Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo dao động kết cấu cầu bằng phương pháp xử lý ảnh báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO DAO ĐỘNG KẾT CẤU CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH Mã số: T2019-PHII-009 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Văn Bình Thời gian thực hiện: 01/2019 – 12/2019 TP Hồ Chí Minh, 12/2019 MỤC LỤC Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình i iii iv MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO DAO ĐỘNG KẾT CẤU 1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế nước 1.2 Đặc điểm hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.2.1 Khái niệm hệ thống quan trắc cầu 1.2.2 Lịch sử phát triển hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.2.3 Chức hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.3 Các thành phần, tham số hệ thống quan trắc 1.3.1 Hệ thống thu tập liệu 1.3.2 Xử lý phân tích liệu 1.3.3 Lưu trữ truyền tải liệu 2 2 4 5 12 14 15 17 CHƯƠNG II 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.3 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐO DAO ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH 20 Cơ sở lý thuyết phương pháp đo dao động dựa xử lý ảnh 20 Một số khái niệm xử lý ảnh 20 Bài toán nhận diện đối tượng phương pháp xử lý ảnh 28 Mơ hình hệ thống đo dao động thực nghiệm 37 Xây dựng phần mềm xử lý ảnh dao động 37 Sai số giải pháp giảm thiểu sai số 39 CHƯƠNG III THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 3.1 Lắp đặt điểm đo dao động kết cấu cầu 40 40 3.2 Phân tích xử lý số liệu đo thực nghiệm 41 3.3 So sánh đánh giá kết đo 42 i KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết đạt Hướng phát triển đề tài 44 44 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC SẢN PHẨM 46 ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AC Dòng điện xoay chiều DAQ Phần cứng thu thập liệu DC Dịng điện chiều FPS Số khung hình / giây HMI Giao diện người máy I/O Ngõ vào / PCI Rãnh cắm mở rộng máy tính RGB Không gian màu đỏ - xanh - xanh dương SMS Tin nhắn iii DANH MỤC HÌNH Hệ thống đo dao động xử lý ảnh 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 Hệ thống quan trắc cầu Các thành phần hệ thống quan trắc cầu Quá trình phát triển hệ thống quan trắc Giới thiệu hệ thống "quan trắc thông minh" Giao diện quan trắc cầu Sơ đồ hệ thống quan trắc Chức hệ thống quan trắc Mơ hình hệ thống thu thập liệu Phân loại thiết bị DAQ Bố trí hệ thống quan trắc Cấu trúc tập tin liệu Cấu trúc tập tin Excel Trang phân tích 11 12 13 14 15 16 17 18 18 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Khối màu RGB Biểu diễn khơng gian màu HSV Hình ảnh phân ngưỡng nhị phân Histrogram ảnh xám Biểu đồ mô tả kết cân Histrogram Kết tìm biên Tìm biên theo phương pháp Canny Các đặc trưng Haar-like Ý nghĩa hình học đạo hàm ảnh 22 22 24 25 26 33 35 37 38 3.1 3.2 3.3 3.4 Dao động trục với camera 35 FPS Dao động trục với camera 100 FPS Lắp đặt thực nghiệm hệ thống So sánh đặc tính dao động thực nghiệm 40 41 42 42 iv MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Quá trình kiểm tra, đánh giá xác định mức độ dao động kết cấu tác dụng yếu tố bên ngồi gió, tải trọng ngắn hạn tác động lên cơng trình yêu cầu đặc biệt quan trọng hoạt động xây dựng Những kết đặc tính giúp nhà nghiên cứu, thiết kế, thẩm định xác định chất lượng, tính an tồn cơng trình có điều chỉnh kịp thời để cơng trình xây dựng phù hợp với yêu cầu quy chuẩn, đánh giá khả chịu tải cơng trình, khảo sát sửa chữa cơng trình Hình Hệ thống đo dao động xử lý ảnh Trong năm gần đây, với tiến nhanh chóng cơng nghệ camera, công nghệ vi xử lý, nhiều nghiên cứu đo dao động thực phương pháp đo camera chuyển động video Tuy nhiên, sử dụng phương pháp đo dao động camera lại bị hạn chế độ phân giải camera, dễ ảnh hưởng tác động nhiễu ánh sáng Ngoài ra, việc lắp đặt gặp nhiều khó khăn phải gắn camera song song với mặt phẳng rung động, phải tối đối tượng phải chiếu sáng đồng [1-2] Nghiên cứu đề tài trình bày phương pháp đo camera cải tiến sử dụng cách thức hồn tồn khác, tính tốn dao động đơn giản hơn, độ xác tính chuyển vị cao (Hình 1) Tính cấp thiết đề tài Việc thiết kế chế tạo thiết bị đo dao động kết cấu cơng trình xây dựng nói chung cơng trình cầu nói riêng phương pháp xử lý ảnh đề tài nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Đa số đề tài sử dụng máy ảnh đặt từ xa để quan sát trực tiếp đối tượng dao động, từ tính tốn dao động dựa thay đổi điểm ảnh đánh dấu đối tượng Phương pháp có nhiều ưu điểm cịn tồn vấn đề quan trọng mà hầu hết người thực sau cố gắng để khắc phục, nhiễu đặt camera xa điều kiện chiếu sáng Cùng dựa tảng xử lý ảnh với phương thức hoàn toàn mới, đề tài xác định dao động kết cấu phương pháp xử lý ảnh đề tài giải hồn tồn tốn xử lý nhiễu Hơn nữa, phương pháp ước tính độ phân giải đo lường sai số đo đưa vào nhằm giúp hệ thống hoạt động xác Các phương pháp đề xuất kiểm chứng thực nghiệm để xác minh tính xác chúng Mục tiêu đề tài Đề tài hướng đến mục tiêu không phục vụ cho nhiệm vụ khoa học ứng dụng tại, mà định hướng để phát triển hướng khoa học cho tương lai, cụ thể: • Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống đo dao động có độ xác cao, sai số đạt 1-5% ngưỡng đo • Giá thành hợp lý so với hệ thống đo lường khác • Thiết kế hệ thống có tính mở, có khả phát triển để phục vụ cho hệ thống quan trắc trực tuyến, hệ thống giao thơng thơng minh nhằm đảm bảo an tồn nâng cao tuổi thọ cơng trình Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị, phần mềm đo dao động kết cấu cầu Phạm vi nghiên cứu: Mơ hình hệ thống đo dao động kết cấu cầu theo phương pháp xử lý ảnh camera cho tối thiểu 01 phương đo thực nghiệm kết hợp công tác kiểm định cầu năm 2019 cho 01 cơng trình cầu Tp Hồ Chí Minh vùng lân cận Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: - Trên sở tiếp thu cơng trình khoa học nước quốc tế công bố, dựa đóng góp lĩnh vực tác giả để phân tích mặt hạn chế mặt tích cực kỹ thuật, phương pháp hệ thống xác định dao động kết cấu - Đề xuất cải tiến, giải pháp để nâng cao chất lượng, ổn định thích nghi với điều kiện ứng dụng khác hệ thống xác định dao động kết cấu Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp lý thuyết tính chất dao động kết cấu, kiến thức xử lý ảnh, lập trình máy tính nhúng - Xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng lại sở lý thuyết so sánh độ xác với mơ hình khác - Phân tích kết thực nghiệm để đưa đánh giá tính chất hệ thống, từ đưa giải pháp hữu hiệu bước nghiên cứu Từ mục tiêu phương pháp trên, đề tài sâu nghiên cứu vấn đề phục vụ đo dao động phương pháp xử lý ảnh Chương thực nghiên cứu tổng quát điểm hệ thống đo dao động kết cấu, hệ thống quan trắc cơng trình giao thơng Thiết kế hệ thống đo dao động theo phương pháp xử lý ảnh thể chương Chương phân tích kết thực nghiệm so sánh kết với phương pháp đo khác Phần cuối đưa kết luận định hướng phát triển nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO DAO ĐỘNG KẾT CẤU 1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế nước Trong hoạt động xây dựng, việc kiểm tra, đánh giá xác định mức độ dao động kết cấu cầu tác dụng yếu tố bên gió, tải trọng ngắn hạn dài hạn tác động lên cơng trình u cầu đặc biệt quan trọng Việc giúp nhà nghiên cứu, thiết kế, thẩm định, quản lý nắm rõ chất lượng cơng trình, đảm bảo an tồn cơng trình có điều chỉnh kịp thời để cơng trình xây dựng phù hợp với yêu cầu quy chuẩn, đánh giá khả chịu tải cơng trình, khảo sát sửa chữa cơng trình Trên giới, việc quan trắc xác định dao động kết cấu cơng trình xây dựng nói chung cơng trình cầu nói riêng phương pháp xử lý ảnh đề tài nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong năm gần đây, với tiến nhanh chóng cơng nghệ camera, cơng nghệ vi xử lý, nhiều nghiên cứu đo dao động đối tượng thực phương pháp đo camera chuyển động video (xử lí ảnh) Dựa đặc trưng dao động đối tượng đưa đánh giá khả hoạt động phát bất thường, hư hỏng kết cấu cách sử dụng camera chuyển động video Phương pháp sử dụng camera chuyển động video để đo độ dao động thường sử dụng camera ghi lại chuyển động điểm cố định (thường đánh dấu rõ chiếu sáng) kết cấu Phương pháp thường phải sử dụng hệ camera chất lượng, tiêu cự nhìn xa, độ bắt sáng tốt Vì vậy, sử dụng phương pháp đo dao động camera bị hạn chế độ phân giải camera, dễ ảnh hưởng tác động nhiễu, việc lắp đặt gặp nhiều khó khăn phải lắp camera song song với mặt phẳng rung động, phải tối đối tượng phải chiếu sáng đồng [3-7] Ở Việt Nam, máy đo dao động sử dụng công tác kiểm định cầu thường loại cần điểm cố định (hoạt động theo nguyên lý học) không cần điểm cố định Loại không cần điểm cố định sử dụng cảm biến xác định dao động theo ba phương: thẳng đứng, phương ngang dọc cầu Tuy nhiên, thiết bị đo cảm biến có nhiều nhược điểm khó khắc phục, điển sai số cao, phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp, xác định hệ số xung kích thực đo khó khăn Đối với lĩnh vực xác định dao động kết cấu camera mẽ, chưa áp dụng thực tế Hiện nay, chưa có đề tài xác định dao động kết cấu camera bật, làm chủ cơng nghệ có độ xác cao [8-12] Nghiên cứu nhóm tác giả trình bày phương pháp đo camera cải tiến sử dụng cách thức hồn tồn mới, tính tốn dao động đơn giản hơn, độ xác tính chuyển vị cao Phương pháp có hỗ trợ phát laser, kit nhúng camera tốc độ cao Kết đạt mang tính thực tiễn cao, hỗ trợ đắc lực cho nhà quản lý, nghiên cứu, tư vấn thiết kế, nhà thầu phân tích dài hạn, thiết lập cảnh báo liên quan đến phản ứng cơng trình, kiểm sốt trạng thái giới hạn hay dự báo tuổi thọ mỏi dị tìm khuyết tật, hư hỏng cách xác hiệu quả, phục vụ thiết thực công tác quản lý, khai thác vận hành bảo trì 1.2 Đặc điểm hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.2.1 Khái niệm hệ thống quan trắc cầu Quan trắc kết cấu cầu, thuật ngữ tiếng Anh "Health monitoring of Bridge", thuật ngữ dùng để mơ tả việc giám sát tình trạng tổng thể kết cấu cầu, định nghĩa theo mục tiêu yêu cầu đặt kết cấu cầu [13] Quan trắc cầu nhiều cách để theo dõi trạng thái ứng xử kết cấu cầu loại tải trọng khai thác khác (Hình 1.1) Như vậy, việc tiến hành xác định hư hỏng cầu thay đổi tính chất vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên hệ thống liên kết khía cạnh quan trắc kết cấu cầu Hình 1.1 Hệ thống quan trắc cầu So với việc thử tải cầu so với phương pháp kiểm tra truyền thống khác Quan trắc cầu có ưu điểm khác biệt như: • • Cung cấp thời gian thực giám sát, phân tích liên tục phát giảm khả chịu lực, hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu suốt trình khai thác cơng trình Đặc biệt hệ thống cịn theo dõi ghi lại ứng xử kết cấu trường hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai cố tai nạn nghiêm trọng) mà phương pháp truyền thống khác giám sát } chart1.Series[0].Points.DataBindXY(listDT, listX); chart1.Series[1].Points.DataBindXY(listDT, listY); } catch { } } private void btnRun_Click(object sender, EventArgs e) { if (btnRun.Text == "RUN") { btnRun.Text = "STOP"; btnRun.ForeColor = Color.DarkRed; chart1.Series[0].Points.Clear(); chart1.Series[1].Points.Clear(); first = true; fpoint.RemoveAll(); listDT.Clear(); } } } } 59 BÁO CÁO PHÂN TÍCH Các dao động cơng trình có tần số từ Hz trở lên đến 100 Hz sử dụng phương pháp xử lý ảnh để đo cách xác Phương pháp xử lý ảnh cho kết xác tần số biên độ dao động Độ xác đo lên đến 0.01mm tùy theo độ phân giải camera Chương trình tổng hợp cho phép thu thập liệu từ nhiều điểm đo, từ cung cấp phổ dao động tồn cơng trình Phương pháp tự hiệu chuẩn giá trị đo suốt trình sử dụng Biên đo dao động đo thay đổi, tùy thuộc vào vị trí lắp đặt camera kích thước hình nhận tia lazer Phương pháp đo dao động theo xử lý ảnh dùng để hiệu chuẩn cảm biến theo công nghệ khác công nghệ cảm biến thạch anh, cảm biến điện trở lực căng Phương pháp đo dao động theo xử lý ảnh đo ba trục dùng hai mặt phẳng thu nhận hai tín hiệu lazer 60