Nghiên cứu và Xây dựng Hệ thống Cảnh báo Trượt Đất Sử dụng Mạng Cảm Biến Không Dây: Luận án Tiến sĩ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: CẢNH BÁO SỚM TRƯỢT ĐẤT DO MƯA

1.1. Cơ chế trượt đất do mưa

1.2. Phân loại các hệ thống cảnh báo trượt đất sớm

1.3. Tổng quan hệ thống giám sát và ảnh báo trượt đất do mưa

1.4. Các phương pháp quan trắc

1.5. Giám sát yếu tố kích hoạt trượt đất do mưa

1.6. Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong hệ EWMRIL

1.7. Phân tích và cảnh báo trượt đất

1.8. Thách thức xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo trượt đất do mưa

1.9. Nghiên cứu tại Việt Nam

1.10. Nghiên cứu trên thế giới

1.11. Một số thách thức trong xây dựng hệ thống

1.12. Những vấn đề mà luận án giải quyết

1.13. Kết luận chương

2. CHƯƠNG 2: NHÓM GIẢI PHÁP CẢI TIẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT DO MƯA

2.1. Hệ thống giám sát trượt đất do mưa

2.2. Mạng WSN trong EWMRIL

2.3. Giao diện người dùng

2.4. Hoạt động của EWMRIL

2.5. Nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng

2.6. Chuyển đổi chế độ hoạt động linh hoạt

2.7. Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu nén cải tiến

2.8. Kết luận chương

3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT DO MƯA

3.1. Hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa

3.2. Phân bố không gian của nút cảm biến

3.3. Trạm trung tâm và gateway

3.4. Mô hình số sườn dốc

3.5. Chuyên gia và người phụ trách

3.6. Nguyên tắc làm việc của hệ thống

3.7. Nghiên cứu điển hình cho hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt đất do mưa

3.8. Thu thập và xử lý dữ liệu

3.9. EWMRIL cho khối trượt Nấm Dẩn

3.10. So sánh giữa kết quả tính toán và thực nghiệm

3.11. Kết luận chương

KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Trượt Đất và Cảnh Báo Sớm

Hiện tượng trượt đất là một thảm họa tự nhiên gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Các vụ sạt lở đất xảy ra đột ngột, với tốc độ di chuyển nhanh chóng của đất đá, đe dọa trực tiếp đến tính mạng, tài sản và cơ sở hạ tầng của cộng đồng dân cư. Theo thống kê, từ năm 2004 đến 2016, trên thế giới đã có hàng nghìn người thiệt mạng do trượt lở đất không do động đất, trong đó Châu Á chịu ảnh hưởng nặng nề nhất. Thiệt hại kinh tế hàng năm ước tính lên đến hàng tỷ đô la ở nhiều quốc gia. Việc nghiên cứu và xây dựng các hệ thống cảnh báo sớm trượt đất là vô cùng cấp thiết để giảm thiểu những thiệt hại này.

Trượt lở đất do mưa chiếm tỷ lệ lớn ở Việt Nam. Giải pháp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm cung cấp mức độ bảo vệ thích hợp, giảm thiểu thiệt hại, đồng thời có chi phí thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường. Hệ thống giám sát có thể được áp dụng thay thế.

1.1. Tác động và Thực trạng Nghiên cứu Trượt Đất Toàn Cầu

Các sự kiện trượt lở đất do mưa gây thiệt hại lớn về người và của. Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, tần suất mưa lớn, gia tăng dân số nhanh chóng, phát triển đô thị không được kiểm soát, tần suất và xu hướng xảy ra trượt lở đất đã tăng lên và có tỷ lệ báo động ở nhiều quốc gia. Vấn đề này cũng được quan tâm ở Việt Nam trong những năm gần đây, nơi trượt lở đất xảy ra thường xuyên ở các khu vực miền núi do tần suất mưa bão nhiệt đới cao.

1.2. Các Giải pháp Công trình và Phi Công trình Phòng Chống Trượt Đất

Để giảm thiểu thiệt hại do trượt lở đất, có các giải pháp công trình và phi công trình. Giải pháp công trình liên quan đến ổn định sườn dốc như thoát nước, tăng mức độ che phủ, xây dựng kè đá, neo đất. Giải pháp phi công trình bao gồm xây dựng bản đồ nguy cơ trượt lở, cảnh báo sớm, quy hoạch, nâng cao nhận thức và khả năng ứng phó.

II. Vấn Đề Thách Thức trong Cảnh Báo Sớm Trượt Đất Hiệu Quả

Mặc dù có nhiều nỗ lực nghiên cứu, việc cảnh báo sớm trượt đất vẫn còn nhiều thách thức. Các yếu tố gây ra trượt lở đất rất phức tạp và đa dạng, ảnh hưởng đến tính chính xác của các mô hình dự báo. Việc xác định chính xác thời điểm, địa điểm và quy mô của trượt lở đất vẫn là một bài toán khó đối với các nhà khoa học. Bên cạnh đó, việc triển khai và duy trì các hệ thống cảnh báo sớm trượt đất cũng gặp nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, kinh tế và xã hội. Sự tác động qua lại của nhiều yếu tố, do vậy, ảnh hưởng đến tính chính xác của mô hình dự báo. Trượt lở đất xảy ra ở đâu, khi nào, độ lớn bằng bao nhiêu vẫn là câu hỏi thách thức các nhà khoa học.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác của Mô Hình Dự Báo

Trượt lở đất là hiện tượng phức tạp, xảy ra do sự tác động qua lại của nhiều yếu tố, do vậy, ảnh hưởng đến tính chính xác của mô hình dự báo. Dữ liệu khảo sát cung cấp thông tin về thuộc tính sườn dốc tại một thời điểm cụ thể nhưng không cho biết sự thay đổi của chúng dưới tác động của điều kiện bên ngoài.

2.2. Khó Khăn trong Triển Khai và Duy Trì Hệ Thống Cảnh Báo Sớm

Để có dữ liệu đầu vào thời gian thực cho mô hình số phân tích, điều chỉnh và cập nhật đòi hỏi giám sát liên tục các tham số sườn dốc trên thực địa. Luận án lựa chọn, xây dựng giải pháp theo dõi sự biến đổi theo không gian và thời gian các thông số sườn dốc; xác định loại cảm biến, vị trí đặt cảm biến cả trên bề mặt và trong thân dốc; thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến; thiết kế, cấu hình của mạng cảm biến.

III. Phương Pháp Xây Dựng Hệ Thống Cảnh Báo Dựa trên WSN

Luận án này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống cảnh báo trượt đất dựa trên mạng cảm biến không dây (WSN). Hệ thống này sử dụng các cảm biến đặt trên sườn dốc để thu thập dữ liệu thời gian thực về độ ẩm, áp suất nước lỗ rỗng, biến dạng đất và các yếu tố khác liên quan đến nguy cơ trượt lở đất. Dữ liệu này sau đó được truyền về trung tâm xử lý, nơi các thuật toán dự báo sẽ đánh giá nguy cơ và đưa ra cảnh báo sớm nếu cần thiết. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây là khả năng triển khai linh hoạt, chi phí thấp và dễ dàng bảo trì.

3.1. Ứng Dụng Mạng Cảm Biến Không Dây WSN trong Giám Sát Trượt Đất

Luận án ứng dụng mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) với các cột cảm biến phân bố trên sườn dốc để thu thập dữ liệu thời gian thực tham số sườn dốc. Nghiên cứu, đề xuất cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến và nâng cao độ ổn định của hệ thống phù hợp với điều kiện hoạt động cảnh báo trượt lở đất.

3.2. Các Loại Cảm Biến và Vị Trí Đặt Cảm Biến Tối Ưu

Xác định loại cảm biến, vị trí đặt cảm biến cả trên bề mặt và trong thân dốc; thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến; thiết kế, cấu hình của mạng cảm biến. Nghiên cứu, đề xuất cải tiến các giải pháp tiết kiệm năng lượng, mô phỏng, đánh giá thực nghiệm WSN áp dụng đối với hệ thống EWMRIL.

3.3. Truyền Dữ Liệu Không Dây và Giao Thức Truyền Thông

IV. Giải Pháp Cảnh Báo Trượt Đất Sớm Tiết Kiệm Năng Lượng

Một trong những thách thức lớn khi sử dụng mạng cảm biến không dây là vấn đề năng lượng. Các cảm biến thường hoạt động bằng pin và cần phải thay thế định kỳ, điều này gây khó khăn cho việc bảo trì hệ thống, đặc biệt là ở những khu vực khó tiếp cận. Để giải quyết vấn đề này, luận án đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến, bao gồm việc sử dụng các chế độ hoạt động linh hoạt, kỹ thuật lấy mẫu nén cải tiến và các thuật toán điều khiển năng lượng hiệu quả.

4.1. Chuyển Đổi Chế Độ Hoạt Động Linh Hoạt Cho Cảm Biến

Luận án nghiên cứu, đề xuất cải tiến nhóm giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến và nâng cao độ ổn định của hệ thống phù hợp với điều kiện hoạt động cảnh báo trượt lở đất. Xác định loại cảm biến, vị trí đặt cảm biến cả trên bề mặt và trong thân dốc; thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến; thiết kế, cấu hình của mạng cảm biến.

4.2. Áp Dụng Kỹ Thuật Lấy Mẫu Nén Cải Tiến cho WSN

V. Ứng Dụng Hệ Thống EWMRIL Cho Khu Vực Nguy Cơ Cao

Hệ thống EWMRIL được triển khai thử nghiệm trên một sườn dốc điển hình có nguy cơ trượt lở cao ở Hà Giang, Việt Nam. Dữ liệu từ các cảm biến được thu thập và phân tích để đánh giá nguy cơ trượt lở. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng cảnh báo sớm hiệu quả, giúp người dân và chính quyền địa phương có thời gian chuẩn bị và ứng phó. Hệ thống còn có thể dự báo sớm trượt lở đất theo các kịch bản thời tiết. Triển khai thử nghiệm hoạt động hệ thống trên thực địa.

5.1. Thu Thập và Xử Lý Dữ Liệu Từ Mạng Cảm Biến

5.2. So Sánh Kết Quả Tính Toán và Thực Nghiệm

Nghiên cứu, phát triển mô hình, giải thuật, nguyên tắc hoạt động của hệ thống cảnh báo và dự báo nguy cơ trượt lở đất do mưa. Xây dựng hệ thống quan trắc biến dạng sườn dốc, diễn biến điều kiện thủy văn trên mặt và trong thân dốc có nguy cơ trượt lở.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Cảnh Báo Trượt Đất

Luận án đã trình bày một phương pháp tiếp cận hiệu quả để xây dựng hệ thống cảnh báo trượt đất sử dụng mạng cảm biến không dây. Hệ thống này có khả năng cung cấp thông tin cảnh báo sớm tin cậy, giúp giảm thiểu thiệt hại do trượt lở đất. Trong tương lai, hệ thống có thể được cải tiến bằng cách tích hợp thêm các nguồn dữ liệu khác như ảnh vệ tinh, dữ liệu thời tiết, và sử dụng các thuật toán machine learning để nâng cao độ chính xác của dự báo.

6.1. Tích Hợp Dữ Liệu Vệ Tinh và Thời Tiết Để Nâng Cao Dự Báo

Trong tương lai, hệ thống có thể được cải tiến bằng cách tích hợp thêm các nguồn dữ liệu khác như ảnh vệ tinh, dữ liệu thời tiết, và sử dụng các thuật toán machine learning để nâng cao độ chính xác của dự báo.

ĐẠI HỌC HÀ NỘI - Nghiên cứu và Xây dựng Hệ thống Cảnh báo Trượt Đất Sử dụng Mạng Cảm Biến Không Dây