Vô tuyến băng thông siêu rộng (UWB) có tiềm năng rất lớn trong số những công nghệ cảm biến khác nhau để định vị đối tượng chính xác trong môi trường trong nhà và ngoài trời.

Nhưng trong môi trường xây dựng mặt đất, sử dụng nhiều phương tiện và thiết bị hạng nặng, hiệu suất của sóng radio UWB giảm mạnh do tắc nghẽn tín hiệu truyền giữa bộ phát và bộ thu trong tình trạng bị che khuất theo Đường ngắm thẳng (NLOS).

Để khắc phục nhược điểm này, công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học máy tính Đại học Houston (UH) thiết lập hệ thống ước tính vị trí theo thời gian thực, được gọi là ViPER+ có thể khắc phục những tình huống che khuất NLOS và xác định chính xác ranh giới của thiết bị xây dựng hạng nặng với nhiều thẻ UWB được gắn trên bề mặt thiết bị.

Loại bỏ ảnh hưởng tiêu cực đến tín hiệu trong tình trạng NLOS, nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp hiệu chỉnh tín hiệu đầu vào trước khi địa bàn hóa để hiệu chỉnh đầu vào của thuật toán xác định vị trí không gian hẹp.

 Sơ đồ thiết kế hệ thống giám sát an toàn lao động ViPER+ trên công trường xây dựng. Ảnh Đại học Houston.

Những sáng tạo và quy trình của hệ thống được trình bày trong một báo cáo nghiên cứu khoa học, đăng trên tạp chí Applied Sciences.

Theo Cục Quản lý An toàn Vệ sinh lao động Mỹ, năm 2020 có 4764 trường hợp người lao động tử vong trong khi làm việc. Nhân viên trong ngành xây dựng và khai thác chiếm 20% số ca tử vong đó. Nhiều người bị một phương tiện vận tải hoặc máy móc di động đâm vào trên các công trường xây dựng. Mặc dù ngành xây dựng đã tận dụng sự giúp đỡ của các chuyên gia an toàn, nhưng một số lượng lớn các trường hợp thương vong vẫn xảy ra.

Alireza Ansaripour, nghiên cứu sinh TS khoa học máy tính tại UH, tác giả thứ nhất của nghiên cứu cho biết. "Mục đích dự án nghiên cứu của chúng tôi là tăng cường cấp độ an toàn cho công nhân và thiết bị trên công trường xây dựng bằng phương pháp theo dõi vị trí của các đối tượng di chuyển. Theo dõi vị trí của người và phương tiện trên công trường, hệ thống có thể theo dõi, giám sát thực hiện những quy tắc an toàn lao động trên cơ sở vị trí đảm bảo sự an toàn của công nhân và thiết bị trong các công trường xây dựng."

Những quy tắc an toàn lao động dựa trên vị trí này được thiết lập trong giai đoạn lập kế hoạch của công trường, ví dụ như lập Kế hoạch kiểm soát giao thông nội bộ. Những quy tắc an toàn này xác định những khu vực an toàn cho công nhân và thiết bị hoặc xác định khoảng cách an toàn với con người khi thiết bị đang hoạt động trong công trường. ViPER+ tự động hóa việc giám sát các quy tắc an toàn này và phát hiện bất kỳ vi phạm quy tắc nào khi công nhân và thiết bị đang làm việc.

ViPER+ sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng để theo dõi vị trí. "Những đài radio sử dụng băng thông lớn để liên lạc, cho phép hệ thống theo dõi vị trí của thiết bị chính xác hơn so với các đài phát radio không dây khác", Ansaripour nói. "Đó là bản chất công nghệ vô tuyến mà chúng tôi sử dụng để theo dõi vị trí của công nhân và thiết bị."

Hệ thống ViPER + của nhóm nghiên cứu giải quyết được những thách thức của các hệ thống giám sát an toàn thời gian thực trên nền tảng băng thông siêu rộng khác chủ yếu vì hệ thống khắc phục được những tình huống tầm nhìn bị che khuất. Đây là những trường hợp mà xe tải, máy xúc lật xây dựng và những thiết bị khác ngăn chặn tín hiệu giữa các máy thu phát trong truyền dẫn vô tuyến băng thông siêu rộng.

Ansaripour và các đồng nghiệp của ông đã ứng dụng một phương pháp hiệu chỉnh trong một địa bàn giới hạn, đó là thuật toán hỗ trợ Trí tuệ Nhân tạo (AI) theo dõi vị trí để giảm lỗi do đối tượng bị che khuất, không nằm trong tầm nhìn thẳng.

Thử nghiệm ViPER+ trong khu vực xây dựng

ViPER+ là phiên bản cập nhật và cải tiến của hệ thống giám sát an toàn lao động ViPER ban đầu của nhóm nghiên cứu. Sự khác biệt lớn nhất giữa hai mô hình hệ thống này là tính năng theo dõi vị trí ứng dụng AI trên ViPER+ cho độ chính xác hơn trong những tình huống đối tượng không nằm trong tầm nhìn thẳng.

 

Xe tải xây dựng gắn thẻ băng thông siêu rộng cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi vị trí của thiết bị. Ảnh Đại học Houston

Nhóm nghiên cứu theo dõi các vị trí thông qua các thẻ và thiết bị neo. Thẻ là máy phát vô tuyến nhỏ băng thông siêu rộng, được gắn vào công nhân và phương tiện để giám sát vị trí. Neo là bộ thu băng thông siêu rộng nhận tín hiệu từ thẻ. Nhóm nhà khoa học thu thập dữ liệu từ các thiết bị neo, chuyển đến máy chủ và thuật toán ước tính vị trí của con người và các phương tiện trong một công trường xây dựng.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống này 2 lần trong những khu vực xây dựng thực tế ở Houston, đã được phong tỏa để thử nghiệm. Nhưng thay vì thử nghiệm với công nhân xây dựng, các sinh viên đã đóng vai đối tượng tham gia thử nghiệm.

" Để đánh giá kết quả thử nghiệm, cả 4 công nhân xây dựng (giả định) đều được gắn thẻ. Chúng tôi cũng sử dụng một phương tiện, xe tải hoặc máy ủi có gắn nhiều thẻ ở trên và một phương tiện tĩnh khác, được sử dụng để tạo ra tình huống che khuất tầm nhìn."

Lần thử nghiệm đánh giá đầu tiên được thực hiện năm 2019, nhóm nhà khoa học thiết lập các thẻ trong khu vực rộng khoảng 8600 feet vuông (2600 m2) được gọi là vùng theo dõi. 4 sinh viên đóng vai công nhân trong vùng theo dõi, nghiên cứu sinh TS Ansaripour quản lý luồng dữ liệu hệ thống và đảm bảo thí nghiệm diễn ra thuận lợi. Năm 2022, một kịch bản tương tự được cũng được thử nghiệm nhưng ở một công trường khác.

Omprakash Gnawali, PGS khoa học máy tính tại Đại học Khoa học Tự nhiên và Toán học UH, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Alireza là một nhà nghiên cứu có ý tưởng tuyệt vời và đạo đức làm việc để biến những ý tưởng thành hiện thực. Sự kết hợp chặt chẽ là điều quan trọng để đề án kỹ thuật này thành công."

Những phát triển trong tương lai

Những thay đổi trong tương lai đối với hệ thống ViPER+ là giải quyết các vấn đề về thiết kế cho người dùng, như cảnh báo cho công nhân xây dựng khi đối tượng ở quá gần máy móc đang di chuyển.

Ông Ansaripour cho biết: “Chúng tôi cũng gặp sự cố khi thiết lập vùng theo dõi bao phủ toàn bộ công trường xây dựng, không chỉ một phần của nó”. "Vẫn còn một số nâng cấp cần được thực hiện để sản phẩm này trở thành sản phẩm thương mại, nhưng công trình nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một khái niệm sâu sắc về cấu trúc một hệ thống giám sát an toàn thời gian thực, được sử dụng để theo dõi các quy định an toàn lao động trên các công trường xây dựng."