intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát độ tĩnh không trong bài toán giao thông đường thủy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

21
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát độ tĩnh không trong bài toán giao thông đường thủy

  1. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN 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 năm, sản lượng hàng hóa của ngành giao Với tổng chiều dài 220.000 km và mật độ thông vận tải đường thủy nội địa luôn chiếm sông ngòi dày đặc 0.6 km/km2, Việt Nam trở 40 - 45% tổng sản lượng vận tải nội địa. So thành một trong những quốc gia có hệ thống sánh với các loại hình giao thông vận tải sông ngòi dày đặc nhất trên thế giới. Hàng khác, đường thủy có khá nhiều ưu thế như 118
  2. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học vận chuyển hàng hóa siêu trường, siêu trọng, Như vậy, tùy theo đặc điểm của dòng sông, khối lượng lớn,… với giá rẻ và thuận lợi. Vì cách mỗi cầu khoảng 100 - 150m sẽ có các vậy, có thể thấy rằng sông ngòi đóng vai trò biển thông báo độ tĩnh không, cho phép loại quan trọng trong vận chuyển hàng hóa ở Việt tàu thuyền tương ứng qua lại. Tuy nhiên các Nam. loại biển báo này không hiển thị các thông số Tuy nhiên, chỉ với những con tàu có tải trọng thay đổi độ tĩnh không khi mực nước lên vừa và nhỏ được phép lưu thông trên những xuống, do đó các thuyền trưởng, chủ tàu con sông vì có rất nhiều cây cầu bắt qua sông không dự báo chính xác độ tĩnh không cần được xây dựng từ rất lâu với độ tĩnh không thiết, không chọn được tuyến đi phù hợp dẫn thấp, khoang thông thuyền hẹp, không đảm đến hiện tượng kẹt cầu hoặc va chạm cầu. bảo tiêu chuẩn kỹ thuật đã làm hạn chế phát Ngoài ra, ban đêm các biển báo hầu như triển vận tải thủy và luôn đe dọa an toàn vận không tác dụng vì thiếu ánh sáng trực tiếp, hành phương tiện qua cầu. Bên cạnh đó, người điều khiển tàu không thể quan sát nước ta còn tồn tại nhiều dòng sông bị bồi được các thông số từ xa. Tóm lại, các biển lắng, chưa thể nạo vét phù hợp với cấp kỹ báo hiện có chưa thật sự là công cụ hổ trợ ra thuật của tuyến đường thủy. Ngoài ra, triều quyết định trong bài toán giao thông đường cường thường xuyên lên xuống ở một số thủy. sông cũng gây khó khăn cho các tàu thuyền trong việc dự báo hành trình di chuyển trong GIẢI PHÁP nội địa. Ngoài ra khi triều cường dâng cao sẽ Hiện nay, nhờ sự phát triển không ngừng làm độ tĩnh không cầu hạ thấp xuống khiến của lĩnh vực điện tử - tự động hóa, cơ khí, sà lan, tàu thuyền rất dễ va chạm vào cầu mỗi các hệ thống điều khiển, nhận dạng, dự báo, khi qua lại. Hàng năm mực nước sông ngày đặc biệt là công nghệ IoT được phát triển cả một dâng cao do thay đổi khí hậu, đặc biệt về chiều rộng lẫn chiều sâu. khi có triều lên, nhưng độ tĩnh không của các Để lựa chọn các phương pháp thích hợp để cây cầu cũ không thay đổi, do đó va chạm đo độ tĩnh không của cầu, phương pháp đo giữa tàu và cầu hoặc bị mắc kẹt giữa cầu là tiếp xúc và đo không tiếp xúc được xem xét điều không thể tránh khỏi nếu người điều và phân tích. Vì phương pháp đo không tiếp khiển tàu chủ quan hoặc không được thông xúc có nhiều ưu điểm về công nghệ, chẳng tin đầy đủ. hạn như đơn giản, nhỏ gọn, không phụ thuộc Hiện tại, chúng tôi chưa tìm thấy bất kỳ dự vào địa hình và không bị hao mòn cơ khí và án nào về va chạm giữa phương tiện đường ăn mòn hóa học. Đó là lý do chúng tôi chọn thủy với các công trình bắt qua sông hay tắc phương pháp đo không tiếp xúc trong dự án nghẽn giao thông đường thủy ở các nước trên này (Hình 1). Sau khi xem xét một số loại thế giới. Trong cuộc khảo sát gần đây của cảm biến, chẳng hạn như siêu âm, radar, chúng tôi, trong những năm gần đây đã xảy lazer, dựa trên các tiêu chí kinh tế và khả ra nhiều vụ va chạm giữa tàu và cầu bắt qua năng áp dụng cho các vấn đề đo độ tĩnh sông. Đặc biệt nghiêm trọng nhất là ở Đồng không, cảm biến siêu âm (SRF-04) được lựa Nai, vào ngày 20/03/2016, một chiếc xà lan chọn là phù hợp. đã va vào cầu Ghềnh. Hậu quả đã làm cho 2 Cảm biến siêu âm được chọn là SRF 04, kèm nhịp cầu Ghềnh đã bị gãy, chìm xuống sông. mạch đo. Để đọc được giá trị của cảm biến, Tuyến đường sắt nối liền Bắc - Nam bị tê liệt bộ thu thập và xử lý phải gửi một tín hiệu hoàn toàn. Ở ga Sài Gòn và ga Biên Hòa bị xung ngắn đến chân TRIG của cảm biến cô lập. Hàng hóa trên toa tàu (hơn một trăm (khoảng 10us). Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra toa) từ Bắc vào Nam bị tắc nghẽn. Nhiều tàu một tín hiệu xung cao trên chân ECHO cho và xà lan khác bị ùn tắc, không thể đi qua và đến khi nhận lại được sóng phản xạ cũng tại toàn bộ hệ thống điện trên cầu Ghềnh bị đứt chân này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với hoàn toàn. Tổng thiệt hại hơn 800 tỉ đồng và thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến mất khoảng 3 - 5 tháng để xây dựng lại cầu. và quay trở lại. 119
  3. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình 1. Sơ đồ phân tích hệ thống Để có cơ sở lựa chọn phần cứng chúng tôi Instruments (NI). MyRIO được chọn để so tiến hành so sánh chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật sánh vì đây loại vi xử lý phù hợp cho nghiên giữa các loại vi xử lý chuyên dùng và thông cứu và được công ty NI hỗ trợ kinh phí học dụng khác nhau. Loại vi xử lý chuyên dùng thuật. trong đề tài là MyRIO của công ty National 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 - 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 NI ≈ 7 triệu đồng công nghiệp rất tốt. MyRIO - 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. - Lập trình phức tạp, cần truy cập các thanh ghi để sử dụng, Vi xử lý không có cơ chế xử lý song song. (PIC, - Cần thiết kế mạch tích hợp các chức năng cần thiết cho ARM, ≈ 3 triệu đồng dự án. Tốc độ xử lý tín hiệu analog thấp, độ phân giải Arduino) không cao. và chế tạo - Tốc độ xử lý thông thường khoảng 16 MHz. mạch đo - Độ tin cậy truyền nhận dữ liệu thời gian thực trong môi tin cậy trường công nghiệp thấp. 120
  4. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Kết quả trên Bảng 1 cho thấy rằng mặc dù đó. giá thành gần gấp đôi các vi xử lý khác Như được trình bày ở phần trên, NI MyRIO nhưng MyRIO là lựa chọn kỹ thuật cần thiết được lập trình để truyền dữ liệu lên cho hệ thống đo độ tĩnh không cần xử lý dữ Cloudserver, sau đó một ứng dụng từ liệu thời gian thực, bền vững với nhiễu, độ webserver được thiết kế và xây dựng để lấy tin cậy theo thời gian. Ngoài ra, trong tương dữ liệu đó từ Cloudserver, xử lý chúng thành lai nếu mở rộng hệ thống thì giá thành của “dữ liệu độ tĩnh không” được lưu trữ vào cơ MyRIO trở thành thấp nhất. sở dữ liệu (CSDL). CSDL có thể được truy NI MyRIO sẽ tính toán thời gian từ lúc phát cập bởi một thiết bị khác như máy tính, điện xung đến lúc nhận được xung. Từ thời gian thoại,… này có thể tính ra được độ tĩnh không cần đo. Hệ thống cho phép người truy cập có thể Giá trị độ tĩnh không được gửi lên kiểm tra trạng thái kết nối của NI MyRIO, có Cloudserver với thời gian delay là 0,5 giây. thể xem lịch sử độ tĩnh không dạng bảng Lưu ý phải chắc chắn rằng phần “Real-Time hoặc dạng đồ thị tại các cây cầu vào bất kỳ Application” trên NI MyRIO phải được chạy thời gian nào từ quá khứ cho đến hiện tại, để chương trình được chạy độc lập không truy xuất dữ liệu ra file Excel, dò hướng di còn phụ thuộc vào máy tính. Thuật toán xử lý chuyển dựa trên bản đồ số. Bên cạnh đó, hệ dữ liệu từ cảm biến để cài đặt mã cho phần thống dành riêng cho quản trị viên cũng được mềm nhúng trên vi điều khiển thực hiện thu xây dựng để có thể thêm cây cầu mới vào hệ thập dữ liệu theo thời gian thực được viết thống khi có thêm NI MyRIO được lắp đặt bằng ngôn ngữ lập trình LabVEIW, thực hiện tại cây cầu mới cũng như tính năng xóa dữ 2 tác vụ cùng một lúc: Đọc cảm biến và tính liệu không hữu ích đã tồn tại. toán, lọc nhiễu tín hiệu và đọc, ghi dữ liệu. Hình 2 biểu diễn cách lắp đặt thiết bị và các Để gửi giá trị độ tĩnh không lên Cloudserver, giá trị đo cần quan tâm, dựa vào đó độ tĩnh kết nối Wireless trên NI MyRIO phải được không thực tế được tính theo công thức sau: thực hiện và phương thức truyền nhận dữ liệu 𝐻 = 𝐻1 + 𝐻2 (1.1) HTTP GET trong phần mềm LABVIEW trong đó: 𝐻 là giá trị độ tĩnh không. phải được sử dụng. Thuật toán truyền dữ liệu 𝐻1 là giá trị đo được bằng cảm biến (mm). nhằm chuyển toàn bộ công việc tính toán và 𝐻2 là khoảng cách từ điểm thấp nhất của hiển thị về server. cây cầu đến cảm biến (mm). Tận dụng khả năng tính toán của sever, nhất Chú ý: Do giới hạn khoảng cách đo của cảm là với những loại cảm biến có đường đặc biến siêu âm, nên 𝐻1 được chọn sao cho 𝐻1 tuyến phi tuyến. Mở rộng kênh thu nhận dữ ≤ � 𝑚𝑎𝑥 với � 𝑚𝑎𝑥 là tầm đo lớn nhất liệu: hầu hết các loại cảm biến đều có thể của cảm biến. truyền tín hiệu, không phân biệt các hãng 𝐻2 được chọn sao cho giá trị hiển thị trên khác nhau trong cùng một loại. Hệ quản trị bảng điện tử là độ tĩnh không thấp nhất cơ sở dữ liệu được chọn là MySQL, trong đó nhằm đảm bảo hệ số an toàn khi tàu thuyền dữ liệu được tổ chức theo dạng bảng với qua cầu trong mọi trường hợp đặc biệt nếu hàng và cột thể hiện lần lượt là các đối tượng mực nước sông tăng nhanh. dữ liệu và tính chất của các đối tượng dữ liệu Hình 2. Sơ đồ lắp đặt thiết bị tại cầu 121
  5. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng điện tử LCD được sử dụng để hiển thị chuyển giúp cho mình thuận tiện nhất. độ tĩnh không của cầu. Ứng dụng công nghệ Những tiện ích như báo cáo cũng được thực IOTs, bảng điện tử này có thể đặt cách xa cầu hiện để thuận lợi cho việc báo cáo, lưu trữ. giúp thông tin kịp thời cho các tàu thuyền. Hệ thống sẽ xuất dữ liệu ra file Excel. Nhờ ứng dụng công nghệ IOTs, một hệ thống Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh không của web được thiết kế, một bảng điện tử LCD cầu nhằm tìm ra bài toán hỗ trợ giao thông được xây dựng để giám sát hiển thị độ tĩnh đường thủy đã hoàn thành và được kiểm không của các cây cầu. Song, sẽ là thiếu sót chứng. Dự án đã đề xuất một phương pháp nếu như việc giám sát này không được thực đo độ tĩnh không của cây cầu bằng cảm biến hiện trên ứng dụng điện thoại di động. siêu âm sử dụng phần cứng NI MyRIO và phần mềm LABVIEW kết hợp tính năng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN IOTs. Ở hình 3, cho ta thấy sản phẩm mà tác Để kiểm chứng độ hiệu quả của dự án, một giả thực hiện được gồm: giám sát độ tĩnh cuộc thực nghiệm đã được tiến hành. Nhóm không thông qua Webserver, ứng dụng điện thực hiện đã chọn một cây cầu tại TP. HCM thoại Android và bảng điện tử LCD. 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 Hình 3. Hệ thống giám sát độ tĩnh không không đáng kể (giá trị đo thực tế là 1.670 mm và giá trị đo bằng cảm biến là 1.674 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ mm). Có thể thấy rằng, có đôi lúc cảm biến Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều đọc xảy ra nhiễu, dẫn đến giá trị sai lệch khiển giám sát độ tĩnh không trong bài toán nhưng nó sẽ được khắc phục vào chu kỳ đo giao thông đường thủy, là cơ sở tìm ra công tiếp theo. cụ quản lý giao thông đường thủy của sông Để thấy rõ được tính năng IOTs, NI MyRIO ngòi, tăng tính an toàn trong hàng hải, nâng kết nối wifi phát ra từ mạng A, Raspberry kết cao hiệu quả kinh tế trong vận tải biển,… nối wifi phát ra từ mạng B, ứng dụng web Tóm lại, nhóm đã hoàn thành những kết theo dõi trên laptop với mạng từ địa điểm quả quan trọng sau: Nghiên cứu thành công khác. Địa chỉ webserver là phương pháp đo các thông số độ tĩnh không http://ni.maxw3ll.com.vn. của cầu của sông ngòi bằng cảm biến siêu Bảng điện tử LCD được lắp đặt tại mỗi cây âm. Ứng dụng công nghệ IOTs để giám sát, cầu. Bộ điều khiển Raspberry sẽ kết nối hiển thị động các thông số thông qua Wireless, lấy dữ liệu mà NI MyRIO truyền Webserver, ứng dụng trên điện thoại lên tại cây cầu mà LCD được lắp đặt, hiển thị Android và hiển thị trên LCD. Phương pháp độ tĩnh không của cầu. Ngoài ra, giám sát độ đo tối ưu bằng cảm biến siêu âm được xây tĩnh không thông qua ứng dụng trên điện dựng cho thấy sự đơn giản hóa trong quá thoại chạy hệ điều hành Android đã được trình căn chỉnh mà không mất đi sự chính hoàn thành. Ứng dụng hiển thị tất cả độ tĩnh xác trong quá trình đo. Kết quả hệ thống đo không của tất cả các cây cầu được lắp đặt hệ hoạt động ổn định, hiển thị sai lệch nằm thống trên bản đồ số, tiện ích này giúp tàu trong tầm cho phép. thuyền có thể dễ dàng xác định hướng di Ngoài những kết quả đạt được, nhóm nhận 122
  6. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học thấy đề tài có thể phát triển và nghiên cứu kém phần quan trọng từ kết quả của đề tài, thêm như tích hợp GPS trên ứng dụng đó là làm chủ được công nghệ đo độ tĩnh Android để xác định vị trí tàu, thuyền đang không, không phụ thuộc vào công nghệ chế di chuyển… Một điều ý nghĩa khác không 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. 123
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2