Ứng dụng mạng nơron nhân tạo và hồi quy tuyến tính đa biến trong mô phỏng lượng bức xạ mặt trời tại trạm khí tượng Nhà Bè – Thành phố Hồ Chí Minh.pdf

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÂM THỊ LỆ ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO VÀ HỒI QUY TUYẾN TÍNH ĐA BIẾN TRONG MƠ PHỎNG LƢỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI TRẠM KHÍ TƢỢNG NHÀ BÈ – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG Mã ngành: 8.85.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Cơng trình đƣợc hồn thành Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Trần Trí Dũng Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 13 tháng 08 n m 2022 Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm: PGS.TS Nguyễn Thanh Bình - Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Đào Nguyên Khôi - Phản iện TS Đinh Thanh Sang - Phản iện TS Lê Hồng Thía - Ủy viên TS Nguyễn Thị Lan Bình - Thƣ ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG VIỆN TRƢỞNG VIỆN KHCN&QLMT BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÂM THỊ LỆ MSHV: 19000511 Ngày, tháng, n m sinh: 17/11/1996 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên Môi trƣờng Mã chuyên ngành: 8850101 I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng nơron nhân tạo hồi quy tuyến tính đa iến mơ lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè – Thành phố Hồ Chí Minh NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thu thập thông tin, tài liệu tổng quan, số liệu khí tƣợng có liên quan trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh, từ xây dựng phƣơng pháp phân tích đánh giá nhằm mô tổng lƣợng ức xạ mặt trời II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo Quyết định số 103/QĐ-ĐHCN ngày 19 tháng 01 n m 2022 việc giao đề tài cử ngƣời hƣớng dẫn luận v n Thạc s III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/07/2022 IV NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Trí Dũng Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) VIỆN TRƢỞNG VIỆN KHCN&QLMT (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, hồn thành nội dung khóa luận Việc hồn thành luận v n khơng nỗ lực ản thân tơi mà cịn có giúp đỡ, hỗ trợ tích cực nhiều thầy cơ, anh chị ạn Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Viện Khoa học Công nghệ & Quản lý Môi trƣờng - Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngƣời tận tình truyền đạt kiến thức quý áu cho suốt thời gian học tập vừa qua Xin chân thành cảm ơn Tiến s Trần Trí Dũng, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn thực luận v n Thầy dành cho nhiều thời gian tâm sức, cho nhiều ý kiến, quan điểm sửa chữa chi tiết trình nghiên cứu tơi, giúp luận v n tơi đƣợc hồn thiện nội dung hình thức Thầy quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để tơi hồn thành luận v n tiến độ Sau xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ạn è anh chị ln động viên, giúp đỡ em q trình làm luận luận v n i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài “Ứng dụng mạng nơron nhân tạo hồi quy tuyến tính đa iến mơ lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh” có mục tiêu xây dựng đƣợc mơ hình hồi quy tuyến tính đa iến, đồng thời xác định đƣợc mơ hình mạng Nơron nhân tạo phù hợp để mô lƣợng ức xạ mặt trời so sánh hiệu mô với mơ hình hồi quy tuyến tính đa iến Bên cạnh đó, nghiên cứu xếp hạng iến độc lập theo độ ảnh hƣởng đến độ xác kết mơ ằng ANN, đánh giá độ xác cho công tác dự áo kết mô cho phƣơng pháp dựa chuỗi số liệu độc lập Để hoàn thành mục tiêu đề ra, luận v n áp dụng tổng hợp nhiều cách tiếp cận khác nhƣ phƣơng pháp thu thập thông tin, phƣơng pháp kế thừa, phƣơng pháp phân tích đánh giá Trong đó, nghiên cứu sử dụng phần mềm SPSS để xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính đa iến phần mềm Matla để mô mạng nơron nhân tạo Kết nghiên cứu cho thấy mạng nơron nhân tạo (R = 0.884 MAE = 411.7637) cho kết mô tổng lƣợng ức xạ mặt trời ngày tốt mơ hình hồi quy tuyến tính đa iến (R = 0.817 MAE = 671.4737) Cấu trúc ANN 7-6-1với iến đầu vào ao gồm ngày n m, độ ẩm cao (%), độ ẩm thấp (%), tốc độ gió trung ình ngày (m/s), lƣợng ốc ngày (mm), nhiệt độ thấp ( oC), nhiệt độ cao (oC) iến đầu tổng lƣợng ức xạ mặt trời ngày (w/m2) đƣợc chứng minh phù hợp mô Trong đó, ngày n m yếu tố ảnh hƣởng đến kết mô (khi loại ỏ yếu tố làm t ng giá trị sai số MAE lên 15.9%) yếu tố tốc độ gió trung ình ngày có mức độ ảnh hƣởng nhỏ (khi loại ỏ yếu tố làm t ng giá trị sai số lên 0.6%) ảnh hƣởng không đáng kể đến độ xác mơ hình Mơ hình mô tổng lƣợng ức xạ mặt trời ngày đƣợc đánh giá ộ số liệu độc lập cho thấy độ xác cao với kết mô gần giống với kêt thực đo Mặc dù nghiên cứu hạn chế nhƣng kết thể đƣợc khả n ng dự áo mạng nơron nhân tạo, qua đóng góp vào cơng tác xây dựng phƣơng pháp hữu ích việc mô số liệu tƣơng tự cơng tác điều tra khí tƣợng ii ABSTRACT The topic "Application of Artificial nơron networks and Multivariable linear regression in solar radiation simulation at Nha Be meteorological station - Ho Chi Minh City" had the goal of building a multivariate linear regression model, and at the same time determining a suitable Artificial neuron network (ANN) model to simulate the amount of solar radiation and compare the simulation efficiency with a multivariable linear regression model In addition, this study also ranked the independent variables according to their influence on the accuracy of the simulation results by ANN, assessing the accuracy for the prediction of the simulation results for the above methods based on independent data series To accomplish the set objectives, the thesis has applied a combination of different approaches such as information collection method, inheritance method, analysis and evaluation method In this study, the author had used SPSS software to build multivariable linear regression models and Matlab software to simulate artificial nơron networks The results showed that the Artificial neuron network (R = 0.884 and MAE = 411,7637) gives better simulation results of the total daily solar radiation than the multivariable linear regression model (R = 0.817 and MAE = 671,4737) ANN structure 7-6-1 with input variables including day of year, highest humidity (%), lowest humidity (%), daily average wind speed (m/s), daily evaporation (mm), minimum temperature (oC), maximum temperature (oC) and an output variable of total daily solar radiation (w/m2) have been proven to be suitable in the simulation In which, the day of the year is the most influential factor on the simulation results (while removing this factor, the MAE error value would increase to 15.9%) and the daily average wind speed has the smallest influence (removing this factor only increases the error value to 0.6%) which does not significantly affect the accuracy of the model Being evaluated on independent data sets, the simulation model of total daily solar radiation has shown high accuracy with simulation results which were close to the actual measured results Although the study still has some limitations, the results had demostrated the predictive ability of artificial nơron networks, thereby contributing to the construction of useful methods for simulating similar data in meteorological investigations iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Ứng dụng mạng nơron nhân tạo hồi quy tuyến tính đa iến mơ lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh” kết nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu kết luận luận v n trung thực khơng chép từ ất kỳ nguồn hình thức Các nguồn tham khảo (nếu có) đƣợc trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên Lâm Thị Lệ iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát 2.2 Mục tiêu cụ thể Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận nghiên cứu phƣơng pháp thực Ý ngh a thực tiễn đề tài 5.1 Ý ngh a khoa học 5.2 Ý ngh a thực tiễn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu [1] 1.1.2 Bức xạ mặt trời 15 1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu 17 1.2.1 Tổng quan Thành phố Hồ Chí Minh [42] 17 1.2.2 Trạm khí tƣợng thủy v n Nhà Bè 21 v 1.3 Tình hình nghiên cứu nƣớc nƣớc 22 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 22 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 CHƢƠNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Nội dung nghiên cứu 29 2.1.1 Thu thập số liệu nghiên cứu 29 2.1.2 Kiểm tra chất lƣợng đánh giá thống kê sơ ộ số liệu đầu vào 29 2.1.3 trời Tính tốn hồi quy sử dụng hàm tuyến tính đa iến để mô ức xạ mặt 29 2.1.4 Mô lƣợng ức xạ mặt trời ằng mạng Nơron nhân tạo (ANN) 29 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 30 2.2.1 Phƣơng pháp thu thập thông tin 30 2.2.2 Phƣơng pháp quan trắc yếu tố khí hậu 30 2.2.3 Phƣơng pháp phân tích đánh giá 31 CHƢƠNG 3.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 Kiểm tra chất lƣợng đánh giá thống kê sơ ộ số liệu đầu vào 37 3.2 Xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa iến để mơ lƣợng ức xạ mặt trời 38 3.2.1 Phân tích tính tƣơng quan iến 38 3.2.2 Phân tích hồi quy tuyến tính đa iến 42 3.3 Mô lƣợng ức xạ mặt trời ằng mạng Nơron nhân tạo (ANN) 53 3.3.1 Xây dựng mơ hình mạng thần kinh nhân tạo để mô ức xạ mặt trời so sánh độ xác với mơ hình hồi quy sử dụng hàm đa iến 53 3.3.2 Đánh giá ảnh hƣởng iến độc lập đến độ xác kết mơ ằng phƣơng pháp rút dần yếu tố khỏi số liệu đầu vào 63 3.3.3 Đánh giá độ xác dự áo dựa chuỗi số liệu độc lập 64 3.4 Thảo luận 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 81 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 84 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Học có giám sát Hình 1.2 Học khơng có giám sát Hình 1.3 Học củng cố Hình 1.4 Mạng nơron sinh học [43] Hình 1.5 Mơ hình mạng nơron nhân tạo Hình 1.6 Mạng truyền thẳng lớp 13 Hình 1.7 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 14 Hình 1.8 Mạng hồi quy lớp 14 Hình 1.9 Mạng hồi quy nhiều lớp 15 Hình 1.10 Bản đồ ức xạ mặt trời Việt Nam [44] 15 Hình 1.11 Vị trí Trạm khí tƣợng Nhà Bè [45] 22 vii ... Đề tài ? ?Ứng dụng mạng nơron nhân tạo hồi quy tuyến tính đa iến mơ lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh” có mục tiêu xây dựng đƣợc mơ hình hồi quy tuyến tính đa iến,... đề tài ? ?Ứng dụng mạng Nơron nhân tạo Hồi quy tuyến tính đa iến mô lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè - Thành phố Hồ Chí Minh” Nghiên cứu ứng dụng ANN để mô tổng lƣợng ức xạ mặt trời dựa... nguyên Môi trƣờng Mã chuyên ngành: 8850101 I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng nơron nhân tạo hồi quy tuyến tính đa iến mơ lƣợng ức xạ mặt trời trạm khí tƣợng Nhà Bè – Thành phố Hồ Chí Minh NHIỆM VỤ VÀ NỘI