Thông minh hóa cảm biến đo lường trên cơ sở mạng nơron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO MINH QUYỀN THƠNG MINH HỐ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Chuyên ngành Kỹ thuật đo điện Mã số : 2-04-10 THẦY HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Thượng Hàn PGS.TS Nguyễn Quang Hoan LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2005 LỜI CAM ĐOAN Xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn trực tiếp hai thầy PGS TS Phạm Thượng Hàn - Đại học Bách khoa Hà Nội PGS TS Nguyễn Quang Hoan - Học viện Bưu viễn thơng với giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy Bộ môn Kỹ thuật Đo Tin học công nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội thời gian học tập nghiên cứu Bộ môn Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Ngày 25 tháng năm 2005 Cao Minh Quyền LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án này, tác giả nhận nhiều quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi nhiều tập thể cá nhân Xin cảm ơn thầy cô, đồng nghiệp tổ chức giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Thượng Hàn, PGS TS Nguyễn Quang Hoan tận tình bảo, kiểm tra, hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện suốt thời gian tác giả học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo đồng nghiệp môn Kỹ thuật Đo Tin học công nghiệp Đại học Bách khoa Hà nội có nhiều đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian học tập nghiên cứu Bộ môn Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo huy đồng nghiệp Trung tâm Đào tạo bồi dưỡng sau đại học Đại học Bách khoa Hà Nội Trung tâm Công nghệ Tổng cục CNQP tạo điều kiện vật chất tinh thần tác giả tiến hành học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Cao Minh Quyền MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Trang Mở đầu Chương Tổng quan cảm biến xu hướng phát triển Chương Cơ sở lý thuyết mạng nơ ron nhân tạo 17 Chương Cấu trúc cảm biến đo lường ứng dụng mạng 33 nơ ron nhân tạo (MNN) 3.1 Mơ hình cảm biến ứng dụng MNN 33 3.2 Định lý cấu trúc đủ MNN ứng dụng cho 36 cảm biến đo lường 3.3 Thuật toán xác định cấu trúc MNN 50 Chương Ứng dụng MNN để thơng minh hố cảm biến 69 đo lường 4.1 Tuyến tính hố đặc tuyến chuẩn hố đầu cho 69 cảm biến 4.2 Bù sai số hệ thống chuyển đổi sơ cấp 80 4.3 Bù sai số gây yếu tố ảnh hưởng 92 Kết luận: Kết nghiên cứu ý kiến hướng nghiên cứu 104 Danh mục công trình cơng bố 108 Tài liệu tham khảo 109 Phụ lục 112 DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CBĐL: Cảm biến đo lường MNN: Mạng nơ ron nhân tạo CĐSC: Chuyển đổi sơ cấp CĐCH: Chuyển đổi chuẩn hoá Net (net): Dùng chung để ký hiệu hàm tương tác nơ ron nhân tạo Có nhiều hàm khác kê bảng B2-1 W1, W2: Ma trận trọng số, số ký hiệu số thứ tự lớp nơ ron w1nm: Trọng số, số ký hiệu số thứ tự lớp nơ ron, số ký hiệu địa tác động trọng số mạng, ứng với n,m địa đích địa xuất phát a13 - Đầu nơ ron, số ký hiệu số lớp nơ ron, số ký hiệu số thứ tự nơ ron lớp b14 - Lượng hiệu chỉnh nơ ron, số ký hiệu lớp nơ ron, số ký hiệu số thứ tự nơ ron lớp Một số ký hiệu sử dụng không nhiều cho phần lý thuyết nơ ron nhân tạo, hạn chế chương 2, thích trực tiếp MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong trình phát triển sản xuất Việt Nam để hội nhập với khu vực giới nay, Kỹ thuật đo nói chung sản xuất chế tạo phương tiện đo cảm biến đo lường nói riêng ngành đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên khả chế tạo phương tiện đo cảm biến Việt Nam hạn chế Theo truyền thống, ngành chế tạo phương tiện đo đòi hỏi sở công nghiệp công nghệ chất lượng cao khí xác, vật liệu học tiên tiến hay điện tử học mũi nhọn Kể từ có kỹ thuật vi xử lý, người ta ứng dụng nhiều kỹ thuật vào ngành chế tạo phương tiện đo nói chung chế tạo cảm biến nói riêng Rất nhiều loại cảm biến nâng cao chất lượng, tăng cường tính mạnh, linh hoạt mềm dẻo Thuật ngữ "cảm biến thông minh" đời dần trở nên phổ biến Nhờ có kỹ thuật vi xử lý mà kỹ thuật đo có bước phát triển mạnh mẽ Thời gian gần kỹ thuật đo lường điều khiển có bước phát triển nhảy vọt Đó nhờ kết hợp chặt chẽ lý thuyết đo lường điều khiển đại (điều khiển tối ưu, thích nghi, mờ, nơron, ) với cơng cụ tốn học tin học (trí tuệ nhân tạo) Q trình tích hợp lĩnh vực hình thành "tin học cơng nghiệp", lĩnh vực đa ngành kỹ thuật điện, điện tử, điều khiển, đo lường tin học hòa trộn vào nhau, tác động lẫn tạo nên sức phát triển Các cảm biến đóng vai trị quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển Chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích thường đại lượng không điện, chuyển đổi đại lượng thành đại lượng điện truyền thông tin hệ thống đo lường điều khiển, giúp người nhận dạng, đánh giá điều khiển biến trạng thái đối tượng Có người ví vai trị cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển giống giác quan thể sống [T6] Một số cảm biến có cấu trúc tương đối đơn giản, xu hướng chung ngày triệt để khai thác thành tựu vật lý học đại, công nghệ điện tử tin học, lý thuyết điều khiển đại, nhằm tạo nên cảm biến thơng minh linh hoạt Đó cảm biến đa chức năng, lập trình, thực phép đo với độ nhạy xác cao, tự động thay đổi thang đo, tự động bù sai số ảnh hưởng nhiễu, đo từ xa, tự động xử lý kết đo Sự phát triển ngày mạnh mẽ sản xuất, nghiên cứu khoa học đời sống đòi hỏi ngày nhiều phép đo, dải đo ngày rộng yêu cầu cảm biến ngày cao Các cảm biến phải chịu đựng điều kiện làm việc khắc nghiệt sản xuất mơi trường thiên nhiên sức nóng, độ ẩm, độ mặn cao, rung xóc va đập học, hố chất ăn mịn, nhiễu điện từ Kỹ thuật cảm biến kỹ thuật đa ngành có quan hệ chặt chẽ đến kỹ thuật điện, điện tử, hóa học, nhiệt học, học lĩnh vực vật lý như: bán dẫn, quang học, hạt nhân nên có độ phức tạp cao Hiện trình độ chế tạo cảm biến đo lường Việt Nam hạn chế Việc nghiên cứu ứng dụng tiến khoa học công nghệ vào lĩnh vực đo lường nói chung cảm biến nói riêng nhu cầu cấp thiết Đã có nỗ lực để chế tạo số cảm biến [T1] xa đáp ứng yêu cầu, giai đoạn mở cửa hội nhập kinh tế quốc tế Đại đa số cảm biến dùng Việt Nam phải nhập Một mặt ta phải nỗ lực để tự sản xuất loại cảm biến phổ thơng, chất lượng trình độ khu vực Mặt khác phải có đầu tư để tiến tới chế tự chế tạo loại có độ xác cao Một hướng nghiên cứu hiệu nghiên cứu ứng dụng thành khoa học công nghệ đại vào việc tăng tính cơng tác, kéo dài tuổi thọ cảm biến khó chế tạo đắt tiền, mà phải nhập Những cảm biến thông minh phát triển sở kỹ thuật vi xử lý, dựa vào chương trình tính tốn truyền thống chứa hạn chế hệ xử lý kỹ thuật số Những hạn chế khắc phục nhờ hệ tính tốn dựa vào phương pháp xử lý tín hiệu song song mạng nơ ron nhân tạo (MNN) Nghiên cứu ứng dụng MNN để nâng cao tính cảm biến hướng nghiên cứu đề tài, nỗ lực hướng nghiên cứu có tính cấp thiết nêu Tổng quát tình hình nghiên cứu MNN nghiên cứu nhiều cho ứng dụng kỹ thuật chục năm cuối kỷ 20 MNN theo cách xử lý tin não sinh vật, chứng tỏ có nhiều ưu điểm Tuy có chục năm nghiên cứu phát triển, có nhiều cơng trình cơng bố MNN có nhiều ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực, thí dụ nhận dạng tiếng nói, kỹ thuật xử lý ảnh, điều khiển Robot Hiện có số chip nơ ron nhân tạo giới thiệu sản phẩn thương mại [T47, T56] Thông minh hóa cảm biến đo lường sở MNN hướng nghiên cứu có triển vọng Nếu hướng nghiên cứu thành cơng hy vọng nhiều vào khả phát triển ngành chế tạo phương tiện đo Việt Nam, trước hết chế tạo cảm biến thông minh theo công nghệ dựa sở tính tốn nơ ron Mục tiêu gần ứng dụng mạng nơ ron để kéo dài tuổi thọ cho cảm biến đắt tiền mà ta phải nhập ngoại Cho tới nay, chưa có cơng trình nghiên cứu thơng minh hoá cảm biến đo lường sở MNN Ở nước, kể từ năm sau 1995 có nhiều cơng trình nghiên cứu MNN cơng bố Nhưng cơng trình tập trung vào lĩnh vực nhận dạng mẫu tiếng nói, nhận dạng dấu vân tay nhận dạng hệ thống điều khiển, phân loại sản phẩm [T15, T16, T29] Hiện chưa có cơng trình nghiên cứu ứng dụng MNN cho chế tạo hay nâng cấp cảm biến đo lường công bố Mục tiêu đề tài nghiên cứu khai thác điểm mạnh MNN để ứng dụng vào lĩnh vực cảm biến đo lường; đề xuất xây dựng phương pháp cụ thể để ứng dụng MNN vào lĩnh vực đo lường; đề xuất xây dựng giải pháp cụ thể để nâng cấp tính khắc phục hạn chế chuyển đổi sơ cấp, đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất nghiên cứu khoa học Cơ sở lý thuyết Mạng nơ ron nhân tạo (viết tắt theo tiếng Việt MNN) hệ thống vật lý kỹ thuật xây dựng sở sử dụng số nguyên tắc cấu tạo, liên kết tác động xử lý tin giống nơ ron người MNN bao gồm số lượng lớn phần tử xử lý liên hệ chặt chẽ với Những phần tử xử lý gọi nút hay nơ ron mạng Các nút mạng thường tính tốn song song với hay cịn gọi tính tốn đồng thời Chúng xếp theo cấu trúc định Do xuất phát từ ý đồ mô não sinh học nên hành vi MNN nói chung giống não người Một MNN cấu trúc xử lý tin phân tán theo cách song song với tính chất khả khác 10 nhiều so với cách tiếp cận truyền thống kỹ thuật tính tốn tuần tự, chứng tỏ có nhiều ưu điểm, khai thác sử dụng MNN có khả tính tốn nhanh nhiều so với máy tính xử lý theo phương pháp truyền thống Có nhiều cách phân loại MNN Nếu theo số lớp người ta phân thành mạng lớp, mạng nhiều lớp; theo cách truyền tin, người ta phân thành mạng truyền thẳng mạng có truyền ngược Chọn mạng cho nhiệm vụ cụ thể toán cần nghiên cứu để tìm lời giải Có thể đào tạo MNN theo nhiều phương pháp khác Chọn phương pháp đào tạo thích hợp cho tốn cho trước với cấu trúc MNN định vấn đề cần lý thuyết MNN giải Nhưng MNN lĩnh vực mẻ nên nhiều vấn đề chưa nghiên cứu kỹ, nhiều toán chưa có thuật tốn để giải Do để có kết ứng dụng MNN, việc cần làm nghiên cứu vấn đề liên quan để bước làm chủ quy luật Trên sở đó, áp dụng để phục vụ yêu cầu sản xuất đời sống Theo hướng nỗ lực nghiên cứu ứng dụng MNN vào lĩnh vực cụ thể cảm biến đo lường, Luận án đề xuất mơ hình cảm biến cảm biến đo lường ứng dụng khâu chuyển đổi nơ ron Luận án định hướng nghiên cứu bước đầu ứng dụng MNN để thơng minh hố cảm biến đo lường theo nội dung: - Tuyến tính hố đặc tuyến chuyển đổi; - Chuẩn hố tín hiệu đầu ra; - Bù sai số hệ thống cho chuyển đổi sơ cấp; - Bù sai số gây yếu tố ảnh hưởng chuyển đổi sơ cấp 187 Δ = 0,2 N = 10 Ekmin = 1,2.10-4 Δ = 0,2 N = 11 Ekmin = 1, 3.10-4 188 Δ = 0,2 N = 15 Ekmin = 8.10-4 Δ = 0,2 N = 25 Ekmin = 4.10-3 189 Đoạn mã nguồn: p = [0.1:0.1:10]; t = 1./p; val.P = [0.15:0.1:10]; val.T = 1./val.P; Δ = 0,1 N=2 Ekmin = 1,3.10-2 190 Δ = 0.1 N=5 Ekmin = 1,5.10-5 Δ = 0,1 N=8 Ekmin = 6.10-6 191 Δ = 0,1 N = 10 Ekmin =1, 5.10-6 Δ = 0,1 N = 12 Ekmin = 1,4.10-6 192 Δ = 0,1 N = 15 Ekmin = 1,4.10-6 Δ = 0,1 N = 19 Ekmin = 9.10-6 193 Δ = 0,1 N = 25 Ekmin = 5.10-6 Δ = 0.1 N = 30 Ekmin = 1,3.10-5 194 Δ = 0,1 N = 40 Ekmin = 8.10-5 195 Bảng số liệu BP-4 Biểu thức đặc tuyến: V = Vdo - Vchuan = Vo + 2,303 RT F pH Trường hợp ∆=10o x Ek N 10-3 10-4 10-3 30 10-2 40 >10-6 40 10-5 50 10-3 80 196 Trường hợp Δ=50 x2 N=5 Ekmin = 10-3 N = 10 Ekmin = 10-4 N = 15 Ekmin = 10-5 197 N = 20 Ekmin = 10-6 N = 25 Ekmin < 10-6 ] N = 30 Ekmin = 10-6 198 N = 40 Ekmin > 10-6 N = 50 Ekmin = 10-5 N = 60 Ekmin < 10-4 199 N = 80 Ekmin > 10-3 Trường hợp Δ=100 x2 N=5 Ekmin = 10-3 N = 10 Ekmin > 10-4 200 N = 15 Ekmin < 10-4 N = 15 Ekmin < 10-4 N = 20 Ekmin = 10-4 201 N = 30 Ekmin > 10-3 N = 40 Ekmin = 10-2 ... khoa Bộ môn Đo lường Tin học công nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội [T6,T14] Trên sở khái niệm có khái niệm cảm biến thông minh 13 Theo tài liệu này, cảm biến thông minh thiết bị đo lường đại bao... giai đo? ??n hình thành khái niệm "cảm biến thông minh" Cảm biến thông minh cảm biến tích hợp đầy đủ đầy đủ chức khâu chuyển đổi sơ cấp, mạch đo thứ cấp, chương trình xử lý số liệu đo vào vi mạch sở. .. tạo 17 Chương Cấu trúc cảm biến đo lường ứng dụng mạng 33 nơ ron nhân tạo (MNN) 3.1 Mơ hình cảm biến ứng dụng MNN 33 3.2 Định lý cấu trúc đủ MNN ứng dụng cho 36 cảm biến đo lường 3.3 Thuật toán