Nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát độ tĩnh không trong bài toán giao thông đường thủy

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 TỐN GIAO THƠNG ĐƯỜNG THỦY
Trịnh Văn Thịnh*, Đỗ Trọng Tín, Nguyễn Hồng Ý, Nguyễn Văn Kiệt, Nguyễn Tấn Lũy
Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên hệ:
TĨM TẮT
Độ tĩnh khơng thấp của cơng trình vượt sông (cầu) ở Việt Nam đang ảnh hưởng nghiêm
trọng đến tình trạng an tồn và tắc nghẽn giao thơng 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 khơng cịn 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 thơng số độ tĩnh không không chỉ hiển thị trực
tuyến trên bảng điện tử ở khoảng cách xa tại mỗi cây cầu, mà cịn trên các trang web hoặc
điện thoại thơng 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 khơng, đo khơng 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:
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
Với tổng chiều dài 220.000 km và mật độ
sơng ngịi dày đặc 0.6 km/km2, Việt Nam trở
thành một trong những quốc gia có hệ thống
sơng ngịi dày đặc nhất trên thế giới. Hàng

năm, sản lượng hàng hóa của ngành giao
thơng vận tải đường thủy nội địa luôn chiếm
40 - 45% tổng sản lượng vận tải nội địa. So
sánh với các loại hình giao thơng vận tải
khác, đường thủy có khá nhiều ưu thế như

118

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

vận chuyển hàng hóa siêu trường, siêu trọng,
khối lượng lớn,… với giá rẻ và thuận lợi. Vì
vậy, có thể thấy rằng sơng ngịi đóng vai trị
quan trọng trong vận chuyển hàng hóa ở Việt
Nam.
Tuy nhiên, chỉ với những con tàu có tải trọng
vừa và nhỏ được phép lưu thơng trên những
con sơng vì có rất nhiều cây cầu bắt qua sông
được xây dựng từ rất lâu với độ tĩnh không
thấp, khoang thông thuyền hẹp, không đảm
bảo tiêu chuẩn kỹ thuật đã làm hạn chế phát
triển vận tải thủy và ln đe dọa an tồn vận
hành phương tiện qua cầu. Bên cạnh đó,
nước ta cịn tồn tại nhiều dịng sơng bị bồi
lắng, chưa thể nạo vét phù hợp với cấp kỹ
thuật của tuyến đường thủy. Ngoài ra, triều
cường thường xun lên xuống ở một số
sơng cũng gây khó khăn cho các tàu thuyền
trong việc dự báo hành trình di chuyển trong
nội địa. Ngoài ra khi triều cường dâng cao sẽ
làm độ tĩnh không cầu hạ thấp xuống khiến
sà lan, tàu thuyền rất dễ va chạm vào cầu mỗi
khi qua lại. Hàng năm mực nước sông ngày
một dâng cao do thay đổi khí hậu, đặc biệt
khi có triều lên, nhưng độ tĩnh không của các
cây cầu cũ không thay đổi, do đó va chạm
giữa tàu và cầu hoặc bị mắc kẹt giữa cầu là

điều không thể tránh khỏi nếu người điều
khiển tàu chủ quan hoặc không được thông
tin đầy đủ.
Hiện tại, chúng tơi chưa tìm thấy bất kỳ dự
án nào về va chạm giữa phương tiện đường
thủy với các cơng trình bắt qua sơng hay tắc
nghẽn giao thơng đường thủy ở các nước trên
thế giới. Trong cuộc khảo sát gần đây của
chúng tôi, trong những năm gần đây đã xảy
ra nhiều vụ va chạm giữa tàu và cầu bắt qua
sông. Đặc biệt nghiêm trọng nhất là ở Đồng
Nai, vào ngày 20/03/2016, một chiếc xà lan
đã va vào cầu Ghềnh. Hậu quả đã làm cho 2
nhịp cầu Ghềnh đã bị gãy, chìm xuống sơng.
Tuyến đường sắt nối liền Bắc - Nam bị tê liệt
hồn tồn. Ở ga Sài Gịn và ga Biên Hịa bị
cơ lập. Hàng hóa trên toa tàu (hơn một trăm
toa) từ Bắc vào Nam bị tắc nghẽn. Nhiều tàu
và xà lan khác bị ùn tắc, không thể đi qua và
toàn bộ hệ thống điện trên cầu Ghềnh bị đứt
hoàn toàn. Tổng thiệt hại hơn 800 tỉ đồng và
mất khoảng 3 - 5 tháng để xây dựng lại cầu.

Kỷ yếu khoa học

Như vậy, tùy theo đặc điểm của dịng sơng,
cách mỗi cầu khoảng 100 - 150m sẽ có các
biển thông báo độ tĩnh không, cho phép loại
tàu thuyền tương ứng qua lại. Tuy nhiên các
loại biển báo này không hiển thị các thông số

thay đổi độ tĩnh không khi mực nước lên
xuống, do đó các thuyền trưởng, chủ tàu
khơng dự báo chính xác độ tĩnh khơng cần
thiết, khơng chọn được tuyến đi phù hợp dẫn
đến hiện tượng kẹt cầu hoặc va chạm cầu.
Ngoài ra, ban đêm các biển báo hầu như
khơng tác dụng vì thiếu ánh sáng trực tiếp,
người điều khiển tàu không thể quan sát
được các thông số từ xa. Tóm lại, các biển
báo hiện có chưa thật sự là công cụ hổ trợ ra
quyết định trong bài tốn giao thơng đường
thủy.
GIẢI PHÁP
Hiện nay, nhờ sự phát triển không ngừng
của lĩnh vực điện tử - tự động hóa, cơ khí,
các hệ thống điều khiển, nhận dạng, dự báo,
đặc biệt là công nghệ IoT được phát triển cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu.
Để lựa chọn các phương pháp thích hợp để
đo độ tĩnh khơng của cầu, phương pháp đo
tiếp xúc và đo không tiếp xúc được xem xét
và phân tích. Vì phương pháp đo khơng tiếp
xúc có nhiều ưu điểm về công nghệ, chẳng
hạn như đơn giản, nhỏ gọn, khơng phụ thuộc
vào địa hình và khơng bị hao mịn cơ khí và
ăn mịn hóa học. Đó là lý do chúng tôi chọn
phương pháp đo không tiếp xúc trong dự án
này (Hình 1). Sau khi xem xét một số loại
cảm biến, chẳng hạn như siêu âm, radar,
lazer, dựa trên các tiêu chí kinh tế và khả

năng áp dụng cho các vấn đề đo độ tĩnh
không, cảm biến siêu âm (SRF-04) được lựa
chọn là phù hợp.
Cảm biến siêu âm được chọn là SRF 04, kèm
mạch đo. Để đọc được giá trị của cảm biến,
bộ thu thập và xử lý phải gửi một tín hiệu
xung ngắn đến chân TRIG của cảm biến
(khoảng 10us). Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra
một tín hiệu xung cao trên chân ECHO cho
đến khi nhận lại được sóng phản xạ cũng tại
chân này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với
thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến
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 cơng 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 (multithread) 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
cơng 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
khơng 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

Kết quả trên Bảng 1 cho thấy rằng mặc dù
giá thành gần gấp đôi các vi xử lý khác
nhưng MyRIO là lựa chọn kỹ thuật cần thiết
cho hệ thống đo độ tĩnh không cần xử lý dữ
liệu thời gian thực, bền vững với nhiễu, độ
tin cậy theo thời gian. Ngoài ra, trong tương
lai nếu mở rộng hệ thống thì giá thành của
MyRIO trở thành thấp nhất.
NI MyRIO sẽ tính tốn thời gian từ lúc phát
xung đến lúc nhận được xung. Từ thời gian
này có thể tính ra được độ tĩnh không cần đo.
Giá trị độ tĩnh không được gửi lên
Cloudserver với thời gian delay là 0,5 giây.
Lưu ý phải chắc chắn rằng phần “Real-Time
Application” trên NI MyRIO phải được chạy
để chương trình được chạy độc lập khơng
cịn phụ thuộc vào máy tính. Thuật tốn xử lý

dữ liệu từ cảm biến để cài đặt mã cho phần
mềm nhúng trên vi điều khiển thực hiện thu
thập dữ liệu theo thời gian thực được viết
bằng ngơn ngữ lập trình LabVEIW, thực hiện
2 tác vụ cùng một lúc: Đọc cảm biến và tính
tốn, lọc nhiễu tín hiệu và đọc, ghi dữ liệu.
Để gửi giá trị độ tĩnh không lên Cloudserver,
kết nối Wireless trên NI MyRIO phải được
thực hiện và phương thức truyền nhận dữ liệu
HTTP GET trong phần mềm LABVIEW
phải được sử dụng. Thuật tốn truyền dữ liệu
nhằm chuyển tồn bộ cơng việc tính tốn và
hiển thị về server.
Tận dụng khả năng tính tốn của sever, nhất
là với những loại cảm biến có đường đặc
tuyến phi tuyến. Mở rộng kênh thu nhận dữ
liệu: hầu hết các loại cảm biến đều có thể
truyền tín hiệu, khơng phân biệt các hãng
khác nhau trong cùng một loại. Hệ quản trị
cơ sở dữ liệu được chọn là MySQL, trong đó
dữ liệu được tổ chức theo dạng bảng với
hàng và cột thể hiện lần lượt là các đối tượng
dữ liệu và tính chất của các đối tượng dữ liệu

Kỷ yếu khoa học

đó.
Như được trình bày ở phần trên, NI MyRIO
được lập trình để truyền dữ liệu lên
Cloudserver, sau đó một ứng dụng từ

webserver được thiết kế và xây dựng để lấy
dữ liệu đó từ Cloudserver, xử lý chúng thành
“dữ liệu độ tĩnh không” được lưu trữ vào cơ
sở dữ liệu (CSDL). CSDL có thể được truy
cập bởi một thiết bị khác như máy tính, điện
thoại,…
Hệ thống cho phép người truy cập có thể
kiểm tra trạng thái kết nối của NI MyRIO, có
thể xem lịch sử độ tĩnh không dạng bảng
hoặc dạng đồ thị tại các cây cầu vào bất kỳ
thời gian nào từ quá khứ cho đến hiện tại,
truy xuất dữ liệu ra file Excel, dò hướng di
chuyển dựa trên bản đồ số. Bên cạnh đó, hệ
thống dành riêng cho quản trị viên cũng được
xây dựng để có thể thêm cây cầu mới vào hệ
thống khi có thêm NI MyRIO được lắp đặt
tại cây cầu mới cũng như tính năng xóa dữ
liệu khơng hữu ích đã tồn tại.
Hình 2 biểu diễn cách lắp đặt thiết bị và các
giá trị đo cần quan tâm, dựa vào đó độ tĩnh
khơng thực tế được tính theo cơng thức sau:
𝐻 = 𝐻1 + 𝐻2 (1.1)
trong đó: 𝐻 là giá trị độ tĩnh không.
𝐻1 là giá trị đo được bằng cảm biến (mm).
𝐻2 là khoảng cách từ điểm thấp nhất của
cây cầu đến cảm biến (mm).
Chú ý: Do giới hạn khoảng cách đo của cảm
biến siêu âm, nên 𝐻1 được chọn sao cho 𝐻1
≤ � 𝑚𝑎𝑥 với � 𝑚𝑎𝑥 là tầm đo lớn nhất
của cảm biến.

𝐻2 được chọn sao cho giá trị hiển thị trên
bảng điện tử là độ tĩnh không thấp nhất
nhằm đảm bảo hệ số an toàn khi tàu thuyền
qua cầu trong mọi trường hợp đặc biệt nếu
mực nước sơng tăng nhanh.

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

Bảng điện tử LCD được sử dụng để hiển thị
độ tĩnh không của cầu. Ứng dụng công nghệ
IOTs, bảng điện tử này có thể đặt cách xa cầu
giúp thông tin kịp thời cho các tàu thuyền.
Nhờ ứng dụng công nghệ IOTs, một hệ thống
web được thiết kế, một bảng điện tử LCD
được xây dựng để giám sát hiển thị độ tĩnh
không của các cây cầu. Song, sẽ là thiếu sót
nếu như việc giám sát này khơng được thực
hiện trên ứng dụng điện thoại di động.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để kiểm chứng độ hiệu quả của dự án, một
cuộc thực nghiệm đã được tiến hành. Nhóm
thực hiện đã chọn một cây cầu tại TP. HCM
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 khơng 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
khơng đáng kể (giá trị đo thực tế là 1.670
mm và giá trị đo bằng cảm biến là 1.674
mm). Có thể thấy rằng, có đơi lúc cảm biến
đọc xảy ra nhiễu, dẫn đến giá trị sai lệch
nhưng nó sẽ được khắc phục vào chu kỳ đo
tiếp theo.
Để thấy rõ được tính năng IOTs, NI MyRIO
kết nối wifi phát ra từ mạng A, Raspberry kết
nối wifi phát ra từ mạng B, ứng dụng web
theo dõi trên laptop với mạng từ địa điểm
khác.
Địa
chỉ
webserver
là
.
Bảng điện tử LCD được lắp đặt tại mỗi cây
cầu. Bộ điều khiển Raspberry sẽ kết nối
Wireless, lấy dữ liệu mà NI MyRIO truyền

lên tại cây cầu mà LCD được lắp đặt, hiển thị
độ tĩnh khơng của cầu. Ngồi ra, giám sát độ
tĩnh không thông qua ứng dụng trên điện
thoại chạy hệ điều hành Android đã được
hoàn thành. Ứng dụng hiển thị tất cả độ tĩnh
không của tất cả các cây cầu được lắp đặt hệ
thống trên bản đồ số, tiện ích này giúp tàu
thuyền có thể dễ dàng xác định hướng di

Kỷ yếu khoa học

chuyển giúp cho mình thuận tiện nhất.
Những tiện ích như báo cáo cũng được thực
hiện để thuận lợi cho việc báo cáo, lưu trữ.
Hệ thống sẽ xuất dữ liệu ra file Excel.
Như vậy, dự án giám sát độ tĩnh khơng của
cầu nhằm tìm ra bài tốn hỗ trợ giao thơng
đường thủy đã hồn thành và được kiểm
chứng. Dự án đã đề xuất một phương pháp
đo độ tĩnh không của cây cầu bằng cảm biến
siêu âm sử dụng phần cứng NI MyRIO và
phần mềm LABVIEW kết hợp tính năng
IOTs. Ở hình 3, cho ta thấy sản phẩm mà tác
giả thực hiện được gồm: giám sát độ tĩnh
không thông qua Webserver, ứng dụng điện
thoại Android và bảng điện tử LCD.

Hình 3. Hệ thống giám sát độ tĩnh không
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Đề tài xây dựng thành công hệ thống điều

khiển giám sát độ tĩnh khơng trong bài tốn
giao thơng đường thủy, là cơ sở tìm ra cơng
cụ quản lý giao thơng đường thủy của sơng
ngịi, tăng tính an tồn trong hàng hải, nâng
cao hiệu quả kinh tế trong vận tải biển,…
Tóm lại, nhóm đã hồn thành những kết
quả quan trọng sau: Nghiên cứu thành công
phương pháp đo các thông số độ tĩnh khơng
của cầu của sơng ngịi bằng cảm biến siêu
âm. Ứng dụng công nghệ IOTs để giám sát,
hiển thị động các thông số thông qua
Webserver, ứng dụng trên điện thoại
Android và hiển thị trên LCD. Phương pháp
đo tối ưu bằng cảm biến siêu âm được xây
dựng cho thấy sự đơn giản hóa trong q
trình căn chỉnh mà khơng mất đi sự chính
xác trong q trình đo. Kết quả hệ thống đo
hoạt động ổn định, hiển thị sai lệch nằm
trong tầm cho phép.
Ngồi những kết quả đạt được, nhóm nhận

122


Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

thấy đề tài có thể phát triển và nghiên cứu
thêm như tích hợp GPS trên ứng dụng
Android để xác định vị trí tàu, thuyền đang
di chuyển… Một điều ý nghĩa khác không

Kỷ yếu khoa học

kém phần quan trọng từ kết quả của đề tài,
đó là làm chủ được công nghệ đo độ tĩnh
không, không phụ thuộc vào cơng nghệ chế
tạo các thiết bị từ nước ngồi.

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