Ứng dụng IoT trong cảnh báo sạt lở đất

Dưới tác động của biến đổi khí hậu, sạt lở đất - một trong những loại hình thiên tai phổ biến và nguy hiểm - ngày càng diễn biến bất thường hơn. Về bản chất, sạt lở là hiện tượng mất ổn định và dịch chuyển sườn dốc, mái dốc, ảnh hưởng đến các công trình, gây nhiều thiệt hại về người và kinh tế, thậm chí có thể dẫn đến những thảm họa lớn.

Để tránh những thiệt hại trên, nhiều giải pháp kiểm soát và hạn chế sạt lở đất đã ra đời. Có thể kể đến phương pháp đặt cọc, gia cố bằng neo, bằng khung sườn bê tông, đinh đá, bằng tường chặn, thoát nước bề mặt… Các giải pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở các quốc gia có địa hình đồi dốc, hoặc nằm ở vùng lục địa không ổn định, thường có động đất, núi lửa phun trào và sóng thần như Nhật Bản. Nước này còn ban hành Luật Phòng chống sạt lở đất từ năm 1958, được coi là nền tảng cho sự tiến bộ về công nghệ kiểm soát sạt lở đất ở Nhật Bản.

Hạn chế lớn nhất của các biện pháp trên là “thường rất đắt tiền”, TS. Nguyễn Đức Nghiêm ở Khoa Cầu đường, trường Đại học Xây dựng Hà Nội, chia sẻ trong tọa đàm do Khoa Cầu đường tổ chức vào cuối tháng năm vừa qua. Anh cho biết, việc dự báo thời điểm xảy ra sụt trượt, sau đó đưa ra các giải pháp sơ tán, giảm thiểu thiệt hại trước khi sự cố xảy ra vẫn là hướng đi phù hợp và phổ biến hơn cả ở các quốc gia đang phát triển và có nguồn lực hạn chế như Việt Nam.

Cải tiến phương pháp quan trắc

Các phương pháp phổ biến nhất thường được áp dụng để cảnh báo sạt lở đất bao gồm quan trắc thủ công, viễn thám và quan trắc tự động tại chỗ. Với phương pháp thủ công, người ta sẽ quan trắc thực địa sự thay đổi các đặc điểm địa hình, vết nứt và dòng nước trên bề mặt. Phương pháp viễn thám sẽ phân tích ảnh vệ tinh, đo phản xạ quang học và phát hiện và phạm vi ánh sáng (LiDAR) trên mặt đất, vệ tinh hoặc máy bay. Còn phương pháp quan trắc tự động tại chỗ sẽ giám sát sự dịch chuyển của mái dốc, các đặc tính thủy văn và vật lý trong đất. Hạn chế của phương pháp thủ công là không thể cập nhật các thông số theo thời gian thực, còn hai phương pháp kia là tốn nhiều chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng.

Hướng tiếp cận của TS. Nguyễn Đức Nghiêm cũng dựa trên quan trắc chuyển vị mái dốc. “Trước khi sụt trượt xảy ra sẽ xuất hiện chuyển vị mái dốc, tốc độ nhanh dần cho đến khi mái dốc sụp đổ, cũng là lúc sụt trượt diễn ra”, anh cho biết. Phương pháp dự báo thời gian sạt lở mái dốc này có tên phương pháp vận tốc ngược (inverse velocity) được nhà khoa học Fukuzono Teruki giới thiệu từ năm 1985. Khi mái dốc ổn định, vận tốc (v) nhỏ, còn vận tốc ngược (v-1) lớn. Khi độ dốc tiệm cận về phía sụp đổ, v sẽ tăng lên rất cao, v-1 lại gần về bằng 0. Như vậy, nếu đo được tốc độ chuyển vị hằng ngày, thông qua sự thay đổi các giá trị này, dựa vào đường hồi quy, chúng ta có thể tính toán được từ thời điểm hiện tại đến khi xảy ra sụt trượt còn bao lâu. “Một số nghiên cứu ở Mỹ và các quốc gia khác đã áp dụng phương pháp này để dự báo thời điểm sụt trượt”, TS. Nguyễn Đức Nghiêm cho biết.“Ưu điểm của phương pháp đo vận tốc chuyển vị là có thể dự báo thời điểm sụt trượt với độ chính xác cao, giúp tổ chức hoạt động ứng phó, sơ tán kịp thời”.

Sụt trượt thường xảy ra vào lúc có mưa bão lớn, do vậy, việc thu thập dữ liệu quan trắc tại thời điểm này đóng vai trò quan trọng đối với công tác dự báo. Nhưng phương pháp quan trắc truyền thống cần thực hiện trực tiếp tại hiện trường, vừa tốn nhân lực, chi phí, lại nguy hiểm cho người thực hiện trong các điều kiện thời tiết không thuận lợi. Đây là lý do khiến TS. Nguyễn Đức Nghiêm tìm đến một giải pháp đo đạc tự động thời gian thực, giảm bớt sự can thiệp của con người - công nghệ IoT.

Internet vạn vật (IoT) không phải là một thuật ngữ xa lạ trong thời gian gần đây. Điểm nổi bật của công nghệ này là cho phép thu thập, truyền tải dữ liệu và điều khiển tự động theo thời gian thực. Trong lĩnh vực xây dựng, IoT chủ yếu được ứng dụng trong quan trắc mức độ an toàn của kết cấu (structural health monitoring - các dữ liệu về công trình như dao động, ứng suất chuyển vị sẽ được đo đạc và truyền tải, phân tích tự động, khi có sự cố sẽ đưa ra cảnh báo), và quản lý vận hành khai thác công trình. “Việc ứng dụng IoT trong xây dựng là một xu hướng ngày càng phổ biến nhờ tính hữu dụng và kinh tế, nhất là khi chi phí phần cứng đang giảm dần nhờ sự phát triển của công nghệ”, TS. Nguyễn Đức Nghiêm phân tích.

Bằng cách kết hợp giữa công nghệ IoT và phương pháp dự báo dựa trên vận tốc chuyển vị, TS. Nguyễn Đức Nghiêm đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng hệ thống dự báo gồm các cảm biến chuyển vị, bộ vi xử lý, máy chủ đám mây, thiết bị cảnh báo (loa, đèn báo động)... Nguyên lý của hệ thống khá đơn giản: các cảm biến được lắp đặt trên mái dốc cần quan trắc, gửi giá trị đo chuyển vị về bộ xử lý. Bất cứ khi nào nhận được dữ liệu mới từ cảm biến, bộ xử lý sẽ xử lý dữ liệu chuyển vị và dự đoán thời điểm trượt lở bằng một số phân tích hồi quy và truyền tải lên máy chủ thông qua kết nối internet. Bộ xử lý cũng có thể nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện những tác vụ tùy chọn khác và kích hoạt thiết bị báo động.

“Cảm biến được sử dụng trong nghiên cứu này là cảm biến vị trí tuyến tính dạng chiết áp. Khi piston dịch chuyển, điện trở của cảm biến thay đổi khiến điện áp đầu ra cũng thay đổi. Bộ xử lý đo điện áp đầu ra để xác định vị trí hiện tại của piston so với điểm tham chiếu, từ đó đưa ra giá trị chuyển vị. Một máy đo dịch chuyển được hiệu chuẩn trước khi lắp đặt, độc lập với hệ thống quan trắc, nhằm kiểm tra độ chính xác của cảm biến”, nhóm nghiên cứu giải thích về hoạt động của thiết bị trong một bài báo về nghiên cứu này được công bố trên tạp chí International Journal of Sustainable Construction Engineering and Technology vào năm 2021.

Hướng đến ứng dụng thực tế

Để kiểm tra hiệu quả của hệ thống, TS. Nguyễn Đức Nghiêm và cộng sự đã thiết kế các thử nghiệm mô phỏng, bao gồm đánh giá độ chính xác của cảm biến, độ trễ của hệ thống, phản hồi cảnh báo và các thiết bị cảnh báo. Kết quả cho thấy sai số của các cảm biến tương đối nhỏ (trung bình là 1,2%, SD = 0,05%), thời gian trễ của hệ thống là 405 mili giây. “Với mục đích quan trắc chuyển vị mái dốc và cảnh báo sạt lở đất, thời gian trễ của hệ thống chỉ khoảng 400 mili giây là kết quả rất tốt và phù hợp để ứng dụng trong thực tế”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo. “Các thử nghiệm về thiết bị phản hồi cảnh báo cũng cho thấy hoạt động hiệu quả”.

Với mong muốn tạo điều kiện thuận tiện cho ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu đã tích hợp thêm pin mặt trời vào hệ thống - “có thể đặt ở các vùng sâu vùng xa, tự hoạt động mà không cần nhiều sự chăm sóc của con người”, TS. Nguyễn Đức Nghiêm cho biết. Họ cũng phát triển một ứng dụng trên điện thoại, cho phép người dùng theo dõi tốc độ chuyển vị theo thời gian thực. Hệ thống sẽ gửi thông báo về điện thoại người dùng nếu tốc độ chuyển vị lớn hơn tốc độ trượt cho phép, quy đổi ra thành các mức cảnh báo khác nhau.

“Mô hình được trình bày trong bài báo có thể được coi là một tài liệu hướng dẫn chi tiết về cách xây dựng và triển khai hệ thống, giúp tiết kiệm rất nhiều nhân lực và chi phí do với các phương pháp quan trắc độ dốc truyền thống”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo. “Giải pháp này có thể áp dụng trong thực tế trên diện rộng để giảm bớt thiệt hại về người và kinh tế do sạt lở đất gây ra”.

Nguồn: khoahocphattrien.vn