Xây dựng bản đồ gió tự động cho thành phố Đà Nẵng dựa trên hệ số địa hình thực tế

Nội dung text: Xây dựng bản đồ gió tự động cho thành phố Đà Nẵng dựa trên hệ số địa hình thực tế

1. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về Động lực học và Điều khiển Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr. 25-29, DOI 10.15625/vap.2019000251 Xây dựng bản đồ gió tự động cho thành phố Đà Nẵng dựa trên hệ số địa hình thực tế Bùi Hồng Trung1, Võ Duy Hùng2, Lê Văn Trung3 và Doãn Đạt Phước4 1,3, 4 Sở Giao thông Vận tải Thành Phố Đà Nẵng 2 Bộ môn Cầu - Hầm, Khoa Xây dựng Cầu - Đường, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng E-mail: vdhung@dut.udn.vn Tóm tắt từ đó lấy kết quả về xử lý và thành lập được bản đồ gió tự Việc kiểm soát được vận tốc gió tại các vị trí của thành phố là động cũng như đưa ra khuyến cáo về vận tốc giới hạn cho rất quan trọng trong việc cảnh báo và điều khiển giao thông phượng tiện tham gia giao thông. Sản phẩm với các tính đường thủy, đường bộ, đặc biệt là trong thời tiết gió mạnh. Bài năng: báo tập trung nghiên cứu xây dựng Bản đồ gió tự động cho + Cảnh báo cho các phương tiện đi lại và tàu thuyền thành phố Đà Nẵng. Bản đồ gió được xây dựng theo hệ số địa khi ra khơi. hình thực tế tại nhiều địa điểm dựa trên nền tảng IoT. Bản đồ + Đảm bảo an toàn cho người dân khi tham gia giao cung cấp thông tin về tốc độ gió, hướng gió, khuyến cáo tốc độ thông qua cầu cũng như di chuyển vào vùng có gió bão. xe chạy an toàn tại các địa điểm theo từng phút, xây dựng một + Phục vụ cho việc xây dựng các công trình cầu hệ thống cơ sở dữ liệu về gió nhằm phục vụ trong lĩnh vực giao đường và công trình dân dụng trong tương lai. thông, xây dựng, du lịch. 2. Nội dung nghiên cứu Từ khóa: bản đồ gió tự động, hệ số địa hình, hệ thống đo đạc, 2.1. Cơ sở tính toán vận tốc gió, tương quan vận tốc. Trong việc tính toán vận tốc gió ở đô thị thì đưa ra mối liên hệ vận tốc gió tại các địa điểm khác nhau là rất 1. Mở đầu quan trọng. Công thức đơn giản được đề xuất bởi Davenport (1960) thể hiện được mối liên hệ của vận tốc Hiện nay, gió và tác động của gió gây lật xe, lật tàu gió giữa các điểm trong khu vực tại các độ cao khác nhau cũng như ảnh hưởng đến giao thông đi lại đang là một đề [6]. tài bức thiết được bàn luận nhiều ở nhiều nơi và trong các Công thức về mối liên hệ vận tốc gió giữa các điểm hội thảo. Các vụ tai nạn lật xe cũng như lật tàu với trong cùng khu vực: nguyên nhân chủ yếu là sự tác động của gió gây ra. Ở một đất nước đang phát triển như Việt Nam, phương tiện (1) giao thông nói chung và xe máy nói riêng là phương tiện được người dân ưa chuộng sử dụng khi tham gia giao thông nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào tính toán và hiểu rõ hơn các nguyên nhân và lý do gây lật xe để từ đó (2) tìm ra hướng giải quyết vấn đề cấp thiết này. Trên thế giới hiện nay mới ghi nhận các nghiên cứu cũng tương tự Trong đó: nhưng chỉ xem xét đối với xe ô tô, một phương tiện lưu + Z: Cao độ tại vị trí bất kì dùng để đo. thông được sử dụng phần nhiều đối với các nước phát + Z10: Cao độ được tham chiếu 10m. triển như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật [1-5]. Riêng ở TP. Đà Nẵng, các vụ gây tai nạn xảy ra khi người tham gia giao + : Vận tốc gió trung bình tại cao độ Z. thông di chuyển qua các cây cầu, các đoạn đường trống hay các đường ven biển bị gió quật ngã được đăng tải rất + : Vận tốc gió trung bình tại độ cao được tham nhiều trên các mặt báo khi lực tương tác của hệ gió-xe gây ra. Hiện trạng này vẫn xảy ra thường xuyên và chưa chiếu và thường lấy là 10m. có biện pháp nào khắc phục nhằm khuyến cáo cho người + α: Hệ số không thứ nguyên xác định tính nhám của tham gia giao thông làm thế nào để biết được vị trí mình bề mặt địa hình. đang di chuyển cũng như những vị trí sắp di chuyển có vận tốc gió bao nhiêu và hướng gió như thế nào nhằm 2.2. Thiết bị đo gió cầm tay (Handy anenometer) đảm bảo an toàn khi lưu thông. Nhận thấy đây là đề tài Việc xác định chính xác hệ số địa hình là cơ sở để nóng và cấp thiết cần được nghiên cứu, tác giả đã đưa ra tính toán nội suy vận tốc gió tại các điểm trong cùng khu hướng nghiên cứu, ý tưởng nhằm góp phần vào sự phát vực. Đề tài sử dụng các thiết bị đo gió cầm tay để xác triển chung của nước nhà như: tính toán hệ số địa hình định các hệ số này. Thiết bị có xuất xứ ở Nhật Bản có thể thực tế và đo vận tốc gió tại các vị trí cần được cảnh báo đo vận tốc gió từ 0-20m/s. độ chính xác đã được kiểm
2. Bùi Hồng Trung, Võ Duy Hùng, Lê Văn Trung và Doãn Đạt Phước định qua thí nghiệm hầm gió tại Trường Đại học Quốc Bảng 1. Số liệu tính toán hệ số α tại Cảng Vụ gia Yokohama, Nhật Bản. Hình 1: Thiết bị đo gió cầm tay 2.3. Nghiên cứu lựa chọn các vị trí để thiết lập trạm đo và xác định hệ số địa hình tại các vị trí đã chọn Qua việc nghiên cứu lưu lượng xe lưu thông qua các công trình cầu, các vị trí thường xuyên tập trung nhiều phương tiện và con người tham gia giao thông như các ngã ba, ngã tư, các bãi biển, các bến du thuyền thì đã đưa ra được các vị trí quan trọng cần để thiết lập tram đo như sau: Bảng 2. Số liệu tính toán hệ số α tại Cầu Thuận Phước + Cầu Nam Ô. + Bãi biển Liên Chiểu. + Ngã ba giao giữa đường Nguyễn Sinh Sắc và đường Nguyễn Tất Thành. + Bãi biển Thanh Khê. + Cầu Thuận Phước. + Cảng vụ (Trạm chủ). + Cầu Rồng. + Cầu Trần Thị Lý. Hình 2: Bản đồ thể hiện các vị trí được chọn 2.4. Xác định mối quan hệ giữa các địa điểm và trạm Để có được hệ số địa hình α thì tại mỗi vị trí ta tiến đo chính hành đo 20 lần. Sau khi có được cao độ và vận tốc, ta dựa Sau khi đã tính toán được tất cả các hệ số địa hình α vào công thức (2) để có thể tính toán ra hệ số α. Tiếp đến tại các vị trí đã chọn, ta tiến hành thiết lập mối quan hệ ta tính trung bình cho 20 giá trị để có được kết quả chính tương quan giữa các vị trí so với trạm chính (Trạm Cảng xác nhất của hệ số α tại vị trí đó. Vụ) bằng cách dùng 1 thiết bị đo gió cầm tay anenometer đặt ở trạm Cảng Vụ và 01 thiết bị đặt ở các địa điểm còn lại để đo vận tốc, tại mỗi vị trí ta tiến hành 10 lần sau đó dùng công thức (1) để quy đổi vận tốc của 2 vị trí về cùng 1 độ cao chuẩn là 10m. Cuối cùng ta tính trung bình cho 10 giá trị để có được kết quả tương quan giữa 2 điểm. Tiến hành tương tự các điểm còn lại so với Trạm Cảng Vụ để tính ra tất cả các giá trị thể hiện mối quan hệ giữa các vị trí.
3. Xây dựng bản đồ gió tự động cho thành phố Đà Nẵng dựa trên hệ số địa hình thực tế hiện công tác lấy mẫu tốc độ gió, hướng gió theo thời Bảng 3. Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa Cảng vụ gian thực và truyền về cổng thông tin lưu trữ dữ liệu sức và cầu Rồng gió qua Internet. Dựa trên dữ liệu sức gió thu thập được, hệ thống tính toán sức gió (tốc độ gió, hướng gió) tại các vị trí điểm mốc trên bề mặt Sông Hàn cũng như dự báo tốc độ gió trên toàn bộ các địa điểm đã định vị trước. Ngoài ra, tùy thuộc vào giá trị tốc độ gió được dự báo, hệ thống đưa ra các thông tin cảnh báo với cấp độ gió tương ứng theo thời gian thực để phục vụ cho công tác quản lý hoạt động của tàu thuyền du lịch trên Sông Hàn. Bảng 4. Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ vận tốc giữa Cảng vụ và cầu Trần Thị Lý Hình 3: Sơ đồ nguyên lý tổng thể hệ thống dự báo tốc độ gió 2.6.2. Thiết bị đo tốc độ gió 2.5. Đưa ra cảnh báo tốc độ Từ đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống điều tiết giao thông cho xe máy trong điều kiện gió mạnh của tác giả Võ Duy Hùng và cộng sự [7], ta tiến hành thiết lập mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc xe chạy. Từ đó đưa ra cảnh báo cho các phương tiện khi lưu thông trong điều kiện gặp gió mạnh hay thời tiết trong mùa mưa bão. Bảng 5. Mối quan hệ giữa vận tốc gió và tốc độ xe cho phép 2.6. Mô tả hệ thống 2.6.1. Tổng quan về hệ thống đo gió Hình 3 trình bày mô hình tổng quát của hệ thống dự Hình 4: Hình ảnh thực tế của thiết bị đo gió được xây dựng và lắp đặt báo tốc độ gió. Hệ thống được xây dựng bao gồm thiết bị đo tốc độ gió, thiết bị thông tin cảnh báo, hệ thống lưu trữ Thiết bị đo tốc tộ gió, hướng gió bao gồm cảm biến đo dữ liệu tốc độ gió và dữ liệu dự báo tốc độ gió và phần tốc độ gió, cảm biến hướng gió và bộ thu thập dữ liệu tích mềm mô phỏng, dự báo tốc độ gió. hợp được phát triển trên nền Atmel ARM Cortex-M3 CPU Mô tả nguyên lý hoạt động: Thiết bị đo tốc độ gió tiết kiệm năng lượng. Thiết bị có thể thu thập được dữ liệu được lắp đặt cố định tại vị trí Cảng vụ thủy nội địa, thực tốc độ gió với dải đo rộng (từ 0-50m/s, độ chính xác
4. Bùi Hồng Trung, Võ Duy Hùng, Lê Văn Trung và Doãn Đạt Phước 0,1m/s), hướng gió từ 0-360o, sai số 1o, hoạt động tốc trong vùng nhiệt độ môi trường từ 0-70oC, độ ẩm lên đến 95%RH. Thiết bị được lập trình có thể thu thập dữ liệu tốc độ gió với tần suất lấy mẫu là 1Hz, chu kỳ lấy mẫu là 1s-10 phút, chu kỳ cập nhật dữ liệu 1s-3 tiếng. Thiết bị có thể được cấu hình để sử dụng hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời (loại panel 50Wp, ắc quy 48Ah). 2.6.3. Phần mềm mô phỏng, dự báo tốc độ gió Phần mềm dự báo, mô phỏng tốc độ gió bao gồm hai môđun chính: Cổng thông tin tốc độ gió theo thời gian thực: Cổng Hình 7: Thực hiện mô phỏng hoạt động của gió trong khu vực thông tin cập nhật giá trị đo tốc độ gió, hướng gió tại các và dự báo tốc độ gió tại một số điểm tham chiếu. vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió theo thời gian thực, kèm theo biểu đồ biểu diễn dữ liệu tốc độ gió theo thời gian. 3. Kết quả nghiên cứu Từ các số liệu thu thập được cũng như qua quá trình tính toán. Ta tiến hành đưa các số liệu vào dữ liệu web để tạo nên bản đồ gió tự động cập nhật liên tục 01 phút 01 lần và đưa ra cảnh báo cho các phương tiện tham gia giao thông. Hình 5: Giao diện cổng thông tin tốc độ gió Bản đồ số mô phỏng dự báo tốc độ gió: Bản đồ số được xây dựng dựa trên nền bản đồ Google Map Api với dữ liệu tốc độ gió, hướng gió được cập nhật theo dữ liệu thực từ cảm biến đo được tại vị tí Cảng vụ. Phần mềm tiến hành mô phỏng hoạt động vùng hoạt động của gió trên các địa điểm thành phố Đà Nẵng với giá trị tính toán Hình 8: Giao diện của bản đồ dự báo tham chiếu cho các điểm mốc cố định được xác định trước (thể hiện trong bảng dữ liệu nằm trên bản đồ). Hình 6: Giao diện bản đồ số dự báo tốc độ gió Hình 9: Thông số gió tại cầu Thuận Phước Qua bản đồ người tham gia giao thông, tàu thuyền có thể cập nhật các thông số về tốc độ gió theo giời thực ở các địa điểm của thành phố. Đồng thời, có thể xem được các thông số về tốc độ xe máy cho phép qua cầu. Ngoài ra, vận tốc gió theo độ cao cũng được nội suy trong bản
5. Xây dựng bản đồ gió tự động cho thành phố Đà Nẵng dựa trên hệ số địa hình thực tế đồ, do đó các nhà xây dựng cũng có căn cứ để lấy các [8] Krstíc, M.; Kanellakopoulos I.; Kokotovíc, P.: Nonlinear thông số liên quan đến gió theo độ cao. Địa chỉ truy cập and Adaptive Control Design. John Wiley & Sons, Inc., trang web: New York 1995. [9] Quang. Ng.Ph.; Dittrich, J.-A.: Praxis der feldorientierten Drehstromantriebs-regelungen. 2. Aufl., Expert-Verlag, 4. Kết luận 1999. Bài báo đã xây dựng được mối tương quan giữa các vị trí so với trạm chủ từ đó thành lập được bản đồ gió tự động cập nhật liên tục một phút một lần để người dân trong thành phố tiện theo dõi cũng như đưa ra khuyến cáo tốc độ xe chạy qua các vị trí đó. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho thực tế các thành phố khác của Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện mưa bão hiện nay. Đồng thời hướng đến xây dựng bản đồ gió thiết kế cho thành phố Đà Nẵng và các vùng lân cận phục thiết kế cầu và công trình cao tầng. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu là cơ sở để phục vụ cho việc du lịch bến thuyền trên Sông Hàn cũng như một số trò chơi mạo hiểm ở ngoài biển. Tránh các sự cố đáng tiếc do thiên tai gây ra. Lời cảm ơn Đề tài được hoàn thành với sự hổ trợ tài chính từ kinh phí sự nghiệp khoa học hàng năm của Sở Khoa học và Công nghệ, Thành phố Đà Nẵng. Tài liệu tham khảo [1] Tiêu chuẩn 2737:1995 - Tải trọng và tác động. Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng - Bộ Xây dựng 1995. [2] Vo D.H., Do A.V,“Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều tiết giao thông cho xe máy trong điều kiện gió mạnh. Kỉ yếu hội nghị nghiên cứu khoa học Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng 2018. [3] Hoàng Nam, Gió và tác động của gió lên công trình. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Tp Hồ Chí Minh 2016. [4] C.J.Baker (2003), Some complex applications of the “wind loading chain. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91, pp.1791-1811. [5] N. Shiraishi, M. Matsumoto, H. Shirato(1982), Fundamental study on unsteady aerodynamic force on bluff body. Proceedings of Japan Society for Civil Engineers, No.328, pp.19-30. [6] Givoni, Baruch, Climate Considerations in Building and Urban Design, New york, Van Nostrand Reinhold, 1998. [7] Do A.V., Ngo V.T., Vo D.H*, Nguyen H.N.T , Developing the overturning warning systems for motorcycles travelling in strong wind condition, Procedding of the 17th International Symposium on Advanced Technology, Danang 2017, (ISSN 2434-4273).