Xây dựng và phát triển phần mềm đảm bảo thông tin cho hệ thống quản lý khí ô nhiễm"Nature - Technogenic"tại Bắc Ninh

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..

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

DO QUANG THACH

XAY DUNG VA PHAT TRIEN PHAN MEM DAM BAO THONG TINCHO 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

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Xuân Chợ

Phản 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 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ 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 cácchất gây ô nhiễm ngày càng tăng Cùng với sự phát triển kinh tế của Việt Nam, chủ trươngcông nghiệp hóa, hiện đại hóa và thu hút đầu tư nước ngoài đang gắn liền với các khu côngnghiệp 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 côngnghiệp 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 chỉgiải 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 triểnkhai 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, KorshunovGennady Ivanovich Truong Dai hoc Chế tạo Thiết bị vũ trụ Liên Bang Nga và Tiến sĩ ĐỗXuân Chợ nhằm mục đích giảm thiểu tác hai của nguồn gây 6 nhiễm và giảm thiêu các “yếutốcon 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 độchính 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 bảothông tin cho hệ thong quản lý khí ô nhiễm "Nature - Technogenic” tại Bắc Ninh”

3 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 4chương 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 thuậttoán được ứng dụng dé giải quyết yêu cầu đặt ra Đề giải quyết van dé đặt ra của đề tài luậnvăn 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:

e 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 tinkhí 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 chươngtrình và kết luận

Chương 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 khôiphục 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 chothấy: sự ô nhiễm chủ yéu là do bụi va các khí SO›, NO› Nông độ bụi trong không khí khácao, 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 môitrường không khí xung quanh Việc xử lý chất thải, khí thải gây ô nhiễm môi trường trở nêncần 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 controlsystem "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:

- Chỉ giải quyết được vấn đề sau khi để xảy ra ô nhiễm môi trường mà không giảiquyết 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 nhiễmtại nhà máy đến ra quyết định xử phạt doanh nghiêp gây ô nhiễm

sản xuat môi trường

Yếu tố con người

Uy ban bảo

VỆ môi trường

Phòng quản Trung tâm lý tài

quan trắc nguyên

thiên nhiên

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 SolnitsevRemir 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

Ban 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 thốngnày 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 tượngtrong 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.

1.3 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 vàBắc Ninh nói riêng

ii Nghiên cứu và đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống quản lý mở “Nature —

giá những tác động và ảnh hưởng của các yếu khí tượng này lên luồng khuếch tán khí ônhiễm 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 phảitại các nhà máy mà chính tại khu vực dân cư nơi cách các nhà máy từ 1,5 đến 3km Ta cókhoảng 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 theocác yếu tố khí tượng Như vậy sẽ có khoảng trễ về thời gian:

+ Ile E

7 (2.0)

Khoảng trên z sẽ thay đổi khi V va E thay đổi Dé tính toán được z trong mô hìnhnày 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

sau:

Y Kỳ vọng toán học;

v¥ Tự tương quan;

* 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 6 Inhiém

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 thựcdưới dạng phi tuyến tính đó là vấn đề khó khăn và cần một số lượng lớn dữ liệu đầu vào Vìvậy 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:

Xt) -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:

T;

1

RE,„„(A = q2 | Ri.(,A)4t 0.4)

0

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):

+13

vở (t,Â) = =S, Tế X?Œ)Y”Œ + Ajdt (2.6)t+3

Với YP (t)=¥;(t)-M (Y;(0));

Y,(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);

Lạ -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

sạch);

x(t) -perturbation effects by(compensated constituentfuelgas) (sự ảnh hưởng củacác 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

CCSNT:

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.

Với nhận xét như trên và theo tiêu trí xây dựng hệ thống thì yếu tố gây ảnh hưởngx(t) sẽ không được phép thay đổi hoặc trung hòa Vì vậy chi còn có thé thay đôi hoặc trunghòa 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:

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 tốkhí tượng ảnh hưởng thé nào đến V với điều kiện / thay đổi trong phạm vi í; < / <¿;„; (1ngày đêm) Trong trường hợp giới hạn {/=0, 1} thì nửa ngày nhận giá tri -0, nửa đêm nhận

giá trị -1.