Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật trắc địa bản đồ: Nghiên cứu kết hợp thiết bị trắc địa và cảm biến trong quan trắc dịch chuyển công trình giao thông đường bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:176

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật trắc địa bản đồ "Nghiên cứu kết hợp thiết bị trắc địa và cảm biến trong quan trắc dịch chuyển công trình giao thông đường bộ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về quan trắc dịch chuyển công trình giao thông đường bộ; Nghiên cứu kết hợp thiết bị GNSS và cảm biến trong quan trắc dịch chuyển công trình cầu; Xử lý dữ liệu GNSS, cảm biến gia tốc và phân tích kết hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật trắc địa bản đồ: Nghiên cứu kết hợp thiết bị trắc địa và cảm biến trong quan trắc dịch chuyển công trình giao thông đường bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ NGỌC QUANG NGHIÊN CỨU KẾT HỢP THIẾT BỊ TRẮC ĐỊA VÀ CẢM BIẾN TRONG QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ HÀ NỘI- 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ NGỌC QUANG NGHIÊN CỨU KẾT HỢP THIẾT BỊ TRẮC ĐỊA VÀ CẢM BIẾN TRONG QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ Ngành: Kỹ thuật trắc địa-bản đồ Mã số : 9.520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS NGUYỄN VIỆT HÀ 2. PGS.TS TRẦN ĐÌNH TRỌNG HÀ NỘI-2025
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi, các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình của các tác giả khác. Hà Nội, Ngày …tháng…năm 2025 Tác giả luận án Vũ Ngọc Quang
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC .....................................................8 DỊCH CHUYỂN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ ..........................8 1.1. Công trình giao thông đường bộ và công trình cầu ....................................8 1.1.1. Công trình giao thông đường bộ ...............................................................8 1.1.2. Công trình cầu và phân loại ......................................................................8 1.2. Quy định về công tác quan trắc công trình đường bộ ................................9 1.2.1. Đối tượng quan trắc.................................................................................10 1.2.2. Độ chính xác và chu kỳ quan trắc ...........................................................11 1.3. Nghiên cứu quan trắc dịch chuyển công trình cầu trong nước ...............13 1.3.1. Một số nghiên cứu về quan trắc dịch chuyển công trình cầu ..................13 1.3.2. Các dự án áp dụng GNSS và cảm biến trong quan trắc theo phương pháp SHMS ................................................................................................................17 1.4. Nghiên cứu quan trắc dịch chuyển công trình cầu trên thế giới .............19 1.4.1. Cảm biến lá điện trở ................................................................................19 1.4.2. Cảm biến dịch chuyển tuyến tính (LVDT) .............................................20 1.4.3. Cảm biến gia tốc......................................................................................21 1.4.4. Nghiên cứu sử dụng kết hợp GNSS và cảm biến laser ...........................23 1.4.5. Nghiên cứu kết hợp máy toàn đạc robotic với cảm biến dịch chuyển ....25 1.4.6. Nghiên cứu kết hợp GNSS và cảm biến hình ảnh để xác định dịch chuyển ...............................................................................................................27 1.4.7. Nghiên cứu sử dụng phương pháp GNSS ...............................................28 1.4.8. Một số công trình cầu sử dụng GNSS và cảm biến trên thế giới ............30
iii 1.5. Nghiên cứu kết hợp GNSS với dữ liệu cảm biến dự báo dịch chuyển không gian ............................................................................................................31 1.6. Một số vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu ......................................33 1.6.1. Một số vấn đề tồn tại ...............................................................................33 1.6.2. Định hướng nghiên cứu...........................................................................34 1.7. Tiểu kết chương 1 .........................................................................................34 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU KẾT HỢP THIẾT BỊ GNSS VÀ CẢM BIẾN TRONG QUAN TRẮC DỊCH CHUYỂN CÔNG TRÌNH CẦU ........................36 2.1. Sự phát triển của các thiết bị GNSS, cảm biến và các thiết bị IoT .........36 2.1.1. Sự phát triển của thiết bị GNSS ..............................................................36 2.1.2. Sự phát triển của thiết bị cảm biến ..........................................................39 2.1.3. Sự phát triển của công nghệ IoT .............................................................44 2.2. Cơ sở thực tiễn kết hợp GNSS và cảm biến trong quan trắc ...................45 2.3. Kết hợp thiết bị GNSS, cảm biến và giải pháp IoT trong quan trắc thời gian thực công trình cầu .....................................................................................46 2.3.1. Anten GNSS ............................................................................................46 2.3.2. Cảm biến gia tốc MPU6050 ....................................................................48 2.3.3. Module Wifi ESP8266 ............................................................................48 2.3.4. Kết nối các thiết bị ..................................................................................49 2.4. Bố trí thiết bị quan trắc trên công trình cầu .............................................52 2.4.1. Vị trí lắp đặt ............................................................................................52 2.4.2. Phương thức lắp đặt ................................................................................54 2.5. Thu nhận, hiển thị và lưu trữ dữ liệu quan trắc .......................................55 2.5.1. Cơ sở xác định tần suất lấy mẫu .............................................................55 2.5.2. Định dạng dữ liệu ....................................................................................56 2.5.3. Hiển thị dữ liệu........................................................................................57 2.5.4. Lưu trữ dữ liệu ........................................................................................63 2.5. Đồng bộ dữ liệu GNSS và dữ liệu gia tốc ...................................................64 2.5.1. Đồng bộ hóa về thời gian đo ...................................................................64 2.5.2. Đồng bộ hóa tần suất lấy mẫu .................................................................66 2.5.3. Phương pháp đồng bộ hóa dữ liệu về các phương tọa độ .......................66
iv 2.6. Tiểu kết chương 2 .........................................................................................68 CHƯƠNG 3. XỬ LÝ DỮ LIỆU GNSS, CẢM BIẾN GIA TỐC .........................69 VÀ PHÂN TÍCH KẾT HỢP ..................................................................................69 3.1. Xác định dịch chuyển tuyến tính từ dữ liệu GNSS-RTK .........................69 3.1.1. Độ nhậy của giải pháp GNSS-RTK trong quan trắc ...............................69 3.1.2. Lọc giá trị ngoại lai và phân tích dịch chuyển tuyến tính với dữ liệu GNSS-RTK .......................................................................................................72 3.2. Xác định đặc trưng dao động từ dữ liệu cảm biến gia tốc .......................79 3.2.1. Chuyển đổi các giá trị gia tốc sang dịch chuyển và tần số .....................79 3.2.2. Độ chính xác xác định tần số của cảm biến gia tốc MPU6050...............81 3.3. Xử lý kết hợp dãy trị đo GNSS và cảm biến gia tốc tại điểm quan trắc công trình cầu ......................................................................................................88 3.3.1. Giới thiệu mô hình lọc kalman................................................................88 3.3.2. Xử lý kết hợp dãy trị đo GNSS và cảm biến gia tốc trong quan trắc công trình cầu theo mô hình lọc kalman ....................................................................90 3.4. Xác định biến dạng bằng cảm biến dịch chuyển tuyến tính ....................95 3.4.1. Quan hệ ứng suất và biến dạng ...............................................................95 3.4.2. Cảm biến dịch chuyển tuyến tính và nguyên lý hoạt động .....................96 3.4.3. Xác định lượng biến dạng 𝛥 bằng cảm biến dịch chuyển tuyến tính......97 3.5. Tiểu kết chương 3 .........................................................................................98 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM .............................................................................99 4.1. Thực nghiệm quan trắc thời gian thực cầu Nhật Tân ..............................99 4.1.1. Giới thiệu công trình cầu Nhật Tân.........................................................99 4.1.2. Lắp đặt anten GNSS và cảm biến gia tốc trên bản mặt cầu ....................99 4.2. Kết quả quan trắc thời gian thực..............................................................100 4.2.1. Kết quả hiển thị dữ liệu quan trắc đồng bộ thời gian thực ....................100 4.2.2. Kết quả lưu trữ dữ liệu ..........................................................................103 4.3. Ứng dụng bài toán Kalman trong dự báo trạng thái GNSS-RTK ........104 4.3.1. Dữ liệu GNSS-RTK ban đầu.................................................................104 4.3.2. Dữ liệu cảm biến gia tốc ban đầu ..........................................................113 4.3.3. Kết quả của bài toán Kalman kết hợp GNSS và cảm biến gia tốc........114
v 4.4. Thực nghiệm xác định biến dạng dầm sử dụng IoT ...............................117 4.4.1. Mô tả thực nghiệm ................................................................................117 4.4.2. Kết quả độ chính xác .............................................................................119 4.5. Tiểu kết chương 4 .......................................................................................123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS ........................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................130 PHỤ LỤC ...............................................................................................................138 PHỤ LỤC 1 .............................................................................................................139 PHÂN TÍCH TẦN SỐ ĐÁNH GIÁ CẢM BIẾN GIA TỐC NI .............................139 PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................142 PHÂN TÍCH TẦN SỐ ĐÁNH GIÁ CẢM BIẾN GIA TỐC MPU6050 ................142 PHỤ LỤC 3 .............................................................................................................145 MỘT ĐOẠN DỮ LIỆU CẢM BIẾN GIA TỐC NI LẦN 1 (04 ĐẦU ĐO) ...........145 PHỤ LỤC 4 .............................................................................................................147 MỘT ĐOẠN DỮ LIỆU CẢM BIẾN GIA TỐC MPU6050 LẦN 1.......................147 PHỤ LỤC 5 .............................................................................................................148 DỮ LIỆU DỊCH CHUYỂN GNSS-RTK TẦN SUẤT 01 GIÂY ...........................148 PHỤ LỤC 6 .............................................................................................................162 DỮ LIỆU GIA TỐC MPU6050 TẦN SUẤT 01 GIÂY .........................................162
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Hệ thống quan trắc sức khỏe kết SHMS Structural health monitoring system cấu GLS Ground Laser System Hệ thống laser mặt đất TLS Terrestrial Laser system Hệ thống laser mặt đất Linear Variable Differential Thiết bị vi sai dịch chuyển tuyến LVDT Transformer tính IMU Inertial Measurement Unit Định vị quán trình bên trong MLS Mobile lidar system Hệ thống lidar di động UAV Unmanned Ariel Vehicle Thiết bị bay không người lái AE Acoustic Emission Phát xạ âm thanh RTS Robotic Total Station Toàn đạc điện tử Robotic GNSS Global Navigation Satellites system Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu RTK Real-time kinematic Định vị động thời gian thực GPS Global Positioning System Hệ thống GPS RMSE Root Mean Square Error Sai số trung phương MAE Mean Absolute Error Sai số tuyệt đối trung bình Sai số phần trăm tuyệt đối trung MAPE Mean Absolute Percentage Error bình PPP Precise Point Positioning Định vị điểm chính xác Radio Technical Commission for Ủy ban kỹ thuật vô tuyến về dịch RTCM Maritime Services vụ hàng hải Networked Transport of RTCM via Truyền tải RTCM qua mạng lưới Ntrip Internet Protocol giao thức Internet IoT Internet of Things Internet vạn vật FRF Frequency Response Function Hàm đáp ứng tần số AR Autoregressive Tự hồi quy MA Moving average Trung bình động MM Moving median Trung vị động FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Cầu dây văng Nhật Tân ..............................................................................9 Hình 1. 2. Cầu Nanjing 4 qua sông Yangtze, Trung Quốc .........................................9 Hình 1. 3. Hiện trạng đầu tư và tương lai của đường cao tốc và quốc lộ .................13 Hình 1. 4. Số lượng cây cầu đến tháng 8/2022 .........................................................14 Hình 1. 5. Nguyên lý quan trắc cầu tự động .............................................................14 Hình 1. 6. Các cảm biến cơ khí lắp đặt trên kết cấu .................................................16 Hình 1. 7. Độ võng với sơ đồ xếp tải đúng tâm nhịp P61-P62 .................................16 Hình 1. 8. Độ võng với sơ đồ xếp tải lệch tâm nhịp P61-P62 ..................................16 Hình 1. 9. Cầu Cổ Lũy ..............................................................................................18 Hình 1. 10. Bố trí hệ thống cảm biến trong hệ thống SHMS của cầu Cổ Lũy .........19 Hình 1. 11. Cảm biến là điện trở ...............................................................................20 Hình 1. 12. Cảm biến dịch chuyển tuyến tính trong quan trắc .................................20 Hình 1. 13. Cảm biến gia tốc.....................................................................................21 Hình 1. 14. Mô phỏng một số dạng dao động của kết cấu ........................................22 Hình 1. 15. Thiết bị quét Lidar trên không ...............................................................24 Hình 1. 16. Lidar trên không phục vụ quan trắc, kiểm định cầu ..............................24 Hình 1. 17. Phân tích dịch chuyển phương X bằng máy toàn đạc tự động...............25 Hình 1. 18. Phân tích dịch chuyển phương Y bằng máy toàn đạc tự động...............26 Hình 1. 19. Phân tích dịch chuyển phương Z bằng máy toàn đạc tự động ...............26 Hình 1. 20. Các ứng dụng của UAV trong quan trắc hạ tầng giao thông .................27 Hình 1. 21. Công tác lắp đặt ......................................................................................29 Hình 1. 22. Sơ đồ vị trí các máy thu GNSS ..............................................................30 Hình 2. 1. Dòng main K8 mới nhất của Comnav......................................................36 Hình 2. 2. Số lượng vệ tinh sử dụng đồng thời (Máy N3-Comnav) .........................37 Hình 2. 3. GNSS board UM982 ................................................................................37 Hình 2. 4. Số lượng vệ tinh tại một điểm quan trắc trên công trình cầu ...................38 Hình 2. 5. Giao diện WebUi để thiết lập các cài đặt .................................................38 Hình 2. 6. Cấu trúc NTRIP........................................................................................39
viii Hình 2. 7. Các cảm biến trong hệ thống quan trắc sức khỏe cầu Cổ Lũy .................40 Hình 2. 8. Cảm biến dây rung đo biến dạng võng cầu Hang Lương ........................41 Hình 2. 9. Dao động mố cầu A1, cầu Sông Cái Nhỏ (phương Z) .............................41 Hình 2. 10. Dao động trụ cầu P2, cầu Sông Cái Nhỏ (phương Z) ............................42 Hình 2. 11. Dao động nhịp 3, cầu Sông Cái Nhỏ (phương Z) ..................................42 Hình 2. 12. Thống kê các chu kỳ và tần số của một kết cấu nhịp .............................43 Hình 2. 13. Tỉ lệ công bố sáng chế liên quan đến IOT năm 2017 ............................45 Hình 2. 14. Máy thu Comnav N3 ..............................................................................47 Hình 2. 15. Thông tin hệ thống của thiết bị ..............................................................47 Hình 2. 16. Cảm biến gia tốc MPU6050 ...................................................................48 Hình 2. 17. Module wifi ESP8266 ............................................................................48 Hình 2. 18. Cài đặt cấu hình cho máy thu rover .......................................................49 Hình 2. 19. Sơ đồ kết nối của hợp phần GNSS .........................................................50 Hình 2. 20. Kết nối MPU và ESP..............................................................................50 Hình 2. 21. Sơ đồ mạch kết nối giữa cảm biến MPU và ESP8266 ...........................51 Hình 2. 22. Mạch kết nối chi tiết, truyền thời gian thực ...........................................51 Hình 2. 23. Mạch kết nối chi tiết với thẻ nhớ lưu trữ ...............................................51 Hình 2. 24. Sơ đồ kết nối tổng thể ............................................................................52 Hình 2. 25. Bố trí thiết bị GNSS và cảm biến gia tốc trên nhịp cầu .........................53 Hình 2. 26. Bố trí thiết bị GNSS và cảm biến gia tốc trên đỉnh trụ tháp ..................53 Hình 2. 27. Lắp đặt cảm biến và GNSS trên công trình cầu .....................................54 Hình 2. 28. Thực tế lắp đặt một anten GNSS và cảm biến gia tốc trên mặt cầu ......55 Hình 2. 29. Tệp dữ liệu định dạng GPGGA của GNSS ............................................56 Hình 2. 30. Tệp dữ liệu từ cảm biến gia tốc khi lấy đủ các giá trị ............................57 Hình 2. 31. Sever giả lập và giao diện trình duyệt ....................................................58 Hình 2. 32. Dữ liệu phương X của cảm biến (m/s2) .................................................58 Hình 2. 33. Dữ liệu phương Y của cảm biến (m/s2) .................................................58 Hình 2. 34. Dữ liệu phương Z của cảm biến (m/s2) .................................................59 Hình 2. 35. Dữ liệu thời gian thực của GNSS...........................................................60
ix Hình 2. 36. Biểu đồ dịch chuyển tọa độ X theo thời gian .........................................60 Hình 2. 37. Biểu đồ dịch chuyển tọa độ Y theo thời gian .........................................61 Hình 2. 38. Biểu đồ dịch chuyển tọa độ Z theo thời gian .........................................61 Hình 2. 39. Biểu đồ các giá trị gia tốc phương X theo thời gian ..............................62 Hình 2. 40. Biểu đồ các giá trị gia tốc phương Y theo thời gian ..............................62 Hình 2. 41. Biểu đồ các giá trị gia tốc phương Z theo thời gian ...............................63 Hình 2. 42. Lưu trữ dữ liệu quan trắc trên máy chủ..................................................63 Hình 2. 43. Tính chuyển hai hệ tọa độ phẳng ...........................................................67 Hình 3. 1. Anten GNSS lắp đặt trên Eto cơ khí ........................................................69 Hình 3. 2. So sánh dịch chuyển mặt bằng từ eto cơ khí và GNSS ............................70 Hình 3. 3. So sánh dịch chuyển phương đứng từ eto cơ khí và GNSS .....................70 Hình 3. 4. Anten quan trắc trên cầu Dachongyong ...................................................73 Hình 3. 5. Lọc các giá trị ngoại lai ............................................................................74 Hình 3. 6. Cài đặt các tham số đầu vào .....................................................................75 Hình 3. 7. Các giá trị ngoại lai (X, Y, h) phương pháp MA .....................................76 Hình 3. 8. Các giá trị ngoại lai (X, Y, h) phương pháp MM ....................................76 Hình 3. 9. So sánh các giá trị dịch chuyển ban đầu và sau lọc (phương X) .............76 Hình 3. 10. So sánh các giá trị dịch chuyển ban đầu và sau lọc (phương Y) ...........77 Hình 3. 11. So sánh các giá trị dịch chuyển ban đầu và sau lọc (phương h) ............77 Hình 3. 12. Quy trình phân tích các thành phần dịch chuyển ...................................78 Hình 3. 13. Hàm chuyển đổi .....................................................................................81 Hình 3. 14. Cảm biến MPU6050, cảm biến NI và kết cấu bản thép thực nghiệm ....82 Hình 3. 15. Mô hình số bản thép trên phần mềm SAP2000 .....................................83 Hình 3. 16. Phân tích FFT, cảm biến NI1 lần thứ nhất..............................................83 Hình 3. 17. Phân tích FFT, cảm biến NI2 lần thứ nhất..............................................84 Hình 3. 18. Phân tích FFT, cảm biến NI3 lần thứ nhất..............................................84 Hình 3. 19. Phân tích FFT, cảm biến NI4 lần thứ nhất..............................................84 Hình 3. 20. Phân tích FFT, cảm biến MPU6050 lần thứ nhất ..................................85 Hình 3. 21. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman ...............................................90
x Hình 3. 22. Sơ đồ tính toán của bài toán Kalman .....................................................92 Hình 3. 23. Mô tả trạng thái biến dạng của dầm cầu ................................................95 Hình 3. 24. Cảm biến dịch chuyển tuyến tính KTR ..................................................96 Hình 3. 25. Lắp đặt cảm biến dịch chuyển tuyến tính trên dầm cầu .........................97 Hình 4. 1. Cầu Nhật Tân [42]....................................................................................99 Hình 4. 2. Anten GNSS và cảm biến gia tốc trên mặt cầu Nhật Tân ........................99 Hình 4. 3. Hiển thị thời gian thực dữ liệu GNSS phương X ...................................100 Hình 4. 4. Hiển thị thời gian thực dữ liệu gia tốc phương X ..................................101 Hình 4. 5. Hiển thị thời gian thực dữ liệu GNSS phương Y ...................................101 Hình 4. 6. Hiển thị thời gian thực dữ liệu gia tốc phương Y ..................................102 Hình 4. 7. Hiển thị thời gian thực dữ liệu GNSS phương h ....................................102 Hình 4. 8. Hiển thị thời gian thực dữ liệu gia tốc phương h ...................................102 Hình 4. 9. Các trường dữ liệu trong tệp tin GNSS ..................................................103 Hình 4. 10. Các trường dữ liệu trong tệp tin cảm biến gia tốc................................103 Hình 4. 11. Phân bố dãy trị đo tọa độ X, phương ngang dọc cầu ...........................111 Hình 4. 12. Phân bố dãy trị đo tọa độ Y, phương ngang ngang cầu .......................111 Hình 4. 13. Phân bố dãy trị đo cao độ h ..................................................................112 Hình 4. 14. Các giá trị gia tốc theo phương X ........................................................113 Hình 4. 15. Các giá trị gia tốc theo phương Y ........................................................113 Hình 4. 16. Các giá trị gia tốc theo phương h .........................................................114 Hình 4. 17. Dữ liệu X ban đầu và ước tính theo kalman ........................................115 Hình 4. 18. Dữ liệu Y ban đầu và ước tính theo kalman ........................................115 Hình 4. 19. Dữ liệu h ban đầu và ước tính theo kalman .........................................116 Hình 4. 23. Cảm biến dịch chuyển tuyến tính KTR ................................................117 Hình 4. 24. Bảng mạch Arduino .............................................................................118 Hình 4. 25. Biểu đồ quan hệ giữa số đọc điện thế và dịch chuyển .........................121
xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Một số công trình cầu áp dụng quan trắc thời gian thực [12]..................18 Bảng 1. 2. Một số công trình sử dụng GNSS và cảm biến trong quan trắc [12] ......30 Bảng 1. 3. Đánh giá 05 mô mình với điểm GNSS1 ..................................................32 Bảng 1. 4. Đánh giá 05 mô mình với điểm GNSS2 ..................................................32 Bảng 2. 1. Thông số kỹ thuật của Comnav [25] .......................................................47 Bảng 2. 2. Ý nghĩa của các trường dữ liệu ................................................................56 Bảng 3. 1. Số lượng trị đo trước và sau mỗi lần dịch chuyển ...................................70 Bảng 3. 2. Tọa độ, độ cao trung bình của GNSS ......................................................71 Bảng 3. 3. Bảng các giá trị dịch chuyển từ hai thiết bị .............................................71 Bảng 3. 4. Bảng tính các giá trị độ lệch dịch chuyển từ hai thiết bị .........................72 Bảng 3. 5. Biên độ dao động trước và sau lọc ..........................................................78 Bảng 3. 6. Vận tốc dịch chuyển theo các phương .....................................................79 Bảng 3. 7. Biên độ dao động theo các phương .........................................................79 Bảng 3. 8. Các giá trị tần số của 04 cảm biến NI sau 05 lần đo ...............................85 Bảng 3. 9. Các giá trị tần số của cảm biến NI với FFT .............................................86 Bảng 3. 10. Các giá trị tần số của cảm biến MPU6050 với tính chuyển FFT ..........87 Bảng 3. 11. So sánh tỉ lệ độ lệch giữa cảm biến NI và MPU6050............................87 Bảng 3. 12. Một đoạn dữ liệu tính toán thử nghiệm .................................................93 Bảng 3. 13. Kết quả so sánh các giá trị tính toán ......................................................95 Bảng 4. 1. Các giá trị tọa độ GNSS ban đầu ...........................................................104 Bảng 4. 2. Các giá trị tọa độ xoay về hướng trục cầu .............................................106 Bảng 4. 3. Các giá trị dịch chuyển theo các hướng trục cầu ...................................108 Bảng 4. 4. Thống kê mô tả của dãy dữ liệu GNSS .................................................112 Bảng 4. 5. So sánh giá trị ước tính sau khi sử dụng kalman ...................................116 Bảng 4. 6. Đánh giá kết quả ước tính ......................................................................117 Bảng 4. 7. Các giá trị điện thế và dịch chuyển tương ứng ......................................119 Bảng 4. 8. Các kết quả dự báo và độ lệch ...............................................................122
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giao thông đường bộ tại Việt Nam đóng vai trò cực kỳ quan trọng với tỉ lệ vận chuyển hàng năm cho hành khách và hàng hóa lần lượt là 70% và 90%. Với nhu cầu phát triển, kết nối các vùng miền kinh tế các công trình đường bộ, đặc biệt là đường bộ cao tốc với quy mô lớn, tiêu chuẩn kỹ thuật cao được đầu tư ngày càng nhiều. Theo chủ trương phát triển, tổng chiều dài đường bộ cao tốc sẽ vào khoảng 5400 Km vào năm 2030 và khoảng 8500 Km vào năm 2050 [3]. Song song với công tác đầu tư xây dựng mới các công trình hạ tầng giao thông đường bộ, công tác quan trắc, kiểm định, đánh giá chất lượng công trình, đặc biệt là các hạ tầng như công trình cầu trên tuyến đòi hỏi phải được thực hiện đầy đủ, kịp thời. Liên quan tới các quy định về pháp luật, 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 [1,2]. 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
2 trọng bản thân, tải trọng động, các điều kiện ngoại cảnh. Các cảm biến được sử dụng phổ biến với các dự án cầu lớn có thể bao gồm: cảm biến gnss, cảm biến gia tốc, cảm biến ứng suất, cảm biến lực, cảm biến dịch chuyển. Đây là các cảm biến chính nhằm đánh giá tình trạng hoạt động của kết cấu theo thời gian trong suốt quá trình hoạt động. Ngoài ra, các cảm biến đo gió, nhiệt độ, hay các camera hình ảnh cũng có thể được sử dụng để kết hợp với các thiết bị khác trong quá trình đánh giá và chẩn đoán trạng thái của kết cấu. 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 như sau: Các cảm biến được kết nối về một hay nhiều bộ data logger được lắp đặt trên cầu, sau đó dữ liệu được truyền về máy chủ ở khu vực công trình dự án hoặc máy chủ ở một địa chỉ khác để lưu trữ và hiển thị dữ liệu quan trắc. Ở bước thứ nhất, hầu hết các cảm biến được kết nối về data logger bằng hệ thống dây dẫn cáp đồ sộ. Hệ thống này có thể lên tới hàng Km với cầu có chiều dài lớn và số đầu đo được lắp đặt tại nhiều vị trí. Về mặt khai thác dữ liệu, dữ liệu của hợp phần GNSS và cảm biến gia tốc được khai thác độc lập với nhau. Trong khi dữ liệu GNSS phục vụ chủ yếu cho nhiệm vụ xác định dịch chuyển, dữ liệu gia tốc phục vụ cho mục tiêu xác định các đặc trưng dao động động học của kết cấu, sự suy giảm của kết cấu theo thời gian thông qua xác định các thay đổi trong đặc trưng dao động và so sánh với các mô hình mô phỏng. Về mặt lắp đặt và hoạt động, cảm biến gia tốc có thể được lắp đặt sao cho các trục trùng với các phương cục bộ của công trình cầu bao gồm phương ngang dọc cầu, phương ngang ngang cầu và phương đứng. Ngược lại thiết bị GNSS lại hoạt động trong một hệ tọa độ khác so với hệ tọa độ của công trình cầu và hệ thống thời gian của hai thiết bị này cũng khác nhau. Do đó, để kết hợp phân tích, việc đồng bộ hai loại dữ liệu này về mặt thời gian, không gian có vai trò quan trọng.
3 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, phần lớn các hệ thống quan trắc được lắp đặt cho các công trình cầu lớn, có các hệ thống cảm biến hiện đại đã và đang được triển khai bởi các đơn vị nước ngoài dẫn đến việc thiếu chủ động trong công tác quản lý chất lượng và đánh giá, dự báo tính an toàn của công trình. Mặt khác, sự tiến bộ của các thiết bị đo, các công nghệ cảm biến có tốc độ, độ nhậy cao, các mạch điện tử có chi phí thấp, các công nghệ kết nối và truyền không dây đã mở ra cơ hội mới cho lĩnh vực quan trắc tự động ở tất cả các cấp độ trong xu hướng chuyển đổi số diễn ra mạnh mẽ ở tất các lĩnh vực. 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 được thiết bị GNSS và cảm biến gia tốc ứng dụng IoT quan trắc dịch chuyển cầu thời gian thực. 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. Áp dụng được mô hình lọc Kalman trong xử lý kết hợp dữ liệu đo GNSS và cảm biến gia tốc nhằm nâng cao độ tin cậy dữ liệu quan trắc. 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.
4 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: Tổng hợp, phân tích các ý kiến của các chuyên gia lĩnh vực xây dựng, vận hành và bảo trì công trình giao thông đặc biệt là các công trình cầu lớn đã áp dụng phương pháp quan trắc sức khỏe kết cấu. Phương pháp nghiên cứu thực địa: Tìm hiểu tình hình thực tế trong quan trắc, kiểm định công trình giao thông đường bộ nói chung, công trình cầu nói riêng về phương pháp thực hiện, thiết bị thi công. Từ đó, NCS nắm bắt các vấn
5 đề tồn tại, nhu cầu thực tiễn và giải bài toán nhu cầu sản xuất. Phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu: Tìm hiểu, thu thập các tài liệu nghiên cứu mới nhất trong nước và quốc tế để hình thành cơ sở tổng quan cho nội dung của luận án Phương pháp phân tích và so sánh: Phân tích các cơ sở lý thuyết, đối chiếu, so sánh các kết quả thực nghiệm hoặc kết quả có liên quan để đưa ra đánh giá Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm khách quan để chứng minh tính đúng đắn và đi đến kết luận Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin: Ứng dụng công nghệ thông tin trong các giải pháp cài đặt, điều khiển, thu thập và hiển thị dữ liệu với cả giải pháp quan trắc dành cho dài hạn và giải pháp ngắn hạn, tức thời cho công tác kiểm định định kỳ để đánh giá trạng thái an toàn kết cấu. 6. Luận điểm bảo vệ Luận điểm thứ nhất: Kết hợp GNSS và cảm biến gia tốc ứng dụng IoT đảm bảo yêu cầu kỹ thuật quan trắc dịch chuyển thời gian thực công trình cầu trong khai thác và bảo trì. 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 giải pháp IoT mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong quan trắc dịch chuyển 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.
6 Áp dụng mô hình lọc 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
7 Chương 3: Xử lý dữ liệu GNSS, cảm biến gia tốc và phân tích kết hợp Chương 4: Thực nghiệm 10. Lời cảm ơn Trước hết, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Việt Hà và PGS. TS Trần Đình Trọng đã tận tình hướng dẫn, đồng hành và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu. Những chỉ bảo, những tư vấn, những địa chỉ liên hệ thực nghiệm từ tiểu ban hướng dẫn đã hỗ trợ nghiên cứu sinh rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tiếp theo, nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng đào tạo sau đại học và các thầy, cô trong bộ môn Trắc địa công trình, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã luôn tạo điều kiện, hỗ trợ tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập và nghiên cứu. Các ý kiến đóng góp về nội dung, phương pháp trong suốt các đợt sinh hoạt chuyên môn, các đợt bảo vệ chuyên đề và buổi hội thảo là vô cùng quí giá để nghiên cứu sinh hoàn thành bản thảo luận án. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ môn Quy hoạch và Giao thông đô thị, Khoa công trình và Ban Giám Hiệu trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải đã có những hỗ trợ tốt nhất về thời gian, về lịch biểu giảng dạy và chế độ hỗ trợ tốt nhất cho nghiên cứu sinh. Đây là sự hỗ trợ vô cùng có ý nghĩa và thiết thực với nghiên cứu sinh. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin trân trọng và tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, người thân đã luôn đồng hành, hỗ trợ cùng nghiên cứu sinh trong mọi giai đoạn thực hiện luận án.