Sáng kiến kinh nghiệm tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN …oOo… MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG Chủ đề: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH Giảng viên hƣớng dẫn Huỳnh Vƣơng Thu Minh Sinh viên thực Nhóm sinh viên QLMTA2 Báo cáo mô hình hóa môi trường PHỤ LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu Các định nghĩa phân loại mô hình 2.1 Khái niệm mô hình 2.2 Phân loại mô hình a Phân loại mô hình b Phân loại mô hình toán Ƣu nhƣợc điểm loại mô hình Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán mô hình vật lý 10 Khái niệm ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng 10 5.1 Khái niệm mô hình hóa 10 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng 11 Mô hình tƣợng tự nhiên 11 6.1 Sự hình thành bão 11 6.2 Mô hình khái niệm hình thành bão 12 6.3 Mô hình toán hình thành bão 12 CHƢƠNG CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 13 Các đặc trƣng mô hình 14 Các bƣớc xây dựng kiểm định mô hình 14 2.1 Thu thập phân tích số liệu Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác định 2.2 Xây dựng phần mềm 15 2.3 Mô hình khái niệm 15 2.4 Mô hình giải tích 15 2.5 Hiệu chỉnh 15 2.6 Kiểm nghiệm mô hình 16 Định nghĩa mô ứng dụng 17 Một vài thuật ngữ 17 Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình mô hình hóa Môi Trƣờng 18 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 20 Lựa chọn 20 Hiệu chỉnh 20 Kiểm định mô hình 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 Báo cáo mô hình hóa môi trường DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Mô hình xe thử nghiệm sử dụng lƣợng mặt trời Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trái đất Mô hình hộp trắng - White box Mô hình hộp đen - Black box Mô hình hộp xám - Gray box Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng 11 MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO .12 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 14 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 14 Hình Ba thành tố mô hình .14 Các bƣớc xây dựng kiểm định mô hình .16 Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác định Báo cáo mô hình hóa môi trường CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng vấn đề báo động song hành với phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt quốc gia phát triển Tại nhiều nơi, chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả tự làm tự nhiên Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trƣờng kỹ thuật xử lý môi trƣờng, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trƣờng mang tầm quan trọng cho định giải vấn đề Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc môi trƣờng tốn kinh phí công sức ngƣời Nhằm giảm thiểu khó khăn này, nhà khoa học tiếp tục phát triển ứng dụng nguyên lý vật lý toán học vào thực tiễn để mô diễn biến thực tế tự nhiên đƣa dự báo cần thiết Việc mô môi trƣờng giúp ngƣời tạo dựng hình ảnh vật thu nhỏ tƣơng tự, bắt chƣớc theo thực tế để mô tả kiện nhƣ tạo kịch biến đổi lƣợng chất theo không gian thời gian nhằm tiên đoán khả lây truyền chất ô nhiễm khả hồi phục chất lƣợng tài nguyên Môn học mô hình hóa môi trƣờng đƣợc hình thành từ sở Các định nghĩa phân loại mô hình 2.1 Khái niệm mô hình Mô hình cấu trúc mô tả hình ảnh đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm diễn biến đối tƣợng, tƣợng, khái niệm hệ thống (TS Lê Anh Tuấn, 2008) Mô hình hình ảnh vật thể đƣợc thu nhỏ phóng đại,hoặc làm gọn phƣơng trình toán học, công thức vật lý, mộtphần mềm tin học để mô tả trạng thực tế mang tính điển hình ( TS Lê Anh Tuấn, 2008) Mô hình đối tƣợng cụ thể (vật chất phƣơng trình toán học), hệ thống, khái niệm (tƣ duy) thay nguyên (Claude Shannon,1948) Báo cáo mô hình hóa môi trường Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo mẫu xe sử dụng lƣợng mặt trời thu nhỏ để thử nghiệm khả hoạt động nhƣ tiện ích an toàn trƣớc chế tạo hàng loạt (hình 1.1) Hình 1.1 Mô hình xe thử nghiệm sử dụng lƣợng mặt trời Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nƣớc tồn vận động nƣớc mặt đất, lòng đất bầu khí trái đất Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trái đất 2.2 Phân loại mô hình a Phân loại mô hình Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trƣớc tiến hành tạo mô hình, phải tƣ đƣợc có thành phần cách thức liên hệ ảnh hƣởng lẫn nhƣ Kết mô hình khái niệm lƣu đồ sơ đồ Mô hình giải tích ( Mô hình số): Là thuật toán quan hệ biến số ( variables ) thông số ( parameters ) mô hình →Phần quan trọng cốt lõi phức tạp xây dựng mô hình Báo cáo mô hình hóa môi trường Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệ toán học yếu tố hệ thống (các trình hóa học, vật lý sinh học) đƣợc mô từ hệ thống thực Các mô hình toán thƣờng sử dụng nhƣ MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java… Mô hình vật lý: Mô hình tỉ lệ - Scale physiscal modelling: Hệ vật lý đƣợc mô lại với thành phần đƣợc mô tỉ lệ xác (thu nhỏ phóng to) Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng đƣợc xây dựng nhanh thô (phác thảo) để thử nghiệm vài chức Mô hình tƣơng tự: Khi trình muốn nghiên cứu phức tạp →Có thể sử dụng trình khác thay (công thức toán học giống nhau) → Mô hình tƣơng tự → Suy kết từ mô hình tƣơng tự cho mô hình muốn nghiên cứu b Phân loại mô hình toán MÔ HÌNH TOÁN MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN TỤC MÔ HÌNH RỜI RẠC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH ĐỘNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH Báo cáo mô hình hóa môi trường Mô hình hộp trắng - White box Mô hình cung cấp số thông tin liệu đầu vào, đầu bên hệ thống Mô hình hộp đen - Black box Mô hình cung cấp số thông tin liệu đầu vào đầu (only input and output are known), cấu trúc bên chƣa biết cấu trúc phức tạp chƣa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown) Mô hình hộp xám - Gray box Mô hình cung cấp số thông tin liệu đầu vào, đầu phần tiến trình xử lý hệ thống Báo cáo mô hình hóa môi trường Ƣu nhƣợc điểm loại mô hình TÊN MÔ HÌNH ƢU ĐIỂM Mô hình khái - Đƣợc hình thành dù ngƣời tạo niệm chƣa hiểu hết tất (Mô hình nhận tƣợng phức tạp thực tế thức ) - Có thể đơn giản hóa tính bất thông số thành tính đồng - Có thể giảm thiểu đƣợc số liệu yêu cầu - Dễ dàng cho ngƣời xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng cách nhanh chóng tốn - Mô hình khái niệm công cụ kĩ thuật cho lập trình viên hiểu vấn đề phải giải mà không cần phải làmột chuyên gia môi trƣờng - Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải thuyết minh, biểu bảng, đồ thị - Có thể tạo giao tiếp với sở liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) Mô hình Giải - Mô hình thực xử lý số liệu Tích ( Mô hình Số) cách nhanh chóng - Mô hình lập trình, tối thiểu đƣợc lỗi cách sử dụng Báo cáo mô hình hóa môi trường NHƢỢC ĐIỂM - Mô hình khái niệm khái quát nhân tạo phi vật lý qua tối giản nên không đƣa hết quan hệ tƣơng tác đối tƣợng - Những ngƣời thiếu kinh nghiệm tạo giả thiết phi thực tế đơn giản - Mô hình khái niệm mang tính tổng nên bỏ sót phƣơng án vận hành - Mô hình khái quát thƣờng thể cách điều chỉnh sai số ngoại suy trƣờng hợp thiếu liệu - Khi cần bổ sung mô hình tái cấu trúc mô hình tạo tình trạng gò bó thông số - Các thông số biến số dễ bị thay đổi - Là mô hình phức tạp với chuỗi thuật toán Mô hình Toán Mô hình Vật Lý -Dùng ngôn ngữ lập trình để miêu tả mối quan hệ toán học cách dễ dàng - Có thể dễ dàng thay đổi số liệu hay thông số mô hình với nhiều kịch khác theo ý muốn - Các tính tiêu chuẩn hóa thƣờng cần thiết cho mô hình - Chu kỳ phát triển ngắn - Có thể đọc đƣợc nhiều mã khác - Hỗ trợ nhiều việc xác minh mô hình toán học - Là công cụ chuẩn xác để dự đoán tƣợng Vật lý - Kích thƣớc nhỏ, đo đạc dễ dàng - Quan sát tƣợng tận mắt dễ dàng định hƣớng nghiên cứu Mô hình Tƣơng - Có thể sử dụng số liệu, thông số Tự hay trình khác thay suy kết tƣơng tự cho mô hình - Không sử dụng lập trình phức tạp - Các mô hình phức tạp đƣợc thực nhanh chóng Báo cáo mô hình hóa môi trường - Đòi hỏi khối lƣợng công việc khổng lồ với biến số thay đổi theo thời gian không gian - Giai đoạn kiểm tra lại khó khăn - Tính di động bị hạn chế - Chi phí phầm mềm cao - Đòi hỏi nâng cấp bổ sung - Tốn thời gian tiền bạc - Chỉ đƣợc áp dụng cần thiết nghiên cứu chi tiết để thiết kế công trình (cống, đập) - Khó mô tất tƣợng theo tỉ lệ xác - Khó mô điều kiện biên cách xác - Kết không xác - Không mô tất tƣợng mô hình cách xác - Tốn tiền bạc 4 Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán mô hình vật lý Mô hình vật lý: Khi tƣợng vật lý thực tế phức tạp khó mô tả xác công thức toán học Mô hình vật lý công cụ chuẩn xác để dự đoán tƣợng vật lý Không cần phải tƣởng tƣợng, quan sát toàn trình thông qua mô hình vật lý Mô hình toán: Để dự đoán mô cách thƣờng xuyên hệ thống giới thực làm tƣơng lai nhƣng lại tốn kém, không thực tế thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ nhƣ: thiết kế lò phản ứng hạt nhân, tuyệt chủng loài,…Mô hình toán đƣợc áp dụng nhiều trƣờng hợp phải liên tục thay đổi kịch để đƣa kết tƣơng ứng KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 5.1 Khái niệm mô hình hóa Mô hình hóa môi trƣờng ngành khoa học mô tƣợng lan truyền chất ô nhiễm dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian thời gian ( TS Lê Anh Tuấn, 2008) Mô hình hóa môi trƣờng ngành khoa học cung cấp công cụ dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, để chuyển hiểu biết từ đo đạc thực tế khu vực nghiên cứu thành lý giải cần thiết cho nhƣ cầu thông tin tiên đoán diễn biến môi trƣờng – sinh thái Mô hình môi trƣờng mô tả đơn giản cho quan hệ phức tạp môi trƣờng sinh thái thực tế nhƣng cho kết xác mức độ chấp nhận đƣợc Một mô hình môi trƣờng phải cung cấp đại lƣợng liệu thể theo thay đổi thời gian qua: (i) quan sát (observation); (ii) phân tích (analysis); (iii) tiên đoán (prediction) Một mô hình môi trƣờng giao tiếp liệu tạo định Mô hình tạo thông tin từ liệu quan trắc cải tiến kiến thức giúp cho việc định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành quản lý Báo cáo mô hình hóa môi trường 10 Một mô hình môi trƣờng thƣờng kết hợp định luật phƣơng trình sau • Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lƣợng, ) • Phƣơng trình toán học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen bốc thoát hơi, phƣơng trình cân nƣớc) • Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ công thức kinh nghiệm, ) ( TS Lê Anh Tuấn,2008) Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng Cung cấp công cụ dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, để chuyển hiểu biết từ đo đạc thực tế khu vực nghiên cứu thành lý giải cần thiết cho nhƣ cầu thông tin tiên đoán diễn biến môi trƣờng– sinh thái Mô tả đơn giản cho quan hệ phức tạp môi trƣờng sinh thái thực tế nhƣng cho kết xác mức độ chấp nhận đƣợc Cung cấp đại lƣợng liệu thể theo thay đổi thời gian qua: quan sát, phân tích tiên đoán Mô hình tạo thông tin từ liệu quan trắc cải tiến kiến thức giúp cho việc định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành quản lý MÔ HÌNH HIỆN TƢỢNG TỰ NHIÊN 6.1 Sự hình thành bão Bão hình thành khu vực đại dƣơng nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nƣớc 26 độ C Chính không khí ấm áp, ẩm gió hội tụ gần xích đạo “nhiên liệu” để bão Báo cáo mô hình hóa môi trường 11 hoạt động Một bão hình thành xuất mƣa dông trận gió lốc mạnh chênh lệch áp suất không khí áp cao lạnh đám mây mƣa bầu không khí nóng xung quanh Và hai mƣa dông gặp luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp khí nóng bị đẩy lên cao Nƣớc nóng, quy trình nhanh gió tăng tốc Khi đó, tầng lớp đối lƣu, luồng khí ẩm ƣớt toả bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay trái đất, Bắc bán cầu chiều ngƣợc lại kim đồng hồ, Nam bán cầu chiều với kim đồng hồ Khi lực xoay đủ lớn bão hình thành 6.2 Mô hình khái niệm hình thành bão MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO Lực quay Trái Đất Sự hoà lộn khí Độ ẩm Hình thành mƣa Nhiệt độ đại dƣơng nóng lên Không khí ẩm bốc lên Nhiệt độ Động lực để tạo xoáy Hấp thụ lƣợng Hình thành gió mạnh Hình thành bão Hình Thành xoáy, lốc,giông 6.3 Mô hình toán hình thành bão Hiện nƣớc biển dâng nhìn nhận nhƣ trình tƣơng tác tổng hợp n ngƣời ta tính toán nƣớc biển dâng theo vận tốc gió , mƣc nƣớc biển mực nƣớc trung bình nhiều năm biển có thủy triều phi thủy triều Bài toán nƣớc biển dâng đƣợc xem điều kiện khí tƣợng thủy văn có tác động đồng thời gió, áp suất khí quyển, thủy triều lƣu lƣợng sông ngòi Báo cáo mô hình hóa môi trường 12 Mô hình nƣớc nông hai chiều mô tả đƣợc , hệ phƣơng trình có dạng Trong : U, V - thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y tƣơng ứng  u U ( z )dz h   h  v v( z )dz h   h U(z), V(z) - thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y tƣơng ứng  - dao động mặt nƣớc so với mặt nƣớc trung bình h- độ sâu kể từ mực nƣớc trung bình Pa - áp suất không khí  xs , ys - thành phần ứng gió suất gió mặt nƣớc theo trục x, y tƣơng ứng  xs  W X WX2  WY2 , YX  W X WX2  WY2 - hệ số ma sát gió Wx, Wy- thành phần vận tốc gió theo trục x, y tƣơng ứng  xb , yb - thành phần ứng suất ma sát đáy theo trục x , tƣơng ứng K - hệ số ma sát đáy f  2 sin  - tham số coriolic  - vĩ độ địa lí vận tốc góc quay trái đất  Thông tin kết dự báo bão thông qua thông số tốc độ gió, mực nƣớc biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão Báo cáo mô hình hóa môi trường 13 CHƢƠNG CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1.Các đặc trƣng mô hình Một cách tổng quát, tất mô hình phải có ba thành tố + Thông tin vào: bao gồm dạng sở liệu đƣa vào để mô hình xử lý + Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm trình tiếp nhận liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá xuất liệu + Thông tin ra: thể dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết Thông tin vào Tiến trình xử lí thông tin Thông tin Hình Ba thành tố mô hình Một mô hình có đặc trƣng sau + Mô hình cần đƣợc tối giản với số giả định đặt + Điều kiện biên điều kiện ban đầu cần định danh + Mức độ khả ứng dụng mô hình xác lập đƣợc (T.S Lê Anh Tuấn,2008) 2.Các bƣớc xây dựng kiểm định mô hình 2.1 Thu thập phân tích số liệu Xác định loại số liệu (mực nƣớc, lƣu lƣợng, thông số chất lƣợng nƣớc,…) cần thu thập từ hệ thống thực; Xác định bƣớc thời gian: giờ, trung bình ngày,…; Báo cáo mô hình hóa môi trường 14 Xác định độ dài chuỗi số liệu (mô vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng chục năm (mô hình khí hậu)); Xác định thời điểm thu thập/đo đạc số liệu; Đánh giá mức độ tin cậy, đánh giá khả xuất lại số liệu thu thập số l 2.2 Xây dựng phần mềm Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng; Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,…) so sánh; Trƣờng hợp chọn mô hình toán ➔Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình có sẵn thị trƣờng) Tất mô hình muốn vận hành cần phải có nguồn liệu ban đầu điều kiện cần thiết 2.3 Mô hình khái niệm Mô hình khái niệm dạng ý tƣởng hoá nhằm tối giản yếu tố phức tạp thực tế dạng lƣu đồ sơ đồ Trong mô hình khái niệm phải liệu nhập và, diễn biến bên mô hình thông tin xuất từ mô hình Một hình khái niệm phải thể tính đơn giản để tạo cho ngƣời chuyên gia mô hình hiểu mục tiêu toán mô hình 2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất loạt thuật toán đƣợc viết để giải quan hệ thông số biến số mô hình cho kết dƣới dạng số đồ thị Đây phần cốt lõi, quan trọng phần phức tạp tiến trình thực mô hình hóa 2.5 Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) tiến trình mà thông số biến số mô hình đƣợc điều chỉnh để kết mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc Do phát triển mô hình, phải tối giản tƣợng vật lý tự nhiên để thuận lợi cho ngƣời làm thật toán Điều khiến số liệu nhập vào mô hình có giá trị không hoàn toàn chắn kết sai biệt với thực tế Hiệu chỉnh công việc nhằm rút ngắn khoảng cách sai biệt cách đƣa thông số điều chỉnh gọi thông số mô hình (model parameters) Báo cáo mô hình hóa môi trường 15 2.6 Kiểm nghiệm mô hình Kiểm nghiệm mô hình bƣớc tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra thông số mô hình đƣa có phù hợp với diễn biến thực tế hay không THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ HÌNH GIẢI TÍCH /TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH SENSITIVITY ANALYSIS KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ỨNG DỤNG DỰ BÁO / TỐI ƢU HOÁ Các bƣớc xây dựng kiểm định mô hình Báo cáo mô hình hóa môi trường 16 MÔ HÌNH KHÁI NIỆM 3.Định nghĩa mô ứng dụng: Mô hệ thống trình hoạt động mô hình, đại diện hệ thống Ứng dụng mô hình gồm + Thiết kế phân tích hệ thống sản xuất; + Đánh giá yêu cầu H/W S/W cho hệ thống máy tính; + Đánh giá hệ thống hay chiến thuật quân mới; + Xác định sách đặt hàng cho hệ thống hàng hóa tồn kho; + Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc phƣơng thức nhắn tin cho hệ thống; + Thiết kế vận hành sở nhƣ đƣờng cao tốc, tàu điện ngầm, sân bay cống; + Thẩm định thiết kế cho tổ chức dịch vụ nhƣ bệnh viện, bƣu điện, nhà hàng thức ăn nhanh; + Phân tích hệ thống tài kinh tế thông tin 4.Một vài thuật ngữ Hệ thống (System) đƣợc hiểu tập hợp thành phần có quan hệ liên thông với để tạo thành tổng thể Theo Dooge (1964) hệ thống cấu trúc, thiết bị sơ đồ, trình tự đó, thực hay trừu tƣợng, đƣợc gắn với bƣớc thời gian định, liên hệ lƣợng vào (nguyên nhân, lƣợng, thông tin) với lƣợng (hệ quả, phản ứng, lƣợng) INPUT Lƣợng vào SYSTEM Hệ thống OUTPUT Lƣợng Hệ thống thủy văn (hydrological system) trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) vùng không gian định hệ thống thực Ta coi tuần hoàn thuỷ văn nhƣ hệ thống với thành phần nƣớc, bốc hơi, dòng chảy pha khác chu trình Các thành phần lại tập hợp thành hệ thống chu trình lớn Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ hệ thống đơn giản tổng hợp kết dựa mối quan hệ qua lại chúng Hệ thống thủy văn đƣợc định nghĩa nhƣ cấu trúc hay thể tích không gian bao quanh mặt biên Cấu trúc tiếp nhận yếu tố đầu vào (Input) qua mặt biển nhƣ mƣa theo phƣơng thẳng đứng, dòng chảy theo phƣơng ngang, thao tác phân Báo cáo mô hình hóa môi trường 17 tích yếu tố bên biến đổi chúng thành yếu tố đầu (Output) mặt biên bên Có thể hiểu cấu trúc hệ thống (hay thể tích không gian) toàn đƣờng đi, phƣơng thức khác để qua nƣớc xuyên suốt qua hệ thống từ điểm vào điểm Biên hệ thống mặt liên tục, xác định không gian chiều bao quanh cấu trúc hay thể tích xét Một đối tƣợng nghiên cứu vào hệ thống nhƣ yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu túc yếu tố khác, rời khỏi hệ thống thành yếu tố đầu Nhiều trình vật lý, hoá học sinh học khác bên cấu trúc tác động lên đối tƣợng Thông số (parametter of model) đặc trƣng số lƣợng hệ thống thủy văn Ví dụ diện tích lƣu vực thông số biểu thị độ lớn lƣu vực Nói chung thông số hệ thống không thay đổi theo thời gian điều kiện nhân tố ảnh hƣởng đến hệ thống ổn định Đặc tính hệ thống biểu thị qua nhiều thông số khác Hiệu mô hình phụ thuộc trƣớc hết vào độ xác xác định thông số Nếu thông tin ban đầu không đầy đủ tăng số thông số, mặc phép mô tả đầy đủ xác trình, nhƣng đƣa đến kết thông số đƣợc lựa chọn có sai số lớn Vì phải lựa chọn cấu trúc mô hình tối ƣu đó, bao gồm số lƣợng tối ƣu thông số, mô tả tốt trình hệ thống thông tin có, đồng thời phải đƣa phƣơng pháp xác định xác thông số Thực tế cho thấy khả thay đổi cấu trúc mô hình lớn khả thay đổi phƣơng pháp xác định thông số Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình mô hình hóa môi trƣờng Từ xa xƣa vào thời tiền sử ngƣời nghĩ tạo mô tối giản để phát họa hình ảnh khuôn dạng ngƣời để có xếp xem xét tiến hóa nhóm chủng ngƣời + Những phát họa ngƣời cách sinh hoạt họ vách hang đá cho ta hình dung văn hóa ngƣời Cổ Cận Đông Cổ Hy Lạp + Một mô hình đƣợc công nhận số; số đếm số viết đƣợc ghi lại mảnh xƣơng đƣợc tìm thấy vào khoảng 30.000 năm trƣớc Công nguyên + Ngành Thiên văn Kiến trúc để lại ghi chép mô hình sao, công trình nhà cửa từ 4.000 năm trƣớc Công nguyên + Vào khoảng 2.000 năm trƣớc Công nguyên, ba văn hóa Babylon, Ai Cập Ấn Độ biết cách sáng tạo phát triển toán ứng dụng “mô hình toán” sống thƣờng nhật họ Phần lớn toán họ thuật toán đƣợc đề xuất để giải vấn đề đặc biệt Báo cáo mô hình hóa môi trường 18 + Ở Việt Nam hình ảnh để lại Trống đồng Đông Sơn cho nghĩ đến mô điệu múa, y phục sinh hoạt săn bắt ngƣời Việt Cổ khoảng thời gian từ kỷ thứ đến kỷ thứ trƣớc Công nguyên Sự phát triển ngành triết học thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age) (khoảng 600 năm trƣớc Công nguyên) kết hợp với toán học dẫn đến phƣơng pháp suy diễn (deductive method), sau trở thành phần quan trọng lý thuyết toán học Trong thời kỳ này, hình học bắt đầu hình thành phát triển + Nhà toán học Thales áp dụng hình học để tiên đoán tƣợng nhật thực (solareclipse)vào năm585 trƣớc Công nguyên Thales phát minh cách đo chiều cao vật thể cách đo chiều dài bóng vật thể in đất + Vào khoảng năm 250 trƣớc Công nguyên, Euclid dùng mô hình toán hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng Ông tính đƣợc chu vi Trái đất Ngành thiên văn học cổ biết tạo mô hình để diễn tả thái dƣơng hệ Các nhà kiến trúc xây dựng công trình cổ xƣa Trung Hoa, Ấn Độ, nƣớc theo đạo Hồi để lại chứng tích mô hình đền đài, công trình thu nhỏ nhƣ phƣơng pháp tƣơng tự (similar method), hình thức mô hình tỷ lệ, trƣớc xây dựng công trình thực Các văn minh Châu Á chứng tỏ phát triển mô hình vật lý song song với mô hình toán học công trình kiến trúc họ Từ kỷ XX trở đi, song song với phát triển ngành toán học, vật lý, đặc biệt đời máy tính điện tử thúc đẩy phát triển nhanh chóng thuật toán mô hình Nhiều công ty phần mềm chuyên sản xuất công cụ mô hình phục vụ cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, môi trƣờng, khí tƣợng, thủy văn, quản lý hành chánh đến lãnh vực quan hệ xã hội, Ngày kỹ thuật mô hình ngày chứng tỏ vai trò việc tạo điều kiện cho ngƣời hiểu biết sâu giới mà tiên toán tình có khả xảy tƣơng lai Báo cáo mô hình hóa môi trường 19 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH Lựa chọn Tùy vào mục đích ngƣời sử dụng mô hình mà ngƣời ta sử dụng mô hình phù hợp Trên giới xuất nhiều mô hình khác Về nguyên tắc, mô hình phức tạp, liệu đầu vào nhiều → Kết từ mô hình xác Có cách chọn mô hình + Theo cấu trúc giá trị vào/ra: Khái quát hóa tiến trình chủ yếu, mức độ xác cho việc tiên đoán, tính đơn giản mô hình, thành lập thông số, độ nhạy thông số, giả định, tiềm cho việc cải tiến mô hình + Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên mô hình, khung thời gian, thiết bị tính toán, ứng dụng , Đánh giá việc lựa chọn cách trả lời câu hỏi sau: + Các thông số mô hình cung cấp có thực theo yêu cầu toán không? + Các đặc trƣng vật lý thể qua thông số mô hình có thực đáp ứng việc ứng dụng thực tế không? + Các phƣơng trình sử dụng cấu trúc mô hình có với thuật toán đại phù hợp với liệu thiết bị máy tính không? + Các kết mà mô hình cung ứng có chất lƣợng tốt tƣơng xứng với chi phí theo thời gian đặc thù không? Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) tiến trình mà thông số biến số mô hình đƣợc điều chỉnh để kết mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc Hiệu chỉnh thông số để số liệu xuất từ mô hình “phù hợp” với số liệu đo đạc Trƣờng hợp hiệu chỉnh mô hình không thỏa phải kiểm tra lại số liệu thu thập mô hình khái niệm Phân tích độ nhạy thông số: Chỉ thông số nhạy “nhất” hiểu đƣợc đặc tính thông số.Từ thông số cần hiệu chỉnh Báo cáo mô hình hóa môi trường 20 Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình: Đầu tiên, giả thiết thông số chạy thử mô hình so sánh thực đo tính toán Nếu đạt dừng lại.Nếu so sánh thực đo tính toán không đạt quay lại thay đổi thông số sau chạy mô hình tiếp tục so sánh Giả thiết thông số So sánh thực đo tính toán Chạy mô hình Đạt Dừng Không đạt Thay đổi thông số Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình Kiểm định mô hình a Khái niệm Kiểm định mô hình đánh giá mức độ phù hợp số liệu đo đạc số liệu từ mô hình thông qua tham số thống kê trực quang Đây bƣớc sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra thông số mô hình b Mục tiêu kiểm nghiệm mô hình Mô hình cần đƣợc kiểm nghiệm nhằm kiểm tra thông số mô hình đƣa có phù hợp với diễn biến thực tế hay không Nói cách chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm trả lời hàm ý sau Các biểu đầu mô hình mô có phù hợp với biểu đầu hệ thống thực tế đƣợc quan trắc; Báo cáo mô hình hóa môi trường 21 Các thông tin đầu mô hình ( lƣu ý đầu mô hình mô thành lập số liệu mà thông tin) có đủ độ xác nhƣ mong muốn mô hình; Trong trình xác định thông số, có sai biệt ý nghĩa số liệu kiện quan trắc giá trị mô phỏng, cần xác lập mức độ tin cậy mô hình; Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mô hình cần phải bắt buộc qua thử nghiệm thống kê thống nghiêm ngặt theo mức độ phù hợp định trƣớc theo tầm quy mô thực hiện; Khi làm kiểm nghiệm đầu mô hình, giả thuyết mô hình có sơ sở vững bao gồm hợp lí thiết kế mô hình, phƣơng trình chủ đạo mã hóa chƣơng trình máy tính; Trong kiểm nghiệm nào, số thông số luôn đạt yêu cầu điều kiện thử nghiệm mô hình số thông số khác liên kết đƣợc với số kiện xảy c Độ xác mô hình Trƣờng hợp chuỗi quan trắc đủ dài độ xác cao (chuỗi số liệu mực nƣớc, lƣu lƣợng) kết kiểm nghiệm thƣờng tốt.Thực tế, số trƣờng hợp chuỗi quan trắc không đủ dài (số liệu tƣ môi trƣờng:BOD,DO, ) Khi khó tiến hành kiểm nghiệm mô hình theo thông số Độ xác chuỗi số liệu không cao sai số lấy mẫu lớn, kiểm nghiệm mô hình khó khó đạt Báo cáo mô hình hóa môi trường 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mô hình hóa môi trƣờng Bài giảng Mô hình hóa môi trƣờng, Ths Huỳnh Vƣơng Thu Minh Nguyễn Hữu Khải - Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thủy văn http://baodatviet.vn/khoa-hoc/bao- hinh-thanh- va-hoat- dong-nhu- the-nao2279439 Báo cáo mô hình hóa môi trường 23 [...]... thông qua các thông số tốc độ gió, mực nƣớc biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão Báo cáo mô hình hóa môi trường 13 CHƢƠNG 2 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1 .Các đặc trƣng cơ bản của mô hình Một cách tổng quát, tất cả mô hình phải có ba thành tố chính + Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đƣa vào để mô hình xử... hoặc sơ đồ Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ mô hình Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những ngƣời không phải là chuyên gia về mô hình có thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình 2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán đƣợc... trường 19 CHƢƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1 Lựa chọn Tùy vào mục đích của ngƣời sử dụng mô hình mà ngƣời ta sử dụng các mô hình phù hợp Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mô hình khác nhau Về nguyên tắc, mô hình càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mô hình càng chính xác Có 2 cách chọn mô hình + Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái quát hóa các tiến trình chủ yếu,... qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang Đây là bƣớc tiếp theo sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số của mô hình b Mục tiêu kiểm nghiệm mô hình Mô hình cần đƣợc kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm các trả lời các hàm ý sau Các biểu hiện ở đầu ra của mô hình mô phỏng... số l 2.2 Xây dựng phần mềm Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng; Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,…) và so sánh; Trƣờng hợp chọn mô hình toán ➔Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình có sẵn ngoài thị trƣờng) Tất cả các mô hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các điều kiện cần thiết 2.3 Mô hình khái niệm Mô hình khái niệm là một dạng ý tƣởng hoá nhằm... quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả dƣới dạng số hoặc đồ thị Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa 2.5 Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc Do khi phát triển mô hình, ... lập mức độ tin cậy của mô hình; Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mô hình cần phải bắt buộc qua các thử nghiệm thống kê chính thống và nghiêm ngặt theo các mức độ phù hợp định trƣớc theo tầm quy mô thực hiện; Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mô hình, giả thuyết rằng mô hình là có sơ sở vững chắc bao gồm các hợp lí trong thiết kế mô hình, các phƣơng trình chủ đạo và mã hóa chƣơng trình máy tính;... nghiệm mô hình là bƣớc tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ HÌNH GIẢI TÍCH /TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH SENSITIVITY ANALYSIS KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ỨNG DỤNG DỰ BÁO / TỐI ƢU HOÁ Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình Báo cáo mô hình. .. có thể tiến hành kiểm nghiệm mô hình theo các thông số trên Độ chính xác của chuỗi số liệu không cao thì sai số lấy mẫu khá lớn, kiểm nghiệm mô hình rất khó và đôi khi khó đạt Báo cáo mô hình hóa môi trường 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mô hình hóa môi trƣờng Bài giảng Mô hình hóa môi trƣờng, Ths Huỳnh Vƣơng Thu Minh Nguyễn Hữu Khải - Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thủy văn http://baodatviet.vn/khoa-hoc/bao-...Một mô hình môi trƣờng thƣờng kết hợp các định luật và phƣơng trình sau • Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lƣợng, ) • Phƣơng trình toán học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen về bốc thoát hơi, phƣơng trình cân bằng nƣớc) • Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ các công thức kinh nghiệm, ) ( TS Lê Anh Tuấn,2008) Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng ... loại mô hình toán MÔ HÌNH TOÁN MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN TỤC MÔ HÌNH RỜI RẠC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH ĐỘNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH Báo cáo mô hình hóa môi... định hình thành bão Báo cáo mô hình hóa môi trường 13 CHƢƠNG CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1 .Các đặc trƣng mô hình Một cách tổng. .. .12 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 14 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 14 Hình Ba thành tố mô hình .14 Các bƣớc xây dựng kiểm định mô hình