ứng dụng điện thoại di động
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để kiểm chứng độ hiệu quả của dự án, một
cuộc thực nghiệm đã được tiến hành Nhóm
thực hiện đã chọn một cây cầu tại TP HCM
với độ tĩnh không thấp để kiểm tra Sau khi
tiến hành lắp đặt các thiết bị tại cây cầu, kiểm
tra kết nối và tiến hành đo lấy thông số Tại
cầu Bùi Hữu Nghĩa, khoảng cách 𝐻2 được
xác định trước bằng thước đo là 1.720 mm
Khoảng cách 𝐻1 mà cảm biến đo được tại
thời điểm đo là 1.674 mm Dựa vào kết quả,
tổng độ tĩnh không của cầu 𝐻 dễ dàng được
tính bằng cách (1.1) Khoảng cách được đo
và lưu trữ trong CSDL là 3.394 mm Để kiểm
tra tính chính xác của cảm biến, nhóm tiến
hành đo khoảng cách từ cảm biến đến mặt
nước bằng thước cuộn, cho thấy giá trị thực
tế và giá trị cảm biến đọc được có sự sai lệch
không đáng kể (giá trị đo thực tế là 1.670
mm và giá trị đo bằng cảm biến là 1.674
mm) Có thể thấy rằng, có đôi lúc cảm biến
đọc xảy ra nhiễu, dẫn đến giá trị sai lệch
nhưng nó sẽ được khắc phục vào chu kỳ đo
tiếp theo
Để thấy rõ được tính năng IOTs, NI MyRIO
kết nối wifi phát ra từ mạng A, Raspberry kết
nối wifi phát ra từ mạng B, ứng dụng web
theo dõi trên laptop với mạng từ địa điểm
khác Địa chỉ webserver là
http://ni.maxw3ll.com.vn
Bảng điện tử LCD được lắp đặt tại mỗi cây
cầu Bộ điều khiển Raspberry sẽ kết nối
Wireless, lấy dữ liệu mà NI MyRIO truyền
lên tại cây cầu mà LCD được lắp đặt, hiển thị
độ tĩnh không của cầu Ngoài ra, giám sát độ
tĩnh không thông qua ứng dụng trên điện
thoại chạy hệ điều hành Android đã được
hoàn thành Ứng dụng hiển thị tất cả độ tĩnh
không của tất cả các cây cầu được lắp đặt hệ
thống trên bản đồ số, tiện ích này giúp tàu
thuyền có thể dễ dàng xác định hướng di
chuyển giúp cho mình thuận tiện nhất Những tiện ích như báo cáo cũng được thực hiện để thuận lợi cho việc báo cáo, lưu trữ
Hệ thống sẽ xuất dữ liệu ra file Excel
Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh không của cầu nhằm tìm ra bài toán hỗ trợ giao thông đường thủy đã hoàn thành và được kiểm chứng Dự án đã đề xuất một phương pháp
đo độ tĩnh không của cây cầu bằng cảm biến siêu âm sử dụng phần cứng NI MyRIO và phần mềm LABVIEW kết hợp tính năng IOTs Ở hình 3, cho ta thấy sản phẩm mà tác giả thực hiện được gồm: giám sát độ tĩnh không thông qua Webserver, ứng dụng điện thoại Android và bảng điện tử LCD
Hình 3 Hệ thống giám sát độ tĩnh không
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều khiển giám sát độ tĩnh không trong bài toán giao thông đường thủy, là cơ sở tìm ra công
cụ quản lý giao thông đường thủy của sông ngòi, tăng tính an toàn trong hàng hải, nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận tải biển,… Tóm lại, nhóm đã hoàn thành những kết quả quan trọng sau: Nghiên cứu thành công phương pháp đo các thông số độ tĩnh không của cầu của sông ngòi bằng cảm biến siêu
âm Ứng dụng công nghệ IOTs để giám sát, hiển thị động các thông số thông qua Webserver, ứng dụng trên điện thoại Android và hiển thị trên LCD Phương pháp
đo tối ưu bằng cảm biến siêu âm được xây dựng cho thấy sự đơn giản hóa trong quá trình căn chỉnh mà không mất đi sự chính xác trong quá trình đo Kết quả hệ thống đo hoạt động ổn định, hiển thị sai lệch nằm trong tầm cho phép
Ngoài những kết quả đạt được, nhóm nhận
Trang 6123
thấy đề tài có thể phát triển và nghiên cứu
thêm như tích hợp GPS trên ứng dụng
Android để xác định vị trí tàu, thuyền đang
di chuyển… Một điều ý nghĩa khác không
kém phần quan trọng từ kết quả của đề tài,
đó là làm chủ được công nghệ đo độ tĩnh không, không phụ thuộc vào công nghệ chế tạo các thiết bị từ nước ngoài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
M MIGCHELBRINK, W N WHITE, L GORENTZ, J WAGNER AND B
BLANKENAU, “Design, build, and test of an autonomous myRIO based Segbot” 2015 American Control Conference (ACC), Chicago, IL, pp 2783-2788, 2015
A F BROWNE AND J M CONRAD, “A Versatile Approach for Teaching Autonomous
Robot Control to Multi - disciplinary Undergraduate and Graduate Students” IEEE Access, 2017
Y UGURLU AND T NAGANO, “Project-based learning using LabVIEW and embedded
hardware” 2011 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII),
Kyoto, pp 561-566, 2011
J HURTUK, M CHOVANEC AND N ADAM, “The Arduino platform connected to
education process” 2017 IEEE 21st International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES), Larnaca, Cyprus, pp 71-76, 2017