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.
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 KHƠNG TRONG BÀI TỐN GIAO THƠNG 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 TĨM TẮT Độ tĩnh khơng thấp cơng trình vượt sơng (cầu) Việt Nam ảnh hưởng nghiêm trọng đến tình trạng an tồn tắc nghẽn giao thơng đường thủy Hiện nay, số liệu khảo sát độ tĩnh không cho thấy việc sử dụng biển báo tĩnh chia vạch lắp đặt sát chân cầu khơng cịn phù hợp cho công tác cảnh báo, dẫn đến nhiều tai nạn va chạm với tàu thuyền Dự án đề xuất phương pháp nhận dạng, dự báo hiển thị thông số độ tĩnh không nhằm hỗ trợ đưa định từ xa, đáp ứng tốn giao thơng đường thủy Thứ nhất, phần cứng bao gồm thiết bị đo không tiếp xúc thu phát liệu không dây thiết kế chế tạo Thứ hai, phần mềm giám sát, điều khiển thu thập liệu thời gian thực lập trình cho thơng số độ tĩnh khơng khơng hiển thị trực tuyến bảng điện tử khoảng cách xa cầu, mà trang web điện thoại thông minh qua điện toán đám mây Sử dụng phần mềm này, tàu thuyền dễ dàng di chuyển theo lộ trình thích hợp tránh “đội” cầu tắc nghẽn giao thông đường thủy Cuối cùng, mô thực nghiệm tiến hành để chứng minh tính hiệu phương pháp đề xuất Từ khóa: Độ tĩnh khơng, đo khơng tiếp xúc, NI-MyRIO, LabVIEW, Internet of things RESEARCH AND MANUFACTURING OF CONTROL SYSTEMS, MONITORING OF THE CLEARANCE IN THE WATERWAY TRANSPORTATION Trinh Van Thinh*, Do Trong Tin, Nguyen Hong Y, Nguyen Van Kiet, Nguyen Tan Luy Industrial University of Ho Chi Minh City *Corresponding Author: trinhvanthinh.iuh@gmail.com ABSTRACT Low levels of the clearance of structures over rivers (bridges) in Vietnam are seriously affecting the safety and waterway traffic congestion Currently, survey data of the clearance shows that using scaled static warning boards located adjacent to the bridge are no longer appropriate for the warring led to many bridges collapsed due to collision with ships This project proposes a method of identification, prediction, and display of the clearance to support the problem of decision-making remotely for waterway transportation First, the hardware includes non-contact measurement device and the wireless data transceiver is designed and manufactured Second, supervisory, control and data acquisition (SCADA) software is programmed such that parameters of clearance display online not only on the electronic boards at a far distance from the bridge but also on websites or smart-phones through the cloud server Using this software, it is easy to find the appropriate routes of the vessels navigation to avoid “pushing up” the bridges and waterway traffic congestion Finally, simulations and experiments are conducted to verify the effectiveness of the proposed method Keywords: Navigational clearance of bridges, non-contact measurement, NI-MyRIO, LabVIEW, Internet of things GIỚI THIỆU Với tổng chiều dài 220.000 km mật độ sơng ngịi dày đặc 0.6 km/km2, Việt Nam trở thành quốc gia có hệ thống sơng ngịi dày đặc giới Hàng năm, sản lượng hàng hóa ngành giao thơng vận tải đường thủy nội địa chiếm 40 - 45% tổng sản lượng vận tải nội địa So sánh với loại hình giao thơng vận tải khác, đường thủy có nhiều ưu 118 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 vận chuyển hàng hóa siêu trường, siêu trọng, khối lượng lớn,… với giá rẻ thuận lợi Vì vậy, thấy sơng ngịi đóng vai trị quan trọng vận chuyển hàng hóa Việt Nam Tuy nhiên, với tàu có tải trọng vừa nhỏ phép lưu thơng sơng có nhiều cầu bắt qua sơng xây dựng từ lâu với độ tĩnh không thấp, khoang thông thuyền hẹp, không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật làm hạn chế phát triển vận tải thủy ln đe dọa an tồn vận hành phương tiện qua cầu Bên cạnh đó, nước ta cịn tồn nhiều dịng sơng bị bồi lắng, chưa thể nạo vét phù hợp với cấp kỹ thuật tuyến đường thủy Ngoài ra, triều cường thường xuyên lên xuống số sơng gây khó khăn cho tàu thuyền việc dự báo hành trình di chuyển nội địa Ngoài triều cường dâng cao làm độ tĩnh không cầu hạ thấp xuống khiến sà lan, tàu thuyền dễ va chạm vào cầu qua lại Hàng năm mực nước sông ngày dâng cao thay đổi khí hậu, đặc biệt có triều lên, độ tĩnh không cầu cũ khơng thay đổi, va chạm tàu cầu bị mắc kẹt cầu điều tránh khỏi người điều khiển tàu chủ quan không thông tin đầy đủ Hiện tại, chúng tơi chưa tìm thấy dự án va chạm phương tiện đường thủy với công trình bắt qua sơng hay tắc nghẽn giao thơng đường thủy nước giới Trong khảo sát gần chúng tôi, năm gần xảy nhiều vụ va chạm tàu cầu bắt qua sông Đặc biệt nghiêm trọng Đồng Nai, vào ngày 20/03/2016, xà lan va vào cầu Ghềnh Hậu làm cho nhịp cầu Ghềnh bị gãy, chìm xuống sông Tuyến đường sắt nối liền Bắc - Nam bị tê liệt hồn tồn Ở ga Sài Gịn ga Biên Hịa bị lập Hàng hóa toa tàu (hơn trăm toa) từ Bắc vào Nam bị tắc nghẽn Nhiều tàu xà lan khác bị ùn tắc, khơng thể qua tồn hệ thống điện cầu Ghềnh bị đứt hoàn toàn Tổng thiệt hại 800 tỉ đồng khoảng - tháng để xây dựng lại cầu Kỷ yếu khoa học Như vậy, tùy theo đặc điểm dịng sơng, cách cầu khoảng 100 - 150m có biển thông báo độ tĩnh không, cho phép loại tàu thuyền tương ứng qua lại Tuy nhiên loại biển báo không hiển thị thông số thay đổi độ tĩnh khơng mực nước lên xuống, thuyền trưởng, chủ tàu khơng dự báo xác độ tĩnh không cần thiết, không chọn tuyến phù hợp dẫn đến tượng kẹt cầu va chạm cầu Ngoài ra, ban đêm biển báo khơng tác dụng thiếu ánh sáng trực tiếp, người điều khiển tàu quan sát thông số từ xa Tóm lại, biển báo có chưa thật công cụ hổ trợ định tốn giao thơng đường thủy GIẢI PHÁP Hiện nay, nhờ phát triển không ngừng lĩnh vực điện tử - tự động hóa, khí, hệ thống điều khiển, nhận dạng, dự báo, đặc biệt công nghệ IoT phát triển chiều rộng lẫn chiều sâu Để lựa chọn phương pháp thích hợp để đo độ tĩnh khơng cầu, phương pháp đo tiếp xúc đo không tiếp xúc xem xét phân tích Vì phương pháp đo khơng tiếp xúc có nhiều ưu điểm cơng nghệ, chẳng hạn đơn giản, nhỏ gọn, không phụ thuộc vào địa hình khơng bị hao mịn khí ăn mịn hóa học Đó lý chúng tơi chọn phương pháp đo không tiếp xúc dự án (Hình 1) Sau xem xét số loại cảm biến, chẳng hạn siêu âm, radar, lazer, dựa tiêu chí kinh tế khả áp dụng cho vấn đề đo độ tĩnh không, cảm biến siêu âm (SRF-04) lựa chọn phù hợp Cảm biến siêu âm chọn SRF 04, kèm mạch đo Để đọc giá trị cảm biến, thu thập xử lý phải gửi tín hiệu xung ngắn đến chân TRIG cảm biến (khoảng 10us) Sau đó, cảm biến tạo tín hiệu xung cao chân ECHO nhận lại sóng phản xạ chân Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biến quay trở lại 119 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình Sơ đồ phân tích hệ thống Để có sở lựa chọn phần cứng Instruments (NI) MyRIO chọn để so tiến hành so sánh tiêu kinh tế-kỹ thuật sánh loại vi xử lý phù hợp cho nghiên loại vi xử lý chuyên dùng thông cứu công ty NI hỗ trợ kinh phí học dụng khác Loại vi xử lý chuyên dùng thuật đề tài MyRIO công ty National Bảng Bảng so sánh tiêu chất lượng kinh tế - kỹ thuật loại vi xử lý Hệ thống Giá thành Tính 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 chế đa tuyến (multithread) để xử lý song song Nếu cầu ta dùng hai hay nhiều cảm biến để đo để tăng độ tin cậy, sử dụng MyRIO cần thiết - MyRIO với lõi FPGA cho phép người dùng thu thập, xử lý, lọc liệu tốc độ cao đến 40MHz Việc kháng nhiễu NI ≈ triệu đồng công nghiệp tốt MyRIO - MyRIO có tốc độ xử lý đến 667 MHz, dung lượng nhớ lớn Nếu tương lai mở rộng thu thập giám sát cầu thị giác máy tính sử dụng USB camera Myrio lựa chọn phù hợp - Tốc độ truyền UART MyRIO lên đến 230,400 bps Chất lượng đường truyền tin cậy - I/O MyRIO có nhiều tùy chọn Độ phân giải cổng vào tương tự lưỡng cực (bipolar) cao so với vi điều khiển khác - Lập trình phức tạp, cần truy cập ghi để sử dụng, Vi xử lý khơng có chế xử lý song song (PIC, - Cần thiết kế mạch tích hợp chức cần thiết cho ARM, ≈ triệu đồng dự án Tốc độ xử lý tín hiệu analog thấp, độ phân giải Arduino) không cao chế tạo - Tốc độ xử lý thông thường khoảng 16 MHz mạch đo - Độ tin cậy truyền nhận liệu thời gian thực môi tin cậy trường công nghiệp thấp 120 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kết Bảng cho thấy giá thành gần gấp đôi vi xử lý khác MyRIO lựa chọn kỹ thuật cần thiết cho hệ thống đo độ tĩnh không cần xử lý liệu thời gian thực, bền vững với nhiễu, độ tin cậy theo thời gian Ngoài ra, tương lai mở rộng hệ thống giá thành MyRIO trở thành thấp NI MyRIO tính tốn thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận xung Từ thời gian tính độ tĩnh khơng cần đo Giá trị độ tĩnh không gửi lên Cloudserver với thời gian delay 0,5 giây Lưu ý phải chắn phần “Real-Time Application” NI MyRIO phải chạy để chương trình chạy độc lập khơng cịn phụ thuộc vào máy tính Thuật tốn xử lý liệu từ cảm biến để cài đặt mã cho phần mềm nhúng vi điều khiển thực thu thập liệu theo thời gian thực viết ngơn ngữ lập trình LabVEIW, thực tác vụ lúc: Đọc cảm biến tính tốn, lọc nhiễu tín hiệu đọc, ghi liệu Để gửi giá trị độ tĩnh không lên Cloudserver, kết nối Wireless NI MyRIO phải thực phương thức truyền nhận liệu HTTP GET phần mềm LABVIEW phải sử dụng Thuật toán truyền liệu nhằm chuyển tồn cơng việc tính tốn hiển thị server Tận dụng khả tính tốn sever, với loại cảm biến có đường đặc tuyến phi tuyến Mở rộng kênh thu nhận liệu: hầu hết loại cảm biến truyền tín hiệu, khơng phân biệt hãng khác loại Hệ quản trị sở liệu chọn MySQL, liệu tổ chức theo dạng bảng với hàng cột thể đối tượng liệu tính chất đối tượng liệu Kỷ yếu khoa học Như trình bày phần trên, NI MyRIO lập trình để truyền liệu lên Cloudserver, sau ứng dụng từ webserver thiết kế xây dựng để lấy liệu từ Cloudserver, xử lý chúng thành “dữ liệu độ tĩnh không” lưu trữ vào sở liệu (CSDL) CSDL truy cập thiết bị khác máy tính, điện thoại,… Hệ thống cho phép người truy cập kiểm tra trạng thái kết nối NI MyRIO, xem lịch sử độ tĩnh khơng dạng bảng dạng đồ thị cầu vào thời gian từ khứ tại, truy xuất liệu file Excel, dò hướng di chuyển dựa đồ số Bên cạnh đó, hệ thống dành riêng cho quản trị viên xây dựng để thêm cầu vào hệ thống có thêm NI MyRIO lắp đặt cầu tính xóa liệu khơng hữu ích tồn Hình biểu diễn cách lắp đặt thiết bị giá trị đo cần quan tâm, dựa vào độ tĩnh khơng thực tế tính theo cơng thức sau: 𝐻 = 𝐻1 + 𝐻2 (1.1) đó: 𝐻 giá trị độ tĩnh không 𝐻1 giá trị đo cảm biến (mm) 𝐻2 khoảng cách từ điểm thấp cầu đến cảm biến (mm) Chú ý: Do giới hạn khoảng cách đo cảm biến siêu âm, nên 𝐻1 chọn cho 𝐻1 ≤ � 𝑚𝑎𝑥 với � 𝑚𝑎𝑥 tầm đo lớn cảm biến 𝐻2 chọn cho giá trị hiển thị bảng điện tử độ tĩnh khơng thấp nhằm đảm bảo hệ số an tồn tàu thuyền qua cầu trường hợp đặc biệt mực nước sơng tăng nhanh Hình Sơ đồ lắp đặt thiết bị cầu 121 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Bảng điện tử LCD sử dụng để hiển thị độ tĩnh không cầu Ứng dụng công nghệ IOTs, bảng điện tử đặt cách xa cầu giúp thông tin kịp thời cho tàu thuyền Nhờ ứng dụng công nghệ IOTs, hệ thống web thiết kế, bảng điện tử LCD xây dựng để giám sát hiển thị độ tĩnh không cầu Song, thiếu sót việc giám sát không thực ứng dụng điện thoại di động KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để kiểm chứng độ hiệu dự án, thực nghiệm tiến hành Nhóm thực chọn cầu TP HCM với độ tĩnh không thấp để kiểm tra Sau tiến hành lắp đặt thiết bị cầu, kiểm tra kết nối tiến hành đo lấy thông số Tại cầu Bùi Hữu Nghĩa, khoảng cách 𝐻2 xác định trước thước đo 1.720 mm Khoảng cách 𝐻1 mà cảm biến đo thời điểm đo 1.674 mm Dựa vào kết quả, tổng độ tĩnh khơng cầu 𝐻 dễ dàng tính cách (1.1) Khoảng cách đo lưu trữ CSDL 3.394 mm Để kiểm tra tính xác cảm biến, nhóm tiến hành đo khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước thước cuộn, cho thấy giá trị thực tế giá trị cảm biến đọc có sai lệch khơng đáng kể (giá trị đo thực tế 1.670 mm giá trị đo cảm biến 1.674 mm) Có thể thấy rằng, có đôi lúc cảm biến đọc xảy nhiễu, dẫn đến giá trị sai lệch khắc phục vào chu kỳ đo Để thấy rõ tính IOTs, NI MyRIO kết nối wifi phát từ mạng A, Raspberry kết nối wifi phát từ mạng B, ứng dụng web theo dõi laptop với mạng từ địa điểm khác Địa webserver http://ni.maxw3ll.com.vn Bảng điện tử LCD lắp đặt cầu Bộ điều khiển Raspberry kết nối Wireless, lấy liệu mà NI MyRIO truyền lên cầu mà LCD lắp đặt, hiển thị độ tĩnh không cầu Ngồi ra, giám sát độ tĩnh khơng thơng qua ứng dụng điện thoại chạy hệ điều hành Android hoàn thành Ứng dụng hiển thị tất độ tĩnh không tất cầu lắp đặt hệ thống đồ số, tiện ích giúp tàu thuyền dễ dàng xác định hướng di Kỷ yếu khoa học chuyển giúp cho thuận tiện Những tiện ích báo cáo thực để thuận lợi cho việc báo cáo, lưu trữ Hệ thống xuất liệu file Excel Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh khơng cầu nhằm tìm tốn hỗ trợ giao thơng đường thủy hồn thành kiểm chứng Dự án đề xuất phương pháp đo độ tĩnh không cầu cảm biến siêu âm sử dụng phần cứng NI MyRIO phần mềm LABVIEW kết hợp tính IOTs Ở hình 3, cho ta thấy sản phẩm mà tác giả thực gồm: giám sát độ tĩnh không thông qua Webserver, ứng dụng điện thoại Android bảng điện tử LCD Hình Hệ thống giám sát độ tĩnh không KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều khiển giám sát độ tĩnh không tốn giao thơng đường thủy, sở tìm công cụ quản lý giao thông đường thủy sông ngịi, tăng tính an tồn hàng hải, nâng cao hiệu kinh tế vận tải biển,… Tóm lại, nhóm hồn thành kết quan trọng sau: Nghiên cứu thành công phương pháp đo thông số độ tĩnh khơng cầu sơng ngịi cảm biến siêu âm Ứng dụng công nghệ IOTs để giám sát, hiển thị động thông số thông qua Webserver, ứng dụng điện thoại Android hiển thị LCD Phương pháp đo tối ưu cảm biến siêu âm xây dựng cho thấy đơn giản hóa q trình chỉnh mà khơng xác q trình đo Kết hệ thống đo hoạt động ổn định, hiển thị sai lệch nằm tầm cho phép Ngoài kết đạt được, nhóm nhận 122 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 thấy đề tài phát triển nghiên cứu thêm tích hợp GPS ứng dụng Android để xác định vị trí tàu, thuyền di chuyển… Một điều ý nghĩa khác không Kỷ yếu khoa học phần quan trọng từ kết đề tài, làm chủ công nghệ đo độ tĩnh không, không phụ thuộc vào công nghệ chế tạo thiết bị từ nước 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 ... gồm: giám sát độ tĩnh không thông qua Webserver, ứng dụng điện thoại Android bảng điện tử LCD Hình Hệ thống giám sát độ tĩnh không KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều. .. cáo, lưu trữ Hệ thống xuất liệu file Excel Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh khơng cầu nhằm tìm tốn hỗ trợ giao thơng đường thủy hồn thành kiểm chứng Dự án đề xuất phương pháp đo độ tĩnh không cầu... kết quan trọng sau: Nghiên cứu thành công phương pháp đo thông số độ tĩnh không cầu sơng ngịi cảm biến siêu âm Ứng dụng cơng nghệ IOTs để giám sát, hiển thị động thông số thông qua Webserver,