NCS-Phạm-Văn-Thành_Tóm-tắt-luận-án_Tiếng-Việt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN THÀNH XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ LÍNH CỨU HỎA GẶP SỰ CỐ KHI LÀM NHIỆM VỤ SỬ DỤNG MỘT SỐ KỸ THUẬT HỌC MÁY VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TIÊN TIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 52 02 03.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đức Tân Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nợi DANH MỤC CƠNG BỐ Pham Van Thanh, Tuan Khai Nguyen, Duc Anh Nguyen, Nhu Dinh Dang, Huu Tue Huynh, Duc-Tan Tran*, Adaptive Step Length Estimation Support Indoor Positioning System using Low-Cost Inertial Measurement Units, 2020 IEEE Eighth International Conference on Communications and Electronics, pp.271-275, 13-15 Jan.2021 Pham Van Thanh, Le Quang Bon, Nguyen Duc Anh, Dang Nhu Dinh, Huynh Huu Tue, Tran Duc Tan, Multi-Sensor Data Fusion in A Real-Time Support System for On-Duty Firefighters, Sensors 2019 (ISSN: 1424-8220 SCIE, IF=3.275) Van Thanh Pham, Duc Anh Nguyen, Nhu Dinh Dang, Hong Hai Pham, Van An Tran, Kumbesan Sandrasegaran and Duc-Tan Tran, Highly Accurate Step Counting at Various Walking Speeds Using Low-Cost Inertial Measurement Unit Support Indoor Positioning System, Sensors 2018; 18(10):3186 (ISSN: 1424-8220 - SCIE, IF=3.275) Pham Van Thanh, Duc-Tan Tran, Dinh-Chinh Nguyen, Nguyen Duc Anh, Dang Nhu Dinh, S El-Rabaie and Kumbesan Sandrasegaran, Development of a Real-time, Simple and High-Accurate Fall Detection System for Elderly Using 3-DOF Accelerometers, Arabian Journal for Science and Engineering 2018 (ISSN: 2191-4281 – SCIE, IF=1.711) Pham Van Thanh, Anh-Dao Nguyen Thi, Quynh Tran Thi Thuy, Dung Chu Thi Phuong, Viet Ho Mau and Duc-Tan Tran, A Novel Step Counter Supporting For Indoor Positioning Based On Inertial Measurement Unit” , 7th international conference on Integrated Circuit, Design, and Verification (ICDV), IEEE, pp 69-74, 5-6 Oct 2017 Nguyen Van Duong, Pham Van Thanh, Tran Van An, Nguyen Tuan Khai, Duong Thi Thuy Hang, Hoang The Hop and Tran Duc Tan, Elevator Motion States Recognition Using Barometer Support Indoor Positioning System, The 7th International Conference in Vietnam on the Development of Biomedical Engineering, IFMBE Proceedings, Springer, pp.581-587, 27-29 Jun.2018 The Hop Hoang, Van Thanh Pham, Thuy Quynh Tran Thi, Huu An Nguyen, Tuan Khai Nguyen and Tan Tran-Duc, Xây dựng hệ thống xác định độ cao bên nhà công trình sử dụng đa cảm biến áp suất, Hội nghị Quốc gia lần thứ XXI Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (The 21st National Conference on Electronics, Communications and Information Technology), 2018, pp 193-197 LỜI NÓI ĐẦU Giới thiệu Tại Mỹ, năm 2015 có 68.085 lính cứu hỏa bị thương 64 lính cứu hỏa khác thiệt mạng thực nhiệm vụ chữa cháy cứu nạn cứu hộ [1], [2] Theo thống kê Hiệp hội phòng cháy quốc gia Hoa Kỳ (NFPA), nguyên nhân gây cố thương vong, thương vong thực công tác chữa cháy trường chiếm tỷ lệ lớn với khoảng 29.130 lần (tương đương ~ 43%) Ở Việt Nam, có hàng nghìn vụ cháy xảy năm Điển hình năm 2014 2015 có 2357 2792 vụ cháy xảy [3,4] Từ thơng tin thấy người lính cứu hỏa thực nhiệm vụ phải đối mặt với nhiều nguy hiểm thiếu hệ thống hỗ trợ phù hợp để bảo vệ tính mạng họ Vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất hệ thống hỗ trợ có độ xác cao giúp bảo vệ tính mạng cho lính cứu hỏa chữa cháy cứu nạn, cứu hộ cần thiết Hiện có số hệ thống phát cố, chẳng hạn hệ thống phát ngã, hệ thống an toàn cảnh báo cá nhân (PASS) [5] Tuy nhiên, hệ thống phát ngã đề xuất cho thấy hạn chế áp dụng để phát cố lính cứu hỏa thực nhiệm vụ hầu hết tất hệ thống phát ngã cơng trình nghiên cứu cơng bố dành cho người già bệnh nhân, người mà có hoạt động di chuyển chậm đơn giản Hệ thống PASS phát triển Bộ An ninh Nội địa Hoa Kỳ để phát lính cứu hỏa khả di chuyển khoảng thời gian cụ thể Khi đó, hệ thống kích hoạt phát tín hiệu cảnh báo âm có cường độ 95-decibel Tuy nhiên, điều kiện đám cháy có nhiều tiếng ồn tiếng người hị hét nạn, tiếng hoạt động hệ thống báo cháy chữa cháy tự động … Tín hiệu báo động âm từ hệ thống PASS không phát huy hiệu việc hỗ trợ lực lượng chữa cháy thực chữa cháy cứu nạn cứu hộ nhà/cơng trình có quy mơ lớn Mục tiêu nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu xây dựng thuật tốn theo dõi phát lính cứu hỏa gặp cố bên nhà/cơng trình sở giải vấn đề sau: + Nghiên cứu tổng quan về học máy nguyên nhân dẫn tới cố lính cứu hỏa thực nhiệm vụ + Lựa chọn cảm biến thiết kế hệ thống, hiệu chỉnh cảm biến, tích hợp cảm biến xử lý thông tin đồ + Xây dựng thuật toán phân loại hoạt động phát lính cứu hỏa gặp cố + Xây dựng thuật toán theo dõi định vị vị trí lính cứu hỏa nhà/cơng trình Đối tượng phạm vi luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu cụ thể lính cứu hỏa thực nhiệm vụ chữa cháy cứu nạn cứu hộ bên nhà/cơng trình Bên cạnh đó, luận án đề xuất tập trung nghiên cứu hệ thống định vị nhà/cơng trình mà khơng cần sử dụng hệ thống thiết lập sẵn điểm truy cập (access points), chuyển tiếp (transmitters), v.v Nội dung luận án Nghiên cứu nguyên nhân gây thương vong lính cứu hỏa nghiên cứu công bố phát ngã, cố Nghiên cứu cơng trình cơng bố có liên quan tới định vị nhà Nghiên cứu phương pháp chỉnh cảm biến, giải thuật xử lý tín hiệu thu từ cảm biến Nghiên cứu cơng trình cơng bố áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu, kỹ thuật học máy phát ngã Nghiên cứu đề xuất giải thuật đếm bước, ước lượng độ dài bước chân, thời điểm dịch chuyển hướng dịch chuyển Đề xuất giải thuật kết hợp liệu thu từ cảm biến để nâng cao độ xác hệ thống phát cố định vị nhà/cơng trình Đánh giá, hiệu chỉnh thuật toán tập liệu thu thập tập liệu công khai Phương pháp nghiên cứu Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thử nghiệm thực nghiệm tham khảo ý kiến chuyên gia Ý nghĩa khoa học đóng góp luận án Hầu hết nghiên cứu công bố tập trung vào phân loại hoạt động phát ngã cho bệnh nhân, người già trẻ em; định vị vị trí cho robot bên nhà/cơng trình Do đó, cơng trình cơng bố khơng phù hợp để áp dụng việc phát định vị vị trí lính cứu hỏa bị thương vong thực nhiệm vụ bên nhà/cơng trình hoạt động lính cứu hỏa đám cháy khác với người điều kiện bình thường Bên cạnh đó, việc thu thập liệu hoạt động lính cứu hỏa phục vụ nghiên cứu giới khơng nhiều Vì vậy, nghiên cứu hoạt động lính cứu hỏa đề xuất giải thuật theo dõi xác định vị trí lính cứu hỏa gặp cố thực công tác chữa cháy cứu nạn cứu hộ đóng góp mới, có ý nghĩa thực tiễn khoa học cao Đóng góp Thứ nhất, luận án xây dựng thuật toán kết hợp liệu thu từ cảm biến gia tốc chiều, cảm biến vận tốc góc chiều cảm biến từ trường chiều để phát lính cứu hỏa bị ngã, ngất Mặc dù số cơng trình nghiên cứu đề xuất giải thuật tích hợp thơng tin thu từ cảm biến để phát ngã Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc phát ngã cho người cao tuổi, người khơng có khả thực hoạt động phức tạp Trong đó, hoạt động lính cứu hỏa phức tạp, địi hỏi tốc độ nhanh mạnh nên áp dụng kết nghiên cứu từ cơng trình vào phát ngã lính cứu hỏa làm suy giảm kể độ xác thuật tốn Bên cạnh đó, hầu hết liệu cơng trình nghiên cứu công bố thu từ tình nguyện viên sinh viên, người lớn tuổi tình nguyện viên khác khơng phải lính cứu hỏa Do đó, liệu khơng thực hiệu việc phát kiện ngã lính cứu hỏa đám cháy (Cơng trình cơng bố số 4) Thứ hai, luận án đề xuất áp dụng cảm biến áp suất đề xuất thuật toán phát khả di chuyển định vị vị trí lính cứu hỏa theo chiều dọc việc sử dụng cảm biến gia tốc chiều, cảm biến vận tốc góc chiều cảm biến từ trường chiều phát khả di chuyển định vị vị trí theo chiều dọc khơng đủ độ tin cậy, gây cảnh báo sai trường hợp lính cứu hỏa sử dụng thang máy để di chuyển (Cơng trình cơng bố số 2, 7) Thứ ba, khí CO hay cịn gọi khí “kẻ giết người thầm lặng”, loại khí nguy hiểm phát từ trình đốt cháy khơng hồn tồn Khí gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe lính cứu hỏa Do đó, luận án đề xuất tích hợp cảm biến MQ7 vào hệ thống hỗ trợ kết hợp đề xuất giải thuật cảnh báo mức nồng độ CO nguy hiểm an tồn để tối ưu hóa việc sử dụng thiết bị thở (SCBA) (Cơng trình cơng bố số 2) Thứ tư, luận án đề xuất giải thuật hệ số K thích nghi dựa nhóm chiều cao lính cứu hỏa để xác định chiều dài bước chân khoảng cách di chuyển lính cứu hỏa (Cơng trình công bố số 1) Cuối cùng, luận án đề xuất phát triển thuật tốn đếm bước có độ xác cao cách đề xuất bốn đặc trưng: Khoảng cách đỉnh tối thiểu, độ trội đỉnh, ngưỡng động loại bỏ rung động Đặc biệt, độ trội đỉnh đặc trưng có hiệu cao loại bỏ đỉnh giả Bênh cạnh đó, đặc trưng đề xuất kết hợp với đặc trưng gồm tính tuần hồn tính tương tự để loại bỏ đỉnh giả khơng phải q trình di chuyển tạo nên (Cơng trình cơng bố số 5) Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan Nghiên cứu Chương 2: Thiết kế hệ thống, chuẩn cảm biến xử lý đồ Chương 3: Xây dựng thuật tốn phát lính cứu hỏa gặp cố thực nhiệm vụ Chương 4: Xây dựng thuật toán định vị vị trí lính cứu hỏa thực nhiệm vụ nhà cơng trình Chương 5: Định vị theo dõi lính cứu hỏa nhà cách sử dụng kết hợp liệu đa cảm biến thuật toán đối sánh đồ CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan nghiên cứu 1.2 Các nghiên cứu phát cố Có nhiều hướng nghiên cứu cơng bố phát ngã năm gần xử lý hình ảnh [88 - 99], cảm biến vị trí [100], điện thoại thơng minh [101], gia tốc kế [102] thiết bị đeo tay đồng hồ thông minh Tuy nhiên, nghiên cứu có hạn chế định hệ thống không tiện lợi, tốn không phù hợp với đối tượng nghiên cứu luận án lính cứu hỏa 1.3 Các nghiên cứu định vị vị trí nhà/cơng trình Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) khơng đảm bảo độ tin cậy cho ứng dụng định vị nhà Do đó, việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống định vị nhà cần thiết nhà nghiên cứu quan tâm sử dụng rộng rãi ứng dụng thực tế Do đó, số hướng nghiên cứu định vị nhà đề xuất Thứ nhất, định vị nhà dựa cảm biến/thiết bị thiết lập sẵn với độ xác cao camera, mạng cảm biến khơng dây, mạng không dây, UWB (Ultra-wideband) radar Doppler [28], hạn chế kỹ thuật chi phí cao phù hợp để áp dụng môi trường thiết lập sẵn điều kiện thu phát tín hiệu, Các phương pháp khác sử dụng cảm biến gia tốc IMU (cảm biến đo lường quán tính) tích hợp với phát sóng vơ tuyến để truyền thơng tin bên ngồi mà khơng u cầu thiết lập trước hệ thống hỗ trợ, hướng nghiên cứu phù hợp với môi trường trước Tuy nhiên, hướng nghiên cứu tồn nhược điểm độ xác khơng cao Do đó, đếm bước xác cao phần thiết yếu để nâng cao độ xác hệ thống định vị nhà trường hợp sử dụng IMU 1.4 Những thách thức nghiên cứu phát cố định vị nhà Dựa nghiên cứu tổng quan hạn chế nghiên cứu cơng bố thách thức lớn việc phát cố cần đưa thuật tốn phát loại cố khác lính cứu hỏa thực nhiệm vụ với độ xác cao đồng thời phân biệt trạng thái cố trạng thái thực nhiệm vụ bị, trườn, chạy, phá dỡ Thách thức thứ hai xây dựng hệ thống thuật toán định vị nhà dựa IMU cảm biến hỗ trợ khác mà không sử dụng hệ thống cài đặt sẵn đạt độ xác thấp sai số trơi sai số tích lũy cảm biến 1.5 Kết luận Trong chương này, luận án tập trung phân tích cơng trình nghiên cứu liên quan đến phương pháp phát cố định vị nhà đồng thời hạn chế nghiên cứu Ngoài ra, luận án nêu mục tiêu thách thức gặp phải q trình thực luận án CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG, CĂN CHUẨN CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ BẢN ĐỒ 2.1 Kiến Trúc Hệ Thống Cảm biến gia tốc chiều sử dụng để thu liệu theo trục Ax, Ay Az; giao thức I2C để kết nối cảm biến với vi điều khiển với tốc độ lấy mẫu 100 Hz hoạt động lính cứu hỏa diễn nhanh Cảm biến áp suất sử dụng để thu thập liệu áp suất; sau tính độ cao dựa liệu áp suất đo Các thông số độ cao cho phép phân biệt khả di chuyển hoạt động khác di chuyển lên/xuống thang máy Đây đóng góp tham số đầu vào quan trọng để nâng cao hiệu suất độ xác thuật tốn đề xuất Cảm biến CO tích hợp hệ thống đề xuất để phát mức CO môi trường đám cháy Khí CO gọi “sát thủ thầm lặng”, loại khí độc phổ biến nguy hiểm đám cháy lượng khí nén SCBA bị hạn chế, với thời gian sử dụng khoảng 30, 45 60 phút [23] Cảm biến CO sử dụng để tối ưu trình sử dụng khí nén SCBA cách Hình - Sơ đồ khối hệ thống đề xuất 2.2 Loại bỏ sai số cảm biến Cảm biến đề xuất tồn hai loại sai số chính, bao gồm sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Luận án áp dụng trình chuẩn lọc Kalman để loại bỏ sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên 2.2.1 Gia tốc kế 3-DOF 2.2.2 Cảm biến từ tính 2.2.3 Cảm biến áp suất 2.2.4 Cảm biến khí CO 2.3 Xử lý đồ 2.3.1 Tiền xử lý đồ Bản đồ chuyển đổi từ ảnh màu ảnh xám sang ảnh nhị phân dựa ngưỡng Dựa kết thực nghiệm, luận án đề xuất ngưỡng 0,5412 Nếu pixel ảnh màu ảnh màu xám lớn ngưỡng đề xuất, pixel gán hình ảnh nhị phân nhỏ giá trị ngưỡng đề xuất 2.3.2 Đơn giản hóa đồ Luận án đề xuất thuật tốn để loại bỏ đối tượng không mong muốn, giữ lại đối tượng quan trọng cố định tường cầu thang để làm giá trị tham chiếu đối sánh vị trí ước lượng đối tượng lại đồ Để giải vấn đề này, luận án sử dụng hai phép toán Dilation Erosion để xác định tư lính cứu hỏa sau ngã Dựa điều này, ngưỡng nhận dạng tư đề xuất để phân biệt hoạt động làm nhiệm vụ kiện ngã Hơn nữa, góc theta (T) thay đổi kiện ngã xảy Do đó, việc sử dụng góc theta, góc roll pitch thuật tốn phát ngã có ý nghĩa quan trọng thuật tốn đề xuất Điều kiện 1: Góc T trục Az gia tốc trọng trường: Cảm biến gia tốc đặt túi quần trước Hình 10a Do đó, góc T lính cứu hỏa trạng thái đứng yên vào khoảng 0° Phương trình (3-8) sử dụng để xác định khác biệt góc T gia tốc trọng trường 𝑇 = cos−1 ( 𝐴𝑧 (𝑡) √𝐴2𝑥 (𝑡)+𝐴2𝑦 (𝑡)+𝐴2𝑧 (𝑡) ) 180 𝜋 (degree) (3-8) Góc T sử dụng để kiểm tra tư lính cứu hỏa nhằm xác nhận cố ngã loại bỏ kiện ngã giả Điều kiện 2: Xác định hướng Trong trường hợp này, luận án áp dụng lọc hướng Madgwick việc loại bỏ nhiễu cho cho cảm biến đo lường quán tính (IMU) Các góc Euler biểu thị cho khác biệt hệ quy chiếu tham chiếu hệ quy chiếu cảm biến xác định phương trình sau [67]: 𝑌 = 𝐴𝑡𝑎𝑛2(2𝑞2 𝑞3 − 2𝑞1 𝑞4 , 2𝑞12 + 2𝑞22 − 1) (3-9) 𝑃 = −𝑠𝑖𝑛−1 (2𝑞2 𝑞4 + 2𝑞1 𝑞3 ) (3-10) R= 𝐴𝑡𝑎𝑛2(2𝑞3 𝑞4 − 2𝑞1 𝑞2 , 2𝑞12 + 2𝑞42 − 1) (3-11) đó, Y, P R góc yaw, pitch, roll góc Euler xoay quanh trục Az, Ay Ax hệ quy chiếu tham chiếu Kết hợp Điều kiện Điều kiện 2: Trong thuật toán phát ngã đề xuất, góc theta, góc pitch góc roll kết hợp để tăng cường độ nhạy độ xác thuật tốn đề xuất Bên cạnh đó, việc kiểm tra lần với khoảng thời gian 0,5 giây lần đề xuất luận án để cải thiện tính xác hệ thống đề xuất 10 3.2.2 Đề xuất thuật toán phát khả di chuyển vật lý cho lính cứu hỏa Có số loại kiện ngã bị sau ngã bị mắc kẹt đường di chuyển, không gian hẹp Việc áp dụng thuật tốn phát gia tốc vượt ngưỡng khơng áp dụng cho tình thay đổi đột ngột giá trị gia tốc khơng đủ lớn để phát lính cứu hỏa gặp cố, việc chọn giá trị ngưỡng thấp để làm tăng độ nhạy thuật toán đề xuất độ xác giảm đáng kể ngược lại Để giải hạn chế này, luận án đề xuất thuật toán phát khả di chuyển vật lý Thuật toán phát khả di chuyển vật lý phần quan trọng thuật toán đề xuất để phát kiện tai nạn lính cứu hỏa tình đề cập bên L𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝ℎ𝑦𝑠𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑛𝑐𝑒 = (𝐿𝑢𝑚𝑜𝑣 > (𝐴𝑐𝑐𝑗 : 𝐴𝑐𝑐𝑗+4∗𝐹𝑠 ) && 𝐿𝑙_𝑚𝑜𝑣 < (𝐴𝑐𝑐𝑗 : 𝐴𝑐𝑐𝑗+4∗𝐹𝑠 )) (3-12) 𝛥𝐴𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 = 𝐻(𝑗+4∗𝐹𝑠) − 𝐻(𝑗) (3-13) Dựa kết dự đoán cách hợp liệu cảm biến áp suất cảm biến gia tốc 3-DOF, khả di chuyển vật lý xác nhận phương trình (3-17) thỏa mãn (3-14) 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑖𝑐𝑡(𝑙) = 𝐴𝑐𝑐 < 𝐿𝑚 𝑤𝑖𝑡ℎ𝑖𝑛 𝑇 &∆𝐴𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 > 𝐴𝑡ℎ =>𝑙 = 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑛𝑔 𝑢𝑝 (3-15) 𝐴𝑐𝑐 < 𝐿𝑚 𝑤𝑖𝑡ℎ𝑖𝑛 𝑇 &∆𝐴𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 < 𝐴𝑡ℎ =>𝑙 = 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑜𝑤𝑛 (3-16) 𝐴𝑐𝑐 < 𝐿𝑚 𝑤𝑖𝑡ℎ𝑖𝑛 𝑇 &𝐴𝑡ℎ1 < ∆𝐴𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 < 𝐴𝑡ℎ2 =>𝑙 = 𝑙𝑜𝑠𝑠_𝑜𝑓_𝑝ℎ𝑦𝑠𝑖𝑐𝑎𝑙_𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑛𝑐𝑒 (3-17) 3.2.3 Thuật tốn phát CO cho lính cứu hỏa Sau ghi lại, lọc Kalman đơn giản sử dụng để xử lý liệu thô nhằm loại bỏ phần bất thường tín hiệu sau sử dụng ngưỡng để phát nồng độ CO vượt ngưỡng quy định Hình 3-10 11 Hình 3-10 Thuật tốn cảnh báo mức CO cao 3.3 Kết thảo luận 3.3.1 Kết thử nghiệm Các tình nguyện viên chọn ngẫu nhiên từ nhiều lính cứu hỏa Đại học Phịng cháy chữa cháy Các tình nguyện viên thực thí nghiệm để ghi lại liệu ba lần Các chi tiết thơng tin tình nguyện mơ tả Bảng 3-3 Bảng 3-3 Các đặc điểm tình nguyện Số lượng Số lần tình Giới Cân thực Tuổi Chiều cao nguyện tính nặng viên Nam 18–35 1.68–1.75 62–75 kg 3.3.2 Kết phát ngã 3.3.3 Phát khả di chuyển vật lý Hình 3-13 đây minh họa khác biệt khả di chuyển bị mắc kẹt đối mặt với tai nạn di chuyển thang máy Như Hình 3-13, hai liệu ghi lại từ cảm biến gia tốc cảm biến áp suất khơng đổi thay đổi lính cứu 12 hỏa qua đường hẹp bị kẹt gặp tai nạn Tương tự, Hình 3-14 cho thấy lính cứu hỏa di chuyển lên thang máy, liệu áp suất (được quy độ cao) thay đổi 3.3.4 Thuật toán cảnh báo mức CO cao Trong thử nghiệm thực nghiệm đo nồng độ khí CO cho thấy rằng: Trong khơng khí (khơng có cháy), nồng độ khí CO dao động khoảng ppm, giá trị thay đổi nhanh chóng tình nguyện viên di chuyển cảm biến MQ7 đến gần đám cháy giá trị thay đổi từ 33 đến 45 ppm Bên cạnh dựa thử nghiệm thực nghiệm Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy (Việt Nam) so sánh với dấu hiệu / triệu chứng liệt kê [63] xác nhận nồng độ carbon monoxide khoảng 35 ppm (triệu chứng đau đầu chóng mặt xảy vòng đến tiếp xúc liên tục) mức nồng độ gây nguy hiểm tới tính mạng lính cứu hỏa Do đó, luận án đề xuất sử dụng ngưỡng th5 = 33 ppm để làm ngưỡng cảnh báo Nếu mức CO đám cháy thấp ngưỡng 33ppm, lính cứu hỏa cân nhắc để tháo thiết bị thở nhằm tiết kiệm khí nén SCBA để dùng tình hướng nguy hiểm gặp phía trước 3.4 So sánh Các thuật toán sử dụng so sánh bao gồm: • Thuật tốn 1: Thuật tốn đầy đủ với đặc trưng trình bày Bảng • Thuật tốn 2: Phiên rút gọn thuật tốn (khơng kiểm tra góc theta, góc pitch góc roll giai đoạn hai) • Thuật toán 3: Phiên rút gọn thuật toán (khơng có điều kiện 1) • Thuật tốn 4: Phiên rút gọn thuật tốn (khơng có điều kiện 2) • Thuật tốn phát ngã cơng bố cơng trình trước nghiên cứu sinh cộng • Thuật tốn phát ngã đề xuất Paola Pierleoni et al 3.4.1 So sánh tập liệu thu thập Bảng 3-5 Chi tiết liệu thu thập Thông số Tập liệu thử nghiệm Các loại ngã Ngã sõng soài (Forward fall), ngã ngửa (Backward fall), ngã nằm nghiêng trái 13 (Lateral left fall), ngã nằm nghiêng phải (Lateral right fall) Các hoạt động di chuyển Đi sàn phẳng, chạy tràn phẳng, bò sàn phẳng, lên cầu thang, xuống cầu thang, chạy lên cầu thang, chạy xuống cầu thang, bò lên cầu thang, bò xuống cầu thang, nhảy, di chuyển lên/xuống thang máy Vị trí Túi quần trước Tần số 100 Hz Số tình nguyện viên Phương trình (3-18) - (3-20) sử dụng để đánh giá độ xác, độ đặc hiệu độ nhạy thuật toán đề xuất, thuật tốn cơng trình cơng bố trước nghiên cứu sinh cộng thuật toán cơng trình cơng bố Paola Pierleoni cộng Bảng 3-6 Kết thử nghiệm thuật toán đề xuất, thuật tốn cơng trình cơng bố trước nghiên cứu sinh cộng thuật tốn cơng trình cơng bố Paola Pierleoni cộng So sánh thuật toán Sen Spec Acc Thuật toán 100% 100% 100% Thuật toán 100% 94,44% 95,83% Thuật toán 100% 90,74% 93,05% Thuật toán 100% 91,67% 93,75% Thuật toán phát ngã [18] 88,9% 94,45% 91,67% Thuật toán đề xuất Paola Pierleoni et al [17] 66,7% 100% 83,33% 3.4.2 So sánh tập liệu công khai Dựa kết thu Bảng 3-8, thấy thuật tốn đề xuất luận án (Thuật toán 1) đạt kết tốt tập liệu công khai Thuật tốn phát 762/762 hành động bình thường 724/755 hoạt động ngã, tương ứng với 100% 97,96% Bảng 3-8 Kết thử nghiệm thuật toán đề xuất (phát ngã phát hiệu suất vật lý) So sánh thuật toán Sen Spec Acc 14 Thuật toán 95,89% 100% 97,96% Thuật toán 96,15% 98,42% 97,3% Thuật toán Thuật toán Thuật toán phát ngã đề xuất luận án [18] 97,75% 96,68% 94,48% 93,43% 96,11% 95,05% 93,33% 91,67% 92,5% 36,95% 97,76% 67,5% Thuật toán đề xuất Paola Pierleoni et al [17] 3.5 Kết luận Trong chương này, thuật toán phát ngã thuật toán phát khả di chuyển vật lý đề xuất tích hợp hệ thống hỗ trợ lính cứu hỏa thực nhiệm vụ đám cháy bên nhà/cơng trình Thuật tốn hợp liệu cảm biến gia tốc 3DoF, cảm biến vận tốc góc 3-DoF, cảm biến từ trường 3-DoF cảm biến áp suất Đây lần thuật toán phát khả di chuyển vật lý đề xuất để nâng cao độ xác hệ thống hỗ trợ cho đối tượng cụ thể lính cứu hỏa Bên cạnh đó, chương đề xuất sử dụng giá trị ngưỡng phù hợp để phát cảnh báo nồng độ khí CO mức nguy hiểm đám cháy nhằm bảo vệ tính mạng lính cứu hỏa Sự kết hợp loại cảm biến thuật toán kết hợp liệu từ cảm biến đạt kết đáng ghi nhận đối tượng nghiên cứu lính cứu hỏa với độ nhạy cao, độ đặc hiệu 100% độ xác 100% liệu thử nghiệm độ xác 97,96% liệu công khai Nghiên cứu số loại hoạt động lính cứu hỏa điều kiện cháy đề xuất thuật toán, giá trị ngưỡng phù hợp thông qua việc sử dụng liệu thu từ loại cảm biến Trong tương lai, hệ thống đề xuất tích hợp nhiều cảm biến để phát cảnh báo mức nồng độ nguy hiểm khí độc aldehyd, hạt mịn, CO2, H2S HCN để đưa định xác việc có nên sử dụng SCBA hay khơng CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐỊNH VỊ VỊ TRÍ CỦA LÍNH CỨU HỎA KHI THỰC HIỆN NHIỆM VỤ TRONG NHÀ VÀ CƠNG TRÌNH Chương luận án trình bày chi tiết thuật tốn tìm đường định vị vị trí nhà lính cứu hỏa thực nhiệm vụ thơng qua q trình tích hợp thơng tin thu từ cảm biến Dưới 15 bước xây dựng thuật tốn theo dõi xác định vị trí: + Phát đếm bước + Ước lượng độ dài bước chân + Ước lượng thời điểm chuyển hướng hướng quay + Ước lượng vị trí theo chiều dọc 4.1 Thuật toán đếm bước Thuật toán đếm bước xây dựng dựa bốn đặc trưng: Khoảng cách đỉnh tối thiểu, độ trội đỉnh, ngưỡng động loại bỏ rung động để phát đỉnh liệu thu từ cảm biến giá rẻ 3-DOF Bên cạnh đó, đặc trưng tính tuần hồn tính tương tự sử dụng để giải vấn đề sai đồng thời nâng cao hiệu suất thuật toán đề xuất 4.1.1 Kết thử nghiệm 4.1.1.1 Kịch thử nghiệm Dữ liệu thu thập từ tình nguyện viên nam với độ tuổi: 18 đến 28, chiều cao: 1,65 m đến 1,78 m cân nặng: 58 kg đên 76 kg chọn từ Đại học phòng cháy chữa cháy (UFFP) Các tình nguyện viên mang theo thiết bị bỏ túi quần để thu mẫu liệu bao gồm: bình thường, nhanh, chậm, tự tạo dao động Mỗi mẫu liệu thu ba lần trình thử nghiệm Sau đó, hai tình nguyện viên khác mang theo thiết bị đề xuất ba điện thoại cài đặt ba ứng dụng phổ biến: Ứng dụng sức khỏe IPhone 5s, S-Health Galaxy S5 Pedometer & Weight Loss Coach cài đặt Lenovo P780 túi quần thực 500 bước trạng thái tự lần với điều kiện Kịch tự bao gồm hành lang sàn nhà lên, xuống cầu thang Hình hệ thống định vị nhà đề xuất lính cứu hỏa thu liệu trạng thái tự 4.1.1.2 Kết thu Thuật toán đề xuất thử nghiệm với nhiều trạng thái bao gồm với tốc độ bình thường, với tốc độ nhanh, với tốc độ chậm dao động tạo người Kết cho thấy thuật toán đề xuất phát số bước chân với độ xác cao: 227/227 bước trạng thái bình thường, 500/500 bước với tốc độ chậm không liên tục, 187/188 bước với tốc độ nhanh 500/500 bước tự 16 4.1.2 Thảo luận 4.1.2.1 So sánh với phương pháp khác Để đánh giá hiệu suất thuật toán đếm bước đề xuất, luận án sử dụng cơng thức để ước tính lỗi thuật tốn đề xuất [32]: |E-T| (4-9) Error = × 100%, T Trong đó, E số bước ước lượng thuật toán đề xuất, T số bước thực tế Các kết Bảng 4-7 cho thấy thuật tốn đề xuất có hiệu cao nhiều so với phương pháp lại Bảng 4-7 Sai số trung bình thuật tốn đề xuất hai phương pháp trình bày Tài liệu tham khảo [32] Thuật toán dựa Thuật toán Các trạng Thuật toán tính tuần hồn, tính dựa phát thái đề xuất tương tự, tính liên đỉnh [ 32 ] tục [ 32 ] Đi tự 0,58% 11,18% 37,35% Đi nhanh 1,06% 4,26% 26,73% Đi chậm 2,42% 14,92% 96,77% False 3,53% 15,90% 52,70% walking 4.1.2.2 So sánh với ứng dụng thương mại khác Từ kết thể Bảng 4-8, thấy phần mềm Pedometer & Weight Loss Coach cài đặt Lenovo P780 có hiệu suất Thuật tốn đề xuất luận án phần mềm S-Health có kết sai số trung bình xấp xỉ tương ứng 0,16% 0,32% (xem Bảng 4-8) Bảng 4-8 So sánh thuật toán đề xuất với ứng dụng thương mại khác thực tự 500 bước Số lần thực Số bước thực tế Hệ thống đề xuất 500 500 500 498 500 499 500 500 500 499 17 Số bước đếm trung bình 500 499,2 Sai số 0,16% Phần mềm SHealth Galaxy S5 499 507 489 477 482 490,8 2,40% (Android 6.01) [ 46 ] Phần mềm Health IPhone 5s (iOS 500 502 498 503 499 500.4 0,32% 10.3.3) [ 45 ] Phần mềm Pedometer & Weight Loss Coach 461 448 376 483 472 448 10,40% cài đặt điện thoại Lenovo P780 [ 47 ] 4.1.2.3 Thử nghiệm với Tập liệu cơng khai Thuật tốn đề xuất thử nghiệm liệu công khai [72], liệu công khai thu thập từ Samsung S6 vị trí khác nhau: Tay, túi trước, túi đeo sau, túi đeo cổ, túi xách băng đeo tay Bộ liệu cơng khai [72] có sẵn tại: https://github.com/Oxfordstep-counter/DataSet/tree/master/validation (Truy cập ngày 30 tháng năm 2018) Thuật toán đề xuất đạt kết tốt với độ xác trung bình 97,04% 4.2 Ước lượng độ dài bước chân Chiều cao lính cứu hỏa trạng thái di chuyển tham số đầu vào ban đầu để xác định tham số K tiến hành ước lượng chiều dài bước chân (xem bảng) Khi đó, chiều dài bước chân ước lượng dựa tham số K giá trị gia tốc cực đại Amax vàgiá trị gia tốc cực tiểu Amin bước Dựa tổng chiều dài bước chân ước lượng để tính quãng đường dịch chuyển Chiều cao Trạng thái Tham số K Đi 0.738 – 0.37×vstep + 0.15×vstep2 ≥1.75m Chạy 1.162 – 0.37×vstep + 0.15×vstep2 Đi 1.65m