Ứng dụng công nghệ GPS giám sát chuyển dịch cầu tại việt nam

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG VĂN CÔNG BẰNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS GIÁM SÁT CHUYỂN DỊCH CẦU TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐỊNH VỊ VÀ BẢN ĐỒ BẰNG KỸ THUẬT TIN HỌC Mã số ngành: 2.16.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TIẾN SĨ: NGUYỄN NGỌC LÂU TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005 LỜI CẢM TẠ Xin chân thành cảm ơn Tiến só Nguyễn Ngọc Lâu người hướng dẫn khoa học tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô công tác Bộ môn Địa Tin Học người động viên tạo điều kiện tốt để thực luận văn Xin cảm ơn anh chị bạn học viên cao học lớp XLSL - K14 động viên giúp đỡ suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TỔNG QUAN CHƯƠNG 0: I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI II MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGOÀI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 2 The Batman Bridge: structural monitoring using GPS The Monitoring of Bridge Movements using GPS and Pseudolites “Giám sát dịch chuyển cầu sử dụng GPS Pseudolites” III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: .7 IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: V PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI: VI NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU DÂY VĂNG I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN: 10 II CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG 11 Cầu dây văng nhịp: 16 Caàu dây văng ba nhịp: 17 Cầu dây văng hai nhịp: 19 Cầu dây văng nhiều nhòp 20 Sơ đồ phân bố dây 21 a Sơ đồ dây đồng quy 21 b Sơ đồ dây song song 22 c Sơ đồ dây hình rẽ quạt 24 d Caùc sơ đồ dây liên hợp .24 Số mặt phẳng dây dạng tháp cầu 25 a Số mặt phẳng dây 25 b Các dạng tháp cầu 27 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CẦU MỸ THUẬN I SƠ LƯC VỀ CẦU MỸ THUẬN 29 II HÌNH DÁNG VÀ CẤU TRÚC 29 III CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT KẾ: 33 Một vài thông số kỹ thuật thiết kế 33 Số liệu thống kê số lượng xe qua cầu 34 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ I LỰA CHỌN THIẾT BÒ THU GPS: 36 Các thành phần thiết bị máy: 37 a Hai hộp máy thu: 37 b Anten hai tần số Legant 38 c Nguồn cung cấp 38 d Các phụ tùng khác 38 Đặc tính kỹ thuaät .39 a Maùy thu Legacy – E 39 b Maùy thu Legacy – H 40 II THIEÁT KẾ BÃI KIỂM NGHIỆM VÀ THU THẬP DỮ LIỆU 42 Chọn vị trí đặt máy thu 42 Cài đặt máy thu .44 Đo đạc thu thập liệu 44 III XỬ LÝ DỮ LIỆU: 45 Phần mềm xử lý: .45 Chuyển đổi tọa độ sang hệ tọa độ cục NEU: 50 a Cơ sở lý thuyết hệ thống toạ độ mối quan hệ chúng 50 b Chương trình chuyển đổi 54 Cơ sở lý thuyết đánh giá sai số: .54 Lọc liệu: 55 Kết xử lyù: 58 a Xử lý tónh .58 b Xử lý động .60 IV ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ: 62 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG LƯỚI ĐO GIÁM SÁT CẦU I KHẢO SÁT CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT MÁY THU: .63 Khảo sát thiết kế trạm đo 63 Vị trí đặt máy thu .65 II LẮP ĐẶT CAÙC MAÙY THU GPS: 68 Traïm Base: 68 Traïm Rover: 69 Lắp đặt thiết bị đo xử lý tín hiệu rung: .69 a Giới thiệu thiết bị: 69 b Lắp đặt thiết bò: 70 Thời gian thu liệu: 72 Truyền liệu: 72 III ƯỚC LƯNG TẢI TRỌNG XE QUA CẦU: 73 CHƯƠNG 5: I XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ KẾT QUẢ XỬ LÝ DỮ LIỆU: 77 II Thời gian từ 03:11:45 đến 05:48:06 .78 Thời gian từ 07:51:12 đến 08:57:15 83 Thời gian từ 09:47:34 đến 10:48:25 .87 Nhận xét chung 90 SO SÁNH KẾT QUẢ ĐO RUNG VỚI KẾT QUẢ ĐO GPS 93 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN I NHỮNG VẤN ĐỀ Đà LÀM ĐƯC .98 II NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ HẠN CHẾ 99 III HƯỚNG MỞ RỘNG CỦA ĐỀ TÀI .100 PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LUÏC 101 Chương trình chuyển đổi toạ độ sang NEU hệ toạ độ cầu 101 Chương trình lọc nhiễu .103 Chương trình vẽ đồ thị 104 Chương trình tính delta .106 PHỤ LUÏC 107 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng CHƯƠNG TỔNG QUAN I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Cùng với việc đưa công trình cầu vào vận hành để nối liền hệ thống giao thông đường việc quan trắc độ chuyển dịch tác động tổng hợp lực lên kết cấu công việc thường xuyên theo chu kỳ quan trắc Việc dự báo tác động lực lên kết cấu cầu so với thiết kế, tác động cộng hưởng hệ lực khác gây nguy hiểm gây tai nạn thiệt hại không lường trước kết cấu cầu việc làm quan trọng Với phương pháp đo thông thường thiết bị quang học, điện tử độ xác cao giải vấn đề đơn giản xác định độ võng dầm tác động tải trọng tónh hay độ chuyển dịch phần cố định kết cấu cầu mố trụ Nếu với số liệu đo tónh chưa mô hình trạng thái làm việc cầu, thực tế tải trọng tác động lên cầu tải trọng gió, tải trọng xe cộ, tác động địa chấn… tải trọng động mà ảnh hưởng lớn nhiều so với tải trọng tónh Hiện kỹ thuật đo GPS (Global Positioning System) ứng dụng rộng rãi nhiều lónh vực khác Việc phát triển nhanh chóng công nghệ mở cách mạng công nghệ lónh vực trắc địa – đồ theo hướng không ngừng nâng cao hiệu độ xác Độ xác GPS ngày đạt vài mm với khoảng cách hàng ngàn km kỹ thuật định vị tónh xác Bên cạnh GPS có điểm “mạnh” Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng phương tiện, thiết bị đo đạc khác kỹ thuật “đo động” Tuy độ xác không tốt kỹ thuật đo tónh có khả giám sát cấu trúc, vật thể trạng thái “chuyển động” Kỹ thuật đo động ứng dụng vào việc giám sát đối tượng động giám sát động đất, độ chuyển dịch châu lục cấu trúc làm việc tác động tải trọng động nhà cao tầng, cầu… Đặc biệt cầu có chiều dài tải trọng lớn cầu treo, cầu dây văng chiều dài vượt nhịp lớn dầm neo lên tháp hệ thống dây cáp mà không đặt cố định lên mố trụ cầu bê tông nên thường có độ dao động lớn Việc ứng dụng kỹ thuật đo GPS vào quan trắc độ dao động kết cấu cầu tải trọng động nước giới áp dụng nhiều Việt Nam đề cập đến Chính lẽ đề tài” Ứng dụng công nghệ GPS giám sát biến dạng cầu Việt Nam” chọn với mong muốn ứng dụng công nghệ vào lónh vực quan trắc cầu dây văng, cầu treo Việt Nam Việc quan trắc để nhận dãy số liệu khách quan liên tục nhằm xử lý tìm thông số cần thiết phục vụ cho việc dự báo diễn biến hoạt động cầu để có giải pháp tối ưu tu bảo dưỡng bảo đảm tuổi thọ cầu thiết kế II MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGOÀI LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI The Batman Bridge: structural monitoring using GPS “Ứng dụng công nghệ GPS giám sát chuyển dịch cầu Batman" (Tác giả: Christopher Stephen Watson, 1997) Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng Đây luận văn thạc sỹ với nội dung: ứng dụng công nghệ GPS để giám sát độ dao động cầu dây văng Batman – Australia Hình 0.1 Toàn cảnh cầu dây văng Batman-Australia ™ Cấu trúc cầu: (hình 0.1) Loại cầu dây văng bắt qua sông Tamar vị trí Whirlpool Reach xây dựng từ 1968 Cấu trúc gồm tháp hình chữ A cao 96.1m, nghiêng góc 20° Tổng chiều dài cầu 432m, với chiều dài nhịp 206m treo lên tháp hệ thống cáp dây, nhịp 48m nhịp 41.1m ™ Thiết bị đo: ƒ Máy thu tần số WILD System 200 (hình 0.2) Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng Hình 0.2 Máy thu Wild system 200 ™ Sơ đồ đo: (hình 0.3) Hình 0.3 Sơ đồ vị trí đặt máy thu Gồm trạm đo, trạm Base (trạm tónh) trạm Rover (trạm động) Trạm Base đặt bên bờ phía đông cầu Một trạm Rover đặt đỉnh tháp chữ A, trạm Rover lại đặt dầm khoảng khe nhiệt đoạn cuối dây cáp treo vị trí xảy biến dạng nhiều ™ Các bước thực hiện: ƒ Kiểm tra độ xác máy thu: Kết kiểm nghiệm: - độ xác mặt bằng: ± 1.1mm - độ xác độ cao: Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu ± 9.6mm Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng thực tế ảnh hưởng tải trọng xe đến độ dao động cầu chu kỳ dài Cụ thể cầu Mỹ Thuận xe chạy từ đầu cầu bên sang bên phải 3-4 phút ƒ Do thời gian đo chung phương pháp đo rung phương pháp đo GPS không dài (khoảng 300 giây) nên kết luận mang tính tương đối Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 97 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng CHƯƠNG KẾT LUẬN I NHỮNG VẤN ĐỀ Đà LÀM ĐƯC: Vấn đề ứng dụng công nghệ GPS để giám sát mức độ dao động cầu nhiều nhà khoa học giới áp dụng nhiều hình thức khác nhau, với loại thiết bị máy thu GPS có độ xác khác có nhiều nghiên cứu cải thiện độ xác phương pháp đo Tuy nhiên Việt Nam vấn đề mẻ chưa có kết nghiên cứu công nghệ công bố Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ với cố gắng tìm hiểu học viên hoàn thành số công việc sau: Tìm hiểu sơ cấu trúc, đặc điểm cấu tạo, nguyên tắc làm việc loại cầu dây văng nói chung đối tượng nghiên cứu cầu Mỹ Thuận nói riêng Đưa quy trình kiểm nghiệm đánh giá độ xác thiết bị bao gồm bước: ƒ Tiêu chuẩn để lựa chọn thiết bị ƒ Thiết kế bãi kiểm nghiệm ƒ Xử lý liệu ƒ Đánh giá kết kiểm nghiệm: máy thu Legacy- E o Độ xác theo phương đứng ±7mm o Độ xác theo phương ngang: Hướng Bắc ±4mm Hướng Đông ±3mm Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 98 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng Chỉ số tiêu thiết kế thi công lưới đo giám sát cầu Mỹ Thuận Kết xử lý liệu suốt trình đo đạc sau: ƒ Độ chuyển dịch lớn dầm cầu theo phương đứng là: 45mm ±7mm ƒ Độ chuyển dịch lớn dầm cầu theo phương dọc là: 32mm ±4mm ƒ Độ chuyển dịch lớn dầm cầu theo phương ngang là: 13mm ±3mm Như nội dung luận văn đáp ứng mục tiêu ban đầu đặt “xây dựng quy trình giám sát biến dạng cầu từ khâu thiết kế, thi công, đo đạc đến xử lý số liệu đánh giá kết Việt Nam” II NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI: Đây lần học viên tiếp xúc với vấn đề nghiên cứu vừa mang tính khoa học vừa mang tính thực tiễn, chưa có kinh nghiệm nên trình thực luận văn gặp phải số khó khăn hạn chế sau: Về thiết bị: máy thu GPS Legacy – E mà học viên sử dụng thu tín hiệu hai tần số vào ngày “Cinderela day” (mỗi tháng có hai ngày thứ ba ngày Cinderela day), làm hạn chế số ngày thu tín hiệu Do vị trí cầu cách xa TP HCM dẫn đến khó khăn cho việc xếp tổ chức đo đạc thu thập số liệu Kết đo xử lý tín hiệu rung cung cấp kết xử lý dạng đồ thị in giấy (không xuất thành file liệu) kết Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 99 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng khác biệt so với liệu đo GPS dẫn đến khó khăn cho việc so sánh kết xử lý hai loại thiết bị Do có số liệu giám sát lưu lượng xe qua cầu, số liệu đo tác động tải trọng gió, đo độ dịch chuyển dầm cầu nhiệt độ… nên không phân tích cách xác mức độ dao động theo phương dọc phương ngang Việc ước lượng tải trọng xe cách đếm số lượng xe qua cầu chưa chặt chẽ, giám sát tải trọng thực tế xe III HƯỚNG MỞ RỘNG CỦA ĐỀ TÀI Khảo sát số liệu với máy thu hai tần số với số lượng máy thu đầy đủ Để cải thiện độ xác kết đo tương lai kết hợp thiết bị GPS với Pseudolite thiết bị khác để nâng cao độ xác Có thể áp dụng thiết bị đo đạc khác máy kinh vó, thiết bị đo dao động cho kết xác cao để đối chiếu với kết đo GPS Đi kèm với số liệu giám sát thiết bị GPS yếu tố ảnh hưởng đến độ dao động cầu tải trọng gió, thuỷ triều, giãn nở nhiệt độ… phải đo đạc đầy đủ Việc ứng dụng công nghệ GPS ứng dụng để giám sát độ dao động cầu mà hoàn toàn áp dụng công trình khác nhà cao tầng, trụ tháp Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 100 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Lâu Cải thiện phương pháp tính toạ độ vệ tinh GPS từ lịch phát tín Bài báo đăng hội nghị khoa học lần thứ [2] Nguyễn Ngọc Lâu - Nguyễn Đăng Thiện Đánh giá độ xác thông tin lịch phát liệu sau SA tắt Bài báo đăng tạp chí Trắc - Địa Bản Đồ số năm 2001 [3] Nguyễn Ngọc Lâu Định vị vệ tinh Bài giảng cao học [4] Chistopher Stephen Watson The Batman bridge structural monitoring using GPS Luận văn thạc só [5] Đinh Viết Chủng Khảo sát độ xác đo động máy tần số Topcon Legacy-E Luận văn tốt nghiệp đại học năm 2003 [6] Nghiên cứu sở khoa học việc xây dựng mạng lưới GPS cấp hạng hệ toạ độ động học [7] Lê Đình Tâm – Phạm Duy Hòa Cầu Dây Văng NXB Khoa Học Kỹ Thuaät-2001 [8] Vietnam News March 14, 1998 "Cable Extension Begins on My Thuan Bridge." [9] Mares, Peter March 1998 "Building Bridges in Vietnam." Asia Pacific Magazine Issue No 9-10, March 1998 [10] AusAID May 21, 1997 "Builder of My Thuan Bridge Selected." Media Releases & Hot Topics Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 109 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng [11] Phạm Thị Bình Ngày 23 tháng 10 năm 1999 "Cầu Mỹ Thuận dang tay chào kỷ." Báo Tin Tức [12] Karoumi, R 1998 "Response of Cable-Stayed and Suspension Bridges to Moving Vehicles – Analysis and Practical Modeling Techniques." Doctoral Thesis, TRITA-BKN Bulletin 44, Department of Structural Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden [13] Williams, Christine "Vietnam: Building Bridges to the 21st Century" Newsbrief 97 Monash International [14] Nguyen, Dieu T 1999 The Mekong River and the Struggle for Indochina: Water, War, and Peace Praeeger: Westport, Connecticut [15] Thông Tấn Xã Việt Nam Ngày tháng 10 năm 1999 "Dự kiến tháng 82001 khởi công xây dựng cầu Cần Thơ." [16] Nguyen, Man T 1996 "Development of the Transport and Communication Infrastructure in the Mekong Delta." Development Dilemmas in the Mekong Subregion Workshop Proceedings 1-2 October 1996 Edited by Bob Stensholt Clayton, Australia [17] The Monitoring of Bridge Movements using GPS and Pseudolites (Tg:Joel Barnes, Chris Rizos, Jinling Wang) [18] Simulation of the effects of the introducing pseudolite data into bridge deflection monitoring data (Tg: Dr X Meng, Dr G W Roberts, Prof A H Dodson, Miss E Ecosser, Dr C Noakes) [19] The use of kinematic GPS and triaxial accelerometers to monitor the deflections of large bridges (Tg: G W Robert; X Meng; A.H.Dodson) Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 110 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng [20] My Thuan Bridge: Monitoring success “ Cầu Mỹ Thuận: Kết chương trình đánh giá lợi ích tác động” – 11/2003 down load từ trang web: http://www.ausaid.gov.au/publications/pdf/my_thuan_monitoring_report.pdf [21] My Thuan Bridge, Viet Nam Down load từ trang web http://www.aasjakobsen.no/Bridges/References/My_Thuan_Bridge/my_thuan_bridge_e.htm Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Lâu 111 Luận văn thạc sỹ Học viên: Đặng Văn Công Bằng PHỤ LỤC CÁC CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH TRÊN MATLAB Chương trình chuyển đổi toạ độ sang NEU hệ toạ độ cầu (Dọc Ngang Đứng) clear all; fid1=fopen('E:\bang\cao hoc\luanvan\do cau my thuan\report\phai BLH.txt','r'); % Mo tap tin doc, ghi du lieu fid2=fopen('E:\bang\cao hoc\luanvan\do cau my thuan\report\phai XYZ.txt','r'); fid3=fopen('E:\bang\cao hoc\luanvan\do cau my thuan\report\chuyen\phai NEU.txt','w'); fid4=fopen('E:\bang\cao hoc\luanvan\do cau my thuan\report\chuyen\phai CAU.txt','w'); for i=1:11 %Doc qua cac dong dau cua tap tin str = fgets(fid1); end for i=1:11 %Doc qua cac dong dau cua tap tin str = fgets(fid2); end; pi = 3.14159; syms N E U; arrNEU = [N; E; U]; a = 6378137; e2 = 0.00669437999013; stop =0; while (stop