Mô hình hóa hệ phức hợp ứng dụng mạng nơron

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỨC HỢP

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON

TÔ THẾ DIỆN

THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỨC HỢP

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã Số :

Học Viên : TÔ THẾ DIỆN

HD Khoa học: TS. NGUYỄN ĐỨC THĂNG

THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÖC

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI

MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỨC HỢP

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON

Học Viên : TÔ THẾ DIỆN

Lớp : CHK12 -TĐH

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

HD Khoa học : TS. NGUYỄN ĐỨC THĂNG

Ngày giao đề tài :

Ngày hoàn thành đề tài :

Người hướng dẫn khoa học Học viên

TS. Nguyễn Đức Thăng Tô Thế Diện

Duyệt Ban Giám Hiệu Khoa Sau Đại học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 1 -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu do tôi tổng hợp và

thực hiện.

Tác giả luận văn

Tô Thế Diện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 2 -

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian được học tập tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái

Nguyên và hoàn thành khóa học bằng luận văn Thạc sĩ này, tôi luôn nhận được sự

dạy bảo, quan tâm cùng với những lời góp ý chân thành từ các Thầy Cô, đồng

nghiệp, gia đình và bạn bè.

Xin chân thành biết ơn:

Tiến sỹ Nguyễn Đức Thăng, Thầy giáo hướng dẫn, đã hỗ trợ em rất nhiều về

mặt chuyên môn và tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.

Anh Nguyễn Khoa Việt Trường đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong kỹ thuật lập

trình trên ngôn ngữ Matlab.

Tất cả các Thầy Cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tôi học tập tại đây.

Tất cả bạn bè, đồng nghiệp xung quanh tôi đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá

trình tìm kiếm số liệu để hoàn thành tốt luận văn.

Cuối cùng tôi không thể không nhắc đến gia đình thân yêu của tôi, gia đình là

nguồn động viên tinh thần lớn nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập.

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 09 năm 2011

Học viên

Tô Thế Diện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 3 -

MỤC LỤC

Trang

Mục lục..................................................................................................................... 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.................................................................... 7

Danh mục các hình vẽ - đồ thị ................................................................................. 8

Danh mục các bảng, biểu ....................................................................................... 10

Bảng giải thích tóm tắt một số thuật ngữ............................................................... 11

Chƣơng 1. Giới thiệu chung ................................................................................ 13

1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 13

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................... 14

1.3. Mục đích của đề tài ...................................................................................... 14

1.4. Nội dung thực hiện ....................................................................................... 15

1.5. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 15

Chƣơng 2. Tổng quan về hệ phức hợp ............................................................... 16

2.1. Định nghĩa .................................................................................................... 16

2.2. Các tính năng của hệ phức hợp .................................................................... 18

2.3. Phân loại hệ thống phức hợp........................................................................ 19

2.3.1. Hệ thống hỗn loạn................................................................................... 19

2.3.2. Hệ thống thích nghi phức hợp ................................................................ 20

2.3.3. Hệ thống phi tuyến. ................................................................................ 20

2.4. Mô hình hóa hệ phức hợp............................................................................. 20

2.4.1. Mô hình hóa là gì.................................................................................... 20

2.4.2. Mô hình hóa hệ phức hợp....................................................................... 21

Chƣơng 3. Tổng quan về mạng nơron nhân tạo. .............................................. 24

3.1. Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo ................................................ 24

3.2. Các tính chất của mạng nơron nhân tạo ....................................................... 25

3.3. Mô hình mạng nơron.................................................................................... 25

3.3.1. Mô hình mạng nơron sinh học................................................................ 25

3.3.1.1. Chức năng, tổ chức và hoạt động của bộ não con người.................. 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 4 -

3.3.1.2. Mạng nơron sinh học ........................................................................ 27

3.3.2. Mạng nơron nhân tạo.............................................................................. 28

3.3.2.1. Khái niệm.......................................................................................... 28

3.3.2.2. Phân loại mạng nơron nhân tạo ........................................................ 32

3.3.2.3. Phương thức làm việc của mạng nơron nhân tạo.............................. 34

3.3.2.4. Các luật học ...................................................................................... 35

3.3.3. Mô hình toán học mạng nơron truyền thẳng và mạng nơron hồi quy.... 39

3.3.3.1. Mạng nơron truyền thẳng ................................................................. 39

3.3.3.2. Mạng nơron hồi quy.......................................................................... 41

3.4. Phạm vi ứng dụng của mạng nơron.............................................................. 43

3.4.1. Những bài toán thích hợp ....................................................................... 43

3.4.1.1. Mô hình hóa ...................................................................................... 43

3.4.1.2. Phân loại ........................................................................................... 44

3.4.1.3. Liên kết và kỹ thuật dịch chuyển cửa sổ........................................... 44

3.4.2. Các lĩnh vực ứng dụng của mạng nơron................................................. 45

3.4.3. Ưu nhược điểm của mạng nơron ............................................................ 46

3.5. Quá trình huấn luyện mạng nơron nhiều lớp................................................ 47

3.5.1. Quá trình thực hiện ................................................................................. 47

3.5.2. Quy tắc chuỗi.......................................................................................... 48

3.5.3. Độ chính xác của lan truyền ngược ........................................................ 49

3.6. So sánh khả năng của mạng nơron với mạch logic...................................... 50

Chƣơng 4. Hệ thống xử lý nƣớc thải .................................................................. 52

4.1. Các thông số đánh giá ô nhiễm và yêu cầu xử lý......................................... 53

4.1.1. Các thông số đánh giá ô nhiễm nước thải .............................................. 53

4.1.2. Yêu cầu xử lý ......................................................................................... 54

4.2. Quy trình của một hệ thống xử lý nước thải ................................................ 55

4.2.1. Xử lý sơ cấp............................................................................................ 56

4.2.2. Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí .................................................... 57

4.2.3. Xử lý bằng phân hủy Ozon..................................................................... 58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 5 -

4.2.4. Tuyển nổi thứ cấp và lắng thứ cấp ......................................................... 60

4.2.5. Xử lý và tái sử dụng bùn......................................................................... 60

4.3. Công nghệ xử lý nước thải công nghiệp ...................................................... 61

4.3.1. Đặc trưng của nước thải công nghiệp..................................................... 61

4.3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ .......................................................... 62

Chƣơng 5. Mô hình hóa hệ thống xử lý nƣớc thải sử dụng mạng nơron........ 64

5.1. Mô hình hóa quá trình xử lý nước thải......................................................... 64

5.2. Mạng nơ ron nhân tạo và mô hình thống kê kinh điển. ............................... 67

5.2.1. Sự tương đồng ........................................................................................ 67

5.2.2. Sự khác nhau........................................................................................... 68

5.2.2.1. Về mục tiêu....................................................................................... 68

5.2.2.2. Phương pháp tiếp cận mô hình. ........................................................ 68

5.3. Ứng dụng trong kỹ thuật môi trường. .......................................................... 69

5.4. Phát triển mô hình ....................................................................................... 70

5.4.1. Phương pháp luận. .................................................................................. 70

5.4.1.1. Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu...................................................... 70

5.4.1.2. Xây dựng mô hình ............................................................................ 71

5.4.1.3. Luyện mạng. ..................................................................................... 72

5.4.1.4. Kiểm chứng mạng............................................................................. 73

5.4.1.5. Khai thác mô hình............................................................................. 73

5.4.2. Xây dựng chương trình máy tính............................................................ 74

5.5. Ứng dụng mô hình cho trạm xử lý nước thải. .............................................. 77

5.5.1. Tổng quát chung ..................................................................................... 78

5.5.2. Trạm xử lý nước thải của nhà máy NatSteelVina.Thái Nguyên ............ 81

5.5.2.1. Giới thiệu về hệ thống xử lý nước thải. ............................................ 81

5.5.2.2. Thu thập số liệu................................................................................. 82

5.5.2.3. Xử lý số liệu...................................................................................... 82

5.5.2.4. Luyện và mô phỏng. ......................................................................... 83

5.6. Một số vấn đề về tự động hóa xử lý nước thải............................................. 88

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 6 -

5.6.1. Mục đích áp dụng tự động hóa xử lý nước thải...................................... 88

5.6.2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá.................................. 89

Kết luận và kiến nghị ............................................................................................. 93

Tài liệu tham khảo.................................................................................................. 94

Phụ lục.................................................................................................................... 97

Số liệu đầu vào đầu ra của trạm xử lý nước thải nhà máy NatSteelVina .............. 97

Hướng dẫn chương trình NeuralSim.................................................................... 103

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 7 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa

MIMO Hệ nhiều đầu vào - nhiều đầu ra.

SISO Một đầu vào - một đầu ra

MAE Mean Absoluted Errors: Sai số tuyệt đối trung bình.

RMSE Root Mean Squared Errors: Sai số bình phương trung bình gốc.

COD Chemical Oxygen Demand: Nhu cầu oxy hóa học.

DO Lượng oxy hòa tan

BOD Biochemical oxygen Demand: Nhu cầu oxy sinh hóa

NSVinaip NatSteel Vina Input

NSVinaop NatSteel Vina Output

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 8 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Trang

Hình 2.1. Bản đồ trực quan tổ chức khoa học hệ thống phức hợp ........................ 16

Hình 3.1. Não bộ người.......................................................................................... 25

Hình 3.2. Mô hình mạng nơron sinh học ............................................................... 27

Hình 3.3. Mô hình nơron nhân tạo......................................................................... 29

Hình 3.4. Hàm Ramp ............................................................................................. 31

Hình 3.5. Hàm bước nhảy ...................................................................................... 31

Hình 3.6. Hàm giới hạn cứng................................................................................. 32

Hình 3.7. Hàm Sigmid hai cực............................................................................... 32

Hình 3.8. Mạng truyền thẳng một lớp.................................................................... 33

Hình 3.9. Mạng truyền thẳng nhiều lớp ................................................................. 33

Hình 3.10. Nơron tự phản hồi ................................................................................ 33

Hình 3.11. Mạng phản hồi một lớp ........................................................................ 34

Hình 3.12. Mạng phản hồi nhiều lớp ..................................................................... 34

Hình 3.13. Cấu trúc huấn luyện mạng nơron......................................................... 35

Hình 3.14. Mô hình học có giám sát và học củng cố............................................. 36

Hình 3.15. Học không có giám sát......................................................................... 37

Hình 3.16. Sơ đồ cấu trúc chung của quá trình học ............................................... 38

Hình 3.17. Mô hình mạng truyền thẳng 1 lớp........................................................ 39

Hình 3.18. Mạng nơron nhiều lớp truyền thẳng..................................................... 40

Hình 3.19. Mạng nơron hồi quy một lớp ............................................................... 41

Hinh 3.20. Mạng nơron hồi quy nhiều lớp............................................................. 41

Hình 4.1. Quy trình của một hệ thống xử lý nước thải .......................................... 55

Hình 4.2. Quy trình công nghệ xử lý nước thải ..................................................... 61

Hình 5.1. Sơ đồ hóa của 1 khâu đại diện trong hệ thống xử lý nước thải.............. 64

Hình 5.2. Phân loại các công cụ mô hình hóa........................................................ 65

Hình 5.3. Hướng lựa chọn các kỹ thuật mô hình hóa cho các hệ thống ................ 66

Hình 5.4. Các bước phát triển mô hình.................................................................. 70