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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.99 MB, 26 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIEN CƠNG 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 Ơ 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

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Xuân ChợPhản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Quynh

Phản biện 2: PGS.TS Đồn Văn Ban

Bưu chính Viễn thơng

Vào lúc: 15 giờ 00 ngày 27 tháng 02 năm 2016Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

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 ơ 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 ơ nhiễm ngày càng tăng. Cùng với sự phát triển kinh tế của Việt Nam, chủ trương cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và thu hút đầu tư nước ngồi đang gắn liền với các khu công nghiệp mọc lên trên khắp cả nước. Các khu công nghiệp này vẫn đang thải ra mơi 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 ơ nhiễm. Các khu cơng 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 ơ nhiễm cao nhất không phải tại

các nhà máy thải ra khí ơ 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 ơ 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 ơ nhiễm trong khí qun khơng 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 tơ 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 thơng tin cho hệ thong quản lý khí ơ nhiễm "Nature - Technogenic” tại Bắc Ninh”.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

3. Đối tượng va phạm vi nghiên cứu * - Đối tượng nghiên cứu:

VY Nghién cứu các u tơ khí tượng tại tỉnh Bắc Ninh ảnh hưởng lên dòng khuếch tán khí ơ 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 tốn 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 MƠ HÌNH QUAN LÝ KHÍ Ơ NHIEM

Nội dung của chương bao gồm:

* Tổng quan về tình hình ơ 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 mơ hình quản lý khí ơ nhiễm CCSNT.

Chương 2. NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN XỬ LÝ THƠNG TIN KHÍ TƯỢNG

Trong chương này luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu, phân tích, định nghĩa các thuật tốn 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 mơ hình thuật tốn sau:

1. Thuật tốn xử lý thơng 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:

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

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 ơ nhiễm. Các thuật tốn bao gồm:

e Ky vọng tốn 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 tốn 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 thơng tin với mục đích thực hiện q trình xử lý thơng 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 tốn;

- 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 thơng tin khí tượng và kết qua q

trình xử lý thơng 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 ngơn 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.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Chương 1 : TONG QUAN VE MƠ HÌNH QUAN LÝ KHÍ Ơ NHIEM

1.1 Vấn đề ơ nhiễm khí thải Bắc Ninh hiện nay 1.1.1 Vấn đề ô nhiễm khí thải

Bắc Ninh là tỉnh đang trong q trình đây mạnh phát triển công nghiệp, nhất là khôi phục và mở rộng hàng loạt các làng nghề truyền thống. Hiện tồn tỉnh có 62 làng nghề và 15 khu cơng nghiệp tập trung. Bên cạnh những tác động tích cực về hiệu quả kinh tế thì van đề mơi trường, nhất là mơi trường khơng khí tại các khu cơng nghiệp, làng nghề trong tỉnh

đang bị suy giảm. Kết quả quan trắc mơi trường khơng 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›. Nơng độ bụi trong khơng 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 ơ nhiễm mơi trường khơng khí xung quanh. Việc xử lý chất thải, khí thải gây ơ 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 Ngun nhân gây ơ nhiễm

1.1.2.1 Khói thải từ nguồn dot nhiên liệu

1.1.2.2 Khói thải từ cơng nghiệp luyện kim.

1.1.2.3 Khí thải từ cơng nghiệp hóa chất

1.1.2.4 Khí thải từ các nhà máy gia cơng bê mặt kim loại 1.1.2.5 Khí thải chứa các chất gây ơ nhiễm dạng hạt

1.2 Mơ hình quản lý khí ơ nhiễm

12.1 Mơ hình quản lý khí ơ nhiễm Mở "'Nature-Technogenic"

Hệ thống quản lý khí ơ nhiễm Mở "Nature-Technogenic" (The opened control system "Nature-Technogenic") là mơ hình đang được ứng dụng và triển khai hiện nay. Trên hình 1.1 mơ tả chỉ tiết quy trình làm việc của mơ hình này.

Một số nhược điểm của hệ thống quản lý khí ơ nhiễm Mở "Nature-Technogenic"

như sau:

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="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 ơ nhiễm của nó.

- Sự chính xác và độ tin cậy của nồng độ khí ơ 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 ơ 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 ơ nhiễm Mở "Nature - Technogenic"

Dé năm rõ hơn về quy trình làm việc của hệ théngquan lý khí ơ 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.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

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 hồn tồn yếu tố con người trong quy trình giám sát và

quản lý khí ơ nhiễm;

Y Theo dõi và kiểm tra nồng độ khí ơ 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 q trình làm việc của hệ thống này khơng ảnh hưởng đến q trình làm việc cũng như cơng suất làm việc của

nhà máy.

Ngồi 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 thơng 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.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

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 mơi 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 ơ nhiễm vào Việt Nam nói chung

và tỉnh Bắc Ninh nói riêng cần phải chế tạo thiết bị cung cấp thơng tin khí tượng cho CCSNT trong thời gian thực. Mặt khác, luồng khuếch tán khí ơ nhiễm trong khí qun 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 ơ nhiễm. Dé làm được điều đó cần cần phải nghiên cứu các thuật tốn xử lý thơng tin khí

tượng trong thời gian thực. Các thuật tốn này sẽ được trình bày ở Chương 2.

Chương 2 : THUẬT TỐN XỬ LÝ THƠNG TIN KHÍ TƯỢNG

2.1 Vấn đề xử lý thơng 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 tốn được z trong mơ hình này sẽ cơ định E. Bài tốn 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 tốn được V cần phải nghiên cứu các thuật toán và phương pháp

Y Kỳ vọng tốn học;

v¥ Tự tương quan;

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

* Tương quan chéo;

* Kỳ vọng tốn học có điều kiện;

* Phương pháp bình phương nhỏ nhất;

Trong các phan tiếp theo sẽ trình bày tổng qt về các thuật tốn này.

Cam biển đo

nơng độ 6Inhiém

2.2 Thuật tốn xử lý thơng tin khí tượng

Như đã trình bày trong luận văn, để xử lý thơng 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 thơng tin khí tượng. Các thuật tốn chính trong q trình xử lý thơng tin khí

tượng đưới dang tuyến tính được trình bày như sau:

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Xt) -dữ liệu ban đầu, tương ứng với V,7°, P, W, X(t)=(x; .x7,...x?);

Trung bình kì vọng tốn 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));

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

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 tốn xây dựng quy luật điều khiến

Hình 2.2. Mơ tả các hàm truyền trong mơ 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 nơng độ khí 6 nhiém);

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

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

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 thốt ra ngồi);

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 ơ nhiễm và các chất thải nào sẽ được thải ra ngồi (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 tơ 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 u tơ khí tượng.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Với nhận xét như trên và theo tiêu trí xây dựng hệ thống thì yếu tố gây ảnh hưởng x(t) sẽ khơng được phép thay đổi hoặc trung hịa. Vì vậy chi cịn có thé thay đơi hoặc trung

hịa 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 tốn 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 tốn 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.

</div>