Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
…oOo…

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Chủ đề:

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA
CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH

Giảng viên hướng dẫn   
Huỳnh Vương Thu Minh

Sinh viên thực hiện
    Nhóm sinh viên QLMTA2

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

1


PHỤ LỤC
 PHỤ LỤC                                                                                                                                          
 
.........................................................................................................................................
   
 2

Báo cáo mô hình hóa môi trường

 

2


DANH SÁCH HÌNH

 PHỤ LỤC                                                                                                                                          
 
.........................................................................................................................................
   
 2

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA
1. Giới thiệu
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề  báo động song hành với sự  phát 
triển kinh tế  xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi,  
chất lượng nước, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả  năng tự 
làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trường và kỹ thuật 
xử  lý môi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trường mang tầm quan  
trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc 
môi trường rất tốn kém kinh phí và công sức của con người. Nhằm giảm thiểu  

các khó khăn này, các nhà khoa học đã và đang tiếp tục phát triển các ứng dụng 
các nguyên lý vật lý và toán học vào thực tiễn để mô phỏng các diễn biến thực  
tế trong tự nhiên và đưa ra các dự báo cần thiết. 
Việc mô phỏng môi trường cũng đang giúp con người tạo dựng các một hình  
ảnh hoặc sự  vật thu nhỏ  hoặc tương tự, bắt chước theo thực tế  để  mô tả  sự 
kiện cũng như  tạo ra các kịch bản biến đổi lượng và chất theo không gian và  
thời gian nhằm tiên đoán khả  năng lây truyền chất ô nhiễm hoặc khả  năng hồi 
phục chất lượng tài nguyên. Môn học mô hình hóa môi trường được hình thành 
từ cơ sở này. 
2. Các định nghĩa và phân loại mô hình 
2.1. Khái niệm mô hình
Mô hình là một cấu trúc mô tả  hình  ảnh đã được tối giản hóa theo đặc điểm 
hoặc diễn biến của một đối tượng, một hiện tượng, một khái niệm hoặc một  
hệ thống (TS. Lê Anh Tuấn, 2008).
Mô hình có thể  là một hình  ảnh hoặc một vật thể  được thu nhỏ  hoặc phóng  
đại,hoặc chỉ  làm gọn bằng một phương trình toán học, một công thức vật lý, 
mộtphần mềm tin học để  mô tả  một hiện trạng thực tế  mang tính điển hình 
( TS. Lê Anh Tuấn, 2008).
Mô hình là một đối tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình toán học), một hệ 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

4


thống,   hoặc   một   khái   niệm   (tư   duy)   thay   thế   một   nguyên   bản   (Claude  
Shannon,1948).

Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lượng mặt trời  
thu nhỏ  để  thử  nghiệm khả  năng hoạt động cũng như  các tiện ích và an toàn  

trước khi chế tạo hàng loạt (hình 1.1).

Hình 1.1. Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời

Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nước sự tồn tại và vận động của nước trên 
mặt đất, trong lòng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất.

Hình 1.2  Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất.
2.2 Phân loại mô hình
a. Phân loại mô hình
Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)­ Conceptual modelling: Trước khi tiến  
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

5


hành tạo một mô hình, phải tư duy được có bao nhiêu thành phần và cách thức 
liên hệ và ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào. Kết quả của mô hình khái niệm là 
lưu đồ hoặc sơ đồ. 
Mô hình giải tích ( Mô hình số): Là những thuật toán quan hệ  giữa những biến  
số ( variables ) và thông số ( parameters ) của mô hình →Phần quan trọng cốt lõi 
và cũng phức tạp nhất khi xây dựng mô hình.
Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệ 
toán học giữa các yếu tố  trong hệ  thống (các quá trình hóa học, vật lý và sinh 
học) được mô phỏng từ  hệ  thống thực. Các mô hình toán thường sử  dụng như 
MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java…
Mô hình vật lý:
Mô hình tỉ lệ  ­ Scale physiscal modelling: Hệ vật lý được mô phỏng lại với các  
thành phần được mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to).

Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng  
nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng.
Mô hình tương tự: Khi một quá trình muốn nghiên cứu quá phức tạp →Có thể sử 
dụng một quá trình khác thay thế  (công thức toán học giống nhau)  →  Mô hình  
tương tự → Suy kết quả từ mô hình tương tự cho mô hình muốn nghiên cứu.
MÔ HÌNH 
b. Phân loại mô hình toán
TOÁN

MÔ HÌNH TẤT 
ĐỊNH

MÔ HÌNH NGẪU 
NHIÊN

MÔ HÌNH LIÊN 
TỤC

MÔ HÌNH RỜI 
RẠC

MÔ HÌNH TĨNH

MÔ HÌNH ĐỘNG

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

MÔ HÌNH TUYẾN 
TÍNH

6

MÔ HÌNH PHI 
TUYẾN TÍNH


 

Mô hình hộp trắng ­ White box

Mô hình cung cấp số  thông tin về  liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ 
thống.
Mô hình hộp đen ­ Black box

Mô hình chỉ  cung cấp số  thông tin về  liệu đầu vào và đầu ra (only input and 
output are known), cấu trúc bên trong chưa biết hoặc không biết do cấu trúc quá 
phức tạp hoặc chưa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown).
Mô hình hộp xám ­ Gray box 

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

7


Mô hình cung cấp số  thông tin về  liệu đầu vào, đầu ra và một phần trong tiến 
trình xử lý của hệ thống.

3. Ưu và nhược điểm các loại mô hình

TÊN MÔ HÌNH

ƯU ĐIỂM

NHƯỢC ĐIỂM

Mô   hình     khái 
niệm
(Mô   hình   nhận 
thức )

­ Được hình thành dù người tạo 
ra   nó   chưa   hiểu   hết   tất   cả   các 
hiện tượng phức tạp trong thực 
tế.
­ Có  thể   đơn  giản hóa tính bất 
nhất của các thông số  thành tính 
đồng nhất.
­ Có thể giảm thiểu được số liệu 
yêu cầu.
­   Dễ   dàng  cho   người   xem  hiểu 
cách thu thập số  liệu, thông tin 
sử dụng một cách
nhanh chóng và ít tốn kém.

­ Mô hình khái niệm là một 
khái   quát   nhân   tạo   và   phi 
vật lý qua các tối giản nên 
có   thể   không   đưa   ra   hết 

những   quan   hệ   tương   tác 
giữa các đối tượng.
­   Những   người   thiếu   kinh 
nghiệm   có   thể   tạo   ra   các 
giả   thiết   phi   thực   tế   hoặc 
quá đơn giản.
­ Mô  hình khái niệm mang 
tính tổng quá nên đôi khi bỏ 
sót các phương án vận hành.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

8


­ Mô hình khái niệm là một công 
cụ  kĩ thuật cho các lập trình viên 
hiểu vấn đề  phải giải quyết mà 
không cần phải làmột chuyên gia 
môi trường.
­   Mô   hình   khái   niệm   tạo   thuận 
lợi   cho   việc   diễn   giải   trong 
thuyết minh, biểu bảng, đồ thị.
­ Có thể tạo ra một giao tiếp với  
cơ  sở  dữ  liệu và hệ  thống thông 
tin địa lý (GIS).
Mô   hình   Giải  ­ Mô hình thực hiện xử lý số liệu 
Tích
một

( Mô hình Số)
cách nhanh chóng.
­ Mô hình không có lập trình, tối 
thiểu được lỗi
trong cách sử dụng.

­ Mô hình khái quát thường 
không   thể   thể   hiện   cách 
điều   chỉnh   sai   số   hoặc 
ngoại suy trong trường hợp 
thiếu dữ liệu.
­ Khi cần bổ  sung mô hình 
hoặc tái cấu trúc mô hình có 
thể   tạo   ra   một   tình   trạng 
quá gò bó thông số.

­Dùng các ngôn ngữ  lập trình để 
miêu   tả   mối   quan   hệ   toán   học 
một cách dễ dàng.
­ Có thể dễ dàng thay đổi số liệu 
hay   thông   số   của   mô   hình   với 
nhiều kịch bản khác nhau theo ý 
muốn.
­   Các   tính   năng   tiêu   chuẩn   hóa 
thường cần thiết cho mô hình.
­ Chu kỳ phát triển ngắn hơn.
­ Có thể đọc được nhiều mã khác 
nhau.
­   Hỗ   trợ   nhiều   trong   việc   xác 
minh mô hình toán học.

­   Là   công   cụ   chuẩn   xác   để   dự 
đoán những hiện tượng Vật lý.
­   Kích   thước   nhỏ,   đo   đạc   dễ 
dàng.
­   Quan   sát   các   hiện   tượng   tận 
mắt dễ  dàng định hướng nghiên 
cứu.

­   Đòi   hỏi   khối   lượng   công 
việc khổng lồ  với các biến 
số thay đổi theo thời gian và 
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.

Mô hình Toán

Mô hình Vật Lý

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

9

­ Các thông số và biến số dễ 
bị thay đổi.
­ Là mô hình phức tạp với 

các chuỗi thuật toán.

­ Tốn kém thời gian và tiền 
bạc.
­ Chỉ  được áp dụng khi hết 
sức cần thiết khi nghiên cứu 
chi   tiết   để   thiết   kế   công 
trình (cống, đập).
­ Khó mô phỏng tất cả  các 


Mô   hình   Tương  ­ Có thể  sử  dụng số  liệu, thông 
Tự
số   hay   một   quá   trình   khác   thay 
thế  rồi suy ra kết quả  tương tự 
cho mô hình.
­ Không sử  dụng lập trình phức 
tạp.
­   Các   mô   hình   phức   tạp   được 
thực hiện
nhanh chóng.

hiện tượng theo tỉ  lệ  chính 
xác.
­   Khó   mô   phỏng   các   điều 
kiện   biên   một   cách   chính 
xác.
­ Kết quả không chính xác.
­   Không   mô   phỏng   tất   cả 
hiện   tượng   trong   mô   hình 

một cách chính xác.
­ Tốn kém về tiền bạc.

4. Các trường hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý

Mô hình vật lý:  Khi những hiện tượng vật lý thực tế  phức tạp và khó mô tả 
chính xác bằng các công thức toán học. Mô hình vật lý là công cụ chuẩn xác để 
dự đoán những hiện tượng vật lý. Không cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể 
quan sát toàn bộ quá trình thông qua mô hình vật lý.
Mô hình toán: Để dự đoán hoặc mô phỏng một cách thường xuyên những gì một 
hệ thống thế giới thực sẽ làm trong tương lai nhưng lại tốn kém, không thực tế 
hoặc không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ như: thiết kế lò phản 
ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các loài,…Mô hình toán còn được áp dụng 
trong nhiều trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả 
tương ứng. 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

10