Luận án trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng và phát triển phương pháp, mô hình, giải thuật và công cụ nhằm cảnh báo nguy cơ trượt lở đất. Nghiên cứu, xây dựng hệ thống quan trắc: Đo chuyển vị mặt đất, áp lực nước lỗ rỗng; Ứng dụng mạng cảm biến không dây và đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp với mô hình cảnh báo trượt lở đất. Nghiên cứu nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng tại nút cảm biến đặt tại sườn dốc.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIẢN QUỐC ANH NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG Hà Nội – 2020 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 GS.TS Bùi Tiến Diệu 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 Nội MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trượt lở đất (landslide) một dạng tai biến địa chất, xảy nơi có địa hình dốc, đất, đá hay mảnh vỡ dịch chuyển nhanh phía chân dốc Trượt lở đất xảy đột ngột với đất đá có tốc đợ di chuyển nhanh gây mối đe dọa tính mạng, tài sản sở hạ tầng Trượt lở đất có nguyên nhân mưa chiếm số lượng lớn giới Việt Nam Dự báo trượt lở đất bao gồm xác định vị trí, phạm vi, thời điểm, cường độ trượt đất xảy Cảnh báo sớm trượt lở đất giải pháp quan trọng để phòng tránh giảm nhẹ hậu Xây dựng Hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt lở đất (EWS) một giải pháp hiệu EWS nên bao gồm hoạt động: 1) giám sát: thu thập liệu, truyền thơng trì hoạt đợng thiết bị; 2) phân tích dự báo; 3) cảnh báo: đưa tin hiểu mối đe dọa có nguy xảy Đối với quy mô sườn dốc riêng lẻ, hệ thống cảnh báo sớm chủ yếu dựa việc theo dõi biến dạng khối trượt yếu tố kích hoạt Mơ hình số dựa hiểu biết quy luật vật lý kiểm sốt khơng ổn định mái dốc Hệ thống tích hợp liệu giám sát trực tiếp mơ hình số hệ thống hiệu để cảnh báo sớm trượt lở đất Mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án đề xuất xây dựng một hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt lở đất mưa thời gian thực, triển khai thử nghiệm sườn dốc đánh giá có nguy trượt lở đất cao Mục tiêu cụ thể: Xây dựng phát triển phương pháp, mơ hình, giải thuật công cụ nhằm cảnh báo nguy trượt lở đất Nghiên cứu, xây dựng hệ thống quan trắc: đo chuyển vị mặt đất, áp lực nước lỗ rỗng Ứng dụng mạng cảm biến không dây đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp với mô hình cảnh báo trượt lở đất Nghiên cứu nhóm giải pháp tiết kiệm lượng nút cảm biến đặt sườn dốc Đối tượng phạm vi nghiên cứu Mơ hình hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất giới hạn một mặt dốc Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tượng trượt lở đất, nguyên nhân, cách nhận biết mơ hình phân tích trượt lở đất Nghiên cứu giải pháp thu thập liệu, xử lý tín hiệu để đưa thơng tin cảnh báo xác Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng mạng cảm biến khơng dây ứng dụng mơ hình EWS Mơ hình hóa mơ giải thuật cảnh báo trượt lở đất Kiểm chứng thuật toán với liệu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm kiểm chứng Trước tiên phải nghiên cứu lý thuyết học đất, trượt lở đất, giải pháp thu thập liệu kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để thu thập, xử lý, giải thuật giám sát cảnh báo Tiếp đó, mơ hình hóa mơ ngun lý hoạt đợng để đánh giá tính hiệu giải thuật hệ thống đề xuất Sau đó, xây dựng nút cảm biến kết nối thành một hệ thống thực tế Cuối cùng, hệ thống thực tế kiểm chứng thực nghiệm phịng thí nghiệm thực địa Ý nghĩa khoa học đóng góp luận án Ý nghĩa khoa học Tính liên ngành luận án thể rõ nét Kết hợp nghiên cứu trượt lở đất kỹ thuật thu thập, xử lý tín hiệu để xây dựng một hệ thống giám sát, cảnh báo thời gian thực Kết hợp hai giải pháp đo biến dạng khối trượt mơ hình số phân tích hệ số an toàn cho phép hệ thống cảnh báo tức thời đồng thời dự báo nguy trượt lở đất Đóng góp luận án Thứ nhất, đề xuất nhóm giải pháp tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây ứng dụng hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất mưa phạm vi mặt dốc Hệ thống tự đợng chuyển đổi cấu hình mạng dựa mơn hình tính tốn hệ số an toàn FoS, thay đổi tần số lấy mẫu áp dụng giải pháp lấy mẫu nén cải tiến Thứ hai, đề xuất mơ hình, quy tắc hoạt động hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất phạm vi mặt dốc để dự báo cảnh báo thời gian thực Trong kết hợp mạng cảm biến khơng dây để thu thập thông tin biến dạng mặt dốc thơng số đất với mơ hình số đánh giá trượt lở đất để dự báo cảnh báo thời gian thực CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Nghiên cứu giới Cảnh báo dài hạn sử dụng công nghệ viễn thám hệ thống thông tin địa lý GIS để theo dõi, giám sát dịch chuyển khối trượt, từ đưa cảnh báo Gần đây, GPS công nghệ radar nghiên cứu để sử dụng việc giám sát dịch chuyển dài hạn khu vực rộng bề mặt dốc Cảnh báo tức thời sử dụng cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở đất dịch chuyển, biến dạng điều kiện thủy văn trước cố trượt lở đất xảy 1.2 Nghiên cứu nước Các đề tài thực theo hướng nghiên cứu nguyên nhân trượt lở đất, đánh giá rủi ro trượt lở đất diện rộng dựa phân tích tính chất đất đá, địa hình địa mạo, thủy văn Kết đề tài đồ dự báo nguy trượt lở cấp vùng Đề xuất giải pháp cơng trình phi cơng trình để phòng tránh thiệt hại trượt lở đất Việc xây dựng hệ thống cảnh báo tức thời mẻ Việt Nam 1.3 Một số mơ hình hệ thống cảnh báo thực tế 1.4 Thách thức xây dựng hệ thống cảnh báo trượt lở đất mưa Xác định trước khối trượt một vấn đề hệ thống EWS Việc lựa chọn tham số cần quan trắc để dự báo trượt lở đất cần đánh giá Triển khai hệ thống giám sát địi hỏi nguồn kinh phí lớn Hệ thống phải giám sát hoạt động ổn định, liên tục khoảng thời gian dài 1.5 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Phân tích mợt số mơ hình hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất mưa Chương đề cập đến thách thức xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo xác định vị trí trượt lở đất, khối lượng trượt, lựa chọn thơng số cần giám sát, tính ổn định tin cậy hệ thống, yêu cầu thực tế giá thành xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo CHƯƠNG CẢNH BÁO TRƯỢT LỞ ĐẤT DO MƯA VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Trượt lở đất mưa 2.1.1 Đặc điểm, nguyên nhân, chế trượt lở đất mưa Trọng lực yếu tố gây trượt lở đất, thường có tác nhân kích hoạt q trình trượt lở Trượt lở đất xảy kết tổng hợp nguyên nhân bên (địa hình, địa chất, thủy văn) ngun nhân bên ngồi (mưa, bão, hoạt đợng người) Các yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở đất mưa bao gồm: cường độ mưa, thời gian mưa, hình dạng sườn dốc, địa chất, địa hình, thảm thực vật, bề rộng độ sâu khối trượt Để thực hệ thống cảnh báo trượt lở mưa, cần xác định trạng thái không ổn định mặt dốc Cụ thể, trạng thái ổn định xác định cách sử dụng Hệ số an toàn (FoS) Việc tính tốn FoS cho mợt sườn dốc thực theo hai bước: (i) thực phân tích thấm dựa phương pháp Phần tử hữu hạn FES để ước tính áp lực nước lỗ rỗng thân dốc, dựa đường cong đặc trưng đất-nước hàm thấm; (ii) thực phân tích Đợ ổn định mặt dốc phương pháp cân giới hạn LESS để tính tốn tham số lực kháng cắt khơng bão hịa, sau ước tính FoS cho sườn dốc Trong nghiên cứu này, phân tích FES LESS thực tương ứng cách sử dụng phần mềm thương mại SEEP/W SLOPE/W GeoStudio Theo đó, áp lực nước lỗ rỗng tính phương trình dịng chảy ngầm: h h H kx + k y + q = mw w x x y y t (2.1) h biến đợ cao thủy lực dịng chảy, kx hệ số thấm theo hướng 𝑥; ky hệ số thấm theo hướng 𝑦; H độ cao cột nước; 𝑞 thông lượng đặt biên; mw độ dốc đường cong đặc trưng đất- nước (SWCC); w trọng lượng đơn vị nước t thời gian Mơ hình LESS sử dụng lực kháng cắt đất chưa bão hịa để ước tính FoS phương trình 2.2: Ti = c '+ ( − ua ) tan '+ (ua − uw ) tan b , (2.2) Ti ứng suất cắt lát thứ 𝑖 mặt trượt; c′ lực dính kết hiệu quả; 𝛿 tổng ứng suất bình thường; uw áp lực nước lỗ rỗng; ua áp suất khí lỗ rỗng; (ua- uw) lực hút dính; ( − ua ) ứng suất pháp thực mặt trượt trạng thái phá hoại; ϕ′ góc ma sát hiệu dụng; ϕb góc ma sát biểu kiến biểu thị độ dốc đường quan hệ lượng tăng ứng suất cắt lực hút dính Đường cong đặc trưng đất – nước thông số đặc trưng đất khơng bão hịa, sử dụng để xác định thông số đất không bão hịa Khi mơ hình LESS cho trượt lở xác định, FoS cho trượt lở tính tỷ số lực kháng cắt với ứng suất cắt sau [148]: T FoS = i i = 1: N , (2.3) i N số lượng lát bề mặt trượt; τi ứng suất bình thường hiệu dụng lát thứ i bề mặt trượt Như vậy, FoS theo dõi đánh giá cách sử dụng mạng cảm biến không dây để thu thập tham số mặt dốc phần mềm GeoStudio cài đặt trạm giám sát 2.2 Một số giải pháp xây dựng hệ thống cảnh báo trượt lở đất mưa 2.2.1 Cảnh báo trượt lở đất dựa thông tin mưa Đối với cảnh báo phạm vi quốc gia phạm vi vùng, hệ thống cảnh báo sớm xây dựng chủ yếu dựa thiết lập đường cong I-D thể mối quan hệ trượt lở đất với cường độ mưa (I) thời gian mưa (D) 2.2.2 Cảnh báo trượt lở đất dựa giám sát dịch chuyển mặt dốc Quan trắc dịch chuyển mặt dốc theo thời gian thực một tham số trực tiếp thường sử dụng để dự báo trượt lở đất Các thiết bị đo nghiêng thường kết nối thành chuỗi đặt hố khoan độ sâu khác Công nghệ GPS radar áp dụng để giám sát dịch chuyển mặt đất theo thời gian 2.2.3 Cảnh báo trượt lở đất dựa mơ hình số mặt dốc Mợt số mơ hình phát triển đánh giá Theo đó, ngưỡng cảnh báo xác định chuyên gia thông qua đánh giá liệu sử dụng mơ hình số Hệ thống tích hợp liệu giám sát mơ hình số đánh giá hệ thống hiệu cho dự báo sớm trượt lở đất 2.3 Mơ hình số mặt dốc mơ sử dụng phần mềm GeoStudio Chỉ số quan trọng phân tích đợ ổn định mái dốc hệ số an toàn (FoS), định nghĩa tỷ số lực kháng cắt ứng suất cắt dọc theo bề mặt trượt Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng đường cong đặc trưng đất – nước (SWCC) hàm thấm để mơ dịng chảy nước qua đất khơng bão hòa, xác định áp lực nước lỗ rỗng sườn dốc tác động mưa Phương pháp cân giới hạn sử dụng để phân tích đợ ổn định mái dốc GeoStudio một phần mềm địa kỹ thuật sử dụng phân tích ứng suất-biến dạng, thấm, ổn định mái dốc Bộ công cụ Geostudio có SEEP/W để tính thấm SLOPE/W để tính ổn định mái dốc SEEP/W sử dụng để mơ hình lượng nước mưa thấm vào mái dốc, xác định thay đổi áp suất nước lỗ rỗng SLOPE/W sử kết phân tích thấm để tính tốn hệ số an tồn FoS 2.4 Mạng cảm biến không dây ứng dụng giám sát cảnh báo 2.4.1 Mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng rộng rãi ưu điểm khả giám sát từ xa với số lượng nút cảm biến lớn, giá thành thấp, dễ triển khai Bên cạnh đó, WSN bị giới hạn băng thông thấp, khoảng cách truyền ngắn, khả xử lý liệu lưu trữ thông tin nút thấp, lượng nút cảm biến hạn chế Yêu cầu WSN thay đổi đáng kể phụ thuộc vào ứng dụng Trong hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở mưa, cảm biến nút cảm biến đo thông số trượt lở đất (như áp suất nước lỗ rỗng, độ nghiêng độ rung) truyền liệu thu trạm trung tâm thông qua liên kết không dây 2.4.2 Mạng PAN (Personal Area Network) 2.4.2.1 ZigBee ZigBee một giao thức mạng không dây tầm ngắn sử dụng cho mạng khu vực cá nhân, định nghĩa lớp phía chuẩn IEEE 802.15.4 ZigBee chuẩn hóa lớp mạng lớp ứng dụng hướng tới thiết bị có giá thành cơng suất tiêu thụ thấp 2.4.2.2 6LoWPAN 6LoWPAN định nghĩa cách thực giao thức IPv6 mạng PAN không dây, tốc đợ liệu thấp, cơng suất thấp, diện tích nhỏ chuẩn IEEE 802.15.4 2.4.3 Cảm biến hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất Việc thiết kế thực thành công hệ thống cảnh báo sớm trượt lở mưa gây phụ thuộc nhiều vào cảm biến mạng sử dụng Đối với hệ thống cảnh báo trượt lở đất, việc lựa chọn cảm biến phụ tḥc vào tham số kích hoạt trượt lở Theo đó, tham số giám sát là: (i) tham số gián tiếp lượng mưa, mực nước ngầm, độ ẩm áp lực nước lỗ rỗng khối trượt độ sâu khác nhau; (ii) tham số trực tiếp biên độ, tốc độ hướng dịch trượt sườn dốc 2.4.4 Nút cảm biến Nút cảm biến bao gồm bộ thu phát không dây, bộ cấp nguồn, mô-đun quản lý nguồn, bộ xử lý cảm biến Nút cảm biến ghi nhận tham số môi trường, xử lý, đóng gói, truyền, nhận chuyển tiếp liệu Một số nút thiết lập làm chức cụm trung tâm có khả chuyển tiếp liệu từ nút cảm biến khác đến gateway ngược lại Mỗi nút cảm biến gồm nhiều loại cảm biến để thu thập thông tin 2.5 Thách thức việc ứng dụng WSN cảnh báo trượt lở đất giải pháp Những ràng buộc hệ thống cần thiết kế: thời gian hoạt đợng liên tục cần kéo dài một mùa mưa Một điểm nghẽn ứng dụng WSN hạn chế lượng Nguồn pin, với lượng hạn chế, thường sử dụng để cung cấp lượng cho mọi hoạt động SN Khi triển khai môi trường khắc nghiệt nguy hiểm, việc thay nguồn pin khả thi Vấn đề khả tùy biến độ tin cậy WSN WSN thường triển khai điều kiện mơi trường thay đổi có tính chất tùy biến Vị trí nút biết trước hay ngẫu nhiên, cố định di động Số lượng SN có tính chất tùy biến có khả mở rộng WSN phải đáp ứng điều kiện khả mở rộng, khả hoạt động độc lập SN trường hợp SN khác gặp vấn đề Vấn đề tắc nghẽn mạng WSN WSN gồm số lượng SN lớn có xu hướng tăng thêm, liệu thu thập với số lượng lớn, thời gian hoạt động kéo dài Dữ liệu cần phải xử lý trước truyền để giảm tắc nghẽn Vấn đề đồng WSN Đồng bộ mạng WSN cần thiết để đảm bảo phối hợp hoạt động nút nhịp nhàng, mối quan hệ thông tin thu nút theo thời gian thể Phát bất thường: An ninh mạng một vấn đề lớn WSN Do truyền không dây, nhiều kiểu công lấy liệu chiếm quyền điều khiển thực Vấn đề định vị WSN: Định vị WSN để xác định vị trí SN, từ phát vị trí SN bị lỗi, nơi có diễn biến bất thường v.v 2.6 Kết luận chương Chương trình bày đặc điểm, chế trượt lở đất mưa, mô hình số phân tích hệ số an tồn FoS Việc phân tích thấm tính hệ số an tồn dựa khảo sát mặt dốc tham số lý mẫu đất đá Phần mềm thương mại GeoStudio với hai công cụ SEEP/W SLOPE/W sử dụng để phân tích mơ hình Chương phân tích giải pháp giám sát mặt dốc sử dụng thiết bị đo biến dạng, đo thông số đất thông tin mưa Hệ thống giám sát cảnh báo sử dụng mạng cảm biến không ưu điểm khả triển khai, tính linh hoạt, lượng tiêu thụ thấp Bên cạnh đó, thách thức ràng buộc áp dụng mạng cảm biến không dây hệ thống giám sát cảnh báo trình bày CHƯƠNG GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT LỞ ĐẤT DO MƯA 3.1 Năng lượng mạng cảm biến không dây WSN phù hợp với EWMRIL thiết lập môi trường khắc nghiệt, không dễ tiếp cận, nút cảm biến thường sử dụng pin để cung cấp lượng hoạt đợng Do đó, tối ưu hóa mức tiêu thụ lượng cho WSN cần thiết Đối với toán cảnh báo trượt lở đất mưa, một đặc điểm cần khai thác trượt lở đất diễn theo mùa Lượng mưa phân bố không đồng tháng năm mà tập trung chủ yếu mùa mưa, hoạt động trượt lở diễn chủ yếu vào mùa mưa 3.2 Chuyển đổi linh hoạt cấu hình mạng 3.2.1 Thiết kế hệ thống Hệ thống EWMRIL đề xuất gồm nút cảm biến đo thông số môi trường để giám sát trượt lở đất Các nút cảm biến giao tiếp không dây với trạm trung tâm sử dụng chuẩn Zigbee Trạm trung tâm đặt vị trí an tồn gần sườn dốc để đảm bảo trạm hoạt đợng bình thường trường hợp trượt lở đất xảy Trạm trung tâm nhận liệu từ nút cảm biến mà đọc liệu trực tiếp từ trạm đo mưa thiết kế riêng cho hệ thống Dữ liệu nhận từ trạm trung tâm gateway xử lý tải lên sở liệu máy chủ web thông qua Internet và/hoặc GSM/GPRS Máy trạm phân tích liệu dựa mơ hình thiết lập sử dụng phần mềm thương mại GeoStudio để tính tốn, dự báo hệ số an tồn Trên sở đó, cảnh báo cần thiết gửi tới người có liên quan qua tin nhắn hệ thống loa báo Hệ số an tồn FoS khơng sử dụng để phát thông tin cảnh báo mà cịn định cấu hình lại hệ thống 3.2.2 Ngun tắc hoạt động Hình 3.1 Cấu hình mạng a) cấu hình sao; b) cấu hình Nút cảm biến Bảng 3-2 Tỷ lệ phân phối gói (PDR) cho cấu hình cấu hình Tổng số gói Tổng số gói Tỉ lệ gói nhận Tỉ lệ gói nhận Tổng số gói nhận nhận được được truyền (Cấu hình (Cấu hình (Cấu hình (Cấu hình cây) sao) cây) sao) 140 140 140 100% 100% 103 103 103 100% 100% 127 127 127 100% 100% 109 109 109 100% 100% 133 133 133 100% 100% 118 118 118 100% 100% 3.3 Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu nén CS (Compress Sensing) một kỹ thuật sử dụng một số lượng mẫu nhỏ số mẫu theo định lý Nyquist để tái tạo lại mợt tín hiệu thơng qua việc sử dụng thuật tốn phi tuyến tính CS dựa tính thưa thớt tính khơng liên kết 3.3.1 Ngun tắc hoạt động Kỹ thuật lấy mẫu nén áp dụng để giảm lượng liệu truyền tiết kiệm điện cách sử dụng phép biến đổi Fourier để chuyển đổi liệu từ miền thời gian sang miền tần số truyền với hệ số Fourier tương ứng Trạm trung tâm nhận liệu truyền tới sử dụng mợt thuật tốn phi tuyến để tái tạo lại liệu ban đầu Đầu tiên, nút cảm biến, liệu môi trường lấy mẫu nhiều cảm biến Bước thứ hai, liệu chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số cách sử dụng phép biến đổi Fourier Tiếp theo, nút cảm biến gửi một lượng ngẫu nhiên hệ số Fourier tương ứng đến trạm trung tâm Dữ liệu miền thời gian tái tạo lại mợt thuật tốn phi tuyến tính phù hợp Trong luận án này, một sở xác định tạo một chuỗi giả ngẫu nhiên đề xuất để thay cho sở ngẫu nhiên túy So với CS, điểm mạnh giải pháp trình tự dễ dàng cài đặt vào vi điều khiển trước lắp ráp nút cảm biến trường Bản đồ logic dựa cấu trúc đợng chuyển đổi thành mợt chuỗi có hành vi giống Gaussian: q(n + 1) = q(n)(1 − q(n)) (3.1) ρ tham số điều khiển; điều kiện ban đầu q(0) ảnh hưởng lớn đến động lực phương trình 3.1 q(0) thay đổi mợt giá trị nhỏ nhanh chóng dẫn đến thay đổi lớn giá trị q(n) Tín hiệu thưa thớt tái tạo cách sử dụng phương pháp bình phương nhỏ điều chỉnh l1 Vấn đề giải 11 arg Fu x − y + x x subject to (3.2) Fu x − y 𝜆 số điều chỉnh 𝐹𝑢 toán tử Fourier lấy mẫu 3.3.2 Kết thực nghiệm Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc tái tạo máy thu hiển thị Hình 3.4, Hình 3.5 Hình 3.6 tương ứng Dữ liệu giảm 25% Hình 3.4 Dữ liệu từ cảm biến nhiệt với r =0.25 Hình 3.5 Dữ liệu từ cảm biến độ ẩm với r =0.25 Hình 3.7 ảnh hưởng tỷ số nén sai số tương đối Quan sát thấy sai số lớn tỷ lệ nén phạm vi thấp từ 0,25 đến 0,5 Nếu tỷ lệ nén lớn 0,55, sai số nhanh chóng giảm xuống khơng Hình 3.6 Dữ liệu từ cảm biến gia tốc với r =0.25 Hình 3.7 Ảnh hưởng tỉ số nén đến sai số tương đối 12 Để phân tích hiệu suất hệ thống tái tạo ảnh hưởng tỷ lệ nén, một tham số gọi sai số tái tạo tương đối (e) đề xuất: L | x − xˆ | e = 100% i i (3.3) L i =1 | xˆi | L tổng số liệu sử dụng để tính tốn, 𝑥 biểu thị liệu ban đầu xˆ biểu thị liệu tái tạo 3.4 Kết luận chương Chương đề xuất cấu hình linh hoạt nguyên tắc làm việc cho nút cảm biến khơng dây gateway Theo đó, hai kịch hoạt động: chế độ cảnh báo với tốc đợ lấy mẫu cao chế đợ bình thường với tốc độ lấy mẫu thấp chuyển đổi phù hợp với diễn biến an toàn mặt dốc Luận án đề xuất một hệ thống linh hoạt cho cấu hình EWMRIL Hệ thống đề xuất kết hợp cấu hình cấu hình để sử dụng tình giám sát khác khơng để tiết kiệm lượng mà cịn cải thiện độ tin cậy vận hành hệ thống EWMRIL Kết thử nghiệm cho thấy hiệu suất EWMRIL với mạng WSN đề xuất tốt so với hệ thống thông thường sử dụng cấu hình cấu hình Phương pháp lấy mẫu nén áp dụng để giảm số lượng mẫu truyền Một số lượng hữu hạn hệ số Fourier liệu miền thời gian truyền làm giảm mức tiêu thụ điện Đóng góp thể báo số (1) (2) danh mục cơng trình công bố luận án 13 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT LỞ ĐẤT DO MƯA 4.1 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống cảnh báo sớm trượt lở mưa 4.1.1 Cảm biến gia tốc Mục đích cảm biến xác định biến dạng mặt dốc bao gồm tốc độ dịch chuyển, chuyển động nghiêng độ rung vị trí sườn dốc giám sát để đưa cảnh báo Gia tốc tính phương trình: 𝐴𝐶𝐶𝑖 = (𝑆𝑎𝑚𝑖 / 1024 × 𝑅 − 𝑂𝑖 ) /𝑆𝑒𝑛𝑖 (4.1) ACCi giá trị gia tốc theo hướng i (i = X, Y, Z); Sami giá trị sau lấy mẫu trục i; R điện áp tham chiếu; Oi phần bù Seni độ nhạy cảm biến gia tốc trục i 4.1.2 Cảm biến áp lực nước lỗ rỗng (PWP) Cảm biến PWP sử dụng để đo áp lực nước ngầm sườn dốc Tùy thuộc vào cấu trúc ngầm sườn dốc, nên đặt một số cảm biến PWP độ sâu khác để theo dõi tác động áp lực nước lỗ rỗng âm dương 4.1.3 Cảm biến độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất sử dụng để đo hàm lượng thể tích nước đất Hàm thể tích lượng nước xác định gián tiếp thơng qua việc đo độ dẫn điện môi trường đất xung quanh chúng phương trình: 𝑆𝑀 = (𝑆𝑀𝐴𝐷𝐶 − 𝑂𝑆𝐴𝐷𝐶 ) ∗ 200 1023 − 𝑂𝑆𝐴𝐷𝐶 (4.2) SM giá trị độ ẩm đất (%); SMADC đầu bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC); OSADC giá trị bù Kpa 4.1.4 Thiết bị đo lượng mưa Trong luận án này, một thiết bị đo mưa giá thành thấp thiết kế bổ sung cho hệ thống để đo lượng mưa Dữ liệu thời gian thực từ thiết bị đo mưa chuyển đến phần mềm GeoStudio máy tính trạm để mô phân bố áp lực nước lỗ rỗng sườn dốc 4.2 Thiết kế nút cảm biến Sơ đồ khối một nút cảm biến thể Hình 4.1, bao gồm cảm biến, mạch điều khiển Waspmote, pin, mơ-đun ZigBee RF XBee-Pro 14 Hình 4.1 Sơ đồ khối nút cảm biến Nút cảm biến khơng dây đề xuất gồm có cảm biến áp lực nước lỗ rỗng, cảm gia tốc cảm biến đợ ẩm đất Ngồi ra, nút cảm biến có bus truyền thơng, bợ vi xử lý, pin lithium mơ-đun truyền thơng khơng dây Hình 4.2 (a) Thành phần nút cảm biến không; (b) Ảnh nút cảm biến khơng dây Hình 4.3 Chức nút cảm biến 15 Nút cảm biến có chức thu thập liệu, xử lý thông tin, đồng bộ, chuyển tiếp định tuyến liệu, chức thường xảy đồng thời 4.3 Giao tiếp không dây Luận án sử dụng mô-đun ZigBee XBee-Pro dựa chuẩn giao tiếp không dây IEEE 802.15.4 thiết kế để hoạt động với giao thức ZigBee 4.4 Hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt lở đất mưa (EWMRIL) 4.4.1 Cấu trúc hệ thống giám sát cảnh báo sớm Cấu trúc hệ thống giám sát cảnh báo sớm đề xuất trượt lở đất mưa EWMRIL trình bày Hình 4.4 Bợ vi xử lý nút cảm biến thu thập liệu từ tất cảm biến chuyển sang mô đun truyền thông khơng dây, sau mơđun truyền thơng khơng dây gửi liệu đến trạm trung tâm gateway Trong bước tiếp theo, liệu tải lên máy chủ Web thơng qua gateway Sau đó, liệu từ máy chủ Web định dạng chuyển tiếp đến trang web giám sát, điện thoại di động người phụ trách máy trạm Cuối cùng, chương trình GeoStudio máy trạm sử dụng để phân tích trạng thái khơng ổn định (sử dụng FoS) sườn dốc kết sử dụng để cấu hình lại WSN đưa cảnh báo cần Hình 4.4 Sơ đồ đề xuất hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở mưa 4.4.2 Trạm trung tâm, gateway pin lượng mặt trời Trạm trung tâm gateway phải đặt vị trí an toàn gần sườn dốc Lưu đồ làm việc chi tiết trạm trung tâm gateway hiển thị Hình 4.5 4.4.3 Phân bố khơng gian nút cảm biến Kết khảo sát thực địa kết phân tích mơ hình dự đốn vùng nguy trượt lở mặt dốc Từ đó, nút cảm biến thiết lập vùng có khả 16 bị trượt Các nút cảm biến cần bố vùng đỉnh dốc, thân dốc chân dốc Độ sâu đặt nút cảm biến xác định dựa khoan thăm dò cấu tạo sườn dốc Cảm biến PWP thiết lập m, m 11 m 4.4.4 Cấu hình mạng Thiết kế EWMRIL hiệu đòi hỏi phải xác định cấu hình thích hợp cho WSN Đối với cấu hình sao, bợ điều phối đóng vai trị bợ điều khiển mạng, thiết bị khác gọi thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối không bị ảnh hưởng thiết bị đầu cuối khác Đối với cấu hình cây, mạng bao gồm một bộ điều phối, một số bộ định tuyến thiết bị đầu cuối Bộ điều phối thiết lập mạng, chọn kênh vận hành, cung cấp địa cho bộ định tuyến thiết bị đầu cuối Bộ định tuyến giao tiếp trực tiếp với bộ điều phối 4.4.5 Chuyên gia người phụ trách FoS cho sườn dốc xem xét tính tốn trước chuyên gia trượt lở dựa liệu khảo sát thực địa sử dụng phần mềm SEEP/W SLOPE/W Dữ liệu giám sát thời gian thực từ nút cảm biến trạm đo mưa sử dụng để tính toán số FoS gần thời gian thực (RFoSI) Bằng cách phân tích FoS RFoSI, thơng điệp cảnh báo gửi đến người phụ trách thông qua mạng truyền thông di động 4.4.6 Nguyên tắc làm việc hệ thống 4.4.6.1 Nguyên tắc làm việc đề xuất cho nút cảm biến khơng dây gateway Hình 4.5 Nguyên lý làm việc đề xuất: (a) nút cảm biến không dây (b) trạm trung tâm gateway 17 4.4.6.2 Dự đốn khơng ổn định sườn dốc cảnh báo thời gian thực Nguyên lý làm việc đề xuất để dự đốn trạng thái khơng ổn định cảnh báo thời gian thực trình bày Hình 4.6 Hình 4.6 Nguyên lý làm việc hệ thống đề xuất 18 4.5 Nghiên cứu điển hình cho hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt lở đất mưa (EWMRIL) 4.5.1 Thu thập xử lý liệu Sườn dốc có nguy trượt lở cao Xã Nấm Dẩn, huyện Xín Mần, tỉnh Hà Giang, nằm khu vực miền núi phía bắc Việt Nam chọn nghiên cứu Hình 4.7 Vị trí trượt lở Nấm Dẩn; (a) ảnh vị trí cột cảm biến; (b) ảnh cột cảm biến sử dụng dự án Hình 4.8 (a) Mặt cắt ngang; (b) (c) ảnh mặt dốc Nấm Dẩn 19 Sườn dốc cần giám sát cảnh báo khảo sát địa chất, địa hình, thủy văn Trên sở liệu thu thập phân tích, sườn dốc mơ hình hóa, sử dụng phần mềm SEEP/W để phân tích thấm SLOPE/W phân tích ổn định mặt dốc, phân tích xác định mặt trượt tiềm Từ đó, nút cảm biến thiết lập vùng có khả bị trượt 4.5.2 EWMRIL cho khối trượt Nấm Dẩn Để giám sát cảnh báo sớm trượt lở, tổng cộng nút cảm biến cho mạng WSN thiết kế triển khai Dữ liệu thu từ nút cảm biến thiết bị đo mưa gửi đến trạm trung tâm sau truyền không dây qua mô-đun GSM/GPRS đến sở liệu MySQL máy chủ web Một ứng dụng web ứng dụng Android xây dựng để giám sát từ xa (Hình 4.9 a, b) (a) (b) (c) Hình 4.9 Giám sát liệu thơng qua trang web (a); ứng dụng di động (b) ví dụ độ nghiêng ước tính cách sử dụng liệu gia tốc (c) Hình 4.10 cho thấy ước tính thấm thời điểm khác với cường độ mưa đồng 200 mm/ngày mười lăm ngày 20 Hình 4.10 Ước tính thấm cho sườn dốc Nấm Dẩn vào thời điểm khác Trong Hình 4.11, với cường đợ mưa trung bình 200 mm/ngày, FoS giảm xuống 0,877 (tức mức cảnh báo) sau 15 ngày Hình 4.11 Sự thay đổi FoS tương quan với ước tính thấm thời điểm sườn dốc 15 ngày với cường độ mưa 200 mm/ngày Hình 4.12 cho thấy chi tiết phụ thuộc FoS vào cường độ mưa theo thời gian 21 Hình 4.12 (a) Cường độ mưa theo thời gian; (b) FoS trượt bề mặt quan trọng so với thời gian 4.6 Kết luận chương EWMRIL đề xuất mợt hệ thống tích hợp kết hợp mạng cảm biến khơng dây, phân tích thấm dựa phần tử hữu hạn phân tích ổn định sườn dốc dựa phương pháp cân giới hạn để theo dõi cảnh báo sớm trượt lở Trạng thái không ổn định sườn dốc xác định dựa FoS tính tốn cách sử dụng tham số thu thực địa Các tham số theo dõi thời gian thực gửi đến máy tính trạm để tính tốn FoS Dựa FoS tính tốn được, trạng thái sườn dốc phân tích, sau đưa định Ưu điểm hệ thống WSN đề xuất linh hoạt đáng tin cậy, thích ứng với trạng thái cảnh báo Hệ thống cân tiết kiệm lượng đợ tin cậy Hệ thống đề xuất có khả tự đợng chuyển từ cấu hình sang cấu hình sườn dốc trạng thái khơng ổn định Nếu một số nút cảm biến bị hỏng, nút cảm biến khác tiếp tục hoạt động đó, đợ tin cậy hệ thống bảo đảm Đóng góp thể báo số (3) (4) danh mục cơng trình cơng bố luận án 22 KẾT LUẬN CHUNG Các đóng góp Luận án nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt lở đất mưa áp dụng quy mô mặt dốc sử dụng mạng cảm biến không dây Luận án có đóng góp mới: Thứ nhất, đề xuất nhóm giải pháp tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây ứng dụng hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất mưa phạm vi mặt dốc Nhóm giải pháp bao gồm: lựa chọn cảm biến, thay đổi tần số lấy mẫu thiết lập chuyển đổi cấu hình mạng dựa kịch hoạt động, lấy mẫu nén cải tiến Luận án tập trung giải toán tiết kiệm lượng cho cột cảm biến với yêu cầu hoạt động tin cậy, liên tục khoảng thời gian tối thiểu một mùa mưa Đề xuất sử dụng cảm biến công nghệ MEMS có cơng suất tiêu thụ thấp để thu nhận thông tin biến dạng mặt dốc thay cho thiết bị đo truyền thống Dựa đặc điểm trượt lở đất phổ biến Việt Nam thường xảy mùa mưa, hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất mưa đề xuất hai kịch hoạt đợng Trên sở áp dụng mơ hình số để tính tốn hệ số an tồn mặt dốc FoS theo thời gian thực, luận án đề xuất mô hình hệ thống tự đợng chuyển đổi cấu hình cấu hình để đảm bảo đợ tin cậy hoạt động hệ thống đồng thời tiết kiệm lượng nút cảm biến Tần số lấy mẫu thay đổi tự đợng dựa phân tích hệ số an tồn Thay đổi tần số lấy mẫu phụ tḥc kết phân tích hệ số an tồn FoS mặt dốc, tần số lấy mẫu thay đổi để đạt mục tiêu giảm tần số lấy mẫu liệu truyền/nhận trường hợp mặt dốc trạng thái an toàn tăng tần số lấy mẫu liệu truyền/nhận trường hợp mặt dốc khơng an tồn So sánh với giải pháp công bố, giải pháp đảm bảo linh hoạt Một giải pháp khác để tiết kiệm lượng hệ thống áp dụng giải pháp lấy mẫu nén cải tiến Kỹ thuật lấy mẫu nén áp dụng để giảm lượng liệu truyền tiết kiệm điện So sánh với giải pháp cơng bố, nhóm giải pháp đảm bảo linh hoạt Đóng góp thể báo số (1) (2) danh mục cơng trình cơng bố luận án Thứ hai, đề xuất mơ hình, quy tắc hoạt động hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất phạm vi mặt dốc để dự báo cảnh báo thời gian thực Trong kết hợp mạng cảm biến không dây để thu thập, truyền thơng tin mơ hình số đánh giá trượt lở đất để dự báo cảnh báo thời gian thực Mơ hình số mặt dốc cho phép phân tích thấm nước mưa vào thân dốc ảnh hưởng mưa đến phân bố áp suất nước lỗ rỗng đất, kết đầu vào mô hình phân tích ổn định mặt dốc dựa phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm GeoStudio Kết hợp với thông tin dự báo thời tiết, chuyên gia xây dựng kịch dự báo trượt lở đất Hệ thống phân chia mức độ cảnh báo thành mức Các ngưỡng cảnh báo xây dựng dựa thống kê lịch sử trượt lở đất, thông tin lượng mưa, lịch sử mưa, biến dạng mặt dốc kết phân tích hệ số an toàn mặt dốc FoS Các kịch mưa khác sử dụng 23 để đưa dự báo trượt lở Đóng góp thể báo số (3) (4) danh mục cơng trình cơng bố luận án Hướng nghiên cứu tiếp Hệ thống triển khai sở ứng dụng chuẩn Zigbee, chuẩn có ưu điểm công suất tiêu thu thấp bị hạn chế khoảng cách truyền Đối với sườn dốc quy mô lớn, việc áp dụng chuẩn truyền thơng có khoảng cách truyền xa điều cần thiết Do đó, nghiên cứu cần tiếp tục phát triển để hệ thống có khả ứng dụng nhiều điều kiện thực địa Tích hợp mơ hình trí tuệ nhân tạo để hệ thống có khả xử lý thông tin, xác định ngưỡng cảnh báo, giảm can thiệp chuyên gia góp phần làm cho hệ thống ứng dụng rộng rãi điều kiện số lượng mặt dốc có nguy trượt lở đất lớn Thực tế, vụ trượt lở đất liên tiếp xảy năm 2020 miền trung Việt Nam cho thấy, địa phương số lượng hệ thống giám sát cảnh báo sớm quy mô khối trượt Dự báo có quy mơ tỉnh vùng dựa đồ phân vùng cảnh báo nguy trượt lở đất thông tin mưa Một nguyên nhân việc triển khai hệ thống giám sát cảnh báo có kinh phí lớn số lượng điểm trượt có nguy trượt lở đất lớn Do đó, nhà nghiên cứu cần tiếp tục tìm giải pháp khả thi để xây dựng hệ thống cảnh báo trượt lở đất có giá thành thấp, dễ dàng triển khai vận hành 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Các cơng trình công bố luận án: [1] Gian Quoc Anh, Tran Duc Tan, Nguyen Dinh Chinh, Bui Tien Dieu "Flexible Configuration of Wireless Sensor Network for Monitoring of Rainfall-Induced Landslide." Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science (IJEECS), Vol 12, No 3, December 2018, pp 1030~1036.[SCOPUS, Q3] [2] Gian Quoc Anh, Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc Nghia, Tran Duc Tan, Nguyen Thi Kieu, Kumbesan Sandrasegaran "Wireless Technology for Monitoring Sitespecific Landslide in Vietnam" International Journal of Electrical and Computer Engineering Vol 8, no (2018): 4448-4455 [SCOPUS, Q2] [3] Gian Quoc Anh, Tran Duc-Tan, Nguyen Dinh Chinh, Nhu Viet Ha, Bui Tien Dieu “Design and Implementation of Site-Specific Rainfall-Induced Landslide Early Warning and Monitoring System: a Case Study at Nam Dan Landslide (Vietnam).” Geomatics, Natural Hazards and Risk, vol 8, no (November 21, 2017): pp 1978–1996 doi:10.1080/19475705.2017.1401561.[SCIE, Q1, IF2019 = 3.93] [4] Gian Quoc-Anh, Nguyen Dinh-Chinh, Tran Duc-Nghia, Tran Duc-Tan "Monitoring of Landslides in Mountainous Regions Based on Fem Modelling and Rain Gauge Measurements." International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) 6, no (2016): 2106-2113.[SCOPUS, Q2] Công trình cơng bố khác có liên quan: [1] Nguyễn Đình Chinh, Giản Quốc Anh, Nguyễn Tuấn Linh, Nguyễn Tuấn Anh and Trần Đức Tân "Nghiên Cứu Phát Triển Thiết Bị Đo Mưa Hỗ Trợ Cảnh Báo Trượt Lở Đất." Tạp chí Nghiên cứu khoa học Cơng nghệ Qn (Journal of Military Science and Technology) 43, no (2016): 94-101 25 ... 2.4.3 Cảm biến hệ thống giám sát cảnh báo trượt lở đất Việc thiết kế thực thành công hệ thống cảnh báo sớm trượt lở mưa gây phụ thuộc nhiều vào cảm biến mạng sử dụng Đối với hệ thống cảnh báo trượt. .. thể báo số (1) (2) danh mục công trình cơng bố luận án 13 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT LỞ ĐẤT DO MƯA 4.1 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống cảnh báo sớm trượt. .. dốc Hệ thống tích hợp liệu giám sát trực tiếp mơ hình số hệ thống hiệu để cảnh báo sớm trượt lở đất Mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án đề xuất xây dựng một hệ thống giám sát cảnh báo sớm trượt