Công nghệ Digital Twinning: Kéo dài tuổi thọ của những cây cầu

Cầu Thăng Long là một trong những cây cầu huyết mạch kết nối giao thông cửa ngõ của Thủ đô Hà Nội. Với tuổi đời gần 50 năm, nó cũng là một trong những cây cầu đầu tiên có được chị em song sinh trong thế giới ảo.

"Chúng tôi đã xây dựng một mô hình một phần bản mặt cầu với kích thước đúng như thực tế tại phòng thí nghiệm và sử dụng công nghệ để mô phỏng những mức tải trọng và dao động khác nhau khi xe đi qua nhằm theo dõi phản ứng trên bản mặt cầu. Dựa trên những tín hiệu đo được từ cảm biến, nhóm nghiên cứu sẽ dùng bản sao số để tính toán chính xác những tác động có thể xảy ra trong quá trình vận hành hoặc sửa chữa cây cầu này." PGS. TS. Bùi Tiến Thành, Trưởng nhóm nghiên cứu, Trưởng Bộ môn Cầu hầm, Khoa Công trình tại Trường Đại học Giao thông Vận tải chia sẻ.

Cây cầu này vừa kết thúc giai đoạn sáu tháng sửa chữa để xử lý vấn đề bám dính giữa lớp phủ và bản mặt thép của cầu trong điều kiện chịu trọng tải với mật độ lớn hơn 50.000 xe mỗi ngày. Theo đánh giá của Cục Đường bộ Việt Nam, bản sao số đã giúp cho dự án sửa chữa trị giá gần 240 tỷ đồng tiết kiệm được một khoản thời gian và chi phí đáng kể.

Trên thực tế, không chỉ có cầu Thăng Long mà ngày càng nhiều cây cầu trọng điểm trên khắp đất nước như cầu Chương Dương, cầu Nhật Tân (Hà Nội), cầu Cần Thơ, cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Nam Ô (Đà Nẵng), cầu Kiền (Hải Phòng) đã bắt đầu có bản sao kỹ thuật số của chính mình.

Chúng nằm trong khuôn khổ một dự án hợp tác nghiên cứu đặc biệt thành công giữa trường Đại học Giao thông Vận tải và Đại học Middlesex (Vương quốc Anh) do quỹ Newton Fund tài trợ trong giai đoạn 2019-2021 nhằm phát triển một hệ thống hiện đại nhưng không qua tốn kém để dự đoán sớm hư hỏng của các cây cầu nhờ công nghệ bản sao số.

Hiểu một cách đơn giản, bản sao số là tạo ra phiên bản số của một vật thể vật lý trên không gian mạng. Chúng sử dụng công nghệ thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR) để trực quan hóa các đối tượng, đồng thời thu thập dữ liệu từ cảm biến IoT để mô tả chính xác trạng thái của vật thể tại bất kỳ thời điểm nào. Trên thế giới, việc áp dụng công nghệ bản sao số trong lĩnh vực xây dựng chỉ mới nổi lên trong vòng năm năm trở lại đây.

“Trong dự án này, để tạo ra các bản sao số, chúng tôi chỉ cần cài đặt một vài cảm biến IoT khác nhau vào các vị trí trọng yếu để theo dõi toàn bộ hành vi của cây cầu. Dữ liệu cảm biến được truyền đến một mô hình 3D mô phỏng cấu trúc cây cầu nhằm tạo ra người chị em song sinh của nó trên môi trường mạng. Nhờ công nghệ học máy, cặp song sinh kỹ thuật số này có thể “học” được dữ liệu hoạt động lịch sử (như độ biến dạng, độ võng, độ nghiêng,…) để dự đoán sức khỏe và hiệu suất (liên quan đến sức căng, nứt gãy, hỏng hóc, sụt lún….) của cây cầu trong tương lai”, GS. TS. Nguyễn Xuân Huấn tại Đại học Middlesex giải thích.

Trong khi nhóm nghiên cứu về IoT và mạng 5G/6G của Đại học Middlesex cung cấp những giải pháp học máy và bản sao số tiên tiến có thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam thì các nhà nghiên cứu về công trình cầu của Trường Đại học Giao thông vận tải đã giải quyết xuất sắc vấn đề thu thập dữ liệu và đưa những kiến thức sâu rộng về đặc điểm của những cây cầu vào việc xây dựng mô hình số.

Mô hình cầu Thăng Long – một trong những niềm tự hào của Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình tại Trường Đại học Giao thông vận tải, là một trong những công cụ tuyệt vời để kiểm chứng ý tưởng bản sao số. GS. Huấn nói rằng rất khó để tạo ra một bản sao số có khả năng dự đoán hoàn hảo, do vậy mô hình cầu Thăng Long đóng vai trò không nhỏ để so sánh kết quả dự đoán với thực tế, từ đó cải thiện các kết quả học máy tốt hơn.

Bản sao số không có trong từ vựng của bất kỳ ai khi các kỹ sư xây dựng những cây cầu đầu tiên vào giữa thế kỷ 20 và hẳn cũng chưa xuất hiện trong những bản thiết kế những công trình cầu đường mới nhất ở Việt Nam. Trên thế giới, việc áp dụng công nghệ bản sao số trong lĩnh vực xây dựng chỉ mới nổi lên trong vòng năm năm trở lại đây.

Ở các nước phát triển, một dự án công trình hạ tầng giao thông thường có hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu tích hợp trong giai đoạn xây dựng để đảm bảo an toàn vận hành và có thể giảm chi phí liên quan đến quản lý vòng đời. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc quản lý và đánh giá tình trạng các cơ sở hạ tầng chiến lược có phần lơ là, bởi ngân sách hàng năm đang ưu tiên cho việc xây mới thay vì bảo trì và giám sát/theo dõi. Các vụ sập cầu và hư hỏng kết cấu cầu trong những năm gần đây đã gây không ít thương vong, tổn thất và lo ngại trong cộng đồng địa phương.

Bản sao số cung cấp một công cụ hữu ích để giám sát sức khỏe các cây cầu với chi phí phải chăng. Một khi xây dựng được bản sao chính xác của từng cây cầu trên môi trường số, các nhà khoa học có thể làm được mọi thử nghiệm, mọi giả lập đối với cây cầu và cảnh báo nguy hiểm ngay khi các thông số dự báo bắt đầu lệch khỏi ngưỡng định sẵn. Nhờ vậy, các nhà quản lý có thể lập tức chuyển hướng lưu lượng xe cộ khỏi khu vực bị ảnh hưởng và bắt đầu công việc bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế.

Có ba điều mà các nhà nghiên cứu của dự án tự hào rằng họ đã đóng góp cho cộng đồng khoa học, đó là một bộ dữ liệu hữu ích về những hư hỏng trong công trình, một hệ thống các phương pháp học máy tiên tiến nhằm lấp đầy khoảng trống dữ liệu, và một nền tảng điện toán đám mây chia sẻ quyền truy cập với các bên quan tâm.

GS. Huấn chia sẻ, hiện nay trên thế giới phần lớn dữ liệu là từ những công trình mới hoặc đang hoạt động tốt và có rất ít dữ liệu về những hư hỏng trong công trình cũ như của Việt Nam. Thậm chí ở châu Âu, nơi có những cây cầu lên tới hàng trăm năm tuổi, các nhà khoa học cũng không dễ gì thu thập dữ liệu bởi không có chỗ thích hợp để lắp đặt cảm biến trên đó. Với một mô hình học máy, nếu không có dữ liệu về những “tổn thương” trong quá khứ thì hầu hết các dự báo học được cho tương lai đều không có mấy giá trị.

Bộ dữ liệu của Việt Nam không chỉ gồm dữ liệu cảm biến thu thập được từ hơn 20 cây cầu trong giai đoạn dự án mà còn có dữ liệu quá khứ về hoạt động kiểm định hàng ngàn cây cầu ở Việt Nam trong hàng chục năm qua của trường Đại học Giao thông Vận tải. Do đó, kết quả nghiên cứu này đã thu hút được sự chú ý rất lớn của cộng đồng khoa học từ Anh, Pháp, Bỉ và Việt Nam.

Tuy nhiên, tại Việt Nam có gần 20.000 cây cầu và ở các nước châu Âu hoặc Anh quốc, số lượng cây cầu đang sử dụng cũng không hề nhỏ. Với quy mô khổng lồ như thế, các nhà nghiên cứu không thể chỉ triển khai thử nghiệm đơn lẻ để xây dựng bản sao số cho từng công trình mà cần phải tạo ra một hệ thống có khả năng “bao phủ” hàng loạt.

Ở đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loạt kỹ thuật mới để lấp đầy khoảng trống về dữ liệu, như mô phỏng giả lập hư hỏng, bổ sung dữ liệu mô phỏng vào bộ dữ liệu thật, hoặc dùng các phương pháp học máy nửa giám sát (semi-supervised learning) và học chuyển giao (transfer learning) để biến mô hình học được từ cây cầu này sang cây cầu khác.

Trong hai năm 2021-2022, nhóm nghiên cứu đã công bố 20 bài báo khoa học trên các tạp chí uy tín hàng đầu thế giới và tổ chức thành công 5 hội thảo khoa học quốc tế tại Việt Nam, Anh, Bỉ, Nhật Bản, Hàn Quốc để lan toả kết quả nghiên cứu này. Các nhà nghiên cứu do GS. Huấn và PGS. Thành dẫn đầu đã tổ chức một tọa đàm tại hội nghị quốc tế IEEE Smart Cities Conference 2021. Những kết quả nổi bật này đã thu hút sự quan tâm của nhiều trường đại học trên thế giới, trong đó Đại học Cambridge đã ngỏ mời Đại học Middlesex cùng tham gia vào một chương trình phát triển bản sao số quốc gia của riêng mình.

Cuối cùng, ngay cả khi dự án đã kết thúc, các nhà khoa học vẫn tìm cách để “mở” những kết quả của mình với cộng đồng. “Từ giai đoạn đầu triển khai dự án, chúng tôi không tính đến điều này, nhưng cuối cùng mọi người nhất trí phát triển một nền tảng điện toán đám mây để chia sẻ quyền truy cập dữ liệu và mô hình với những nhóm nghiên cứu khác. Tôi tin những bản sao số như cầu Cần Thơ hay cầu Thăng Long sẽ có thể hữu ích cho bộ phận nghiên cứu thị trường của nhiều đơn vị khác”, GS. Huấn nói.

Đầu năm nay, các nhà nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán bản sao số của riêng mình để theo dõi cho một cây cầu ở Tây Ban Nha. Dữ liệu được gửi về Việt Nam xử lý và phản hồi bằng các báo cáo kết cấu công trình chi tiết. “Đó là một dạng hợp đồng tư vấn”, PGS. Thành nhấn mạnh, “Về mặt công nghệ và nhân lực, chúng tôi sẵn sàng triển khai tương tự cho những cây cầu ở Việt Nam. Tuy nhiên để tiến đến bước đó, thực tế cần có các quy định pháp lý về tiêu chuẩn và đơn giá định mức”.

Kết quả khả quan của dự án đã khiến Đại học Middlesex quyết định mở ra Trung tâm nghiên cứu bản sao số đầu tiên của nước Anh vào năm ngoái do GS. Huấn làm giám đốc nhằm tập trung nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau của bản sao số. Trong khi ở Việt Nam, Hiệu trưởng Trường Đại học Giao thông Vận tải PGS.TS Nguyễn Ngọc Long nói với VTV rằng họ đang khuyến nghị các cơ quan quản lý tập trung áp dụng chuyển đổi số trong quản lý các công trình cơ sở hạ tầng cụ thể nhằm nâng cao độ bền và hiệu quả chi phí cho công trình.

Thành công của dự án cũng giúp nhóm nghiên cứu thu hút được tài trợ và mở ra 6 dự án mới về công nghệ bản sao số, bao gồm sản xuất thông minh (UKIERI), công trình giao thông (VinIF), bảo tồn di sản (Newton Fund), phát triển hệ thống y tế (Hội Đồng Anh – Indonesia), nông nghiệp thông minh (Hội Đồng Anh – Việt Nam) và viễn thông (EPSRC, UK).