Ứng dụng công nghệ bản sao số trong phát hiện hư hỏng kết cấu công trình hạ tầng giao thông

Công nghệ quan trọng cho nhiều lĩnh vực

Khái niệm về bản sao số được sơ khai từ những năm 60 của thế kỷ XX khi Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) lập mô phỏng cấp tốc hệ thống ảo cho Tàu vũ trụ Apolo 13 để giải cứu con tàu khi trở lại Trái đất. Mặc dù vậy, phải đến gần 40 năm sau thì việc phát triển kỹ thuật này mới thật sự được quan tâm, bắt đầu dưới những tên gọi khác nhau như Virtual Space, Digital Mirror, Digital Copy và cuối cùng là “Digital Twin”. Trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0, công nghệ bản sao số đã bứt phá, trở thành một trong những hướng chiến lược công nghệ quan trọng hàng đầu cho rất nhiều lĩnh vực, từ sản xuất thông minh, năng lượng, xây dựng, hàng không, dầu khí, cho đến giao thông vận tải và viễn thông. Sự vươn lên mạnh mẽ của công nghệ bản sao số được góp công không nhỏ bởi những công nghệ tiên tiến và thông minh hàng đầu khi tích hợp trong cùng IoT, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence), điện toán đám mây (Cloud computing), học máy (Machine Learning)...

Công nghệ bản sao số là bản sao kỹ thuật số ảo của một vật thể hay một mô hình trên thực tế, nhưng khác với những mô phỏng số thông thường, bản sao số này rất thông minh và có khả năng thu nhận và phân tích nguồn dữ liệu lớn, đa dạng từ vật thể thực tế. Giữa bản sao và vật thể thực tế có một luồng dữ liệu (dataflow) và thông qua các cảm biến trên hệ thống thực tế, bản sao được cập nhật để có thể theo dõi trạng thái của hệ thống theo thời gian thực, Nói cách khác, công nghệ bản sao số được tích hợp trí tuệ nhân tạo, học máy và phân tích phần mềm với dữ liệu để tạo một mô hình mô phỏng số sống cập nhật và thay đổi khi các đối tượng vật lý thay đổi. Một bản sao kỹ thuật số liên tục học hỏi và cập nhật từ nhiều nguồn để mô tả trạng thái gần thời gian thực, điều kiện làm việc hoặc vị trí của nó, từ đó giúp đưa ra những chuẩn đoán chính xác về trạng thái của vật thể khi có bất kỳ biến động bất thường xảy ra. Mô hình số giúp cải thiện rất nhiều vật thể thực tế (như tối ưu hoá thiết kế của máy bay, ô tô, hay tự động hoá và tăng năng suất cho một dây chuyền sản xuất), nhưng đồng thời cũng tự cải thiện mình dựa vào dữ liệu mới cập nhật từ mô hình thực.

Ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải

Mô hình bản sao số trong công trình giao thông được bắt đầu với một vài điểm đo đặt ở các vị trí trọng yếu, dữ liệu đo đạc thu thập được theo thời gian càng nhiều và huấn luyện (training) ngày càng thông minh cùng kết hợp với mô hình máy tính phần tử hữu hạn. Như thế cùng với quá trình chuyển đổi số ở các hệ thống mới, công nghệ bản sao số có thể được áp dụng cho các công trình đang khai thác như cầu, đập thủy điện…, giúp cho đơn vị quản lý có khả năng biết trước được những hư hỏng tiềm tàng của công trình một cách chính xác nhất, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời để đảm bảo an toàn khai thác, góp phần giảm thiểu chi phí duy tu, bảo trì cũng như đảm bảo độ bền lâu cho công trình. Mô hình giúp cải thiện rất nhiều vật thể thực tế như: tối ưu hóa thiết kế của máy bay, ô tô, hay tự động hóa và tăng năng suất cho một dây chuyền sản xuất... nhưng đồng thời cũng tự cải thiện mình dựa vào dữ liệu mới cập nhật từ mô hình thực.

Như vậy, cùng với quá trình chuyển đổi số ở các hệ thống mới, công nghệ bản sao số có thể được áp dụng cho các công trình đang khai thác nhu cầu, đập thủy điện..., giúp cho đơn vị quản lý có khả năng biết được những hư hỏng tiềm tàng của công trình một cách chính xác nhất, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời để bảo đảm an toàn khai thác, góp phần giảm thiểu chi phí duy tu, bảo trì cũng như bảo đảm độ bền lâu cho công trình.

Hội thảo quốc tế Mô hình bản sao số trong phát hiện hư hỏng kết cấu công trình hạ tầng giao thông do Trường Đại học Giao thông Vận tải tổ chức tại Hà Nội.

Từ thực tiễn ứng dụng tại các công trình cầu trọng điểm tại Việt Nam như cầu Thăng Long, Nhật Tân, Cần Thơ, Mỹ Thuận, Chương Dương, Nam Ô… hay tại các cây cầu khác trên thế giới như cầu Z24 (Thụy Sỹ), Guadalquivir (Tây Ban Nha), Vasco da Gama (Bồ Đào Nha) cho thấy, việc xây dựng mô hình thống kê và toán học cũng như sử dụng công nghệ bản sao số đã giúp các nhà khoa học tìm ra phương thức giám sát độ bền cũng như phát hiện hư hỏng cho các công trình trọng điểm, góp phần nâng tầm công tác giám sát công trình lên một mức mới, thông minh và chính xác hơn. Đặc biệt, ứng dụng công nghệ này đã đưa ra được những định hướng bảo trì dự phòng, bảo trì tiên đoán (predictive maintenance), góp phần giảm thiểu chi phí duy tu, bảo trì cũng như tăng cường tuổi thọ cho công trình.

Các nhà khoa học trong nước và quốc tế chụp ảnh lưu niệm tại Hội thảo quốc tế Mô hình bản sao số trong phát hiện hư hỏng kết cấu công trình hạ tầng giao thông.