Tóm Tắt Nghiên Cứu Kết Hợp Thiết Bị Trắc Địa Và Cảm Biến Trong Quan Trắc Dịch Chuyển Công Trình Giao Thông Đường Bộ.pdf

Về mặt thiết bị, do đặc thù kết cấu vô cùng phức tạp của các kết cấu lớn trên các tuyến cao tốc, đặc biệt là công trình cầu lớn nên thiết bị được sử dụng trong quan trắc rất đa dạng nhằm

Hà Nội – 2025

Trắc địa bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Nguyễn Việt Hà PGS TS Trần Đình Trọng

Phản biện 1: GS TSKH Hoàng Ngọc Hà

Hội Trắc địa, Bản đồ, Viễn Thám Việt Nam

Phản biện 2: PGS TS Lê Đức Tình

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Phản biện 3: PGS TS Hồ Thị Lan Hương

Trường Đại học Giao thông vận tải

Luận án được bảo vệ tại hội đồng đánh giá luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Mỏ-Địa chất vào hổi… giờ, ngày

….tháng…năm…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Quốc gia

Thư viện Trường Đại học Mỏ-Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thông tư 37/2018/TT-BGTVT “Quy định về quản lý, vận hành

khai thác và bảo trì công trình đường bộ” có quy định rõ về các bộ

phận công trình cần thiết phải thực hiện công tác quan trắc gồm các kết cấu chịu lực chính của công trình như nhịp, mố, trụ, tháp trụ, vỏ hầm Các nội dung về quan trắc được quy định bao gồm biến dạng lún, nứt, nghiêng, chuyển vị võng với thời gian và số lượng được quy định chi tiết trong các tài liệu [2,3] Về mặt cung cấp các giải pháp quan trắc, PGS TS Tống Trần Tùng đã tổng kết rằng phần lớn là được cung cấp bởi các đơn vị nước ngoài như VSL, Freysinet, NiponKoe, Cementys, Socotec điển hình là các công trình như cầu Nhật Tân, cầu Trần Thị lý, cầu Bính, cầu Rạch Miễu và hiện có tồn tại một số bất cập trong quản lý, khai thác, lưu trữ dữ liệu quan trắc

Về mặt thiết bị, do đặc thù kết cấu vô cùng phức tạp của các kết cấu lớn trên các tuyến cao tốc, đặc biệt là công trình cầu lớn nên thiết

bị được sử dụng trong quan trắc rất đa dạng nhằm đánh giá đầy đủ các phản ứng của công trình cầu trong quá trình khai thác, sử dụng dưới ảnh hưởng của các tác động như tải trọng bản thân, tải trọng động, các điều kiện ngoại cảnh

Về mặt kết nối, truyền dữ liệu, tác giả Lương Minh Chính cũng

đã tổng kết dựa trên thực tiễn các công trình cầu đã được triển khai quan trắc theo phương pháp SHMS

Các nghiên cứu, tổng kết đi trước đã phần nào cho thấy sự tiến

bộ trong công tác quan trắc, giám sát công trình tự động Tuy nhiên thiếu chủ động trong công tác quản lý chất lượng và đánh giá, dự báo

tính an toàn của công trình Luận án với đề tài “nghiên cứu kết hợp thiết bị trắc địa và cảm biến trong quan trắc dịch chuyển công trình giao thông đường bộ” có tính phù hợp trong bối cảnh thực tiễn đã và

đang diễn ra ở Việt Nam và xu hướng phát triển các thiết bị tự động trong quan trắc công trình cầu, phù hợp với xu hướng và yêu cầu chuyển đổi số nói chung và chuyển đổi số trong lĩnh vực đo đạc, quan trắc nói riêng

2 Mục tiêu nghiên cứu

Kết hợp thiết bị GNSS và thiết bị cảm biến gia tốc trong quan trắc thời gian thực công trình cầu;

Đồng bộ hóa dữ liệu GNSS-RTK và dữ liệu cảm biến gia tốc về mặt thời gian và không gian trong quan trắc công trình cầu

Kết hợp dữ liệu GNSS-RTK và dữ liệu cảm biến gia tốc để xử

lý hậu kỳ với bài toán Kalman nhằm nâng cao độ tin cậy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Là dịch chuyển của công trình giao thông trong đó tập trung hướng tới công trình cầu là đối tượng có yêu cầu và mức độ phức tạp cao nhất

Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi khoa học là kết hợp thiết bị GNSS, thiết bị cảm biến gia tốc và ứng dụng IoT cho quan trắc dịch chuyển công trình cầu trong giai đoạn vận hành, khai thác, bảo trì; phạm vi không gian là cầu dây văng Nhật Tân

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan tình hình phát triển các giải pháp và công nghệ quan trắc dịch chuyển áp dụng trong các công trình hạ tầng giao thông đường bộ nói chung và công trình cầu nói riêng

Nghiên cứu ứng dụng giải pháp kết hợp thiết bị GNSS và cảm biến trong quan trắc công trình cầu theo hướng thời gian thực (real-time) với các thiết bị IoT, đáp ứng nhu cầu chuyển đổi số trong công tác trắc địa công trình cùng với xu hướng và yêu cầu chuyển đổi số nói chung của xã hội

Nghiên cứu khả năng xác định các đại lượng dịch chuyển trong quan trắc công trình cầu với kết cấu nhịp từ dữ liệu GNSS và cảm biến gia tốc với giải pháp khoa học phù hợp đáp ứng yêu cầu thực tiễn Nghiên cứu đánh giá khả năng của cảm biến gia tốc MPU trong xác định các đặc trưng dao động tự nhiên của kết cấu, một thông số quan trọng trong đánh giá trạng thái an toàn của kết cấu

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra, nghiên cứu sử dụng các phương pháp chính sau:

Phương pháp chuyên gia:

Phương pháp nghiên cứu thực địa:

Phương pháp thống kê và phân tích dữ liệu:

Phương pháp phân tích và so sánh:

Phương pháp thực nghiệm:

Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin:

6 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm thứ nhất: Kết hợp thiết bị GNSS và cảm biến gia

tốc cùng với hệ thống IoT quan trắc dịch chuyển thời gian thực công trình giao thông các giai đoạn vận hành và bảo trì giải quyết bài toán chủ động trong quan trắc tự động, đáp ứng yêu cầu chuyển đổi số trong lĩnh vực xây dựng nói chung và lĩnh vực quan trắc nói riêng

Luận điểm thứ hai: Đồng bộ hóa dữ liệu đo GNSS và cảm biến

gia tốc về không gian, thời gian , xử lý kết hợp dãy trị đo đã đồng bộ hóa theo mô hình của bài toán Kalman nâng cao độ tin cậy của kết quả quan trắc

7 Các điểm mới của luận án

Đã kết hợp thiết bị GNSS và thiết bị cảm biến gia tốc phục vụ quan trắc công trình thời gian thực với công trình cầu

Đề xuất giải pháp đồng bộ hóa dữ liệu đo GNSS và cảm biến gia tốc phục vụ phân tích và đánh giá dịch chuyển công trình cầu đảm bảo thống nhất trong không gian ba chiều

Áp dụng mô hình Kalman trong xử lý kết hợp dãy trị đo GNSS

và cảm biến gia tốc nâng cao độ chính xác, độ tin cậy của dữ liệu quan trắc

Áp dụng thành công cảm biến gia tốc MPU với giải pháp IoT quan trắc hệ kết cấu Đây cũng là một ứng dụng mới của cảm biến MPU từ lĩnh vực chuyển động sang lĩnh vực quan trắc hệ kết cấu

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

8.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đóng góp vào công tác quan trắc công trình một giải pháp kết hợp GNSS và cảm biến gia tốc với giải pháp hoàn toàn không dây, hiển thị các giá trị quan sát thời gian thực trên nền giao diện web thuận tiện

Phân tích độ nhậy của GNSS trong xác định các thành phần dịch chuyển để là cơ sở xác định ngưỡng phù hợp giải pháp GNSS trong quan trắc chuyển dịch và khả năng xác định các tần số dao động tự nhiên từ cảm biến MPU6050

Giải pháp nâng cao độ tin cậy trong dự báo dịch chuyển kết hợp GNSS, cảm biến gia tốc với phép lọc Kalman

8.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án đảm bảo tính chủ động trong công tác quan trắc các dự án trong các giai đoạn, khắc phục nhược điểm “bị động trong công tác quan trắc” như các chuyên gia và nhà khoa học đã nhận định

Giải pháp không dây hoàn toàn là giải pháp tiết kiệm chi phí, lắp đặt gọn nhẹ, giảm thiểu công tác thiết kế đường dây dẫn trong các

kết cấu của công trình, đơn giản trong vận hành, thay thế vào bảo trì

9 Cấu trúc luận án

Chương 1: Tổng quan về quan trắc dịch chuyển công trình giao thông

đường bộ

Chương 2: Nghiên cứu kết hợp thiết bị GNSS và cảm biến trong quan

trắc dịch chuyển công trình cầu

Chương 3: Xử lý dữ liệu GNSS, cảm biến gia tốc và phân tích kết hợp Chương 4: Thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN

CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ

1.1 Công trình giao thông đường bộ và công trình cầu

1.1.1 Công trình giao thông đường bộ

Các kết cấu dạng cầu, đường, hầm (dưới dạng một công trình độc lập hay tổ hợp các công trình) được xếp vào loại hình công trình giao thông [4] phục vụ trực tiếp cho giao thông vận tải, điều tiết, điều phối các hoạt động giao thông vận tải

1.1.2 Công trình cầu và phân loại

Công trình cầu là công trình xây dựng để vượt qua dòng nước, thung lũng, đường bộ, các khu vực sản xuất, khu thương mại, khu dân cư là một phần quan trọng đảm bảo lưu thông kết nối Theo sơ đồ tĩnh học, các công trình cầu có thể được phân loại bao gồm: Cầu hệ dầm, cầu

hệ khung, cầu hệ vòm, cầu hệ liên hợp, cầu hệ treo

1.2 Quy định về công tác quan trắc công trình đường bộ

Công tác quan trắc cầu được quy định chung trong thông tư số 37/2018/TT-BGTVT

1.2.1 Đối tượng quan trắc

Đối tượng quan trắc chuyển dịch được lựa chọn phải phản ánh

được dao động thực ở những nơi nhạy cảm với các thay đổi về độ cứng của cầu…

1.2.2 Độ chính xác và chu kỳ quan trắc

Dựa trên thiết kế, các kỹ sư sẽ mô hình hóa công trình cầu dựa trên các kích thước hình học của công trình cầu cùng với các điều bất lợi nhất để cho ra các ngưỡng cảnh báo khi tiến hành quan trắc kết cấu

1.3 Nghiên cứu quan trắc dịch chuyển công trình cầu trong nước

1.3.1 Một số nghiên cứu khoa học về quan trắc dịch chuyển công trình cầu

Năm 2022, nghiên cứu về giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam [6]

Năm 2013, tác giả Lương Minh Chính đã giới thiệu tổng quan về

hệ thống quan trắc lâu dài các công trình cầu lớn [7]

Năm 2014, tác giả Bùi Hữu Hưởng giới thiệu thiết kế, bố trí các thiết bị quan trắc cho công trình cầu Rạch Miễu

Năm 2015, tác giả Hoàng Nam và các cộng sự đã giới thiệu hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ [9]

Năm 2018, tác giả Nguyễn Lan và các công sự đã sử dụng các chương trình Midas và SAP để phân tích mô hình kết cấu công trình cầu Thuận Phước

1.3.2 Các dự án áp dụng GNSS và cảm biến trong quan trắc theo phương pháp SHMS

Bảng 1 1 Một số công trình cầu áp dụng quan trắc thời gian thực [6]

Stt Công trình cầu Stt Công trình cầu

5 Cao Lãnh 12 Cầu Bãi Cháy

1.4.4 Nghiên cứu sử dụng kết hợp GNSS và cảm biến laser

1.4.5 Nghiên cứu kết hợp máy toàn đạc robotic với cảm biến dịch chuyển

1.4.6 Nghiên cứu kết hợp GNSS và cảm biến hình ảnh để xác định dịch chuyển

1.4.7 Nghiên cứu sử dụng phương pháp GNSS

1.4.8 Một số công trình cầu sử dụng GNSS và cảm biến trên thế giới Bảng 1 2 Một số công trình sử dụng GNSS và cảm biến trong quan trắc

12 Nanning 4 Trung Quốc

1.5 Nghiên cứu kết hợp GNSS với dữ liệu cảm biến dự báo dịch chuyển không gian

Nhiều kỹ thuật hiện đại đã được nghiên cứu và ứng dụng vào công tác dự báo Tuy nhiên, đặc thù về dao động động học của công trình cầu là vô cùng phức tạp và có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng trong suốt quá trình vận hành, khai thác nên để có thể lựa chọn mô hình tốt nhất là rất khó khăn

1.6 Một số vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu

1.6.1 Một số vấn đề tồn tại

PGS TS Tống Trần Tùng đã tổng kết luận rằng phần lớn được triển khai bởi các đơn vị tư vấn nước ngoài Điều này dẫn đến sự thiếu chủ động trong quản lý, chuyển giao và vận hành hệ thống quan trắc Thực tiễn cũng đã chỉ ra rằng có hệ thống không còn hoạt động sau thời gian bảo hành dẫn đến công tác quan trắc liên tục bị ảnh hưởng, không đánh giá kịp thời phản ứng của kết cấu

Về mặt khai thác dữ liệu, mục tiêu đặt ra với hệ thống SHMS

là “Đánh giá sự làm việc của kết cấu, phát hiện sự xuống cấp, suy giảm hiệu suất, nắm bắt biến đổi của kết cấu theo thời gian, cung cấp thông tin cho việc lập kế hoạch quản lý bảo trì hiệu quả…” thì đa phần

chưa thực hiện được

Về mặt kết nối các hợp phần quan trắc bao gồm các thiết bị GNSS và các loại cảm biến, toàn bộ các thiết bị được kết nối bằng hệ thống dây cáp đồ sộ

Chưa có nghiên cứu khoa học nào thực hiện nghiên cứu kết hợp dữ liệu quan trắc dịch chuyển với dữ liệu dao động từ cảm biến theo các hướng đồng bộ hóa và kết hợp tính toán xử lý dữ liệu 1.6.2 Định hướng nghiên cứu

Dựa trên việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước, các công trình khoa học đã được công bố cũng như thực tiễn triển khai công tác quan trắc dịch chuyển công trình cầu tại Việt Nam, hướng nghiên cứu của luận án được đưa ra như sau:

Nghiên cứu ứng dụng thiết bị GNSS theo phương pháp RTK, thiết

bị cảm biến gia tốc kết hợp với giải pháp IoT trong quan trắc dịch chuyển thời gian thực công trình cầu

Nghiên cứu phương pháp đồng bộ hóa dữ liệu GNSS và cảm biến gia tốc trong không gian, thời gian để phục vụ công tác xử lý dữ liệu đồng bộ

Nghiên cứu ứng dụng phép lọc Kalman trong xử lý kết hợp dữ liệu GNSS và cảm biến gia tốc để xác định trạng thái trị đo GNSS theo thời gian trong bối cảnh tần suất lấy mẫu của GNSS là hạn chế và cảm biến gia tốc cho phép lấy mẫu với tần suất cao hơn

Nghiên cứu khả năng xác định tần số dao động tự nhiên của cảm biến gia tốc MPU phục vụ mục tiêu xác định các trạng thái dao động của kết cấu sau một thời gian sử dụng

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU KẾT HỢP THIẾT BỊ GNSS VÀ CẢM BIẾN TRONG QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN CÔNG

TRÌNH CẦU 2.1 Sự phát triển của các thiết bị GNSS, cảm biến và các thiết bị IoT

2.1.1 Sự phát triển của thiết bị GNSS

Các máy thu GNSS được nâng cấp và phát triển các nền tảng OEM board, các firmware mới để cải thiện năng lực thu tín hiệu cũng như khả năng xử lý tức thời, đồng thời các dữ liệu vệ tinh

2.1.2 Sự phát triển của thiết bị cảm biến

Các cảm biến có khả năng lấy mẫu tới hàng trăm, hàng nghìn mẫu trên giây, đảm bảo ghi nhận mọi dao động, biến đổi trong quá trình hoạt động, kiểm định đánh giá các bộ phận của công trình cầu 2.1.3 Sự phát triển của công nghệ IoT

IoT tạo ra các nền tảng ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực

du lịch, quan trắc, cảnh báo sóng thần, trượt lở đất, dịch bệnh

2.3 Kết hợp thiết bị GNSS, cảm biến và giải pháp IoT trong quan trắc thời gian thực công trình cầu

2.3.1 Anten GNSS

Nghiên cứu sử dụng máy thu GNSS-RTK N3 (hình 2.14) của

hãng Comnav, máy thu có tính năng kết nối wifi để cài đặt các chức năng của thiết bị với vai trò rover

2.3.2 Cảm biến gia tốc MPU6050

Cảm biến sử dụng trong nghiên cứu là cảm biến gia tốc MPU

6050, thiết bị cảm biến tích hợp 6 trục kích thước nhỏ, độ nhạy cao, tần suất lấy mẫu cao

2.3.4 Kết nối các thiết bị

Nghiên cứu sử dụng server giả lập, địa chỉ IP động (IP thay đổi)

Sơ đồ kết nối tổng thể của thiết bị GNSS, cảm biến được thể hiện trên

2.4.2 Phương thức lắp đặt

Thiết bị GNSS sẽ được lắp đặt cố định vào bản mặt cầu Thiết

bị cảm biến gia tốc được gắn cố định chắc chắn vào bản mặt cầu, ở vị trí thấp nhất

2.5 Thu nhận, hiển thị và lưu trữ dữ liệu quan trắc

2.5.1 Cơ sở xác định tần suất lấy mẫu

Phương pháp quan trắc (thời gian thực hay định kỳ), Mục tiêu phân tích dữ liệu, Năng lực của thiết bị IoT được sử dụng trong hệ thống, Nội dung và yêu cầu từ nhiệm vụ quan trắc

2.5 Đồng bộ dữ liệu GNSS và dữ liệu gia tốc

2.5.1 Đồng bộ hóa về thời gian đo

2.5.2 Đồng bộ hóa tần suất lấy mẫu

2.5.3 Phương pháp đồng bộ hóa dữ liệu về các phương tọa độ

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ DỮ LIỆU GNSS, CẢM BIẾN GIA TỐC

VÀ PHÂN TÍCH KẾT HỢP 3.1 Xác định dịch chuyển tuyến tính từ dữ liệu GNSS-RTK

3.1.1 Độ nhậy của giải pháp GNSS-RTK trong quan trắc

Bảng 3 1 Số lượng trị đo trước và sau mỗi lần dịch chuyển

Lần dịch

chuyển

Trước khi dịch chuyển

Để lọc các giá trị ngoại lai, hai thuật toán trung bình trượt và trung

vị trượt được áp dụng cho dãy trị đo GNSS-RTK và được viết thành chương trình

3.2 Xác định đặc trưng dao động từ dữ liệu cảm biến gia tốc

3.2.1 Chuyển đổi các giá trị gia tốc sang dịch chuyển và tần số (a) Chuyển đổi các giá trị gia tốc sang vận tốc và dịch chuyển Với dữ liệu cảm biến gia tốc, ước tính vận tốc và dịch chuyển được chuyển đổi qua công thức sau [101]: