Từ hệ đo lường cảm biến FBG đến hệ thống SHM thông minh cho cầu dây văng

Từ nhu cầu thực tiễn đến hành trình làm chủ công nghệ

Trước áp lực khai thác hạ tầng giao thông lớn, việc chuyển đổi từ kiểm tra định kỳ sang giám sát sức khỏe kết cấu (SHM) liên tục theo thời gian thực đã trở thành xu thế tất yếu. Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu VKIST phối hợp với các đối tác đã làm chủ toàn diện công nghệ cốt lõi, phát triển hệ thống SHM cho cầu dây văng tích hợp cảm biến FBG quang học và nền tảng IoT. Hệ thống ứng dụng kiến trúc mở, kỹ thuật ghép kênh WDM cùng bộ giải điều chế tốc độ cao giúp thu nhận và xử lý dữ liệu trực quan theo thời gian thực.

Từ phòng thí nghiệm đến việc triển khai thực tế trên cầu Mỹ Thuận 1và tích hợp trí tuệ nhân tạo dự báo cấu trúc, những kết quả đột phá này đã được khẳng định qua các công bố ISI Q1, đánh dấu bước tiến vững chắc trong việc làm chủ công nghệ SHM thông minh tại Việt Nam.

Từ cảm biến FBG đến hệ đo lường thông minh

Trong hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu (SHM), cảm biến sợi quang FBG đóng vai trò như "giác quan" của công trình nhờ độ chính xác cao, chống nhiễu điện từ và khả năng ghép kênh vượt trội. Tuy nhiên, giá trị của FBG chỉ thực sự phát huy khi nằm trong một hệ đo lường đồng bộ, vận hành theo thời gian thực. Thay vì phát triển rời rạc từng cảm biến, nhóm nghiên cứu tập trung xây dựng kiến trúc hệ thống hoàn chỉnh, phát triển đồng bộ từ Cảm biến – Hệ đo lường – Nền tảng IoT – AI đã chuyển hóa FBG từ giải pháp đo quang học thuần túy thành một hệ thống SHM thông minh, đặt nền móng vững chắc cho việc làm chủ công nghệ giám sát cầu dây văng tại Việt Nam.

Hệ thống tích hợp đồng bộ từ nguồn sáng phổ rộng (SLED), bộ tuần hoàn quang, mảng cảm biến FBG cho đến bộ giải điều chế quang phổ tốc độ cao I-MON 512 USB3. Chuỗi đo lường liên tục này đảm bảo tín hiệu quang được thu nhận và xử lý đồng bộ, giúp chuyển đổi chính xác sự dịch chuyển bước sóng Bragg thành các đại lượng vật lý như biến dạng hay dao động của kết cấu.

Nhằm giải quyết thách thức theo dõi các hiện tượng dao động phức tạp của công trình, nhóm đã áp dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) kết hợp bộ giải điều chế tốc độ cao. Giải pháp này cho phép nhiều cảm biến FBG cùng hoạt động độc lập trên một sợi quang duy nhất nhưng vẫn duy trì tần số lấy mẫu lên đến 18 kHz — vượt xa mức tối thiểu 1 kHz theo yêu cầu hệ thống. Nhờ đó, dữ liệu từ đa điểm đo luôn được thu nhận đồng thời và chính xác tuyệt đối theo thời gian thực.

Song song với phần cứng, nền tảng IoT và phần mềm quản lý được phát triển đồng bộ nhằm quản lý toàn bộ vòng đời dữ liệu: từ lưu trữ tập trung, hiển thị trực quan trên giao diện Web đến đưa ra cảnh báo tự động khi các chỉ số vượt ngưỡng. Kiến trúc mở của hệ thống không chỉ tạo độ ổn định và tin cậy khi vận hành thực tế tại các công trình cầu dây văng, mà còn tạo tiền đề vững chắc để dễ dàng mở rộng quy mô và tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) phục vụ đánh giá, dự báo trạng thái kết cấu trong tương lai.

Kiểm chứng từ phòng thí nghiệm đến công trình thực tế

Để khẳng định độ tin cậy của hệ đo lường FBG, nhóm nghiên cứu đã xây dựng lộ trình kiểm chứng hai giai đoạn bài bản: đánh giá trên mô hình phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực địa trên công trình giao thông trọng điểm. Ở giai đoạn đầu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, sử dụng 14 cảm biến FBG ghép kênh WDM được triển khai trên mô hình cầu dây văng để quan trắc dao động. Kết quả phân tích qua các phương pháp phổ (FFT, PSD, SSI) cho thấy hệ thống vận hành ổn định, thu nhận dữ liệu đồng bộ ở tần số lấy mẫu cao và phản ánh chính xác các đặc trưng động lực học của kết cấu.

Tiếp nối thành công đó, hệ thống được đưa vào vận hành thực tế trên cầu dây văng Mỹ Thuận 1 nhằm kiểm chứng độ bền vững trước tải trọng giao thông và các yếu tố môi trường khắt khe. Tín hiệu từ mảng FBG được đối chiếu trực tiếp với cảm biến gia tốc chuẩn PCB (thiết bị tham chiếu uy tín trong phân tích động lực học). Sự tương đồng rất cao về tần số dao động nhận dạng giữa hai hệ thống đã khẳng định khả năng đáp ứng hoàn hảo của giải pháp FBG trong điều kiện khai thác thực tế.

Quá trình kiểm chứng xuyên suốt từ phòng thí nghiệm đến công trình thực tế đã chứng minh tính ổn định, độ chính xác và khả năng ứng dụng cao của toàn bộ kiến trúc công nghệ do nhóm phát triển. Đây là nền tảng kỹ thuật quan trọng để nhóm nghiên cứu tiếp tục tích hợp nền tảng IoT cùng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI), hướng tới hoàn thiện hệ thống SHM thông minh với khả năng tự động chẩn đoán và cảnh báo sớm cho các công trình hạ tầng quy mô lớn.

Hình ảnh lắp đặt cảm biến FBG và PCB trên cầu dây văng Mỹ Thuận 1.

Hai dấu mốc khoa học được ghi nhận trên tạp chí khoa học chuyên ngành

Hành trình nghiên cứu hệ đo FBG và nền tảng IoT cho giám sát sức khỏe kết cấu (SHM) không chỉ giải quyết bài toán thực tiễn trong nước mà còn khẳng định vị thế khoa học trên trường quốc tế. Các kết quả cốt lõi của nhóm đã được ghi nhận qua hai công bố trên các tạp chí uy tín thuộc danh mục ISI Q1, đánh dấu bước chuyển mình quan trọng từ việc làm chủ phần cứng đo lường đến tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI).

Dấu mốc 1 – Khẳng định năng lực hệ đo FBG thực địa:

Công bố đầu tiên tập trung đánh giá hiệu năng của hệ đo FBG khi triển khai thực tế trên cầu Mỹ Thuận 1. So sánh đối chiếu trực tiếp với cảm biến gia tốc chuẩn PCB cho thấy độ tương đồng rất cao về tần số dao động nhận dạng, với sai khác trung bình dưới 1%. Kết quả này khẳng định độ chính xác, tính ổn định và khả năng ứng dụng thực địa vượt trội của hệ đo FBG do nhóm phát triển.

(Sensors 2026, 26(14), 4437; https://doi.org/10.3390/s26144437)

Dấu mốc 2 – Đột phá với mô hình học sâu xLSTM-m:

Khai thác nguồn dữ liệu chất lượng cao từ hệ đo FBG, nhóm tiếp tục phát triển mô hình học sâu xLSTM-m phục vụ phân loại trạng thái kết cấu từ dữ liệu đa cảm biến. Mô hình đạt hiệu năng vượt trội trên nhiều bộ dữ liệu cầu, mở ra hướng phát triển các hệ thống SHM thế hệ mới có khả năng tự động chẩn đoán và cảnh báo sớm tình trạng công trình.

(Buildings 2026, 16, 2908  https://doi.org/10.3390/buildings16142908)

Một lộ trình công nghệ hoàn chỉnh:

Hai công trình Q1 bổ trợ chặt chẽ cho nhau, minh chứng cho định hướng phát triển xuyên suốt của nhóm: từ cảm biến FBG ® hệ đo lường đồng bộ ® nền tảng IoT ® SHM thông minh. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc để nhóm tiếp tục tối ưu hóa công nghệ, hướng tới chuyển giao và thương mại hóa các giải pháp giám sát hạ tầng giao thông tại Việt Nam.

Giao diện Dashboard và hệ đèn LED cảnh báo vật lý của hệ đo lường FBG trên mô hình cầu UTC.

Sức mạnh của nghiên cứu liên ngành

Đằng sau sự thành công của hệ đo lường FBG và nền tảng SHM thông minh là sự hội tụ liên ngành giữa quang học, kỹ thuật cầu đường, điện tử, công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo. Sự giao thoa này đã tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao thay vì chỉ giải quyết các bài toán kỹ thuật riêng lẻ.

Trong liên minh nghiên cứu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hàn Quốc (VKIST) đóng vai trò chủ trì phát triển công nghệ cảm biến quang FBG, thiết kế hệ đo tốc độ cao, kỹ thuật ghép kênh WDM và các thuật toán xử lý dữ liệu cốt lõi. Đồng hành về mặt hạ tầng kết nối, nhóm nghiên cứu từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giữ vai trò nòng cốt trong việc xây dựng và tối ưu hóa nền tảng IoT, đảm bảo khả năng truyền tải và quản lý dữ liệu trực tuyến tin cậy. Về mặt chuyên môn công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải mang đến nền tảng sâu rộng về động lực học kết cấu cùng hệ thống thử nghiệm trên mô hình cầu dây văng trong phòng thí nghiệm. Đặc biệt, sự phối hợp và hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp từ Công ty TNHH Giao thông vận tải đã tạo điều kiện tiên quyết để nhóm triển khai thành công các đợt đo đạc, thu thập và kiểm chứng dữ liệu thực địa trên cầu Mỹ Thuận 1 dưới điều kiện khai thác thực tế. Bên cạnh đó, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đóng góp năng lực nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và trí tuệ nhân tạo. Việc phát triển các mô hình học sâu để khai thác dữ liệu từ hệ đo FBG đã mở rộng giá trị của hệ thống từ một giải pháp thu nhận dữ liệu thành một nền tảng có khả năng tự động nhận dạng trạng thái kết cấu và hỗ trợ cảnh báo sớm. Đây cũng là bước phát triển phù hợp với xu hướng ứng dụng AI trong giám sát sức khỏe kết cấu trên thế giới.

Một mắt xích quan trọng khác là sự đồng hành của Công ty TNHH Giao Thông Vận Tải trong quá trình triển khai công nghệ trên hiện trường. Việc phối hợp thực hiện các thử nghiệm trên công trình thực tế không chỉ giúp kiểm chứng tính khả thi của hệ thống mà còn tạo tiền đề cho quá trình hoàn thiện sản phẩm theo yêu cầu của các ứng dụng thực tiễn.

Sự kết nối giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp đã hình thành một mô hình hợp tác hiệu quả, trong đó mỗi đơn vị đóng góp thế mạnh chuyên môn của mình để cùng giải quyết một bài toán chung. Chính mô hình nghiên cứu liên ngành này đã giúp rút ngắn khoảng cách giữa nghiên cứu cơ bản, phát triển công nghệ và ứng dụng thực tiễn, đồng thời tạo nên một chuỗi giá trị xuyên suốt từ phát triển hệ đo lường FBG, xây dựng nền tảng IoT, xử lý dữ liệu bằng trí tuệ nhân tạo đến kiểm chứng trên công trình thực tế.

Có thể nói, thành công của nghiên cứu không chỉ được đo bằng các kết quả khoa học hay các công bố quốc tế, mà còn được thể hiện ở việc hình thành một hệ sinh thái hợp tác liên ngành, nơi các nhà khoa học và kỹ sư cùng chung mục tiêu phát triển những công nghệ do Việt Nam làm chủ, góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, đổi mới sáng tạo và từng bước xây dựng các hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu thông minh phục vụ phát triển hạ tầng giao thông bền vững.