Xem mẫu
- 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 KHÔNG TRONG BÀI TOÁN GIAO THÔNG 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
TÓM TẮT
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. Thứ nhất, phần cứng bao gồm thiết bị đo không tiếp xúc và các bộ thu phát dữ
liệu không dây được thiết kế và chế tạo. Thứ hai, phần mềm giám sát, điều khiển và thu thập
dữ liệu thời gian thực được lập trình sao cho thông số độ tĩnh không không chỉ hiển thị trực
tuyến trên bảng điện tử ở khoảng cách xa tại mỗi cây cầu, mà còn trên các trang web hoặc
điện thoại thông minh qua điện toán đám mây. Sử dụng phần mềm này, các tàu thuyền dễ
dàng di chuyển theo lộ trình thích hợp tránh “đội” cầu và tắc nghẽn giao thông đường
thủy. Cuối cùng, mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành để chứng minh tính hiệu quả
của phương pháp đề xuất.
Từ khóa: Độ tĩnh không, đo không 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 năm, sản lượng hàng hóa của ngành giao
Với tổng chiều dài 220.000 km và mật độ thông vận tải đường thủy nội địa luôn chiếm
sông ngòi dày đặc 0.6 km/km2, Việt Nam trở 40 - 45% tổng sản lượng vận tải nội địa. So
thành một trong những quốc gia có hệ thống sánh với các loại hình giao thông vận tải
sông ngòi dày đặc nhất trên thế giới. Hàng khác, đường thủy có khá nhiều ưu thế như
118
- Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học
vận chuyển hàng hóa siêu trường, siêu trọng, Như vậy, tùy theo đặc điểm của dòng sông,
khối lượng lớn,… với giá rẻ và thuận lợi. Vì cách mỗi cầu khoảng 100 - 150m sẽ có các
vậy, có thể thấy rằng sông ngòi đóng vai trò biển thông báo độ tĩnh không, cho phép loại
quan trọng trong vận chuyển hàng hóa ở Việt tàu thuyền tương ứng qua lại. Tuy nhiên các
Nam. loại biển báo này không hiển thị các thông số
Tuy nhiên, chỉ với những con tàu có tải trọng thay đổi độ tĩnh không khi mực nước lên
vừa và nhỏ được phép lưu thông trên những xuống, do đó các thuyền trưởng, chủ tàu
con sông vì có rất nhiều cây cầu bắt qua sông không dự báo chính xác độ tĩnh không cần
được xây dựng từ rất lâu với độ tĩnh không thiết, không chọn được tuyến đi phù hợp dẫn
thấp, khoang thông thuyền hẹp, không đảm đến hiện tượng kẹt cầu hoặc va chạm cầu.
bảo tiêu chuẩn kỹ thuật đã làm hạn chế phát Ngoài ra, ban đêm các biển báo hầu như
triển vận tải thủy và luôn đe dọa an toàn vận không tác dụng vì thiếu ánh sáng trực tiếp,
hành phương tiện qua cầu. Bên cạnh đó, người điều khiển tàu không thể quan sát
nước ta còn tồn tại nhiều dòng sông bị bồi được các thông số từ xa. Tóm lại, các biển
lắng, chưa thể nạo vét phù hợp với cấp kỹ báo hiện có chưa thật sự là công cụ hổ trợ ra
thuật của tuyến đường thủy. Ngoài ra, triều quyết định trong bài toán giao thông đường
cường thường xuyên lên xuống ở một số thủy.
sông cũng gây khó khăn cho các tàu thuyền
trong việc dự báo hành trình di chuyển trong GIẢI PHÁP
nội địa. Ngoài ra khi triều cường dâng cao sẽ Hiện nay, nhờ sự phát triển không ngừng
làm độ tĩnh không cầu hạ thấp xuống khiến của lĩnh vực điện tử - tự động hóa, cơ khí,
sà lan, tàu thuyền rất dễ va chạm vào cầu mỗi các hệ thống điều khiển, nhận dạng, dự báo,
khi qua lại. Hàng năm mực nước sông ngày đặc biệt là công nghệ IoT được phát triển cả
một dâng cao do thay đổi khí hậu, đặc biệt về chiều rộng lẫn chiều sâu.
khi có triều lên, nhưng độ tĩnh không của các Để lựa chọn các phương pháp thích hợp để
cây cầu cũ không thay đổi, do đó va chạm đo độ tĩnh không của cầu, phương pháp đo
giữa tàu và cầu hoặc bị mắc kẹt giữa cầu là tiếp xúc và đo không tiếp xúc được xem xét
điều không thể tránh khỏi nếu người điều và phân tích. Vì phương pháp đo không tiếp
khiển tàu chủ quan hoặc không được thông xúc có nhiều ưu điểm về công nghệ, chẳng
tin đầy đủ. hạn như đơn giản, nhỏ gọn, không phụ thuộc
Hiện tại, chúng tôi chưa tìm thấy bất kỳ dự vào địa hình và không bị hao mòn cơ khí và
án nào về va chạm giữa phương tiện đường ăn mòn hóa học. Đó là lý do chúng tôi chọn
thủy với các công trình bắt qua sông hay tắc phương pháp đo không tiếp xúc trong dự án
nghẽn giao thông đường thủy ở các nước trên này (Hình 1). Sau khi xem xét một số loại
thế giới. Trong cuộc khảo sát gần đây của cảm biến, chẳng hạn như siêu âm, radar,
chúng tôi, trong những năm gần đây đã xảy lazer, dựa trên các tiêu chí kinh tế và khả
ra nhiều vụ va chạm giữa tàu và cầu bắt qua năng áp dụng cho các vấn đề đo độ tĩnh
sông. Đặc biệt nghiêm trọng nhất là ở Đồng không, cảm biến siêu âm (SRF-04) được lựa
Nai, vào ngày 20/03/2016, một chiếc xà lan chọn là phù hợp.
đã va vào cầu Ghềnh. Hậu quả đã làm cho 2 Cảm biến siêu âm được chọn là SRF 04, kèm
nhịp cầu Ghềnh đã bị gãy, chìm xuống sông. mạch đo. Để đọc được giá trị của cảm biến,
Tuyến đường sắt nối liền Bắc - Nam bị tê liệt bộ thu thập và xử lý phải gửi một tín hiệu
hoàn toàn. Ở ga Sài Gòn và ga Biên Hòa bị xung ngắn đến chân TRIG của cảm biến
cô lập. Hàng hóa trên toa tàu (hơn một trăm (khoảng 10us). Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra
toa) từ Bắc vào Nam bị tắc nghẽn. Nhiều tàu một tín hiệu xung cao trên chân ECHO cho
và xà lan khác bị ùn tắc, không thể đi qua và đến khi nhận lại được sóng phản xạ cũng tại
toàn bộ hệ thống điện trên cầu Ghềnh bị đứt chân này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với
hoàn toàn. Tổng thiệt hại hơn 800 tỉ đồng và thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến
mất khoảng 3 - 5 tháng để xây dựng lại cầu. và quay trở lại.
119
- Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học
Hình 1. Sơ đồ phân tích hệ thống
Để có cơ sở lựa chọn phần cứng chúng tôi Instruments (NI). MyRIO được chọn để so
tiến hành so sánh chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật sánh vì đây loại vi xử lý phù hợp cho nghiên
giữa các loại vi xử lý chuyên dùng và thông cứu và được công ty NI hỗ trợ kinh phí học
dụng khác nhau. Loại vi xử lý chuyên dùng thuật.
trong đề tài là MyRIO của công ty National
Bảng 1. Bảng so sánh chỉ tiêu chất lượng kinh tế - kỹ thuật giữa các loại vi xử lý
Hệ thống Giá thành Tính năng 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 cơ chế đa tuyến (multi-
thread) để xử lý song song. Nếu tại cầu ta dùng hai
hay nhiều cảm biến để đo để tăng độ tin cậy, sử dụng
MyRIO là cần thiết.
- MyRIO với lõi FPGA cho phép người dùng thu thập, xử
lý, lọc dữ liệu ở tốc độ cao đến 40MHz. Việc kháng nhiễu
NI ≈ 7 triệu đồng công nghiệp rất tốt.
MyRIO - MyRIO có tốc độ xử lý đến 667 MHz, dung lượng bộ
nhớ lớn. Nếu tương lai mở rộng thu thập và giám sát
tại cầu bằng thị giác máy tính sử dụng USB camera thì
Myrio là một lựa chọn phù hợp.
- Tốc độ truyền UART của MyRIO lên đến 230,400 bps.
Chất lượng đường truyền rất tin cậy.
- I/O của MyRIO có nhiều tùy chọn. Độ phân giải của cổng
vào ra tương tự lưỡng cực (bipolar) cao hơn so với các vi
điều khiển khác.
- Lập trình phức tạp, cần truy cập các thanh ghi để sử dụng,
Vi xử lý không có cơ chế xử lý song song.
(PIC, - Cần thiết kế mạch tích hợp các chức năng cần thiết cho
ARM, ≈ 3 triệu đồng dự án. Tốc độ xử lý tín hiệu analog thấp, độ phân giải
Arduino) không cao.
và chế tạo - Tốc độ xử lý thông thường khoảng 16 MHz.
mạch đo - Độ tin cậy truyền nhận dữ liệu thời gian thực trong môi
tin cậy trường công nghiệp thấp.
120
- Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học
Kết quả trên Bảng 1 cho thấy rằng mặc dù đó.
giá thành gần gấp đôi các vi xử lý khác Như được trình bày ở phần trên, NI MyRIO
nhưng MyRIO là lựa chọn kỹ thuật cần thiết được lập trình để truyền dữ liệu lên
cho hệ thống đo độ tĩnh không cần xử lý dữ Cloudserver, sau đó một ứng dụng từ
liệu thời gian thực, bền vững với nhiễu, độ webserver được thiết kế và xây dựng để lấy
tin cậy theo thời gian. Ngoài ra, trong tương dữ liệu đó từ Cloudserver, xử lý chúng thành
lai nếu mở rộng hệ thống thì giá thành của “dữ liệu độ tĩnh không” được lưu trữ vào cơ
MyRIO trở thành thấp nhất. sở dữ liệu (CSDL). CSDL có thể được truy
NI MyRIO sẽ tính toán thời gian từ lúc phát cập bởi một thiết bị khác như máy tính, điện
xung đến lúc nhận được xung. Từ thời gian thoại,…
này có thể tính ra được độ tĩnh không cần đo. Hệ thống cho phép người truy cập có thể
Giá trị độ tĩnh không được gửi lên kiểm tra trạng thái kết nối của NI MyRIO, có
Cloudserver với thời gian delay là 0,5 giây. thể xem lịch sử độ tĩnh không dạng bảng
Lưu ý phải chắc chắn rằng phần “Real-Time hoặc dạng đồ thị tại các cây cầu vào bất kỳ
Application” trên NI MyRIO phải được chạy thời gian nào từ quá khứ cho đến hiện tại,
để chương trình được chạy độc lập không truy xuất dữ liệu ra file Excel, dò hướng di
còn phụ thuộc vào máy tính. Thuật toán xử lý chuyển dựa trên bản đồ số. Bên cạnh đó, hệ
dữ liệu từ cảm biến để cài đặt mã cho phần thống dành riêng cho quản trị viên cũng được
mềm nhúng trên vi điều khiển thực hiện thu xây dựng để có thể thêm cây cầu mới vào hệ
thập dữ liệu theo thời gian thực được viết thống khi có thêm NI MyRIO được lắp đặt
bằng ngôn ngữ lập trình LabVEIW, thực hiện tại cây cầu mới cũng như tính năng xóa dữ
2 tác vụ cùng một lúc: Đọc cảm biến và tính liệu không hữu ích đã tồn tại.
toán, lọc nhiễu tín hiệu và đọc, ghi dữ liệu. Hình 2 biểu diễn cách lắp đặt thiết bị và các
Để gửi giá trị độ tĩnh không lên Cloudserver, giá trị đo cần quan tâm, dựa vào đó độ tĩnh
kết nối Wireless trên NI MyRIO phải được không thực tế được tính theo công thức sau:
thực hiện và phương thức truyền nhận dữ liệu 𝐻 = 𝐻1 + 𝐻2 (1.1)
HTTP GET trong phần mềm LABVIEW trong đó: 𝐻 là giá trị độ tĩnh không.
phải được sử dụng. Thuật toán truyền dữ liệu 𝐻1 là giá trị đo được bằng cảm biến (mm).
nhằm chuyển toàn bộ công việc tính toán và 𝐻2 là khoảng cách từ điểm thấp nhất của
hiển thị về server. cây cầu đến cảm biến (mm).
Tận dụng khả năng tính toán của sever, nhất Chú ý: Do giới hạn khoảng cách đo của cảm
là với những loại cảm biến có đường đặc biến siêu âm, nên 𝐻1 được chọn sao cho 𝐻1
tuyến phi tuyến. Mở rộng kênh thu nhận dữ ≤ � 𝑚𝑎𝑥 với � 𝑚𝑎𝑥 là tầm đo lớn nhất
liệu: hầu hết các loại cảm biến đều có thể của cảm biến.
truyền tín hiệu, không phân biệt các hãng 𝐻2 được chọn sao cho giá trị hiển thị trên
khác nhau trong cùng một loại. Hệ quản trị bảng điện tử là độ tĩnh không thấp nhất
cơ sở dữ liệu được chọn là MySQL, trong đó nhằm đảm bảo hệ số an toàn khi tàu thuyền
dữ liệu được tổ chức theo dạng bảng với qua cầu trong mọi trường hợp đặc biệt nếu
hàng và cột thể hiện lần lượt là các đối tượng mực nước sông tăng nhanh.
dữ liệu và tính chất của các đối tượng dữ liệu
Hình 2. Sơ đồ lắp đặt thiết bị tại cầu
121
- Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học
Bảng điện tử LCD được sử dụng để hiển thị chuyển giúp cho mình thuận tiện nhất.
độ tĩnh không của cầu. Ứng dụng công nghệ Những tiện ích như báo cáo cũng được thực
IOTs, bảng điện tử này có thể đặt cách xa cầu hiện để thuận lợi cho việc báo cáo, lưu trữ.
giúp thông tin kịp thời cho các tàu thuyền. Hệ thống sẽ xuất dữ liệu ra file Excel.
Nhờ ứng dụng công nghệ IOTs, một hệ thống Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh không của
web được thiết kế, một bảng điện tử LCD cầu nhằm tìm ra bài toán hỗ trợ giao thông
được xây dựng để giám sát hiển thị độ tĩnh đường thủy đã hoàn thành và được kiểm
không của các cây cầu. Song, sẽ là thiếu sót chứng. Dự án đã đề xuất một phương pháp
nếu như việc giám sát này không được thực đo độ tĩnh không của cây cầu bằng cảm biến
hiện trên ứng dụng điện thoại di động. siêu âm sử dụng phần cứng NI MyRIO và
phần mềm LABVIEW kết hợp tính năng
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN IOTs. Ở hình 3, cho ta thấy sản phẩm mà tác
Để kiểm chứng độ hiệu quả của dự án, một giả thực hiện được gồm: giám sát độ tĩnh
cuộc thực nghiệm đã được tiến hành. Nhóm không thông qua Webserver, ứng dụng điện
thực hiện đã chọn một cây cầu tại TP. HCM thoại Android và bảng điện tử LCD.
với độ tĩnh không thấp để kiểm tra. Sau khi
tiến hành lắp đặt các thiết bị tại cây cầu, kiểm
tra kết nối và tiến hành đo lấy thông số. Tại
cầu Bùi Hữu Nghĩa, khoảng cách 𝐻2 được
xác định trước bằng thước đo là 1.720 mm.
Khoảng cách 𝐻1 mà cảm biến đo được tại
thời điểm đo là 1.674 mm. Dựa vào kết quả,
tổng độ tĩnh không của cầu 𝐻 dễ dàng được
tính bằng cách (1.1). Khoảng cách được đo
và lưu trữ trong CSDL là 3.394 mm. Để kiểm
tra tính chính xác của cảm biến, nhóm tiến
hành đo khoảng cách từ cảm biến đến mặt
nước bằng thước cuộn, cho thấy giá trị thực
tế và giá trị cảm biến đọc được có sự sai lệch Hình 3. Hệ thống giám sát độ tĩnh không
không đáng kể (giá trị đo thực tế là 1.670
mm và giá trị đo bằng cảm biến là 1.674 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
mm). Có thể thấy rằng, có đôi lúc cảm biến Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều
đọc xảy ra nhiễu, dẫn đến giá trị sai lệch khiển giám sát độ tĩnh không trong bài toán
nhưng nó sẽ được khắc phục vào chu kỳ đo giao thông đường thủy, là cơ sở tìm ra công
tiếp theo. cụ quản lý giao thông đường thủy của sông
Để thấy rõ được tính năng IOTs, NI MyRIO ngòi, tăng tính an toàn trong hàng hải, nâng
kết nối wifi phát ra từ mạng A, Raspberry kết cao hiệu quả kinh tế trong vận tải biển,…
nối wifi phát ra từ mạng B, ứng dụng web Tóm lại, nhóm đã hoàn thành những kết
theo dõi trên laptop với mạng từ địa điểm quả quan trọng sau: Nghiên cứu thành công
khác. Địa chỉ webserver là phương pháp đo các thông số độ tĩnh không
http://ni.maxw3ll.com.vn. của cầu của sông ngòi bằng cảm biến siêu
Bảng điện tử LCD được lắp đặt tại mỗi cây âm. Ứng dụng công nghệ IOTs để giám sát,
cầu. Bộ điều khiển Raspberry sẽ kết nối hiển thị động các thông số thông qua
Wireless, lấy dữ liệu mà NI MyRIO truyền Webserver, ứng dụng trên điện thoại
lên tại cây cầu mà LCD được lắp đặt, hiển thị Android và hiển thị trên LCD. Phương pháp
độ tĩnh không của cầu. Ngoài ra, giám sát độ đo tối ưu bằng cảm biến siêu âm được xây
tĩnh không thông qua ứng dụng trên điện dựng cho thấy sự đơn giản hóa trong quá
thoại chạy hệ điều hành Android đã được trình căn chỉnh mà không mất đi sự chính
hoàn thành. Ứng dụng hiển thị tất cả độ tĩnh xác trong quá trình đo. Kết quả hệ thống đo
không của tất cả các cây cầu được lắp đặt hệ hoạt động ổn định, hiển thị sai lệch nằm
thống trên bản đồ số, tiện ích này giúp tàu trong tầm cho phép.
thuyền có thể dễ dàng xác định hướng di Ngoài những kết quả đạt được, nhóm nhận
122
- Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học
thấy đề tài có thể phát triển và nghiên cứu kém phần quan trọng từ kết quả của đề tài,
thêm như tích hợp GPS trên ứng dụng đó là làm chủ được công nghệ đo độ tĩnh
Android để xác định vị trí tàu, thuyền đang không, không phụ thuộc vào công nghệ chế
di chuyển… Một điều ý nghĩa khác không tạo các thiết bị từ nước ngoài.
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
nguon tai.lieu . vn
