Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps rtk trong hệ thống quan trắc biến dạng cầu dây treo ở việt nam

Với nhu cầu phát triển tất yếu, sau một thời gian dài tập trung vào công nghệ xây dựng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm đến công tác quan trắc công trình, đặc biệt đối với công trình l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

- -

TRẦN ĐỨC CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG

CẦU DÂY TREO Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Hồ Thị Lan Hương

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả trong nội dung của luận văn này là trung thực, chưa được công bố trong các công trình khác

Hà nội, ngày tháng năm 2013

HỌC VIÊN

TRẦN ĐỨC CÔNG

MỤC LỤC

1.2 Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc

1.2.1 Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan

1.2.2 Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK

2.2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong quan trắc liên tục

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÔNG

3.1.2 Thiết bị thực nghiệm 48

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

28 Hình 2.10 Màn hình chính của phần mềm GPS - RTK 37

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một nước đang phát triển, cở sở hạ tầng được đầu tư xây dựng nhiều trong khoảng 20 năm trở lại đây Nhiều nhà cao tầng, nhiều cây cầu lớn, hầm lớn, các công trình đường sắt trên cao, công trình ngầm được xây dựng liên tục và Việt Nam đang luôn cố gắng để có thể bắt nhịp được với thế giới về công nghệ xây dựng, công nghệ vật liệu, công nghệ giám sát đảm bảo công trình trong quá trình xây dựng cũng như trong quá trình sử dụng

Ở các nước phát triển, việc xây dựng cơ sở hạ tầng gần như hoàn thiện nên công tác theo dõi, quan trắc, bảo trì bảo dưỡng công trình được quan tâm nhiều Đã

có một nghiên cứu chỉ ra rằng quan trắc là một trong những ngành ứng dụng quan trọng số một ở Châu Âu và Mỹ từ năm 2008

Với nhu cầu phát triển tất yếu, sau một thời gian dài tập trung vào công nghệ xây dựng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm đến công tác quan trắc công trình, đặc biệt đối với công trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng nhỏ, nhạy cảm với các điều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết như cầu dây văng, dây võng… Ngày 10 tháng 4 năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT về công tác quản lý, khai thác và bảo trì cầu hệ dây quy định rõ “Bắt buộc tất cả các công trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ thống quan trắc nhằm theo dõi tình trạng cầu và cảnh báo các nguy cơ tiềm ẩn xảy ra cho công trình”

Hệ thống quan trắc cũng đã được quan tâm ứng dụng trong thi công và khai thác cầu dây tại Việt Nam từ năm 2006 như cầu Bãi cháy, cầu Rạch Miễu đến nay

có thêm cầu Bính, cầu Trần Thị Lý, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân Hầu hết các hệ thống này đều do các hãng nước ngoài lắp đặt Kết quả của hệ thống quan trắc được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng, cảnh báo ngừng giao thông kịp thời trong trường hợp nguy hiểm, kiểm tra lại thiết

kế từ số liệu thực tế…Trong các giá trị quan trắc cầu dây, có một giá trị rất quan trọng đó là chuyển vị tổng thể của cầu, giá trị này trong thiết kế được lấy từ thí nghiệm hầm gió mô hình cầu dây và được sử dụng trong tính toán thiết kế cầu, từ

giá trị chuyển vị sẽ tính ra được tần số dao động riêng tương ứng, sai lệch giữa giá trị chuyển vị đo được và giá trị chuyển vị lớn nhất khi thiết kế là 25% [14], với độ lệch này kết cấu được cho là làm việc bình thường Vì vậy, độ chính xác của thiết

bị đo giá trị này theo thời gian và theo điều kiện thực tế rất quan trọng

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc

biến dạng cầu dây treo ở Việt Nam” được thực hiện nhằm nghiên cứu thiết kế hệ

thống và đánh giá độ chính xác của phương pháp GPS - RTK trong quan trắc cầu

dây

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ GPS - RTK

Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu dây

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng và đánh giá độ chính xác của công nghệ GPS - RTK trong quan trắc cầu dây

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK ở Việt Nam và Thế giới

- Nghiên cứu về hệ thống quan trắc liên tục cầu dây (Structural Health Monitoring - SHM)

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK và phần mềm xử lý số liệu trong quan trắc

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ chính xác của phương pháp

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc

biến dạng cầu dây treo ở Việt Nam” đã đưa ra được sơ đồ cơ bản của việc kết nối

hệ thống GPS trong hệ thống quan trắc SHM, ngoài ra còn đưa ra được kết luận về

độ chính xác của công nghệ GPS - RTK trong quan trắc cầu dây thông qua số liệu thực nghiệm, giúp người sản xuất yên tâm hơn khi lựa chọn công nghệ và phương pháp đo

7 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn gồm có: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận được trình bày trong 61 trang với 12 bảng biểu và 56 hình

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Hồ Thị Lan Hương - Trường ĐH Giao thông Vận tải

Em xin trân trọng cảm ơn giáo viên hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ

em hoàn thành luận văn này Đồng thời em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Trắc địa công trình và Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất cùng bạn bè, đồng nghiệp đã nhiệt tình quan tâm giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DÂY VÀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY

1.1.1 Đặc điểm của cầu dây

Cầu dây treo bao gồm cầu dây văng và cầu dây võng, là cầu có kết cấu chịu lực đặc biệt, đặc trưng của cầu là chiều dài nhịp, chiều cao trụ và tháp lớn, độ cứng nhỏ, mặt cắt dầm và tháp thay đổi, có thể làm bằng bê tông, thép hay kết hợp cả bê tông và thép

Hình 1.1: Một số cầu dây trên thế giới và Việt nam

Trong cầu dây, tháp cầu là bộ phận rất quan trọng, chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền Kiến trúc tháp cầu cũng tương đối phức tạp, chiều cao tháp lớn (tháp cầu Bãi Cháy cao 141m, cầu Cần Thơ cao 171m, tháp cầu Kiền cao 78m, tháp cầu Rạch Miễu cao 109m ),

tiết diện của tháp thay đổi theo độ cao, chuyển vị của tháp cầu rất lớn từ vài cm đến vài m Dây có tác dụng truyền tải trọng từ dầm chủ đến tháp cầu, trong cầu dây thì biên độ và tần số dao động của dây là một giá trị quan trọng trong đánh giá tình trạng cầu Dầm cầu dây văng, dây võng thường làm bằng bê tông, thép, hoặc liên hợp cả bê tông và thép, có độ cứng nhỏ chiều dài nhịp lớn (hàng trăm m đến vài nghìn m) nhưng tương ứng với chiều dài nhịp thì chuyển vị của dầm cầu cũng lớn, đặc biệt chuyển dịch theo phương ngang cầu do gió và tải trọng động

1.1.2 Hệ thống quan trắc cầu dây

Các công trình cầu ở Việt Nam hiện nay thường được đánh giá bằng quá trình quan trắc định kỳ nên các dữ liệu thu thập được chưa phù hợp với điều kiện thực tế, không thể dự đoán và cảnh báo chính xác những biến động bất thường có thể xảy

ra, chưa đề xuất hiệu quả việc duy tu bảo dưỡng và không kiểm tra chính xác các giả thiết thiết kế có phù hợp với điều kiện thực tế hay không Vì thế việc xây dựng một cách thích hợp hệ thống quan trắc giúp giải quyết vấn đề trên là cần thiết, đặc biệt đối với cầu dây là kết cấu có giá trị chuyển vị lớn bởi ảnh hưởng từ các yếu tố khí, động học Mục đích quan trắc trong các giai đoạn thể hiện như sau:

- Trong giai đoạn thi công, mục đích quan trắc là đánh giá chất lượng thi công theo hồ sơ thiết kế, đảm bảo an toàn cho công trình Hệ thống quan trắc trên cầu dây

sẽ cung cấp các thông tin theo thời gian về điều kiện thực tế và trạng thái của kết cấu cầu trong quá trình xây dựng Ví dụ, việc đo đạc ứng suất, chuyển vị ở các vị trí đặc trưng trên trụ tháp, dầm cầu sẽ cung cấp các thông tin về tính an toàn của kết cấu trong trường hợp có gió mạnh Ngoài ra, việc đo chuyển vị theo phương đứng hay phương ngang của dầm cầu sẽ giúp điều chỉnh các phân đoạn đúc hay lắp ráp từng đốt dầm trong khi thi công

- Trong giai đoạn khai thác, mục đích quan trắc là hiệu chỉnh các giả thiết và tham số thiết kế, phát hiện những bất thường về tải trọng tác động và đáp ứng của kết cấu cầu, đánh giá mức độ an toàn của công trình, cung cấp các dữ liệu cho việc bảo trì và sửa chữa công trình, đánh giá tính hiệu quả của công tác bảo trì và sửa chữa công trình

Ưu điểm của hệ thống quan trắc (Structural Health Monitoring - SHM) là đánh giá tình trạng cầu một cách trực quan và định lượng thông qua mối quan hệ giữa ứng xử của kết cấu và các dao động, chuyển vị đặc trưng Việc đánh giá không chỉ thông qua các số liệu trực quan mà còn thông qua các dữ liệu thống kê, ngoài ra còn cung cấp các dữ liệu khí tượng để tham gia điều tiết giao thông

1 Cấu trúc của hệ thống quan trắc SHM

Một hệ thống quan trắc điển hình gồm 3 thành phần cơ bản:

- Hệ thống các cảm biến

Các cảm biến đo sử dụng trong hệ thống quan trắc nhằm theo dõi không chỉ tình trạng của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, gia tốc…) mà còn theo dõi các tham số môi trường có ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu (tốc độ gió, nhiệt độ )

- Hệ thống thu nhận dữ liệu, truyền dữ liệu

Do có nhiều cảm biến gắn trong hệ thống quan trắc nên việc thu nhận dữ liệu, truyền và lưu trữ một lượng lớn số liệu quan trắc là rất phức tạp

Khối thu nhận dữ liệu có chức năng chuyển đổi các tín hiệu analog từ các cảm biến của khối đo đạc sang dạng tín hiệu điện phù hợp cho việc lưu trữ và xử lý trong khối tiếp theo Trong khối này thông thường bao gồm các mạch lọc tín hiệu, mạch khuyếch đại và mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog (tương tự) sang dạng tín hiệu số (digital) gọi tắt là bộ chuyển đổi A/D để thuận lợi cho việc lưu trữ trên máy tính

Dữ liệu sau khi thu thập được, phân tích và có thể được truyền bằng nhiều cách đến với hệ thống quản lý dữ liệu Hiện nay, việc truyền số liệu quan trắc trong một hệ thống quan trắc thường sử dụng kết hợp 3 mạng sau:

+ Mạng Lonworks: mạng này được sử dụng để truyền dữ liệu từ các cảm biến

đo và các bộ khuyếch đại tín hiệu (amplifier) tới các máy tính đặt tại công trình + Mạng cục bộ (mạng LAN): mạng này sử dụng để truyền các dữ liệu thu thập được trên các máy tính đặt tại công trường tới cơ sở dữ liệu trên máy server

+ Mạng Internet: mạng này phục vụ người sử dụng (người quản lý cầu, người thiết kế…) có thể truy cập tới cơ sở dữ liệu trên máy chủ tìm kiếm các thông tin cần

thiết về tình trạng kỹ thuật của công trình

Hình 1.2: Sơ đồ chung của hệ thống quan trắc

Khi đó, các thuật toán chẩn đoán dựa trên phân tích mô hình, nhận diện dạng

hư hỏng, phân tích theo chuỗi thời gian… là những phương pháp hiệu quả nhất để phát hiện sự hiện diện, vị trí, độ lớn và sự mở rộng của các hư hỏng, khuyết tật kết cấu Sơ đồ của hệ thống quan trắc (hình 1.2)

2 Các nội dung quan trắc cầu dây

Muốn đánh giá đúng tình trạng của cầu, thì phải xác định được các giá trị đặc trưng cho kết cấu như: ứng suất, biến dạng, chuyển vị, độ võng, góc xoay, lực căng,

tần số và biên độ dao động…tại những điểm vị trí quan trọng của kết cấu Trong bảng 1.1 biểu thị các nội dung cần quan trắc của cầu dây

Bảng 1.1: Nội dung quan trắc cầu dây [2]

Tác động của

môi trường

- Đo gió

- Biểu đồ gió trung bình và gió giật

- Đường tốc độ gió giật

- Góc tới của gió

- Cường độ dòng gió hỗn loạn

- Chiều dài và thời gian của gió hỗn loạn

- Phổ gió hỗn loạn

- Quan hệ của gió đứng và gió ngang

- Phổ đáp ứng của trụ tháp, dầm chủ

Phản ứng của

kết cấu

- Đo nhiệt độ các bộ phận kết cấu

- Chuyển vị khe co giãn

- Đo dịch chuyển của mố, trụ, hố neo cáp … sau các trận động đất

- Đo lực căng của dây cáp

Lực căng trong từng bó cáp văng, dây cáp chủ

- Đo độ nghiêng trụ tháp - Độ nghiêng

phân bố khối lượng

Theo thống kê hệ thống quan trắc các cầu dây trên thế giới, nhìn chung các yếu tố quan trắc được đồng nhất Tùy vào kết cấu, điều kiện khu vực xây dựng cầu, điều kiện về kinh tế để chọn nội dung quan trắc cho phù hợp

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu dây trên thế giới

Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, các thiết bị đo của hệ thống quan trắc được đơn vị thi công lắp đặt ngay từ giai đoạn xây lắp sẽ liên tục thu thập

và truyền số liệu về hệ thống xử lý trung tâm Sau khi hoàn thành công trình, các thiết bị này sẽ được bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành trong quá trình khai thác cầu Hệ thống tiếp tục hoạt động và ghi lại dữ liệu trong giai đoạn này Nhờ có

cơ sở dữ liệu đầy đủ và liên tục cập nhật, người quản lý cầu sẽ nắm được chính xác giá trị lực căng trong từng dây văng, độ võng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, tốc

độ gió v.v…tại thời điểm bất kì

Đã có khoảng trên 40 cầu lớn (nhịp chính từ 100m trở lên) trên thế giới được trang bị hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK như cầu Sutong, cầu Tsing Ma, cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngoài ra, còn có một số các cầu khác nữa

+ Hệ thống quan trắc cầu Stonecutters (Hồng Kông)

Hình 1.3: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kông)

Cầu Stonecutters (Hồng Kông) có nhịp chính dài nhất thế giới (L = 1018m), được trang bị một hệ thống SHM hiện đại, thiết kế bởi hãng COWI

Sự hiện đại trong công nghệ cảm biến và thu nhận dữ liệu làm tăng tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật của chương trình quan trắc kết cấu và môi trường được kiểm soát từ xa Các tham số môi trường như gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối cũng được quan trắc bởi hệ thống này Các tham số kết cấu được quan trắc bởi các cảm biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị và đầu thu GPS Đầu thu GPS được sử dụng để đo chuyển vị của trụ tháp cầu và những bất thường xảy ra ở cầu với độ chính xác 1mm [15]

Hình 1.4: Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters + Cầu Akashi Kaikyo (Nhật bản)

Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) là cầu treo dây võng hiện đang giữ kỷ lục về khẩu độ nhịp lớn nhất (L = 1999m)

Hình 1.5: Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

Hệ thống GPS được lắp đặt trên mố neo 1A, trụ tháp 2P và giữa nhịp chính Tọa độ của mố neo 1A được xem là điểm gốc (OPT - Original Point Terminal) và các điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) được tính toán theo các phương dọc, thẳng đứng và phương ngang của cầu

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống SHM Akashi Kaikyo bằng GPS [13]

+ Cầu Tsing Ma (Hồng Kông)

Cầu Tsing Ma là cầu treo dây võng dài nhất trên thế giới, vừa dùng cho đường bộ vừa dùng cho đường sắt Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốc chạy ở trên và đường sắt chạy phía dưới Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang của dầm cầu có dạng kết hợp giữa kết cấu dàn và kết cấu dầm hộp (hình 1.7)

Hình 1.7: Cầu Tsing Ma (Hong Kong)

Hệ thống quan trắc bao gồm: Các cảm biến đo gia tốc, đo biến dạng, đo chuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ, … được lắp đặt cố định trên cầu và hệ thống thu thập dữ liệu, hệ thống xử lý số liệu Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đo biến dạng của các bộ phận kết cấu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh tháp, ½ dầm chủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu (hình 1.8)

Hình 1.8: Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên cầu Tsing Ma [16]

+ Cầu Neva (LB Nga)

Như là một phần của thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc của cầu treo dây văng Neva được thực hiện rất chi tiết

Hình 1.9: Cầu Neva của Nga

Nghiên cứu này bao gồm việc đánh giá rủi ro của mỗi giai đoạn xây dựng và trong giai đoạn khai thác Thiết kế của hệ thống này đảm bảo tiêu chí dễ dàng sử dụng, bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng sau này

Hình 1.10: Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva [12]

Hệ thống quan trắc của cầu Neva cung cấp các thông tin quan trắc theo thời gian về điều kiện thực tế và trạng thái kết cấu của cầu trong quá trình xây dựng Việc đo chuyển vị theo phương đứng và phương ngang của dầm chủ bằng GPS giúp điều chỉnh hướng thoát gió của mặt cắt dầm chủ trong quá trình xây dựng (hình 1.10)

+ Cầu Sutong (Trung Quốc)

Cầu Sutong là cầu treo dây văng có nhịp lớn nhất thế giới dài 1088m, trụ tháp bằng bê tông cốt thép cao 330m bắc qua sông Yangtze, tỉnh Jiangsu, Trung Quốc

Hình 1.11: Cầu Sutong (Trung Quốc)

Hệ thống SHM của cầu Sutong gồm 2 phần: hệ thống đo đạc thực hiện chức năng đo đạc, thu nhận và truyền dữ liệu; hệ thống xử lý, quản lý dữ liệu đo thực hiện chức năng xử lý, quản lý dữ liệu đo và thực hiện các phân tích tổng hợp Các cảm biến đo lắp đặt cố định trên cầu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh trụ tháp và giữa dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu theo phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương thẳng đứng (hình 1.12)

Hình 1.12: Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong

1.2.2 Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu dây ở Việt Nam

Ở Việt Nam, có khoảng hơn 10 cầu dây văng và dây võng đã xây dựng nhưng mới có khoảng một nửa trong số đó lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu Rạch Miễu, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý Trong đó ba cầu

có hệ thống GPS được giới thiệu dưới đây

+ Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ

Cầu Cần Thơ là cầu dây văng hai mặt phẳng dây Cầu nối liền 2 tỉnh Vĩnh

dây văng, nhịp chính dài 550m, trụ tháp cao 164.8m.

Hình 1.13: Cầu Cần Thơ

Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ do các nhà thầu Nhật Bản thiết kế và lắp đặt GPS được lắp tại 9 vị trí trên cầu và có một trạm base ở nhà điều hành

Hình 1.14: Sơ đồ đo GPS tổng thể của Cầu Cần Thơ [4]

Đây là một hệ thống SHM đầy đủ và hiện đại số 1 của Việt Nam

+ Hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý

Cầu Trần Thị Lý nằm trong thành phố Đà Nẵng, là cầu dây văng với các nhịp

sẽ trải dài bắt ngang qua sông Hàn, nối liền quận Hải Châu, quận Sơn Trà và Quận Ngũ Hành Sơn Cầu có tổng chiều dài 731m, trong đó nhịp chính là nhịp dây văng dài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân cách, trụ tháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng bê tông cốt thép, nghiêng 12 độ về phía Tây cầu với chiều cao 145m

Hình 1.16: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý [5]

+ Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân

Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng, quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc huyện Đông Anh (Hà Nội) Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km và có đường dẫn 4.5km, trong đó phần chính của cầu qua sông dài 1.5km

Hình 1.17: Phối cảnh cầu Nhật Tân

Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân do VSL thiết kế và lắp đặt Trong đó có 13

vị trí trên cầu lắp đặt GPS và một trạm base ở ngoài cầu

Đây là công trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp nhất Việt Nam nên

hệ thống SHM được xác định đầu tư lắp đặt ngay trong quá trình thi công công trình

Hình 1.18: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân [6]

Nhận xét:

Từ phần tổng quan cho thấy:

- Có nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc công trình cầu dây Tuy nhiên các nghiên cứu này, đặc biệt

là xử lý số liệu đều có bản quyền vì thế nên mỗi nước đều có một cách tiếp cận hệ thống khác nhau, giao diện khác nhau, phương pháp xử lý số liệu khác nhau

- Các hệ thống quan trắc cầu dây ở Việt Nam đều do các chuyên gia nước ngoài thiết kế và lắp đặt

- Muốn làm chủ được công nghệ này cần có nhiều nghiên cứu về thiết kế hệ thống, chế tạo hệ thống, đánh giá các thiết bị trong hệ thống, phương pháp xử lý số liệu, phân tích và đánh giá số liệu v v

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc

biến dạng cầu dây treo ở Việt Nam” nghiên cứu về sự kết nối của hệ thống GPS

trong hệ SHM cho cầu dây, nghiên cứu đánh giá độ chính xác của công nghệ GPS - RTK trong quan trắc liên tục cầu dây là một bước nhỏ trong quá trình làm chủ và phát triển công nghệ quan trắc liên tục ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK

TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU DÂY

2.1 NGUYÊN LÝ ĐO GPS - RTK

Đo động xử lý tức thời hay còn gọi là đo động thời gian thực (Real Time Kinematic - RTK) là phương pháp cho phép giải toạ độ điểm đặt máy trạm di động (trạm rover) ngay tại thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu thu vệ tinh tại trạm cố định (trạm base) và trạm di động (trạm rover) trên bộ xử lý số liệu chuyên dụng đi kèm Phương pháp đo GPS - RTK bao gồm 1 hoặc 2 máy đặt tại điểm đã có tọa độ (trạm base) và một hay nhiều máy di động (trạm rover), liên lạc giữa trạm base và trạm rover bằng thiết bị phát sóng Radio Link hoặc bằng cáp truyền dữ liệu Khi đo bằng phương pháp GPS - RTK, số liệu đo bị ảnh hưởng bởi các sai số quỹ đạo vệ tinh, đồng hồ vệ tinh, sai số do tầng điện ly và tầng ion, đa đường dẫn … làm cho tín hiệu bị suy giảm và quan hệ không gian của các sai số này phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách truyền dữ liệu (hình 2.1)

Hình 2.1: Phương pháp GPS - RTK

Để đạt được độ chính xác cao trong đo RTK (mức cm hoặc tốt hơn), áp dụng phương pháp giải sai phân bậc 2 (hình 2.2) Trong trường hợp này, số lượng chu kỳ sóng tải L1/L2 giữa vệ tinh, trạm base và rover được xác định

Hình 2.2: Sơ đồ sai phân bậc 2 trong GPS - RTK

Xử lý sai phân bậc 2 cho 1 epoch đơn được tính theo công thức [11]:

Trong đó:

là sai phân bậc 2 giữa vệ tinh và máy thu

Δ là hiệu khoảng cách giữa 2 máy thu

là hiệu khoảng cách giữa 2 vệ tinh

trạm tham chiếu (base)

Công thức biểu diễn kết quả đo sai phân bậc 2 theo pha sóng tải được viết dưới dạng [11]:

(2.2)

Trong xử lý sai phân bậc 2 đã loại bỏ được sai số do lệch giữa đồng hồ máy thu

và đồng hồ vệ tinh Sai số do quỹ đạo vệ tinh và sai số do tầng khí quyển cũng giảm đáng kể (có thể bỏ qua) Trong khi đó, nhiễu do máy thu và do sự phản xạ của tín hiệu tăng nhẹ Đối với trị đo đơn theo pha sóng tải, độ chính xác đạt được từ vài cm đến vài dm phụ thuộc vào chiều dài cạnh và điều kiện thực tế (Hatch, 1986; Goad, 1987) Độ chính xác của một trị đo đơn ngắn (< 10km) là ±1-2cm đối với các thành phần theo phương ngang và khoảng ±2cm theo phương đứng Độ chính xác cao hơn

có thể đạt được khi sử dụng các máy thu công nghệ mới và sử dụng phép lọc Kalman trong phần mềm tính toán (Remondi& Brown, 2000; Rutledge et al.2001)

2.2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU DÂY

2.2.1 Đặc điểm của GPS - RTK trong quan trắc

Mô hình quan trắc bằng GPS - RTK (hình 2.3), bằng nguyên lý đo tương đối Trạm base và trạm rover đều thu tín hiệu từ vệ tinh, trạm base sau khi xử lý dữ liệu thu được từ vệ tinh sẽ truyền đến trạm rover thông qua hệ thống Radio Link trạm rover sẽ tính ra tọa độ của nó theo thời gian

Ứng dụng phương pháp GPS - RTK trong quan trắc có một số thuận lợi hơn các phương pháp đo mặt đất ở các điểm sau [3]:

- Không cần thông hướng giữa các trạm đo nên việc chọn điểm đo sẽ linh hoạt hơn khi ứng dụng phương pháp truyền thống

- Có thể đo trong bất cứ thời gian nào, ngày hoặc đêm và trong mọi điều kiện thời tiết

- GPS có thể cung cấp trực tiếp chuyển vị theo 3 phương và định vị tuyệt đối trong hệ quy chiếu toàn cầu WGS - 84, cho phép phân tích hướng của chuyển vị theo thời gian thực

- GPS là hệ thống bao phủ toàn cầu, vì thế có thể ứng dụng nó trên bất cứ khu vực nào của trái đất, rất thuận tiện cho việc tự động quan trắc

- Là thiết bị có thể được sử dụng để kiểm tra độc lập kết quả đo của nhiều thiết

bị khác

- Độ bền cao dưới mọi điều kiện thời tiết

- Các kết quả cung cấp sẽ phục vụ cho việc tính toán các yếu tố cơ bản trên cơ

sở phối hợp với các thiết bị khác nhau liên quan đến vận tốc gió, hướng gió và nhiệt

độ

- Cung cấp các dữ liệu thông tin một cách có hệ thống, đặc biệt là những dữ liệu khó có thể đo đạc được thông qua các quan sát/kiểm tra định kỳ

Hình 2.3: Sơ đồ quan trắc kết cấu bằng GPS - RTK

Mặc dù có những ưu điểm như trên nhưng phương pháp đo bằng GPS cũng có những hạn chế nhất định, như khi đo yêu cầu tại các trạm thu phải có sự thông thoáng lên bầu trời, độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh và phương pháp tính toán

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phương pháp GPS - RTK trong quan trắc công trình, kết luận của Robert đại học Norttingharm - Anh, một chuyên gia về quan trắc như sau:

Với phương pháp GPS - RTK kết quả đo không lấy giá trị trung bình theo thời gian và với tốc độ lấy mẫu cao (khoảng 20Hz) có thể quan trắc biến dạng nhanh

của các cấu trúc mềm dẻo (cầu dây, tháp cầu hoặc các tòa nhà cao tầng) nơi mà ảnh hưởng của phương tiện giao thông hoặc gió là nguyên nhân gây ra các chuyển

vị có thể nhận biết được (>1cm) và tần số xuất hiện < 10Hz [Robert et al.,2000]

2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu dây

GPS phù hợp để quan trắc các yếu tố đặc trưng hình học của cầu, cụ thể là đo

chuyển vị theo 3 phương (phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương đứng) tại

vị trí đỉnh tháp, giữa dầm chủ, 1 phần tư dầm chủ và chân 2 trụ tháp Tùy theo

chiều dài nhịp, chiều cao trụ tháp, loại hình kết cấu mà quyết định vị trí lăp đặt GPS;

Sơ đồ bố trí anten GPS (hình 2.4)

Hình 2.4: Sơ đồ vị trí lắp anten GPS trên cầu dây

Quy trình chung để thiết kế một hệ thống quan trắc cầu hệ dây được mô tả như sau [8]:

Hình 2.5: Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc

Sơ đồ kết nối của hệ thống GPS trong quan trắc liên tục (hình 2.6)

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống quan trắc liên tục bằng GPS

1 Anten GPS và máy thu GPS

Hình 2.7: Anten và máy thu GPS

Các đầu thu GPS có thể đo dữ liệu liên tục chủ yếu là hãng Trimble, Leica đều

là các thiết bị có thể đo RTK độ chính xác cao, tần số lên đến 50 Hz Phải căn cứ vào dải chu kỳ và tần số dao động cơ bản của công trình cầu để thiết lập tần số lấy mẫu Các thiết bị này được thiết kế và chế tạo riêng cho monitoring

2 Hệ thống thu nhận và chuyển đổi dữ liệu

Hệ thống này có nhiệm vụ thu nhận, hiệu chỉnh, chuyển đổi và truyền dữ liệu tới máy tính Các dữ liệu GPS sau khi chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu tương tự sẽ được truyền tới bộ hiệu chỉnh và biến đổi của phần cứng, bộ hiệu chỉnh

và biến đổi sẽ biến đổi thành dạng số tương ứng để máy tính có thể làm việc được Các bộ thu nhận dữ liệu phải có bộ nhớ đệm để làm bộ nhớ tạm thời khi tính toán và lưu trữ trong một khoảng thời gian nhất định trước khi truyền đi

Khi số điểm đo lớn hơn 30 hoặc cự ly xa hơn 80m, để tối thiểu hóa số lượng

và chiều dài cáp, các điểm đo sẽ được nối với một cáp chung tới thiết bị đo Cấu trúc này thuận lợi cho quản lý hơn là mỗi điểm đo lại nối với thiết bị bằng một đường cáp riêng Nếu số điểm đo hoặc cự ly lớn hơn nhiều, có thể tách thành các mạng con, đường truyền trong mạng con bằng dây đồng, sau đó nối với cáp chính bằng sợi cáp quang

Ngoại vi phục vụ thu nhận dữ liệu bao gồm cáp dẫn tín hiệu, cục đấu nối và dắc cắm, hộp che, hộp đấu nối và các thiết bị phụ trợ khác Trong đó, cáp dẫn đóng vai trò cần thiết để cấp nguồn cho mạch điện và truyền tín hiệu từ các cảm biến đến

hệ thống thu nhận dữ liệu và máy tính Khi lắp đặt cáp truyền dẫn cần chú ý giảm thiểu chiều dài và số lượng cáp, trong trường hợp cần thiết có thể kết hợp dùng hệ không dây Ngoài ra, các thiết bị đấu nối, hộp che … là các thiết bị không thể thiếu

để đấu nối các cáp dẫn và bảo vệ chống nước, tác động môi trường, v.v…

Từ đó, chúng ta có một số tiêu chí để lựa chọn hệ thống thu nhận dữ liệu cho

hệ thống quan trắc Độ tin cậy, quy mô của nhà sản xuất, dễ sử dụng, được hỗ trợ kỹ thuật là tiêu chí chủ quan Tiêu chí khách quan là xem xét các tính năng kỹ thuật của thiết bị như bộ xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ, độ chính xác,v.v

- Mỗi loại cảm biến cần những bộ xử lý khác nhau, sẽ không có bộ xử lý vạn năng nào cho tất cả các loại cảm biến do vậy sẽ có nhiều bộ xử lý trong hệ thống Yêu cầu của các bộ xử lý tín hiệu bao gồm:

+ Khuếch đại hoặc giảm tín hiệu từ đầu ra của cảm biến tùy theo mức tín hiệu + Lọc các tín hiệu không mong muốn và cách ly tín hiệu cảm biến tránh gây nhiễu tới bộ chuyển đổi tín hiệu

+ Các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số được lựa chọn dựa trên tốc độ và độ chính xác của yêu cầu đề ra

+ Tốc độ là đại lượng để xác định xem hệ thống thu nhận dữ liệu nhanh đến đâu để tương thích với sự thay đổi theo thời gian của tín hiệu mà vẫn đảm bảo được

độ chính xác của phép đo Đặc tính này biểu thị ở dạng tần số (Hz)

+ Độ phân giải là khả năng đo được nhỏ nhất khi có sự thay đổi đầu vào và nó

là một tham số để xác định độ chính xác của phép đo Một bộ chuyển đổi có độ phân giải cao sẽ cho độ chính xác lớn hơn

- Hệ thống bus được ví như là hệ thống giao thông huyết mạch của cả hệ thống truyền dẫn dữ liệu Để chuyển tải dữ liệu giữa các bộ phận, nhiều tuyến mạch kết nối đã được lập ra Do có chức năng tương đồng với tuyến xe buýt trong cuộc sống

mà tuyến mạch kết nối này cũng được đặt tên là bus Để lựa chọn một hệ thống bus phù hợp cần đảm bảo: đáp ứng yêu cầu về tính tin cậy và bảo toàn, giao thức truyền

dữ liệu và truy nhập dữ liệu đơn giản, đáp ứng được cự ly và tốc độ truyền thông cho hệ thống quan trắc

- Lựa chọn đường truyền đồng bộ với hệ thống bus đã chọn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật về: số trạm tham gia (số điểm đơn vị, số trạm thu phát), tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn, cấu hình mạng, cáp nối (dây xoắn, cáp trơn ), điện trở đầu cuối nối đất

Dữ liệu sau khi thu thập được, phân tích và có thể được truyền bằng nhiều cách đến với hệ thống quản lý dữ liệu

a Thiết bị truyền dẫn dữ liệu trực tiếp

Một trong những phương pháp phổ biến truyền dữ liệu từ các thiết bị thu nhận đến các thiết bị xử lý dữ liệu là truyền trực tiếp thông qua hệ thống các dây dẫn Một phương pháp khác để truyền dữ liệu đến bộ phận quản lý và xử lý tín hiệu trung tâm là sử dụng các sợi cáp quang Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, nguyên lý truyền tín hiệu của sợi cáp quang dựa trên hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần và công nghệ mã hóa thông tin vào các xung ánh sang có bước sóng khác nhau Chính vì sự khác biệt đó mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và truyền xa hơn

Hình 2.8: Cấu tạo sợi cáp quang

Trong quá trình truyền, các xung ánh sáng bị vật chất làm cáp quang hấp thụ với một tỷ lệ nhất định nên trên đường truyền dẫn vẫn tồn tại sự mất mát Sự mất mát này tùy phụ thuộc vào chất lượng vật liệu làm cáp nhưng nói chung là thấp hơn rất nhiều so với mất mát tín hiệu trong môi trường truyền dẫn bằng dây lõi đồng

b Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng

Một phương pháp nhằm khắc phục những hạn chế của truyền dẫn bằng dây là

sử dụng hệ thống truyền dẫn thông qua mạng không dây hoặc hệ thống mạng Internet truyền dữ liệu đến các máy trạm ở những vị trí bất kỳ hoặc kết hợp những phương pháp trên

Do những hạn chế về khoảng cách truyền trong quá trình truyền dẫn dữ liệu sang các thiết bị lưu trữ, phân tích, xử lý mà các thiết bị truyền dẫn trực tiếp không còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt đối với các cầu lớn cần phân tích, xử lý và quản

lý dữ liệu đo ở nhiều nơi khác nhau thậm chí cách xa hàng nghìn km

Tuy nhiên, ở Việt Nam truyền dữ liệu theo phương thức này bị hạn chế do hệ thống mạng không ổn định, đối với hệ thống SHM cho cầu dây thường dùng phương pháp truyền dữ liệu bằng cáp quang là chủ yếu

4 Phần mềm xử lý số liệu quan trắc

Trong phần này giới thiệu phần mềm Leica GNSS Spider của hãng Leica, phần mềm này được thiết kế cho Leica GR/GM series, GNSS 1200, GNSS 900, GPS 500 với một hoặc nhiều trạm tham chiếu và nhiều trạm quan trắc

Phần mềm Spider gồm 2 phần cơ bản: phần 1 là GNSS Spider thực hiện các tính toán cơ bản của trạm tham chiếu và trạm quan trắc trong hệ tọa độ WGS - 84, tọa độ tương đối được tính theo thời gian thực; trung bình theo phút, giờ, ngày tháng Phần thứ 2 là phần Monitoring nhận kết quả tính toán từ Spider, chuyển kết quả sang hệ tọa độ địa phương hoặc hệ tọa độ công trình, chuyển cơ sở dữ liệu đến máy chủ, quản lý tập tin

Sơ đồ kết nối dữ liệu của GPS - RTK trong quan trắc như sau:

Hình 2.9: Sơ đồ kết nối dữ liệu của GPS - RTK trong quan trắc

Muốn hệ thống đo có thể hoạt động được, trong phần mềm phải cài đặt các thông số về trạm base, trạm rover, hệ tọa độ, trạng thái “0” của máy thu

rover ngoài ra còn phải thiết lập các giá trị tới hạn

Một trong các ưu điểm của hệ thống đánh giá tổng hợp là việc đánh giá sức khỏe của cầu một cách trực quan, định lượng dựa trên các giá trị tới hạn Các giá trị tới hạn này còn được sử dụng trong cảnh báo giao thông, kiểm tra lại thiết kế Các giá trị này có thể thay đổi qua quá trình sử dụng cầu Sau khi cài đặt các thông số cơ bản thì màn hình hiển thị như sau:

a Màn hình chính của phần mềm

Sau khi khởi động, màn hình chính hiện ra hình ảnh các trạm quan trắc trên công trình (trạm rover), khi ấn mở các nút này thì toàn bộ giá trị đo đạc và các thông số cài đặt được hiển thị theo vị trí Khi các nút này hiển thị với màu xanh lá cây thì số liệu đo có lời giải fix, nút hiển thị màu vàng thì số liệu đo

cho độ chính xác thấp (non fix solution), khi nút hiển thị màu đỏ là không nhận được dữ liệu, có thể anten bị hỏng, năng lượng mất, cáp hoặc mạng bị hỏng

Hình 2.10 : Màn hình chính của phần mềm GPS - RTK

“upload” Khi không truy cập được dữ liệu, màn hình tự động cập nhật thông

báo ấn nút upload để tải dữ liệu, dòng chữ cảnh báo sẽ biến mất khi dữ liệu thông

Hình 2.11: Màn hình khi không kết nối được dữ liệu

“setting” dùng để cài đặt các thông số của các máy thu GPS cũng như các

Hình 2.12: Màn hình Setting

“Data management” có thể chọn thời gian lưu trữ dữ liệu

Hình 2.13: Màn hình chọn thời gian lưu trữ dữ liệu

“Site” Phần mềm sẽ nhận và phân tích các trị đo liên tục trong 1 giây, trị

trung bình của 1 phút hoặc 10 phút, trị trung bình của 1 giờ hoặc 24 giờ Ngoài ra

“site” còn thiết lập truyền thông và các đường dẫn