Tóm tắt luận án tiến sĩ nghiên cứu nâng cao chất lượng đo nồng độ khí độc hại trong môi trường công nghiệp dùng mạng nơ ron

đ ng công nghi p và sinh ho t đã đ a vào khí quy n hàng tr m t n khí đ c h i nh :

H2S, NH3, SO2, NOx, CO, CO2, O3 ây là m t trong nh ng hi m h a trong cu c

s ng hi n đ i khi mà l nh v c s n xu t ngày càng phát tri n Bên c nh vi c nâng cao

ch t l ng s n xu t có tính b n v ng và b o v môi tr ng thì công tác giám sát, c nh báo ch t l ng không khí c ng r t quan tr ng Trong môi tr ng công nghi p các lo i khí đ c h i n u v t quá m t t l gi i h n nh t đ nh s nh h ng tr c ti p đ n s c

kh e ng i lao đ ng c ng nh môi tr ng s ng c a con ng i Do v y, v n đ nâng cao ch t l ng đo l ng, giám sát các lo i khí đ c h i đ đ a ra các gi i pháp h n ch ,

lo i b chúng là nhi m v c p bách và quan tr ng trong vi c b o v môi tr ng và an sinh xã h i

V v n đ này, trên th gi i và Vi t Nam đã và đang có nhi u các nhà khoa h c quan tâm và công b nhi u k t qu nghiên c u c a mình Tuy nhiên, môi tr ng công nghi p r t ph c t p v i s pha tr n c a r t nhi u lo i khí, bên c nh đó y u t nhi t đ

và đ m c a môi tr ng c ng d n đ n làm suy gi m đ chính xác c a các phép đo Vì

v y v n đ nghiên c u nâng cao ch t l ng cho các phép đo n ng đ khí v n còn t n

t i nhi u b t c p, h n ch c n ph i ti p t c nghiên c u, hoàn thi n

h i trong môi tr ng công nghi p

Ph m vi nghiên c u: Các lo i c m bi n bán d n có đ c tính phi tuy n làm vi c trong đi u ki n b nh h ng c a y u t môi tr ng nh nhi t đ và đ m v i h n h p khí đ u vào, t đó đ xu t các c u trúc c m bi n ANN đ nâng cao đ chính xác cho phép đo

4 Ph ng pháp nghiên c u

4.1 Nghiên c u lý thuy t

Lu n án t p trung phân tích nh ng u, nh c đi m các c m bi n bán d n là ph n t quan tr ng trong h th ng đo và phát hi n n ng đ các khí đ c h i trong môi tr ng công nghi p đ đ xu t ph ng pháp nâng cao ch t l ng phép đo

Nghiên c u lý thuy t ANN nói chung và ANN MLP nói riêng, ng d ng ANN đ

xu t xây d ng c u trúc c m bi n có tích h p ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n

2

5 ụ ngh a khoa h c và th c ti n c a đ tài

Lu n án có ý ngh a khoa h c và th c ti n trong l nh v c đo l ng và ANN

Ý ngh a khoa h c: xu t ph ng pháp ng d ng m i ANN đ nâng cao ch t

l ng c a c m bi n đo n ng đ khí Ph ng pháp này góp ph n ti p t c minh ch ng ANN là công c v i kh n ng tính toán song song, b n v i nhi u và l i c a s li u đ u vào, có kh n ng th c thi d i d ng ph n m m ho c ph n c ng

Ý ngh a th c ti n: K t qu nghiên c u c a lu n án có th s d ng đ tích h p, c i

ti n, ch t o m i các c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí trong môi tr ng công

nghi p

6 Nh ng đóng góp m i c a lu n án

Nghiên c u m t s v n đ lý lu n và mô ph ng, ki m nghi m th c t nh m ng

d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 và CO trong khí th i công nghi p c th là trong các ng d ng:

 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN đ bù sai s c a y u t nh

h ng nh nhi t đ , đ m, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào là nhi t

đ môi tr ng, s n -ron l p n th p ch t 1÷2 n -ron đ x p x chính xác các

đ c tính nh h ng c a nhi t đ và đ m t i k t qu đo, t đó làm c s cho

ng d ng bù Ph n bù s d ng ph i h p ph ng pháp n i suy tuy n tính và tính toán b ng m ng ANN, đây là đóng góp m i và khác bi t v i các công trình khác s d ng ANN có hai đ u vào là nhi t đ , đ m và s l p n, s n -ron

Ô nhi m môi tr ng không khí có tác đ ng x u đ n s c kho con ng i, nh

h ng đ n các h sinh thái và bi n đ i khí h u, Công nghi p hoá càng m nh, đô th hoá càng phát tri n thì ngu n khí th i gây ô nhi m môi tr ng không khí càng nhi u Trong các lo i khí đ c h i đó ph i k t i: Khí CO (ngu n khí th i t các lò than, đ ng

c ô tô, xe máy…), khí H2S và khí NH3 (ngu n khí th i trong s n xu t nông nghi p) là

m t trong các lo i khí hàng ngày con ng i chúng ta th ng xuyên ti p xúc B Tài nguyên môi tr ng đã đ a ra nh ng quy chu n n ng đ t i đa cho phép c a m t s khí này Do đó, đ b o v môi tr ng thì công tác giám sát, c nh báo ch t l ng không khí

là vô cùng quan tr ng

3

1.1.2 Ải i thi u chung v c m bi n đo n ng đ khí

Trên hình 1.1 trình bày s đ nguyên lý m t h th ng đo và giám sát n ng đ ch t khí trong môi tr ng công nghi p

X lí tín hi u Chuy n đ i

Truy n thông tin qua m ng Ethernet công nghi p Khí H 2 S

ph c t p, giá thành cao, quá trình v n hành s d ng thi t b khó kh n và th i gian phân tích dài Do đó, các thi t b này đ u đ c l p đ t c đ nh và không thích h p cho vi c

th c hi n phân tích nhanh và tr c ti p t i hi n tr ng đáp ng đ c v i yêu c u

th c t , các c m bi n khí hóa h c trên c s v t li u d ng r n, c m bi n bán d n, c m

bi n nhi t xúc tác, c m bi n đi n hóa, c m bi n d a trên hi u ng tr ng c a m t s linh ki n bán d n, v.v đ c nghiên c u và ng d ng nhi u trong th c t Nguyên lý làm vi c c a các c m bi n bán d n là d a trên s thay đ i đ d n đi n c a màng m ng bán d n khi h p th ch t khí trên b m t nhi t đ t 150o

C m bi n bán d n có nhi u u đi m [4, 8]: nh y cao, th i gian h i đáp nh ,

m ch đi u khi n đ n gi n, d v n hành, ph n ng đ c v i nhi u lo i khí đ c, h i Tuy nhiên các c m bi n bán d n c ng có nhi u nh c đi m, c th nh sau: B nh

h ng b i y u t môi tr ng là nhi t đ và đ m, ph n ng v i đa khí và đ c tính làm

- Gi i pháp bù b ng ph n m m là xây d ng các hàm đi u ch nh đ c trình bày [20, 31, 50…]

Nhìn chung, đa s các ph ng pháp tính toán, x lý ho c có yêu c u tính toán khá

l n, ho c yêu c u v thi t b ho c m ch tích h p cao Các ph ng pháp đ n gi n h n

nh các thu t toán tuy n tính hóa, LUT, ph i ch p nh n sai s l n h n M t khác các

ph ng pháp này ch a đ t đ c tính t h p và c đ ng cao trong c u trúc c a h th ng

đo

tránh nh ng nh c đi m c a các ph ng pháp truy n th ng, gi i pháp ng d ng các công c hi n đ i nh lý thuy t m , lý thuy t ANN đ c nghiên c u và tri n khai

K t qu c a hàng lo t các công trình đã ch ng minh cho tính kh thi đó [14, 15, 18, 38 ] Tuy nhiên ng d ng ANN có c u trúc m ng ph c t p (MLP 3 đ u vào) [33], s

n -ron l p n cho bài toán bù sai s c a y u t nh h ng quá l n (11 n -ron n [14],

25 n -ron n [9]), k t qu sai s l n 14,3ppm [15] V i m t h n h p nhi u khí m ng MLP ch nh n d ng mà không đ a ra k t qu c l ng chính xác n ng đ c a các khí thành ph n Khi c l ng đ c n ng đ khí thì l i dùng các lo i m ng ph c t p, ho c

ph i k t h p hai lo i m ng (m ng lai) [15]

1.3.2 Tình hình nghiên c u trong n c

Công trình [9] đã ng d ng ANN MLP đ thông minh hóa c m bi n đo l ng là xây d ng m t thu t toán thi t k ANN ng d ng cho c m bi n đo l ng đ t đ c các thông s c u trúc t i u cho c u trúc ANN Tác gi c a [9] đã nghiên c u m t s bài toán c th đó là tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n có d ng đ ng cong sang d ng

đ ng th ng, đ ng th i ng d ng ANN đ bù sai s do y u t nh h ng c a nhi t đ

mà ch a xét t i s nh h ng c a đ m C u trúc ANN ph c t p t i 2 đ u vào cho

ng d ng bù sai s c a c m bi n đo đ pH gây b i y u t nh h ng là nhi t đ dung

d ch, s n -ron l p n xác đ nh đ c trong tr ng h p này là 25 n -ron Ngoài ra c hai bài toán tuy n tính hóa và bù sai s đ c gi i quy t đ c l p, riêng r ch a tích h p trên cùng m t lo i c m bi n và k t qu ch d ng l i bài toán mô ph ng ch a có th c nghi m

1.4 nh h ng nghiên c u c a lu n án

Qua t ng k t các công trình nghiên c u trong và ngoài n c áp d ng các gi i pháp

đ nâng cao ch t l ng cho c m bi n bán d n đo n ng đ khí nh n th y: Các gi i pháp

đã nghiên c u đ u có nh ng u, nh c đi m nh t đ nh Gi i pháp truy n th ng thì đ n

gi n nh ng tính hi u qu l i không cao Gi i pháp hi n đ i thì dùng các lo i m ng

ph c t p nh SOM, ART hay các m ng lai, m ng đ n gi n MLP thì l i có c u trúc

ph c t p, s đ u vào nhi u, s l p n và s n -ron l p n l n, đi u này s nh h ng

5

l n đ n t c đ x lý H n n a các công trình nghiên c u tr c các ch c n ng nâng cao

ch t l ng cho m t phép đo còn đ c l p, m t ch c n ng cho m t c m bi n riêng r ,

ch a tích h p đ c nhi u ch c n ng trên cùng m t c m bi n, ch a gi i quy t đ c ng

d ng v a bù sai s c a y u t nh h ng v a lo i tr tính ph n ng đa khí và v a đi u

ch nh đ c tính c m bi n Ngoài ra hi n th c hóa ANN đã đ c nghiên c u và ng

d ng nhi u các n c có công ngh tiên ti n, nh ng chip n -ron th ng ph m đã có

và đ c gi i thi u trong [26, 27] V n đ đ t ra c n nghiên c u là hi n th c hóa ANN trong đi u ki n Vi t Nam, n i đ a hóa vi c thi t k các c m bi n có áp d ng các gi i pháp nâng cao ch t l ng dùng ANN cho c m bi n đo n ng đ khí trong môi tr ng công nghi p ây là nhi m v có tính c p thi t và có tính kh thi cao trong tình hình công nghi p đ t n c đang phát tri n, môi tr ng đang b ô nhi m và hu ho i T khía c nh nghiên c u đó, v n đ nghiên c u đ c đ t ra là ng d ng ANN có c u trúc

 Xác đ nh rõ n i dung nghiên c u c a lu n án là ng d ng ANN có c u trúc đ n

gi n đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n b ng gi i quy t các n i dung sau: Bù sai s c a y u t nh h ng, kh c ph c tính ph n ng đa khí, đi u ch nh đ c tính

c a c m bi n sau đó tích h p c ba ch c n ng trên cùng m t h th ng đo n ng đ khí

Các nghiên c u lý thuy t c a ch ng 1 s là ti n đ và c s lý lu n cho ch ng 2 xây d ng c u trúc h th ng đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n

Ch ng 2 NG D NG M NG N -RON NHÂN T O NÂNG CAO CH T

2.2 ng d ng ANN nơng cao ch t l ng c m bi n

2.2.1 C u trúc c m bi n ng d ng ANN nâng cao ch t l ng c m bi n

Lu n án đ xu t m t c u trúc c m bi n chung ng d ng ANN đ nâng cao ch t

l ng c m bi n đo n ng đ khí trong môi tr ng công nghi p đ c th hi n trên hình 2.1

M c đích đ a khâu n -ron vào c m bi n là nh m t o ra nh ng đ c tính mong mu n cho ng d ng nâng cao ch t l ng u ra c a c m bi n m i có ng d ng ANN s có

nh ng tính ch t u vi t h n đ u ra c a c m bi n c C u trúc có hai khâu ch c n ng chính: c m bi n và chuy n đ i n -ron

2.2.2 S d ng ANN bù sai s c a các y u t nh h ng c a nhi t đ và đ m

2.2.2.1 Các ph ng pháp c đi n bù sai s c a các y u t nh h ng c a nhi t đ và đ m

Các gi i pháp lo i tr theo ph ng pháp truy n th ng là ph ng pháp s d ng

m ch ph n c ng và s d ng ph n m m

1 M ch s d ng nhi t đi n tr bù nhi t

Nh đ i v i các c m bi n bán d n (SnO2), đ bù nhi t đ , [25] s d ng m t đi n

tr nhi t To có h s nhi t đi n tr âm và có m c đ bi n thiên ph thu c vào nhi t đ

c ng t ng đ ng v i c m bi n, khi đó đi n áp đ u ra c a m ch đo s n đ nh h n theo nhi t đ và gi i pháp này c ng đ c hãng Firago áp d ng vào dòng c m bi n TGS [18]

Gi s khi đo trong đi u ki n tiêu chu n, đ c tính t nh c a c m bi n là yo(x) Xét t i

m t đi m đo th k nào đó k t qu đo là yok(xk) Khi có s thay đ i c a y u t a, b…, giá tr th k đo đ c là ySk(xk) V y ta có sai s c a phép đo nh (2.3):

∆y = yok(xk) - ySk(xk) (2.3) Xét cho kho ng bi n đ i nh xung quanh giá tr t i m t đi m, lúc này sai s c a đ i

l ng đ u ra khi có các y u t nh h ng khác, đ c vi t l i nh (2.4):

đ có đ c giá tr ∆ijt ng ng, sau đó n i suy tuy n tính ra giá tr c a đ i l ng đó

ph n c ng th ng dành cho các nhà s n xu t n c ngoài Quá trình x lý s li u đ

lo i tr sai s gây b i các y u t nh h ng nh hai ph ng pháp còn l i đ c th c

hi n trong quá trình đo c ng có nh ng nh c đi m nh t đ nh, đó là v i thu t toán tu n

t c a k thu t máy tính truy n th ng, thì v n đ v th i gian x lý V n đ này không gây c n tr v i nh ng tr ng h p không đòi h i nhanh k t qu đo Nh ng trong s n

xu t hi n đ i, nhi u quá trình công ngh đ c đi u khi n t đ ng, t i đó có r t nhi u

đ i l ng c n đo và x lý k t qu nhanh, nhi u phép đo đòi h i làm vi c trong mi n

th i gian th c thì đây s là m t nh c đi m l n

2.2.2.2 xu t c u trúc c m bi n bù sai s c a y u t nh h ng

kh c ph c nh c đi m đó, m t h ng gi i quy t v n đ nêu trên là ng d ng tính toán n -ron Ý t ng c a gi i pháp là chuy n các tính toán x lý s li u đo l ng

t ch g n li n v i quá trình đo v quá trình thi t k ch t o Thay quá trình hi u ch nh

s li u đo đ c, lo i b nh h ng c a các sai phân b ng quá trình ánh x hàm nhi u

bi n, c p nh t t c th i giá tr các y u t nh h ng t i k t qu đo Lúc này: không ph i

y = f(x,a,b, ) mà là z = f(x1,x2,x3, ) Trong tr ng h p này, sai s gây b i các y u t

nh h ng đ c tính toán đ lo i tr ngay trong khi thi t k ch t o c m bi n Các k t

qu x lý s đó đ c đ a vào bên trong b thông s c u trúc c a c m bi n n -ron, c

th là c a khâu chuy n đ i n -ron V i nh ng u đi m c a ph ng pháp dùng ANN

C u trúc h g m 3 đ u vào: u vào th nh t là tín hi u thu đ c t đ u ra Vout c a

c m bi n b bi n thiên b i các y u t nh h ng nhi t đ và đ m, đ u vào th hai và

th ba t hai c m bi n nhi t đ và đ m đo đ c t môi tr ng đo đây s d ng hai ANN nh ng m i m ng ch có m t đ u vào nhi t đ , ANN đóng vai trò x p x đ c tính

s ph thu c c a Rs/R0 vào các y u t nh h ng là nhi t đ ToC và đ m RH%, đây

là m t trong nh ng b c quan tr ng nh t b i t các giá tr bi n thiên này ta m i tính toán ra đ c l ng c n bù

C s lý thuy t c a ng d ng bù nh sau:

• D a trên datasheet c a nhà s n xu t cung c p có bi u đ quan h Rs/R0 theo nhi t

đ và đ m Rs/R0= f(ToC, RH%), bi u đ này cho bi t s nh h ng c a tín hi u nhi t đ và đ m t i đ u ra c a c m bi n

• Bù sai s : chuy n đ i đ u ra Rs/R0 (là hàm ph thu c vào n ng đ khí ppm c n đo) đo đ c nhi t đ và đ m b t k sang m t đi u ki n tiêu chu n là nhi t đ

Trong đó f1(ToC) đ c x p x b i m ng MLP1, f2(ToC) đ c x p x b i m ng MLP2, m i m ng có m t đ u vào duy nh t là nhi t đ môi tr ng đo:

Nh v y s khác bi t ch là ANN ch có duy nh t m t đ u vào dùng đ x p x

t ng đ i chính xác s nh h ng c a nhi t đ , đ m c a môi tr ng t i k t qu đo

đã x p x b ng hai m ng MLP trên hình 2.6, đ có đ c đ c tính fx(To) t i các đ m trung gian (X%)

ph n khí c n đo Gas1 và Gas2 trong h n h p khí

xây d ng hàm truy n đ t ng c (t ch s c a các c m bi n suy ra đ c n ng

đ c a các thành ph n khí đ u vào: gas1, gas2), m t b s li u m u h c là t h p c a các giá tr n ng đ cho khí gas1 và n ng đ cho gas2 có d ng {PPMi1, PPMi2, SenS1,

SenS2} đã đ c xây d ng

11

ng th i m t b s li u m u là t h p các m u t các thành ph n n ng đ khí gas1 và n ng đ khí gas2 đ ki m tra B s li u m u này đ c s d ng đ tính hàm truy n đ t ng c, nên m ng ANN s đ c hu n luy n đ ng v i các véc-t đ u vào

Hình 2.8 Ph ng pháp n i suy tuy n tính

Tr ng h p đ c tính c a tín hi u x sau c m bi n là m t hàm phi tuy n c a đ i

l ng đo , t c là x( ) - là m t hàm phi tuy n (hình 2.8) Thay vì kh c đ đ c tính đo vào b nh ta có th thay x( ) b ng m t đ ng g p khúc tuy n tính hóa t ng đo n v i

12

sai s o Ph ng pháp này còn g i là ph ng pháp n i suy tuy n tính Ph ng pháp

n i suy tuy n tính có u đi m là n u ta tuy n tính hóa ít đo n th ng thì cách tính toán

đ n gi n tuy nhiên sai s ∆y s l n Còn n u ta xác đ nh nhi u đo n th ng thì sai s s

nh nh ng vi c tính toán l i ph c t p và trong th c t s đi m x p x c ng không nhi u

Ngoài ph ng pháp tuy n tính hóa t ng đo n đ đi u ch nh đ c tính ra, trong [9] dùng gi i pháp ANN tuy n tính hóa đ ng đ c tính d ng đ ng cong b c hai thành

m t đ ng th ng trên toàn đ i đo

Trong lu n án tác gi dùng ANN đ đi u ch nh đ c tính c a c m bi n bán d n đo

- Hai là dùng m ng MLP đ t o ra m t đ ng đ c tính Vout2=f(Vout1), lúc này

Vout2=g(f(x)) đã đ c tuy n tính hóa d i d ng 2.9

đ u ra c a kh i đi u ch nh hình 2.9 ta đ c Vout2=g(f(x)) tuy n tính

2.3 Tích h p hai ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng vƠ hi u ch nh đ c tính

c m bi n

Trên c s nghiên c u và gi i quy t t ng bài toán riêng r đã th c hi n, đ đi n áp

đ u ra c a c m bi n t l tuy n tính v i n ng đ khí sau khi bù sai s c a các y u t

đa khí vƠ tuy n tính hóa đ c tính c m bi n

C u trúc ANN phù h p, đáp ng đ các ch c n ng tích h p trong c m bi n đ nâng cao ch t l ng phép đo đ c th hi n trên hình 2.11: