Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật công trình hiện đại, hơn 70% cơ sở hạ tầng trọng điểm như nhà cao tầng, cầu nhịp lớn và tháp truyền hình sử dụng hệ kết cấu khung chịu lực. Việc giám sát sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) đóng vai trò sống còn nhằm ngăn ngừa thảm họa sụp đổ và tối ưu hóa chi phí bảo trì định kỳ. Tuy nhiên, các kỹ thuật chẩn đoán truyền thống thường đòi hỏi thu thập từ 6 đến 8 dạng dao động khác nhau, gây khó khăn lớn trong việc đo đạc thực tế do chi phí cảm biến đắt đỏ và độ nhiễu cao ở các dạng dao động bậc cao.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng của học viên Võ Tân Phú, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hồ Đức Duy tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (hoàn thành tháng 01/2024), tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: phát triển và cải tiến thuật toán chẩn đoán sự xuất hiện, vị trí và mức độ suy giảm độ cứng trong kết cấu khung bằng cách kết hợp chỉ số năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - MSE) với mạng nơ-ron tích chập (Convolutional Neural Network - CNN).

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm mô phỏng trên hệ khung phẳng 2D và khung không gian 3D chịu lực phức tạp. Mục tiêu trọng tâm là tinh gọn dữ liệu đầu vào, tiến tới khả năng chỉ sử dụng duy nhất dạng dao động thứ nhất mà vẫn đảm bảo độ chính xác định vị trên 95% và sai số định lượng mức độ hư hỏng dưới 5%. Kết quả của công trình mang lại giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao, giúp giảm thiểu tới 60% số lượng kênh thu thập tín hiệu cảm biến trên công trình thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học kết cấu vững chắc và học sâu hiện đại, bao gồm các trụ cột lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết động lực học công trình và phân tích dao động tự do không cản: Mô hình hóa bài toán dao động của kết cấu rời rạc thông qua phương trình ma trận đặc trưng $([K] - \omega^2 [M]){\hat{v}} = 0$. Ma trận độ cứng phần tử Timoshenko và ma trận khối lượng tập trung (lumped mass matrix) được áp dụng để mô tả chính xác cả biến dạng uốn, cắt và xoắn của phần tử thanh không gian với 12 bậc tự do tại mỗi nút.
  2. Chỉ số năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - MSE): Dựa trên công thức $MSE_{ij} = \Phi_i^T K_j \Phi_i$, chỉ số này phản ánh độ nhạy bén vượt trội đối với sự suy giảm độ cứng cục bộ so với các đại lượng động học đơn thuần như tần số hay dạng dao động. Luận văn chuẩn hóa năng lượng biến dạng ở trạng thái nguyên vẹn ($MSE_{ij}^h$) và trạng thái hư hỏng ($MSE_{ij}^d$).
  3. Khái niệm vùng nhạy và vùng không nhạy: Một đóng góp lý thuyết mới phân cấp độ nhạy của phần tử dựa trên tỷ lệ dải giá trị MSE: vùng nhạy cao (50% - 100%), vùng nhạy vừa (5% - 50%), và vùng không nhạy (0% - 5%).
  4. Mô hình Mạng Nơ-ron Tích chập (CNN): Cấu trúc học sâu khai thác khả năng trích xuất đặc trưng không gian tự động qua các lớp tích chập (Convolutional Layer), lớp tổng hợp (Pooling Layer) và lớp kết nối đầy đủ (Fully Connected Layer) nhằm thực hiện hồi quy chính xác mức độ hư hỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu được thiết kế mạch lạc, kết hợp giữa mô phỏng số và phân tích học máy:

  • Mẫu dữ liệu và phương pháp lấy mẫu: Tập dữ liệu huấn luyện được tạo lập tự động qua thuật toán phần tử hữu hạn (FEM) lập trình bằng Python. Mẫu dữ liệu khảo sát bao gồm hàng nghìn kịch bản hư hỏng giả định từ 1 đến 5 phần tử bị suy giảm độ cứng với các mức độ từ 5% đến 50%. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng đảm bảo mạng nơ-ron bao quát toàn diện các tổ hợp hư hỏng đơn lẻ và đa điểm.
  • Quy trình phân tích và kiểm chứng: Mô hình tính toán động lực học bằng Python được kiểm chứng chéo với phần mềm thương mại tiêu chuẩn SAP2000 thông qua chỉ số Modal Assurance Criterion (MAC), ghi nhận mức độ tương đồng dạng dao động đạt xấp xỉ 0.999.
  • Kiến trúc mạng và huấn luyện: Mạng CNN gồm 12 lớp chức năng, sử dụng hàm kích hoạt ReLU, thuật toán tối ưu hóa thích ứng (Adam) và hàm mất mát sai số toàn phương trung bình (MSE loss). Quá trình huấn luyện kéo dài 150 epochs với kích thước batch 32, đảm bảo mô hình hội tụ ổn định và không bị hiện tượng quá khớp (overfitting).
  • Tiến độ nghiên cứu: Toàn bộ quy trình lập trình giải thuật, thu thập dữ liệu mô phỏng và tinh chỉnh siêu tham số mạng CNN được thực hiện từ tháng 09/2023 đến tháng 12/2023 tại phòng thí nghiệm BK.Lab.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu năng vượt trội của quy trình chẩn đoán một bước: Đối với mô hình khung phẳng (sử dụng 4 dạng dao động) và khung không gian (sử dụng 6 dạng dao động), mô hình CNN-MSE xác định chính xác 100% vị trí các thanh bị hư hại. Sai số tuyệt đối trung bình về mức độ suy giảm độ cứng chỉ dao động trong khoảng 1.8% đến 3.5% đối với các kịch bản hư hỏng đơn và đa phần tử.
  2. Quy luật tác động của vùng nhạy kết cấu: Nghiên cứu chỉ ra rằng độ chính xác chẩn đoán phụ thuộc chặt chẽ vào vị trí phần tử trong dải phân bố năng lượng biến dạng. Các phần tử thuộc vùng nhạy cao (tỷ lệ MSE từ 50% đến 100%) cho kết quả nhận diện mức độ suy giảm độ cứng đạt độ chuẩn xác trên 98.2%, trong khi các phần tử thuộc vùng không nhạy (dưới 5%) đòi hỏi phải kết hợp thêm các bậc dao động phụ trợ để tránh hiện tượng bỏ sót khuyết tật.
  3. Bước đột phá từ chỉ số cải tiến MSER trên dạng dao động thứ nhất: Bằng việc đề xuất tỷ số năng lượng biến dạng cải tiến (Modal Strain Energy Ratio - MSER) kết hợp quy trình chẩn đoán hai bước và thuật toán chia đôi lọc dữ liệu, mô hình đã định vị và định lượng thành công hư hỏng khung không gian 3D chỉ với dữ liệu từ dạng dao động bậc 1. Sai số trung bình toàn hệ thống ghi nhận ở mức 4.8%, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn kiểm định công trình.

Thảo luận kết quả

Cơ chế mang lại thành công cho phương pháp cải tiến nằm ở việc tách biệt hai giai đoạn: khoanh vùng nhạy cảm và tối ưu hóa mức độ suy giảm. Dữ liệu có thể được trực quan hóa sinh động qua biểu đồ phân bố năng lượng dạng ma trận nhiệt (Heatmap) và bảng so sánh sai số chẩn đoán, thể hiện rõ sự tương quan tuyến tính giữa mức độ suy giảm độ cứng thực tế và giá trị dự đoán từ CNN.

So sánh với nghiên cứu kinh điển của Cha và Buyukozturk (2015) sử dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu NSGA-II, phương pháp CNN-MSE trong luận văn này rút ngắn thời gian xử lý từ vài chục phút xuống dưới 0.5 giây trên cùng một cấu hình phần cứng. Đồng thời, nghiên cứu khắc phục triệt để nhược điểm của các nghiên cứu trước đây vốn phụ thuộc vào tập dữ liệu đầy đủ từ 8 dạng dao động, tạo bước tiến dài trong việc đơn giản hóa thiết bị đo đạc tại hiện trường.

       +-------------------------------------------------------------+
       |   SO SÁNH ĐỘ PHỨC TẠP DỮ LIỆU ĐẦU VÀO VÀ THỜI GIAN XỬ LÝ    |
+------+----------------------+----------------------+---------------+------+
| Tiêu chí so sánh            | Nghiên cứu trước đây | Phương pháp đề xuất  |
+-----------------------------+----------------------+----------------------+
| Số dạng dao động yêu cầu    | 6 - 8 modes          | Chỉ 1 mode (MSER)    |
| Thời gian suy luận (giây)   | > 300 giây (NSGA-II) | < 0.5 giây (CNN)     |
| Khả năng chẩn đoán đa điểm  | Trung bình (dễ nhiễu)| Rất tốt (sai số <5%) |
+-----------------------------+----------------------+----------------------+

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm mô phỏng, luận văn đưa ra 4 giải pháp hành động cụ thể nhằm đưa thuật toán vào ứng dụng thực tiễn:

  1. Tích hợp thuật toán vào hệ thống cảm biến thông minh IoT: Triển khai mã nguồn CNN-MSER trực tiếp vào các trạm quan trắc kết cấu biên (Edge AI) trên cầu đường và nhà cao tầng. Mục tiêu là xử lý dữ liệu rung động thời gian thực với độ trễ dưới 1 giây. Kế hoạch thí điểm thực hiện trong 6 tháng do Ban Quản lý Dự án và Kỹ sư SHM chủ trì.
  2. Mở rộng tập dữ liệu huấn luyện với điều kiện biên phi tuyến: Mở rộng mô hình số hóa để xét đến các yếu tố biến thiên nhiệt độ môi trường, hiệu ứng từ biến và phi tuyến vật liệu. Đặt mục tiêu duy trì sai số chẩn đoán dưới 3% trong điều kiện nhiễu môi trường lên tới 10%, hoàn thành trong 12 tháng bởi các nhóm nghiên cứu chuyên sâu.
  3. Chuẩn hóa quy trình kiểm định công trình dựa trên dạng dao động bậc 1: Đề xuất cơ quan quản lý ban hành hướng dẫn kỹ thuật đánh giá nhanh độ cứng kết cấu chỉ sử dụng dạng dao động thứ nhất, giúp các đơn vị kiểm định cắt giảm 50% chi phí lắp đặt cảm biến gia tốc, thực hiện trong vòng 18 tháng.
  4. Phát triển phần mềm thương mại cảnh báo hư hỏng trực quan 3D: Xây dựng giao diện đồ họa tự động biểu diễn kết cấu khung với 3 mã màu cảnh báo (xanh lá - an toàn, vàng - suy giảm dưới 20%, đỏ - nguy hiểm trên 20%), cung cấp phiên bản dùng thử trong 9 tháng do các kỹ sư phần mềm xây dựng phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư kết cấu và chuyên viên kiểm định công trình: Nắm vững phương pháp đánh giá không phá hủy (NDT), ứng dụng chỉ số MSE để nhanh chóng định vị vị trí nứt, lỏng bu lông hoặc ăn mòn cốt thép trong hệ khung chịu lực.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về động lực học công trình nâng cao, phương pháp số Timoshenko và kỹ thuật lập trình phần tử hữu hạn trên Python.
  • Chuyên gia AI và Khoa học Dữ liệu trong công nghiệp: Khám phá use case thực tế về cách ánh xạ dữ liệu vật lý kết cấu thành các ma trận đầu vào cho mạng nơ-ron tích chập, mở rộng ứng dụng thị giác máy tính sang xử lý tín hiệu cơ học.
  • Đơn vị quản lý vận hành cơ sở hạ tầng giao thông và đô thị: Định hình chiến lược bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance), tối ưu hóa ngân sách bảo dưỡng công trình thông qua việc giảm số lượng thiết bị quan trắc đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp MSE kết hợp CNN có ưu thế gì vượt trội so với mạng nơ-ron truyền thống (ANN)?

Mạng ANN truyền thống đòi hỏi số lượng tham số lớn và dễ mất thông tin liên kết không gian giữa các nút khung. Việc áp dụng CNN cho phép ma trận hóa dữ liệu năng lượng biến dạng MSE, trích xuất đặc trưng hư hỏng cục bộ qua các bộ lọc tích chập, giúp tăng tốc độ huấn luyện gấp 3 lần và giảm sai số nhận diện xuống dưới 3.5%.

2. Tại sao việc chỉ sử dụng dạng dao động thứ nhất lại là bước tiến mang tính đột phá?

Trong thực tế công trình, các dạng dao động bậc cao (nhất là dao động xoắn) rất khó kích hoạt và đo đạc chính xác bằng cảm biến thông thường do lẫn tạp âm lớn. Việc phát triển thành công chỉ số MSER trên dạng dao động bậc 1 cho phép kỹ sư chỉ cần một vài cảm biến gia tốc cơ bản mà vẫn đánh giá chính xác độ cứng toàn công trình.

3. Vùng không nhạy ảnh hưởng như thế nào đến khả năng phát hiện hư hỏng?

Vùng không nhạy là các vị trí mà dạng dao động đang xét có biên độ chuyển vị hoặc độ cong uốn rất nhỏ, dẫn đến biến thiên MSE dưới 5% khi xảy ra sự cố. Thuật toán cải tiến hai bước trong luận văn xử lý triệt để vấn đề này bằng cách kết hợp thuật toán chia đôi lọc dữ liệu, loại bỏ hoàn toàn các cảnh báo giả.

4. Thuật toán có khả năng phát hiện cùng lúc nhiều thanh bị hư hỏng không?

Có. Mô hình đã được kiểm nghiệm qua các kịch bản đa hư hỏng phức tạp đồng thời từ 2 đến 5 phần tử trên cả khung phẳng và khung không gian. Kết quả cho thấy toàn bộ các vị trí suy giảm độ cứng đều được nhận diện chính xác với độ lệch mức độ hư hỏng không vượt quá 4.5%.

5. Phương pháp này có áp dụng được cho kết cấu bê tông cốt thép bị nứt cục bộ không?

Hoàn toàn khả thi. Bản chất của vết nứt chân chim hay nứt do mỏi trong bê tông cốt thép là sự suy giảm mô-men quán tính hiệu dụng và độ cứng chống uốn $EI$. Mô hình CNN-MSE nhận diện sự thay đổi độ cứng này một cách tức thì, hỗ trợ đắc lực cho công tác đánh giá an toàn sau động đất.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Võ Tân Phú đã giải quyết trọn vẹn và xuất sắc bài toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung thông qua các đóng góp nổi bật:

  • Xây dựng thành công thuật toán kết hợp mạng nơ-ron tích chập (CNN) và năng lượng biến dạng (MSE) giúp chẩn đoán tự động sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng trong một bước duy nhất.
  • Thiết lập khái niệm và bản đồ phân vùng nhạy - vùng không nhạy cho kết cấu khung không gian 3D, làm sáng tỏ cơ chế phân bổ năng lượng dao động.
  • Đề xuất thành công chỉ số cải tiến MSER và quy trình hai bước, giải quyết triệt để bài toán chẩn đoán chính xác kết cấu khung không gian phức tạp chỉ bằng duy nhất dạng dao động thứ nhất.
  • Xây dựng bộ công cụ mô phỏng động lực học hoàn chỉnh trên nền tảng Python, đối soát đạt chuẩn xác với phần mềm quốc tế SAP2000.
  • Định hình giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị quan trắc cho ngành xây dựng Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo kéo dài 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng thử nghiệm trên mô hình kết cấu cầu thực tế chịu tải trọng giao thông động. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp cận toàn văn công trình tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để cùng hợp tác phát triển hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu thông minh cho tương lai.