Xây dựng hệ hỗ trợ ra quyết định hỗtrợ dự báo viên khí tượng hàng không

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BAÙCH KHOA HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ : PHẠM VĂN BẮC TÊN ĐỀ TÀI : XÂY DỰNG HỆ HỖ TR RA QUYẾT ĐỊNH HỖ TR DỰ BÁO VIÊN KHÍ TƯNG HÀNG KHÔNG CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ NGÀNH : 01.02.10 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2004 LỜI CẢM ƠN Toâi xin chân thành cảm ơn dạy dỗ, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình tất Thầy Cô giảng dạy sau đại học - Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin đặc biệt chân thành cảm ơn Thầy T.S Lê Văn Dực, giảng viên môn Cơ lưu chất, khoa Kỹ thuật Xây dựng, tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu, tình cảm yêu mến Thầy giúp tơi có đầy đủ kiến thức nghị lực để hoàn thành luận văn Và xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân gia đình tin yêu truyền cho thêm sức mạnh công việc học tập nghiên cứu thân Mặc dù có nhiều cố gắng việc thực luận văn, song với thời gian có hạn, vấn đề đặt phức tạp, nên khơng thể khơng có thiếu sót, mong đóng góp ý kiến q báu q Thầy Cơ bạn Tp.HCM, ngày 15 tháng 03 năm 2004 Học viên Phạm văn Bắc UTC Universal Time Cho tới nay, việc dự báo tượng thời tiết chủ yếu dựa hai phương pháp : phương pháp synop phương pháp dự báo số trị Phương pháp dự báo synop phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người chủ yếu định tính Phương pháp dự báo số trị chứng minh tính ưu việt cho kết dự báo xác Tuy nhiên, việc tính toán để tăng độ phân giải lưới số liệu yếu tố khí tượng tiêu dự báo tốn nhiều thời gian Mạng neural nhân tạo mô hình toán học dựa sở hiểu biết lónh vực tâm sinh lý người Ann có sở lý thuyết vững vàng áp dụng thành công nhiều lónh vực khác nhau, đặc biệt toán có mối quan hệ không tường minh biến nhập biến xuất Trong luận văn nghiên cứu hai vấn đề Thứ nhất: xây dựng hệ thống thông tin thực thi, phục vụ việc truy xuất liệu tạo liệu đầu vào cho chương trình AnnForMet Thứ hai: xây dựng phần mềm AnnForMet để khảo sát mối quan hệ yếu tố khí tượng phạm vi ảnh hưởng chúng tượng thời tiết Ngoài chương trình AnnForMet hỗ trợ việc dự báo thời tiết Kết đạt cho thấy việc ứng dụng Ann để tìm mối quan hệ yếu tố khí tượng tượng thời tiết tốt Trong việc ứng dụng Ann để dự báo tượng thời tiết đạt số kết khả quan ABSTRACT Nowadays, meteorologists have two approaches for forecasting: synoptic and numerical In the synoptic method, one attempts to predict the future changes of weather by taking into acount both general theoretical knowledge and the practical experience Nearly all his forecasts are produced by a qualitative assessment The numerical method has gradually developed during the past hundred years and reached some better results in the weather forecasting The characters of this method is not only emperical and qualitative but also quantitative However, it takes much time to improve the resolusion of data grid of meteorological elements and to come up the criteria for weather forecasting Artificial Neural network (Ann) is a mathematical model which is based on knowledge in human’s psychology and physiology Ann has had firmly theoretical foundation and is successfully applied in many fields of engineering, especially for solving the fuzzy relation between input and output variables In this thesis, two problems are studied The first one is the problem on creating an Executive information system to serve the access meteorological data and to feed up input data for AnnForMet program The second problem concerns with the creating software AnnForMet to search for relation between meteorological elements and to study their affects on the consequence of weather phenomenon In other hand, AnnForMet software also serves for weather forecasting In this study, some good results are obtained, that concern with the finding out the relation between the meteorological elements and the resulting weather phenomenon The application of Ann for forecasting the weather gets some hopeful results, as well Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT MỤC LỤC ooOoo Trang CHƯƠNG I GIỚI THIỆU I.1) GIỚI THIỆU CHUNG I.2) MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN I.3) PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG I.3.1) Xây dựng hệ thống tự động cập nhật liệu khí tượng vào CSDL I.3.2) Xây dựng trang WEB phục vụ việc truy xuất thơng tin khí tượng I.3.3) Ứng dụng ANN xây dựng phần mềm dự báo thời tiết CHƯƠNG II CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI II.1) NHỮNG CƠNG TRÌNH LỚN II.2) MỘT SỐ NGHIÊN CỨU KHÁC CHƯƠNG III CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 III.1) KHÍ TƯỢNG HỌC 11 III.1.1) Khái niệm 11 III.1.2) Lịch sử phát triển khoa học khí tượng 11 III.1.3) Khí trái đất 12 III.1.4) Các đại lượng khí tượng 14 III.1.5) Các tượng thời tiết 17 III.1.6) Một số khái niệm 23 III.1.7) phương pháp phân tích synop 26 III.1.8) phương pháp dự báo số trị 28 III.1.9) Hồn lưu qui mơ lớn tác động đến thời tiết Việt Nam 21 III.1.10) Hồn lưu qui mơ vừa tác động đến thời tiết Việt Nam .34 III.2) HỆ HỖ TRỢ QUYẾT ĐỊNH 41 III.2.1) Khái niệm .41 III.2.2) Các đặc trưng khả hệ hỗ trợ định 41 III.2.3) Các thành phần hệ hỗ trợ định 43 III.2.4) Hệ thống quản lý liệu 43 III.2.5) Hệ thống quản lý mô hình 45 III.2.6) Hệ thống tri thức 46 III.2.7 Hệ thống giao tiếp .46 III.3 ) MẠNG NEURAL NHÂN TẠO .47 III.3.1) Giới thiệu 47 III.3.2) Cấu trúc ANN .49 III.3.3) Mạng nhiều tầng giải thuật lan truyền ngược 49 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT III.3.4) Hàm truyền 51 III.3.5) Phương trình kết xuất mạng ANN 54 III.3.6) Máy học 55 III.4) ỨNG DỤNG ANN XÂY DỰNG PHẦN MỀM DỰ BÁO THỜI TIẾT 65 CHƯƠNG IV GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TẾ 68 IV.1) XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN THỰC THI 68 IV.1.1) Giới thiệu 68 IV.1.2) Hệ thống chương trình chức 70 IV.1.3) Giao diện hệ thống thông tin thực thi 71 IV.2) XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ DỰ BÁO THỜI TIẾT 72 IV.2.1) Gíơi thiệu AnnForMet 72 VI.2.2) Giao diện AnnForMet 72 VI.2.3) lưu đồ chương trình 79 VI.2.4) sử dụng phần mềm AnnForMet 81 VI.2.5) kết đạt đươc 96 CHƯƠNG V KẾT LUẬN - NHẬN XÉT -HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106 V.1) NHẬN XÉT 106 V.1.1) Hệ thống thơng tin thực thi phục vụ truy xuất CSDL khí tư ợng 106 V.1.2) Ứng dụng Ann xây dựng phần mềm hỗ trợ dự báo thời tiết 107 V.2) KẾT LUẬN 109 V.2) HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 110 Tài liệu tham khảo .111 PHỤ LỤC A A-1 Nội dung chức mơ hình hệ thống hệ hỗ trợ định PHỤ LỤC B B-1 Chương trình mã giả PHỤ LỤC C C-1 Giao diện hệ thống thông tin thực thi PHỤ LỤC D D-1 Một số trường hợp điển hình sân bay Nội Bài PHỤ LỤC E E-1 Một số trường hợp điển hình sân bay Tân Sơn Nhất Luận văn Tốt nghiệp Cao học – Khoa CNTT DANH MỤC CÁC HÌNH ooOoo Trang Hình 1.1 : Mơ hình DSS hỗ trợ dự báo viên khí tượng hàng khơng Hình 1.2 : Mạng cục quan khí tượng Hình 1.3 : Mạng cục tự động cập nhật liệu quan khí tượng Hình 1.4 : Mơ hình cung cấp thơng tin khí tượng Hình 1.5 : Mơ hình ANN dự báo thời tiết Hình 3.1 : Cấu trúc khí theo chiều thẳng đứng 14 Hình 3.2: Mơ hình hướng gió theo độ chữ viết tắt 17 Hình 3.3 : Hồn lưu khí 23 Hình 3.4: Bản đồ mặt đất 24 Hình 3.5: Mơ hình Front 25 Hình 3.6 : Các hệ thống khí áp 26 Hình 3.7 : Thể tích khơng khí đơn vị khí 29 Hình 3.8: Mơ hình áp cao phụ nhiệt đới bắc bán cầu 32 Hình 3.9: Mơ hình áp cao phụ nhiệt đới nam bán cầu .34 Hình 3.10: Mơ hình áp cao lạnh lục địa 35 Hình 3.11: Mơ hình áp cao lạnh lục địa lệch biển biến tính 36 Hình 3.12: Mơ hình áp cao biển đơng .37 Hình 3.13: Mơ hình áp thấp Ấn-Miến .37 Hình 3.14: Mơ hình áp thấp nóng Bắc Bộ Việt Nam 38 Hình 3.15: Mơ hình áp cao cục vịnh Thái Lan .39 Hình 3.16: Mơ hình sóng đơng 40 Hình 3.17: Mơ hình dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) 41 Hình 3.18 : Mơ hình ANN .49 Hình 3.19 : Hàm dạng – S .52 Hình 3.20: Hàm logistic g(u) .52 Hình 3.21: Các thành phần hàm g(u) .53 Hình 3.22: Đạo hàm hàm lỗi theo trọng 58 Hình 3.23 : Đạo hàm hàm lỗi theo trọng 58 Hình 3.24: Giá trị ε tốt 59 Hình 3.25 : Giá trị ε cao .60 Hình 3.26 : Giá trị ε cao 60 Hình 3.27: Khe mặt lỗi 63 Hình 3.28 : Mơ hình lưới liệu phần không gian cần dự báo thời tiết 67 Hình 3.29 : Trục thời gian minh họa trình dự báo 67 hình 4.1 : Giao diện chương trình AnnForMet 73 Hình 4.2 : Giao diện trình kiểm tra mạng 74 Hình 4.3 : Giao diện trình dự báo mạng .75 Hình 4.4 : Giao diện nhập thơng số mạng .82 Hình 4.5 : Giao diện nhập liệu huấn luyện mạng 83 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – Khoa CNTT Hình 4.6 : Ví dụ nhập liệu cho toán XOR 83 Hình 4.7 : Giao diện nhập tên tập tin huấn luyện mạng 84 Hình 4.8 : Giao diện nhập tên tập tin kết huấn luyện mạng 84 Hình 4.9 : Giao diện cho phép khỏi tạo trọng số huấn luyện mạng 85 Hình 4.10 : Giao diện cho phép khởi động trình huấn luyện mạng 86 Hình 4.11 : Giao diện cho phép vẽ đồ thị trình huấn luyện mạng 86 Hình 4.12 : Đồ thị kết trình huấn luyện mạng 87 Hình 4.13 : Giao diện nhập tên tập tin huấn luyện để lấy thông số mạng 88 Hình 4.14 : Giao diện nhập thơng số cho q trình kiểm tra mạng 88 Hình 4.15 : Giao diện nhập tên tập tin cần tạo để kiểm tra mạng 89 Hình 4.16 : Giao diện nhập tên tập tin để lấy thông số kiểm tra mạng 89 Hình 4.17 : Giao diện nhập tên tập tin liệu để kiểm tra mạng 90 Hình 4.18 : Giao diện nhập tên tập tin cần tạo để ghi kết kiểm tra mạng 90 Hình 4.19 : Giao diện kết kiểm tra mạng 91 Hình 4.20 : Chọn file huấn luyện phục vụ trình dự báo mạng 92 Hình 4.21 : Chọn cấu hình phục vụ trình dự báo mạng 93 Hình 4.22 : Giao diện nhập file phục vụ trình dự báo mạng 93 Hình 4.23 : Giao diện nhập tên file dùng để dự báo 94 Hình 4.24 : Giao diện nhập tên file dùng cho trình dự báo mạng 95 Hình 4.25 : Giao diện nhập tên file xuất dùng cho trình dự báo mạng 95 Hình 4.26 : Giao diện kết trình dự báo 96 Hình 4.27 : Các điểm liệu mơ hình dự báo mưa phùn mù Nội Bài 99 Hình 4.28 : Lưới số liệu BRIB 102 Hình 4.29 : Lưới số liệu yếu tố khí tượng cho dự báo Wx TSN 104 Hình 4.30 : Các mực đẳng áp chuẩn 104 Hình C.1 : Giao diện hệ thống Thông tin thực thi C-1 Hình C.2 : Giao diện trang WEB truy xuất ảnh Radar thời tiết C-2 Hình C.3 : Ảnh Radar thời tiết C-3 Hình C.4 : Giao diện trang WEB truy xuất ảnh mây thu từ vệ tinh C-4 Hình C.5 : Ảnh mây thu từ vệ tinh C-5 Hình C.6 : Giao diện trang WEB truy xuất METAR thu từ AFTN .C-6 Hình C.7 : Giao diện trang WEB dùng in ấn METAR thu từ AFTN C-7 Hình C.8 : Giao diện trang WEB truy xuất TAF thu từ AFTN C-8 Hình C.9 : Giao diện trang WEB truy xuất WARNING/SIGMET thu từ AFTN .C-9 Hình C.10 : Giao diện trang WEB truy xuất METAR sân bay thu từ AFTN C-10 Hình C.11 : Giao diện hiển thị METAR sân bay thu từ AFTN C-11 Hình C.12 : Giao diện trang WEB cho in ấn METAR sân bay C-12 Hình C.13 : Giao diện trang WEB truy xuất METAR thu từ vệ tinh SADIS C-13 Hình C.14 : Giao diện trang WEB cho in ấn METAR thu từ vệ tinh SADIS C-14 Hình C.15 : Giao diện trang WEB truy xuất TAF thu từ vệ tinh SADIS C-15 Hình C.16 : Giao diện trang WEB cho in ấn TAF thu từ vệ tinh SADIS C-16 Hình C.17 : Giao diện trang WEB truy xuất WARNING thu từ vệ tinh SADIS C-17 Hình C.18 : Giao diện trang WEB truy xuất SIGMET thu từ vệ tinh SADIS C-18 Hình C.19 : Trang WEB truy xuất thông tin cảnh báo cho chuyến bay C-19 Hình C.20 : Thơng tin cảnh báo cho chuyến bay C-20 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – Khoa CNTT Hình C.21 : Trang WEB truy xuất đồ SIG Wx PROG WindTemp C-21 Hình C.22 : Bản đồ SIG Wx PROG C-22 Hình C.23 : Giao diện trang WEB MET-TOOL C-23 Hình C.24 : Trang WEB phục vụ việc tạo tin cảnh báo cho chuyến bay C-24 Hình C.25 : Trang WEB truy vấn tượng thời tiết nguy hiểm .C-25 Hình C.26 : Trang WEB truy xuất biểu mẫu thống kê C-26 Hình C.27 : Trang WEB truy xuất tin METAR/SPECI phút C-27 Hình C.28 : Trang WEB truy xuất ảnh Radar cũ phục vụ nghiên cứu C-28 Hình C.29 : Trang WEB truy xuất ảnh mây vệ tinh cũ phục vụ nghiên cứu C-29 Hình C.30 : Trang WEB truy xuất đồ nhiệt-động lực phục vụ nghiên cứu C-30 Hình D.1 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp D-1 Hình D.2 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D-1 Hình D.3 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp D-2 Hình D.4 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D-2 Hình D.5 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp D-3 Hình D.6 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D-3 Hình D.7 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp D-4 Hình D.8 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D-4 Hình D.9 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp D-5 Hình D.10 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D-5 Hình D.11 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp D-6 Hình D.12 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D-6 Hình D.13 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp D-7 Hình D.14 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D-7 Hình D.15 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp D-8 Hình D.16 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D-8 Hình D.17 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp D-9 Hình D.18 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D-9 Hình D.19 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp D-10 Hình D.20 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D-10 Hình E.1 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-1 Hình E.2 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-1 Hình E.3 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-2 Hình E.4 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-2 Hình E.5 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-3 Hình E.6 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-3 Hình E.7 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-4 Hình E.8 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-4 Hình E.9 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-5 Hình E.10 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-5 Hình E.11 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-6 Hình E.12 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-6 Hình E.13 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-7 Hình E.14 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-7 Hình E.15 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-8 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – Khoa CNTT Hình E.16 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-8 Hình E.17 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-9 Hình E.18 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-9 Hình E.19 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-10 Hình E.20 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-10 Hình E.21 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp E-11 Hình E.22 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E-11 Hình E.23 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp E-12 Hình E.24 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E-12 D -8 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình D-15 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình D-16 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp D -9 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Trường hợp 5: Từ ngày 18 – 20/02/2004 Hình D-17 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình D-18 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp D -10 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình D-19 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình D-20 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -1 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT PHỤ LỤC E MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP ĐIỂN HÌNH TẠI SÂN BAY TÂN SƠN NHẤT Trường hợp 1: Thời gian dự báo 06 – 12UTC - Từ ngày 01 – 30/08/2003 Hình D-1 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-2 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -2 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-3 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-4 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -3 Luận văn Tốt nghiệp Cao hoïc – CNTT Trường hợp 2: Thời gian dự báo 12 – 18UTC - Từ ngày 01 – 30/08/2003 Hình E-5 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-6 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -4 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-7 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-8 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -5 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Trường hợp 3: Thời gian dự báo 18 – 24UTC - Từ ngày 01 – 30/08/2003 Hình E-9 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-10 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -6 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-11 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-12 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -7 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Trường hợp 4: Thời gian dự báo 06 – 12UTC - Từ ngày 01 – 30/09/2003 Hình E-13 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-14 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -8 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-15 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-16 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -9 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Trường hợp 5: Thời gian dự báo 18 – 24UTC - Từ ngày 01 – 30/09/2003 Hình E-17 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-18 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -10 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-19 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-20 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp E -11 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Trường hợp 6: Thời gian dự báo 18 – 24UTC - Từ ngày 01 – 30/10/2003 Hình E-21 : Đồ thị kết huấn luyện trường hợp Hình E-22 : Giao diện kết huấn luyện trường hợp E -12 Luận văn Tốt nghiệp Cao học – CNTT Hình E-23 : Đồ thị kết kiểm tra trường hợp Hình E-24 : Giao diện kết kiểm tra trường hợp ... I.3.1) Xây dựng hệ thống tự động cập nhật liệu khí tượng vào CSDL I.3.2) Xây dựng trang WEB phục vụ việc truy xuất thông tin khí tượng I.3.3) Ứng dụng ANN xây dựng phần mềm dự báo thời... khí tượng thân thiện Xây dựng phần mềm dựa vào mơ hình Ann để dự báo thời tiết Áp dụng thử nghiệm thực tế cho quan khí tượng hàng khơng sân bay Tân sơn Nhất Hình 1.1 : Mơ hình DSS hỗ trợ dự báo. .. thông tin hỗ trợ WEB_SERVER Trên WEB_SERVER xây dựng trang WEB phục vụ việc truy xuất thơng tin khí tượng Trang WEB xây dựng ngôn ngữ HTML, C, PHP, với hỗ trợ Apache HTTP Server Nhờ vào trang WEB