Ứng dụng mạng nơron nhân tạo và hồi quy tuyến tính đa biến trong mô phỏng lượng bức xạ mặt trời tại trạm khí tượng Nhà Bè – Thành phố Hồ Chí Minh :Luận văn Thạc sĩ - Chuyên ngành : Quản lý Tài nguyên và Môi trường

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÂM THỊ LỆ

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO VÀ

HỒI QUY TUYẾN TÍNH ĐA BIẾN TRONG MÔ

PHỎNG LƢỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI

TRẠM KHÍ TƢỢNG NHÀ BÈ – THÀNH PHỐ

HỒ CHÍ MINH

Ngành: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG

Mã ngành: 8.85.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Trí Dũng

Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 13 tháng 08 n m 2022.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

1. PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình - Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS Đào Nguyên Khôi - Phản iện 1

3. TS. Đinh Thanh Sang - Phản iện 2

4. TS. Lê Hồng Thía - Ủy viên

5. TS. Nguyễn Thị Lan Bình - Thƣ ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG VIỆN TRƢỞNG VIỆN KHCN&QLMT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÂM THỊ LỆ MSHV: 19000511

Ngày, tháng, n m sinh: 17/11/1996 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trƣờng Mã chuyên ngành: 8850101

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng mạng nơron nhân tạo và hồi quy tuyến tính đa iến trong mô phỏng

lƣợng ức xạ mặt trời tại trạm khí tƣợng Nhà Bè – Thành phố Hồ Chí Minh

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thu thập các thông tin, tài liệu tổng quan, các số liệu khí tƣợng có liên quan tại trạm

khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh, từ đó xây dựng phƣơng pháp phân tích

đánh giá nhằm mô phỏng tổng lƣợng ức xạ mặt trời.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo Quyết định số 103/QĐ-ĐHCN ngày 19 tháng

01 n m 2022 về việc giao đề tài và cử ngƣời hƣớng dẫn luận v n Thạc s .

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/07/2022

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Trí Dũng

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

VIỆN TRƢỞNG VIỆN KHCN&QLMT

(Họ tên và chữ ký)

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, tôi cũng đã hoàn thành nội dung của khóa luận. Việc

hoàn thành luận v n không chỉ là sự nỗ lực của ản thân tôi mà còn có sự giúp đỡ,

hỗ trợ tích cực của nhiều thầy cô, anh chị và các ạn.

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Viện Khoa học Công nghệ &

Quản lý Môi trƣờng - Trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh những

ngƣời đã tận tình truyền đạt kiến thức quý áu cho tôi suốt trong thời gian học tập

vừa qua.

Xin chân thành cảm ơn Tiến s Trần Trí Dũng, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn

tôi thực hiện luận v n. Thầy đã dành cho tôi rất nhiều thời gian và tâm sức, cho tôi

rất nhiều ý kiến, quan điểm và sửa chữa từng chi tiết trong quá trình nghiên cứu của

tôi, giúp luận v n của tôi đƣợc hoàn thiện hơn về nội dung và hình thức. Thầy cũng

luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để tôi có thể hoàn thành luận v n đúng

tiến độ.

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ạn è và các anh chị đã luôn động viên,

giúp đỡ em trong quá trình làm luận luận v n.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài “Ứng dụng mạng nơron nhân tạo và hồi quy tuyến tính đa iến trong mô

phỏng lƣợng ức xạ mặt trời tại trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố Hồ Chí Minh”

có mục tiêu xây dựng đƣợc mô hình hồi quy tuyến tính đa iến, đồng thời xác định

đƣợc mô hình mạng Nơron nhân tạo phù hợp để mô phỏng lƣợng ức xạ mặt trời và

so sánh hiệu quả mô phỏng với mô hình hồi quy tuyến tính đa iến. Bên cạnh đó,

nghiên cứu này cũng xếp hạng các iến độc lập theo độ ảnh hƣởng đến độ chính xác

của kết quả mô phỏng ằng ANN, đánh giá độ chính xác cho công tác dự áo của

kết quả mô phỏng cho các phƣơng pháp trên dựa trên chuỗi số liệu độc lập. Để hoàn

thành mục tiêu đề ra, luận v n đã áp dụng tổng hợp nhiều cách tiếp cận khác nhau

nhƣ phƣơng pháp thu thập thông tin, phƣơng pháp kế thừa, phƣơng pháp phân tích

đánh giá. Trong đó, nghiên cứu đã sử dụng phần mềm SPSS để xây dựng mô hình

hồi quy tuyến tính đa iến và phần mềm Matla để mô phỏng mạng nơron nhân tạo.

Kết quả nghiên cứu cho thấy mạng nơron nhân tạo (R = 0.884 và MAE = 411.7637)

cho kết quả mô phỏng tổng lƣợng ức xạ mặt trời ngày tốt hơn mô hình hồi quy

tuyến tính đa iến (R = 0.817 và MAE = 671.4737). Cấu trúc ANN 7-6-1với 7 iến

đầu vào ao gồm ngày trong n m, độ ẩm cao nhất (%), độ ẩm thấp nhất (%), tốc độ

gió trung ình ngày (m/s), lƣợng ốc hơi ngày (mm), nhiệt độ thấp nhất (oC), nhiệt

độ cao nhất (oC) và 1 iến đầu ra là tổng lƣợng ức xạ mặt trời ngày (w/m2

) đã đƣợc

chứng minh là phù hợp trong mô phỏng. Trong đó, ngày trong n m là yếu tố ảnh

hƣởng nhất đến kết quả mô phỏng (khi loại ỏ yếu tố này sẽ làm t ng giá trị sai số

MAE lên 15.9%) và yếu tố tốc độ gió trung ình ngày có mức độ ảnh hƣởng nhỏ

nhất (khi loại ỏ yếu tố này chỉ làm t ng giá trị sai số lên 0.6%) ảnh hƣởng không

đáng kể đến độ chính xác của mô hình. Mô hình mô phỏng tổng lƣợng ức xạ mặt

trời ngày khi đƣợc đánh giá trên các ộ số liệu độc lập đã cho thấy độ chính xác khá

cao với kết quả mô phỏng gần giống với kêt quả thực đo. Mặc dù nghiên cứu vẫn

còn những hạn chế nhƣng kết quả đã thể hiện đƣợc khả n ng dự áo của mạng

nơron nhân tạo, qua đó có thể đóng góp vào công tác xây dựng phƣơng pháp hữu

ích trong việc mô phỏng các số liệu tƣơng tự trong công tác điều tra khí tƣợng.

iii

ABSTRACT

The topic "Application of Artificial nơron networks and Multivariable linear

regression in solar radiation simulation at Nha Be meteorological station - Ho Chi

Minh City" had the goal of building a multivariate linear regression model, and at

the same time determining a suitable Artificial neuron network (ANN) model to

simulate the amount of solar radiation and compare the simulation efficiency with a

multivariable linear regression model. In addition, this study also ranked the

independent variables according to their influence on the accuracy of the simulation

results by ANN, assessing the accuracy for the prediction of the simulation results

for the above methods based on independent data series. To accomplish the set

objectives, the thesis has applied a combination of different approaches such as

information collection method, inheritance method, analysis and evaluation method.

In this study, the author had used SPSS software to build multivariable linear

regression models and Matlab software to simulate artificial nơron networks.

The results showed that the Artificial neuron network (R = 0.884 and

MAE = 411,7637) gives better simulation results of the total daily solar radiation

than the multivariable linear regression model (R = 0.817 and MAE = 671,4737).

ANN structure 7-6-1 with 7 input variables including day of year, highest humidity

(%), lowest humidity (%), daily average wind speed (m/s), daily evaporation (mm),

minimum temperature (oC), maximum temperature (oC) and an output variable of

total daily solar radiation (w/m2

) have been proven to be suitable in the simulation.

In which, the day of the year is the most influential factor on the simulation results

(while removing this factor, the MAE error value would increase to 15.9%) and the

daily average wind speed has the smallest influence (removing this factor only

increases the error value to 0.6%) which does not significantly affect the accuracy

of the model. Being evaluated on independent data sets, the simulation model of

total daily solar radiation has shown high accuracy with simulation results which

were close to the actual measured results. Although the study still has some

limitations, the results had demostrated the predictive ability of artificial nơron

networks, thereby contributing to the construction of useful methods for simulating

similar data in meteorological investigations.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Ứng dụng mạng nơron nhân tạo và hồi quy tuyến tính đa

iến trong mô phỏng lƣợng ức xạ mặt trời tại trạm khí tƣợng Nhà Bè – thành phố

Hồ Chí Minh” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các

kết luận trong luận v n là trung thực và không sao chép từ ất kỳ một nguồn hoặc

hình thức nào. Các nguồn tham khảo (nếu có) đã đƣợc trích dẫn và ghi nguồn tài

liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Lâm Thị Lệ

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ..........................................................................ii

ABSTRACT...........................................................................................................iii

LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................iv

MỤC LỤC ..............................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................ix

MỞ ĐẦU ................................................................................................................1

1 Đặt vấn đề ............................................................................................................1

2 Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................2

2.1 Mục tiêu tổng quát.............................................................................................2

2.2 Mục tiêu cụ thể ..................................................................................................2

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.........................................................................3

3.1 Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................................3

3.2 Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................3

4 Cách tiếp cận nghiên cứu và phƣơng pháp thực hiện ............................................3

5 Ý ngh a thực tiễn của đề tài ..................................................................................3

5.1 Ý ngh a khoa học...............................................................................................3

5.2 Ý ngh a thực tiễn ...............................................................................................4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ............................5

1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu.....................................................................5

1.1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu [1]................................................................5

1.1.2 Bức xạ mặt trời .........................................................................................15

1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu.................................................................17

1.2.1 Tổng quan Thành phố Hồ Chí Minh [42]..................................................17

1.2.2 Trạm khí tƣợng thủy v n Nhà Bè ..............................................................21

vi

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc.......................................22

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc..............................................................22

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..............................................................25

CHƢƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....................29

2.1 Nội dung nghiên cứu ................................................................................29

2.1.1 Thu thập số liệu nghiên cứu ......................................................................29

2.1.2 Kiểm tra chất lƣợng và đánh giá thống kê sơ ộ số liệu đầu vào ...............29

2.1.3 Tính toán hồi quy sử dụng hàm tuyến tính đa iến để mô phỏng ức xạ mặt

trời .................................................................................................................29

2.1.4 Mô phỏng lƣợng ức xạ mặt trời ằng mạng Nơron nhân tạo (ANN)........29

2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................................30

2.2.1 Phƣơng pháp thu thập thông tin ................................................................30

2.2.2 Phƣơng pháp quan trắc các yếu tố khí hậu ................................................30

2.2.3 Phƣơng pháp phân tích đánh giá ...............................................................31

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................37

3.1 Kiểm tra chất lƣợng và đánh giá thống kê sơ ộ số liệu đầu vào ...............37

3.2 Xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa iến để mô phỏng lƣợng ức xạ

mặt trời .................................................................................................................38

3.2.1 Phân tích tính tƣơng quan giữa các iến....................................................38

3.2.2 Phân tích hồi quy tuyến tính đa iến .........................................................42

3.3 Mô phỏng lƣợng ức xạ mặt trời ằng mạng Nơron nhân tạo (ANN) .......53

3.3.1 Xây dựng mô hình mạng thần kinh nhân tạo để mô phỏng ức xạ mặt trời

và so sánh độ chính xác với mô hình hồi quy sử dụng hàm đa iến........................53

3.3.2 Đánh giá sự ảnh hƣởng của các iến độc lập đến độ chính xác của kết quả

mô phỏng ằng phƣơng pháp rút dần từng yếu tố khỏi số liệu đầu vào. .................63

3.3.3 Đánh giá độ chính xác trong dự áo dựa trên chuỗi số liệu độc lập. ..........64

3.4 Thảo luận .................................................................................................69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................72

TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................75

PHỤ LỤC..............................................................................................................81

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN.......................................................84