Nghiên cứu và ứng dụng phương pháp hỗ trợ ra quyết định đa mục tiêu vào bài toán lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------ VƯƠNG THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU VÀO BÀI TOÁN LỰA CHỌN TẬP ĐOÀN CÂY CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU LỬA TÓM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

VƯƠNG THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỖ TRỢ RA

QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU VÀO BÀI TOÁN LỰA CHỌN

TẬP ĐOÀN CÂY CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU LỬA

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Đà Nẵng - Năm 2018 Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 01.01

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Hiệu

Phản biện 1: PGS.TS Võ Trung Hùng

Phản biện 2: TS Lê Xuân Vinh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Khoa học máy tính họp tại Trường Đại học Bách khoa

vào ngày 16 tháng6 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Bách

khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cháy rừng là thảm họa thiên tai thường xảy ra ở nhiều nước trên thế giới, gây nên những tổn thất to lớn về tài nguyên, môi trường sinh thái và cả tính mạng con người

Trong những năm qua, công tác phòng chống cháy rừng luôn được quan tâm, chỉ đạo tổ chức triển khai thực hiện nhiều biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng, đầu tư xây dựng các công trình và phương tiện phòng cháy chữa cháy Đ c biệt, chú trọng đến đầu tư hệ thống băng xanh cản lửaho c xây dựng các lâm phần khó cháy với những loài cây có khả năng chống chịu lửa tốt, đây cũng là hình thức mang tính nhân văn với mục đích hạn chế việc cháy rừng xảy ra, đáp ứng được tác dụng nhiều m t về phòng cháy như ph hợp với điều kiện lập địa, có khả năng tái sinh mạnh, sức chống chịu lửa và có giá trị kinh tế cao

Hiện nay, công tác lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa được thực hiện bằng các phương pháp thủ công dựa vào kinh nghiệm, kiến thức bản địa dẫn đến kết quả còn nhiều thiếu sót, hạn chế Chính vì vậy, việc đưa ra quyết định lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa tốt dựa trên công tác khảo sát thực địa, tham vấn chuyên gia và trên cơ sở phân tích các chỉ tiêu liên quan là rất quan trọng và mang tính quyết định Do đó, việc xây dựng hệ hỗ trợ

ra quyết định ứng dụng vào bài toán lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa là thật sự cần thiết

Hệ thống hỗ trợ ra quyết định DSS (Decision Support System) được nghiên cứu, phát triển từ lâu và đã ứng dụng thành công vào nhiều bài toán ra quyết định trong thực tế Đ c biệt, đối với các vấn

đề về bảo vệ rừng đã bắt đầu xuất hiện giữa những năm 1970, DSS được xây dựng nhằm đánh giá những biện pháp khác nhau bao gồm

cả việc đánh giá các chi phí của các biện pháp đó để đưa ra những đề xuất, khuyến nghị cho các cơ quan ra quyết định Trong những năm trở lại đây, c ng với sự phát triển của các phần mềm, sự nâng cao hiểu biết cơ bản của người ra quyết định về ứng dụng công nghệ thông tin đã giúp cho việc xây dựng và khai thác phần mềm hỗ trợ ra quyết định trong quản lý phòng chống cháy rừng trở nên phổ biến hơn

Chính vì những lý do trên, tôi đăng ký thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu và ứng dụng phương pháp hỗ trợ ra quyết định đa mục tiêu vào bài toán lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa”

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu: Tối ưu hoá phương pháp ra quyết định đa mục tiêu trên cơ sở phương pháp phân tích thứ bậc; Xây dựng hệ thống DSS cho việc hỗ trợ giải bài toán chọn loài cây có khả năng chống chịu lửa tốt

Nhiệm vụ cụ thể:

- Tổng quan được các kỹ thuật ra quyết định đa mục tiêu Chỉ

ra được các hạn chế của một vài phương pháp để từ đó đề xuất phương pháp cải tiến

- Mô hình được bài toán lựa chọn tập đoàn cây chống chịu lửa Liệt kê được các tiêu chí và danh sách loài cây thực hiện nghiên cứu

- Xây dựng được DataSet về thông số danh sách các loài cây nghiên cứu.Đề xuất được mô hình giải quyết bài toán trên cơ sở lý thuyết ra quyết định Xây dựng thành công một ứng dụng với mô hình đề xuất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hệ hỗ trợ ra quyết định, các vấn đề liên quan đến lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

Phạm vi nghiên cứu:Tập trung nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hỗ trợ ra quyết địnhvà áp dụng thử nghiệm vào việclựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa phục vụ công tác phòng cháy chữa cháy

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu phương pháp lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

- Tìm hiểu hệ hỗ trợ ra quyết định trong lựa chọn tập đoàn cây

có khả năng chống chịu lửa

- Tìm hiểu các ứng dụng và công nghệ liên quan đến hệ hỗ trợ

ra quyết định lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

- Áp dụng các thuật toán có liên quan để trợ giúp việc lập trình, xây dựng ứng dụng lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

- Kiểm tra, thử nghiệmvà đưa ra nhận xét kết quả đạt được

5 Dự kiến kết quả

Kết quả lý thuyết:

- Nắm được các phương pháp hỗ trợ ra quyết định đa mục tiêu

- Hiểu được quy trình xây dựng một hệ hỗ trợ ra quyết định đa mục tiêu trong lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa Kết quả thực tiễn:

- Xây dựng thành công phần mềm chương trình hỗ trợ ra quyết định lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa với một số chức năng cơ bản, có giao diện thân thiện và dễ sử dụng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

- Tìm hiểu nghiên cứu về hệ hỗ trợ ra quyết định

- Áp dụng phương pháp hỗ trợ ra quyết định vào việc lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa phục vụ công tác phòng cháy chữa cháy rừng

Ý nghĩa thực tiễn:

- Đề tài sẽ ứng dụng các công cụ, ngôn ngữ lập trình để xây dựng hệ thống trợ giúp quyết định trong lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

- Chương trình sẽ hỗ trợ đắc lực trong công tác lựa chọn danh sách cây có khả năng chống chịu lửa, giúp xây dựng hệ thống băng xanh cản lửa phục vụ có hiệu quả công tác phòng cháy chữa cháy rừng

7 Cấu trúc của luận văn: Luận văn được tổ chức gồm 3

chương chính sau:

Chương1:TỔNG QUAN VỀ PHÒNG CHỐNG CHÁY RỪNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU TRONG BÀI TOÁN LỰA CHỌN TẬP ĐOÀN CÂY CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU LỬA

Chương 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ CHỌN TẬP CÂY CHỐNG CHỊU LỬA

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÒNG CHỐNG CHÁY RỪNG VÀ PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÒNG CHỐNG CHÁY RỪNG

1.1.1 Giới thiệu

Theo tài liệu quản lý lửa rừng của Tổ chức nông lương thế giới (FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations), cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền của những đám cháy trong rừng mà không nằm trong sự kiểm soát của con người, gây nên những tổn thất về nhiều m t tài nguyên, của cải và môi trường

1.1.2 Phương pháp phòng chống cháy rừng

(1) Biện pháp hành chính, (2) Tuyên truyền giáo dục nâng cao cảnh giác về phòng cháy, chữa cháy rừng,(3) Biện pháp lâm sinh trong phòng chống cháy rừng,(4) Hệ thống hồ đập, đê bao, kênh mương giữ ẩm và phục vụ chữa cháy rừng, (5) Quy hoạch vùng sản xuất nương rẫy đề phòng cháy lan vào rừng,(6) Giảm khối lượng vật liệu cháy,(7) Hệ thống chòi canh phát hiện cháy rừng

1.1.3 Phương pháp băng xanh cản lửa

Nguyên lý chung của băng xanh là sử dụng các loài cây có khả năng chống chịu lửa nhờ vỏ dày, thân và lá chứa nhiều nước, xanh quanh năm, không bị cháy khi lửa tràn đến để trồng thành băng phân chia rừng thành những diện tích nhỏ, ngăn cản được sự lan tràn của các đám cháy rừng

Vấn đề xây dựng mô hình đường băng xanh cản lửa hầu như chưa được đi sâu nghiên cứu, các mô hình được xây dựng ở một số địa phương nước ta chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Trong thực tế, thiếu một danh sách các loài cây ưu tiên phòng cháy cho các dạng lập địa và kiểu rừng khác nhau Ở nhiều địa phương còn thiết kế băng

trắng ho c chỉ phổ biến ưu tiên trồng thuần loài các cây lá rộng thường xanh như Keo, Chò đen và Lát hoa trên băng cản lửa

1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU

1.2.1 Giới thiệu

Khi một vấn đề được đ t ra trong đó có nhiều tiêu chí, mục tiêu kèm theo Nếu các mục tiêu xung đột với nhau và các biến quyết định có những ràng buộc với nhau thì việc đi tìm giải pháp tối ưu của vấn đề trở thành bài toán “Tối ưu hóa đa mục tiêu”

Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được giải quyết với ý tưởng tương tự bài toán tối ưu một mục tiêu

Mục đích chung của các phương pháp MCDA là giúp cho người ra quyết định chuẩn bị, tạo lập quyết định và nghiên cứu các bài toán ra quyết định xét tới nhiều hơn một quan điểm Mục đích của MCDA là không bắt buộc phải chọn bất kỳ một quyết định nào

mà từ một cấu trúc hợp lý của bài toán ra quyết định MCDA đưa ra các phân tích, khuyến nghị

1.2.2 Một số khái niệm thông thường

1.2.3 Cấu trúc bài toán MCDA

Cấu trúc cơ bản của một bài toán MCDA được thể hiện trong hình sau:

Hình 1.1 Cấu trúc của bài toán MCDA

Trong đó: A = {a1,…, ai ,…, am} là tập các phương án lựa chọn, và F = {g1,…, gj ,…, gn} là tập hữu hạn n tiêu chí Đánh giá của lựa chọn ai dựa trên tiêu chí j là g j (a i )

1.2.4 Phân loại bài toán MCDA

Roy đã đưa ra bốn loại bài toán ra quyết định trong MCDA:(1) Bài toán lựa chọn,(2) Bài toán phân loại, (3) Bài toán xếp hạng, (4) Bài toán mô tả

1.2.5 Các phương pháp của MCDA

Các phương pháp MCDA được phân thành năm loại sau: (i) phương pháp thứ tự, (ii) phương pháp trọng số, (iii) phương pháp tiện ích, (iv) phương pháp hơn cấp, (v) các phương pháp khác

1.3 BÀI TOÁN LỰA CHỌN TẬP ĐOÀN CÂY CHỐNG CHỊU LỬA

1.3.1 Phương pháp băng xanh cản lửa

1.3.2 Bài toán cụ thể

Phát biểu bài toán: “Xác định giải pháp lựa chọn tập đoàn cây

có khả năng chống chịu lửa nhằm xây dựng băng xanh cản lửa phục

vụ công tác phòng chống cháy rừng ”

Tổng kết chương I

Chương 1 đã trình bày tổng quan về phòng chống cháy rừng, trong đó chú trọng công tác xây dựng băng xanh cản lửa là một trong những biện pháp lâm sinh trọng tâm trong phòng cháy rừng; tổng quan về phương pháp ra quyết định đa mục tiêu Trên cơ sở xác định bài toán cụ thể xác định giải pháp lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa nhằm xây dựng băng xanh cản lửa phục vụ công tác phòng chống cháy rừng Chương tiếp theo, sẽ nghiên cứu áp dụng phương pháp ra quyết định đa mục tiêu để giải quyết bài toán lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA MỤC TIÊU TRONG BÀI TOÁN LỰA CHỌN TẬP ĐOÀN CÂY CÓ

KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU LỬA

2.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN LỰA CHỌN TẬP ĐOÀN CÂY

Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa là một hệ tích hợp, tương tác với máy tính; gồm các công cụ phân tích, có khả năng quản lý thông tin, được thiết

kế để hỗ trợ những người ra quyết định trong việc giải quyết các vấn

đề liên quan lựa chọn tập đoàn cây có khả năng chống chịu lửa mang tính tổng hợp

2.1.1 Xác định tiêu chí

Phương pháp MCDA bao gồm một bộ các phương pháp xác định, đánh giá và tập hợp các lựa chọn ưu tiên giữa các lựa chọn thay thế, được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tạo lập quyết định Bước đầu tiên trong phân tích đa tiêu chí là xác định các tiêu chí khác nhau được tính đến Các tiêu chí này phục vụ cho việc thu thập các

dữ liệu đầu vào

2.1.2 Xây dựng ma trận phân tích

Quá trình phân tích sẽ bắt đầu bằng việc xác định ma trận phân tích Ma trận phân tích (n x m: n lựa chọn và m tiêu chí) được xây dựng từ các giải pháp và tiêu chí đánh giá trong giai đoạn định nghĩa Các phần tử của ma trận là điểm số đánh giá (tác động) của các lựa chọn dựa trên tiêu chí

2.1.3 Chuẩn hóa ma trận phân tích

Chuẩn hóa ma trận phân tích thực hiện việc đưa các giá trị đánh giá theo các đơn vị đo lường khác nhau về một thang đo thống nhất, sao cho có thể so sánh các tiêu chí một cách bình đẳng với nhau

2.1.4 Mô hình hóa hàm giá trị

Hàm giá trị (u) là một đại diện toán học của các tiêu chí đánh giá Nó biến đổi các tiêu chí thô thành tỉ lệ thông thường của các đối tượng được so sánh với nhau

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍCH BẬC(AHP)

AHP là phương pháp phân tích thứ bậc, là một kỹ thuật tạo quyết định giúp cung cấp một tổng quan về thứ tự sắp xếp của những lựa chọn thiết kế và nhờ vào nó ta tìm được một quyết định cuối c ng hợp lý nhất AHP giúp những người làm quyết định tìm thấy cái gì là hợp lý nhất cho họ và giúp họ hiểu những vấn đề của mình

Phương pháp phân tích thứ bậc bao gồm các thủ tục tổng hợp

sự đánh giá, sự tiếp nhận mức độ ưu tiên của các tiêu chí và tìm kiếm phương án tối ưu Phương pháp phân tích cây thứ bậc thực hiện dựa trên các tiên đề sau: so sánh từng c p, thang điểm để tiến hành ánh xạ

sự đánh giá vào định tính, mối quan hệ đối xứng nghịch, phân nhóm mức và tính trọng số trên cây thứ bậc

AHP có 3 phân đoạn cơ bản: Xác định vấn đề cần giải quyết, thành lập ma trận so sánh và tổng hợp độ ưu tiên

2.2.3 Tổng hợp độ ưu tiên

Ở bước này, ta xác định tầm quan trọng của một phương án bất

kỳ đối với các phương án cong lại trong mỗi tiêu chí

2.2.4 Ưu và nhược điểm của AHP

2.2.4.1 Ưu điểm AHP

- Phương pháp AHP cho phép xây dựng một hệ thống chỉ tiêu đánh giá rất linh hoạt;

- Người ra quyết định được quyền linh hoạt trong việc xếp hạng so sánh mức độ quan trọng giữa các tiêu chí ở mỗi cấp;

- Phương pháp AHP dựa trên cơ sở toán học;cho phép đánh giá tính tương quan trong các đánh giá của chuyên gia

2.2.4.2 Nhược điểm AHP

- Phương pháp AHP phân rã vấn đề quyết định thành các vấn

đề con, các c p so sánh sẽ được tạo thành trong quá trình đánh giá, tiếp cận theo cách này sẽ không thuận lợi khi số lượng c p so sánh lớn;

- Hệ thống tỉ lệ đo của AHP bị giới hạn rất khó khăn trong việc phân biệt giữa chúng với nhau đối với người ra quyết định;

- Ở mức các phương án, việc đánh giá các phương án chỉ dựa vào từng tiêu chí, việc đánh giá ở mức này chưa thực hiện được đối với một nhóm các tiêu chí

2.3 PHƯƠNG PHÁP AHP/DS

2.3.1.Hướng tiếp cận cải tiến

2.3.2 Lý thuyết Dempster- Shafer(DS)

Lý thuyết Dempster Shafer dựa trên hai ý tưởng: Thứ nhất để

có được mức độ tin tưởng đối với một câu hỏi từ xác suất chủ quan cho một câu hỏi từ xác suất chủ quan cho một câu hỏi liên quan, thứ hai quy tắc của Dempster-Shafer trong việc kết hợp nhiều mức độ của niềm tin

Cho Ω là tập vũ trụ Giả sử để có thông tin về một đối tượng

thuộc tập vũ trụ, sử dụng N phép quan sát (hay N phép đo) Giả thiết rằng, kết quả của phép quan sát hay phép đo là không chính xác, có nghĩa là đối tượng quan sát được rơi vào một tập con nào đó của tập

vũ trụ Ω Đ t Po( ) là tập tất cả các tập con của Ω Hàm tần suất m gọi là xác suất cơ sở (basic probability) được định nghĩa (Beynon et al., 2000; Beynon, 2002) như sau:

với ci là số tập Bi quan sát được (2.8) Tiếp tục định nghĩa hàm niềm tin (belief function) và hàm thừa nhận (probability function) của tập (sự kiện) BPo( )

Kí hiệu hàm niềm tin và hàm thừa nhận của tập B lần lượt tương ứng là

tin và hàm thừa nhận của sự kiện B có ý nghĩa như là hàm ch n dưới

và hàm ch n trên của hàm xác suất sự kiện B, tức là:

( ) Pr( ) B  B  ( ) B

Bel Pl (2.10)

2.3.3 Quy luật kết hợp Dempster

Cho hai nguồn sự kiện Nguồn thứ nhất được khai triển N1