HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG
DO QUANG THACH
XAY DUNG VA PHAT TRIEN PHAN MEM DAM BAO THONG TIN
CHO HE THONG QUAN LÝ KHÍ Ô NHIEM "NATURE - TECHNOGENIC"
TAI BAC NINH
Chuyén nganh: Khoa hoc may tinh
Mã số: 60.48.01.01
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2015
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Xuân ChợPhản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Quynh
Phản biện 2: PGS.TS Đoàn Văn Ban
Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 15 giờ 00 ngày 27 tháng 02 năm 2016Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3MỞ DAU
1 Lý do chọn đề tài.
Hiện nay, với sự gia tăng ảnh hưởng tiêu cực của khí thải và các chất gây ô nhiễm tới
đời sống con người, nó dang tao ra mối đe doa trực tiếp tới đời sống con người Hàng năm
số lượng người gặp các vấn đề về sức khỏe dẫn tới tử vong do các tác hại của khí thải và các chất gây ô nhiễm ngày càng tăng Cùng với sự phát triển kinh tế của Việt Nam, chủ trương công nghiệp hóa, hiện đại hóa và thu hút đầu tư nước ngoài đang gắn liền với các khu công nghiệp mọc lên trên khắp cả nước Các khu công nghiệp này vẫn đang thải ra môi trường
một lượng khí thải độc hại lớn và ngày càng có xu hướng gia tăng mạnh Nguyên nhân là do
các đơn vị chưa tuân thủ các quy định về quản lý và xử lý khí gây ô nhiễm Các khu công nghiệp vẫn chưa có một hệ thống đáng tin cậy nào được xây dựng cho phép quản lý giảm
thiểu tác hại của nguồn gây ô nhiễm.
Thực nghiệm đã chứng minh, điểm có nồng độ khí ô nhiễm cao nhất không phải tại
các nhà máy thải ra khí ô nhiễm mà chính tại khu vực dân cư, nơi cách các nhà máy từ (1,5+
2km) Tuy nhiên các hệ thống xử lý va quản lý khí ô nhiễm hiện nay đang được sử dụng chỉ giải quyết được vấn đề ô nhiễm tại các nhà máy mà chưa giải quyết được ô nhiễm tại các
khu vực xung quanh nhà máy.
Đề giải quyết van đề này nhóm nhà khoa học Việt Nam và Nga đã nghiên cứu và triển khai hệ thống quản lý khí khép kín "Nature - Technogenic” Hệ thống quản lý khép kín "Nature - Technogenic” - The closed control system "Nature - Technogenic” — (CCSNT) được dé xuất xây dựng bởi Giáo sư Tiến sĩ khoa học Solnitsev Remir Tosifovich, Korshunov Gennady Ivanovich Truong Dai hoc Chế tạo Thiết bị vũ trụ Liên Bang Nga và Tiến sĩ Đỗ Xuân Chợ nhằm mục đích giảm thiểu tác hai của nguồn gây 6 nhiễm và giảm thiêu các “yếu
tốcon người” trong hệ thống quản lý khí thải.
Mặt khác luồng khuếch tán khí ô nhiễm trong khí quyên không chỉ phụ thuộc vào tốc
độ gió (V) mà phụ thuộc rất lớn vao các yếu tố khí tượng: áp suất (P), nhiệt độ (7) độ âm (W) Các yếu tô khí tượng này thay đổi sẽ ảnh hưởng đến chất lượng làm việc cũng như độ chính xác của hệ thống Vì vậy bên cạnh việc nghiên cứu và ứng dụng CCS NT tại Việt
Nam nói chung và tại tinh Bắc Ninh nói riêng cần phải xây dựng chương trình, phan mềm
dam bảo yếu tổ khí tượng cho hệ thống.
Vì những lý do trên học viên chọn đề tài “Xây dựng và phát triển phần mềm đảm bảo thông tin cho hệ thong quản lý khí ô nhiễm "Nature - Technogenic” tại Bắc Ninh”.
Trang 43 Đối tượng va phạm vi nghiên cứu * - Đối tượng nghiên cứu:
VY Nghién cứu các yêu tô khí tượng tại tỉnh Bắc Ninh ảnh hưởng lên dòng khuếch tán khí ô nhiễm.
* Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng lên quy trình làm việc của
hệ thống.
° Pham vi nghiên cứu: Lý thuyết tin học và điều khiển tự động hóa, cơ sở matlab
Simulink, matlab GUI, My SQL.4 Phương pháp nghiên cứu:
»° Ly thuyết xác xuất thong kê;
» M6 hình hóa toán học;
- Ly thuyết tin học và điều khién tự động hóa 5 Cau trúc luận văn.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, mục lục và danh mục tài liệu tham khảo, luận văn gồm 4 chương chứa nội dung chính:
Chương 1 TONG QUAN VE MÔ HÌNH QUAN LÝ KHÍ Ô NHIEM
Nội dung của chương bao gồm:
* Tổng quan về tình hình ô nhiễm khí thải tại tinh Bắc Ninh;
VY Một số giải pháp và hệ thống quản lý khí 6 nhiễm hiện nay;
Y Giới thiệu mô hình quản lý khí ô nhiễm CCSNT.
Chương 2 NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XỬ LÝ THÔNG TIN KHÍ TƯỢNG
Trong chương này luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu, phân tích, định nghĩa các thuật toán được ứng dụng dé giải quyết yêu cầu đặt ra Đề giải quyết van dé đặt ra của đề tài luận văn cần nghiên cứu các mô hình thuật toán sau:
1 Thuật toán xử lý thông tin khí tượng nhăm đánh giá sự tương quan giữa các yếu tố 7, W, P, V với nhau (Tự tương quan) và tương quan giữa các yếu tô 7, W, P với
V (tương quan chéo) Các thuật toán bao gồm:
Trang 5e Ky vọng toán hoc;e Tu tuong quan;
e Tuong quan chéo;
2 Thuật toán đánh giá sự anh hưởng của các yếu tô 7, W, P, V luồng khuếch tán khí ô nhiễm Các thuật toán bao gồm:
e Ky vọng toán học có điều kiện;
¢ Phương pháp bình phương nhỏ nhất.
3 Dé đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng lên hệ thông CCSNT cần phải
nghiên cứu và ứng dụng các mô hình toán học:
e Hàm truyền trong hệ thống tự động hóa;
Chương 3 XÂY DUNG PHAN MEM DAM BAO THONG TIN KHÍ TUQNG
CHO HE THONG
Xây dựng phan mềm xử ly thông tin với mục đích thực hiện quá trình xử lý thông tin khí tượng trong thời gian thực Phần mềm có các modul:
- Modul thử nghiệm hệ thống: cơ sở dữ liệu, các chương trình xử lý và tính toán;
- Modul ứng dụng: các chương trình đánh giá và thực nghiệm. Các nội dung chính cần nghiên cứu
1 Xây dựng cơ sở dit liệu với mục đích lưu trữ thông tin khí tượng và kết qua quá
trình xử lý thông tin trên cơ sở hệ quản tri cơ sở dữ liệu:SQL SER, MySQL
2 Xây dựng phần mén xử lý thông tin với sự hỗ trợ của ngôn ngữ lập trình: Java,
Matlab, Matlab Simulink C++;
Chuong 4 THUC NGHIEM VA KET QUA
Nhiệm vu chương này hướng dẫn chạy chương trình, đưa ra một số kết qua chương trình và kết luận.
Trang 6Chương 1 : TONG QUAN VE MÔ HÌNH QUAN LÝ KHÍ Ô NHIEM
1.1 Vấn đề ô nhiễm khí thải Bắc Ninh hiện nay 1.1.1 Vấn đề ô nhiễm khí thải
Bắc Ninh là tỉnh đang trong quá trình đây mạnh phát triển công nghiệp, nhất là khôi phục và mở rộng hàng loạt các làng nghề truyền thống Hiện toàn tỉnh có 62 làng nghề và 15 khu công nghiệp tập trung Bên cạnh những tác động tích cực về hiệu quả kinh tế thì van đề môi trường, nhất là môi trường không khí tại các khu công nghiệp, làng nghề trong tỉnh
đang bị suy giảm Kết quả quan trắc môi trường không khí tại các khu, cụm công nghiệp và
làng nghề trong tỉnh của trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh cho thấy: sự ô nhiễm chủ yéu là do bụi va các khí SO›, NO› Nông độ bụi trong không khí khá cao, cơ bản đều vượt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn TCVN 5937:2005 và
05:2009/BTNMT Chỉ số SO», NO; tại làng nghề Châu Khê cao hơn tiêu chuẩn cho phép tới
3,8 lần; tại làng nghề tái chế kim loại màu Văn Môn cao hơn tiêu chuẩn cho phép 4,8 lần.
Cùng với đó là lưu lượng các phương tiện vận chuyên nguyên vật liệu, sản phẩm ngày một
tăng cũng góp phan đáng ké làm gia tăng nồng độ bụi, khí SO, NOs, gây ô nhiễm môi trường không khí xung quanh Việc xử lý chất thải, khí thải gây ô nhiễm môi trường trở nên cần thiết và cấp bách đối với Bắc Ninh trong quá trình phát triển và hội nhập quốc tế.
1.12 Nguyên nhân gây ô nhiễm
1.1.2.1 Khói thải từ nguồn dot nhiên liệu
1.1.2.2 Khói thải từ công nghiệp luyện kim.
1.1.2.3 Khí thải từ công nghiệp hóa chất
1.1.2.4 Khí thải từ các nhà máy gia công bê mặt kim loại 1.1.2.5 Khí thải chứa các chất gây ô nhiễm dạng hạt
1.2 Mô hình quản lý khí ô nhiễm
12.1 Mô hình quản lý khí ô nhiễm Mở "'Nature-Technogenic"
Hệ thống quản lý khí ô nhiễm Mở "Nature-Technogenic" (The opened control system "Nature-Technogenic") là mô hình đang được ứng dụng và triển khai hiện nay Trên hình 1.1 mô tả chỉ tiết quy trình làm việc của mô hình này.
Một số nhược điểm của hệ thống quản lý khí ô nhiễm Mở "Nature-Technogenic"
như sau:
Trang 7- Chỉ giải quyết được vấn đề sau khi để xảy ra ô nhiễm môi trường mà không giải quyết được tận gốc nguyên nhân gây ô nhiễm của nó.
- Sự chính xác và độ tin cậy của nồng độ khí ô nhiễm trên chưa đáp ứng được các
tiêu chuẩn quốc tế và chưa quản lý và giám sát được trong thời gian thực.
- Chiếm nhiều thời gian cho các công đoạn từ đo đạc kiểm tra nồng độ khí ô nhiễm tại nhà máy đến ra quyết định xử phạt doanh nghiêp gây ô nhiễm.
sản xuatmôi trường
Yếu tố con người
Hình 1.1 Hệ thống quản lý khí ô nhiễm Mở "Nature - Technogenic"
Dé năm rõ hơn về quy trình làm việc của hệ théngquan lý khí ô nhiễm Mở "Nature -Technogenic" có thể đọc và tham khảo trong phần 1.2.1 của luận văn hoặc trong các tài liệu
tham khảo [1+10].
1.2.2 Hệ thống quản lý khép kin "Nature — Technogenic”
Hệ thống quản lý khép kín "Nature — Technogenic” (The closed control system
"Nature - echnogenic” - CCSNT) được đề xuất bởi giáo sư tiến sỹ khoa học Solnitsev Remir Iosifovich, Korshunov Gennady Ivanovich Trường Đại học Chế tạo Thiết bị vũ tru
Liên Bang Nga.
Trên hình 1.2 mô tả tổng quát CCS NT.
Trang 8Ban quản ly;
Quy trình làm việc của hệ thong được trình bày trong mục 1.2.2 của luận văn Ý tưởng xây dụng hệ thống bao gồm:
Y Giảm thiểu và loại bỏ hoàn toàn yếu tố con người trong quy trình giám sát và
quản lý khí ô nhiễm;
Y Theo dõi và kiểm tra nồng độ khí ô nhiễm trong thời gian thực (online);
* Giữ nguyên quy trình sản xuất của nhà máy Có nghĩa là khi ứng dụng và triển
khai hệ thống CCS NT vào nhà máy nào đó thì quá trình làm việc của hệ thống này không ảnh hưởng đến quá trình làm việc cũng như công suất làm việc của
nhà máy.
Ngoài ra trong luận văn cũng trình bày chỉ tiết và tỉ mi về các thành phan và thiết bị
chính trong CCS NT, trong đó cần phải chú ý đến thiết bị cung cấp thông tin khí tượng trong thời gian thực cho hệ thống CCS NT Đó chính là thiết bị quan trọng cần nghiên cứu để có thể đánh giá khả năng ứng dụng CCS NT tại Việt Nam nói chung và tại Bắc Ninh
nói riêng.
Trang 91.3 Kết luận chương 1
Như vậy trong chương 1 luận văn đã nghiên cứu và tìm hiểu những van dé sau:
i Nghiên cứu và tìm hiểu thực trang 6 nhiễm môi trường tại Việt Nam nói chung và Bắc Ninh nói riêng.
ii Nghiên cứu và đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống quản lý mở “Nature —
Technogenic” trong thực tế.
iii Trình bày tong quan về hệ thống CCS NT Quá trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng dé ứng dụng hệ thống CCS NT vào quản lý và giảm thiểu khí ô nhiễm vào Việt Nam nói chung
và tỉnh Bắc Ninh nói riêng cần phải chế tạo thiết bị cung cấp thông tin khí tượng cho CCSNT trong thời gian thực Mặt khác, luồng khuếch tán khí ô nhiễm trong khí quyên phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố khí tượng V, P, 7, W Chính vì vậy cần phải nghiên cứu và đánh
giá những tác động và ảnh hưởng của các yếu khí tượng này lên luồng khuếch tán khí ô nhiễm Dé làm được điều đó cần cần phải nghiên cứu các thuật toán xử lý thông tin khí
tượng trong thời gian thực Các thuật toán này sẽ được trình bày ở Chương 2.
Chương 2 : THUẬT TOÁN XỬ LÝ THÔNG TIN KHÍ TƯỢNG
2.1 Vấn đề xử lý thông tin khí tượng
Thực nghiệm đã chứng minh răng, điểm có nồng độ khí 6 nhiễm cao nhất không phải tại các nhà máy mà chính tại khu vực dân cư nơi cách các nhà máy từ 1,5 đến 3km Ta có khoảng cách E là khoảng cách từ nguồn 6 nhiễm đến các cảm biến.
Khoảng cách E thay đổi khi các yếu tô khí tượng thay đổi Mặt khác V thay đổi theo các yếu tố khí tượng Như vậy sẽ có khoảng trễ về thời gian:
7 (2.0)
Khoảng trên z sẽ thay đổi khi V va E thay đổi Dé tính toán được z trong mô hình này sẽ cô định E Bài toán trở về tính giá trị củaŸ
Như đã trình bày ở trên V không chỉ phụ thuộc vào V mà còn phụ thuộc vào các yếu tố 7, P, W Vì vậy dé tính toán được V cần phải nghiên cứu các thuật toán và phương pháp
Y Kỳ vọng toán học;
v¥ Tự tương quan;
Trang 10* Tương quan chéo;
* Kỳ vọng toán học có điều kiện;
* Phương pháp bình phương nhỏ nhất;
Trong các phan tiếp theo sẽ trình bày tổng quát về các thuật toán này.
Cam biển đo
nông độ 6Inhiém
2.2 Thuật toán xử lý thông tin khí tượng
Như đã trình bày trong luận văn, để xử lý thông tin khí tượng trong thời gian thực dưới dạng phi tuyến tính đó là vấn đề khó khăn và cần một số lượng lớn dữ liệu đầu vào Vì vậy trong luận văn đã áp dụng phương pháp biến đổi gần đúng từ phi tuyến tính về tuyến
tính khi xử lý thông tin khí tượng Các thuật toán chính trong quá trình xử lý thông tin khí
tượng đưới dang tuyến tính được trình bày như sau:
Trang 11Xt) -dữ liệu ban đầu, tương ứng với V,7°, P, W, X(t)=(x; x7, x?);
Trung bình kì vọng toán học:
Với S-số lượng dữ liệu thực hiện trong quần thể.
Hàm tự tương quan (autocorrelation function):
AA- bước nhảy theo A;
T, - khoảng thời gian làm min hiện tại.
Trung bình tự tương quan theo một giá trị được trình bày dưới đây:
1
RE,„„(A = q2 | Ri.(,A)4t 0.4)
Với 7;-thời gian trung bình của ham tương quan Ri, (1,2)
Ham trung bình tự tương quan theo tat cả dit liệu:
Rexgp@ = >) Rexey(A) 2.5)
Với Š — số lượng thực hiện trong quan thê
Ham tương quan chéo (Cross-correlation function):
vở (t,Â) = =S, Tế X?Œ)Y”Œ + Ajdt (2.6)t+3
Với YP (t)=¥;(t)-M (Y;(0));
Trang 12Y,(t)— dữ liệu vào của quá trình ngâu nhiên, #/,T, T; — khoảng thời gian làm min hiện tại.
Hệ số tương quan chéo được sử dụng dé xác định mối quan hệ giữa Vvới các giá trị
khác 7°, P, W.
Hàm trung bình tương quan chéo sẽ được tính như sau:
ij — 1 ¢t2 pil
RxV ey (A) = ra Sy Ryy (t,A)dt (2.7)
Với T,— trung bình thời gian.
2.3 Thuật toán xây dựng quy luật điều khiến
Hình 2.2 Mô tả các hàm truyền trong mô hình điều khién CCSNT.
Trong đó:
e L¡ -the transferof pollutants fromthe source ofpollutantsto the pointof
measurementparameters (luồng khuếch tán khí 6 nhiễm trong khí quyền); e LL, -measuring device(sensor) (các cảm biên đo nông độ khí 6 nhiém);
Trang 13Lạ -of measurement datatransformationthe device; (thiết bị biến đổi các thông
tin đo lường)
L, -control device (thiết bị điều khiến );
Ls -clean upaggregatejointly withexecutive device (Tổ hợp các thiết bi làm
x(t) -perturbation effects by(compensated constituentfuelgas) (sự ảnh hưởng của các nguyên liệu đầu vào của nhà máy lên CCSNT);
F(t) -parametricperturbingimpact(with the change of the magnitudeof the
transportdelay) (ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng lên CCSNT);
y;** -the converted signal; (các tín hiệu chuyên đồi)
u -the control signal; (các tín hiệu điều khiển)
o -the compensation signaldisturbance (khí thải thoát ra ngoài);
s(t) hé s6 diéu khién.
Từ hình 2.2 cho thấy có 2 yếu tố co ban anh hưởng đến quy trình làm việc của
x (t): Đặc điểm và tính chất của nhà máy sẽ ứng dụng hệ thống Có nghĩa cần phải
xác định được đặc tính các chất ô nhiễm và các chất thải nào sẽ được thải ra ngoài (SO),
NOx, COx) dé từ đó xây dựng và định hướng giải pháp cho tô hợp các thiết bị làm sạch;
1() = F(t): Cung cấp đặc tính của các yếu tố khí tượng trong vùng và miền, thành
phó Khi các yếu tô khí tượng thay đối dẫn đến quy luật điều khiển của hệ thống cũng phải
điều chỉnh và thay đổi Từ đó xây dựng quy luật điều khiển cho hệ thống dựa trên sự thay
đôi của các yêu tô khí tượng.
Trang 14Với nhận xét như trên và theo tiêu trí xây dựng hệ thống thì yếu tố gây ảnh hưởng x(t) sẽ không được phép thay đổi hoặc trung hòa Vì vậy chi còn có thé thay đôi hoặc trung
hòa duy nhất 1 yêu tố đó 1a F(t).
Mặt khác từ sơ đồ của CCS NT, thiết bị điều khiển „tuân theo nguyên tắc điều khiến
của PID Hàm truyền trong L, có dang:
Dé trung hoa được sự anh hưởng của yếu tố khí tượng lên hệ thống có thé xây dựng quy luật điều khiển dựa trên:
M(V(t)): Van toc gid trung bình| i = 1 12 (tháng)
M (AV (t)/ T’,P,W) :- Trung bình kỳ vọng toán hoc có điều kiện được tính bằng:
_ — M(AV(t)/2,) |
M(ay()/%) _ max|M (AV ()⁄x)}i (2.13)
Ky vọng toán học có điều kiện sẽ tính toán và tìm ra được sự ảnh hưởng các yếu tố khí tượng ảnh hưởng thé nào đến V với điều kiện / thay đổi trong phạm vi í; < / <¿;„; (1 ngày đêm) Trong trường hợp giới hạn {/=0, 1} thì nửa ngày nhận giá tri -0, nửa đêm nhận
giá trị -1.