Nghiên cứu xử lý số liệu đo gps rtk trong đánh giá tình trạng công trình cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
--------------

ĐỖ VĂN MẠNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS-RTK
TRONG ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG CƠNG TRÌNH CẦU

Ngành:

KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

Mã số:

60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Hồ Thị Lan Hương

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xử lý số liệu đo GPS-RTK trong đánh
giá tình trạng cơng trình cầu” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả
nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2015
Tác giả

Đỗ Văn Mạnh


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................4
1.1. Tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS- RTK trong quan trắc cầu trên thế giới ....4
1.2. Tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS- RTK trong quan trắc cầu tại Việt Nam .10
Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG CƠNG TRÌNH CẦU
TỪ SỐ LIỆU ĐO GPS- RTK....................................................................................16
2.1. Phương pháp đo GPS- RTK ...............................................................................16
2.1.1. Nguyên lý đo GPS- RTK .........................................................................16
2.1.2. Thuật toán trong xử lý số liệu GPS- RTK ...............................................17
2.1.3. Đặc điểm của GPS- RTK trong quan trắc ...............................................18
2.2. Vị trí đo và lắp đặt GPS- RTK trong hệ thống quan trắc cầu. ...........................20
2.2.1 Vị trí lắp đặt ..............................................................................................20
2.2.2 Quy trình đo và xử lý số liệu quan trắc ....................................................22
2.3. Phương pháp xử lý số liệu đo GPS-RTK trong đánh giá tình trạng cơng
trình cầu ....................................................................................................................23
2.3.1 Phương pháp loại bỏ giá trị dị thường trong kết quả đo GPS-RTK .........23

2.3.2. Phương pháp tính tính tần số dao động riêng từ kết quả đo GPS-RTK ..33
Chương 3: THỰC NGHIỆM TÍNH TỐN TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG TỪ
SỐ LIỆU ĐO GPS-ATK CHO NHỊP CHÍNH CẦU CẦN THƠ .............................40
3.1. Giới thiệu về hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ ..................................................40
3.2. Thực nghiệm tính tốn tần số dao động cầu Cần Thơ từ số liệu đo GPS-RTK. ....44


3.2.1. Tần số dao động riêng thiết kế nhịp chính của cầu Cần Thơ ..................44
3.2.2. Yêu cầu về số liệu lấy mẫu khi tính tần số dao động riêng .....................46
3.2.3. Đặc điểm số liệu đo chuyển vị giữa nhịp chính.......................................47
3.2.4. Xử lý dị thường trong kết quả đo GPS-RTK điểm giữa nhịp chính ........50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................57
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ THAM GIA TÁC GIẢ ............58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59
PHỤ LỤC ..................................................................................................................61


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ
DOP

Dilution of Precision

FFT

Fast Fourier Transforms

GLONASS Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema
GNSS

Global Navigation Satellite System

GPS

Global Positioning System

KF

Kalman Filter

MPT

Measure Point Terminal

OPT

Original Point Terminal

RMS

Root mean Square

RTK

Real Time Kinematic

RTS

Robotic Total Station

SHM

Structural Health Monitoring

TCN

Tiêu chuẩn ngành

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TS

Time Series

VSL

Vorspann System Losinger


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Tên bảng
Trang
Bảng 3.1.Đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo GPS cầu Cần Thơ ..................................41
Bảng 3.2.Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ ...............................................................42
Bảng 3.3.Tần số dao động nhịp chính cầu Cần Thơ .................................................45
Bảng 3.4.Tọa độ sau bình sai của hai điểm giữa nhịp chính .....................................48
Bảng 3.5.Trích số liệu một phần tần số dao động và phổ năng lượng dao động

tương ứng ...................................................................................................54
Bảng 3.6. Kết quả tính tốn thực nghiệm cho điểm GPS_519501 ..........................55
Bảng 3.7. Kết quả tính toán thực nghiệm cho điểm GPS_519502 ...........................56


DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1.Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kơng) ....................................................4
Hình 1.2.Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters ........................................5
Hình 1.3.Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) ...................................................................5
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống SHM Akashi Kaikyo bằng GPS ......................................6
Hình 1.5.Cầu Tsing Ma (Hong Kong) ........................................................................6
Hình 1.6. Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên cầu Tsing Ma ...................................7
Hình 1.7. Cầu Neva của Nga .......................................................................................7
Hình 1.8. Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva .........................................................8
Hình 1.9.Cầu Sutong (Trung Quốc) ............................................................................8
Hình 1.10. Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong ...................................9
Hình 1.11.Cầu Cần Thơ ............................................................................................10
Hình 1.12. Phối cảnh cầu Trần Thị Lý ......................................................................11
Hình 1.13.Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý ....................................12
Hình 1.14. Phối cảnh cầu Nhật Tân ..........................................................................12
Hình 2.2. Sơ đồ sai phân bậc 2 trong GPS - RTK ....................................................17
Hình 2.3. Sơ đồ quan trắc kết cấu bằng GPS – RTK ................................................19
Hình 2.4 a, b. Trạm Base GPS-RTK trong quan trắc cầu .........................................20
Hình 2.5. Trạm rover được lắp đặt tại điểm quan trắc cầu .......................................21

Hình 2.6. Sơ đồ vị trí lắp anten GPS trên cầu ...........................................................21
Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống quan trắc liên tục bằng GPS .............................................22
Hình 2.8. Dãy giá trị quan trắc theo thời gian khi đo bằng GPS-RTK trên biểu đồ .24
Hình 2.9. Hiện tượng trượt chu kỳ trong đo GPS .....................................................25
Hình 2.10. Hiện tượng đa đường dẫn trong đo GPS .................................................26
Hình 2.10a, b. Dị thường xuất hiện nhiều trong dữ liệu quan trắc GPS-RTK ..........26
Hình 2.11. Hình ảnh của dị thường trong kết quả quan trắc GPS-RTK ...................27
Hình 2.12. Cửa sổ có 01 giá trị dị thường .................................................................30
Hình 2.14. Cửa sổ tịnh tiến tìm và loại giá trị dị thường ..........................................32


Hình 2.15. Hình ảnh phân tích của một trụ thân hẹp ................................................33
Hình 2.16. Phép ánh xạ của Fourier ..........................................................................36
Hình 2.17a. Miền thời gian và giá trị đo chuyển vị .................................................38
Hình 2.17b. miền tần số và phổ năng lượng ............................................................38
Hình 2.18. Mối quan hệ giữa phổ năng lượng và tần số dao động riêng ..................39
Hình 3.1. Cầu Cần Thơ .............................................................................................40
Hình 3.2. Sơ đồ bố trí tổng quát máy đo GPS-RTK cầu Cần Thơ............................41
Hình 3.3. Vị trí đặt trạm Base cầu Cần Thơ..............................................................42
Hình 3.4. Bộ đo GPS trên đỉnh tháp cầu Cần Thơ ....................................................43
Hình 3.5. Bộ đo GPS gắn trên bản mặt cầu ..............................................................43
Hình 3.6. Hệ quy chiếu sử dụng trong quan trắc cầu Cần Thơ .................................45
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí Camera trên trụ tháp cầu Cần Thơ ........................................46
Hình 3.8. Hình ảnh thường thấy nhịp chính thời điểm 0h00’đến 1h01’ ngày
01/12/2014 .................................................................................................47
Hình 3.9. Vị trí lắp đặt GPS nhịp chính cầu Cần Thơ ..............................................47
Hình 3.10a. Trục x điểm GPS_519501 trước khi lọc ...............................................50
Hình 3.10b. Trục x điểm GPS_519501 sau khi lọc ..................................................50
Hình 3.11a. Trục y điểm GPS_519501 trước khi lọc ...............................................51
Hình 3.11b. Trục y điểm GPS_519501 sau khi lọc .................................................51

Hình 3.12a. Trục z điểm GPS_519501 trước khi lọc ................................................52
Hình 3.12b. Trục z điểm GPS_519501 sau khi lọc ...................................................52
Hình 3.13a. Chuyển vị của điểm GPS_519501 trong miền thời gian. ......................53
Hình 3.13b. Tần số dao động của điểm GPS_51950. ...............................................53


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trước tình hình kinh tế thế giới đang có nhiều chuyển biến tích cực, những
Quốc gia đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ như Việt Nam đã và đang sở hữu
rất nhiều điều kiện cũng như thời cơ thuận lợi để phát triển điều kiện vật chất, cơ sở
kĩ thuật hạ tầng. Nắm bắt lấy cơ hội đó, trong khoảng thời gian 20 năm trở lại đây,
đã có rất nhiều cơng trình được đầu tư xây dựng với sự chú trọng rất lớn cả về chất
và lượng, trong số đó tiêu biểu có thể kể đến như: các tịa nhà cao tầng, các cây cầu
lớn, các cơng trình đường sắt trên cao, các cơng trình ngầm…
Đi cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật việc làm chủ về công nghệ xây
dựng, công nghệ vật liệu cũng như công nghệ giám sát, đánh giá và đảm bảo về tình
trạng cơng trình trong q trình thi cơng và trong gian đoạn khai thác sử dụng là vấn
đề rất quan trọng cần quan tâm.
Tại các quốc gia phát triển, công cuộc xây dựng cơ sở vật chất, kĩ thuật hạ
tầng gần như đã bước đến giai đoạn hồn thiện nên cơng tác theo dõi, quan trắc,
bảo trì và bảo dưỡng cơng trình đã được phát triển từ rất lâu. Việc phụ thuộc quá
nhiều vào các kĩ sư cũng như các phần mềm chuyên dụng nước ngồi đã gây trở
ngại khơng nhỏ đến sự chủ động trong quá trình phát triển chung cơ sở hạ tầng
tại Việt Nam.
Đứng trước tình hình ấy, sau một thời gian dài dài tập trung vào xây dựng cơ
sở vật chất kĩ thuật hạ tầng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm hơn đến công tác
quan trắc công trình, đặc biệt đối với cơng trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng

nhỏ, nhạy cảm với các điều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết như các công trình
cầu, cầu dây văng, dây võng…Ngày 10 tháng 4 năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải ra
công văn số 2727/BGTVT - KCHT về công tác quản lý, khai thác và bảo trì cầu hệ
dây quy định rõ “Bắt buộc tất cả các cơng trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ
thống quan trắc nhằm theo dõi tình trạng cầu và cảnh báo các nguy cơ tiềm ẩn xảy
ra cho cơng trình”. Kèm theo đó là sự ra đời của các quy chuẩn quy định nghiêm
ngặt về tần số dao động của kết cấu cơng trình cầu như quy định 22TCN 243-98


2

(quy trình kiểm định cầu trên đường ơ tơ) để đánh giá một cách chính xác về tình
trạng cơng trình cầu trong các giai đoạn.
Hệ thống quan trắc cũng đã được quan tâm ứng dụng trong thi công và khai
thác cầu dây tại Việt Nam từ năm 2006 như cầu Bãi cháy, cầu Rạch Miễu đến nay
có thêm cầu Bính, cầu Trần Thị Lý, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân. Hầu hết các hệ
thống này đều do các hãng nước ngoài lắp đặt.
Kết quả của hệ thống quan trắc được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau
như lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng, cảnh báo ngừng giao thông kịp thời trong
trường hợp nguy hiểm, kiểm tra lại thiết kế từ số liệu thực tế…Trong các giá trị
quan trắc cơng trình cầu, có một giá trị rất quan trọng đó là chuyển vị tổng thể của
cầu, giá trị này trong thiết kế được lấy từ thí nghiệm hầm gió mơ hình cầu dây và
được sử dụng trong tính tốn thiết kế cầu, từ giá trị chuyển vị sẽ tính ra được tần số
dao động riêng tương ứng.
Đề tài “Nghiên cứu xử lý số liệu đo GPS - RTK trong đánh giá tình trạng
cơng trình cầu”đã đưa ra được sơ đồ cơ bản của việc kết nối hệ thống GPS trong hệ
thống quan trắc SHM, các thuật toán chuyển đổi từ chuyển vị trong miền thời gian
sang miền tần số và phổ năng lượng dao động từ kết quả đo chuyển vị GPS-RTK
qua đó so sánh với tần số quy định trong các hồ sơ thiết kế, tiêu chuẩn kiểm định
cầu và kết luận về hiện trạng cơng trình cầu.

Việc nghiên cứu các thuật toán trong xử lý số liệu GPS- RTK sẽ mở ra nhiều
triển vọng cho việc làm chủ công nghệ tại Việt Nam bước đầu tiếp cận việc làm chủ
trong lĩnh vực quan trắc tự động công trình cầu.
2. Mục đích của đề tài
- Sử dụng số liệu GPS- RTK để đánh giá tình trạng cơng trình cầu.
3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
- Luận văn tập trung nghiên cứu những vấn đề liên quan tới xử lý số liệu
GPS-RTK trong hệ thống SHM để tính tần số dao động riêng của cơng trình cầu và
đánh giá tình trạng cơng trình cầu.
- Tính tốn thực nghiệm với số liệu đo GPS-RTK của cầu Cần Thơ.


3

4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Kỹ thuật đo GPS- RTK.
- Nghiên cứu đánh giá tình trạng cơng trình cầu từ số liệu đo GPS – RTK.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp các tài liệu có liên quan đến đề
tài nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích: tổng hợp, xử lý các tài liệu, phân tích và giải quyết
các vấn đề mà đề tài đặt ra.
- Phương pháp so sánh: so sánh đối chiếu giữa giá trị trong hồ sơ thiết kế,
tiêu chuẩn kiểm định với kết quả tính tốn thực nghiệm.
6. Cơ sở tài liệu của luận văn
- Hồ sơ kiểm định và các tiêu chuẩn kiểm định cơng trình cầu.
- Các tài liệu liên quan tới quan trắc chuyển dịch biến dạng cơng trình.
- Các tài liệu khoa học về phân tích dao động.
- Các tài liệu về kỹ thuật đo và xử lý số liệu đo GPS-RTK.
- Các tài liệu về kĩ thuật lập trình.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cơng
trình cầu.
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tần số dao động riêng từ số liệu
GPS-RTK trong đánh giá tình trạng cơng trình cầu.
8. Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 3 chương, với 57 trang chính văn và 03 phụ lục. Luận văn này
được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Thị Lan Hương - Trường ĐH Giao
thông Vận tải.
Em xin trân trọng cảm ơn giáo viên hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ
em hoàn thành luận văn này. Đồng thời em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ
môn Trắc địa cơng trình và Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất cùng bạn
bè, đồng nghiệp đã nhiệt tình quan tâm giúp đỡ em trong quá trình học tập và
nghiên cứu.


4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ GPS- RTK TRONG QUAN TRẮC
CẦU TRÊN THẾ GIỚI

Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Canada,... các thiết bị đo của hệ thống
quan trắc được đơn vị thi công lắp đặt ngay từ giai đoạn xây lắp sẽ liên tục thu thập
và truyền số liệu về hệ thống xử lý trung tâm. Sau khi hồn thành cơng trình, các
thiết bị này sẽ được bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành trong q trình khai
thác cầu. Hệ thống tiếp tục hoạt động và ghi lại dữ liệu trong giai đoạn này. Nhờ có
cơ sở dữ liệu đầy đủ và liên tục cập nhật, người quản lý cầu sẽ nắm được chính xác
giá trị lực căng trong từng dây văng, độ võng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, tốc

độ gió v.v…tại thời điểm bất kì.
Đã có nhiều cầu lớn (nhịp chính từ 100m trở lên) trên thế giới được trang bị
hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK như cầu Sutong, cầu Tsing Ma,
cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngồi ra, cịn có một số các
cầu khác nữa.
+ Hệ thống quan trắc cầu Stonecutters (Hồng Kơng)

Hình 1.1.Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kơng)
Cầu Stonecutters (Hồng Kơng) có nhịp chính dài nhất thế giới (L=1018m),
được trang bị một hệ thống SHM hiện đại, thiết kế bởi hãng COWI.


5

Sự hiện đại trong công nghệ cảm biến và thu nhận dữ liệu làm tăng tính khả
thi về kinh tế - kỹ thuật của chương trình quan trắc kết cấu và mơi trường được
kiểm sốt từ xa. Các tham số mơi trường như gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối cũng
được quan trắc bởi hệ thống này. Các tham số kết cấu được quan trắc bởi các cảm
biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị và đầu thu GPS. Đầu thu GPS được sử
dụng để đo chuyển vị của trụ tháp cầu và những bất thường xảy ra ở cầu với độ
chính xác 1mm [18].

Hình 1.2.Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters
+ Cầu Akashi Kaikyo (Nhật bản)
Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) là cầu treo dây võng hiện đang giữ kỷ lục về
khẩu độ nhịp lớn nhất (L = 1999m).

Hình 1.3.Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

6

Hệ thống GPS được lắp đặt trên mố neo 1A, trụ tháp 2P và giữa nhịp chính.
Tọa độ của mố neo 1A được xem là điểm gốc (OPT - Original Point Terminal) và
các điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) được tính tốn theo
các phương dọc, thẳng đứng và phương ngang của cầu.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống SHM Akashi Kaikyo bằng GPS [18]
+ Cầu Tsing Ma (Hồng Kông)
Cầu Tsing Ma là cầu treo dây võng dài nhất trên thế giới, vừa dùng cho
đường bộ vừa dùng cho đường sắt. Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốc
chạy ở trên và đường sắt chạy phía dưới. Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang của dầm
cầu có dạng kết hợp giữa kết cấu dàn và kết cấu dầm hộp (hình 1.5).

Hình 1.5.Cầu Tsing Ma (Hong Kong)


7

Hệ thống quan trắc bao gồm: Các cảm biến đo gia tốc, đo biến dạng, đo
chuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ, … được lắp đặt cố định trên cầu và hệ
thống thu thập dữ liệu, hệ thống xử lý số liệu. Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đo
biến dạng của các bộ phận kết cấu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh tháp, ½ dầm
chủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu (hình 1.6).

Hình 1.6. Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên cầu Tsing Ma [21]
+ Cầu Neva (LB Nga)
Như là một phần của thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc của
cầu treo dây văng Neva được thực hiện rất chi tiết.

Hình 1.7. Cầu Neva của Nga


8

Nghiên cứu này bao gồm việc đánh giá rủi ro của mỗi giai đoạn xây dựng và
trong giai đoạn khai thác. Thiết kế của hệ thống này đảm bảo tiêu chí dễ dàng sử
dụng, bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng sau này.

Hình 1.8. Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva [16]
Hệ thống quan trắc của cầu Neva cung cấp các thông tin quan trắc theo
thời gian về điều kiện thực tế và trạng thái kết cấu của cầu trong quá trình xây
dựng. Việc đo chuyển vị theo phương đứng và phương ngang của dầm chủ bằng
GPS giúp điều chỉnh hướng thốt gió của mặt cắt dầm chủ trong quá trình xây
dựng (hình 1.8).
+ Cầu Sutong (Trung Quốc)
Cầu Sutong là cầu treo dây văng có nhịp lớn nhất thế giới dài 1088m, trụ tháp
bằng bê tông cốt thép cao 330m bắc qua sơng Yangtze, tỉnh Jiangsu, Trung Quốc.

Hình 1.9.Cầu Sutong (Trung Quốc)


9

Hệ thống SHM của cầu Sutong gồm 2 phần: hệ thống đo đạc thực hiện chức
năng đo đạc, thu nhận và truyền dữ liệu; và hệ thống xử lý, quản lý dữ liệu đo thực
hiện chức năng xử lý, quản lý dữ liệu đo và thực hiện các phân tích tổng hợp. Các
cảm biến đo lắp đặt cố định trên cầu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh trụ tháp và
giữa dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu theo phương dọc cầu, phương
ngang cầu và phương thẳng đứng (hình 1.10).

Hình 1.10. Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong
Song song với việc thiết kế, lắp đặt thiết bị đo GPS-RTK trong hệ thống
SHM cơng trình cầu nhằm đánh giá hiện trạng kết cấu cơng trình cầu ở các quốc
gia trên thế giới chính là việc quản lý, xử lý số liệu đo GPS-RTK.
Phần mềm xử lý số liệu GPS-RTK thường nằm chung trong cùng hệ thống
xử lý số liệu quan trắc SHM cùng với các thiết bị địa kỹ thuật (cảm biến) để phục
vụ mục tiêu tính tốn các thơng số đặc trưng của kết cấu cầu.
Thông thường ở mỗi nước thì việc quản lý, lưu chữ, xử lý số liệu đo GPSRTK là khác nhau nhưng đều có mục đích chung đó là đảm bảo kết quả phải chính
xác, đánh giá đúng hiện trạng của kết cấu và đưa ra những cảnh báo kịp thời trong
trường hợp sắp có sự cố xảy ra.


10

Xu hướng phát triển chung của các phần mềm xử lý ngồi việc thực hiện
được các tính tốn hợp lý còn phải đảm bảo được giao diện thân thiện dễ sử dụng
truyền tải được đầy đủ các thông tin cần thiết cho đơn vị quản lý.
Số liệu đo GPS-RTK được báo cáo thường xuyên theo ngày, tháng, quý,
năm cho đơn vị quản lý, do đặc điểm số liệu đo GPS-RTK thường có tần suất lớn
nên các số liệu này thường được lưu trữ lại phục vụ mục đích nghiên cứu, cải thiện
chất lượng xử lý trên các phần mềm và được cập nhật trong các phiên bản phần
mềm sau.
Các phần mềm xử lý, quản lý thông tin GPS-RTK trong quan trắc cơng trình
cầu có xu hướng phát triển mạnh trong việc quản lý, chia sẻ và điều khiển từ xa
nhưng phải đảm bảo được tính bảo mật thơng tin cục bộ.
1.2. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ GPS- RTK TRONG QUAN TRẮC
CẦU TẠI VIỆT NAM

Ở Việt Nam, có khoảng hơn 10 cầu dây văng và dây võng đã xây dựng

nhưng mới có khoảng một nửa trong số đó lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu
Rạch Miễu, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý. Trong đó
ba cầu có hệ thống GPS được giới thiệu dưới đây.
+ Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ
Cầu Cần Thơ là cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Cầu nối liền 2 tỉnh Vĩnh
Long và Cần Thơ. Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23.1m, chiều dài 15.850m, có 216
dây văng, nhịp chính dài 550m, trụ tháp cao 164.8m.

Hình 1.11.Cầu Cần Thơ


11

Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ do các nhà thầu Nhật Bản thiết kế và lắp
đặt. GPS được lắp tại 9 vị trí trên cầu và có một trạm base ở nhà điều hành.Đây là
một hệ thống SHM đầy đủ và hiện đại số 1 của Việt Nam.
+ Hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý
Cầu Trần Thị Lý nằm trong thành phố Đà Nẵng, là cầu dây văng với các
nhịp sẽ trải dài bắc ngang qua sông Hàn, nối liền quận Hải Châu, quận Sơn Trà và
Quận Ngũ Hành Sơn. Cầu có tổng chiều dài 731m, trong đó nhịp chính là nhịp dây
văng dài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân
cách, trụ tháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng bê tông cốt thép, nghiêng 12
độ về phía Tây với chiều cao 145m.

Hình 1.12. Phối cảnh cầu Trần Thị Lý
Bố trí các thiết bị quan trắc của hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý (hình
1.12). Trong đó, hệ thống GPS gồm có một trạm rover được lắp đặt ở đỉnh trụ tháp
để đo chuyển vị (theo phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương thẳng đứng)
của cầu và có một trạm base.

12

Hình 1.13.Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý [5]
+ Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân
Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều
nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng,
quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc
huyện Đông Anh (Hà Nội). Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km và có đường dẫn
4.5km, trong đó phần chính của cầu qua sơng dài 1.5km.

Hình 1.14. Phối cảnh cầu Nhật Tân
Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân do VSL thiết kế và lắp đặt. Trong đó có 13
vị trí trên cầu lắp đặt GPS và một trạm base ở ngoài cầu.


13

Đây là cơng trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp nhất Việt Nam
nên hệ thống SHM được xác định đầu tư lắp đặt ngay trong quá trình thi cơng
cơng trình.

Hình 1.15.Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân [4]
Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý, cầu Nhật Tân đều do các
đơn vị nước ngoài kết hợp với một số đơn vị có chun mơn trong lĩnh vực SHM
như VSL ở Việt Nam thiết kế lắp đặt. Số liệu đo GPS-RTK trong ba cây cầu nêu
trên được xử lý bằng phần mềm Leica GNSS Spider. Các phần mềm xử lý số liệu
đo GPS-RTK thường được bán kèm với phần cứng là các đầu thu GPS-RTK.
Các phần mềm xử lý số liệu đo GPS-RTK được tích hợp chung trong cùng
hệ thống xử lý với các thiết bị địa kỹ thuật phục vụ công tác tính tốn thơng số đặc

trưng kết cấu cầu.
Các phần mềm xử lý số liệu GPS-RTK trong hệ thống SHM cơng trình cầu
tại Việt Nam cịn thiếu tính đa dạng, khả năng nâng cấp cập nhật chậm do còn phụ
thuộc nhiều vào chuyên gia nước ngoài.
Số liệu đo GPS-RTK được hệ thống cập nhật thường xuyên theo ngày tự
động xử lý và lưu trữ trên hệ thống máy tính quản lý. Khơng có các báo cáo thường
xun, định kỳ theo tháng, quý, năm, mà chỉ có các cảnh báo khi tín hiệu thu nhận
được vượt trạng thái quy định.
Nguồn số liệu dồi dào từ số liệu đo GPS-RTK được lưu trữ trên các máy tính
quản lý, bảo mật và tích hợp việc chia sẻ online cho các đơn vị quản lý cầu nhưng


14

chưa được sử dụng phục vụ mục đích nghiên cứu nhằm cải thiện khả năng xử lý tín
hiệu GPS-RTK, cải thiện kết quả và phát triển công nghệ phần mềm trong nước.
Nhận xét:
Từ phần tổng quan cho thấy:
Công nghệ GPS-RTK phù hợp trong quan trắc cơng trình cầu, đặc biệt là các
cơng trình cầu đặc biệt như cầu hệ dây bởi các ưu điểm:
+ Quan trắc bằng công nghệ GPS-RTK phù hợp với quan trắc yếu tố hình
học đặc trưng của cơng trình cầu;
+ Đo đạc đơn giản, khơng cần thơng hướng giữa các điểm đo;
+ Độ chính xác cao;
+ Có bộ nhớ lớn khi được xử lý và lưu dữ liệu trên máy tính;
+ Tự động quan trắc, hiệu chỉnh sai số trực tiếp thơng qua radio link;
+ Có khả năng hoạt động tốt kể cả trong môi trường khắc nghiệt;
+ Tốc độ thu tín hiệu nhanh;
+ Điều khiển xử lý tính tốn dễ dàng nhờ có khả năng kết nối với máy tính
thơng qua cáp truyền dữ liệu, kết nối wifi và internet;

+ Có khả năng kết hợp cùng các thiết bị địa kỹ thuật (cảm biến) hay thiết bị
quan trắc khác như RTS để hình thành một khối thống nhất phục vụ quan trắc cơng
trình cầu, đánh giá phân tích khách quan đưa ra kết quả chính xác về hiện trạng
cơng trình cầu.
Có nhiều nước trên thế giới và tại Việt Nam đã nghiên cứu ứng dụng cơng
nghệ GPS- RTK trong hệ thống quan trắc cơng trình cầu chủ yếu là cơng trình cầu
dây. Các hệ thống quan trắc cầu ở Việt Nam đều do các chuyên gia nước ngoài thiết
kế, lắp đặt, xử lý số liệu và chuyển giao cơng nghệ
Chưa có bất kỳ một nghiên cứu hoàn chỉnh nào về việc xử lý số liệu GPSRTK trong quan trắc cơng trình cầu của các chun gia Việt Nam. Việc nghiên cứu
về thiết kế hệ thống, chế tạo hệ thống, đánh giá các thiết bị trong hệ thống, phương
pháp phân tích, xử lý số liệu đo GPS- RTK trong đánh giá tình trạng cơng trình cầu
tại Việt Nam còn rất nhiều hạn chế.


15

Nguồn dữ liệu dồi dào từ số liệu đo GPS-RTK trong quan trắc cơng trình cầu
cần được nghiên cứu và đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp bằng các phần
mềm trên máy tính làm phát triển khả năng tư duy sáng tạo lập trình và cơng nghệ
phần mềm trong nước.
Cần có nhiều hơn các nghiên cứu khoa học về đo đạc và xử lý số liệu GPSRTK trong đánh giá tình trạng của cơng trình nhằm hạn chế sự phụ thuộc về cơng
nghệ nước ngồi ở Việt Nam, việc nghiên cứu các phương pháp đo và xử lý số liệu
quan trắc bằng GPS- RTK giúp kỹ sư Việt Nam bước đầu làm chủ công nghệ trong
lĩnh vực quan trắc tự động bằng các thiết bị đo hiện đại.


16

CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG

CƠNG TRÌNH CẦU TỪ SỐ LIỆU ĐO GPS- RTK
2.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS- RTK

2.1.1. Nguyên lý đo GPS- RTK
Đo động xử lý tức thời hay còn gọi là đo động thời gian thực (Real Time
Kinematic - RTK) là phương pháp cho phép giải toạ độ điểm đặt máy trạm di động
(trạm rover) ngay tại thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu thu vệ tinh tại trạm cố
định (trạm base) và trạm di động (trạm rover) trên bộ xử lý số liệu chuyên dụng đi
kèm. Phương pháp đo GPS - RTK bao gồm 1 hoặc 2 máy đặt tại điểm đã có tọa độ
(trạm base) và một hay nhiều máy di động (trạm rover).
Liên lạc giữa trạm base và trạm rover bằng thiết bị phát sóng Radio Link
hoặc bằng cáp truyền dữ liệu. Khi đo bằng phương pháp GPS - RTK, số liệu đo
bị ảnh hưởng bởi các sai số quỹ đạo vệ tinh, đồng hồ vệ tinh, sai số do tầng
điện ly và tầng ion, đa đường dẫn … làm cho tín hiệu bị suy giảm và quan hệ
khơng gian của các sai số này phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách truyền dữ liệu
(hình 2.1).

Hình 2.1.Phương pháp GPS – RTK


17

2.1.2. Thuật toán trong xử lý số liệu GPS- RTK
Để đạt được độ chính xác cao trong đo RTK (mức cm hoặc tốt hơn), áp dụng
phương pháp giải sai phân bậc 2 (hình 2.2). Trong trường hợp này, số lượng chu kỳ
sóng tải L1/L2 giữa vệ tinh, trạm base và rover được xác định.

Hình 2.2. Sơ đồ sai phân bậc 2 trong GPS - RTK
Xử lý sai phân bậc 2 cho 1 epoch đơn được tính theo cơng thức [14]:
∆∇ = {(𝑑𝑎𝑡𝑎)𝑠𝑎𝑡 } − {(𝑑𝑎𝑡𝑎)𝑏𝑎𝑠𝑒 }𝑟𝑒𝑚 − {(𝑑𝑎𝑡𝑎)𝑠𝑎𝑡 } − {(𝑑𝑎𝑡𝑎)𝑏𝑎𝑠𝑒 }𝑟𝑒𝑓 (2.1)

Trong đó:
∆∇ là sai phân bậc 2 giữa vệ tinh và máy thu
Δ là hiệu khoảng cách giữa 2 máy thu
∇ là hiệu khoảng cách giữa 2 vệ tinh
(data)sat: dữ liệu từ vệ tinh quan sát (SV)
(data)base: dữ liệu từ vệ tinh tham chiếu (base sattelite)
{ }rem và { }ref: là hiệu số tính tốn tương ứng giữa trạm di động (rover) và
trạm tham chiếu (base).
Công thức biểu diễn kết quả đo sai phân bậc 2 theo pha sóng tải được viết
dưới dạng [14]:
∆∇Φ = ∆∇𝜌 + ∆∇dρ + λ∆∇N − ∆∇𝑑𝑖𝑜𝑛 + ∆∇𝑑𝑡𝑟𝑜𝑝 + 𝜀∆∇(Φ𝑟𝑥 ) + ε∆∇(Φ𝑚𝑢𝑙𝑡 )

(2.2)