Luận án Nhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐỨC ANH NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ VÀ QUẢN LÝ RỦI RO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC TRONG VẬN HÀNH KHAI THÁC LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 05-2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐỨC ANH NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ VÀ QUẢN LÝ RỦI RO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC TRONG VẬN HÀNH KHAI THÁC NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ : 958.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. ĐÀO DUY LÂM 2. TS. NGUYỄN TRỌNG ĐỒNG Hà Nội, 05-2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Tất cả những nội dung, số liệu, báo cáo cũng như kết quả nghiên cứu trong đề tài này được đảm bảo tính trung thực tuyệt đối. Đồng thời, nội dung của công trình nghiên cứu này chưa được công bố ở bất kì đâu. Tác giả luận án Lê Đức Anh ii LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành được luận án tiến sĩ của mình, nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Đào Duy Lâm và TS. Nguyễn Trọng Đồng đã tận tâm dành quỹ thời gian quý báu, tâm sức và trí tuệ để hướng dẫn tôi trong suốt thời gian vừa qua. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công trình giao thông thành phố và công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ tôi xuyên suốt quá trình học tập, nghiên cứu cũng như hoàn thành đề tại luận án tiến sĩ. Tôi xin chân thành cảm ơn sự góp ý quý báu của các quý thầy cô cũng như các chuyên gia khác trong ngành đặc biệt là các ý kiến của PGS.TS. Hoàng Hà. Những sự góp ý, phản biện này giúp cá nhân tôi có cái nhìn toàn diện và sâu hơn về đề tài luận án mình nghiên cứu cũng như ứng dụng các vấn đề chuyên môn vào thực tiễn. Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và lãnh đạo cơ quan đã tạo những điều kiện tốt nhất trong công việc để tôi có thể hoàn thành những nghiên cứu của mình. Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thành viên trong gia đình tôi vì sự động viên to lớn mà họ đã dành cho tôi suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án Lê Đức Anh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ RỦI RO VÀ QUẢN LÝ RỦI RO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC ...................................................................... 6 1.1. Tổng quan về rủi ro và quản lý rủi ro .............................................................. 6 Khái niệm chung về rủi ro ............................................................................ 6 Khái niệm chung về quản lý rủi ro ............................................................... 8 1.2. Quản lý rủi ro đối với các công trình xây dựng cầu ..................................... 13 Nguy cơ rủi ro đối với các công trình cầu .................................................. 13 Một số trường hợp rủi ro công trình cầu và cầu trên đường ô tô cao tốc ... 14 Phân tích rủi ro kỹ thuật đối với công trình cầu ......................................... 25 1.3. Các mô hình ứng phó và quản lý rủi ro hiện đại .......................................... 30 1.4. Các yêu cầu kỹ thuật trong thi công và vận hành khai thác công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ........................................................................................... 32 1.5. Hiện trạng về quản lý rủi ro công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong thi công và khai thác ............................................................................................... 37 Sự cần thiết quản lý rủi ro đối với cầu trên đường ô tô cao tốc .................. 37 Hiện trạng các nghiên cứu rủi ro và quản lý rủi ro đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ......................................................................................... 38 1.6. Kết luận Chương 1 ........................................................................................... 42 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHẬN DẠNG VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO KỸ THUẬT VẬN DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC ..................................................................................................................... 43 2.1. Cơ sở lý thuyết nhận dạng rủi ro đối với công trình cầu ............................. 43 iv 2.2. Các phương pháp nhận dạng rủi ro hiện đại ................................................ 45 Mục đích và căn cứ nhận dạng rủi ro ......................................................... 45 Các phương pháp nhận dạng và phân loại rủi ro hiện đại .......................... 47 2.3. Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn phương pháp nhận dạng rủi ro trong quản lý rủi ro các công trình xây dựng ....................................................... 57 2.4. Đề xuất phương pháp nhận dạng rủi ro phù hợp cho các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công và khai thác ............................ 62 Căn cứ dùng để phân tích lựa chọn phương pháp nhận dạng rủi ro đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ................................................................. 62 Đề xuất phương pháp nhận dạng rủi ro phù hợp cho các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công và khai thác ..................................... 64 Cơ sở về học máy - Machine Learning ....................................................... 70 2.5. Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 74 NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ RỦI RO KỸ THUẬT TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG VÀ KHAI THÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC .............................................................................................................. 75 3.1. Các rủi ro kỹ thuật đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ............ 75 Nguyên nhân gây ra các rủi ro kỹ thuật ...................................................... 75 Tác động của các rủi ro kỹ thuật ................................................................. 78 3.2. Phân tích theo các nhóm nguyên nhân dẫn đến rủi ro kĩ thuật của công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công ................................. 79 Phân tích theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro xảy ra theo từng bước của giai đoạn thi công ......................................................................................................... 79 Phân tích theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro liên quan đến các chủ thể tham gia giai đoạn thi công ................................................................................... 80 Phân tích nhận dạng theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro đối với các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công ................................... 86 3.3. Phân tích rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công ............................................................................................................ 89 v 3.4. Xác định nhóm nguyên nhân và phân tích rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn vận hành khai thác .............................. 96 3.5. Đánh giá, phân tích rủi ro kỹ thuật thực tế tại công trình đường ô tô cao tốc ............................................................................................................................ 108 Khảo sát thực tế ........................................................................................ 108 Rủi ro kỹ thuật thực tế .............................................................................. 109 Khảo sát ý kiến chuyên gia ....................................................................... 110 3.6. Đề xuất mô hình nhận dạng, phân tích đo lường mức độ rủi ro kỹ thuật 112 Mô hình F-AHP ........................................................................................ 112 Mô hình nơ ron và trí tuệ nhân tạo ........................................................... 113 Các mô hình khác ..................................................................................... 115 3.7. Khung quản lý rủi ro các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ........... 115 3.7.1. Lựa chọn các phương án xử lý rủi ro ........................................................ 117 3.7.2. Đánh giá khả năng chấp nhận rủi ro ......................................................... 119 3.7.3. Mức độ nghiêm trọng và tần suất của rủi ro được đánh giá sau khi xác định được yêu cầu và biện pháp giảm thiểu rủi ro ...................................................... 119 3.8. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 120 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN MACHINE LEARNING VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC TRONG VẬN HÀNH KHAI THÁC ......................................... 121 4.1. Sự cần thiết của việc ứng dụng ML/AI trong quản lý rủi ro để nâng cao năng lực công tác bảo trì công trình cầu trên đường ô tô cao tốc .................... 121 4.2. Xây dựng thuật toán Machine Learning đánh giá rủi ro công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong vận hành khai thác ............................................. 123 4.3. Đánh giá và dự báo rủi ro kỹ thuật cầu trên đường ô tô cao tốc trong vận hành khai thác sử dụng Machine Learning ........................................................ 127 4.3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu ............................................................................. 127 4.3.2. Phân tích dữ liệu và thuộc tính với Random Forest ................................. 130 4.3.3. Kiến trúc mạng nơ ron nhân tạo ............................................................... 133 vi 4.3.4. Sử dụng học máy và ứng dụng trong dự án thực tế .................................. 134 4.4. Đề xuất xây dựng chương trình đánh giá rủi ro trực tuyến ........................... 141 4.5. Đánh giá rủi ro cho dự án cụ thể ....................................................................... 141 4.6. Kết luận chương 4............................................................................................... 146 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 148 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................................. 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 152 PHỤ LỤC I. CẤU TRÚC TẬP MỜ DÙNG CHO F-AHP..................................... 159 PHỤ LỤC II. THỐNG KÊ KHẢO SÁT CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC ........ 167 PHỤ LỤC III. KHẢO SÁT Ý KIẾN CHUYÊN GIA ............................................ 187 PHỤ LỤC IV. CHƯƠNG TRÌNH HỌC MÁY ĐỀ XUẤT .................................... 189 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AASHTO : Hiệp hội Đường bộ Hoa kỳ AHP : Phương pháp phân tích thứ bậc AI : Trí thông minh nhân tạo ANN : Phương pháp mạng nơ ron nhân tạo BGTVT : Bộ Giao thông vận tải BTCT : Bê tông cốt thép ĐCT : Đường ô tô cao tốc DRVN : Cục Đường bộ Việt Nam F-AHP : Phương pháp phân tích thứ bậc sử dụng logic mờ GTVT : Giao thông vận tải ISO : Tiêu chuẩn ISO JIS : Tiêu chuẩn Nhật Bản NDRR : Nhận dạng rủi ro NTRR : Nhân tố rủi ro PTRR : Phân tích rủi ro QLRR : Quản lý rủi ro RR : Rủi ro RRKT : Rủi ro kỹ thuật TCCS : Tiêu chuẩn cơ sở TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam ƯPRR : Ứng phó rủi ro VN : Việt Nam viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại rủi ro theo bản chất nguyên nhân .................................................... 9 Bảng 1.2: Phân loại rủi ro theo mức độ khống chế có rủi ro ........................................... 9 Bảng 1.3: Phân loại rủi ro theo tính chất chủ quan và khách quan ............................... 10 Bảng 1.4: Phân loại rủi ro theo nơi phát sinh ................................................................ 10 Bảng 1.5: Bảng tổng hợp sự cố nghiên cứu .................................................................. 17 Bảng 1.6: Một số loại rủi ro kỹ thuật công trình cầu ..................................................... 23 Bảng 1.7: Tiêu chí kỹ thuật cơ bản đường ô tô cao tốc ................................................. 33 Bảng 2.1: So sánh đánh giá phương pháp AHP ............................................................ 55 Bảng 2.2: So sánh lựa chọn phương pháp phù hợp ....................................................... 58 Bảng 2.3: Ví dụ đánh giá định tính rủi ro cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 63 Bảng 2.4: Dự báo mức độ của nguy cơ xảy ra sự cố công trình do các nhân tố rủi ro và mức độ tác động ............................................................................................ 64 Bảng 2.5: Mức độ ưu tiên .............................................................................................. 66 Bảng 3.1: Các nguyên nhân gây ra các rủi ro kỹ thuật [11] .......................................... 77 Bảng 3.2: Rủi ro liên quan đến giai đoạn điều tra, khảo sát .......................................... 83 Bảng 3.3: Rủi ro liên quan đến công tác chuẩn bị mặt bằng xây dựng ......................... 83 Bảng 3.4: Rủi ro liên quan đến công tác lựa chọn nhà thầu .......................................... 83 Bảng 3.5: Rủi ro liên quan đến công tác thi công xây dựng ......................................... 84 Bảng 3.6: Các nguyên nhân rủi ro kỹ thuật được nhận dạng cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc giai đoạn thi công ........................................................... 86 Bảng 3.7: Phân tích rủi ro định tính cho cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công ............................................................................................................... 90 Bảng 3.8: Rủi ro giai đoạn thi công ............................................................................... 94 Bảng 3.9: Phân bổ rủi ro và chiến lược giảm thiểu rủi ro cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn khai thác............................................................ 97 Bảng 3.10: Rủi ro liên quan hư hỏng cầu bê tông cốt thép ........................................... 99 Bảng 3.11: Rủi ro liên quan hư hỏng cầu thép ............................................................ 102 Bảng 3.12: Rủi ro liên quan hư hỏng móng, mố trụ .................................................... 104 ix Bảng 3.13: Tổng hợp nhân tố rủi ro cơ bản được nhận dạng giai đoạn khai thác ...... 107 Bảng 3.14: Rủi ro kỹ thuật thực tế cầu đường ô tô cao tốc đã khảo sát ...................... 109 Bảng 3.15 Đánh giá và chấp nhận rủi ro cầu đường ô tô cao tốc ................................ 119 Bảng 3.16: Ứng phó rủi ro cầu đường ô tô cao tốc theo tiêu chí chấp nhận rủi ro ..... 119 Bảng 4.1: Số lượng cầu và đơn vị quản lý .................................................................. 127 Bảng 4.2: Cách tính điểm cho từng mẫu khảo sát ......... Error! Bookmark not defined. Bảng 4.3: Ý nghĩa các siêu tham số trong thuật toán Random Forrest ....................... 131 Bảng 4.4: Phương pháp tiền xử lý dữ liệu với các thuộc tính ..................................... 135 Bảng 4.5: Sai số MSE trong 3 thí nghiệm ................................................................... 138 Bảng 4.6: Một số mẫu dữ liệu cầu trên thực tế ........................................................... 140 Bảng 4.7: Một số kết quả dự báo rủi ro cầu BC - Cao tốc Nội Bài - Lào Cai. ........... 141 Bảng 4.8 Một số kết quả dự báo rủi ro cầu A - Cao tốc Hà Nội - Hải Phòng ............. 143 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Sự cố cầu Tacoma ......................................................................................... 21 Hình 1-2: Sự cố cầu Gềnh năm 2016 do va xô của phương tiện giao thông thủy ........ 22 Hình 1-3: Sự cố cầu Cái Đôi Vàm do sai sót khâu khảo sát địa chất ............................ 22 Hình 1.4: Yếu tố thành công quan trọng cho quá trình ứng phó RR ............................. 30 Hình 1.5: Quy trình hoạt động của mô hình PRINCE-2 ............................................... 32 Hình 1-6: Nút giao khác mức và trạm thu phí tự động không dừng trên tuyến cao tốc Hà Nội – Hải Phòng ...................................................................................................... 36 Hình 2.1: Một số nguyên nhân rủi ro công trình cầu [9] ............................................... 44 Hình 2.2: Biểu đồ rủi ro Ishikawa ................................................................................. 50 Hình 2.3: Phương pháp AHP ......................................................................................... 53 Hình 2.4: Đồ thị số mở tam giác và hình thang ............................................................. 67 Hình 2.5: Kiến trúc một nơ-ron nhân tạo nhiều lớp ..................................................... 68 Hình 2.6: Minh hoạ thuật toán Random Forest ............................................................ 72 Hình 3-1: Các nhân tố rủi ro với các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ............... 78 Hình 3-2: Các giai đoạn phát triển của rủi ro ................................................................ 79 Hình 3-3: Khảo sát rủi ro cầu đường ô tô cao tốc ....................................................... 110 Hình 3-4: Một số sự cố cầu đường ô tô cao tốc .......................................................... 110 Hình 3-5: Mẫu ANN cho kết cấu nhịp cầu đường ô tô cao tốc .................................. 114 Hình 3-6: Mẫu ANN cho một trụ bê tông cầu dầm. .................................................... 114 Hình 3.7: Sơ đồ quản lý rủi ro ..................................................................................... 116 Hình 3.8: Tiêu chí chấp nhận an toàn .......................................................................... 118 Hình 4.1: Mô hình đánh giá rủi ro sử dụng Machine Learning ................................... 124 Hình 4.2: Một số framework học máy và học sâu phổ biển ........................................ 125 Hình 4.3: Mô hình mạng nơ ron truyền thẳng tổng quát ............................................. 134 Hình 4.4. Cầu BC - Cao tốc Nội Bài - Lào Cai ........................................................... 141 Hình 4.5. Cầu A- Cao tốc Hà Nội - Hải Phòng ........................................................... 143 Hình 4.5: Tối ưu bằng Gradient Descent ..................................................................... 192 xi Biểu đồ 4.1. Mức độ đầy đủ dữ liệu của từng thuộc tính trong bộ dữ liệu ................. 128 Biểu đồ 4.2. Tổng quan quá trình làm giàu dữ liệu cầu trên đường ô tô cao tốc ........ 129 Biểu đồ 4.3. Tỉ lệ thời gian công tác của những người tham gia khảo sát .................. 129 Biểu đồ 4.4. Tỉ lệ trình độ học vấn của những người tham gia khảo sát ..................... 130 Biểu đồ 4.5. Tỉ lệ trình người tham gia khảo sát đã từng tham gia quản lý rủi ro ...... 130 Biểu đồ 4.6. Mức độ quan trọng của các thuộc tính trong tập dữ liệu ....................... 134 Biểu đồ 4.7. Phân chia dữ liệu huấn luyện và kiểm tra ........