Nghiên cứu & Xây dựng Hệ thống Cảnh báo Trượt đất dùng Mạng Cảm biến Không dây

ĐẠI HỌC HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2023 ĐẠI HỌC HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Trần Đức Tân 2. Bùi Tiến Diệu Hà Nội – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực.

Những kết quả từ các công trình của các tác giả khác mà tôi tham khảo và sử dụng trong luận án đều được trích dẫn rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo của luận án. Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2023 Tác giả i LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Trần Đức Tân và GS.

TS Bùi Tiến Diệu. Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy vì sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Sự định hướng, động viên, giúp đỡ và truyền nhiệt huyết của hai thầy đã mang lại cho em động lực, kiến thức và kỹ năng quý báu, giúp em vượt qua khó khăn để hoàn thành được luận án. Xin cảm ơn các thầy cô và các bạn tại bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, vị trí làm việc và trang thiết bị để thực hiện nghiên cứu.

Luận án này sẽ không thể hoàn thiện nếu thiếu sự giúp đỡ về kiến thức, kinh nghiệm, dữ liệu, kết quả thí nghiệm của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Mỏ - Địa chất, Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vì sự giúp đỡ đó. Xin trân trọng cảm ơn tới các nhà khoa học trong Hội đồng chấm luận án cấp cơ sở, hai phản biện độc lập đã dành thời gian quý báu để đọc và đưa ra những nhận xét sâu sắc cho luận án của tôi. Những nhận xét này đã giúp luận án được trình bày logic và chặt chẽ hơn, góp phần nâng cao chất lượng luận án.

Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và anh chị em đồng nghiệp tại khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi tập trung nghiên cứu và thực hiện luận án. Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ vì sự hy sinh lớn lao, sự ủng hộ, dõi theo con trong mọi bước trưởng thành. Cảm ơn các anh chị em và bạn bè đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi. Cảm ơn đến vợ tôi vì sự kiên trì, ủng hộ, hy sinh thầm lặng.

Cảm ơn hai con Minh Nhân và Minh Triết luôn mang cho bố niềm vui, hạnh phúc. Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2023 ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .II MỤC LỤC. III DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. V DANH MỤC THUẬT NGỮ.

VII DANH MỤC HÌNH VẼ. VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU. CẢNH BÁO SỚM TRƯỢT ĐẤT DO MƯA. Cơ chế trượt đất do mưa.

Phân loại các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm. Tổng quan hệ thống giám sát và ảnh báo trượt đất do mưa. Các phương pháp quan trắc. Giám sát yếu tố kích hoạt trượt đất do mưa.

Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong hệ EWMRIL. Phân tích và cảnh báo trượt đất. Thách thức xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo trượt đất do mưa. Nghiên cứu tại Việt Nam.

Nghiên cứu trên thế giới. Một số thách thức trong xây dựng hệ thống. Những vấn đề mà luận án giải quyết. Kết luận chương.

NHÓM GIẢI PHÁP CẢI TIẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT DO MƯA. Hệ thống giám sát trượt đất do mưa. Mạng WSN trong EWMRIL. Giao diện người dùng.

Hoạt động của EWMRIL. Nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng. Chuyển đổi chế độ hoạt động linh hoạt. Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu nén cải tiến.

Kết luận chương. HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT DO MƯA. Hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa. Phân bố không gian của nút cảm biến.

Trạm trung tâm và gateway. Mô hình số sườn dốc. Chuyên gia và người phụ trách. Nguyên tắc làm việc của hệ thống.

Nghiên cứu điển hình cho hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa. Thu thập và xử lý dữ liệu. EWMRIL cho khối trượt Nấm Dẩn. So sánh giữa kết quả tính toán và thực nghiệm.

Kết luận chương .104 KẾT LUẬN CHUNG. 106 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 125 iv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải thích 1 𝑘𝑥, 𝑘𝑦 Hệ số thấm theo tương ứng theo phương ngang và dọc 2 H Độ cao cột nước 3 h Biến độ cao thủy lực của dòng chảy 4 𝑞 Thông lượng đặt tại biên 5 𝑚𝑤 Độ dốc của đường cong đặc trưng đất-nước 6 𝑦𝑤 Trọng lượng đơn vị của nước 7 t Thời gian 8 c′ Lực kết dính hiệu dụng 9 c Lực dính kết của đất đá 10 𝛿 Tổng ứng suất bình thường 11 ϕ′ Góc ma sát hiệu dụng 12 𝜙𝑏 Góc ma sát biểu kiến 13  Khối lượng riêng của vật liệu phủ bề mặt 14 g Gia tốc trọng trường 15 W Hàm lượng nước thể tích nước 16 𝑢𝑤 Áp lực nước lỗ rỗng 17 𝑢𝑎 Áp lực khí lỗ rỗng 18 𝛿 Tổng ứng suất bình thường 19 𝑇 Cường độ kháng cắt Danh mục chữ viết tắt Chữ Giải thích tiếng Anh Giải thích tiếng Việt viết tắt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số v CS Compress Sensing Lấy mẫu nén Early Warning and Monitoring Hệ thống giám sát và cảnh báo sớm EWMRIL System for rainfall-induced trượt lở đất do mưa landslide FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FoS Factor of Safety Hệ số an toàn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GUI Graphical User Interface Giao diện người dùng đồ họa Geographic Information GIS Hệ thống thông tin địa lý System LCG Linear Congruential Generator Phương pháp đồng dư tuyến tính Limit Equilibrium Slope Độ ổn định sườn dốc cân bằng giới LESS Stability hạn Landslide Early Warning LEWS Hệ cảnh báo sớm trượt lở đất System Micro-Electro-Mechanical- MEMS Hệ thống vi cơ điện tử System OTA Over the Air Programming Nạp chương trình không dây PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDR Packet Delivery Ratio Tỉ lệ phân phối gói Pseudo Random Number PRNG Tạo số giả ngẫu nhiên Generator PWP Pore Water Pressure Áp lực nước lỗ rỗng Received Signal Strength RSSI Chỉ số cường độ tín hiệu thu Indicator SN Sensor Node Nút cảm biến SWCC Soil Water Characteristic Curve Đường cong đặc trưng đất- nước Timing-sync Protocol for Giao thức đồng bộ thời gian cho TPSN Sensor Network mạng cảm biến True Random Number TRNG Tạo số ngẫu nhiên Generator WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây vi DANH MỤC THUẬT NGỮ Từ tiếng Anh Tiếng Việt Base station Trạm gốc Cluster head Cụm trung tâm (nhóm trưởng) Coordinator Bộ điều phối Deep sleep Ngủ sâu End Device Thiết bị đầu cuối Gateway Cổng liên kết (cổng giao tiếp) Hibernate Ngủ đông Idle state Trạng thái nghỉ Router Bộ định tuyến Sensor node Nút cảm biến Sink node Trạm trung tâm (bộ điều phối) (nút tập trung) Sleep Trạng thái ngủ Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1 Số lần lở đất được thống kê trong danh mục trượt lở đất toàn cầu từ năm 2007 đến năm 2016 (Nguồn: Whiteley và cộng sự [141]).

Quá trình thấm do mưa. Tính toán dịch chuyển mặt dốc. Sơ đồ khối nút cảm biến. Sơ đồ khối chức năng của nút cảm biến.

(a) Thành phần của nút cảm biến không dây; (b) Ảnh của nút cảm biến không dây. Cấu hình mạng: (a) cấu hình sao; (b) cấu hình cây. Sơ đồ đề xuất hệ thống giám sát và cảnh báo trượt đất do mưa. Nguyên tắc làm việc của hệ thống được đề xuất.

Mô hình mô phỏng hệ thống WSN trong điều kiện ngoài trời. Chu trình làm việc của thiết bị đầu cuối. Kịch bản cho thí nghiệm ngoài trời; (a) cấu hình sao; (b) cấu hình cây. Thay đổi chỉ số cường độ tín hiệu RSSI theo công suất phát.

Phân tích hệ số an toàn FoS với các kịch bản mưa khác nhau [43]. Thời gian thực hiện 2 thuật toán tạo chuỗi giả ngẫu nhiên và ngẫu nhiên. Dữ liệu từ cảm biến gia tốc với a) r =0,25; b) r=0,5. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến sai số tương đối.

Các bước phân tích thấm sườn dốc. Các bước phân tích ổn định sườn dốc. Phân bố áp suất nước lỗ rỗng với cường độ mưa 12,6 mm/giờ. Mối quan hệ giữa cường độ mưa và hệ số an toàn.

Nguyên tắc làm việc được đề xuất: (a) nút cảm biến không dây và (b) trạm trung tâm và gateway. Nguyên tắc làm việc của hệ thống đề xuất. Vị trí trượt đất Nấm Dẩn; (a) ảnh của vị trí cột cảm biến; (b) ảnh của cột cảm biến được sử dụng trong dự án này. (a) Mặt cắt ngang; (b) và (c) ảnh mặt dốc Nấm Dẩn.

Phân bố nút cảm biến và trạm trung tâm hệ thống EWMRIL. Giám sát dữ liệu thông qua trang web (a); ứng dụng di động (b) và một ví dụ về độ nghiêng ước tính bằng cách sử dụng dữ liệu gia tốc (c). Ước tính mực nước ngầm cho sườn dốc Nấm Dẩn vào các thời điểm khác nhau. Kết quả phân tích thay đổi phân bố áp lực nước lỗ rỗng a) ngày thứ nhất; b) ngày thứ 5; c)Ngày thứ 8; d) ngày thứ 10.

Sự thay đổi của FoS tương quan với ước tính thấm tại cùng thời điểm của sườn dốc trong 15 ngày với cường độ mưa 200 mm/ngày. (a) Cường độ mưa theo thời gian; (b) FoS trượt bề mặt quan trọng so với thời gian. Lượng mưa theo ngày .