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

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.. Mô hìn

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

Huỳnh Vương Thu Minh Nhóm sinh viên QLMTA2

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA 4

1 Giới thiệu 4

2 Các định nghĩa và phân loại mô hình 4

2.1 Khái niệm mô hình 4

2.2 Phân loại mô hình 5

a Phân loại mô hình 5

b Phân loại mô hình toán 6

3 Ưu và nhược điểm các loại mô hình 8

4 Các trường hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý 10

5 Khái niệm và ý nghĩa của mô hình hóa môi trường 10

5.1 Khái niệm mô hình hóa 10

5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trường 11

6 Mô hình hiện tượng tự nhiên 11

6.1 Sự hình thành bão 11

6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão 12

6.3 Mô hình toán hình thành bão 12

CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 13

1 Các đặc trưng cơ bản của mô hình 14

2 Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 14

2.1 Thu thập và phân tích số liệu Lỗi! Thẻ đánh dấu không được 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

3 Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng 17

4 Một vài thuật ngữ 17

5 Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa Môi Trường 18

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 20

1 Lựa chọn 20

2 Hiệu chỉnh 20

3 Kiểm định mô hình 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời 5

Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất 5

Mô hình hộp trắng - White box 7

Mô hình hộp đen - Black box 7

Mô hình hộp xám - Gray box 7

Ví dụ mô hình hóa môi trường 11

MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO 12

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 14

LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 14

Hình 1 Ba thành tố của một mô hình 14

Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 16

Các bước hiệu chỉnh mô hình Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định

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 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 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…

b Phân loại mô hình toán

MÔ HÌNH ĐỘNG

MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH

MÔ HÌNH TOÁN

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 chƣa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạp hoặc chƣa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown)

Mô hình hộp xám - Gray box

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

- 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 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 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

- 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

Mô hình Toán

-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

- 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 Vật Lý - Là công cụ chuẩn xác để dự

- Khó mô phỏng tất cả các hiện tượng theo tỉ lệ chính xác

- Khó mô phỏng các điều kiện biên một cách chính xác

Mô hình Tương

Tự

- Có thể sử dụng số liệu, thông 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

- 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

5 KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

5.1 Khái niệm mô hình hóa

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian ( TS Lê Anh Tuấn, 2008)

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh,

sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực

tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái

Mô hình môi trường là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được

Một mô hình môi trường phải cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua:

(i) sự quan sát (observation);

(ii) sự phân tích (analysis);

(iii) sự tiên đoán (prediction)

Một mô hình môi trường có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý

Một mô hình môi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau

• Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lượng, )

• Phương trình toán học quan hệ (như phương trình Penmen về bốc thoát hơi, phương trình cân bằng nước)

• Các quan hệ thực nghiệm (như các công thức kinh nghiệm, )

( TS Lê Anh Tuấn,2008)

Ví dụ mô hình hóa môi trường

5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trường

Cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường– sinh thái

Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được

Cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan sát,

sự phân tích và sự tiên đoán

Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc

ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý

6 MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN

6.1 Sự hình thành bão

Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dương nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nước ít nhất là

26 độ C Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu” để bão

hoạt động Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mưa dông và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu không khí nóng xung quanh Và khi hai cơn mưa dông gặp nhau những luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lưu, luồng khí ẩm ướt này toả ra

và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của trái đất, ở Bắc bán cầu là chiều ngược lại của kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu là cùng chiều với kim đồng hồ

Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành

6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão

MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO

6.3 Mô hình toán hình thành bão

Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp n người ta tính toán nước biển dâng theo vận tốc gió , mưc nước biển nền có thể là mực nước trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều Bài toán nước biển dâng được xem trong điều kiện khí tượng thủy văn có các tác động đồng thời

của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lưu lượng sông ngòi

Hình Thành xoáy, lốc,giông

Sự hoà lộn khí quyển

Không khí ẩm bốc lên

Hấp thụ năng lượng

Nhiệt độ đại dương nóng lên

Động lực để

tạo xoáy

Lực quay Trái Đất

Hình thành bão

Hình thành mưa

Hình thành gió mạnh

Độ ẩm

Nhiệt độ

Mô hình nước nông hai chiều có thể mô tả được các hiện trên , hệ phương trình có dạng

X X

Y X s



f - tham số coriolic

- vĩ độ địa lí

vận tốc góc quay của trái đất

Thông tin ra là kết quả dự báo bão thông qua các thông số tốc độ gió, mực nước biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão

CHƯƠNG 2

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH

LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ

HÌNH

1.Các đặc trưng 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 đưa vào để mô hình xử lý + Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu

+ Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả

Hình 1 Ba thành tố của một mô hình Một mô hình có các đặc trưng cơ bản sau

+ Mô hình cần được tối giản với một số giả định đặt ra

+ Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh

+ Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập được

(T.S Lê Anh Tuấn,2008)

2.Các bước xây dựng và kiểm định mô hình

2.1 Thu thập và phân tích số liệu

Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thông số chất lượng nước,…) cần thu thập từ hệ thống thực;

Xác định bước thời gian: giờ, trung bình ngày,…;

tin

Thông tin ra

Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng 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 năng xuất hiện lại của 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,…) và so sánh; Trường 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 trường)

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 tưởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạp ngoài thực tế ở dạng một lưu đồ 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 người 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 được viết để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả dưới 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 được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho người làm thật toán Điều này khiến các số liệu nhập vào mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters)