tập 113, số 13, 2013

HOGNGHE

AND TECHNOLOCf

TU NHITN I KY THUAT

EE TEEHNOLOEY

Tạp chí Khoa h ọc và Công ngh ệ

CHUYÊN SAN KHOA H ỌC TỰ NHIÊN – KỸ THUẬT

Mục lục Trang

Nguyễn Thu Huyền, Nguyễn Thị Tuyển - Kết hợp hệ mờ và giải thuật di truyền giải bài toán tối ưu 3

Lê Hữu Thiềng, Trần Thị Linh, Phạm Hồng Chuyên - Tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Tuli với L – Histidin 7

Nguyễn Văn Hảo, Nguyễn Thị Khánh Vân, Hà Thị Thùy, Lê Thị Kim Cương - Nghiên cứu và phát triển hệ laser rắn Nd: YVO4 được bơm bằng laser diode công suất cao 13

Chu Việt Hà, Nguyễn Thị Vân, Trần Anh Đức, Vũ Thị Kim Liên - Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano chấm lượng tử CdSe cho ứng dụng đánh dấu sinh học 17

Nguyễn Xuân Lai, Tr ần Quang Vinh - Tương tự định lý năm điểm Nevanlinna và giả thuyết Hayman đối với đạo hàm của các hàm phân hình P- Adic 25

Phùng Duy Quang - Ước lượng xác suất phá sản trong mô hình bảo hiểm tổng quát có tác động của lãi suất với dãy số tiền thu, dãy lãi suất là các xích Markov thuần nhất 33

Nguyễn Việt Phương - Các định lý duy nhất cho các đường cong chỉnh hình trên hình vành khuyên kết hợp với các siêu phẳng 39

Tr ần Nguyên Bình, Nguyễn Thị Thu Hường, Phạm Thị Linh - Tiếp cận bất đẳng thức ma trận tuyến tính để nghiên cứu tính ổn định mạnh của hệ phi tuyến không chắc chắn với thời gian rời rạc 47

Đỗ Đình Cường - Cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến đa đường trong mạng AD HOC theo cách tiếp cận liên tầng 53

Nông Thị Hoa, Bùi Thế Duy - Một thuật toán học cải tiến của bộ nhớ liên kết hai chiều 61

Nguyễn Thị Thúy Hiên, Nguyễn Hoàng Sơn, Nguyễn Văn Tình - Nghiên cứu tính khả thi của công nghệ sàn Bubbledeck trong xây dựng 67

Nguyễn Tiến Đức, Nguyễn Ngọc Ý, Nguyễn Khánh Duy - Một số giải pháp thiết kế biệt thự xanh tại thành phố Thái Nguyên 73

Nguyễn Xuân Thành, Phạm Văn Hiệp, Trần Xuân Cường - Nghiên cứu bố cục không gian kiến trúc cảnh quan khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa 77

Đồng Minh Hùng, Nguyễn Thế Hùng - Hiện trạng thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt của thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc và các giải pháp nâng cao chất lượng quản lý 83

Đặng Thị Hồng Phương, Phạm Thị Hải Thịnh, Hà Anh Tuấn - Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ cod:n và chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR 89

Hoàng Văn Hùng, Phạm Tất Đạt, Tr ần Thị Mai Anh - Đánh giá hiện trạng môi trường nước mặt hồ Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên 95

Phan Đình Binh - Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô, tỉnh Vĩnh Phúc 101

Nguyễn Văn Vinh, Lê Thu Trang, Nguyễn Thị Xuân Hương - Một cách tiếp cận tích hợp trí thức về ngôn ngữ vào hệ dịch máy thống kê 107

Nguyễn Thị Mai Hương, Mai Trung Thái, Lê Thị Huyền Linh, L ại Khắc Lãi - Nghiên cứu chiến lược tối ưu hóa trong điều khiển dự báo 115

Phan Đình Kỳ, Lại Khắc Lãi - Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng dựa trên bộ điều khiển mờ lai 123

Vi Thùy Linh, Nguy ễn Thu Hường, Chu Thị Hồng Huyền - Thị trường carbon và triển vọng tại Vi ệt Nam 129

Ngô Thị Vinh - Triển khai hệ điều hành nhúng thời gian thực Freertos trên vi điều khiển ARM AT91SAM7S256 135

Lành Thị Ngọc, Phạm Hải Yến - Nghiên cứu thành phần hóa học của rễ cây Bạch Thược (Paeonia Lactiflora Pall.) 141

Lại Khắc Lãi - Điều khiển mờ lai áp dụng cho biến tần một pha nối lưới 147

Hà Trần Phương, Phạm Thị Tuyết Mai – Một định lý mới về vấn đề duy nhất cho đường cong chỉnh hình chung

nhau các siêu mặt cố định 153

Journal of Science and Technology

113(13)

Năm 2013

Tạp chí Khoa h ọc và Công ngh ệ

NATURAL SCIENCE – TECHNOLOGY Content Page

Nguyen Thu Huyen, Nguyen Thi Tuyen - Combine genetic algorithms with fuzzy logic to solve optimization problems 3

Le Huu Thieng, Tran Thi Linh, Pham Hong Chuyen - Synthesis, study on the complex of thulium with L – Histidine 7

Nguyen Van Hao, Ha Thi Thuy, Nguyen Thi Khanh Van, Le Thi Kim Cuong - Research and development of a high power diode-pumped solid-state Nd: YVO4 laser system 13

Chu Viet Ha, Nguyen Thi Van, Tran Anh Duc, Vu Thi Kim Lien - Synthesis and optical properties of cdse quantum dot nanocrystals for biolabeling applications 17

Nguyen Xuan Lai, Tran Quang Vinh - Version of nevanlinna five-value theorem and hayman conjecture for derivatives of P-adic meromorphic functions 25

Nguyen Viet Phuong - Uniqueness the orems for holomorphic curves on annulus sharing hyperplales 39

Tran Nguyen Binh, Nguyen Thi Thu Huong, Pham Thi Linh - Stabilyti analysis of switched multiple nonlinear discrete systems with intervan time-varying delays 47

Do Dinh Cuong - Enhancing performance of multi-path routing protocols in ad hoc networks based on coss layer approach 53

Nong Thi Hoa, The Duy Bui - An improved learning algorithm of bam 61

Nguyen Thi Thuy Hien, Nguyen Hoang Son, Nguyen Van Tinh - Study feasibility of a bubbledeck technology in construction 67

Nguyen Tien Duc, Nguyen Ngoc Y, Nguyen Khanh Duy - Design solutions of villa green in Thai Nguyen city 73

Nguyen Xuan Thanh, Pham Van Hiep, Tran Xuan Cuong - Researching of spatial arrangement and landscape architecture design for ATK Dinh Hoa cultural – historical tourist area 77

Dong Minh Hung, Nguyen The Hung - Current status of water and living wastewater treatment of Vinh Yen city, Vinh Phuc province solutions and improve quality management 83

Dang Thi Hong Phuong, Pham Thi Hai Thinh, Ha Anh Tuan - To study the effect of the cod:n and supply water regime on the performance in wastewater treatment from pig livestock by sbr methods 89

Hoang Van Hung, Pham Tat Dat, Tran Thi Mai Anh - Assessment of the environmental surface water status in Nui Coc lake, Thai Nguyen province 95

Phan Dinh Binh - Studying and assessing the water environment of Lo river with in Song Lo district, Vinh Phuc province 101

Nguyen Van Vinh, Le Thu Trang, Nguyen Thi Xuan Huong - An integrated approach to language of intellectual into the statistical machine translation 107

Nguyen Thi Mai Huong, Mai Trung Thai, Le Thi Huyen Linh, Lai Khac Lai - Optimization strategy in model predictive control (MPC) 115

Phan Dinh Ky, Lai Khac Lai - Control gear drive system based on hybrid fuzzy controller 123

Vi Thuy Linh, Nguyen Thu Huong, Chu Thi Hong Huyen - Carbon market and prospects in Vietnam 129

Ngo Thi Vinh - Deployment embedded operating system freertos on ARM microprocessor AT91SAM7S256 135

Lanh Thi Ngoc, Pham Hai Yen - Study on chemical components from the roots of paeonia lactiflora pall 141

Lai Khac Lai - Fuzzy Logic Controller for Grid-Connected single phase Inverter 147

Ha Tran Phuong, Pham Thi Tuyet Mai - A new uniqueness theorem for holomorphic curves sharing fixed hypersurfaces 153

Journal of Science and Technology

113(13)

2013

Nguyễn Thu Huyền và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 3 - 6

3

KẾT HỢP HỆ MỜ VÀ GIẢI THUẬT DI TRUY ỀN GIẢI BÀI TOÁN T ỐI ƯU

Nguyễn Thu Huyền*, Nguyễn Thị Tuyển

Trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Giải thuật di truyền (GAs) là một công cụ hữu ích giải quyết các bài toán tối ưu dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên. Tuy nhiên, kết quả tối ưu của GAs còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như khởi tạo quần thể ban đầu, kích cỡ quần thể, xác xuất lai, xác suất đột biến…. Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành kết hợp hệ mờ với GAs nhằm tạo ra một quần thể ban đầu gồm những cá thể được sinh ra từ kết quả của hệ mờ, sau đó tiếp tục áp dụng GAs cho ra kết quả cuối cùng. Chúng tôi cũng tiến hành giải một số hàm tối ưu bằng GAs thuần túy và bằng sự kết hợp giữa hệ mờ với GAs, sau đó so sánh kết quả của cả hai phương pháp và rút ra kết luận hiệu quả của việc kết hợp này. Từ khóa: Giải thuật di truyền, hệ mờ, hàm Sphere, Schwefel.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Trong GAs, các cá thể trong quần thể ban đầu được sinh ra hoàn toàn ngẫu nhiên. Chính vì vậy trước khi hoàn thành việc khởi tạo quần thể ban đầu, chúng ta không thể biết được các cá thể ấy có độ thích nghi tốt hay xấu với môi trường. Nếu các cá thể ấy thích nghi tốt với môi trường thì khả năng sau này giải thuật tìm được ra lời giải tối ưu là rất cao. Chính vì vậy, chúng tôi nghĩ đến tác động vào việc khởi tạo quần thể ban đầu sao cho có thể sinh ra các cá thể có độ thích nghi cao với môi trường ngay từ đầu. Để làm được điều đó, việc kết hợp hệ mờ với GAs là một ý tưởng hay.

Bài báo này muốn đưa ra một ý tưởng kết hợp hệ mờ và GAs để tạo ra quần thể ban đầu gồm những cá thể có độ thích nghi cao, sau đó áp dụng các toán tử di truyền để tìm ra lời giải tối ưu. Để kiểm tra tính hiệu quả của sự kết hợp này, chúng tôi tiến hành giải một số hàm tối ưu bằng GAs thuần túy và giải thuật đề xuất để so sánh kết quả, sau đó rút ra kết luận.

Bài báo có cấu trúc như sau: Sau phần mở đầu, bài báo trình bày thuật toán đề xuất kết hợp GAs với hệ mờ. Phần kế tiếp trình bày các kết quả thử nghiệm trên một số bài toán cụ thể. Cuối cùng là kết luận và thảo luận.

* Tel: 0904012478; Email: [email protected]

KẾT HỢP GAs VÀ HỆ MỜ

Giới thi ệu chung về hệ mờ

Hệ mờ bao gồm các đầu vào, đầu ra cùng với bộ xử lý. Các yếu tố đầu vào của hệ nhận giá trị số rõ, còn đầu ra có thể là một tập mờ hoặc một giá trị rõ. Bộ xử lý thực chất là một ánh xạ phản ánh sự phụ thuộc của biến đầu ra hệ thống với biến đầu vào. Quan hệ ánh xạ của đầu ra đối với các đầu vào của hệ mờ được mô tả bằng một tập luật mờ.

Cấu trúc cơ bản của hệ mờ gồm bốn thành phần chủ đạo[4]:

Hình 1. Kiến trúc của hệ mờ

- Giao diện mờ hoá (Fuzzification): Có chức năng thực hiện việc chuyển đổi các đầu vào rõ thành các mức mờ.

- Cơ sở luật (rule base): Chứa các luật mờ if - then, thực chất là một tập các phát biểu hay quy tắc mà con người có thể hiểu được. Cơ sở luật là thành phần quan trọng nhất của bất kỳ mô hình mờ nào.


4

- Cơ chế suy diễn (inference mechanism): Có chức năng thực hiện thủ tục suy diễn mờ dựa trên cơ sở tri thức và các giá trị đầu vào để đưa ra một giá trị dự báo ở đầu ra.

- Giao diện giải mờ (Defuzzification): Có chức năng thực hiện chuyển đổi kết quả suy diễn mờ thành giá trị đầu ra rõ. Hệ mờ thực hiện việc suy luận để tạo ra các quyết định từ các thông tin mơ hồ, không đầy đủ, thiếu chính xác.

Có hai dạng mô hình mờ cơ bản:

Mô hình mờ Mamdani: ( mô hình ngôn ngữ (linguistic model(1975))) được đề xuất với mục đích ban đầu là điều khiển tổ hợp động cơ hơi nước và nồi hơi thông qua một tập luật dạng ngôn ngữ thu được từ những thao tác viên, người có kinh nghiệm. Đây là mô hình mờ điển hình nhất, với bộ luật bao gồm các luật mà phần giả thiết và phần kết luận đều là các tập mờ.

Mô hình mờ Takagi- Sugeno (TSK): được đề xuất bởi Takagi, Sugeno và Kang vào những năm 1985. Mô hình mờ này ra đời với mục đích sinh luật mờ từ những tập dữ liệu vào ra cho trước. Nó được cấu thành từ một tập các luật mờ, trong đó phần kết luận của mỗi luật là một hàm (không mờ) ánh xạ các tham số đầu vào của hệ mờ tới tham số đầu ra mô hình. Tham số của các ánh xạ này có thể được đánh giá thông qua các giải thuật nhận dạng như phương pháp bình phương tối thiểu hay bộ lọc Kalman. Một luật mờ điển hình trong mô hình Takagi-Sugeno có dạng sau[5]:

“ If x is A & y is B then z = f(x, y)”

Trong đó x, y là các biến đầu vào, Ai và Bi là các tập mờ trong phần giả thiết của mỗi luật, trong khi z = f(x, y) là một hàm rõ trong phần kết luận. Thông thường hàm f (x, y) có dạng đa thức của hai biến đầu vào x, y.

Kết hợp GAs và hệ mờ

Để khởi tạo được quần thể ban đầu gồm những cá thể có độ thích nghi cao, chúng tôi cho những giá trị đầu vào của bài toán cần tìm lời giải tối ưu vào hệ mờ, các yếu tố đầu vào của hệ nhận giá trị số rõ. Sau đó hệ mờ sẽ sử

dụng các hàm thuộc và các luật mờ cho trước để đưa ra được kết quả đầu ra rõ. Mà đầu ra này sẽ tạo ra được quần thể ban đầu bao gồm những cá thể có độ thích nghi cao. Tiếp đến là áp dụng các toán tử di truyền trong GA để tìm lời giải tối ưu của bài toán. Việc giải quyết bài toán thông qua các bước cơ bản như sau:

Bước 1: Khởi tạo quần thể ngẫu nhiên cho mô hình TSK Bước 2: Tính giá trị thích nghi dựa trên mô hình mờ TSK với các hàm thành viên và các luật cho trước, kết quả của hệ mờ sẽ đưa ra được các cá thể trong quần thể ban đầu có giá trị thích nghi “tốt”. Bước 3: Sao chép lại các nhiễm sắc thể dựa vào giá trị thích nghi của chúng và tạo ra các nhiễm sắc thể mới bằng việc kết hợp các nhiễm sắc thể hiện tại (dùng toán tử lai ghép, đột biến, tái kết hợp trong GAs). Bước 4: Chọn lọc các cá thể có độ thích nghi cao cho vào quần thể ở thế hệ tiếp theo. Bước 5: Quay lại bước 2 cho đến khi thỏa mãn số lần lặp định trước hoặc trong vài lần lặp làm kết quả không đạt được sự tối ưu hơn.

CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU

Hàm Sphere Hàm Sphere được cho bởi công thức

∑=n

ixxf1

2)( với -5.12≤ xi≤5.12, n=30. Đồ

thị của hàm Sphere được thể hiện ở hình 2. [1]

Hình 2. Đồ thị hàm Sphere

Hàm Schwefel Hàm Schwefel được cho bởi công thức

nxxxxf iin *))sin(*()...( 1 α+−= ∑

với α=418.982887, -5.12≤ xi≤5.12. Đồ thị của hàm Schwefel được thể hiện ở hình 3. [2]


5

Hình 3. Đồ thị hàm Schwefel

ÁP DỤNG GAS THUẦN TÚY VÀ THUẬT TOÁN KẾT HỢP GAS VỚI HỆ MỜ GIẢI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU Chúng tôi tiến hành giải các bài toán tối ưu bằng cách sử dụng giải thuật di truyền thuần túy như sau:

- Mã hóa: Mỗi cá thể là một vector có số chiều bằng số chiều của mỗi hàm. Vì số chiều của hàm n=30 nên mỗi cá thể là một vector có độ dài là 30 và mỗi phần tử trong vector đó là giá trị của xi (i=1..30) tương ứng.

- Khởi tạo quần thể ban đầu gồm 100 cá thể. Vì mỗi cá thể là một vector độ dài 30 nên quần thể ban đầu gồm 100 cá thể có nghĩa là chúng tôi có 100 vector như vậy.

- Tính độ thích nghi cho từng cá thể trong quần thể ban đầu: cá thể thứ i (i=1..100) được tính độ thích nghi theo công thức Fitness(xi) =

)(min

iff − trong đó fmin là giá trị nhỏ nhất

của hàm tương ứng, f(i) là giá trị của hàm đó ứng với dữ liệu là các xi đã được sinh ra.

- Quá trình tiến hóa như sau:

Lai ghép: Chúng tôi sử dụng lai số học. Tạo một số ngẫu nhiên k trong khoảng từ 0 đến 100. Cá thể thứ k được gọi là cha. Tương tự như vậy, chọn một số ngẫu nhiên h trong khoảng từ 0 đến 100. Cá thể thứ h được gọi là mẹ. Chọn ngẫu nhiên r (0,1). Tạo cuộc gọi con cái của họ là O1 và O2 (O1 = r * h (1-r)*k và O2 = (1-r)*h+ r*k). Tại mỗi thế hệ, chúng tôi tiến hành chọn 10 cặp cha mẹ để tiến hành lai ghép và sinh ra các con.

Đột biến: Tạo một số thực trong khoảng (0,1). Nếu a<0.001 thì chúng tôi tiến hành đột biến, nếu không thì không đột biến.

Sau đó, chúng tôi tiến hành chọn lọc. Chúng tôi so sánh độ thích nghi của cha mẹ với con cái. Nếu cá thể nào có độ thích nghi cao hơn thì cá thể đó được chọn vào quần thể cho thế hệ tiếp theo. Chúng tôi sẽ chọn hai trong số bốn cá thể cha mẹ và hai con.[3]

Quá trình tiến hóa lặp đi lặp lại như vậy cho đến 500 lần thì dừng tức là sau 500 thế hệ cho ra kết quả và so sánh kết quả của GAs với giải thuật kết hợp hệ mờ với GAs từ đó rút ra kết luận.

Đối với việc kết hợp hệ mờ và GAs, chúng tôi tiến hành như sau:

- Mã hóa: Dùng mã hóa số thực như GAs

- Khởi tạo quần thể: Chúng tôi dùng dữ liệu quần thể ban đầu của GAs thuần túy làm giá trị đầu vào cho hệ mờ TSK. Tính giá trị thích nghi dựa trên mô hình mờ TSK với các hàm thành viên và các luật cho trước, dựa vào ý kiến chuyên gia, kết quả của hệ mờ sẽ đưa ra được các cá thể trong quần thể ban đầu có giá trị thích ghi “tốt”. Các cá thể này lại được đưa vào quá trình tiến hóa trong GAs để tiếp tục tìm lời giải tối ưu.

KẾT QUẢ

Chúng tôi tiến hành chạy chương trình bằng ngôn ngữ Matlab phiên bản 7.13.0.564. Trong đó, với mỗi thuật toán chúng tôi chạy 100 lần và cho ra kết quả tốt nhất của 10 lần chạy. Kết quả tìm kiếm giá trị nhỏ nhất tìm được của hai hàm bằng cả hai thuật toán được thể hiện trên bảng 1. Trong đó cột 1 thể hiện giá trị tốt nhất (giá trị nhỏ nhất) trong mỗi lần chạy của hàm Sphere bằng GAs thuần túy. Cột 2 thể hiện giá trị tốt nhất (giá trị nhỏ nhất) trong mỗi lần chạy của hàm Sphere bằng giải thuật kết hợp hệ mờ và GAs. Cột 3 thể hiện giá trị tốt nhất trong mỗi lần chạy của hàm Schwefele bằng GAs thuần túy. Cột 4 thể hiện giá trị tốt nhất trong mỗi lần chạy của hàm Schwefele bằng giải thuật kết hợp hệ mờ và GAs.

Nhận xét

Kết quả từ bảng cho chúng ta thấy rằng, sau 100 lần chạy chương trình khác nhau của giải thuật kết hợp hệ mờ và GAs thì cho kết quả


6

tốt hơn hẳn so với giải thuật GAs thuần túy. Đây là một tín hiệu tốt cho thấy rằng sự kết hợp hệ mờ và GAs có thể cho kết quả cao đối với một số bài toán tối ưu. Mặc dù đây mới chỉ là một bài toán thử nghiệm, song chúng tôi thấy triển vọng phát triển là rất khả quan.

KẾT LUẬN

Trên cơ sở những kết quả đã đạt được chúng tôi có thể kết luận rằng việc kết hợp GAs với hệ mờ trong việc tạo ra những cá thể có độ thích nghi cao cho quần thể ban đầu đã cho ra kết quả tối ưu hơn so với GAs thuần túy trong hai hàm chúng tôi đã chọn. Điều này là một tín hiệu tốt và mở ra cho chúng tôi hướng ứng dụng việc kết hợp giữa hai hệ này vào các bài toán tối ưu khác.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Anyong Qing (2009), “Differential Evolution: Fundamentals and Applications in Electrical Engineering” Wiley-Blackwell (an imprint of John Wiley & Sons Ltd), USA. [2]. Germundsson (2000), “Symbolic systems- theory, computation and applications”, Linkoping University, Sweden. [3]. Kevin M Passino and Stephen Yurjovich, “Fuzzy Control”, Addison Wesley 1998 [4]. Vu Manh Xuan (2012), “ Combine Genetic Algorithm and Tabu Search to solve mutil-objective optimization problems”, Jounal of Science and Technology, Thai Nguyen University. [5]. W.A Farag, V.H Quintana,. G Lambert-Torres, “A Genetic-Based Neuro-Fuzzy Approach to odelling and Control of Dynamical Systems” , IEEE Transactions on neural Networks Volume: 9 Issue: 5 Sep 1998 Page(s): 756 –767

Bảng 1. Kết quả tìm kiếm giá trị nhỏ nhất tìm được của hai hàm bằng cả hai thuật toán

Hàm Sphere Hàm Schwefel GAs thuần túy Kết hợp GAs với hệ mờ GAs thuần túy Kết hợp GAs với hệ mờ

Lần 1 121.0232 120.13 2.2161 1.8756 Lần 2 173.4201 172.9 2.7829 2.0039 Lần 3 175.7264 152.17 2.6841 2.441 Lần 4 211.4565 2.1427 2.3319 2.7382 Lần 5 144.8202 139.45 2.4532 1.8931 Lần 6 183.0801 154.99 2.1933 1.7673 Lần 7 193.6116 171.42 2.3013 2.322 Lần 8 171.9131 170.65 2.3173 2.1182 Lần 9 166.8657 151.35 2.4879 2.4357 Lần 10 155.01173 149.64 2.8621 2.5699

SUMMARY COMBINE GENETIC ALGORITHMS WITH FUZZY LOGIC TO SOLV E OPTIMIZATION PROBLEMS

Nguyen Thu Huyen*, Nguyen Thi Tuyen College of Information and Communication Technology – TNU

Genetic Algorithms (GAs) are a useful tool for solving optimization problems based on the mechanism of natural selection. However, the GA optimization results also depend on parameters such as initial initialize population, population size, probability of future, the probability of mutation .... Therefore, we conducted a GA combined with fuzzy logic to create an initial population of individuals is born from the process of fuzzy logic, then continue to apply GA to the final result. We also solved two optimal functions by pure GA and the combination of fuzzy logic and GAs, then compared the results of both methods and conclusions of the combined effect. Keywords: Genetic Algorithms, Fuzzy Logic, Sphere function, Schwefel function.

Ngày nhận bài: 10/10/2013; Ngày phản biện:14/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013

Phản biện khoa học: TS. Vũ Vinh Quang – Trường ĐH Công nghệ thông tin & TT - ĐHTN * Tel: 0904012478; Email: [email protected]

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 7 - 11

7

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT CỦA TULI V ỚI L – HISTIDIN

Lê Hữu Thiềng*, Trần Thị Linh, Phạm Hồng Chuyên Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo này thông báo kết quả tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Tuli (Tm) với L-Histidin (HiS). Phức của Tm với L-Histidin theo tỉ lệ mol Tm3+: HiS = 1:3 đã được tách ra ở dạng rắn. Bằng các phương pháp phân tích nguyên tố, phân tích nhiệt, quang phổ hấp thụ hồng ngoại và đo độ dẫn điện đã xác định được phức chất có thành phần là Tm(HiS)3Cl3.3H2O. Mỗi phần tử L-Histidin liên kết với ion Tm3+ qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl-COO- và qua nguyên tử nitơ của nhóm amin –NH2. Phức chất tổng hợp được kém bền nhiệt. Từ khóa: phức chất, nguyên tố đất hiếm, Tuli, L-Histidin.

MỞ ĐẦU*

Phức chất của nguyên tố đất hiếm (NTĐH) với các aminoaxit đóng vai trò quan trọng về mặt hóa học phối trí. Trong những năm gần đây, chúng được các nhà hóa học trong và ngoài nước chú ý nghiên cứu bởi chúng có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: sinh học, nông nghiệp, y dược,… [3,4,5,6]. Trong các bài báo [1,2] đã thông báo kết quả nghiên cứu sự tạo phức của Samary với L-Tyrosin; kết quả tổng hợp, nghiên cứu, thăm dò hoạt tính sinh học của phức chất Lantan với axit L-glutamic và O-phenantrolin. Bài báo này sẽ thông báo một số kết quả tổng hợp và nghiên cứu phức chất của Tuli với L-Histidin.

THỰC NGHIỆM

Hóa chất và thiết bị - Muối TmCl3 được chuẩn bị từ Tm2O3 có độ tinh khiết 99,99% (Nhật Bản).

- L-Histidin có độ tinh khiết 99.99% (Merck, Đức)

- Các hóa chất khác dùng trong quá trình thí nghiệm có độ tinh khiết PA

- Máy phân tích nguyên tố Truspec-CNS Leco (Mỹ).

- Máy phân tích nhiệt DTG-60H Shimadzu (Nhật Bản).

- Máy quang phổ hồng ngoại Mangna IR 760 Spectrometer- ESP Nicimet (Mỹ).

- Máy đo độ dẫn điện FIGURE7 (Mỹ).

* Tel: 0982859002

Tổng hợp phức chất

Phức chất được điều chế theo [6], dựa theo phản ứng của TmCl3 với L-Histidin, trong môi trường pH=4, nhiệt độ 700C, thời gian phản ứng 6 giờ, phương trình phản ứng xảy ra:

Tm(H2O)xCl3 + 3HiS→Tm(HiS)3Cl3 + xH2O

Xác định thành phần của phức chất

- Xác định hàm lượng Tm: Hàm lượng (%) của Tm trong phức chất được xác định bằng cách nung nóng một lượng xác định phức chất ở 9000C trong 2 giờ. Ở nhiệt độ này phức chất bị phân hủy chuyển về dạng oxit Tm2O3 . Hòa tan oxit thu được trong HCl 1N. Cô cạn dung dịch ở 800C để đuổi axit dư, hòa tan trong nước và định mức đến thể tích cần thiết. Chuẩn độ ion Tm3+ thu được bằng dung dịch chuẩn DTPA 10-3M, thuốc thử asenazo III 0,1%, dung dịch đệm axetat pH=3,8

- Xác định hàm lượng C, N: Hàm lượng (%) C, N trong phức chất được xác định trên máy phân tích nguyên tố Truspec – CNS Leco.

- Xác định hàm lượng Cl: Hàm lượng (%) Cl trong phức chất được xác định theo phương pháp Mohr.

- Xác định hàm lượng nước: Hàm lượng nước (số phân tử) trong phức chất được xác định theo phương pháp phân tích nhiệt trên máy DTG-60H Shimadzu.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Xác định thành phần của phức chất

Kết quả phân tích thành phần của phức chất được chỉ ra ở bảng 1.


8

Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần (%) của phức chất Tm với L-Histidin

Công thức giả thiết Tm C N Cl

LT TN LT TN LT TN LT TN Tm (HiS)3Cl3.3H2O 21,25 20,73 27,20 26,53 15,86 15,47 13,38 12,94

LT: Lý thuyết; TN: thực nghiệm

Trong công thức giả thiết của phức chất số phân tử nước xác định bằng thực nghiệm theo phương pháp phân tích nhiệt ở phần sau. Kết quả bảng 1 cho thấy hàm lượng các nguyên tố xác định bằng thực nghiệm tương đối phù hợp với lý thuyết.

Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt

Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất được khảo sát trong điều kiện, chất so sánh là Al 2O3, tốc độ gia nhiệt 50C/phút trong không khí, khoảng nhiệt độ từ 300C đến 9000C. Kết quả được chỉ ra ở hình 1 và bảng 2.

Hình 1. Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất Tm(HiS)3Cl3.3H2O

Bảng 2. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của phức chất

Phức chất

Nhiệt độ pic (0C)

Hiệu ứng thu nhiệt Hiệu ứng tỏa nhiệt Dự đoán

cấu tử tách ra hoặc

phân hủy

Dự đoán sản

phẩm cuối cùng

Độ giảm khối lượng(%)

Độ giảm khối lượng(%)

LT TN LT TN

Tm(HiS)3Cl3.3H2O

132,77 270,79 466,49 554,00

6,80 19,52

- -

7,75 18,43

- -

- -

19,52 32,90 24,27

- -

18,29 33,92 21,60

3H2O 1HiS 1HiS

1HiS3Cl

Tm2O3

(-) Không xác định


9

Trên giản đồ phân tích nhiệt (đường DTA) của phức chất (hình 1) có 2 hiệu ứng thu nhiệt tại 132,770C và 270,790C; 2 hiệu ứng tỏa nhiệt tại 466,490C và 554,000C.

Khi tính toán độ giảm khối lượng trên đường TGA (hình 1), thấy rằng ở hiệu ứng thu nhiệt thứ nhất (132,77oC) có xấp xỉ 3 phân tử nước tách ra trong phức chất. Nhiệt độ tách nước thấp và thuộc khoảng tách nước kết tinh của các hợp chất, chứng tỏ nước có trong phức chất là nước kết tinh. Ở hiệu ứng thu nhiệt thứ 2 và 2 hiệu ứng tỏa nhiệt tiếp theo ứng với quá trình cháy và phân hủy lần lượt các thành phần của phức chất. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của hiệu ứng tỏa nhiệt thứ 2 (554,00oC) độ giảm

khối lượng của phức chất không đáng kể, chúng tôi cho rằng sự phân hủy phức chất đã xảy ra hoàn toàn và dự đoán sản phẩm cuối cùng là oxit Tuli: Tm2O3. Vì nhiệt độ phân hủy không cao lắm nên chúng tôi cho rằng phức chất Tm(HiS)3Cl3. 3H2O là kém bền nhiệt.

Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

Phổ hấp thụ hồng ngoại của L–histidin và phức chất được ghi trong vùng tần số từ 400 – 4000 cm-1, mẫu được trộn đều, nghiền nhỏ và ép viên với KBr. Sự qui kết các dải hấp thụ đặc trưng của L–histidin và phức chất dựa theo [6]. Kết quả được chỉ ra ở hình 2, 3 và bảng 3.

Hình 2. Phổ hấp thụ hồng ngoại của L – Histidin

Hình 3. Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất Tm(HiS)3Cl3.3H2O


10

Bảng 3. Các tần số hấp thụ đặc trưng (cm-1) của các hợp chất

Hợp chất OH−ν

+3NHν

−COOasν

−COOsν

L – histidin - 3095,01 1583,24 1414,21

Tm (HiS)3Cl3.3H2O 3423,40 3136,70 1627,03 1433,08

(-) Không xác định

Trong phổ hồng ngoại của L–histidin (hình 2), dải hấp thụ ở tần số 3095,01 cm-1 qui cho dao động hóa trị của nhóm NH+

3. Các dải hấp thụ ở 1583,24 cm-1 và 1414,21 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm COO-.

Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất (hình 3) khác với phổ hồng ngoại của L – histidin về hình dạng cũng như vị trí của các dải hấp thụ đặc trưng. Điều này cho thấy sự tạo phức xảy ra giữa ion

Tm3+ và L–histidin. So sánh phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất với phổ hồng ngoại của L – histidin ở trạng thái tự do nhận thấy dải hấp thụ ở 1583,24 cm-1 và 1414,21 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm COO- trên phổ của L –histidin tự do đã chuyển dịch tương ứng về các vùng tần số cao hơn 1627,03 cm-1 và 1433,08cm-1. Điều này chứng tỏ L-histidin đã liên kết với ion Tm3+ qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl. Dải dao động hóa trị của nhóm NH+

3 trên phổ của L-histidin tự do 3095,01cm-1 dịch chuyển về cùng tần số cao hơn 3136,70cm-1 trên phổ của phức chất, chứng tỏ L-histidin cũng đã liên kết với ion Tm3+qua nguyên tử nitơ của nhóm amin. Ngoài ra trên phổ của phức chất còn có dải hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH- của nước 3423,24 cm-1. Điều này một lần nữa chứng tỏ trong thành phần của phức chất có chứa nước.

Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp đo độ dẫn điện.

Độ dẫn điện mol phân tử của các dung dịch L–histidin, phức chất Tm(HiS)3Cl3.3H2O và muối. TmCl3 chỉ ra ở bảng 4.

Bảng 4: Độ dẫn điện mol phân tử ( µ ) của các dung dịch L –histidin, phức chất và muối TmCl3 ở

Co5,025 ±

Dung dịch (10-3M) µ (Ω-1 cm2 mol-1)

L –histidin 0,0

Tm (HiS)3Cl3.3H2O 372

TmCl3 419

Kết quả bảng 4 cho thấy, ở nồng độ 10-3M độ dẫn điện mol của L –histidin bằng 0,0 Ω-1 cm2 mol-1, chứng tỏ trong dung dịch nước L –histidin là phối tử không bị phân li. Độ dẫn điện mol của phức chất khác của muối TmCl3. Ở nồng độ 10-3M phức chất của Tuli với L – histidin là phức tan trong nước và tạo dung dịch dẫn điện. Độ dẫn điện mol của phức chất không thay đổi theo thời gian chứng tỏ phức chất khá bền.

KẾT LUẬN

- Đã tổng hợp phức chất của Tm với L – histidin.

- Bằng các phương pháp phân tích nguyên tố, vật lý và hóa lý có thể kết luận.

+ Phức chất của Tm với L-histidin có thành phần gần đúng là Tm(HiS)3Cl3.3H2O.

+Mỗi phân tử L–histidin chiếm 2 vị trí phối trí trong phức chất, liên kết với ion Tm3+qua nguyên tử oxi của nhóm COO- và nguyên tử nitơ của nhóm NH2.

+ Phức chất Tm(HiS)3Cl3.3H2O kém bền nhiệt.

+ Khi tan trong nước phức chất là chất điện ly.


11


[1]. Lê Hữu Thiềng, Nguyễn Trọng Uyển, Nguyễn Thị Hiếu. Nghiên cứu sự tạo phức của samary với L-Tyrosin. Tạp chí Hóa học T.50 (3), Tr 336 – 339 (2012). [2]. Lê Hữu Thiềng, Nguyễn Thị Hoài Ánh, Ngô Thị Hoa, (2013). Tổng hợp nghiên cứu, thăm dò hoạt động tính sinh học của phức chất lantan với axit L– glutamic và O–phenantrolin. Tạp chí Hóa học T.51 (3AB), Tr 554 – 558. [3]. Moamen S.Refat, Sabry A. El– Karashy, Ahmed S. Ahmed, (2008). Preparation, Strutural characterization and biological avaluation of L – Tyrosinate metal ion complexes. Journal of Molecular Structure 881, 28 -45.

[4]. HaoXu, Liangchen, (2003). Study on the complex site of L–tyrosine with rare – earth element Eu3+. Spectrochimica Acta Part A59, 657 – 662. [5]. T.S. Martins, J.R. Matos, G. Vieentini and P.C. Isolani , (2006). Synthesis, characterizatin, spectroscopy and thermal analysis of rare earth picrate complexes with L – leucine. Journal of thermal Analysis and calorimetry.Vol 86, 351 – 357. [6]. Yang Zupei, Zhang Banglao, Yu Yueying, Zhang Hongyu, (1998). Synthesis and charactezation on solid compounds of L-histisine with light rare erth chlorides. Journal of Shaanxi Normal University, Vol. 26, No1, 57 -59.

SUMMARY SYNTHESIS, STUDY ON THE COMPLEX OF THULIUM WITH L – HISTIDINE

Le Huu Thieng*, Tran Thi Linh, Pham Hong Chuyen College of Education – TNU

This paper reported aggregate results and study the complex nature of thulium (Tm) with L-histidine (HiS). The complex nature of thulium with L-histidine molar ratio Tm3+: His = 1: 3 was isolated in solid. By themethod of elemental analysis, thermal analysis, infrared spectroscopy and electrical conductivity measurements have indentified complex is composed of Tm(HiS)3Cl3.3H2O. L-histidine which has ionicbond to Tm3+ through the oxygen atom of carboxyl group and the atom nitrogen atom of amino group. Solid complex areunstable thermal Sythesis. Keywords: Complex, rare earth element, thurium, L-histidine.


Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Duy Lương – Liên hiệp hội Khoa học và Kỹ thuật Thái Nguyên

* Tel: 0982859002


12

Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 13 - 16

13

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRI ỂN HỆ LASER RẮN Nd: YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

Nguyễn Văn Hảo1, 2,*, Nguyễn Thị Khánh Vân1, Hà Thị Thùy1, Lê Thị Kim Cương2

1Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên 2 Trung tâm Điện tử Lượng tử – Viện Vật lý (VAST)

TÓM TẮT

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các đặc trưng hoạt động của laser rắn Nd:YVO4 tại bước sóng 1064 nm, được bơm bằng laser diode có công suất cao. Trong chế độ phát liên tục, laser rắn Nd:YVO4 có thể đạt được một vài Oát (W), với hiệu suất chuyển đổi quang ~ 20,5 % và trong chế độ Q-switching thụ động có thể phát xung ngắn 61 ns tương ứng với tần số xung lên tới 700 kHz nhờ tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG (độ truyền qua ban đầu 90 %) đặt trong buồng cộng hưởng, với hiệu suất trên 6 %. Sự phụ thuộc của công suất trung bình, độ rộng xung và tần số lặp lại vào công suất bơm trung bình cũng được đưa ra trong cả hai chế độ hoạt động. Từ khóa: Laser rắn Nd:YVO4, laser diode công suất cao, Q-switch thụ động, Tần số lặp lại cao.

MỞ ĐẦU*

Trong các môi trường hoạt chất ở 1064 nm, tinh thể Nd:YVO4 được xem như là một môi trường hứa hẹn của các laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn bởi vì nhiều lợi thế, như sự hấp thụ mạnh trên một dải bước sóng bơm rộng, tiết diện phát xạ cưỡng bức hiệu dụng lớn, mức pha tạp cho phép cao... Tinh thể Nd:YVO4 a-cut có tiết diện phát xạ cưỡng bức hiệu dụng ở 1064 nm (25.10-19 cm2) cao hơn cỡ 5 lần so với tinh thể Nd:YAG (6.10-19

cm2), tuy nhiên nó lại có hệ số dẫn nhiệt kém hơn đáng kể so với Nd:YAG [1]. Khi bơm ở công suất cao (sử dụng các laser bán dẫn công suất lớn), công suất của laser rắn bị giới hạn bởi sự hình thành hiệu ứng thấu kính nhiệt trong môi trường hoạt chất [2]. Ngoài ra, năng lượng bơm tối đa cũng bị giới hạn bởi hiện tượng nứt gãy do nhiệt của tinh thể laser [3]. Do đó, việc tránh các hiệu ứng do nhiệt là một nguyên tắc cực kỳ quan trọng khi thiết kế hệ laser [4-12].

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu và phát triển hệ laser Nd:YVO4 phát tại bước sóng 1064 nm, được bơm bằng laser diode công suất cao ở bước sóng 808 nm trong cả hai chế độ hoạt động


liên tục và biến điệu độ phẩm chất thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG (với độ truyền qua ban đầu T0 = 90 %). Các kết quả cho thấy, laser Nd:YVO4 có thể đạt được công suất trung bình lên tới 1,63 W trong chế độ liên tục và có thể đạt độ rộng xung ngắn nhất 61 ns và tần số cao nhất ~ 700 kHz trong chế độ Q-switching.

THỰC NGHIỆM

Hình 1. Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 Q-switching thụ động được bơm bằng laser diode

Hình 1 chỉ ra sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 bơm bằng laser diode. Nguồn bơm là laser diode (ATC- Semiconductor Devices) phát ở bước sóng 808 nm với công suất cực đại ở chế độ liên tục là 8 W. Bước sóng phát của laser diode có thể được thay đổi bằng nhiệt độ nhằm chồng chập với cực đại phổ hấp thụ của


14

tinh thể Nd:YVO4. Phân cực của chùm laser diode là phân cực ngang. Tuy nhiên, laser diode này được lấy ra bằng sợi quang (fiber- coupled diode) có khẩu độ số 0,22, đường kính lõi sợi quang 200 µm, khi truyền qua sợi có độ dài 2 m thì ánh sáng laser diode không còn phân cực nữa. Điều này sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất bơm quang học và hiệu suất laser Nd:YVO4.

Chúng tôi đã sử dụng 02 thấu kính có tiêu cự 20 mm cho hệ bơm. Tinh thể Nd:YVO4 (pha tạp 1 % atm., 3×3×3 mm) với bề mặt được phủ chống phản xạ AR ở 1064 nm và được giữ cố định trong giá đỡ bằng đồng. Giá này (và tinh thể) được làm mát nhờ dòng nước luân chuyển qua ở nhiệt độ phòng. Chùm laser diode được hội tụ vào tinh thể với đường kính chùm khoảng 100 µm. Buồng cộng hưởng được sử dụng ở đây là một BCH ổn định với hai gương M1 (gương ra; phẳng) và M2 (gương cuối, cầu lõm với R = -50 mm).

Một photodiode nhanh (rise time < 0.3 ns) được kết nối với dao động ký số (TD 7154B; 1,5 GHz, Tektronix, USA) để thu nhận độ rộng xung của laser. Năng lượng laser được đo bởi đầu đo năng lượng (13 PME 001, Melles Griot, USA). Tất cả các thành phần quang học, tinh thể laser và chất hấp thụ bão hòa được cung cấp từ CASIX [13].

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chúng tôi đã khảo sát các đặc trưng hoạt động liên tục và xung ngắn với tinh thể hấp thụ bão hòa Cr:YAG của laser rắn sử dụng tinh thể Nd:YVO4 ở bước sóng 1064 nm được bơm bằng laser diode công suất cực đại ~ 8 W ở bước sóng 808 nm. Đặc trưng công suất trung bình của laser Nd:YVO4 trong chế độ liên tục được trình bày trên Hình 2a. Kết quả cho thấy, công suất laser Nd: YVO4 như một hàm tuyến tính của công suất laser bơm. Ngưỡng laser đạt được là ~ 900 mA tương ứng với gương ra có độ truyền qua 6 %. Công suất cực đại 1630 mW đạt được ở công suất bơm 7951 mW (ứng với hiệu suất chuyển đổi quang là ~ 20.5%) với gương ra có độ truyền qua 6 %. Tuy nhiên, cần chú ý rằng do chùm

laser diode sau khi ra khỏi sợi quang không còn phân cực và các thấu kính bơm trong phòng thí nghiệm không được phủ chống phản xạ nên công suất bơm của laser diode có thể đã bị mất mát đến 47 % trước khi tới tinh thể laser. Do vậy, đã làm cho hiệu suất chuyển đổi quang của laser Nd:YVO4 giảm đi đáng kể so với các laser Nd: YVO4 có cấu hình tương tự nhưng được bơm bằng laser diode đơn sọc (single-stripe diode) [7 - 9].

Trên hình 2b là đường khảo sát đặc trưng công suất của hệ laser tinh thể Nd: YVO4 Q-switching thụ động với Cr4+:YAG khi được bơm liên tục bằng laser diode. Kết quả cho thấy, hệ laser Nd:YVO4 Q-switching thụ động với gương ra có độ truyền qua 6 % cho công suất cực đại 510 mW ở tần số xung lặp ~ 700 kHz (ứng với công suất bơm 7951 mW) và độ rộng xung 61s ns.

Hình 2. Công suất trung bình của laser Nd:YVO4 phụ thuộc vào công suất bơm với gương ra có độ truyền qua 6 %. (a) ở chế độ liên tục; (b) ở chế độ Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa

Cr4+:YAG

Côn

g suất l

aser

ra

(mW

)

Công suất bơm trung bình (mW)

b)

a)

Côn

g suất l

aser

ra

(mW

)



15

Hình 3 trình bày độ rộng xung (a) và tần số lặp lại (b) của các xung laser Nd:YVO4 Q-switching bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YAG có độ truyền qua ban đầu T0 = 90 % như là một hàm của công suất bơm trung bình với gương ra có độ truyền qua 6 %. Khi công suất bơm tăng lên thì tần số xung laser cũng tăng theo, điều này có thể được giải thích là khi năng lượng bơm tăng làm cho quá trình bão hòa của Cr:YAG diễn ra nhanh hơn dẫn đến sự phát xung laser cũng diễn ra nhanh hơn, tuy nhiên, độ ổn định (jitter) của xung laser rắn thấp hơn. Việc tăng tần số xung laser Nd:YVO4 Q-switching làm tăng công suất trung bình của laser rắn, nhưng năng lượng xung laser rắn không thay đổi nhiều. Do vậy, việc phát xung laser Nd:YVO4 nano-giây Q-switching thụ động được bơm xung bằng laser diode có thể là một giải pháp để tăng năng lượng xung laser rắn và có độ ổn định cao [14].

Hình 3. Độ rộng xung (a) và tần số lặp lại xung (b) của laser Nd: YVO4 Q-switching thụ động

bằng tinh thể Cr:YAG như một hàm của công suất bơm với gương ra có độ truyền qua 6 %

KẾT LUẬN Hệ laser rắn Nd:YVO4 hoạt động ở chế độ liên tục và xung Q-switching thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG được bơm bằng laser diode công suất cao đã được nghiên cứu. Trong chế độ hoạt động liên tục, hệ laser Nd:YVO4 có công suất trung bình lên tới 1,63 W ứng với hiệu suất chuyển đổi quang cỡ 20,5 % và trong chế độ Q-switching, hệ laser Nd:YVO4 có độ rộng xung ngắn nhất 61 ns ở tần số lặp lại cao ~ 700 kHz ứng với gương ra có độ truyền qua 6 %. Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cám ơn sự tài trợ kinh phí từ đề tài KHCN cấp Đại học của Đại học Thái Nguyên (mã số ĐH2012-TN07-13) và Đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ Phát triển Khoa học & Công nghệ Quốc gia NAFOSTED (mã số 103.06.89.09).


[1]. I. J. Miller, A.J. Alcock, J.E.Bernard, Advanced Solid State Lasers, OSA Proc, Wash DC 13, 322 (1992). [2]. S. C. Tidwell, J. F. Seamans, et al., IEEE J. Quant. Electron., vol. 28, pp. 997–1009 (1992). [3]. M. Tsunekane, N. Taguchi, T. Kasamatsu, and H. Inaba, IEEE J. Select. Topics Quant. Electron., vol. 3, pp. 9–18 (1997). [4]. K. Spariosu, W. Chen, et al., Opt. Lett. 18, 814 (1993). [5]. H. Eilers, W. Dennis, et al., IEEE J Quant. Electron 29, 2508 (1993). [6]. S. H. Yim, D.R. Lee, B.K. Rhee, D. Kim, Appl. Phys. Lett. 30, 3193 (1998). [7]. N. T. Nghia, L. T. Nga et al., Advances in Natural Sciences (VAST) 7, No. 3-4 (2006) p. 181-188. [8]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh, T D Huy et al., ASEAN Journal of Science and Technology for Development, 24, 1-2 (2007) p.139-146. [9]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh et al., Comm. in Phys. (VAST), 19, SI (2009) p.145-155 [10]. A. I. Zagumennyi, V. G. Ostroumov, et al., Sov. J. Quant. Electron. 22 1071 (1992). [11]. J. Liu, C. Wang, C. Du, L. Zhu, H. Zhang et al., Opt. Commun, 188, 155 (2001). [12]. H. Zhang, J. Liu, J. Wang, C. Wang, L. Zhu et al., J. Opt. Soc. Am. B 19,18 (2002). [13]. http://www.CASIX.com [14]. N. V. Hao, N. T. Nghia et al., Tạp chí Khoa học và Công nghệ của Đại học Thái Nguyên, 78 (02), trang 35-38 (2011).

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

50

100

150

200

250

300

Do

rong

xun

g la

ser

(ns)

Cong suat bom trung binh (mW)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000200

300

400

500

600

700

Tan

so

lap

lai x

ung

lase

r (k

Hz)

Cong suat bom trung binh (mW)

a)

b)

Tần

số lặ

p lạ

i xun

g la

ser

(kH

z)


Độ rộng

xun

g la

ser

(ns)



16

SUMMARY RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A HIGH POWER DIODE-PUMPED SOLID-STATE Nd: YVO 4 LASER SYSTEM

Nguyen Van Hao1, 2,*, Ha Thi Thuy1,

Nguyen Thi Khanh Van1, Le Thi Kim Cuong2

1College of Science – TNU, 2Center for Quantum Electronics – Institute of Physics (VAST)

In this paper, we present characteristics in CW and passively Q-switched laser operations of solid-state Nd:YVO4 laser at 1064 nm pumped by CW high power laser diodes. In CW laser operation, the output average power of Nd:YVO4 laser of a few W, corresponding to an optical conversion effciency of 20.5 % and the passively Q-switched solid-state laser efficiently provide laser pulses of 61 ns at 1064 nm at the pulse repetition rate as high as 700 kHz using a Cr: YAG crystal (90 % initial transmission) as a saturable absorber intra-cavity. The dependence of average power, pulse width and repetition rate on the average pump power are also presented in the both operating mode. Keywords: Solid state Nd:YVO4 laser, high power laser diode, passively Q-switched, high repetition rate.


Phản biện khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa – Trường ĐH Khoa học – ĐHTN


Chu Việt Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 17 - 23

17

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CH ẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO CHẤM L ƯỢNG TỬ CdSe CHO ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU SINH HỌC

Chu Việt Hà1,*, Nguyễn Thị Vân1, Trần Anh Đức2, Vũ Thị Kim Liên 1 1Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

2Viện Vật lý – Viên Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

TÓM TẮT Các hạt nano chấm lượng tử CdSe được chế tạo bởi phương pháp hóa ướt trong môi trường nước sử dụng hợp chất citrate làm chất hoạt động bề mặt. Các chấm lượng tử chế tạo được khá đơn phân tán trong nước, với kích thước dao động tử 3.5 đến 10 nm với cường độ phát huỳnh quang mạnh. Các chấm lượng tử này có độ bền quang cao, độ chói tốt và khá ổn định trong các môi trường pH khác nhau. Tính chất quang của các chấm lượng tử được khảo sát trong nhiều điều kiện khác nhau. Độ bền quang cao sau nhiều tháng chế tạo hứa hẹn ứng dụng các chấm lượng tử này cho các đánh dấu huỳnh quang, đặc biệt là đánh dấu sinh học. Từ khóa: Chấm lượng tử, CdSe, citrate, môi trường nước, đánh dấu huỳnh quang.

GIỚI THIỆU*

Các chấm lượng tử kể từ khi được phát hiện, đã dần trở thành các chất dán nhãn huỳnh quang quan trọng dùng trong cảm biến sinh học và hiện ảnh [1-5]. Các chấm lượng tử là những tinh thể nano bán dẫn bao gồm các nguyên tử của các nguyên tố nhóm II - VI (ví dụ, Cd, Zn, Se, Te) hoặc III-V (ví dụ, In, P, As) trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Các hiệu ứng lượng tử xảy ra khi kích thước tinh thể có thể so sánh với bước sóng de Broglie của điện tử và lỗ trống. Khi đó cả điện tử và lỗ trống đều bị giam giữ và các mức năng lượng của chúng bị lượng tử hóa. Sự giam giữ lượng tử làm gián đoạn các mức năng lượng theo chiều giam giữ và làm thay đổi mật độ trạng thái theo năng lượng. Kết quả là hấp thụ hay phát xạ của các chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước hạt, nghĩa là người ta có thể điều khiển được tính chất quang (ví dụ màu phát xạ huỳnh quang) theo kích thước của các chấm lượng tử. Các chấm lượng tử thường được sử dụng trong đánh dấu sinh học là các chấm lượng tử trên cơ sở CdSe và CdTe vì phổ phát xạ của chúng trải toàn bộ vùng phổ nhìn thấy tùy thuộc vào kích thước [3].

* Tel: 0912132036

Vì môi trường sinh học chủ yếu là nước nên các chấm lượng tử dùng trong đánh dấu sinh học phải phân tán được trong nước. Mặt khác, các chấm lượng tử muốn đánh dấu được các đối tượng sinh học như ADN, protein, kháng thể, tế bào… thì chúng phải gắn kết được với các đối tượng sinh học đó. Vì vậy các chấm lượng tử phải có các nhóm chức hóa học thích hợp để có thể phân tán được trong nước và gắn kết với các phân tử sinh học, do đó chúng phải có lớp hợp sinh ưa nước bao quanh. Deng và cộng sự (2006) [6] đã phát triển một phương pháp khá an toàn và giảm sự độc hại của các hóa chất khi nghiên cứu chế tạo các chấm lượng tử CdSe trực tiếp trong môi trường nước sử dụng citrate, rút ngắn bớt thời gian chế tạo và giảm độ độc hại so với các chấm lượng tử chế tạo trong dung môi hữu cơ truyền thống. Theo phương pháp này, các mầm tinh thể chấm lượng tử CdSe được tạo thành ngay trong nước nhờ citrate, kích thước của các chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào nồng độ citrate ban đầu. Các chấm lượng tử chế tạo theo phương pháp này có thể ứng dụng đánh dấu huỳnh quang trực tiếp lên các đối tượng sinh học.

Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS phân tán trong nước phát triển dựa trên phương pháp của Deng. Các chấm lượng tử này có cường độ phát quang mạnh với hiệu suất cao, phát


18

xạ ở các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào kích thước hứa hẹn là các chất đánh dấu sử dụng cho các ứng dụng sinh học. Các chấm lượng tử này được bọc thêm một lớp hợp sinh bên ngoài là PEG (polyethyglycol) hoặc protein BSA nhằm tăng hiệu suất phát xạ huỳnh quang và tăng tính ổn định cho các ứng dụng trong sinh học. Các kết quả cho thấy cường độ phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử có lớp vỏ bọc tăng đáng kể so với các chấm lượng tử không được thụ động hóa bề mặt. Các quá trình thực nghiệm chế tạo mẫu đều được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên.

THỰC NGHIỆM

Chế tạo các chấm lượng tử CdSe phân tán trong nước Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt sử dụng các hóa chất CdCl2.2,5H2O, sodium boro hydride (NaBH4 – là một chất có tính khử mạnh); citrate (trirodium citrate dihydrate - C6H5Na3O7.2H2O, là muối natri của một trong các axit chanh, được dùng trong thực phẩm) đóng vai trò là chất hoạt động bề mặt, cồn tuyệt đối (C2H5OH), trihydroxy methyl aminomethane (tris) (chất này sử dụng trong các môi trường sinh học), nước cất, axit sunfuric (H2SO4), axit clohydric (HCl), bột selenium (Se). Các bước chế tạo chấm lượng tử CdSe trong nước được tiến hành như sau:

Bước 1: Trong ethanol nguyên chất, với điều kiện sục khí N2 ở 450C, nguyên tố selenium phản ứng với sodium boro hydiride tạo thành dung dịch NaHSe/ethanol. Trisodium citrate dihydrate được cho vào dung dịch đệm tris - HCl với pH = 8,9 (là giá trị pH cho thấy sản phẩm các chấm lượng tử thu được là ổn định nhất) đựng trong bình ba cổ. Sau đó nhỏ giọt dung dịch nước cadmium cloride có chứa các ion Cd2+ vào dung dịch trên trong điều kiện khuấy trộn mạnh để thu được dung dịch chứa các ion Cd2+ được bao quanh bởi các phân tử trisodium citrate.

Bước 2: Khí H2Se bốc lên khi nhỏ chậm dung dịch H2SO4 loãng vào dung dịch

NaHSe/ethanol trong dung dịch ban đầu trong điều kiện sục từ từ N2 để tổng hợp các chấm lượng tử CdSe ở nhiệt độ ổn định. Khí H2Se được đưa theo dòng chảy của khí N2 dẫn vào bình ba cổ phản ứng với các ion Cd2+. Trong điều kiện khuấy trộn mạnh liên tục, các mầm tinh thể của các nano tinh thể CdSe sẽ được hình thành và phát triển thành các nano tinh thể CdSe. Lượng muối Cd2+ ban đầu được sử dụng dư để thụ động hóa bề mặt các chấm lượng tử CdSe bằng việc bọc lớp vỏ CdS. Hình 1 biểu diễn sơ đồ chế tạo nano tinh thể CdSe trong môi trường nước. Kích thước của các chấm lượng tử CdSe được điều khiển qua nồng độ citrate.

Sau khi chế tạo được dung dịch có chứa các nano tinh thể CdSe với một lượng dư Cd, dung dịch chứa các nano tinh thể CdSe/CdS được tổng hợp bằng cách thổi khí H2S vào dung dịch chứa các hạt CdSe lõi theo dòng chảy của khí N2 (hình 2). Khí H2S cũng được tổng hợp như khí H2Se theo cách trên.

Các mẫu chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS được chế tạo với các nồng độ chất bẫy citrate khác nhau. Ký hiệu tỷ lệ mol giữa citrate và lượng nước thêm vào khi chuẩn bị dung dịch đệm Tris-HCl là w, chúng tôi chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS với các tỷ lệ w thay đổi là 1,5; 2; và 2,5.

Hình 1. Sơ đồ chế tạo các chấm lượng tử CdSe

Hình 2. Sơ đồ chế tạo các chấm lượng tử CdSe/CdS


19

Bọc các chấm lượng tử CdSe bởi các lớp hợp sinh

Các chấm lượng tử CdSe/CdS được chế tạo với việc sử dụng citrate sẽ có các nhóm chức năng -COO- trên bề mặt nên có thể dễ dàng gắn kết được với các đối tượng sinh học. Các chấm lượng tử sau khi chế tạo thường có độ pH ~ 7 đến 8. Các thí nghiệm đánh dấu sinh học ở mức phân tử yêu cầu các dung dịch có pH khác nhau và các nhóm chức năng hợp sinh khác nhau tùy từng đối tượng đánh dấu. Tuy nhiên citrate không bền trong các môi trường pH thấp và nó dễ làm các chấm lượng tử kết tụ lại do sự mất cân bằng điện tích. Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu bọc các chấm lượng tử bằng protein BSA và PEG với các nhóm chức dễ dàng gắn kết sinh học, đồng thời bảo vệ các chấm lượng tử và chống lại sự kết đám. BSA (Bovine serum albumin), là một loại protein, có vai trò trong các phép thử miễn dịch, có thể gắn kết với kháng thể sinh học. PEG (polyethylene glycol) là một polymer tan trong nước linh hoạt nên nó cũng giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong nước, chống lại sự kết đám của các hạt nano. Hơn nữa, phân tử PEG với các nhóm chức năng bên ngoài như amin, thiol, caboxyl, biotin, maleimide,… dễ dàng giúp cho việc gắn kết các hạt nano với các phân tử sinh học. Nhờ được bọc BSA hoặc PEG, các chấm lượng tử sau khi chế tạo sẽ ổn định hơn rất nhiều và dễ dàng gắn kết được với các đối tượng sinh học.

Các chấm lượng tử CdSe/CdS được chọn bọc BSA hay PEG với một tỷ lệ mol ban đầu cho trước.BSA hay PEG được đưa vào dung dịch chấm lượng tử và được khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian từ 15 đến 20 phút cho đến khi dung dịch trong suốt. Các phân tử BSA hay PEG sẽ hấp phụ lên bề mặt các chấm lượng tử. Hình 3 mô tả quá trình chuyển từ các chấm lượng tử được bao quanh bởi các phân tử citrate sang các chấm lượng tử được bọc BSA.

Kích thước của các chấm lượng tử được xác định qua hệ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL JEM 1011 (Nhật Bản) có ở

Viện Vệ sinh dich tễ Hà Nội. Phổ hấp thụ được xác định bằng máy quang phổ Jasco V-600 (Nhật Bản) và phổ huỳnh quang đo bằng hệ máy FS 920 Edinburgh (Anh) có ở phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn, khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên.

Hình 3. Quá trình chuyển từ chấm lượng tử - citrate sang chấm lượng tử được bọc BSA


Chúng tôi đã chế tạo thành công các nano tinh thể CdSe và CdSe/CdS phân tán trong nước. Các mẫu chế tạo được ở dạng dung dịch trong suốt. Hình 4 là ảnh chụp một số mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS trong nước dưới ánh sáng của đèn tử ngoại, phát xạ với các màu sắc khác nhau tương ứng với kích thước CdSe là khác nhau, cường độ phát xạ mạnh. Hình 5 là ảnh kính hiển vi điện tử truyền (TEM) của các chấm lượng tử CdSe/CdS cho thấy các chấm lượng tử có dạng là các chấm nhỏ (có vài chấm hơi to, có những lớp mờ mờ xung quanh có thể đó là các chất còn dư sau khi chế tạo, mẫu chưa được rửa) và phân tán trong nước. Các chấm lượng tử phân tán được trong nước là do sự bảo vệ của chất hoạt động bề mặt citrate bám xung quanh các hạt chấm lượng tử. Các chấm lượng tử này hứa hẹn là những chất đánh dấu huỳnh quang tốt cho nhiều ứng dụng.

Hình 4. Ảnh chụp các mẫu dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS dưới ánh sáng đèn tử ngoại


20

Hình 5. Ảnh TEM của các chấm lượng tử CdSe/CdS với phát xạ huỳnh quang ở 605nm

Các phép đo của phổ hấp thụ trong vùng UV - VIS của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS đã được thực hiện. Phổ hấp thụ UV của các chấm lượng tử CdSe với tỷ lệ w khác nhau được trình bày trong hình 6. Có sự dịch chuyển của bờ hấp thụ hướng về bước sóng ngắn hơn so với bán dẫn CdSe khối (λCdSe khối ~ 690 nm tương ứng với năng lượng vùng cấm Eg ≈ 1,8 eV ở nhiệt độ phòng). Sự dịch xanh này phù hợp với lý thuyết về sự mở rộng độ rộng vùng cấm của các chấm lượng tử. Kích thước của những lõi CdSe này đã được ước tính cỡ 4 nm bởi công thức do Brus [7]. Kích thước các mẫu CdSe khác đã được ước tính khoảng từ 3nm đến 6nm. Từ hình 6 chúng ta có thể thấy rằng đường phổ hấp thụ tăng khi tỷ lệ w tăng. Sự dịch đỉnh phổ hấp thụ hướng về bước sóng ngắn phù hợp với giá trị w cao hơn, có nghĩa rằng các chấm lượng tử được chế tạo có kích thước nhỏ hơn với nồng độ chất hoạt tính bề mặt cao hơn. Điều đó cũng được thể hiện rõ trong phổ huỳnh quang. Vì ảnh hưởng của hiệu ứng giam giữ lượng tử làm giảm kích thước của các chấm lượng tử (phù hợp với sự tăng lên của vùng cấm), sao cho cực đại phát xạ huỳnh quang (phù hợp với sự dịch chuyển vùng-vùng) của các chấm lượng tử được đổi hướng về bước sóng ngắn. Kích thước của các chấm lượng tử CdSe giảm với sự tăng lên của tỷ lệ w. Hình 7 giới thiệu phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với tỷ lệ w khác nhau ở nhiệt độ phòng dưới ánh sáng kích thích là 480nm. Các đỉnh phổ huỳnh quang có giá trị bước sóng là 604nm, 594nm và 590 nm lần lượt

ứng với w = 1.5, w=2, và w=2.5. Các cực đại của phổ huỳnh quang cho phép ta xác định được kích thước của chấm lượng tử được ước tính theo công thức Brus [7]. Như vậy kích thước các hạt CdSe trong ba mẫu có đỉnh phát xạ huỳnh quang như trên lần lượt có giá trị là 4 nm, 3.8 nm và 3.7 nm (nhỏ hơn so với bán kính Bohr exciton của CdSe khối: a0 = 5,6 nm) [8]. Kết quả tính như trên một lần nữa khẳng định kích thước của chấm lượng tử giảm đi khi tỉ lệ w tăng lên. Như vậy, chúng ta có thể kiểm soát kích thước của các chấm lượng tử bằng cách thay đổi nồng độ chất bẫy bề mặt. Hình 7 cũng cho thấy rằng các chấm lượng tử CdSe với w = 2 có cường độ phát xạ mạnh nhất và độ bền quang cao nhất. Chúng tôi chọn giá trị w =2 để chế tạo các chấm lượng tử có chất lượng và độ bền quang cao với mục đích cho các ứng dụng sinh học.

400 500 600

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

w = 1.5 w = 2 w = 2.5

§é

hÊp

thô

(®.v

.t.y)

B- í c sãng (nm)

B¸n dÉn khèi CdSe

Hình 6. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe với các nồng độ chất bẫy khác nhau

500 550 600 650 700

0

50

100

150 w = 1.5 w = 2 w = 2.5

C-ê

ng ®

é hu

únh

quan

g (®

.v.t.

y)

B- í c sãng (nm)

594

603

589

Hình 7. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với các nồng độ chất bẫy khác nhau


21

Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS lõi - vỏ cho thấy sự tăng lên của cường độ phát xạ của các chấm lượng tử CdSe bọc vỏ CdS so với các chấm lượng tử CdSe không bọc vỏ. Hình 8 giới thiệu phổ huỳnh quang của các nano tinh thể CdSe và CdSe/CdS dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng. Cường độ phát xạ tương đối của các chấm lượng tử CdSe/CdS cao hơn mười lần cường độ phát xạ của các chấm lượng tử CdSe. Hiệu suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS lõi - vỏ đã được ước lượng bởi Rhodamin 6G (Rh 6G). Hiệu suất lượng tử của Rh 6G tan trong nước với bước sóng kích thích 480 nm là 0.95 [9]. Hiệu suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe được ước lượng khoảng 5-10% và của các chấm lượng tử lõi - vỏ CdSe/CdS là 20 - 50%. Điều này minh chứng rằng các chấm lượng tử CdSe có sự phát quang cao hơn khi được bọc vỏ CdS. Hình 8 cũng cho biết phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với thời gian phát triển khác nhau của vỏ CdS với mỗi tỷ lệ w dưới bước sóng kích thích 480 (nm) so với phổ huỳnh quang của lõi CdSe. Cường độ phát xạ tương đối của các chấm lượng tử CdSe/CdS cao gấp mười lần cường độ phát xạ của lõi CdSe. Một kết quả nổi bật của việc tổng hợp các chấm lượng tử CdSe /CdS lõi - vỏ là cực đại phát xạ huỳnh quang có sự dịch đỏ khi thời gian nuôi vỏ CdS tăng. Kết quả này cho thấy vỏ CdS là dầy hơn khi

thời gian tổng hợp tăng, vì thế xác suất để lõi CdSe chui vào vỏ CdS là cao [10], dẫn đến sự dịch đỏ trong phổ phát xạ. Cho thời gian tổng hợp dài hơn, kích thước các chấm lượng tử được ổn định, không quan sát thấy sự dịch chuyển nào trong phổ huỳnh quang.

Nghiên cứu tiến hành bọc các chấm lượng tử CdSe/CdS bởi một lớp polymer PEG (polyethylene glycol) hoặc BSA (Bovine serum albumin) chúng tôi thấy các chấm lượng tử sau khi bọc thêm các chất này có độ ổn định quang cao hơn và cường độ huỳnh quang cũng tăng sau khi bọc. Hình 9 trình bày phổ huỳnh quang của của mẫu CdSe/CdS/BSA và mẫu CdSe/CdS/PEG được so sánh với các chấm lượng tử CdSe/CdS phát xạ ở 605 nm với cùng độ hấp thụ ở bước sóng 370 nm. Có thể thấy dạng phổ, cường độ phát xạ của các hạt nano CdSe/CdS có bọc BSA hoặc PEG không thay đổi nhiều so với các hạt CdSe/CdS không bọc, thậm chí hiệu suất phát xạ của mẫu CdSe/CdS/PEG còn tăng đáng kể so với mẫu CdSe/CdS không bọc. Hiệu suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe/CdS được cải thiện sau khi bọc PEG và BSA. Cụ thể với các chấm lượng tử CdSe/CdS, hiệu suất lượng tử chỉ ~ 30%; còn với CdSe/CdS bọc BSA, hiệu suất lượng tử là 35 % và hiệu suất lượng tử của CdSe/CdS bọc PEG lên đến 50 %. Các chấm lượng tử bọc PEG hoặc BSA thể hiện sự ổn định quang hóa cao trong một thời gian dài.

Hình 8.Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các thời gian nuôi vỏ CdS

và tỉ lệ w khác nhau so với lõi CdSe


22

Hình 9. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS sau khi bọc PEG và BSA so sánh với lúc chưa bọc dưới bước sóng kích thích 370 nm ở nhiệt

độ phòng

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.8

1.6

2.4

3.2

C-¬

ng ®

é hu

únh

quan

g

(®.v

.t.y.

)

Thêi gian (giê)

Hình 10. Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS theo thời gian

KẾT LUẬN

Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS phân tán trong nước đã được chế tạo thành công. Các mẫu chế tạo được là các dung dịch trong suốt có chứa các hạt nano CdSe và CdSe/CdS. Các mẫu này phát xạ huỳnh quang mạnh dưới ánh sáng của đèn tử ngoại, phát xạ màu sắc khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chấm lượng tử. Cường độ phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS tăng mạnh so với các hạt nano CdSe không có lớp vỏ bọc CdS. Khi tăng thời gian nuôi tinh thể thì cường độ huỳnh quang của các chấm lượng tử cũng tăng lên. Kích thước của các chấm lượng tử phụ thuộc vào điều kiện chế tạo.

Cụ thể, khi khi nồng độ chất bẫy tăng, kích thước tinh thể càng giảm, theo đó đỉnh phát xạ của các chấm lượng tử càng lệch về phía sóng ngắn. Các chấm lượng tử có cường độ huỳnh quang tăng sau khi được bọc các lớp hợp sinh là PEG và BSA. Các mẫu chấm lượng tử chế tạo được có độ ổn định quang cao, thích hợp cho các thí nghiệm trong thời gian kéo dài, hứa hẹn ứng dụng trong đánh dấu sinh học.


[1]. Wenwan Zhong, Nanomaterials in fluorescence-based biosensing, Anal. Bioanal. Chem. (2009) 394, Springer:47–59 [2]. Gao X, Yang L, Petros JA, Marshall FF, Simons JW, Nie S., In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots, Curr Opin Biotechnol, 16, 63–72 (2005) [3]. Challa S. S. R. Kumar, Nanotechnologies for the Life Sciences Vol. 1, Biofunctionalization of Nanomaterials. Edited by Copyright 8 2005 WILEY-VCH [4]. Roszek B., W.H. de Jong, Geertsma R.E., Nanotechnology in medical application, 2005 [5]. Bailey R. E., Smith A. M., Nie N., Quantm dots in biology and medicine, Physica E 25 (2004) 1-12 [6]. D. Deng, J. Yu, and Y. Pan, Journal of Colloidand Interface Science, 2006, Vol. 299, pp. 225-232 [7]. L.E. Brus, J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984). [8]. Size-dependent band gap of colloidal quantum dots - JOURNAL OF APPLIED PHYSICS99, 013708 (2006) [9]. R. F. Kubin and A. N. Fletcher, J. Luminescence, Vol. 27, 1982, pp. 455-462 [10]. B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, and M. B. Bawendi. J. Phys. Chem. B Vol. 101, 1997, pp. 9463–9475.


23

SUMMARY SYNTHESIS AND OPTICAL PROPERTIES OF CdSe QUANTUM DOT NANOCRYSTALS FOR BIOLABELING APPLICATIONS

Chu Viet Ha1,*, Nguyen Thi Van1, Tran Anh Duc2, Vu Thi Kim Lien 1 1College of Education – TNU

Institute of Physics – Vietnam Academy of Science and Technology

The CdSe quantum dots have been synthesized via wet chemical method using citrate as surfactant agent. The prepared quantum dots are mono – dispersed in aqueous solution with the size varying from 3.5 to 10 nm. The investigation of photoluminescence emission properties shows a photostability of the quantum dots in different pH environment. The photostability also has been examined by observing the evolution of fluorescence spectra and quantum yield with storing time. The results show that the CdSe quantum dots have high photostability which is almost unchanged after many months, and promise to be suitable for biolabeling. Keywords: Quantum dots, CdSe, citrate, aqueous solution, biolabelling.

LỜI CẢM ƠN

Công trình được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí của đề tài NCKH cấp Đại học Thái Nguyên, mã số ĐH2012-TN04-15.


Phản biện khoa học: TS. Phạm Duy Lác – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

* Tel: 0912132036


24

Nguyễn Xuân Lai và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 25 - 31

25

VERSION OF NEVANLINNA FIVE-VALUE THEOREM AND HAYMAN CONJECTURE FOR DERIVATIVES OF P-ADIC MEROMORPHIC FUNCTIONS

Nguyen Xuan Lai1,*, Tran Quang Vinh2

1Hai Duong College, 2Dai Tu High Schools, Thai Nguyen

SUMMARY In this paper, we gave a version of Nevanlinna five-value theorem and Hayman Conjecture for derivatives of p-adic meromorphic functions. Keywords: Unique problem, p-adic Meromorphic functions, derivative, Nevanlinna, Hayman Conjecture, non- Archimedean meromorphic functions, Value distribution, compensation function, characteristic function, counting function.

INTRODUCTION* In 1926, Nevanlinna proved the following result (the Nevanlinna five-value theorem). Theorem A. Let f, g be two non-constant meromorphic functions such that for five distinct values a1 , a2 , a3 , a4 , a5 we have f(x) = ai ⇔ g(x) = ai , i = 1, 2, 3, 4, 5. Then f ≡ g. In 1967, Hayman also proposed the following conjecture. Hayman Conjecture. If an entire function f

satisfies ( ) ( )' 1nf z f z ≠ for a positive

integer n and all z∈ℂ , then f is a constant. It has been verified for transcendental entire functions by Hayman himself for n > 1, and by Clunie for n ≥ 1. These results and some related problems have become to be known as Hayman's Alternative, and caused increasingly attensions. In recent years the similar problems are investiged for functions in a non-Archimedean fields. In 2008, J. Ojeda[16] proved that for a transcendental meromorphic function f in an algebraically closed fields of characteristic zero, complete for a non-Archimedean absolute value K, the function

' 1nf f − has innitely many zeros, if n ≥ 2.

Ha Huy Khoai and Vu Hoai An[12] established a similar results for a differential

monomial of the form ( )( ),n kf f where f is a

meromorphic function in Pℂ .

* Email: [email protected]

In this paper, by using some arguments in [12] we gave a result similar to the Nevanlinna five-value theorem for derivatives of p-adic meromorphic functions.

The main tool to be used is the non-Archimedean Nevanlinna theory, so we first recall some basic facts of the theory. More details can be found in [3],[4],[8],[10], [11], [12],[14].

VALUE DISTRIBUTION FOR NON- ARCHIMEDEAN MEROMORPHIC FUNCTIONS

Throughout this paper, K will denote an algebraically closed field of characteristic zero, complete for a non-trivial non-

Archimedean absolute value denoted by . ,

and log be a real logarithm function of base ρ > 1, and ln be a real logarithm function of base e.

Counting functions of non-Archimedean entire function (see [8, pp.21-23],[3],[4],[10], [11], [12])

Let f be a non-constant entire function on K and b ∈ K. Then we can write f in the form

( ) ( )nn

n q

f z b z b∞

== −∑

with bq ≠ 0 and we put 0 ( ) ,f b qω = q∈ .ℕ

For a point a ∈ K we define the function

: Kafω →ℕ by 0( ) ( )a

f f ab bω ω −=


26

Fix a real number 0ρ with 0 < 0ρ ≤ r. Take a

∈ K and we denote the counting function of zeros of f– a, counting multiplicity in the disk Dr = z∈K : z r≤ , i.e. we set

0

( , )1( , )

ln

rf

f

n a xN a r dx

xρρ= ∫ ,

where ( , )fn a x is the number of solutions of

the equation f(z) = a (counting multiplicity) in the disk Dx = z∈K : z x≤ . If a = 0, then

set Nf (r) = Nf(0, r).

For l a positive integer, set

0

,,

( , )1( , ) ,

ln

rl f

l f

n a rN a r dx

xρρ= ∫

where , ( , ) min ( ), .al f f

z r

n a r z lω≤

= ∑

Characteristic functions of non-Archimedean meromorphic function (see [8, pp.33-46],[3],[4],[10],[11],[12],[14])

Recall that for a non-constant entire function f(z) on K, represented by the power series

0( ) ,n

nn

f z a z∞

== ∑

for each r > 0, we define

max ,0 .nnr

f a r n= ≤ < ∞

Now let 1

2

ff

f= be a non-constant

meromorphic

function on K, where f1, f2 are entire functions on K having no common zeros, we set

1

2

.rr

r

ff

f=

For a point a ∈ K∪ ∞ we define the

function

: Kafω →ℕ by

1 2

0( ) ( )af f afb bω ω −= with a ≠ ∞

and 2

0( ) ( )f fb bω ω∞ = .

Take a ∈ K. We denote the counting function of zeros of f – a , counting multiplicity in the disk Dr = z∈K : z r≤ , i.e. we set

1 2( , ) ( )f f a fN a r N r−= and set

2( , ) ( ).f fN r N r∞ = Define the compensation

function of f, by ( , ) max 0,logf rm r f∞ =

and set, 1( , ) ( , )f

f a

m a r m r−

= ∞ , and the

characteristic function of f, by

( ) ( , ) ( , ).f f fT r m r N r= ∞ + ∞

Then we have

( , ) ( , ) ( ) (1)f f fN a r m a r T r O+ = +

with a∈ K∪ ∞ ,

( )( ) ( ) ( )

11 2

( ) ( ) (1), ( ) maxlog (1),

, , 1 .k

f f i rif

k rk fr

f

T r T r O T r f O

ff m r O

r

≤ ≤= + = +

≤ ∞ =

The following lemmas were proved in [8, pp.21] (see also [11], [14]).

Lemma 2.1. Let f be a non-constant entire function on K. Then

0( ) ( ) ( )f f fT r T N rρ− =

where 00 rρ< ≤ .

Notices that Nf (r) depends on fixed 0ρ .

A meromorphic function f on K is called a transcendental meromorphic function if

( )lim

logf

r

T r

r→∞= ∞ .

Lemma 2.2. Let f be a non-constant meromorphic function on K and let a1 , a2 , ..., aq be distinct points of K. Then

1, 1,1

( 1) ( ) ( , ) ( , ) log (1)q

f f f ii

q T r N r N a r r O=

− ≤ ∞ + − +∑

3. Version of Nevanlinna five-value theorem and Hayman Conjecture for derivatives of p-adic meromorphic functions


27

Lemma 3.1. Let f be a non-constant meromorphic function on K and n be a positive integer, n > k and a be a pole of f. Then

1. ( ) ( )( ( )) , (3.1)

( )n k k

np k

zf z

z a

ϕ+=

−

where ( ), ( ) 0f kp a aω ϕ∞= ≠ ;

2. ( )( )n kf is non-constant.

Proof.

1. By a be a pole of f we obtain ( )

( ) , ( ), ( ) 0( )

nfnp

zf z p a a

z a

ϕ ω ϕ∞= = ≠−

. Now

we prove by inductive method. With k = 1, we have

( )' ''

1

( ) ( ) ( )( ) ) .

( ) ( )n

np np

z z a np zf z

z a z a

ϕ ϕ ϕ+

− −= = − −

Set '1( ) ( ) ( ).z z a np zϕ ϕ ϕ= − − Then

' 111

( )( ) , ( ) 0.

( )n

np

zf a

z a

ϕ ϕ+= ≠−

Assume

( ) ( )( ( )) , ( ) 0

( )n k k

knp k

zf z a

z a

ϕ ϕ+= ≠−

.

We have

'( 1) ( ) '

'

1

( )( ( )) (( ( )) )

( )

( ) ( ) ( ) ( )).

( )

n k n k knp k

k knp k

zf z f z

z a

z a z np k z

z a

ϕ

ϕ ϕ

++

+ +

= = −

− − +=

−

Set '

1( ) ( ) ( ) ( ) ( ).k k kz z a z np k zϕ ϕ ϕ+ = − − +

Then

( 1) 111

( )( ( )) , ( ) 0

( )n k k

knp k

zf z a

z a

ϕ ϕ+ +++ += ≠

−.

2. If a is a pole of f, then by (3.1) we obtain a

is a pole of ( )( ) .n kf If b is a zero of f, then we obtain

( )

( ) ( ) ( ), ( ) 0, ( ) ( ) ( ),

( ( )) ( ) ( ), ( ) 0

m n mn n

n k mn kk k

f z z b l z l b f z z b l z

f z z b l z l b−

= − ≠ = −

= − ≠

Then b is a zero of ( )( ) .n kf So ( )( )n kf is non-constant. Lemma 3.1 is proved.

Lemma 3.2. Let f be a non-constant meromorphic function on K and n be a positive integer, n > k and a, b be pole and zero of f, respectively. Then

( ) ( )( ( ))1. ,

( ) ( )

n kk

n k pk k

h zf z

f z z a− +=−

where ( ), ( ) 0;f kp a h aω∞= ≠

( )( 1)( ( ))

2. ( ) ( ),( )

n km k

kn k

f zz b S z

f z

−− = −

where 0 ( ), ( ) 0;f km b S bω= ≠

Proof.

1. By a be a pole of f we obtain

( ) ( )( )( ) , ( ) 0,( ( )) ,

( ) ( )n k k

p np k

zh zf z h a f z

z a z a

ϕ+= ≠ =

− −

( )

( )( ) 0, ( ) .

( )

n kn k

k p n k

h za f z

z aϕ

−−

−≠ =−

Thus ( ) ( ) ( )( ( ))

, ( ) , ( ) 0.( ) ( ) ( )

n kk k

k kn k pk k n k

h z zf zh z h a

f z z a h z

ϕ− + −= = ≠

−By b be a zero of f we obtain

( )

( )

( ) ( ) ( ), ( ) 0, ( ) ( ) ( ),

( ( )) ( ) ( ), ( ) 0,

( ) ( ) ( ).

m n mn n

n k mn kk k

n k m n k n k

f z z b l z l b f z z b l z

f z z b l z l b

f z z b l z

−

− − −

= − ≠ = −

= − ≠

= −

So

( )( 1).( ( ))

( ) ( ),( )

( )( ) , ( ) 0.

( )

n km k

kn k

kk kn k

f zz b S z

f z

l zS z S b

l z

−−

−

= −

= ≠


28

Theorem 3.3. Let f be a non-constant meromor-phic function on K and n, k be positive integers,

n > 2k. Then

1.

( )

( )

( )

( )

( 2 ) ( ) ( , ) (0, )

( ) (1).

n k

n k

n k

f f f

f

f

n k T r kN r N r

T r O

−

− + ∞ +

≤ +

2. ( ) 1,( ) (0, ) ( ) ( , ) (1).n k

n k

f ff

f

N r kT r kN r O−

≤ + ∞ +

Proof.

1. Put ( )( ) ,n kA f= we have

(1) ( )( , ,..., ).n k kA f P f f f−=

So

( )

1,

1,

( , ) ( , ) ( , ),

( , ) ( , ) ( , ). 3.2

A f f

f A f

N r nN r kN r

nN r N r kN r

∞ = ∞ + ∞

∞ = ∞ − ∞

Since

( ) ( , ) ( , ) (1)

( , ) (1)

( , ) ( , ) (1)

( , ) ( ) (0, ) (1)

n kf f

A

P

A P

A P P

n k m r m r O

m r O

m r m r O

m r T r N r O

−− ∞ = ∞ +

= ∞ +

≤ ∞ + ∞ += ∞ + − +

( , ) ( , )

( , ) (0, ) (1)

( , ) ( , ) ( , )

k

k

A P

P Pf

f

A f f

m r N r

m r N r O

m r kN r km r

= ∞ + ∞+ ∞ − +

≤ ∞ + ∞ + ∞

( )

1,

1,

( , ) (0, ) (1)

( , ) ( ) ( , )

(0, ) (1). 3.3

f P

A f f

P

kN r N r O

m r kT r kN r

N r O

+ ∞ − +

= ∞ + + ∞

− +

From (3.2) and (3.3) we obtain

( , ) ( ) ( , )f fnN r n k m r∞ + − ∞

( ) ( )( )( ) , , ( , )f f fn k N r m r kN r= − ∞ + ∞ + ∞

( )( ) ( )

1,

1,

( )

( ) ( ) ( , )

( , ) ( , ) ( , )

( ) ( , ) (0, ) 1

( ) (0, ) 1 .kn

f f

A A f

f f P

Pf

n k T r kN r

N r m r kN r

kT r kN r N r O

T r N r O

= − + ∞

≤ ∞ + ∞ − ∞

+ + ∞ − +

= − +

Thus

( ) ( )

( ) ( )( )

( 2 ) ( ) , 0,

( ) 1 .kn

f f P

f

n k T r kN r N r

T r O

− + ∞ +

≤ +

2.We have

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )

1,

1,

0, 1

, , 1

, , 1

, ( , )

, 1

, , 1

( ( , )) ,

, 1

, 1 .

k

k

k

k

P P

P P

P Pf

f

P ff

P

f P

f f f

f

f f

N r T r O

m r N r O

m r N r O

m r m r

N r O

km r N r O

k T r N r kN r

kN r O

kT r kN r O

≤ +

= ∞ + ∞ +

= ∞ + ∞ +

≤ ∞ + ∞

+ ∞ +

≤ ∞ + ∞ +

= − ∞ + ∞

+ ∞ +

= + ∞ +

So ( ) 1,( ) (0, ) ( ) ( , ) (1).kn

n k

f ff

f

N r kT r kN r O−

≤ + ∞ +

Theorem 3.4.(A version of Nevanlinna five-value theorem for derivatives of p-adic meromorphic functions.) Let f and g be two transcendental meromorphic functions on K, n, k be positive integers, and

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ), 0, 1,2,...,

( ) ( ), 0, 1,2,..., , w

4, 4, , 3, , 3

1, 1 1. .

n k n k

m k m k

f gi i i

f gi i i

E a E a a i q and

E b E b b i l ith

q l n k n m k m

and m n Then f g

= ≠ =

= ≠ =≥ ≥ > > > >

+ + = ≡Proof.

Lemma 3.5. f ≡ dg for some (n + 1)-th root of unity d and f≡ eg for some(m + 1)-th root of unity e.


29

Proof. We prove that ( ) ( )( ) ( )k kn nf g≡ . In

fact, assume, on the contrary, that

( ) ( )( ) ( )k kn nf g≠

By Lemma 2.2 and

( ) ( )( ) ( )( ) ( )n k n kf gi iE a E a= we have

( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) 1,( )1

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( 2) ( ) ( , ) log (1)

log (1)

log (1).

k kn n

k kn n

k kn n

k kn n

q

if fi

f g

f g

f g

q T r N a r r O

N r

T r r O

T r T r r O

=

−

−

− ≤ − +

≤

≤ − +

≤ + − +

∑

We give ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( 2) ( ) log (1).k k kn n nf f gq T r T r T r r O− ≤ + − +

Similarly

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( 2) ( ) log (1).k k kn n ng f gq T r T r T r r O− ≤ + − +

Combining, the above inequalities we obtain

( ) ( ) ( )( ) ( )( 4)( ( )) 2log (1).k kn nf gq T r T r r O− + + ≤

By 4,q ≥ a contradiction. Thus

( ) ( )( ) ( )k kn nf g≡ .

Then we deduce that 1 1 , K[ ].n nf g c c x+ +≡ + ∈ We prove that

c=0. In fact, assume, on the contrary, that c ≠ 0. By[17]

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

( )( ) ( ) ( )

1, 1, 1,

1, 1,

1,

1, 1, 1,

( ) 1 , 0, ,

log ( ) , 0,

0, log ( )

, 0, 0,

log ( )

2 ( ) ( ) log ( ).

n n n n

n n

n

f f f f f

f f f

fg

f f g

f

f g f

nT r O T r N r N r N c r

r S r N r N r

N r r S r

N r N r N r

r S r

T r T r r S r

+ = ≤ ∞ +

− + ≤ ∞ +

+ − +

≤ ∞ +

− +

≤ + − +

Thus

( ) ( )( ) 2 log ( )f f g fnT r T r T r r S r≤ + − +

Similarly

( ) ( )( ) 2 log ( ).g g f gnT r T r T r r S r≤ + − +

Combining, the above inequalities we obtain

( ) ( ) ( )( )

( ( ) ) 3( ) 2log ( ),

( 3)( ( ) ) 2log ( ),

f g f g f

f g f

n T r T r T r T r r S r

n T r T r r S r

+ ≤ + − +

− + + ≤

From n > 3 we have a contradiction.

So c = 0. Therefore 1 1n nf g+ +≡ . Thus f ≡ dg for some (n + 1)-th root of unity d.

Similarly f ≡ eg for some (m + 1) -th root of unity e.

Now we prove that f ≡ g.

Since f ≡ dg for some (n + 1)-th root of unity d and f ≡ eg for some (m + 1)- th root of unity e, dg ≡ eg

So d= e. By (m+1, n+1) =1, we have d=e=1.

Therefore f ≡ g. Theorem 3.4 is proved.

Now let P(z) ∈ K[z], degP = n+k, and n, k be positive integers. Write P(z) in form

( ) ( ) ( ) ( )1 1

1 1( ) ... ...p qn mn mp qP z a z a z a z b z b= − − − −

where 1, 1,..., , 1, 1,...,i in k i p m k i q≥ + = < + = .

Then we give

Theorem 3.6. (A version of Hayman Conjecture for derivatives of p-adic meromorphic functions.) Let f be a non-constant meromorphic function on K,

11 ( 1) , K, 0

q

ii

n p k m a a=

≥ + + + ∈ ≠∑

Then

( )( )( )kP f a− has zeros.

Proof. By [14] we obtain

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) 1, ( ) 1, ( )

1,( ( ))

( ) , 0,

, log . 3.3k

P f P f k P f

P f

T r N r N r

N a r r

+≤ ∞ +

+ −

On the other hand

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

1 1

( )

1, ( ) 1,

1 1

1, ( ) 1,1

( ) ( ) 1 ,

, , ( ) 1

... ... ,

0, 0,

p q

ni

i

P f f

P f f f

n mn mp q

p

k P f k f ai

T r nT r O

N r N r T r O

P f a f a f a f b f b

N r N r+ + −=

= +

∞ = ∞ ≤ +

= − − − −

≤ +∑


30

( ) ( )1,1

0, log .mi

i

q

k f bi

N r r+ −=

+ −∑

By 1in k≥ + we obtain

( ) ( )( )

( ) ( )

1, 1,( ) ( )

( )

0, ( 1) 0,

( 1) 0,

( 1) 1 .

n ni ii i

i

k kf a f a

f a

f

N r k N r

k N r

k T r O

+ +− −

−

≤ +

≤ +

≤ + +

By 1im k< + , we have

( ) ( ) ( )1,( ) ( )0, 0, .m mi ii i

k i ff b f bN r N r m T r+ − −≤ ≤

From this and (3.3) we have

( )( )( ) ( )1

1,

( ) ( ) ( 1) ( ) ( )

log ( , ) 1 .k

q

f f f i fi

P f

nT r T r p k T r m T r

r N a r O=

≤ + + +

− + +

∑

Therefore

( )( )( ) ( )1

1,

( 1 ( 1) ) ( ) log

( , ) 1 .k

q

i fi

P f

n p k m T r r

N a r O=

− − + − +

≤ +

∑

By 1

1 ( 1)q

ii

n p k m=

≥ + + + ∑ we

give ( )( )( )kP f a− has zeros. Theorem 3.6 is

proved. By Theorem 3.6, we have Corollary 3.7

Corollary 3.7. Let f be a meromorphic function on K, satisfying the condition

( ) ( )'

1nf z ≠ for all z∈K and for some

positive integers n. Then f is a constant function if one of the following conditions holds:

1. f is an entire function, and n ≥ 2.

2. n ≥ 3.

Remark. Indeed, in [16], Theorem 3 shows

that ' 4f f+ has at least one zero that is not a zero of f, where f is a non-constant function.

Hence setting 1

( )( )

g xf x

= , we can check

that 2 'g g takes the value 1 at least one time.

By 2 ' 31( ),

3g g g= we obtain 3 '( )g takes the

value 1 at least one time. So the case p = 1, q = 0, n = 3, k = 1 of Theorem 3.6 has been established in [16].

Acknowledgments. The authors would like to thank Professor Ha Huy Khoai and Dr. Vu Hoai An for assistance and guidance.

TÓM TẮT TƯƠNG TỰ ĐỊNH LÝ NĂM ĐIỂM NEVANLINNAVÀ GI Ả THUYẾT HAYMAN ĐỐI VỚI ĐẠO HÀM CỦA CÁC HÀM PHÂN HÌNH P- ADIC

Nguyễn Xuân Lai1,* , Trần Quang Vinh2

1Trường Cao đẳng Hải Dương, 2Trường THPT Đại Từ, Thái Nguyên

Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một tương tự định lý năm điểm Nevanlinna và giả thuyết Hayman đối với đạo hàm của các hàm phân hình p-adic. Từ khóa: Vấn đề duy nhất, hàm phân hình p-adic, đạo hàm hàm phân hình p-adic, Nevanlinna, giả thuyết Hayman, hàm phân hình không Acsimet, hàm xấp xỉ, hàm đếm, hàm đặc trưng.

Ngày nhận bài: 20/9/2013; Ngày phản biện: 19/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013

Phản biện khoa học: TS. Hà Trần Phương – Trường ĐH Sư phạm – ĐHTN

* Email:[email protected]


31

REFERENCES

[1]. Adam, W. W., and Straus, E.G., Non-Archimedean analytic functions taking the same values at the same points, Illinois J.Math. 15 (1971) 418-424. [2]. Vu Hoai An and Tran Dinh Duc, Uniqueness theorems and uniqueness polynomials for p-adic holomorphic curves, Acta Math.Vietnam 33(2008), no.2, 181-195. [3]. A. Boutabaa and A. Escassut, On uniqueness of p- adic meromorphic functions, Proc. Amer. Math. Soc., (9) (1998), 2557-2568. [4]. A. Boutabaa and A. Escassut, Uniqueness problems and applications of the ultrametric Nevanlinna theory, Contemporary Math. 319, 53-74 (2003). [5]. A. Escassut, J. Ojeda, and C. C. Yang, Functional equations in a p-adic context, J. Math. Anal. Appl. 351, No. 1, 350-359 (2009). [6]. A. Escassut, L. Haddad and R Vidal, URS, URSIM and non-URS p-adic functions and of polynomials, J. Number Theory, (1) (1999), 133-144. [7]. A. Escassut and C. C. Yang, The functional equation P(f) = Q(g) in a p-adic field, J. Number Theory, (2004) No 2, 344-360. [8]. Ha Huy Khoai, On p-adic meromorphic functions, Duke Math. J. 50(1983), 695-711. [9]. Ha Huy Khoai and Vu Hoai An, Value distribution for p-adic hypersurfaces, Taiwanese Journal of Mathematics, Vol. 7, No.1, pp. 51-67, 2003.

[10]. Ha Huy Khoai and Vu Hoai An, Value distribution problem for p-adic meromorphic functions and their derivatives, Ann. Fac. Sc. Toulouse, Vol. XX, No. Special, 2011, pp.135-149. [11]. Ha Huy Khoai and Ta Thi Hoai An, On uniqueness polynomials and Bi-URS for p-adic Meromorphic functions, J. Number Theory. 87(2001), 211-221. [12]. Ha Huy Khoai and Mai Van Tu, p-adic Nevanlinna-Cartan Theorem, Internat. J. Math. 6(1995), 719-731. [13]. Ha Huy Khoai and C. C. Yang (2004), On the functional equation P(f) = Q(g), Advances in Complex Analysis and Application, Value Distribution Theory and Related Topics, pp.201-2008, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London. [14]. Hu, P.-C. and Yang, C.-C. Meromorphic functions over non-Archimedean fields, Kluwer, 2000. [15]. P. C. Hu and C. C. Yang, A unique range sets for p-adic meromorphic functions with 10 elements, Acta Math. Vietnamica., 24 (1999), 95-108. [16]. Ojeda, J. (2008) Hayman's conjecture in a p-adic field, Taiwanese J. Math. N.9, pp. 2295-2313. [17]. J. Ojeda. (2008), Zeros of ultrametric

meromorphic functions ' ( )n kf f f a α− − ,

Asian-European Journal of mathematics,Vol.1 (3), pp. 415-429.


32

Phùng Duy Quang Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 33 - 38

33

ƯỚC LƯỢNG XÁC SUẤT PHÁ SẢN TRONG MÔ HÌNH B ẢO HIỂM TỔNG QUÁT CÓ TÁC ĐỘNG CỦA LÃI SUẤT VỚI DÃY SỐ TIỀN THU, DÃY LÃI SU ẤT LÀ CÁC XÍCH MARKOV THU ẦN NHẤT

Phùng Duy Quang*

Trường Đại học Ngoại thương Hà Nội

TÓM TẮT Trong bài báo này chúng tôi xây dựng phương trình đệ quy và phương trình tích phân cho xác suất phá sản và từ đó xây dựng công thức ước lượng xác suất phá sản trong mô hình bảo hiểm tổng quát có tác động của lãi suất với dãy số tiền thu, dãy lãi suất là các xích Markov thuần nhất, còn dãy số tiền trả bảo hiểm độc lập cùng phân phối (dãy số tiền thu, dãy số tiền đòi trả, dãy lãi suất là độc lập với nhau). Từ khóa: phương trình đệ quy, phương trình tích phân, xác suất phá sản, số tiền đòi trả, số tiền thu, dãy lãi suất, xích Markov thuần nhất.

ĐẶT VẤN ĐỀ* Đối với mô hình bảo hiểm tổng quát với thời gian rời rạc có tác động của lãi suất, ở mỗi

thời kỳ số tiền thu bảo hiểm X = 0iiX ≥ , số

tiền đòi trả bảo hiểm Y = 0jjY

≥, dãy lãi suất I

= 0kkI ≥ được giả thiết là các biến ngẫu nhiên

không âm, độc lập cùng phân phối và ba dãy biến ngẫu nhiên này là độc lập với nhau. Khi đó, ở mỗi thời kỳ n ( 1n ≥ ), vốn của kỳ trước được đem đầu tư với lãi suất là dãy biến ngẫu nhiên I. Khi đó, vốn ở thời kỳ n được xác định như sau:

...,2,1n;YX)I1(UU nnn1nn =−++= − (1.1)

Uo = u > 0 Khi đó, xác suất phá sản đến thời kỳ n được định nghĩa bởi

<=Ψ

=∪

n

1kkn )0U(P)u( (1.2)

và xác suất phá sản (với thời gian vô hạn) là

<=Ψ=Ψ

∞

=∞→∪

1nnnn

)0U(P)u(Lim)u( (1.3)

Sự tác động của lãi suất đến xác suất phá sản, đã được Sundt và Teugels ([7], 1995; [8], 1997) nghiên cứu cho trường hợp hằng số, trong mô hình rủi ro Poisson phức hợp. Chủ đề này được tiếp tục nghiên cứu trong các mô hình rủi ro, bởi nhiều tác giả như Rolski et al

* Tel:0912083250; Email: [email protected]

([5], 1999), Asussen ([1], 2000), Yang ([10], 1999) đã xét mô hình (1.1) trong trường hợp

đặc biệt khi dãy lãi suất 1nnI ≥ là các hằng

số. Ngoài ra, Cai ([3], 2004), Xu, L. và Wang, R. ([9], 2006) cũng đã xét mô hình (1.1) và

(1.2) khi 0nnI ≥ là xích Markov và dãy

0iiX ≥ , 0jjY

≥ là các dãy biến ngẫu nhiên

độc lập hoặc dãy tự hồi quy cấp 1. Bài báo tiếp cận theo hướng xây dựng phương trình đệ quy và phương trình tích phân cho xác suất phá sản và từ đó xây dựng công thức ước lượng xác suất phá sản của mô

hình (1.1) với giả thiết X = 0iiX ≥ , I =

0kkI ≥ là các dãy biến ngẫu nhiên không

âm,là các xích Markov thuần nhất còn Y=

0jjY

≥, là các dãy biến ngẫu nhiên không âm,

độc lập, cùng phân phối và X, Y, I là độc lập. Nội dung của bài báo gồm các mục: Mục 2 xây dựng phương trình tích phân cho xác suất phá sản của mô hình (1.1) với giả thiết 2.1 – 2.5 được giới thiệu ở định lý 2.1; Mục 3 của bài báo đưa ra Bổ đề 3.1 chỉ ra sự tồn tại duy nhất hằng số Ro>0 để kết hợp với định lý 2.1 thu được một ước lượng dưới dạng hàm mũ cho xác suất phá sản của mô hình (1.1), kết quả này được trình bày trong định lý 3.1. Cuối cùng mục 4 đưa ra các kết luận thu được của bài báo.


34

PHƯƠNG TRÌNH TÍCH PHÂN CHO XÁC SUẤT PHÁ SẢN CỦA MÔ HÌNH (1.1) VỚI DÃY SỐ TIỀN THU BẢO HIỂM, DÃY LÃI SUẤT LÀ CÁC XÍCH MARKOV THUẦN NHẤT

Xét mô hình (1.1) với các giả thiết sau:

Giả thiết 2.1: vốn ban đầu Uo = u > 0.

Giả thiết 2.2: Dãy số tiền thu X = 0nnX ≥ là

xích Markov thuần nhất nhận giá trị không âm trong M21X x...,,x,xE = với phân phối

ban đầu: )Ex()xX(Pp Xkk0k ∈== , giá trị ban đầu Xo = xi

, [ ] Xjiinj1nij Ex,x);Nn(,xXxXPp ∈∈=== +

thỏa mãn : ∑∈

=≤≤XEj

ijij 1p,1p0 .

Giả thiết 2.3: Dãy lãi suất I = 0nnI ≥ là xích

Markov thuần nhất nhận giá trị không âm trong N21I i...,,i,iE = với phân phối ban

đầu: )Ei()iI(Pq Ikk0k ∈== , giá trị ban đầu Io =

ir, [ ] Isrrns1nrs Ei,i);Nn(,iIiIPq ∈∈=== +

thỏa mãn: ∑∈

=≤≤IEs

rsrs 1q,1q0 .

Giả thiết 2.4: Dãy số tiền trả Y = 0nnY ≥ là

dãy biến ngẫu nhiên không âm, độc lập, cùng phân phối với hàm phân phối

)yY(F)y(F 0 ≤= .

Giả thiết 2.5: X, Y, I là độc lập với nhau.

Trước hết, từ (1.1) ta có:

∏∏ ∑+== =

+−++=n

1kjj

n

1k

n

1kkkkn )I1()YX()I1(.uU .(2.1)

Gọi Tu là thời điểm phá sản của công ty bảo hiểm: 0U:jinfT ju <= .

Khi đó, xác suất phá sản của mô hình (1.1) ở thời kỳ n và thời điểm vô hạn xác định như sau:

)nT(P)i,x,u( urin ≤=ψ .

===<=

=roioo

n

1jj iI,xX,uU)0U(P ∪ . (2.2)

)i,x,u(lim)T(P)i,x,u( rinnuri ψ=+∞<=ψ∞→

===<=

∞

=roioo

1jj iI,xX,uU)0U(P ∪ .(2.3)

Bài toán đặt ra là với các giả thiết 2.1 – 2.5, hãy ước lượng các xác suất (2.2) và (2.3).

Trước hết, ta ký hiệu đuôi của phân bố B(x) là

)x(B1)x(B −= .

Khi đó, ta thu được phương trình tích phân của xác suất phá sản (2.2) và (2.3):

Định lý 2.1. Với mỗi n = 1, 2, 3, … ta có

[ ]∑ ∑ ∫∈ ∈

++

+

−++ψ=ψXj Is

js

Ex Ei

x)i1(u

0sjjsnrsijri1n )y(Fdi,x,yx)i1(uqp)i,x,u(

[ ]js x)i1(uF +++ (2.4)

Đặc biệt:

[ ]∑ ∑∈ ∈

++=ψXj IsEx Ei

jsrsijri1 x)i1(uFqp)i,x,u( (2.5)

Đồng thời:

[ ]∑ ∑ ∫∈ ∈

++

−++ψ=ψXj Is

js

Ex Ei

x)i1(u

0sjjsrsijri )y(Fdi,x,yx)i1(uqp)i,x,u(

[ ]js x)i1(uF +++ (2.6)

Chứng minh:

Đặt yY,iI;xX 1s1j1 === . Khi đó

yx)i1(uYX)I1(UU js111o1 −++=−++=

Đặt

yY,iI,iI,xX,xX,uUA 1s1roj1ioo =======

* Nếu u(1 + is) + xj < y ta có:

( ) 1A0UP 1 =< 1A)0U(P1n

1kk =

<⇒

+

=∪ .(2.7)

* Ngược lại, js x)i1(uy0 ++≤≤ thì

( ) 0A0UP 1 =< . (2.8)

Xây dựng dãy bản sao độc lập

0nn0nn0nn I~

,Y~

,X~

≥≥≥ tương ứng của các dãy


35

0nnX ≥ , 0nnY ≥ , 0nnI ≥ với

.iII~

,yYY~

,xXX~

s1o1oj1o ======

Khi đó, với js x)i1(uy0 ++≤≤ do (2.8) nên

ta có:

<=

<

+

=

+

=A)0U(PA)0U(P

1n

2kk

1n

1kk ∪∪

[ ]

+−++=+

= =∏∪

1n

2k

k

2jjjs )I1(yx)i1(uP

<+−+∑ ∏= +=

k

2j

k

1jppjj 0)I1()YX(

( ) )s1j1js1 iI,xX,yxi1uU ==−++=

<+−++== = +==

∑ ∏∏∪n

1k

k

1j

k

1jppjj

k

2jjo 0)I

~1()Y

~X~

()I~

1(U~

P

)sojojso iI~

,xX~

,yx)i1(uU~ ==−++=

= )i,x,yx)i1(u( sjjsn −++ψ . (2.9)

Mà theo định nghĩa, ta có:

===<=ψ

+

=+ roioo

1n

1kkri1n iI,xX,uU)0U(P)i,x,u( ∪

Khi đó, ta có:

)y(dFA)0U(Pqp)i,x,u(Xj IsEx 0

1n

1kk

Eirsijri1n ∑ ∫∑

∈

+∞ +

=∈+

<=ψ ∪

<= ∫∑ ∑

++ +

=∈ ∈

js

Xj Is

x)i1(u

0

1n

1kk

Ex Eirsij )y(dFA)0U(Pqp ∪

<+ ∫

+∞

++

+

=js x)i1(u

1n

1kk )y(dFA)0U(P ∪

(2.10)

Thay (2.7) và (2.9) vào (2.10) ta thu được:

)i,x,u( ri1n+ψ

∑ ∫∑∈

++

∈

−++ψ=Xj

js

IsEx

x)i1(u

0sjjsn

Eirsij )y(dF)i,x,yx)i1(u(qp

[ ]js x)i1(uF +++ . (2.11)

Hay ta có (2.4).

Đặc biệt

[ ]∑ ∑∈ ∈

++=ψXj IsEx Ei

jsrsijri1 x)i1(uFqp)i,x,u(

Từ (2.4) cho n +∞→ và định lý hội tụ của hàm dưới dấu tích phân ta thu được (2.6).

Vậy định lý 2.1 đã được chứng minh

ƯỚC LƯỢNG XÁC SUẤT PHÁ SẢN CỦA MÔ HÌNH (1.1) VỚI DÃY SỐ TIỀN THU BẢO HIỂM, DÃY LÃI SUẤT LÀ CÁC XÍCH MARKOV THUẦN NHẤT

Để thu được bất đẳng thức đánh giá ước lượng cho xác suất phá sản của mô hình (1.1), ta đưa ra bổ đề sau:

Bổ đề 3.1. Với mỗi Xi Ex ∈ , nếu

( )io11 xXXE)Y(E =< và

( ) 0xX0)XY(P io11 >=>− (3.1)

thì tồn tại duy nhất hằng số 0Ri > thỏa mãn phương trình:

( ) 1xXeE io)XY(R 11i ==− (3.2)

Chứng minh: Xét hàm số:

),0(r;1xXeE)r(f iio)XY(r

i11i ∞+∈−== − .

Ta có [ ] io)XY(r

11i xXe)XY((E)r('f 11i =−= −

[ ] 0xXe)XY((E)r(''f io)XY(r2

11i11i ≥=−= − .

Nên f(ri) là hàm lồi trên ),0( ∞+ (3.3)

với f(0) = 0 và

0)xXX(EEY)0('f io11 <=−= . (3.4)

Mặt khác ( ) 0xX0)XY(P io11 >=>− nên tồn

tại số 0>δ để: ( ) 0xX0)XY(P io11 >=>δ>−

Do đó, ta có

1xXeE)r(f io)XY(r

i11i −== −

11.xXeEio11

11i

xX)XY(io)XY(r −=≥ =δ>−

−

1xX)XY((P.e io1ri −=δ>−≥ δ .


36

Điều này suy ra +∞=+∞→

)r(flim iri. (3.5)

Từ (3.3), (3.4) và (3.5) suy ra tồn tại duy nhất 0Ri > thỏa mãn (3.2) .

Ký hiệu:

( ) )Ex(1xXeE:0RminR Xiio)XY(R

io11i ∈==>= − .

Sử dụng kết quả của bổ đề 3.1 và định lý 2.1, ta thu được ước lượng xác suất phá sản cho mô hình (1.1) với các giả thiết 2.1 – 2.5 như sau:

Định lý 3.1. Với u > 0, xi > 0, ir > 0 ta có :

[ ]ro)I1(uR

1ri iIeE.)i,x,u( 1o =β≤ψ +− . (3.6)

Trong đó:)t(F.e

)y(dFeinf

tRt

yR

0t

11

o

o∫+∞

≥

− =β . (3.7)

Chứng minh:

Trước hết, ta có: Ro > 0 nên hàm tRoe là hàm tăng theo biến t trên ),0( ∞+ .

Do vậy

)t(F.e

)y(dFeinf

)t(F.e

)y(dFeinf

tRt

tR

0ttRt

yR

0t

11

o

o

o

o ∫∫+∞

≥

+∞

≥

− ≥=β

111

1)t(F

)y(dFinf 1

1

t

0t≤β⇒≥

β⇒==

∫+∞

≥

Với 0t ≥ , ta có

∫∫ ∞+

−

−+∞

=t

yRtR

1

tRt

yR

)y(dFe.e.)t(F.e

)y(dFe)t(F oo

o

o

∫+∞

−β≤t

yRtR1 )y(dFe.e. oo (3.8)

[ ]1oooo YRtR1

0

yRtR1 eE.e.)y(dFe.e. −

+∞− β=β≤ ∫ . (3.9)

Mặt khác, theo (2.5) và áp dụng (3.9) ta có:

[ ]jsEx Ei

rsijri1 x)i1(uFqp)i,x,u(Xj Is

++=ψ ∑ ∑∈ ∈

[ ] [ ]jso

Xj Is

1ox)i1(uR

Ex Eirsij

YR1 eqp.eE ++−

∈ ∈∑ ∑β≤

[ ] [ ][ ]roioX)I1(uRYR

1 iI,xXeE.eE 11o1o ==β≤ ++−

[ ] [ ]ro)I1(uR

io)XY(R

1 iIeE.xXeE 1o11o ==β≤ +−−

[ ]ro)I1(uR

1 iIeE 1o =β≤ +−

Hay ta có

[ ]ro)I1(uR

1ri1 iIeE.)i,x,u( 1o =β≤ψ +− .

(3.10)

Bây giờ, cần chứng minh bất đẳng thức:

[ ]ro)I1(uR

1rin iIeE.)i,x,u( 1o =β≤ψ +− .

(3.11)

Từ (3.10) suy ra (3.11) đúng với n = 1.

Giả sử (3.10) đúng với n, cần chứng minh (3.11) đúng với n + 1.

Thật vậy, ta có:

[ ][ ][ ]so

)I1(yx)i1(uR*1

sjjsn

iIeE.

)i,x,yx)i1(u

1js*o =β≤

−++ψ+−++−

[ ]yx)i1(uR*1

js*oe. −++−β≤ .

(3.12)

)0yx)i1(u,Ei,Ex( jsIsXj >−++∈∈

trong đó )t(F.e

)y(dFeinf

tR

t

yR

0t

1*1 *

o

*o∫

+∞

≥

− =β ,

( ) 1xXeE jo)XY(R 11

*o ==− và .0RR o

*o >≥

Do

)t(F

)y(dFe

)t(F.e

)y(dFe:0t t

)ty(R

tRt

yR o

o

o ∫∫+∞

−+∞

=≥∀

)t(F.e

)y(dFe

)t(F

)y(dFe

tR

t

yR

t

)ty(R

*o

*o

*o ∫∫

+∞+∞−

=≤


37

nên

≤=β∫

+∞

≥

−

)t(F.e

)y(dFe

inftR

t

yR

0t

11

o

o

)t(F.e

)y(dFeinf

tR

t

yR

0t

1*1 *

o

*o∫

+∞

≥

− =β

1*1*

11

11 β≤β⇔β

≤β

⇔

Đồng thời

[ ] [ ] 0yx)i1(uRyx)i1(uR jsojs*o >−++≥−++

nên ta có

[ ] [ ]yx)i1(uR

1sjjsnjsoe.i,x,yx)i1(u −++−β≤−++ψ (3.13)

)0yx)i1(u,Ei,Ex( jsIsXj >−++∈∈

Áp dụng công thức (2.4), kết quả (3.8) và (3.13), ta được:

)i,x,u( ri1n+ψ

[ ]∑ ∑ ∫∈ ∈

++−++−

β≤

Xj Is

js

jso

Ex Ei

x)i1(u

0

yx)i1(uR

1rsij )y(dFeqp

[ ]

β+ ∫+∞

++

++−

js

ojso

x)i1(u

yRx)i1(uR

1 )y(dFee

[ ]∫∑ ∑

+∞++−

∈ ∈β≤

0

yRx)i1(uR

Ex Eirsij1 )y(dFeeqp ojso

Xj Is

[ ] [ ][ ]roioX)I1(uRYR

1 iI,xXeE.eE 11o1o ==β≤ ++−

[ ] [ ]ro)I1(uR

io)XY(R

1 iIeE.xXeE 1o11o ==β≤ +−−

Hay

[ ]ro)I1(uR

1ri1n iIeE.)i,x,u( 1o =β≤ψ +−+

(3.14)

Từ (3.14) suy ra (3.11) đúng với mọi n = 1,2, …

Cho n +∞→ trong (3.11) ta thu được (3.6)

Chú ý 3.1. Nếu giả thiết phụ thuộc xích Markov thuần nhất thay bởi giả thiết độc lập và mô hình có In = 0 thì định lý 3.1 trở thành:

Giả sử tồn tại số 0Ro > thỏa mãn điều kiện:

( ) 1eE )XY(R 11o =− (3.15)

và với u > 0, xi > 0 ta có : uR

1ioe.)x,u( −β≤ψ .

(3.16)

Trong đó:

)t(F.e

)y(dFeinf

tRt

yR

0t

11

o

o∫+∞

≥

− =β .

(3.17)

Đây chính là kết quả của mô hình tổng quát không có tác động của lãi suất với dãy số tiền

thu bảo hiểm X = 0iiX ≥ , số tiền đòi trả bảo

hiểm Y = 0jjY

≥được giả thiết là các biến

ngẫu nhiên không âm, độc lập cùng phân phối và hai dãy biến ngẫu nhiên này là độc lập với nhau.

KẾT LUẬN

Bài báo đã mở rộng được công thức ước lượng xác suất phá sản của mô hình bảo hiểm tổng quát có tác động của lãi suất (1.1) với giả thiết dãy số tiền thu bảo hiểm X = 0nnX ≥ và

dãy lãi suất I = 0nnI ≥ là các xích Markov

thuần nhất nhận giá trị không âm, dãy số tiền đòi trả Y = 0nnY ≥ là dãy biến ngẫu nhiên

không âm, độc lập, cùng phân phối (trong đó X, Y, I là độc lập). Các kết quả chính của bài báo là các định lý 2.1 và định lý 3.1. Các kết quả này có thể suy ra tương tự cho mô hình mà vốn ở thời kỳ n được xác định như sau:

...),2,1n(Y)I1)(XU(U nnn1nn =−++= −

với Uo = u > 0

Tác giả bài viết xin cảm ơn PGS. TS Bùi Khởi Đàm đã gợi ý cho tác giả vấn đề nghiên cứu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tác giả hoàn thiện bài báo.


[1]. Asmussen, S. (2000), Ruin probabilities, World Scientific, Singapore. [2]. H. Albrecher. (1998), Dependent risks and ruin probabilities in insurance. IIASA Interim Report, IR-98-072. [3]. Cai, J. and Dickson, D. C M (2004), Ruin Probabilities with a Markov chain interest model,


38

Insurance: Mathematics and Economics 35, pp.513-525. [4]. H. Nyrhinen. (1998), Rough descriptions of ruin for a general class of surplus processes. Adv. Appl. Prob., 30: 1008-1026. [5]. Rolski , T., Schmidli, H., Schmidt, V., and Teugels, J. L. (1999), Stochastic Processes for Insuarance and Finance, John Wiley, Chichester [6]. S.D. Promislow.(1991), The probability of ruin in a process with dependent increments. Insurance: Mathematics and Economics, 10: 99-107. [7]. Sundt, B. and Teugels, J. L (1995), Ruin estimates under interest force, Insurance: Mathematics and Economics 16, pp.7-22.

[8]. Sundt, B. and Teugels, J. L (1997), The adjustment function in ruin estimates under interest force. Insurance: Mathematics and Economics 19, pp.85-94.

[9]. Xu, L. and Wang, R. (2006), Upper bounds for ruin probabilities in an autoregressive risk model with Markov chain interest rate, Journal of Industrial and Management optimization, Vol.2 No.2, pp.165- 175.

[10]. Yang, H. (1999), Non – exponetial bounds for ruin probability with interest effect included, Scandinavian Actuarial Journal 2, pp.66-79.

SUMMARY RUIN PROBABILITY IN A GENERALIZED RISK PROCESS UNDE R INTEREST FORCE WITH MARKOV CHAIN PREMIUMS AND MARKO V CHAIN INTEREST

Phung Duy Quang* Foreign Trade University

The aim of this paper to give an recursive and integral equation for ruin probabilities for generalized risk processes under interest force with markov chain premiums and markov chain interests and these sequence are usually assumed to be nonnegative – valued random variables. Generalized Lundberg inequalities for ruin probabilities are derived by using recursive technique. Keywords: Recursive equation, integral equation, ruin probabilities, premiums, claims, interests, homogeneous Markov Chain.


Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Văn Minh – Trường ĐH Kinh tế & QTKD – ĐHTN

* Tel:0912083250; Email: [email protected]

UNIQUENESS THEOREMS FOR HOLOMORPHIC CURVESON ANNULUS SHARING HYPERPLANES

Nguyen Viet Phuong

Thai Nguyen University of Economics and Business Administration - Thai Nguyen University

ABSTRACT

In this paper, by using the second main theorem for holomorphic curves from annuli ∆ to Pn(C) inter-

secting a collection of fixed hyperplanes in general position with truncated counting functions, we will

prove some theorems on unicity for linearly non-degenerate holomorphic curves on annulus ignoring mul-

tiplicity with hyperplanes in general position in projective space. This theorems have shown the sufficient

conditions for two linearly non-degenerate holomorphic curves being equivalent.

Keywords: Unicity, annuli, hyperplane, holomorphic curve, general position.

1 INTRODUCTION

In 1926, R. Nevanlinna proved that two non-constant meromorphic functions of one com-plex variable which attain same five distinctvalues at the same points, must be identical. In1975, H.Fujimoto (see [2]) generalized Nevan-linna’s result to the case of meromorphic map-pings of Cm into Pn(C). He given the suf-ficient condition with 3n + 2 hyperplanes ingeneral position which determining a meromor-phic maps. Since that time, this problem hasbeen studied intensively. The many mathe-maticians study two following problems: find-ing properties of unique range sets, and find-ing out a unique range set with the smallestnumber of elements as possible. For exam-ple: Fujimoto ([2],[3]), Smiley ([8]), Ru ([9]),Dethloft-Tan ([1]), Phuong ([6],[7]) and manyauther. In this paper by using the second maintheorem with ramification of Phuong-Thin (see[5]) we give some uniqueness results for linearlynon-degenerate holomorphic curves on annulussharing sufficiently many hyperplanes in pro-jective space. First, we introduce some nota-tions.

Let R0 > 1 be a fixed positive real number or+∞, set

∆ =z ∈ C :

1

R0< |z| < R0

,

be an annulus in C. Let f : ∆ → Pn(C) be aholomorphic curve, and f = (f0, . . . , fn) be areduced representative of f , namely f0, . . . , fnare holormorphic functions on ∆ without com-mon zeros. For 1 < r < R0, characteristic func-tion Tf (r) of f is defined by

Tf (r) =1

2π

∫ 2π

0

log ‖f(reiθ)‖dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log ‖f(r−1eiθ)‖dθ,

where ‖f(z)‖ = max|f0(z)|, . . . , |fn(z)|. Theabove definition is independent, up to an ad-ditive constant, of the choice of the reducedrepresentation of f .

Let f = (f0, . . . , fn) : ∆ → Pn(C) be a holo-morphic map where f0, . . . , fn are holomorphicfunctions and without common zeros in ∆, letH be a hyperplane in Pn(C) and

L(z0, . . . , zn) =

n∑j=0

aizj

be the linear form in n + 1 variables with co-efficients in C defining H, where aj ∈ C, j =0, . . . , n, be constants. Set

(f,H) =

n∑j=0

ajfj .

0*Tel: 0977615535, e-mail: [email protected]

We define

Ef (H) := z ∈ C |(f,H)(z) = 0

ignoring multiplicity ;

Ef (H) := (z,m) ∈C× N | (f,H)(z) = 0

and ν(f,H)(z) = m,

where νh(z) is order of zero on z of meromor-phic function h. Let H = H1, . . . ,Hq be acollection of hyperplanes, we define

Ef (H) :=⋃H∈H

Ef (H);

Ef (H) :=⋃H∈H

Ef (H).

Recall that hyperplanes H1, . . . ,Hq, q > n, inPn(C) are said to be in general position if forany distinct i1, . . . , in+1 ∈ 1, . . . , q,

n+1⋂k=1

supp(Hik) = ∅,

this is equivalence to the Hi1 , . . . ,Hin+1 are lin-early independent.

The following results we obtain in this paper.

Theorem 1. Let H = H1, . . . ,Hq be a col-lection of q > 2n2+n+2 hyperplanes in generalposition and f, g : ∆ → Pn(C) be linearly non-degenerate holomorphic curves such that

(a) f(z) = g(z) for all z ∈ Ef (H) ∪ Eg(H),

(b) log1

R0 − r= O(Tf (r)), and log

1

R0 − r=

O(Tg(r)) when r → R0 if R0 < +∞.Then f ≡ g.

Theorem 2. Let H = H1, . . . ,Hq be a col-lection of q > 3n + 2 hyperplanes in generalposition and f, g : ∆ → Pn(C) be linearly non-degenerate holomorphic curves such that

(a) f(z) = g(z) for all z ∈ Ef (H) ∪ Eg(H),

(b) Ef (Hi) ∩ Ef (Hj) = ∅ andEg(Hi)∩Eg(Hj) = ∅ for all i 6= j ∈ 1, . . . , q,

(c) log1

R0 − r= O(Tf (r)), log

1

R0 − r=

O(Tg(r)) when r → R0 if R0 < +∞.Then f ≡ g.

Theorem 1 and Theorem 2 are uniqueness the-orems for linearly non-degenerate holomorphiccurves on annulus in the case hyperplanes, theyhave shown the sufficient conditions for two lin-early non-degenerate holomorphic curves beingequivalent. Note that in Theorem 2, the num-ber of hyperplanes is 3n+ 2, which is equal toFujimoto’s result.

2 SOME PREPARATIONS

In this section, we introduce some notationsand recall some results in Nevanlinna for mero-morphic functions and holomorphic curves onannulus, which are necessary for proofs of theour main results.

For any real number r such that 1 < r < R0,we denote

∆r =z ∈ C :

1

r< |z| < r

,

∆1,r =z ∈ C :

1

r< |z| 6 1

,

∆2,r =z ∈ C : 1 < |z| < r

.

Let f be a meromorphic function on ∆, a ∈ C,

we denote by n1

(r,

1

f − a)

the number of zeros

of f − a in z ∈ C : r < |z| 6 1, n2

(r,

1

f − a)

the number of zeros of f − a in z ∈ C : 1 <|z| < r, n1(r,∞) the number of poles of f inz ∈ C : r < |z| 6 1 and n2(r,∞) the numberof poles of f in z ∈ C : 1 < |z| < r. Put

N1

(r,

1

f − a)

=

∫ 1

1/r

n1(t, 1f−a )

tdt,

N2

(r,

1

f − a)

=

∫ r

1

n2(t, 1f−a )

tdt,

N1(r, f) = N1(r,∞) =

∫ 1

1/r

n1(t,∞)

tdt,

N2(r, f) = N2(r,∞) =

∫ r

1

n2(t,∞)

tdt.

Let

N0

(r,

1

f − a)

= N1

(r,

1

f − a)

+N2

(r,

1

f − a)

N0(r, f) = N1(r, f) +N2(r, f).

Lemma 2.1. ([4]) Let f be a nonconstantmeromorphic function on ∆. Then for anyr ∈ (1, R0), we have

N0

(r,

1

f

)−N0(r, f) =

1

2π

∫ 2π

0

log |f(reiθ)|dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log |f(r−1eiθ)|dθ

− 1

π

∫ 2π

0

log |f(eiθ)|dθ.

Let f = (f0 : · · · : fn) : ∆ → Pn(C) be a holo-morphic map where f0, . . . , fn are holomorphicfunctions and without common zeros in ∆, andH be a hyperplane in Pn(C). For 1 < r < R0,under the assumption that (f,H) 6≡ 0, theproximity function of f with respect to H isdefined as

mf (r,H) =1

2π

∫ 2π

0

log‖f(reiθ)‖|(f,H)(reiθ)|

dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log‖f(r−1eiθ)‖|(f,H)(r−1eiθ)|

dθ,

where the above definition is independent, upto an additive constant, of the choice of the re-duced representation of f .

Denote by n1,f (r,H) and n2,f (r,H) the num-bers of zeros of (f,H) in ∆1,r and ∆2,r respec-tively, counting multiplicity. Let δ be a positiveinteger, we denote by nδ1,f (r,H) and nδ2,f (r,H)be the numbers of zeros of (f,H) in ∆1,r and∆2,r respectively, where any zero of multiplic-ity greater than δ is ”truncated” and countedas if it only had multiplicity δ. Set

N1,f (r,H) =

∫ 1

r−1

n1,f (t,H)

tdt;

N2,f (r,H) =

∫ r

1

n2,f (t,H)

tdt;

Nδ1,f (r,H) =

∫ 1

r−1

nδ1,f (t,H)

tdt;

Nδ2,f (r,H) =

∫ r

1

nδ2,f (t,H)

tdt.

The counting function and truncated countingfunction of f are defined by

Nf (r,H) = N1,f (r,H) +N2,f (r,H);

Nδf (r,H) = Nδ

1,f (r,H) +Nδ2,f (r,H).

Let k be positive integer, let n1,f (r,H,6 k)and n2,f (r,H,6 k) be the numbers of zeroshaving multiplicity 6 k of (f,H) in ∆1,r and∆2,r respectively, counting multiplicity, and letn1,f (r,H,> k) and n2,f (r,H,> k) be the num-bers of zeros having multiplicity more than k of(f,H) in ∆1,r and ∆2,r respectively, countingmultiplicity. The integrated counting functionsare defined by

N1,f,6k(r,H) = N1,f,6k(r, a)

=

∫ 1

r−1

n1,f (r,H,6 k)

tdt;

N2,f,6k(r,H) = N2,f,6k(r, a)

=

∫ r

1

n2,f (r,H,6 k)

tdt;

Nf,6k(r,H) = N1,f,6k(r,H) +N2,f,6k(r,H);

N1,f,>k(r,H) = N1,f,>k(r, a)

=

∫ 1

r−1

n1,f (r,H,> k)

tdt;

N2,f,>k(r,H) = N2,f,>k(r, a)

=

∫ r

1

n2,f (r,H,> k)

tdt;

Nf,>k(r,H) = N1,f,>k(r,H) +N2,f,>k(r,H);

We have the following lemma about simpleproperties of integrated counting functions andintegrated truncated counting ones. With theabove notations we have the following prop-erties of the counting function and truncatedcounting function

1) Nf (r,H) = Nf,6k(r,H) +Nf,>k(r,H);

2) Nδf (r,H) = Nδ

f,6k(r,H) +Nδf,>k(r,H);

3) Nδf (r,H) 6 Nf (r,H);

4) N1f (r,H) 6 Nδ

f (r,H) 6 δN1f (r,H);

5) N1f,6k(r,H) 6 Nδ

f,6k(r,H) 6 δN1f,6k(r,H);

6) N1f,>k(r,H) 6 Nδ

f,>k(r,H) 6 δN1f,>k(r,H);

In 2011, Phuong and Thin (see [5]) proved thefollowing theorems

Theorem 2.2 ([5]). Let H be a hyperplane inPn(C) and f = (f0 : · · · : fn) : ∆ → Pn(C) bea holomorphic curve whose image is not con-

tained H. Then we have for any 1 < r < R0,

Tf (r) = mf (r,H) +Nf (r,H) +O(1).

where O(1) is a constant independent of r.

Theorem 2.3 ([5]). Let f = (f0 : · · · : fn) :∆ → Pn(C) be a linearly non-degenerate holo-morphic curve and H1, . . . ,Hq be hyperplanesin Pn(C) in general position. Then we have

‖ (q − n− 1)Tf (r) 6q∑j=1

Nnf (r,Hj) +Of (r),

where Of (r) = O(log r+log Tf (r)) if R0 = +∞and Of (r) = O(log

1

R0 − r+ log Tf (r)) if R0 <

+∞ as r → R0. And notation “‖” in above in-equality mean that for R0 = +∞, the inequalityholds for r ∈ (1,∞) outside a set ∆′r satisfy-ing

∫∆′rrλ−1dr < ∞, and for R0 = +∞, the

inequality holds for r ∈ (1, R0) outside a set

∆′r satisfying∫

∆′r

1

(R0 − r)λ+1dr < ∞, where

λ > 0.

3 PROOFS OF THEOREM 1 AND THEOREM 2

To prove our theorems we need the followinglemma

Lemma 3.1. Let f : ∆ → Pn(C) be alinearly non-degenerate holomorphic map andH1, . . . ,Hq be hyperplanes in Pn(C) in generalposition. Then for any positive integer k, wehave

‖ q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1)

kTf (r)

6q∑j=1

Nnf,6k(r,Hj) +Of (r).

Proof. Set H = H1, . . . ,Hq, then for anyHj ∈ H, by Lemma 2.1 we have

Nnf (r,Hj) = Nn

f,6k(r,Hj) +Nnf,>k(r,Hj) (1)

=k

k + 1Nnf,6k(r,Hj) +

1

k + 1Nnf,6k(r,Hj)

+Nnf,>k(r,Hj).

We have

1

k + 1Nnf,6k(r,Hj) +Nn

f,>k(r,Hj)

6n

k + 1N1f,6k(r,Hj) + nN1

f,>k(r,Hj)

6n

k + 1Nf,6k(r,Hj) +

n

k + 1Nf,>k(r,Hj)

6n

k + 1Nf (r,Hj),

so from (1) and Theorem 2.2, we have

Nnf (r,Hj) 6

k

k + 1Nnf,6k(r,Hj)

+n

k + 1Tf (r) +O(1).

This implies that

q∑j=1

Nnf (r,Hj) 6

k

k + 1

q∑j=1

Nnf,6k(r,Hj)

+qn

k + 1Tf (r) +O(1). (2)

On the other hand, by Theorem 2.3, we have

‖ (q − n− 1)Tf (r) 6q∑j=1

Nnf (r,Hj) +Of (r).

(3)

Combining the formulas (2) and (3) together,we have(q − qn

k + 1− n− 1

)Tf (r)

6k

k + 1

q∑j=1

Nnf,6k(r,Hj) +Of (r).

This concludes the proof of this lemma.

Lemma 3.2. Let f = (f0 : · · · : fn), g =(g0 : · · · : gn) : ∆ → Pn(C) be linearly non-degenerate holomorphic maps. Then for anyi 6= j ∈ 0, . . . , n such that h = figj−fjgi 6≡ 0then we have

N0(r,1

h) 6 Tf (r) + Tg(r) +O(1),

Proof. We have from Lemma 2.1

N0(r,1

h) =

1

2π

∫ 2π

0

log |h(reiθ)|dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log |h(r−1eiθ)|dθ +O(1). (4)

Furthermore, for any z ∈ ∆

log |h(z)| = log |(figj − fjgi)(z)|6 log max|fi(z)gj(z)|, |fj(z)gi(z)|+ log 2

= maxlog |fi(z)gj(z)|, log |fj(z)gi(z)|+ log 2

6 maxlog |fi(z)|, log |fj(z)|+ maxlog |gi(z)|, log |gj(z)|+ log 2

= log max|fi(z)|, |fj(z)|+ log max|gi(z)|, |gj(z)|+ log 2

6 log ‖f(z)‖+ log ‖g(z)‖+ log 2.

So

1

2π

∫ 2π

0

log |h(reiθ)|dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log |h(r−1eiθ)|dθ

61

2π

∫ 2π

0

log ‖f(reiθ)‖dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log ‖f(r−1eiθ)‖dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log ‖g(reiθ)‖dθ

+1

2π

∫ 2π

0

log ‖g(r−1eiθ)‖dθ +O(1).

= Tf (r) + Tg(r) +O(1).

From (4), we have the proof of this lemma.

Proof of Theorem 1. Assume for the sake con-tradiction that f 6≡ g. Then there are twonumbers i1, i2 ∈ 0, . . . , n, i1 6= i2 such thatfi1gi2 6≡ fi2gi1 . Let k be a sufficiently largepositive integer, which will be chosen later. Forany Hj ∈ H, for all large r satisfying Lemma3.1, by the Lemma 3.1 we have

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tf (r) (5)

6kq∑j=1

Nnf,6k(r,Hj) +Of (r)

6nkq∑j=1

N1f,6k(r,Hj) +Of (r).

Assume that z0 ∈ ∆r is a zero of (f,Hj)with multiplicity not greater than k, then z0 ∈

Ef (H) ∪ Eg(H). This implies that

g(z0) = f(z0).

So fi1(z0)gi2(z0) = fi2(z0)gi1(z0), namely z0 isthe zero of the function h = fi1gi2−fi2gi1 . Notethat by the hypothesis H are in general posi-tion then there exist at most n hyperplanes Hj

in H such that (f,Hj)(z0) = 0. This implies

q∑j=1

N1f,6k(r,Hj) 6 nN0(r,

1

h),

Therefore, by Lemma 3.2, (5) becomes

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tf (r) (6)

6 n2kN0(r,1

h) +Of (r)

6 n2k(Tf (r) + Tg(r)) +Of (r).

Similarly for the holomorphic map g we have

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tg(r) (7)

6 n2k(Tf (r) + Tg(r)) +Of (r).

Adding the inequalities (6) and (7), we have

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))(Tf (r) + Tg(r))

6 2n2k(Tf (r) + Tg(r)) +Of (r) +Og(r).

This concludes that

q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1)− 2n2k

6Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r)

holds for all large r. Let r → R0 we have

q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1)− 2n2k

6 lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r)< +∞.

This is equivalent to

k(q − n− 1−2n2) + (q − qn− n− 1)

6 lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r). (8)

If we take

k >(qn+ k0 + n+ 1− q)q − n− 1− 2n2

,

where k0 = lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r), then since

the hypothesis that q > 2n2 + n + 2 we havea contradiction. Hence figj ≡ fjgi for anyi 6= j ∈ 0, . . . , n, namely f ≡ g. This isthe conclusion of the proof of Theorem 1.

Proof of Theorem 2. We prove Theorem 2 bythe indirect method too. Assume for the sakecontradiction that f 6≡ g. Then there are twonumbers i1, i2 ∈ 0, . . . , n, i1 6= i2 such thatfi1gi2 6≡ fi2gi1 . Let k be a sufficiently large pos-itive integer, which will be chosen later. Withthe hypothesis in Theorem 2 and the proof ofTheorem 1, we have by Lemma 3.1,

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tf (r) (9)

6 nk

q∑j=1

N1f,6k(r,Hj) +Of (r),

for anyHj ∈ H, for all large r satisfying Lemma3.1. Since the hypothesis that

Ef (Hi) ∩ Ef (Hj) = ∅

for any pair i 6= j ∈ 1, . . . , q and argumentsin the proof of Theorem 1, we have

q∑j=1

N1f,6k(r,Hj) 6 N0(r,

1

h)

6 Tf (r) + Tg(r) +Of (r).

where h = fi1gi2 − fi2gi1 . This implies that

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tf (r) (10)

6 nk(Tf (r) + Tg(r)) +Of (r).

Similarly for the holomorphic map g we have

(q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1))Tg(r) (11)

6 nk(Tf (r) + Tg(r)) +Og(r).

Adding the inequalities (10) and (11), we have

(q(k+1− n)− (n+ 1)(k + 1))(Tf (r) + Tg(r))

6 2nk(Tf (r) + Tg(r)) +Of (r) + Sr(r).

This concludes that

q(k + 1− n)− (n+ 1)(k + 1)− 2nk

6Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r)

holds for all large r. Let r → R0 we have

q(k + 1−n)− (n+ 1)(k + 1)− 2nk

6 lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r)< +∞.


k(q − 3n− 1) + (q − qn− n− 1)

6 lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r). (12)

If we take

k >(qn+ k0 + n+ 1− q)

q − 3n− 1,

where k0 = lim infr→R0

Of (r) +Og(r)

Tf (r) + Tg(r), then since

the hypothesis that q > 3n+ 2 we have a con-tradiction.

Hence figj ≡ fjgi for any i 6= j ∈ 0, . . . , n,namely f ≡ g. This finishes the proof of Theo-rem 2.

References

[1] G. Dethloff and T. V. Tan, An exten-sion of uniqueness theorems for meromor-phic mappings, Vietnam J. Math. 34, no.1, 71–94, 2006.

[2] H. Fujimoto, The Uniqueness problem ofmeromorphic maps into complex projectivespace, I, Nagoya Math. J. 58 1-23, 1975.

[3] H. Fujimoto, Uniqueness problem withtruncated multiplicities in value distribu-tion theory, I, Nagoya Math. J. 152 131-152, 1998.

[4] A. Y. Khrystiyanyn and A. A. Kon-dratyuk, On the Nevanlinna theoryfor meromorphic functions on Annuli I,Matematychni Studii, 23(2005), 19-30.

[5] H. T. Phuong and N. V. Thin, On fun-damental theorems for holomorphic curveson Annuli, submitted.

[6] H. T. Phuong, On Uniqueness theoremsfor holomorphic curves sharing hypersur-faces without counting multiplicity, Ukra-nian Math. Journal, Volume 63, No 4(2011), 556 - 565.

[7] H. T. Phuong, Uniqueness theorems forholomorphic curves sharing moving hyper-surfaces, to appear in Complex variablesand Elliptic Equations.

[8] L. Smiley, Geometric conditions forunicity of holomorphic curves, Contemp.

Math., 25, Amer. Math. Soc., Providence,RI, 1983.

[9] M. Ru, An uniqueness theorem with mov-ing targets without counting multiplicity,Proc.Am. Math. Soc. 129, 2701-2707,2001.

Tãm t¾t

Çc ®Þnh lý duy nhÊt cho çc ®êng cong chØnh h×nhtrªn h×nh vµnh khuyªn kÕt hîp víi çc siªu ph¼ng

NguyÔn ViÖt Ph¬ng

§¹i häc Kinh tÕ vµ QTKD − §H Th¸i Nguyªn

Trong bµi b¸o nµy, b»ng viÖc sö dông ®Þnh lý c¬ b¶n thø hai cho çc ®êng cong chØnh h×nh tõ h×nh vµnh khuyªn ∆vµo Pn(C) c¾t mét hä çc siªu ph¼ng cè ®Þnh ë vÞ trÝ tæng qu¸t víi çc hµm ®Õm côt, chóng ta sÏ chøng minh çc

®Þnh lý vÒ tÝnh duy nhÊt cho çc ®êng cong chØnh h×nh kh«ng suy biÕn tuyÕn tÝnh trªn h×nh vµnh khuyªn kh«ng tÝnh

béi kÕt hîp víi çc siªu ph¼ng ë vÞ trÝ tæng qu¸t trong kh«ng gian x¹ ¶nh. Çc ®Þnh lý nµy cho çc ®iÒu kiÖn ®ñ ®Ó hai

®êng cong chØnh h×nh kh«ng suy biÕn tuyÕn tÝnh lµ t¬ng ®¬ng.

Tõ khãa: TÝnh duy nhÊt, h×nh vµnh khuyªn, siªu ph¼ng, ®êng cong chØnh h×nh, vÞ trÝ tæng qu¸t.

STABILITY ANALYSIS OF SWITCHED MULTIPLE NONLINEAR

DISCRETE SYSTEMS WITH INTERVAL TIME-VARYING DELAYS

Tran Nguyen Binh∗, Nguyen Thi Thu Huong, Pham Thi Linh

Thai Nguyen University of Economics and Business Administration - Thai Nguyen University

ABSTRACT

This paper deals with the problem of asymptotic stability for a class of switched nonlineardiscrete systems

with time-varying delay. The time-varying delay is assumed to be belong to a given interval in which the

lower bound of delay is not restricted to zero. A linear matrix inequality (LMI) approach to asymptotic

stability of the system is presented. Based on the Lyapunov functional, delay-depenent criteria for the

asymptotic stability of the system are established via linear matrix inequalities.

Keywords: Switching, discrete systems, uncertainty, Lyapunov function, linearmatrix inequality.

1 INTRODUCTION

A switched system is a particular kind of hybridsystem that consists of several subsystems anda switching law determining at any time instantwhich subsystem is active. There are indeedmany switched systems that occur naturally orby design in the fields of control, communica-tion, computer and signal processes. A differ-ent switching rule would cause different behav-ior of the system and hence lead to different sys-tem performances. Because of the complexityof the designing switched law for the systems,the stability analysis and control synthesis ofswitched systems becomes more difficulty andattracts the interest of several scientists duringthe last decades [111].

On the other hand, time-delay phenomena arevery common in practical systems. A switchedsystem with time-delay individual subsystemsis called a switched time-delay system; in par-ticular, when the subsystems are linear, it isthen called a switched time-delay linear system.During the past decades, the stability analy-sis of switched linear continuous/discrete time-delay systems has attracted a lot of attention[48]. The main approach for stability analysisrelies on the use of LyapunovKrasovskii func-tionals and linear matrix inequality (LMI) ap-

proach for constructing a common Lyapunovfunction [911]. Although many important re-sults have been obtained for switched linearcontinuous-time systems, there are few resultsconcerning the stability of switched linear dis-crete systems with time-varying delays. Itwas shown in [6,8,12] that when all subsys-tems are asymptotically stable, the switchingsystem is asymptotically stable under an arbi-trary switching rule. The asymptotic stabilityfor switching linear discrete time-delay systemshas been studied in [13], but the result was lim-ited to constant delays.

Compared to the existing results, our result hasits own advantages. First, the time delay is as-sumed to be a time-varying function belongingto a given interval, which means that the lowerand upper bounds for the time-varying delayare available, the delay function is bounded butnot restricted to zero. Second, the approachallows us to design the switching rule for sta-bility and stabilization in terms of LMIs, whichcan be solvable by utilizing Matlabs LMI Con-trol Toolbox available in the literature to date.The paper is organized as follows: Section 2presents definitions and some well-known tech-nical propositions needed for the proof of themain results. Switching rule for the asymp-totic stability and stabilization is presented inSection 3.

0*Tel: 0984411299, e-mail: [email protected]

Notations.

The following notations will be used through-out this paper. R+ denotes the set of allreal non-negative numbers; Rn denotes the n-dimensional space with the scalar product oftwo vectors 〈x, y〉 or xT y; Rn×r denotes thespace of all matrices of (n × r)− dimension.AT denotes the transpose of A; a matrix Ais symmetric if A = AT . Matrix A is semi-positive definite (A ≥ 0) if 〈Ax, x〉 ≥ 0, forall x ∈ Rn;A is positive definite (A > 0) if〈Ax, x〉 > 0 for all x 6= 0; A ≥ B meansA − B ≥ 0. λ(A) denotes the set of all eigen-values of A; λmin(A) = minReλ : λ ∈ λ(A);λmax(A) = maxReλ : λ ∈ λ(A).

2 PRELIMINARIES

Consider an uncertain nonlinear discrete-timesystems with time-varying delay of the form

x(k + 1) =Aσx(k) +Bσx(k − hj(k))

+ fσ(k, x(k), x(k − h(k)), k ∈ Z+

x(k) = φ(k), k ∈ [−h,−h+ 1, ..., 0],

(2.1)

where x(k) ∈ Rn is the state; σ(.) : Rn −→1, 2, ..., N is the switching rule, which is afunction depending on the state at each timeand will be designed. A switching function is arule which determines a switching sequence fora given switching system. Moreover, σ(x) = iimplies that the system realization is chosenas the ith system, i = 1, 2, ..., N. It is seenthat the system (2.1) can be viewed as an au-tonomous switched system in which the effec-tive subsystem changes when the state x(k) hitspredefined boundaries. Ai, Bi, i = 1, 2, ..., Nare given matrices; φ(k) is the initial functionwith the norm

‖ φ ‖= maxi∈[−h,−h+1,...,0]

‖ φ(i) ‖;

The nonlinear purterbation fi(k, x, x1) : Z+ ×Rn × Rn× 7−→ R+ satisfies the following con-dition:

∃G,H :fTi (k, x, x1)fi(k, x, x1) ≤xTGTGx+ xT1 H

THx1, i = 1, 2, ..., N.

(2.2)

. The time delay function h(k) satisfies the fol-lowing condition 0 < h ≤ h(k) ≤ h, ∀k ∈ N+,where h, h are positive integers.

Definition 2.1. The switched system (2.1) isasymptotically stable if there exists a switchingfunction σ(.) such that the zero solution of thesystem is asymptotically stable.

Definition 2.2. The system of matricesLi, i = 1, 2, ..., N, is said to be strictly com-pleted if for every x ∈ Rn\0 there is i ∈1, 2, ..., N such that xTLix < 0.

It is easy to see that the systems Li is strictlycomplete if and only if

N⋃i=1

Ωi = Rn\0

where

Ωi = x ∈ Rn : xTLix < 0, i = 1, 2, .., N.

The following technical lemmas will be used inthe proof of the results.

Lemma 2.1. [3] Let E,H and F be any con-stant matrices of appropriate dimensions andFTF ≤ I. For any ε > 0, we have

EFH +HTFTET ≤ εEET + ε−1HTH.

Lemma 2.2. [5] The system Li is strictly

complete if there exist ξi ≥ 0,N∑i=1

ξi > 0 such

thatN∑i=1

ξiLi < 0, i = 1, 2, ..., N.

Lemma 2.3. [4] For any given vectors vi ∈RT , i = 1, 2, .., n, the following inequality holds:

(

n∑i=1

vi)T (

n∑i=1

vi) ≤ nn∑i=1

vTi vi.

3 MAIN RESULTS

Let us set

T i =

T i11 T

i12 T

i113 T i

14 PT1 PT

1 PT1 PT

1 −ΩT +PT1

∗ T i22 T

i123 −P1 0 0 0 0 −ΩT

∗ ∗ T i133 T i

34 −PT1 −PT

1 −PT1 −PT

1 −PT1

∗ ∗ ∗ T i44 −P

T1 −PT

1 −PT1 −PT

1 −PT1

∗ ∗ ∗ ∗ −Q 0 0 0 0

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ − T1+h 0 0 0

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ − S1+h

0 0

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ −R −PT1

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ −λI

,

Li(R,Ω, H,W, T, S) = −ΩTAi −ATi Ω +R+H

+ (h− h)W + (1 + h)T + (1 + h)S + λGTi Gi;

Ωi = x ∈ Rn : xTLi(R,Ω, H,W, T, S)x < 0,i = 1, 2, ..., N ;

Ω1 = Ω1 ,Ωi = Ωi\i−1⋃j=1

Ωj , i = 2, 3, ..., N,

where

λ > 0,

T i11 = Q− P + P1 + PT1 ,

T i12 = ΩT −ATi Ω + PT1 ,

T i13 = −ΩTBi + PT1 − P1 + PT2 ,

T i14 = PT2 − P1 + PT1 ,

T i22 = P + ΩT + Ω,

T i23 = −ΩTBi − P1,

T i33 = −H + λHTi Hij − P2 − PT2 − P1 − PT1 ,

T i34 = −P1 − PT1 − P2 − PT2 ,T i44 = −P2 − PT2 − P1 − PT1 ,

The following result gives what conditions haveto be satisfied to guarantee that the system(2.1) is stable.

Theorem 3.1. System (2.1) is asymptoti-cally stable if there exist symmetric positive def-inite matrices P,Q,R, S, T,H,W, and a matri-ces Ω, P1 such that the following LMIs hold:

H ≤W, (3.1)

T i < 0, i = 1, 2, ..., N, (3.2)

∃ξi ≥ 0,

N∑i=1

ξi > 0 :

N∑i=1

ξiLi(R,Ω, H,W, T, S) < 0,

i = 1, 2, ..., N.

(3.3)

The switching rule is chosen as σ(x(k)) = i,whenever x(k) ∈ Ωi, i = 1, 2, ..., N.

Proof. Consider the following Lyapunov-Krasovskii function

V (x(k)) =V1(x(k)) + V2(x(k)) + V3(x(k))

+ V4(X(k)) + V5(x(k)),

where

V1(x(k)) = xT (k)Px(k);

V2(x(k)) =

k−1∑i=k−h

xT (i)Qx(i) +

k−1∑i=k−h

xT (i)Rx(i)

V3(x(k)) =

p∑j=1

k−1∑i= k−hj(k)

xT (i)Hx(i);

V4(x(k)) =

−h+1∑l=−h+2

k−1∑i=k+l−1

xT (i)Wx(i)

V5(x(k)) =

k∑j=k−h

k−1∑i=j

xT (i)Sx(i)

+

k∑j=k−h

k−1∑i=j

xT (i)Tx(i)

We haveV (x(k)) ≥ λmin(P ). (3.4)

The difference of V1(x(k)) gives

∆V1(x(k)) =V1(x(k + 1))− V1(x(k))

=xT (k + 1)Px(k + 1)− xT (k)Px(k).

Let us denote x(k + 1) = y(k), and

zi(k) = [x(k), y(k), x(k − h(k)), fi(.)],

i = 1, 2, ..., N ;

Γ =

P 0 0 0Ω Ω 0 00 0 I 00 0 0 I

, We have

∆V2(x(k)) = xT (k)(Q+R)x(k)

− xT (k − h)Rx(k − h)− xT (k − h)Qx(k − h).

(3.5)

The difference of ∆V3(x(k)) gives

∆V3(x(k)) = V3(x(k + 1))− V3(x(k))

= [xT (k)Hx(k)− xT (k − h(k))Hx(k − h(k))

+

k−h∑i=k+1−h(k+1)

xT (i)Hx(i)

+

k−1∑i=k+1−h

xT (i)Hx(i)−k−1∑

i=k+1−h(k)

xT (i)Hx(i)].

(3.6)

The difference of ∆V4(x(k)) gives

∆V4(x(k)) =

= (h− h)xT (k)Wx(k)−k−h∑

l=k+1−h

xT (l)Wx(l).

(3.7)

Using Lemma 2.3, we have

∆V5x(k) =

k+1∑j=k+1−h

k∑i=j

xT (i)Tx(i)

−k∑

j=k−h

k−1∑i=j

xT (i)Tx(i)

+

k+1∑j=k+1−h

k∑i=j

xT (i)Sx(i)

−k∑

j=k−h

k−1∑i=j

xT (i)Sx(i)

=

k∑j=k−h

(xT (k)Tx(k)− xT (j)Tx(j))

+

k∑j=k−h

(xT (k)Sx(k)− xT (j)Sx(j))

=(1 + h)xT (k)Tx(k)

−k∑

j=k−h

xT (j)Tx(j)

+ (1 + h)xT (k)Sx(k)

−k∑

j=k−h

xT (j)Sx(j)

(3.8)

≤(1 + h)xT (k)Tx(k)

− 1

1 + h(

k∑j=k−h

x(j))TT (

k∑j=k−h

x(j))

+ (1 + h)xT (k)Sx(k)

− 1

1 + h(

k∑j=k−h

x(j))TS(

k∑j=k−h

x(j)).

Since 0 ≤ h ≤ h(k) ≤ h,∀k ∈ Z+ and H ≤ W,we have:

k−1∑i=k+1−h

xT (i)Hx(i) ≤k−1∑

i=k+1−h(k)

xT (i)Hx(i);

k−h∑i=k+1−h(k+1)

xT (i)Hx(i) ≤k−h∑

i=k+1−h

xT (i)Hx(i);

k−h∑i=k+1−h

xT (i)Hx(i) ≤k−h∑

i=k+1−h

xT (i)Wx(i).

(3.9)

Let ν(k) = x(k + 1) − x(k), we obtain x(k) −

[k−1∑

i=k−hj(k)

ν(i) + x(k − hj(k))] = 0, thus, for

arbitrary matrices P1, P2 with appropriate di-mensions, we have

XT

(0 P1

0 P2

)Y = 0, (3.10)

where

XT = (ξT (k), [k−1∑

i=k−h(k)

νT (i) + xT (k − h(k))]),

Y T = (yT (k), xT (k)− [k−1∑

i=k−h(k)

νT (i) + xT (k −

h(k))]),

ξ(k) = (x(k) + y(k) + x(k− h(k)) + x(k− h) +

x(k−h)+k∑

i=k−hx(i)+

k∑i=h+h

x(i)+k−1∑

i=k−h(k)

ν(i)+

f(.)).

We note that condition (2.2) equivalent to

zTi (k)

−GTi Gi 0 0 0

0 0 0 00 0 −HT

i Hi 00 0 0 I

zi(k) ≤ 0

(3.11)

From (3.5)-(3.12) it follows that

∆V (xk) ≤ xT (k)Li(R,Ω, H,W, T, S)x(k)

+ xT (k)(k)T i11xT (k) + 2xT (k)T i12y(k)

+ 2xT (k)T i13x(k − h(k))

+ 2xT (k)T i14

k−1∑i=k−h(k)

ν(i)

+ 2xT (k)PT1 x(k − h) + 2xT (k)PT1

k∑i=k−h

x(i)

+ 2xT (k)PT1

k∑i=k−h

x(i) + 2xT (k)PT1 x(k − h)

+ 2xT (k)(−Ω + PT1 )f(.) + 2yT (k)T i22y(k)

+ 2yT (k)(−ΩTBi − P1)x(k − h(k))

− 2yT (k)P1

k−1∑i=k−h(k)

ν(i)− 2yT (k)ΩT f(.)

+ 2xT (k − h(k))T ij33x(k − h(k))

+ 2x(k − h(k))(−P1)x(k − h(k))

+ 2xT (k − h(k))T i34

k−1∑i=k−h(k)

ν(i)

− 2xT (k − h(k))PT1 x(k − h)

− 2x(k − h(k))TPT1

k∑i=k−h

x(i)

− 2xT (k − h(k))PT1

k∑i=k−h

x(i)

− 2x(k − h(k))TPT1 x(k − h)

− 2xT (k − h(k))PT1 f(.)

+

k−1∑i=k−h(k)

νT (i)T i44

k−1∑i=k−h(k)

ν(i)

− 2

k−1∑i=k−h(k)

νT (i)P1x(k − h)

− 2

k−1∑i=k−h(k)

νT (i)PT1 f(.)

− xT (k − h)Qx(k − h)

−k∑

i=k−h

xT (i)1

1 + hT

k∑i=k−h

x(i)

−k∑

i=k−h

xT (i)1

1 + hS

k∑i=k−h

x(i)

(3.12)

− xT (k − h)Rx(k − h)− fT (.)λIfT (.)

− 2

k−1∑i=k−h(k)

ν(i)PT1 (x(k − h)

+

k∑i=k−h

x(i) +

k∑i=k−h

x(i)),

where

λ > 0,

T i11 = Q− P + P1 + PT1 , Ti12 = ΩT −ATi Ω + PT1 ,

T ij13 = −ΩTBij + PT1 − P1 + PT2 ,

T i14 = PT2 − P1 + PT1 ,

T i22 = P + ΩT + Ω, T ij23 = −ΩTBij − P1,

T ij33 = −H + λHTijHij − P2 − PT2 − P1 − PT1 ,

T i34 = −P1 − PT1 − P2 − PT2 ,T i44 = −P2 − PT2 − P1 − PT1 ,

We can verify that

∆V (xk) ≤ xT (k)Li(R,Ω, H,W, T, S)x(k)

+ ϕi(k)T iϕi(k)

(3.13)

where ϕ(k) = (x(k), y(k), x(k −

h1(k)),k−1∑

i=k−h(k)

ν(i),

x(k − h), x(k − h),k∑

i=k−hx(i),

k∑i=h+h

x(i), f(.))

Therefore, we finally obtain from (3.15) andthe condition (3.3) that

∆V (xk) < xT (k)Li(R,Ω, H,W, T, S)x(k),

i = 1, 2, ..., N.

We now apply the condition (3.4) and Lemma(2.2), the system Li(R,Ω, H,W, T, S) is strictlycomplete and the sets Ωi and Ωi are well definedsuch that

N⋃i=1

Ωi = Rn\0,N⋃i=1

Ωi = Rn\0,Ωi⋂

Ωj = ø,

i 6= j.

Therefore, for any x(k) ∈ Rn, k ∈ N+, thereexists i ∈ 1, 2, ..., N such that x(k) ∈ Ωi. Bychoosing switching rule as σ(x(k)) = i when-ever x(k) ∈ Ωi, from the condition (3.4) wehave

∆V (xk) < xT (k)Li(R,Ω)x(k) < 0, i = 1, 2, ..., N,

k ∈ N+.

The proof is completed.

References

[1] S. Boyd, L.El Ghaoui, E. Feron and V.Balakrishnan, Linear Matrix Inequalitiesin System and Control Theory, SIAM,Philadelphia, 1994.

[2] A. Czornik, P. Mokry, A. Nawrat, Onthe exponential exponents of discrete lin-ear systems, Linear Algebra and its Appli-cations, 433(2010), 867-875.

[3] K. Ratchagit and V.N.Phat, Stability andstabilization of switched linear discrete-time systems with interval time-varyingdelay, HS, 5(2011), 605-612.

[4] B. Boyd, Linear matrix inequalities insystems and control theory, Philadelphia(PA): SIAM, 1994.

[5] F. Uhlig, A recurring theorem about pairsof quadratic forms and extensions, LinearAlgebra Appl. 25 (1979) 219 - 237.

[6] D. Liberzon, A.S. Morse, Basic problemsin stability and design of switched systems,IEEE Control Syst. Mag, 19(1999), 570.

Tãm t¾t

TiÕp cËn bÊt ®¼ng thøc ma trËn tuyÕn tÝnh ®Ó nghiªn cøu tÝnh æn ®Þnh m¹nhcña hÖ phi tuyÕn kh«ng ch¾c ch¾n víi thêi gian rêi r¹c

TrÇn Nguyªn B×nh ∗, NguyÔn ThÞ Thu Hêng, Ph¹m ThÞ Linh

§¹i häc Kinh tÕ vµ QTKD − §H Th¸i Nguyªn

Trong bµi b¸o nµy chóng t«i ®Ò cËp tíi bµi to¸n æn ®Þnh tiÖm cËn cho líp hÖ switched rêi r¹c phi tuyÕn víi ®é trÔ biÕn

thiªn. §é trÔ lµ biÕn thiªn vµ lín h¬n kh«ng. KÕt qu¶ chÝnh cña bµi b¸o lµ ®a ra ®iÒu kiÖn cÇn cho tÝnh æn ®Þnh tiÖm

cËn líp hÖ switched. Bµi b¸o còng x©y dùng vµ c¶i tiÕn hµm Lyapunov ®Ó nghiªn cøu tÝnh æn ®Þnh tiÖm cËn cña hÖ

th«ng qua bÊt ®¼ng thøc ma trËn tuyÕn tÝnh. BÊt ®¼ng thøc ma trËn tuyÕn tÝnh lµ gi¶i ®îc th«ng qua phÇn mÒm Matlab.

Tõ khãa: Switching, rêi r¹c, æn ®Þnh, kh«ng æn ®Þnh, hµm Lyapunov, bÊt ®¼ng thøc ma trËn tuyÕn tÝnh

Đỗ Đình Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 53 - 60

53

CẢI TI ẾN HIỆU NĂNG GIAO TH ỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG AD HOC THEO CÁCH TI ẾP CẬN LIÊN T ẦNG

Đỗ Đình Cường*

Trường ĐH Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT

Trong mạng không dây, phương pháp dự đoán được xem là một kỹ thuật hiệu quả để thu thập thông tin về khả năng đáp ứng và tính sẵn sàng của mạng. Thời gian trễ và số gói tin mất là hai tham số QoS chính của các ứng dụng thời gian thực. Thông thường, các chức năng của tầng MAC chỉ có thể dự đoán về các đặc tính của liên kết truyền thông. Bài báo này đề xuất một kỹ thuật mới để thu thập và khai phá thông tin dự đoán về chất lượng đường truyền đầu cuối theo cách tiếp cận liên tầng nhằm cải tiến hiệu năng của các giao thức định tuyến đa đường trong mạng Ad hoc. Kỹ thuật thiết kế liên tầng được thực hiện ở đây bằng cách kết hợp giữa tầng ứng dụng và tầng định tuyến với mục tiêu chính là cải tiến chất lượng dịch vụ cho các chương trình ứng dụng. Lớp các ứng dụng được sử dụng tuân theo chuẩn ITU G-1000 và giao thức định tuyến đa đường được lựa chọn để cải tiến là giao thức AOMDV. Đánh giá hiệu năng được thực hiện trên phần mềm mô phỏng NS2. Từ khoá: Mạng Ad hoc, QoS, Chất lượng đường truyền, Thiết kế liên tầng, Định tuyến đa đường.

GIỚI THIỆU*

Các ứng dụng thời gian thực là một trong những dịch vụ chính của mạng Ad hoc. Vấn đề định tuyến vẫn là một trong những thử thách của mạng Ad hoc do tính chất thay đổi động của mạng. Đã có nhiều đề xuất đưa ra nhằm cải tiến "chất lượng dịch vụ" (QoS) và "chất lượng kinh nghiệm" (QoE) trong mạng Ad hoc. Các phương pháp thu thập thông tin về chất lượng liên kết và tìm đường đi tốt nhất cho các gói tin đã được công bố trong các tài liệu [3], [4], [5] và [7]. Trong khi đó, các phương pháp thiết kế tiếp cận theo hướng liên tầng để khai phá thông tin tiềm năng nhận được từ các tầng phía dưới đã được công bố trong các tài liệu [1], [2], [8] và [13]. Bài báo này đề xuất một kỹ thuật tìm kiếm con đường có đủ tài nguyên thỏa mãn các yêu cầu xác định trước từ một ứng dụng trong mạng Ad hoc. Không giống như cách làm của các tác giả trong [1], [2], [8] và [13], kỹ thuật khai phá thông tin được đề xuất ở đây không chỉ lấy thông tin từ các tầng phía dưới mà còn lấy cả thông tin từ các tầng phía trên để thực hiện tiến trình định tuyến theo ngữ cảnh và yêu cầu từ tầng ứng dụng. Các phương pháp


dự đoán trong tầng MAC đã được phát triển trong [3], [4], [5] và [7] để thu thập thông tin về chất lượng đường liên kết. Để lấy thông tin về các đặc tính của ứng dụng, cần có một thiết kế liên tầng giữa tầng ứng dụng và tầng định tuyến. Giao thức định tuyến được lựa chọn để cải tiến theo hướng này là giao thức AOMDV.

Một giao thức định tuyến cân bằng được đề xuất để thỏa mãn yêu cầu từ các lớp ứng dụng khác nhau. Phần tiếp theo của bài báo được tổ chức như sau. Mục 2 sẽ đề xuất về các tiếp cận thiết kế liên tầng mới để cải tiến giao thức AOMDV. Mục 3 đưa ra các kết quả cài đặt thử nghiệm. Cuối cùng, các kết luận và hướng phát triển được tổng kết trong Mục 4.

ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ LIÊN TẦNG GIỮA TẦNG ỨNG DỤNG VÀ TẦNG MẠNG

Ý tưởng chính được đề xuất ở đây là khai thác mối tương tác giữa tầng MAC, tầng Định tuyến và tầng Ứng dụng để nâng cao hiệu năng định tuyến các ứng dụng thời gian thực trong mạng Ad hoc. Kiến trúc được đề xuất bao gồm hai thiết kế liên tầng. Thiết kế thứ nhất là phương thức khai thác tầng MAC từ tầng Định tuyến để lấy thông tin về chất lượng đường truyền đầu-cuối. Thiết kế thứ hai được sử dụng để cung cấp thông tin về tầng Ứng dụng. Trên cơ sở các thông tin về


54

tầng MAC và tầng Ứng dụng, giao thức định tuyến sẽ lựa chọn đường đi thích hợp nhất cho các gói tin dữ liệu của chương trình ứng dụng. Đối với tầng MAC truyền thống, thông tin lấy được thông thường chỉ là thông tin về chất lượng kênh kết nối với các nút lân cận. Một trường mới có tên là PQ (Path Quality) đã được thêm vào các gói tin trả lời đường (Route Reply) để lấy được toàn bộ thông tin về đường truyền từ nút nguồn tới nút đích, một thủ tục. Gói tin này được sử dụng trong tiến trình tìm đường từ nút nguồn tới nút đích trong giao thức AOMDV. Trường mới thêm này dùng để chứa thông tin về chất lượng đường truyền dưới dạng thời gian trễ và tỷ lệ mất gói tin. Tiếp theo, một thực thể mới có tên là CLME (Cross Layer Management Entity) đã được phát triển để phân biệt sự khác biệt giữa các gói tin của các chương trình ứng dụng trong tầng Định tuyến. Thực thể này được sử dụng để phân lớp các gói tin dữ liệu theo yêu cầu QoS của chúng. Theo cách tiếp cận mới này, thông tin về chất lượng đường truyền được lấy qua thiết kế liên tầng Định tuyến – MAC trong khi thông tin về các chương trình ứng dụng được thu thập qua thực thể CLME trong thiết kế liên tầng Định tuyến - Ứng dụng.

Phương pháp thu thập thông tin về chất lượng đường truyền

Đối với tầng MAC truyền thống, mỗi nút chỉ có thể lấy thông tin về chất lượng liên kết trực tiếp với các nút lân cận từ tầng Vật lý. Chất lượng của một đường đầu cuối lại phụ thuộc vào chất lượng của tất cả các liên kết trực tiếp của nó. Để cung cấp thông tin về chất lượng đường truyền đầu cuối, một phương pháp thiết kế liên tầng Định tuyến – MAC đã được đề xuất.

Chất lượng của liên kết trực tiếp do tầng MAC dự đoán bằng kỹ thuật cảm nhận môi trường truyền không dây từ nút hiện tại tới các nút lân cận. Mỗi nút sẽ thực hiện việc dự đoán chất lượng liên kết trực tiếp và lưu thông tin này vào bảng láng giềng của mình. Để lưu thông tin về chất lượng liên kết trực tiếp, ta bổ sung thêm hai trường mới là bảng láng giềng của mỗi nút. Một trường lưu thông tin về độ trễ liên kết và trường kia lưu thông

tin về tỷ lệ mất gói tin trên liên kết. Vì Ad hoc là loại mạng thay đổi động dựa trên môi trường truyền không dây nên phương pháp dự đoán được sử dụng ở đây là phương pháp WLSR [10]. Trong phương pháp này, mỗi nút mạng sẽ lưu trữ các giá trị đo được trong quá khứ và sử dụng chúng để dự đoán chất lượng liên kết trực tiếp trong tương lai. Thuật toán dự đoán WLSR sử dụng trọng số cho các giá trị đo được trong quá khứ. Nó nhận tham số đầu vào là một cửa sổ các kết quả đo được của một độ đo QoS cho trước và dự đoán giá trị tiếp theo của độ đo này. Trong cài đặt thử nghiệm của bài báo này, hai giá trị đo được trong quá khứ sẽ được sử dụng để dự đoán kết quả trong tương lai. Với giả định thông tin đo được gần nhất là thông tin có giá trị nhất khi dự đoán giá trị tiếp theo nên độ đo QoS của liên kết trực tiếp thứ i tại thời điểm t trong tương lai được xác định như sau:

M t,i = Mt-1,i x wt-1 + Mt-2,i x wt-2

Với wt-1 = 0,7 và wt-2 = 0,3

Trong công thức trên, Mt-1,i và Mt-1,i là các giá trị đo được trong quá khứ của liên kết trực tiếp thứ i. wt-1 và wt-2 là trọng số của các giá trị đo được này. Để lấy thông tin về chất lượng liên kết trực tiếp, mỗi một nút sẽ dự đoán về độ đo thời gian trễ và tỷ lệ mất gói tin của các liên kết với các nút láng giềng của nó. Khi một nút nguồn cần truyền thông với một nút đích, nó sẽ khởi động tiến trình tìm đường bằng cách gửi gói tin yêu cầu đường RREQ. Tiến trình tìm đường sẽ thực hiện tìm kiếm nhiều con đường song song từ nút nguồn tới nút đích. Khi nút đích nhận được gói tin yêu cầu đường RREQ, nó sẽ sinh ra gói tin trả lời đường RREP rồi truyền lại cho nút nguồn. Gói tin RREP này được bổ sung thêm trường mới là trường chất lượng đường truyền (PQ) để mang thông tin về chất lượng đường truyền đầu cuối. Trường PQ này có hai trường con để chứa thông tin về thời gian trễ và tỷ lệ mất gói tin của đường truyền đầu cuối. Nút đích sẽ thiết lập giá trị ban đầu cho hai trường con này và các nút trung gian trong quá trình truyền gói tin quay trở lại nguồn cùng với nút nguồn sẽ cập nhật giá trị của hai trường này.


55

Giá trị của mỗi trường con của trường PQ sẽ được cập nhật theo độ đo tương ứng. Độ đo thời gian trễ của đường truyền đầu-cuối là độ đo được tính bằng tổng các thời gian trễ của từng liên kết có trong đường truyền. Khi nhận được một một gói tin RREP mỗi nút sẽ tính giá trị độ trễ dự đoán liên kết của mình sau đó cộng với giá trị hiện tại của trường con chứa thông tin về thời gian trễ rồi cập nhật kết quả vào trường này. Công việc này cũng được thực hiện tương tự trên trường con chứa thông tin về tỷ lệ mất gói tin nhưng công thức tính tỷ lệ mất gói tin là phép nhân chứ không phải là phép cộng. Vì vậy tỷ lệ mất gói tin của một đường truyền đầu-cuối sẽ bằng tích của các giá trị tỷ lệ mất gói tin của từng liên kết thành phần có trong đường truyền. Trên cơ sở các thông tin thu được trong trường PQ, nút nguồn sẽ lựa chọn đường đi tốt nhất cho các gói tin dữ liệu của một ứng dụng nào đó. Sau khi thu thập thông tin về chất lượng đường truyền, tầng Định tuyến cần thu thập thông tin về lớp ứng dụng để nâng cao hiệu năng định tuyến cho các ứng dụng thời gian thực. Để thực hiện công việc này, thiết kế liên tầng Định tuyến-Ứng dụng sẽ được sử dụng.

Phương pháp thu thập thông tin về tầng Ứng dụng Khi đứng trên tầng Định tuyến, mỗi giao thức của chương trình ứng dụng đều có thể được biểu diễn bằng một socket. Trong bài báo này, cách thiết kế liên tầng Định tuyến-|Ứng dụng sẽ khai thác thông tin có trong socket của các gói truyền từ tầng Chuyển vận xuống tầng Định tuyến. Mỗi socket gồm 3 thuộc tính chính: miền, loại, và địa chỉ. Trong thực tế, có hai miền được sử dụng rộng rãi nhất là Unix và Internet. Bài báo này chỉ hướng tới phạm vi lớp dịch vụ thuộc miền Internet như VoIP, FTP, truyền video hoặc trò chơi tương tác. Trong miền Internet, có hai loại dòng socket phổ biến là SOCK_DGRAM và

SOCK_STREAM. Giao thức ở tầng Chuyển vận được sử dụng cho các socket loại SOCK_STREAM là giao thức tin cậy (giao thức TCP). Đối với loại socket SOCK_DGRAM, giao thức tầng Chuyển vận được sử dụng là giao thức không tin cậy và không hướng kết nối (giao thức UDP). Địa chỉ của một socket được tổng hợp từ hai thông tin là địa chỉ IP và số hiệu cổng dịch vụ ứng dụng trên của nút nguồn hoặc đích. Trong kỹ thuật được đề xuất ở đây, thông tin được khai thác chính là thông tin về địa chỉ của socket vì từ số hiệu cổng dịch vụ, có thể cung cấp thông tin về yêu cầu QoS của ứng dụng.

Ý tưởng thu thập thông tin từ tầng Ứng dụng được triển khai bằng thực thể CLME (Cross Layer Management Entity). Nó được sử dụng để phân lớp lưu lượng chuyển xuống từ tầng Chuyển vận theo các yêu cầu QoS. Trên cơ sở khái niệm socket, thực thể CLME thực hiện việc trích thông tin về loại lưu lượng từ địa chỉ socket của chúng. Sau đó CLME sẽ liên kết mỗi dòng lưu lượng với một lớp được xác định trước. Thông tin về các lớp phân loại này sau đó sẽ được truyền tới tầng Định tuyến để thực hiện cơ chế định tuyến. Chính vì vậy, thực thể CLME ở đây được đề xuất thiết kế và đưa vào hoạt động tại vị trí giữa tầng Định tuyến và tầng Chuyển vận. Hàm “getsocketport” trong CLME thực hiện công việc đọc thông tin về số hiệu cổng của socket. Sau đó CLME sẽ liên kết dòng lưu lượng này với lớp ứng dụng thích hợp đã được định nghĩa trước. Cơ chế phân lớp lưu lượng được đề xuất trong bài báo này sử dung 3 lớp QoS trên cơ sở các điều kiện chất lượng dịch vụ được định nghĩa trong chuẩn ITU-G1010 [6] như trên bảng 1. Sau khi một giao thức định tuyến đã có thông tin về chất lượng đường truyền và lớp dữ liệu ứng dụng, nó sẽ lựa chọn đường đi tốt nhất để định tuyến cho các gói tin dữ liệu ứng dụng.

Bảng 1. Các tham số phân lớp dòng dữ liệu ứng dụng

Loại ngưỡng Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Ngưỡng thời gian trễ (delay) 150 ms 400 ms 4 ms Ngưỡng đảo thứ tự gói (jitter) 1 ms 1 ms Không áp dụng Ngưỡng mất gói (packet loss) 3 % 1 % 0 % Ngưỡng tốc độ dữ liệu (data rate) 4 Kbit/s 16 Kbit/s 20 Kbit/s


56

Tiến trình định tuyến

Để cải tiến hiệu năng định tuyến cho các lớp dữ liệu ứng dụng khác nhau trong mạng Ad hoc, giao thức định tuyến được đề xuất trong bài báo này được đặt tên là ABRP (Advanced Balanced Routing Protocol). Trên cơ sở giao thức định tuyến gốc là AOMDV [11], giao thức ABRP được đề xuất ở đây đưa ra các kỹ thuật cân bằng định tuyến đa đường theo các thông tin đầu vào là chất lượng đường truyền và loại lớp dữ liệu ứng dụng.

Trong giao thức AODMV, một nút nguồn có thể thiết lập nhiều con đường không lặp tới một nút đích trong một tiến trình khám phá đường. Nút nguồn sau đó sẽ lựa chọn con đường ngắn nhất (số chặng ít nhất) để chuyển tiếp các gói tin dữ liệu. Các cải tiến giao thức AODMV trong giao thức mới ABRP được mô tả như sau:

Nút nguồn nhận gói tin RREP từ nút đích, cập nhật giá trị trường PQ và bảng định tuyến của mình. Trong giao thức ABRP, bảng định tuyến của mỗi được bổ sung thêm 2 trường mới để lưu thông tin về chất lượng đường truyền. Khi nhận được nhiều gói RREP được gửi đi từ cùng 1 nút đích theo các con đường khác nhau, nút nguồn thực hiện việc sắp xếp các con đường này theo một hàm lượng giá có tên là PQF (Path Quality Function). Hàm PQF sử dụng phương pháp tính trọng số theo [9] như sau: Giá trị hàm PQF của một con đường thứ i là giá trị tổng của hàm trọng số tỷ lệ mất gói tin và hàm trọng số thời gian trễ. Công thức này được biểu diễn như sau:

i

thp

i

thdi P

Pw

D

DwPQF ×+×=

Ở đây, Pi là tỷ lệ mất gói tin được dự đoán, Di là thời gian trễ dự đoán của đường truyền từ nút nguồn tới nút đích. Pth và Dth là các ngưỡng tương ứng của thời gian trễ và tỷ lệ mất gói tin trong Bảng 1. wp và wd là trọng số tương ứng của tỷ lệ mất gói tin và thời gian trễ.

Giá trị trọng số được xác định theo lớp lưu lượng. Tham số nào có giá trị trọng số càng cao thì nó càng quan trọng đối với lưu lượng gói tin. Ta giả định rằng với lớp 1, tham số

thời gian trễ là quan trọng hơn các tham số khác. Với lớp 2, tham số thời gian trễ và tỷ lệ mất gói tin có trọng số bằng nhau các tham số này là không quan trọng với các ứng dụng thuộc lớp này. Với lớp 3, tham số về tỷ lệ mất gói tin là quan trọng hơn tham số thời gian trễ bởi vì các ứng dụng lớp này không chấp nhận lỗi xảy ra. Phương pháp APH được đề xuất trong [13] được sử dụng ở đây để tính các trọng số wp và wd cho mỗi lớp và cách đánh giá độ quan trọng của các tham số cho mỗi lớp lưu lượng được thực hiện theo [12].

Trên cơ sở thông tin về lớp ứng dụng do thực thể CLME thu thập được, giao thức ABPR thực hiện việc tính toán giá trị PQF của các con đường khác nhau theo các trọng số thích hợp. Trên cơ sở các yêu cầu từ chương trình ứng dụng, cùng một con đường có thể có nhiều trọng số khác nhau cho mỗi một lớp ứng dụng.

Khi các con đường tìm được đã được sắp xếp theo giá trị PQF, giao thức ABRP thực hiện việc phân loại các con đường theo độ bền của chúng. Độ bền của một con đường được tính dựa vào thời gian con đường xuất hiện trong bảng định tuyến. Bảng định tuyến của mỗi nút sẽ được bổ sung thêm một trường để lưu độ bền của con đường. Mỗi khi tiến trình cập nhật bảng định tuyến diễn ra, nếu con đường còn xuất hiện trong bảng định tuyến thì giá trị độ bền của con đường sẽ được tăng lên 1 đơn vị. Con đường nào có giá trị độ bền càng cao thì được xem là càng bền vững. Sau khi tìm đường và thực hiện các thủ tục ở trên, chỉ có tối đa là 3 con đường tới cùng một đích sẽ được cài đặt vào bảng định tuyến. Con đường có độ bền lớn nhất sẽ được lựa chọn là con đường chính và 2 con đường còn lại là các đường dự phòng. Các đường dự phòng chỉ được sử dụng khi đường chính bị xóa hoặc bị lỗi. Nếu 2 con đường đều có cùng giá trị PQF và độ bền, trong tiến trình chọn đường, con đường nào tối ưu hơn đối với lớp lưu lượng đầu vào sẽ được lựa chọn để thực hiện việc định tuyến. Nếu lưu lượng dữ liệu thuộc lớp 1 hoặc lớp 2 thì con đường có giá trị thời gian trễ thấp hơn


57

sẽ được lựa chọn. Nếu lưu lượng dữ liệu thuộc lớp 3 thì con đường được lựa chọn sẽ là con đường có tỷ lệ mất gói tin nhỏ hơn.

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Để đánh giá hiệu năng của giao thức ABRP được đề xuất, tôi đã thực hiện mô phỏng hai giao thức ABRP và AOMDV. Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm NS2. Mỗi kịch bản mô phỏng được lặp lại 10 lần. Các giá trị ngẫu nhiên được sử dụng cho mỗi lần mô phỏng trên cơ sở module sinh số ngẫu nhiên của NS2. Việc đánh giá được thực hiện trên các lớp dịch vụ lưu lượng 1 và 2. Các tham số mô phỏng được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Các tham số mô phỏng

Các tham số mô phỏng

Kích cỡ mạng 10, 20, 30, 40

Diện tích mô phỏng 4096m x 4096m Phạm vi truyền giữa

hai nút 250 m

Tỷ lệ nút đã hoạt động

20%, 40%, 60%, 80%

Công nghệ tầng Vật lý/MAC

802.11b

Mô hình truyền Shadowing Mô hình chuyển

động Ngẫu nhiên

Tốc độ di chuyển trung bình

2 m/s

Thời gian mô phỏng 200 s

Cặp (nguồn, đích) Ngẫu nhiên Thời điểm sinh lưu

lượng dữ liệu 10 s

Lưu lượng Lớp 1 (VoIP)

Mô hình lưu lượng CBR Giao thức tầng

Chuyển vận UDP

Tốc độ dữ liệu 64 Kbit/s

Trọng số wd, wp 0.6, 0.4 Lưu lượng Lớp 2 (Video Streaming)

Mô hình lưu lượng CBR

Giao thức tầng Chuyển vận

UDP

Tốc độ dữ liệu 160 Kbit/s

Trọng số wd, wp 0.5, 0.5

Các độ đo dùng để đánh giá Các độ đo dùng để đánh giá hiệu năng của giao thức ABRP được đề xuất trong bài báo này so với giao thức AOMDV bao gồm: • Thời gian trễ trung bình: Là thời gian trễ trung bình khi một gói tin được truyền từ nguồn tới đích. Đơn vị của độ đo này là mili-giây (ms). • Thông lượng: Là tốc độ truyền các gói dữ liệu. Đơn vị là Kb/s • Độ ổn định đường: Biểu diễn tính bền vững của đường trong mạng. Trong khoảng thời gian mô phỏng là 200 giây với kích thước mạng là 30, chu kỳ sinh lưu lượng dữ liệu được sử dụng nằm trong khoảng từ 20 đến 180 giây. • Tỷ lệ lỗi định tuyến: Biểu diễn số lượng gói tin báo lỗi đường (RERR) được sinh ra. Kết quả mô phỏng Độ trễ đầu cuối trung bình Hình 1 biểu diễn thời gian trễ trung bình của các lưu lượng dữ liệu Lớp 1 và Lớp 2 trong theo thời gian biến đổi tỷ lệ các nút đã hoạt động trong mạng có số lượng nút là 30. Theo kết quả biểu diễn ở Hình 1 thì rõ ràng giao thức ABRP có thời gian trễ trung bình nhỏ hơn so với giao thức AOMDV. Thực tế là giao thức ABRP thực hiện việc chọn đường để tối ưu thời gian trễ cho mỗi lớp lưu lượng dữ liệu. Cần chú ý rằng thời gian cần thiết để ABRP tính toán và xử lý chất lượng cũng như độ ổn định của các con đường khác nhau so với AOMDV không ảnh hưởng tới thời gian trễ trung bình.

Hình 1. Thời gian trễ đầu-cuối trung bình theo thời gian biến đổi tỷ lệ các nút đã hoạt động trong mạng với kích thước mạng là 30 nút và hai lớp lưu

lượng dữ liệu là Lớp 1 và Lớp 2


58

Thông lượng trung bình

Hình 2 cho ta thấy khả năng truyền tải dữ liệu của hai giao thức được đo bằng thông lượng trung bình theo tỷ lệ các nút đã hoạt động trong mạng sử dụng lưu lượng dữ liệu thuộc Lớp 2. Thông lượng sẽ được đo khi kích thước của mạng biến đổi. Cả hai giao thức đều đảm bảo các giá trị chấp nhận được do Bảng 1 đưa ra. Khi kích thước mạng thay đổi trong khoảng từ 10 đến 20 nút với tỷ lệ các nút đã hoạt động trong mạng là 20%, giao thức ABRP gần như đảm bảo được thông lượng trung bình là 160 Kb/s. Khi kích thước mạng vượt quá 30 nút, thông lượng trung bình của cả hai giao thức đều giảm xuống. Tuy nhiên, giao thức được đề xuất ABRP vẫn đạt được thông lượng lớn hơn so với giao thức AOMDV trong tình huống này.

Hình 2. Thông lượng trung bình theo kích cỡ mạng và tỷ lệ số nút hoạt động trong mạng khác nhau

Độ ổn định đường

Hình 3 biểu diễn độ ổn định đường của 2 giao thức AOMDV và ABRP trong một mạng có kích cỡ 30 nút, số lượng nút đã hoạt động đạt tỷ lệ 80% và lưu lượng dữ liệu được sử dụng thuộc Lớp 2. Từ kết quả, ta thấy rõ ràng giao thức ABRP có độ ổn định đường cao hơn so với giao thức AOMDV khi topo mạng biến đổi. Điều này đạt được là do ABRP đã thực hiện việc chọn được đường đi tốt nhất lưu các con đường dự phòng cho mọi lớp lưu lượng đảm bảo bài toán cân bằng tải khi topo mạng thay đổi. Trong khi đó đối với giao thức AOMDV, mọi lưu lượng dữ liệu đều được định tuyến theo cùng một con đường.

Hình 3. Thông lượng theo thời gian mô phỏng trong trường hợp tỷ lệ các nút đã hoạt động là

80%, kích cỡ mạng là 30 nút và lưu lượng dữ liệu thuộc lớp 2

Tỷ lệ lỗi định tuyến

Hình 4 biểu diễn số gói tin báo lỗi RERR được sinh ra cho hai trường hợp lưu lượng dữ liệu thuộc Lớp 1 và Lớp 2 khi biến đổi kích cỡ mạng với tỷ lệ số nút đã hoạt động đạt 80%. Có thể thấy rằng, giao thức được đề xuất mới ABRP cho kết quả tốt hơn so với giao thức AOMDV. Điều này hoàn toàn có thể giải thích được bởi vì ABRP chọn con đường có độ ổn định cao nhất và cung cấp chất lượng tốt nhất để giảm tỷ lệ thay đổi đường khi đường bị lỗi.

Hình 4. Số lượng gói tin báo lỗi đường RERR được sinh ra theo kích cỡ mạng và lưu lượng

dữ liệu lớp 1 và 2


59

KẾT LUẬN

Bài báo này tập trung vào vấn đề chất lượng dịch vụ trong tiến trình định tuyến có bổ sung yêu cầu về chất lượng của đường truyền. Tầng Định tuyến thực hiện việc tương tác với các tầng thấp hơn để lấy thông tin chính xác về chất lượng đường truyền từ một nút nguồn tới một nút đích. Thêm vào đó, tầng Định tuyến còn tương tác với các tầng phía trên nó để sắp xếp và lựa chọn đường đi theo các lớp lưu lượng dữ liệu của từng loại chương trình ứng dụng. Các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của chương trình ứng dụng được nhóm lại thành các lớp dịch vụ trên cơ sở các ngưỡng

tham số được định nghĩa trong chuẩn ITU G-1010. Nghiên cứu trên mô phỏng được thực hiện trong bài báo này đưa ra các kết quả chứng minh sự ưu việt về hiệu năng của giao thức ABRP được đề xuất so với giao thức AOMDV. Các tham số về hiệu năng mà ABRP cải thiện được so với AOMDV bao gồm thời gian trễ trung bình nhỏ hơn, thông lượng lớn hơn, độ ổn định đường truyền cao hơn và tỷ lệ gói tin báo lỗi đường ít hơn. Tuy nhiên, khi nhìn ở góc độ tổng thể, cần có những đánh giá hiệu năng của giao thức ABRP chi tiết hơn nữa về thời gian xử lý và mức độ tiêu hao năng lượng.

SUMMARY ENHANCING PERFORMANCE OF MULTI-PATH ROUTING PROTOCO LS IN AD HOC NETWORKS BASED ON COSS LAYER APPROACH

Do Dinh Cuong*

College of Information Comunication and Technology – TNU

In wireless networks, prediction methods are considered as an effective techniques to collect information on the ability of the response and on the availability of the network. Delay and lost packets are two main QoS variables in real time applications. Normally, the characteristics of MAC layer can only predict the properties of the link. This paper proposes a new technique to collect and exploit predicted information on the quality of end-to-end path quality following multi-layer approach to improve the performance of multi-path routing protocols in Ad hoc network. The cross layer design is performed by combining the application and routing layers mainly motivated to enhance the quality of service of applications. Application layers are used following ITU G-1000 standard and the multi-path routing protocol is selected to improve is AOMDV. The performance evaluation is conducted in simulation program NS2. Keywords: Adhoc Network, QoS, Path Quality, Cross Layer Design, Route Finding, Multipath Routing.



60


[1].Chang and G. Gaydadjiev, Cross-Layer Designs Architecture for LEO Satellite Ad Hoc Network, WWIC 2008, LNCS 5031; 2008, pp. 164-176. [2].Che-Liang Liu, Chih-Yu Wang, and Hung-Yu Wei, Cross-Layer Mobile Chord P2P Protocol Design For VANET, International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing; 2010, Vol. 6, No. 3, pp. 150-163. [3].Daniel Halperin, Wenjun Hu, AnmolShethy, and David Wetherall, Predictable 802.11 Packet Delivery fromWireless Channel Measurements, SIGCOMM’10; August 30–September 3, 2010. [4].Fernando Silveira và Edmundo de Souza e Silva, Predicting packet loss statistics with hidden Markov models for FEC control, Computer Networks: The International Journal of Computer and Telecommunications Networking; February, 2012, v.56 n.2, p.628-641. [5]. Hanlin Sun and all, End to end delay prediction by neural network based on chaos theory, International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM); 2010. [6]. ITU-T Recommendation G.1010: End-user multimedia QoS categories, URL: http://www.itu-t.org. [7]. Liu F., and Lin,C., An Analytical Method to Predict Packet Losses over Bursty Wireless Channels, Communications Letters, IEEE; October 2011, issue:99.

[8]. M. Walia and R. Challa, Performance analysis of cross- layer MAC and routing protocols in MANET, in Second International Conference on Computer and Network Technology (ICCNT); Apr. 2010, pp. 53-59. [9]. M.Thaalbi, N.Tabbane, T.Bejaoui, and A.Meddahi, A weighted QoS aware multipath routing process in Mobile Ad hoc Networks, accepted to appear in the eighteenth IEEE ISCC 2013 proceeding. [10]. Q. Duan, L. Wang, C. D. Knutson, and D. Zappala, Link quality prediction for wireless devices with multiple radios, in Proceedings of IEEE International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks. WoWMoM; 2008. [11]. S. R. Biradar, M.Koushik, S.Sarkar, Puttamadappa, Performance Evaluation and Comparison of AODV and AOMDV, (IJCSE) International Journal on Computer Science and Engineering; 2010, Vol. 02, No. 02, 373-377. [12]. Saaty, T.L., Decision making with the analytic hierarchy process, Int. J. Services Sciences; 2008, Vol. 1, No. 1, pp.83–98. [13]. Yang Qin, Choom Lim Gwee, and Seah W., Cross layer interaction study on IEEE802.11e in wireless ad hoc networks, Communications and Networking in China; 25-27 Aug. 2008, ChinaCom,vol.,no.,pp.483-487.


Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo – Trường ĐH CNTT&TT – ĐHTN

Nông Thị Hoa và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 61 - 65

61

AN IMPROVED LEARNING ALGORITHM OF BAM

Nong Thi Hoa1,*, Bui The Duy2

1College of Information Technology and Communication – TNU 2Human Machine Interaction Laboratory – Vietnam National University, Hanoi

SUMMARY

Artificial neural networks, characterized by massive parallelism, robustness, and learning capacity, have many applications in various fields. Bidirectional Associative Memory (BAM) is a neural network that is extended from Hopfield networks to make a two-way associative search for a pattern pair. The most important advantage of BAM is recalling stored patterns from noisy inputs. Learning process of previous BAMs, however, is not flexible. Moreover, orthogonal patterns are recalled better than other patterns. It means that, some important patterns cannot be recalled. In this paper, we propose a learning algorithm of BAM, which learns from training data more flexibly as well as improves the ability of recall for non-orthogonal patterns. In our learning algorithm, associations of patterns are updated flexibly in a few iterations by modifying parameters after each iteration. Moreover, the proposed learning algorithm assures the recalling of all patterns is similar, which is presented by the stop condition of the learning process. We have conduct experiments with five datasets to prove the effectiveness of BAM with the proposed learning algorithm (FBAM - Flexible BAM). Results from experiments show that FBAM recalls better than other BAMs in auto-association mode. Keywords: Bidirectional Associative Memory, Associative Memory, Learning Algorithm, Noise Tolerance, Pattern Recognition.

INTRODUCTION*

Artificial neural networks, characterized by massive parallelism, robustness, and learning capability, effectively solve many problems such as pattern recognition, designing controller, clustering data. BAM [1] is designed from two Hopfield neural networks to show a two-way associative search of pattern pairs. An important advantage of BAM is recalling stored patterns from noisy or partial inputs. Moreover, BAM possesses two attributes overcome other neural networks. First, BAM is stable without condition. Second, BAM converges to a stable state in a synchronous mode. Therefore, it is easy to apply BAM for real applications.

Studies on models of BAM can be divided into two categories: BAMs without iterative learning and BAMs with iterative learning (BAMs with multiple training strategy). BAMs with iterative learning recall more

* Tel: 01238492484

effectively than BAMs without iterative learning. The iterative learning of BAMs is shown into two types. The first type is using the minimum number of times for training pairs of patterns (MNTP). BAMs [2, 3, 4] showed multiple training strategy which assured orthogonal patterns were recalled perfectly. However, the learning process is not flexible because MNTP is fixed. The second type is learning pairs of patterns in many iterations. BAMs learned pairs of patterns sequentially in many iterations to guarantee the perfect recall of orthogonal patterns [5, 6, 7, 8]. Additionally, new weights of associations depend on old weights in a direct way. Therefore, it takes a long time to modify weights if old weights are far from desired values. In other words, previous BAMs recall non-orthogonal patterns weakly and learn fixedly. In this paper, we propose an iterative learning algorithm of BAM, which learns more flexibly as well as improves the ability of recall for non-orthogonal patterns. We use MNTP to show the multiple training strategy. In the proposed learning rule,


62

weights of associations are updated more flexibly in a few iterations. Moreover, updating weights is performed iteratively until satisfying conditions for recalling all patterns correctly.

The rest of the paper is organized as follows. The next section is overview of BAM. In Section 3, we present the proposed learning algorithm and some discussion. Section 4 shows experiment results and compare with other models.

BIDIRECTIONAL ASSOCIATIVE MEMORY

BAM is a two-layer feedback neural network model that introduced by Kosko [1]. As shown in Figure 1, the input layer FA includes n neurons a1, a2,..., an and the output layer FB comprises m components b1, b2,..., bm. Now we have A =0,1n and B = 0,1m. BAM can be denoted as a bi-directional mapping in vector spaces W : Rn↔ Rm.

Figure 1: Structure of Bidirectional Associative Memory

Learning process

Assume that BAM learns p pairs of patterns, (A1, B1), …, (Ap, Bp). Pairs of patterns are stored in the correlation matrix as follows:

(1)

where Ak, Bk are the bipolar mode of the kth pair of patterns.

A learning rule of BAM shows the multiple training strategy [7]:

(2)

where qi is the minimum number of times for training ith pair of patterns.

Recalling process To retrieve one of the nearest (Ak, Bk) pair from the network when any (α, β) pair is presented as an initial condition to the network. Starting with a value of (α, β) determine a finite sequence (α’, β’), (α’’, β’’),….until an equilibrium point (αf, βf) is reached, where

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Kosko proved that this process will converge for any W. However, a pattern can be recalled if and only if this pattern is a local minimum of the energy surface [8].

Energy function

For any state (Ai, Bi), an energy function is defined by

(8)

OUR APPROACH

As we discuss in Section 1, BAMs learn fixedly and recall non-orthogonal patterns weakly. Therefore, we propose a learning algorithm with advantages overcome previous BAMs. In the proposed learning algorithm, patterns are learned flexibly until assuring that all patterns are recalled correctly. Thus, the ability of recalling of non-orthogonal patterns is similar to orthogonal patterns.

Y.F. Wang et al. used MNTP to show the multiple training strategy. An explicit expression of MNTTP is proposed to


63

guarantee recall of patterns. This expression shows that energy of each pair of training patterns is smaller than energy of all neighbor patterns.

The proposed learning algorithm determines MNTP in a few iterations. The learning process is performed until energy of all pairs of patterns is approximately equal to 0. For artificial neural networks, if energy of a state is equal to 0 then neural networks converge to a global minimum. It means that each pair of patterns is corresponded to a state whose energy is very nearest a global minimum. Therefore, all pairs of patterns can be recalled correctly and the ability of recalling of patterns is approximately equal.

In Section 2, Equation (2) and (8) show that MNTP affect weights of associations and energy function. We analyze the relationship between the energy function and MNTP. Then, we show our learning algorithm.

Relationship between the energy function and MNTP

BAM stores p pattern pairs. Pattern pair (Ai, Bi) is presented as follow:

and . Relationship between

the energy function and MNTP is established from Equation (2) and (8) as follow:

From Equation (2), we computed W by the following equation:

(9)

From Equation (8) and (9), Ei is formulated as follow:

(10)

Equation (10) shows that the absolute value of Ei decreases when each qk drops

Improved learning algorithm Our learning algorithm updates MNTP flexibly after each iteration until energy of all pairs of patterns is approximately equal to 0. This algorithm uses some variable as follow:

Assuming BAM stores p pattern pairs.

- qi be MNTP of ith pair of patterns, i=1...p - W be matrix storing weights of associations - Ei be energy of ith pair of patterns, i=1...p Proposed learning algorithm consists of two following steps:

Step 1: sets up initial values of MNTTP.

• Set up qi=1 where i=1,..,p to get original correlation matrix in Equ (1).

Step 2: performs weight updating iteratively:

• Formulate W by Equ (2).

• Then, compute Ei by Equ (8) where i=1,..,p.

• Based on value of Ei, update qi.

until| Ei| ≅≅≅≅0 where i=1,...,p and | x | is the absolute value of x.

As we analyze in Section 4.1, the absolute value of Ei decreases when each qk drops. Therefore, we proposed rules for updating qi as follow:

R1: if | Ei | ≅≅≅≅0, do not change qi.

R2: if NOT | Ei| ≅≅≅≅0, decrease qi for | Ei | ≅≅≅≅0.

Discussion Our learning algorithm has two advantages overcome previous BAMs, including

• Learning process is flexible because qi can be dropped after each iteration to decrease Ei. Moreover, new weights depend on the old connection weights indirectly . Thus, FBAM does not take a long time to modify old weights when old weights are far from desired values.

• Non-orthogonal patterns are recalled more effectively because the ability of recalling of non-orthogonal patterns is similar to orthogonal patterns.

Additionally, proposed learning algorithm is easy to understand and implement.


64

EXPERIMENTS We have conducted experiments in five recognition applications with auto-association mode for recognizing fingerprint, means of transport, coin, signal panels of transport, and handwriting characters. Figure 2 shows training images for experiments. Training and noisy images are downsized before converted to a vector.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figure 2. Training images for five experiments

We select 10 images from Fingerprint database of Olympic Competition in Information Technology (Fig 2-a), 10 training images from Google (Fig 2-b), 20 training images from coin database of USA (Fig 2-c), 20 images from Google (Fig 2-d), 52 training images from UJIpenchars Database (Fig 2-e). For each experiment, 10 noisy images are made from each training image by deleting some pixels in a random way.

The ability of recalling of FBAM is compared to other BAMs with multiple training strategy. BAMs are implemented, namely, BAM of Tao Wang (TBAM) [4] BAM of Xinhua Zhuang (XBAM) [5], BAM of Y.F.Wang (WBAM) [6], and FBAM. The ability of recalling of BAMs is determined by percentages of pixels which are correctly recalled. Table 1 shows the percentages of pixels recalling successfully of BAMs. Data from Table 1 show that FBAM is the best model in all experiments.

In conclusion, we conduct five experiments with different image sets. Results experiments show that FBAM recalls better than other BAM in auto-association mode. Moreover, the ability of recalling of FBAM significantly increases when content of training patterns are greatly different.

CONCLUSION

In this paper, we proposed an improved learning algorithm for BAMs. Our learning algorithm learns patterns more flexibly. Weights of associations are updated flexibly in a few iterations based on changing of MNTP. Moreover, FBAM recalled effectively for non-orthogonal patterns. We conduct experiments in pattern recognition applications to prove the effectiveness of FBAM. Results of experiments show that FBAM recalls better than other BAMs in auto-association mode.

FBAM recall better when content of patterns are significantly different. Therefore, we will investigate to develop this advantage for FBAM in the future.

Acknowledgements. This work was supported by Vietnam’s National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under Granted Number 102.02-2011.13.

Table 1. Percentages of pixels recalling successfully

Recognition Applications WBAM TBAM XBAM FBAM Fingerprint 83.370 85.906 85.906 88.007

Handwriting characters 75.463 75.681 72.964 75.890 Signal panels of transport 77.980 28.303 78.303 78.348

Coin 85.066 45.992 84.896 85.109 Means of transport 88.110 18.960 90.076 90.076


65

REFERENCES

[1].B.Kosko, “Bidirectional Associative Memory,” IEEE Transactions on on Systems, Man, and Cybernetic, vol. 18, no. 1, pp. 49–60, 1988. [2].D. Shen and J. B. Cruz, “Encoding strategy for maximum noise tolerance Bidirectional Associative Memory,” IEEE Transactions on Neural Networks, 2003. [3].T. Wang and X. Zhuang, “Weighted Learning of Bidirectional Associative Memories by Global Minimization,” IEEE Transactions on Neural Networks, vol. 3, no. 6, pp. 1010–1018, 1992. [4].T. Wang, X. Zhuang, and X. Xing, “Memories with Optimal Stability,” IEEE transactions on neural networks, vol. 24, no. 5, , pp. 778–790, 1994.

[5].X. Zhuang, Y. Huang, and S.-S.Chen, “Better learning for bidirectional associative memory,” Neural Networks, vol. 6, no. 8, pp. 1131–1146, 1993. [6].Y. F. Wang, J. R. Cruz, and J. R. Mulligan, “On multiple training for bidirectional associative memory.,” IEEE transactions on neural networks / a publication of the IEEE Neural Networks Council, vol. 1, no. 3, pp. 275–276, 1990. [7].Y. F. Wang, J. R. Cruz, and J. R. Mulligan, “Guaranteed recall of all training pairs for BAM,” IEEE transactions on Neural Networks, vol. 2, no. 6, pp. 559-566, 1991. [8].Y. F. Wang, J. R. Cruz, and J. R. Mulligan, “Two coding strategies for bidirectional associative memory.,” IEEE transactions on neural networks / a publication of the IEEE Neural Networks Council, vol. 1, no. 1, pp. 81–92, 1990.

TÓM TẮT MỘT THUẬT TOÁN HỌC CẢI TI ẾN CỦA BỘ NHỚ LIÊN K ẾT HAI CHI ỀU

Nông Thị Hoa1*, Bùi Thế Duy2

1Trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 2Phòng thí nghiệm tương tác người máy – ĐH Quốc gia Hà Nội

Fuzzy neural network is an artificial neural network that combines fuzzy concepts, fuzzy inference rule Các mạng nơ ron nhân tạo, được đặc trưng bởi sự song song hóa, tính mạnh mẽ và khả năng học, có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bộ nhớ liên kết hai chiều (BAM) là một mạng nơ ron được mở rộng từ các mạng nơ ron Hopfield để tạo ra một tìm kiếm hai chiều cho một cặp mẫu. Ưu điểm quan trọng nhất của BAM là nhớ lại các mẫu đã lưu từ các mẫu vào nhiễu. Tuy nhiên quá trình học của các BAM trước đây lại không linh động. Hơn nữa, các cặp mẫu trực giao được nhớ lại hiệu quả hơn các cặp mẫu không trực giao. Nghĩa là, một số mẫu quan trọng không thể nhớ lại được. Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một thuật toán học của BAM mà học các dữ liệu huấn luyện linh động hơn đồng thời cải thiện khả năng nhớ lại đối với các mẫu không trực giao. Trong thuật toán học đưa ra, sự liên kết của các mẫu được cập nhật linh động trong một số ít lần lặp bằng cách điều chỉnh các tham số sau mỗi lần lặp. Hơn nữa, thuật toán học của chúng tôi còn đảm bảo khả năng nhớ lại của các mẫu là như nhau. Điều này được thể hiện trong điều kiện dừng của quá trình học. Chúng tôi làm thực nghiệm với năm tập dữ liệu để chứng minh tính hiệu quả của BAM gắn với thuật toán học đưa ra (FBAM). Kết quả thực nghiệm cho thấy FBAM nhớ lại tốt hơn các BAM khác trong chế độ tự liên kết. Từ khóa: Bộ nhớ liên kết hai chiều, bộ nhớ liên kết, thuật toán học.


Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Việt Hà – Đại học Quốc gia Hà Nội

* Tel: 01238492484


66

Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72

67

NGHIÊN CỨU TÍNH KH Ả THI CỦA CÔNG NGHỆ SÀN BUBBLEDECK TRONG XÂY DỰNG

Nguyễn Thị Thúy Hiên*, Nguyễn Hoàng Sơn, Nguyễn Văn Tình Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Công nghệ kết cấu sàn Bubble deck là loại sàn rỗng chịu lực hai phương, là một hệ sàn phẳng có thể đáp ứng nhu cầu của ngành xây dựng về tính linh hoạt, độ bền vững và tiết kiệm vật liệu, làm giảm chi phí và thời gian xây dựng đáng kể nhờ loại bỏ hoàn toàn việc phải sử dụng dầm trong kết cấu bê tông, cũng như giảm được số lượng kết cấu tường và cột dẫn đến tiết kiệm rất nhiều bê tông, điều này đồng nghĩa với việc tiết kiệm được kích thước, kết cấu móng đồng thời giúp gia tăng tỷ số giữa cường độ và trọng lượng so với các kiểu sàn truyền thống. Từ khóa: Công nghệ thi công, sàn bóng, sàn bê tông cốt thép, thời gian, chi phí, chất lượng.

TỔNG QUAN*

Sàn BubbleDeck (BD) được Jorgen Breuning một kỹ sư người Đan Mạch sáng chế ra từ năm 1997 sau khi lấy cảm hứng sáng tạo từ cuộc thi thiết kế các kết cấu bền vững và linh hoạt do Bộ Nhà ở Đan Mạch tổ chức. Công nghệ này được du nhập vào Việt Nam từ những năm 90 của thế kỷ trước và tới nay nó được áp dụng trong nhiều công trình ở Việt Nam.

Hệ sàn Bubbledeck có thể sử dụng như công nghệ thi công lắp ghép nên giảm đáng kể thời gian thi công, quá trình thi công chủ yếu vận chuyển cấu kiện chế tạo sẵn từ nhà máy đến công trình và tiến hành lắp ghép, có thể không dùng ván khuôn, có ván khuôn và ván khuôn tự mang tùy loại sàn ứng dụng loại A, B hay loại C. Các chi tiết được đúc sẵn này đã có thép gia cường, do đó giảm được công việc đặt và buộc thép tại công trường. Tất cả những đặc điểm trên khiến cho sàn bubbldeck trở nên đặc biệt thân thiện với hệ sinh thái địa phương, nhất là khi xem xét lượng CO2 thải ra từ quá trình sản xuất bê tông. Mặt khác bởi hệ sàn rỗng nên tăng khả năng cách âm cách nhiệt trong nhà, giảm tiếng ồn ngoài trời và ô nhiễm không khí do việc sản xuất được tiến hành tại nhà máy, quá trình vận chuyển bằng xe tải ít vì thời gian thi công ngắn.

Tại Vi ệt Nam nói chung và Thái Nguyên nói riêng, quá trính đô thị hóa đang diễn ra mạnh

* Tel: 0982994286; [email protected]

mẽ đặt ra nhu cầu cấp thiết về sử dụng những công trình có không gian kiến trúc rộng rãi với hiệu quả kinh tế cao, yêu cầu kĩ thuật và tính thẩm mỹ cao. Nhận thức được tầm quan trọng, đề tài “Nghiên cứu tính khả thi của công nghệ sàn BubbleDeck trong xây dựng”

MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN SÀN BUBBLEDECK

Sàn Bubbledeck là loại sàn rỗng chịu lực hai phương đầu tiên được thiết kế, công nghệ này có thể được mô tả một cách đơn giản là một hệ sàn phẳng cực kỳ hiệu quả, có thể đáp ứng nhu cầu của ngành xây dựng. Sàn Bubbledeck 3 lớp chính: lưới thép trên, quả bóng rỗng làm từ nhựa tái chế và lưới thép dưới (Hình 1).

Hình 1. Cấu tạo sàn Bubbledeck

Sàn Bubbledeck được sản xuất theo 5 dạng tiêu chuẩn theo độ dày tấm sàn theo bảng 1.

Sàn bóng Bubbledeck được chia ra làm 3 loại: sàn A, sàn B và sàn C.

+ Sàn BubbleDeck loại A. Module cốt thép, dạng cấu kiện “lưới bóng” chế tạo sẵn được đặt trên ván khuôn truyền thống và đổ bêtông trực tiếp tại công trường.


68

Hình 2. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại A

+ Sàn BubbleDeck loại B. Cấu kiện bán toàn khối, đáy của lưới bóng được cấu tạo một lớp bê tông đúc sẵn, dày 60mm thay cho ván khuôn tại công trường.

Hình 3. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại B

+ Sàn BD loại C. Tấm sàn thành phẩm, sản phẩm phân phối tới chân công trình dưới dạng tấm bê tông hoàn chỉnh.

Hình 4. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại C

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA SÀN BUBBLEDECK

- Khả năng chịu lực: Sàn BD đã giảm 35% lượng bê tông trong tấm sàn nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực tương ứng. Do đó với một khoảng cách lưới cột, sàn BubbleDeck chỉ cần sử dụng khoảng 50% lượng bê tông so với tấm sàn đặc không dầm. So sánh khả năng chịu uốn và chịu cắt của sàn Bubbledeck và sàn thông thường khác cho kết quả ở bảng 1 và hình 4.

Khả năng chịu cắt được xác định theo tỷ số a/d (a là khoảng cách từ vị trí đặt lực đến gối đỡ, d là chiều cao tính toán của bản sàn). Kết quả thử nghiệm được tóm tắt trong đồ thị trên hình 5.

Sàn BubbleDeck có khả năng chịu lực cắt xấp xỉ 65% khả năng của sàn đặc với cùng chiều cao. Trong những vùng chịu lực phức tạp (khu vực quanh cột, vách, lõi), có thể bỏ bớt các quả bóng để tăng khả năng chịu lực cắt cho bản sàn.

Hình 5 So sánh khả năng chịu cắt của sàn bóng

và sàn thường

Bảng 1. Tiêu chuẩn bóng sàn Bubbledeck

Loại Độ dày (mm)

Bóng (mm)

Nhịp (m)

Tr ọng lượng (Kg/m2)

Thể tích bê tông (m3/m2)

BD230 230 Ø 180 7-10 370 0,1 BD280 280 Ø 225 8-12 460 0,14 BD340 340 Ø 270 9-14 550 0,18 BD390 390 Ø 315 10-16 640 0,21 BD450 450 Ø 360 11-18 730 0,25

Bảng 2. So sánh khả năng chịu uốn của Bubbledeck và sàn thường

Theo % sàn đặc Khi cùng khả năng

chịu lực Khi cùng độ cứng

chống uốn Khi cùng lượng

bê tông Khả năng chịu lực 100 105 150 Độ cứng chống uốn 87 100 300 Thể tích bê tông 66 69 100


69

- Khả năng chịu động đất: Lực động đất tác dụng lên công trình có giá trị tỷ lệ với khối lượng toàn công trình và khối lượng tương ứng ở từng cao độ sàn.

- Khả năng vượt nhịp: Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà tấm sàn BubbleDeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chuẩn British Standard 8110 và Eurocode2, có bổ sung hệ số 1,5 để kể đến việc giảm nhẹ trọng lượng bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống.

Hình 6. Khả năng vượt nhịp – dày sàn

Đồ thị mô tả mối quan hệ khả năng vượt nhịp - chiều dày sàn tương ứng với khả năng chịu mômen cho từng dạng tấm sàn.

- Kết hợp giải pháp căng sau: Khi cần vượt nhịp lớn (trên 15m) có thể dùng giải pháp sàn BubbleDeck kết hợp ứng lực trước, thực hiện căng sau. Khi vượt nhịp lớn, sàn BubbleDeck thông thường sẽ không gặp khó khăn về khả năng chịu lực nhưng cần hạn chế độ võng lớn, vì vậy phải kết hợp với giải pháp căng sau.

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SÀN BUBBLEDECK

- Khả năng chịu lửa: Sàn BD là sản phẩm không bắt cháy, có khả năng ngăn khói cao và không chứa khí độc hại. Khả năng chịu lửa phụ thuộc vào lớp bê tông bảo vệ lưới thép gia cường dưới (bảng 3).

- Khả năng cách âm: Thử nghiệm trên tấm sàn BD280 cấu tạo cùng với lớp cách âm Ethafoam 222E dày 5mm, lớp láng bề mặt dày 85mm và tấm trần rỗng Casoline MF tiêu chuẩn với chiều dày khoảng rỗng 230mm đã khẳng định sàn BubbleDeck vượt tiêu chuẩn về khả năng cách âm vì phần bê tông đổ tại công trường sẽ lấp đầy các mối nối giữa các cấu kiện.

Bảng 3. Khả năng chịu lửa của sàn bóng

Độ dày lớp bảo vệ (mm)

15 20 25 30 35

Thời gian chịu lửa phút)

30 60 90 120 180

- An toàn cháy nổ: Sàn BubbleDeck là hệ sàn phẳng chịu lực theo hai phương, có khả năng chống cháy nổ rất hiệu quả. Sàn BubbleDeck tránh được dạng kết cấu nặng nề, loại bỏ các tấm tường đặc, tránh được ảnh hưởng của áp suất không khí. Đó đều là những nguyên nhân bất lợi nhất dẫn đến tình trạng phá hủy công trình.

- Đặc tính cách nhiệt: Kết quả nghiên cứu cho thấy sàn BubbleDeck có thể chịu nhiệt cao hơn 39% so với tấm sàn đặc tương đương có cùng độ dày.

- Hệ thống sưởi/làm mát: Sàn bóng là một giải pháp tiết kiệm năng lượng để sưởi ấm hoặc thông gió cho ngôi nhà. Các ống thông khí được đặt trong các phần cấu kiện của sàn và có thể được đúc sẵn hoặc lắp trực tiếp tại công trường.

- Bảo vệ môi trường: Việc loại bỏ lượng bê tông ở thớ giữa bản sàn, sàn BubbleDeck đã góp phần lớn vào việc hạn chế các tác động không có lợi tới môi trường.

SO SÁNH HIỆU QUẢ GIỮA SÀN BUBBLEDECK VỚI SÀN TRUYỀN THỐNG

Hiệu quả giảm trọng lượng của bê tông và cốt thép

Tiến hành so sánh trọng lượng của 2 phương án được xét trên một ô sàn điển hình với nhịp điển hình 9x9m. Tải trọng được lấy giống nhau cho cả 2 phương án. Phân tích một ô sàn có kích thước lưới cột 9x9 m thiết kế theo phương án sàn bóng và sàn dầm truyền thống. Theo sàn dầm truyền thống thì ô sàn điển hình được thiết kế gồm dầm chính có kích thước tiết diện 0,3x0,65m, dầm phụ 0,3x0,45m, bản sàn dày 0,15m. Theo phương án sàn bóng,với nhịp điển hình 9x9m ô sàn được thiết kế với bóng sàn có đường kính Ø270, bản sàn dày 340mm.


70

- Trọng lượng của bê tông: Khối lượng bê tông của ô sàn được tính trên cơ sở bê tông sàn phẳng dày 340mm và sàn bê tong dầm chính, bê tông dầm phụ và bê tông sàn bóng theo ba phương án. Kết quả tính toán ở bảng 4 và hình 7 thể hiện khối lượng của hệ sàn nhẹ thấp hơn so với sàn phẳng thường là 35%.

Bảng 4. So sánh trọng lượng bê tông giữa sàn bóng và sàn khác

Sàn đặc

không dầm

Sàn truyền thống D150

Sàn BD D340

Trọng lượng

(kg/m2) 850 666,67 550

Tỷ lệ % 100% 78% 65%

Hình 7. So sánh trọng lượng bê tông giữa sàn bóng và sàn khác

- So sánh hàm lượng cốt thép: Với mặt bằng và tải trọng đã cho, đề tài chiết tính hàm lượng thép để làm cơ sở so sánh với giải pháp kết cấu mới. Kết quả cho thấy, phương án đưa ra nhờ ưu thế về giảm trọng lượng bê tông và tăng chiều dày sàn so với phương án sàn bê tông cốt thép thường nên hàm lượng thép thấp hơn nhiều. Lợi thế của một sàn BubbleDeck là sử dụng ít hơn 30-50% so với bê tông so với sàn dầm truyền thống tấm rắn thông thường.

Các quả bóng HDPE thay thế bê tông không hiệu quả trong các trung tâm của phần này, do đó làm giảm tĩnh tải của kết cấu bằng cách loại bỏ không sử dụng vật liệu nặng. Vật liệu bê tông giảm và trọng lượng cũng dẫn đến cấu trúc thép ít từ sự cần thiết phải tăng cường độ bê tông cho sàn. Nhìn chung, do các tấm sàn nhẹ hơn, một số thành phần hạ lưu có thể được thiết kế cho tải thấp hơn và vì thế sẽ rất tiết kiệm.

Bảng 5. So sánh hàm lượng cốt thép giữa sàn bóng và sàn khác

Sàn bê tông đặc không

dầm

Sàn bê tông truyền

thống 150

Sàn BD 340

Khối lượng sử dụng bê tông (m3/m2)

0,34 0,267 0,18

Tỷ lệ % 100% 79% 53%

Hình 8. Biểu đồ so sánh hàm lượng cốt thép giữa

sàn bóng và sàn khác

Ưu thế chính của các quả bóng là giảm trọng lượng của tấm sàn. Tải trọng bản thân của sàn BD chỉ bằng 1/3 lần tấm sàn đặc có cùng độ dày và không có ảnh hưởng cường độ uốn và độ võng của tấm sàn. So với tấm sàn đặc, một tấm sàn BubbleDeck có khả năng chịu lực gấp đôi với 65% lượng bêtông và có cùng khả năng chịu lực với 50% lượng bêtông.

Hiệu quả kinh tế

Sàn BubbleDeck khi được sử dụng cho công trình sẽ đem lại nhiều hiệu quả kinh tế ( kể cả tối ưu chi phí bảo trì), như: tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng thích nghi với nhiều loại mặt bằng; tiết kiệm khối lượng bê tông 2,3kg nhựa tái chế thay thế 230kg bê tông/m3 (BD280); giảm trọng lượng bản thân kết cấu tới 35%, từ đó giảm kích thước hệ kết cấu móng; tăng khoảng cách lưới cột, giảm hệ tường, vách chịu lực; giảm thời gian thi công và các chi phí dịch vụ kèm theo; thân thiện với môi trường khi giảm lượng phát thải năng lượng và CO2. Việc loại bỏ được dầm trong kết cấu đã giảm được đáng kể chiều cao tầng đồng thời mở rộng không gian sử dụng cho công trình.


71

Hiệu quả của công tác thi công

Ưu điểm thi công của sàn bóng so với sàn bê tông truyền thống: giảm toàn bộ hệ thống coppha dầm chính và dầm phụ; thi công đơn giản hơn, nhanh hơn do chỉ phải lắp dựng coppha cho sàn phẳng; việc giảm được lượng thép dùng trong sàn nhờ vào việc giảm tải trọng bản thân của sàn nên công tác gia công lắp dựng cốt thép cũng sẽ tiết kiệm được thời gian và nhân lực; tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng thích nghi với nhiều loại mặt bằng; việc loại bỏ được dầm trong kết cấu đã giảm được đáng kể chiều cao tầng đồng thời mở rộng thêm không gian sử dụng.

MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TIÊU BIỂU CHO THẤY NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ BUBBLEDECK

Công trình tòa nhà Le Coie (Anh): Giải thưởng Xây dựng Jersey 2005 (tiết kiệm được hơn 400,000 bảng Anh khi sử dụng 7.800m2 sàn BubbleDeck); Chung cư LICOGI 13 (Đường Khuất Duy Tiến - Thanh Xuân - Hà Nội). Công trình tăng thêm 3 tầng nổi (từ 25 lên 27 tầng). Do không thể thay đổi được kết cấu móng nên phải tính đến bài toán giảm tải trọng của công trình. Công trình đã sử dụng những quả bóng nhựa tái chế thay thế phần bê tông không tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, cho phép tiết kiệm từ 30-40% lượng bê tông so với sàn truyền thống, giảm 25-30% trọng lượng kết cấu và tăng khả năng vượt khẩu độ nhịp lên khoảng 2 lần so với sàn

truyền thống và giảm thời gian thi công mỗi sàn xuống 5-7 ngày.

Nhờ áp dụng các giải pháp công nghệ mới, LICOGI 13 không chỉ nâng tầng thành công, có thêm lợi nhuận mà chủ đầu tư còn được ghi nhận là có tư tưởng tiên phong ứng dụng các công nghệ mới thân thiện với môi trường; Giảng đường chùa Lân - Thiền viện trúc lâm Yên Tử - Quảng Ninh. Đây là một dự án lớn với ưu điểm giá thành rẻ, thời gian thi công nhanh gấp 2 lần so với phương pháp thông thường, trung bình đạt 1000m2/7 ngày trong điều kiện thi công tốt và được đánh giá là dễ thi công. Khả năng vượt nhịp lớn đó là khoảng cách giữa hai cột lớn nhất hiện nay là 21,6m do đơn vị VITEC thiết kế và thi công.

KẾT LUẬN

Việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ sàn BubbleDeck sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, chất lượng cao cho công trình. Đây là một yêu cầu quan trọng luôn được đặt ra trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt đối với công trình nhà cao tầng. Việc rút ngắn được thời gian thi công sẽ mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho dự án. Vì vậy công nghệ sàn BubbleDeck cần được sử dụng rộng rãi trong toàn ngành xây dựng.


[1].http://www.bubbledeck.com.vn [2].thttp://dspace.mit.edu [3].http://www.ketcau.com [4].http://diendanxaydung.vn [5].lib.lhu.edu.vn


72

SUMMARY STUDY FEASIBILITY OF A BUBBLEDECK TECHNOLOGY IN CONSTRUCTION

Nguyen Thi Thuy Hien*, Nguyen Hoang Son, Nguyen Van Tinh College of Technology – TNU

Bubbledeck floor Technology is hollow floor, bearing two modes. Bubbledeck a flat floor system can meet the needs of the construction industry in terms of flexibility, durability and material savings, reduce costs and construction time dramatically by eliminating entirely the need beams used in concrete structures, as well as reduce the number of structural walls and column structures lead to saving a lot of concrete, this means saving size , foundation structure. At the same time helps to increase significantly the ratio of the intensity and weight compared to traditional flooring types. Keywords: Modern construction technology, floor ball, concrete floor, time, cost, quality.

Ngày nhận bài:04/10/2013; Ngày phản biện: 20/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013

Phản biện khoa học: ThS. Hàn Thị Thúy Hằng – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

* Tel: 0982994286; [email protected]

Nguyễn Tiến Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 73 - 76

73

MỘT SỐ GIẢI PHÁP THI ẾT KẾ BIỆT THỰ XANH TẠI THÀNH PH Ố THÁI NGUYÊN

Nguyễn Tiến Đức*, Nguyễn Ngọc Ý, Nguyễn Khánh Duy Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Biến đổi khí hậu toàn cầu là mối quan tâm của tất cả các quốc gia trên thế giới. Để giảm nhẹ sự biến đổi khí hậu cần phải có một cách tiếp cận và phương pháp xây dựng mới. Trong đó xu hướng kiến trúc xanh là giải pháp thích hợp nhất hiện nay. Bài báo trình bầy khái niệm kiến trúc xanh, các cơ sở để thiết kế biệt thự xanh tại thành phố Thái Nguyên từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế biệt thự xanh cho thành phố Thái Nguyên. Từ khóa: Thái Nguyên, kiến trúc xanh, biệt thự xanh, giải pháp kiến trúc xanh.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang là mối quan tâm của tất cả các quốc gia trên thế giới. Biến đổi khí hậu đưa đến trái đất một hiểm họa lớn, đòi hỏi con người phải hành động tích cực, kịp thời để giảm nhẹ các tác động và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Bất kể công trình xây dựng lớn hay nhỏ, đều gắn liền với mặt đất; phụ thuộc vào tự nhiên về tài nguyên; gây ra thay đổi về môi trường; và ảnh hưởng đến cuộc sống của con người và cuộc sống các loài khác. Như vậy, cần có cách nghĩ mới, cách tiếp cận mới và cách thiết kế mới để giải quyết các vấn đề trên. Do đó cần có những cơ sở vững chắc và giải pháp tốt trong thiết kế các công trình nói chung và thiết kế biệt thự tại Thái Nguyên nói riêng.

KHÁI NI ỆM KIẾN TRÚC XANH VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ

Khái niệm kiến trúc xanh là kiến trúc tổng hợp / bao hàm được các xu hướng kiến trúc xuất hiện trước đó, như Kiến trúc (sinh) khí hậu((Bio) climatic Architecture), Kiến trúc sinh thái (Ecologic Architecture), Kiến trúc môi trường (Environmental Architecture), Kiến trúc có hiệu quả về năng lượng (Energy - Efficient Architecture), Kiến trúc thích ứng (Adaptable Architecture), trong một mô hình như trong hình 1, trong đó đã đồng nhất khái niệm Bền vững và Xanh (Green Architecture) [3].


Hình 1. Mô hình Kiến trúc xanh/Kiến trúc

bền vững [3]

Cơ sở thiết kế biệt thự xanh là những yếu tố tác động đến cấu tạo và cấu trúc không gian trong của ngôi nhà, trong đó cần quan tâm đến các yếu tố sau:

- Yếu tố tự nhiên: Quỹ đạo mặt trời, nhiệt độ, gió, mưa, độ ẩm tổng hợp nên điều kiện sinh khí hậu của Thái Nguyên.

- Kết cấu tường bao: Phụ thuộc vào cấu tạo của tường: tường đặc 1 lớp, tường 2 lớp, tường kính… và vật liệu làm tường bao.

- Cấu trúc công trình: phụ thuộc vỏ mặt ngoài công trình và tổ chức không gian bên trong công trình.

- Các cơ sở công năng: Phụ thuộc vào vị trí phòng sử dụng và phân khu sinh hoạt ngày đêm.

- Các yếu tố văn hóa: Lối sống của người sử dụng, các quan niệm về xây dựng và vấn đề phong thủy khi làm nhà.


74

- Xã hội: Các vấn đề về nhu cầu sử dụng không gian, mức độ tiêu dùng và quan hệ cộng đồng trong đời sống.

- Cây xanh: các loại cây trong nhà, ngoài nhà, hình dạng và chức năng từng loại cây.

- Năng lượng sạch: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, năng lượng sinh học …

Trong đó, biệt thự xanh cần đạt được các mục tiêu cụ thể như sau:

- Nâng cao chất lượng môi trường trong nhà.

- Tiết kiệm nước, tái sử dụng nước và nâng cao hiệu quả dùng nước.

- Tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

- Tiết kiệm vật liệu và sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường.

- Giảm tác động có hại đến hệ môi trường sinh thái, giảm phát thải CO2 .

MỘT SỐ GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC BIỆT THỰ XANH TẠI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Hình 2. Quan điểm kiến trúc biệt thự xanh [1]

Quan điểm giải quyết

Để đạt được các mục tiêu của biệt thự xanh, giải pháp thiết kế kiến trúc tổng thể là tập hợp các giải pháp đơn lẻ phối hợp với nhau. Trong đó, các giải pháp thiết kế chia làm ba nhóm chính:

- Nhóm 1: sử dụng các giải pháp kiến trúc.

- Nhóm 2: sử dụng giải pháp sinh thái.

- Nhóm 3: sử dụng năng lượng sạch.

Các nhóm giải pháp và trình tự ưu tiên được thể hiện như trong Hình 2.

Tùy theo khả năng đầu tư mà công trình có thể kết hợp sử dụng toàn bộ các giải pháp, hoặc sử dụng một số giải pháp để đạt được các mục tiêu của kiến trúc xanh với mức độ ưu tiên tuân theo thự tự từ trong ra ngoài trong Hình 2.

Các giải pháp kiến trúc biệt thự xanh tại thành phố Thái Nguyên - Giải pháp kiến trúc: cần giải quyết các vấn đề thông gió tự nhiên, sử dụng ánh sáng tự nhiên và chống bức xạ mặt trời cho các hướng bất lợi. Để nâng cao hiệu quả sinh thái và bảo vệ môi trường cần quan tâm sử dụng các biện pháp tạo hình, tạo nhiều góc cạnh trên mặt đứng để tận dụng hứng ánh sáng, thông gió, đảm bảo diện tích tiếp xúc thiên nhiên là tối đa cho ngôi nhà. Tạo ra những sân vườn xem đây là phần quan trọng cấu tạo nên hình dáng kiến trúc nhà hoặc sử dụng kiến trúc kiểu bậc thang có sân trời có thể bố trí sân thượng có cây xanh rộng rãi và tiện lợi.

Hình 3. Minh họa giải pháp kiến trúc tổng

hợp giúp tiết kiệm năng lượng [4]

- Giải pháp sử dụng cây xanh: Biệt thự tại Thái Nguyên cần kết hợp cây xanh với kiến trúc mái, mặt đứng công trình và các khoảng sân vườn nhằm tạo ra các khoảng không gian công cộng cho người sử dụng, nâng cao chất lượng vi khí hậu và góp phần giảm bức xạ cho vỏ công trình.

- Giải pháp tái sử dụng nước: Để tiết kiệm nước kiến trúc biệt thự xanh cần thiết kế thu hồi nước mưa trên mái và xung quanh công


75

trình để tái sử dụng. Cần thu hồi nước đã qua sử dụng, phân loại nước xám và nước đen đưa qua hệ thống sử lý nước thải để sử dụng lại với nhiều mục đích như tưới cây xanh, rửa xe, lau sàn nhà hoặc làm nước uống.

Hình 4. Minh họa giải pháp sử dụng cây xanh [2]

Hình 5. Minh họa giải pháp tái sử dụng nước [2]

- Sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường: Vật liệu là một nguyên nhân chính gây ra khí thải có hại như CO2, SO2… Để giảm bớt ô nhiễm môi trường cần sử dụng các loại thép cường độ cao, bê tông tính năng cao để giảm thiểu một lượng lớn vật liệu thép và vữa. Sử dụng những loại vật liệu kiến trúc mới như bê tông nhẹ, tấm bản tường chất liệu nhẹ rỗng tâm, tấm bản tường phức hợp… giảm nhẹ trọng lượng riêng của kết cấu, tiết kiệm tài nguyên đất, đồng thời cũng giúp tái sử dụng vật liệu công nghiệp đã qua sử dụng [5].

- Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo: Để giảm lượng phát thải CO2, giảm nhẹ gánh nặng nên môi trường kiến trúc biệt thự xanh cần kết hợp với các giải pháp sử dụng các

trang thiết bị công trình hiện đại như bình đun nước nóng mặt trời, pin mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học (biogas), năng lượng địa nhiệt.

Hình 6. Minh họa sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường

Hình 7. Minh họa sử dụng năng lượng mặt trời [4]

Nguyên tắc phối hợp sử dụng các giải pháp được thể hiện trong hình 8.

Hình 8. Nguyên tắc cơ bản của vỏ nhà ứng xử với môi trường xung quanh [2]


76

KẾT LUẬN

Với tình hình biến đổi khí hậu hiện nay kiến trúc xanh là xu hướng tất yếu để giảm ô nhiễm do các công trình xây dựng nhằm bảo vệ môi trường sinh thái. Cơ sở thiết kế kiến trúc biệt thự xanh tại Thái Nguyên cần quan tâm đến mối quan giữa các yếu tố điều kiện tự nhiên, khí hậu, cấu tạo, cấu trúc công trình, cơ sở công năng, văn hóa xã hội và các biện pháp kỹ thuật để tiết kiệm nước, sử dụng năng lượng tái tạo. Từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu theo thứ tự ưu tiên sử dụng các giải pháp kiến trúc, sử dụng giải pháp sinh thái và sử dụng năng lượng sạch.


[1]. Nguyễn Tiến Đức (2010), “Hiện trạng và giải pháp chung cư xanh tại Hà Nội”, Tạp chí KH và công nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 74, số 12, trang 102-105

[2]. Hiệp hội kỹ sư tư vấn Đức – VBI (2010), Phát triển bền vững trong kiến trúc và xây dựng những giải pháp thiết kế tiết kiệm năng lượng, ứng dụng năng lượng mới và kiến trúc xanh, Hà Nội.

[3]. PGS.TS. Phạm Đức Nguyên (2008), “Xây dựng chương trình phát triển công trình xanh Việt Nam từ kinh nghiệm của thế giới”, Hội thảo KH – Nghiên cứu mô hình kiến trúc xanh tại Vi ệt Nam nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Hà Nội.

[4]. TS. Trần Quốc Thái (2006), Kiến trúc bền vững từ cách tiếp cận thích ứng điều kiện khí hậu địa phương, Luận án tiến sĩ, ĐH Kiến trúc, Hà Nội. [5]. Viện Kiến trúc quy hoạch đô thị và nông thôn – VIAP (2009), Nghiên cứu ứng dụng kiến trúc xanh cho nhà ở Việt Nam , Hà Nội. [6]. Osman Attmann (2010), Green Architecture: advanced technologies and materials, McGraw-Hill, New York.

SUMMARY DESIGN SOLUTIONS OF VILLA GREEN IN THAI NGUYEN CITY

Nguyen Tien Duc*, Nguyen Ngoc Y, Nguyen Khanh Duy College of Technology – TNU

Global climate change is the concern of all countries in the world. To mitigate climate change requires a different approach and new construction methods. The trend in green architecture is the most appropriate solution today. This paper presents the concept of green architecture, the design basis for green villas in Thai Nguyen city from there provide solutions designed green villas Thai Nguyen city. Keyword: Thai Nguyen, green architecture, green villas, architecture green solution.




Nguyễn Xuân Thành và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 77 - 81

77

NGHIÊN CỨU BỐ CỤC KHÔNG GIAN KI ẾN TRÚC CẢNH QUAN KHU DU L ỊCH VĂN HÓA L ỊCH SỬ ATK ĐỊNH HÓA

Nguyễn Xuân Thành*, Phạm Văn Hiệp, Trần Xuân Cường Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa là một nơi giàu truyền thống lịch sử văn hóa, nơi đây có nhiều di tích lịch sử có ý nghĩa quan trọng, danh lam thắng cảnh đẹp. Tuy nhiên, lượng khách đến với nơi đây còn rất ít là do: việc đầu tư xây dựng, bảo tồn di tích chưa gắn với khai thác giá trị cảnh quan làm phá vỡ cảnh quan khu vực; quy hoạch các điểm dịch vụ phục vụ du lịch còn thưa thớt chưa đáp ứng nhu cầu của du khách. Để khắc phục các nhược điểm trên, nghiên cứu đề xuất bố cục không gian kiến trúc cảnh quan khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa nhằm gìn giữ và tôn tạo các di tích và khai thác các giá trị cảnh quan, văn hóa, lịch sử, sinh thái phục vụ cho khách du lịch. Từ khóa: Quy hoạch, kiến trúc, kiến trúc cảnh quan, không gian kiến trúc, bảo tồn.

HIỆN TRẠNG BỐ CỤC CẢNH QUAN KHU DU LỊCH VĂN HÓA LỊCH SỬ ATK ĐỊNH HÓA*

Định Hóa là nơi có vị trí lịch sử văn hóa quan trọng, có nhiều di tích lịch sử (128 di tÝch lÞch sö c¸ch m¹ng vµ kh¸ng chiÕn trong ®ã 12 di tÝch xÕp h¹ng “ cÊp Quèc Gia”, 04 di tÝch xÕp h¹ng cÊp tØnh) [3] . Trong những năm qua, tỉnh đã trùng tu, tôn tạo 28 điểm di tích quan trọng, là những “điểm nhấn” trong các tuyến tham quan khu di tích ATK Định Hóa.

Thực trạng về bố cục cảnh quan khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa như sau:

Vùng bảo vệ 1 Cảnh quan thiên nhiên của điểm di tích phần lớn vẫn giữ được vẻ nguyên sơ.

Một số điểm di tích đã được phục dựng được khôi phục nguyên gốc bằng các vật liệu (giả vật liệu gốc) nhằm đảm bảo độ bền theo thời gian như lán Bác tại Khau Tí, lán Trường Chinh tại Nà Mòn, lán Phạm Văn Đồng ở đồi Thẩm Khen.v.v. Di tích Tỉn Keo vẫn lưu giữ được vầng hoa Râm Bụt và cây bưởi Bác Hồ trồng. Lán họp, lán bộ phận bảo vệ giúp việc, lán nghỉ của Bác, hầm trú ẩn, hào bảo vệ đã được phục hồi bằng các loại vật liệu bền vững “giả vật liệu gốc” với hình thức kết cấu dân


gian truyền thống nhắc lại hình thức kiến trúc của lán xưa. Ngoài ra các hầm hào được khôi phục đã tạo được giá trị lịch sử cho cảnh quan khu vực bảo tồn. Tuy nhiên, còn tồn tại một số vấn đề sau: Phần lớn cảnh quan vùng 1 chưa đựợc chú ý đầu tư, nhiều nơi còn để hoang như lán Trường Chinh, lán Đồi ở Thẩm Khen.v.v. Việc bảo tồn các di tích gốc trong một số đồ án bảo tồn vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng về giá trị lịch sử gây sai lệch về lịch sử như: Tại đồi Phong Tướng, trong khu vực bảo tồn trước đây là một sân khấu cao chừng 2m nay đã bị phá đi để xây dựng nhà trẻ và nhà văn hóa đã làm mất đi giá trị nguyên gốc của điểm di tích nơi đây. Một số di tích đã bảo tồn nhưng bị phá hoại bởi thời gian do vật liệu không chịu được dưới tác động của thiên nhiên. Một số xây dựng bằng bê tông như hội nhà báo Việt nam đã làm sai lệch đi giá trị nguyên gốc của di tích. Vùng tôn tạo 2 Cảnh quan phần lớn vẫn được giữ nguyên hiện trạng không bị lấn chiếm. Khu di tích tại Tỉn Keo đã được đầu tư đảm bảo về chức năng phục vụ cho việc khai thác du lịch tại điểm di tích. Mặc dù vậy, phần lớn vùng tôn tạo tại các điểm di tích đều thiếu các hạng mục cơ bản để phục vụ khách du lịch như khu đón tiếp, chỗ nghỉ ngơi, khuôn viên sân vườn cây cảnh, nhà vệ sinh, thùng đựng rác, chỗ để xe.v.v.


78

Chưa khai thác được giá trị cảnh quan thiên nhiên như núi đồi, sông suối nhằm nâng cao giá trị của di tích như di tích đồi Phong Tướng, cây đa Khuôn Tát.v.v. có vị trí phong thủy rất đẹp” trên có núi, dưới có sông” mà khi bảo tồn chưa khai thác được cảnh suối, đồi làm tôn thêm cho di tích.

Về mặt kiến trúc một số công trình đã được chưa ngiên cứu kỹ về quy mô về hình dáng kết cấu làm phá vỡ cảnh quan chung. Trong cụm di tích tại Tỉn Keo nhà trưng bày xây dựng có khối tích lớn lại được bố trí gần các điểm di tích làm cho lấn át những di tích trong vùng bảo tồn.

Vùng hỗ trợ dịch vụ du lịch(vùng 3) Cảnh quan khu hỗ trợ dịch vụ du lịch tại Đèo De Núi Hồng là khu vực có bố cục cảnh quan tương đối đẹp bao gồm khu nhà thờ Bác, khu dịch vụ nghỉ nghơi và khu sân lễ hội đã khai thác được cảnh quan thiên nhiên. Tuy nhiên chưa đáp ứng nhu cầu ăn nghỉ giải trí của du khách dẫn đến một số không gian bán hàng lưu niệm; các lều quán nhà dân lấn chiếm, rác thải vứt bừa bãi gây mất mỹ quan cảnh quan chung.

Không gian hỗ trợ dịch vụ còn thiếu và thưa thớt, chủ yếu tập chung tại khu vực Đèo De Núi Hồng do vậy không thuận tiện cho du khách đi thăm quan các cụm di tích do bán kính phục vụ xa. Hơn nữa chưa đáp ứng được nhu cầu đa dạng và phong phú của khách du lịch như dịch vụ ăn uống, vui chơi, mua bán, thông tin...

Chưa khai thác được giá trị văn hóa bản địa: Khách du lịch đến với nơi đây chưa thấy được bản sắc văn hóa dân tộc của vùng.

Quy hoạch tuyến du lịch chưa hợp lý: Tuyến tham quan chưa khai thác được cảnh quan núi đồi, sông suối. Chưa kết hợp tham quan di tích và tìm hiểu văn hóa bản làng.

CÁC CƠ SỞ CHO VIỆC BỐ CỤC KHÔNG GIAN KIẾN TRÚC CẢNH QUAN KHU DU LỊCH VĂN HÓA LỊCH SỬ ATK ĐỊNH HÓA

Cơ sở về phân vùng bảo vệ cảnh quan di tích [1]

Vùng bảo vệ 1: Không gian vùng này chỉ được phục chế, bảo tồn chống xuống cấp, trả lại nguyên bản cho di tích.

Vùng bảo vệ 2: Khu vực này có thể xây dựng công trình phụ trợ, nhằm phục vụ tốt công tác khai thác công trình hạt nhân cho du lịch.

Cơ sở về đặc trưng bố cục cảnh quan di tích nơi đây

Cảnh quan di tích gắn với núi đồi: Các điểm di tích thường nằm trong điạ thế hiểm trở, bao quanh có núi chắn tạo cho di tích vẻ hùng tráng hòa nhập xung quanh.

Cảnh quan di tích gắn với rừng: Rừng là một bộ phận đặc biệt quan trọng trong hoạt động cách mạng của cuộc chiến chống Pháp của dân tộc.

Gắn với cảnh quan các bản làng: Đây là một tiêu chí ”Gần dân mà không gần đường” của Bác để huy động toàn dân tham gia phục vụ cho cách mạng, che chở bảo vệ an toàn cho Trung ương Đảng, Chính phủ và Bác Hồ.

Gắn với con suối, thác nước: Suối có ý nghĩa rất quan trọng trong thời khách chiến, nó là con đường liên lạc của cách mạng gắn nhiều kỷ niệm nơi Bác tắm và câu cá ngoài ra nó còn có cảnh đẹp hấp dẫn du khách.

Cơ sở về lịch sử các điểm di tích [3]

Qua tài liệu lịch sử, phim ảnh, lời kể của các nhân chứng, các bản đồ hiện trạng làm cơ sở cho việc bảo tồn các di tích như:

Tại "Phủ Chủ tịch" đầu tiên, tại đồi Khau Tý, xã Điềm Mặc. Khôi phục hai căn nhà sàn dựng lên với cột bằng gỗ, có ván lát sàn, vì kèo bằng tre, vầu; bốn mái lợp bằng lá cọ, bên cạnh là nhà bếp mái lá cọ, sân tập thể dục với xà đơn là hai cây to có chạc đôi, thanh xà ngang bằng vầu đặt ngang buộc bằng dây mây rừng.

Tại đồi phong tướng: theo lời kể tại đây còn có sân khấu rộng chừng 4m x 5m cao chừng 2m gần vị trí bờ suối và lớp học thiếu nhi Nà Lọm bên cạnh sân khấu, nay đã bị phá hủy. Địa điểm thành lập Hội nhà Báo Việt Nam(1950). Qua những bức ảnh, lời kể, thước phim di tích, nhà hội trường là ngôi nhà 03 gian, với hệ thống cột gỗ, sàn làm bằng những tấm ván, kết cấu vì kèo bằng tre nứa, mái gồm 04 mái trên và 04 mái dưới.


79

BỐ CỤC KHÔNG GIAN KIẾN TRÚC CẢNH QUAN KHU DU LỊCH VĂN HOÁ LỊCH SỬ ATK ĐỊNH HOÁ

Mô hình nguyên tắc bố cục không gian kiến trúc cảnh quan khu du lịch văn hoá lịch sử ATK Định Hoá

Dựa vào sự phân bố và tầm quan trọng của di tích mà theo nguyên tắc sau:

Tổ chức các điểm đến trong tuyến du lịch thành các cụm di tích hạt nhân để phục vụ cho du khách khi đến tham quan.

Hình 1. Sơ đồ tham quan cụm di tích

Các di tích hạt nhân của cụm di tích: Là di tích có ý nghĩa lớn và thuận tiện về giao thông. Di tích này tập trung phục hồi tôn tạo (vùng 1) và xây dựng các công trình phục vụ du lịch trong vùng bảo vệ 2 nhằm phục vụ các nhu cầu của du khách.

Các di tích khác trong cụm là các di tích độc lập: Chỉ tôn tạo vùng 1, vùng 2 chỉ xây dựng những hạng mục cần thiết như nhà vệ sinh, bãi đỗ xe, sân vườn.

Đề xuất khu vực hỗ trợ dịch vụ du lịch (vùng 3) tùy vào điều kiện cụ thể mà có thể tổ chức một hay nhiều khu vực hỗ trợ dịch vụ du lịch độc lập hay kết hợp với bản làng nhằm khai thác giá trị văn hóa bản địa.

Bố cục không gian kiến trúc cảnh quan vùng bảo vệ 1

Về chức năng sử dụng phải đáp ứng chức năng chính là nơi tham quan và tưởng niệm

của du khách như: Trưng bày giới thiệu nguồn gốc lịch sử công trình (phim ảnh, trưng bày hình ảnh), trưng bày các tư liệu, hiện vật mô hình.

Hình 2. Mô hình bố cục không gian kiến trúc

cảnh quan

Về mặt thẩm mỹ: Với các di tích phục hồi nguyên gốc cần tạo một không gian kiến trúc mộc mạc, đơn sơ, sử dụng hệ kết cấu chịu lực (khung, cột, xà) dùng thép ống bọc Compozit, giả vật liệu tương ứng. Vách liếp, dui mè, lá cọ lợp mái qua ngâm tẩm thuốc chống mối mọt và phủ bề mặt Compozit tạo cảm giác gần gũi và có độ bền cao.

Hình 3. Lán, hầm hào có kiến trúc hài hòa với thiên nhiên

Đối với các di tích đặt bia, hay phù điêu cần tạo vị trí điểm nhấn không gian, hình thức đơn giản hài hòa xung quanh. Bia làm bằng đá thanh liền khối, chạm khắc bia theo phong cách nghệ thuật truyền thống của dân tộc: bia có thể có kích thước( cao 1,8m; thân bia rộng 1,2m; dày 0,2m). Trường hợp có nhà bia phải khai thác kiến trúc truyền trống bên trong đặt bia đá.


80

Hình 4. Nhà bia, bia ghi dấu sự kiện

Bố cục không gian kiến trúc cảnh quan vùng bảo vệ 2

Về mặt chức năng sử dụng: Tùy vào vị trí và tầm quan trọng các di tích mà có thể xây dựng nhà trưng bày, không gian đón tiếp, không gian vui chơi ngắm cảnh. Các công trình hạ tầng phục vụ khu di tích khác, xây dựng các khu vệ sinh tiêu chuẩn tại vị trí khuất, đường điện, nước có thể bố trí ngầm.

Trong quy hoạch cảnh quan: Bố cục tuân thủ theo bố cục chung của di tích, tận dụng địa hình cảnh quan sẵn có, chiều cao công trình thấp dần về phía di tích, tạo cây xanh chuyển tiếp với không gian di tích

Trong công trình kiến trúc: Khai thác kiến trúc đặc trưng của vùng như kiến trúc nhà sàn, nhà đất, chi tiết, màu sắc công trình. Xác định quy mô, khối tích hài hòa với cảnh quan chung của khu vực.

Hình 5. Nhà trưng bày khai thác kiến trúc nhà sàn

Bố cục không gian kiến trúc cảnh quan khu hỗ trợ dịch vụ du lịch (vùng 3)

Tùy thuộc vào quy mô, vị trí, và mối liên quan đến hệ thống các di tích mà có thể xây dựng các công trình như bãi để xe, nhà nghỉ, các công trình phục vụ ăn uống, bán hàng lưu niệm, bưu điện, trạm y tế, không gian vui chơi.

Trong quy hoạch phải tuân thủ nguyên tắc phân vùng, chọn vị trí có cảnh đẹp quỹ đất

rộng, tận dụng địa hình để xây dựng công trình. Mật độ, khối tích và chiều cao công trình phải giảm dần về phía di tích .

Hình 6. Khai thác địa hình tự nhiên

Về mặt kiến trúc khai thác các đường nét của kiến trúc địa như kiến trúc kiểu nhà sàn mái dốc lợp ngói hoặc lợp dạ, không sử dụng mái tôn, nhôm kính, nên sử dụng màu màu vàng sáng, nâu nhạt.

Hình 7. Khai thác kiến trúc dân tộc

Về môi trường sinh thái: Không san lấp phá vỡ địa hình tự nhiên sẵn có làm ảnh hưởng đến cảnh quan chung của tổng thể khu di tích. Bảo vệ không gian cây xanh hiện có đặc biệt là hệ thống rừng phòng hộ, trồng thêm cây quanh công trình xây dựng.

KẾT LUẬN VÀ KI ẾN NGHỊ

Khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa có giá trị về mặt lịch sử, văn hóa và cảnh quan rất lớn. Tuy nhiên, công tác khai thác du lịch và bảo tồn còn nhiều hạn chế, vì vậy, chưa đáp ứng được với tiềm năng du lịch vốn có. Để giải quyết những tồn tại trên nghiên cứu đề xuất một số nguyên tắc, giải pháp về bố cục không gian kiến trúc cảnh quan phục vụ cho công tác quy hoạch, tư vấn, đầu tư quản lý và bảo tồn di tích nhằm bảo tồn và phát huy các giá trị của di tích trong khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa.


81


[1]. Luật di sản văn hoá được công bố theo Lệnh của Chủ tịch nước số 09/2001/L-CTN ngày 12/7/2001; Nghị định số 92/2002/NĐ-CP ngày 11/11/2002 của Chính phủ Quy định chi tiết thi hành Luật Di sản Văn hoá.

[2]. Quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 784 ngày 22/9/1997 về việc bảo tồn, tôn tạo và phát huy khu di tích lịch sử cách mạng chiến khu Việt Bắc. [3]. Đồng Khắc Thọ (2012). Về thủ đô gió ngàn ATK in dấu lịch sử. Nxb Hội Nhà Văn, Thái Nguyên.

SUMMARY RESEARCHING OF SPATIAL ARRANGEMENT AND LANDSCAPE ARCHITECTURE DESIGN FOR ATK DINH HOA CULTURAL – HIS TORICAL TOURIST AREA

Nguyen Xuan Thanh*, Pham Van Hiep, Tran Xuan Cuong College of Technology – TNU

ATK Dinh Hoa culture history Tourist area is a rich of historical and cultural tradition place, there are many historical significance, scenic beauty. However, the number of tourists came to this place is very limited due to: the construction investment and preservation of relics didn’t associate with mining landscape value and broke the landscape; the planning of service points for tourism is sparse and not meet the needs of visitors. To remedy the above disadvantages, the research of the architectural space and landscape layout of ATK Dinh Hoa culture history Tourist area, to preserve and restore monuments and exploit the value scenic, cultural, historical, ecological service for tourists. Keywords: Planning, architecture, landscape architecture, architectural space, conservation.





82

Đồng Minh Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 83 - 87

83

HIỆN TRẠNG THOÁT NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CỦA THÀNH PH Ố VĨNH YÊN, TỈNH VĨNH PHÚC VÀ CÁC GI ẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUẢN LÝ

Đồng Minh Hùng*, Nguyễn Thế Hùng Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Vĩnh Yên là đô thị phát triển nhanh nhất của tỉnh Vĩnh Phúc, có nhiều thuận lợi cho việc phát triển đô thị nhờ có hệ thống sông hồ rất phong phú, có Đầm Vạc với diện tích mặt nước khoảng 255 ha là thuỷ vực điều hoà không khí và làm đẹp cảnh quan, đồng thời là nơi tiếp nhận, điều hoà, xử lý nước mưa và nước thải chính của thành phố. Nước thải sinh hoạt chủ yếu đã được xử lý trước khi xả vào Đầm Vạc và một số ao hồ trong nội thị hoặc tự thấm vào đất. Ngoài ra, một số khu tập trung đông dân cư chưa có hệ thống thu gom và xử lý nên nước thải thường xuyên chảy tràn và gây ra ô nhiễm môi trường ở một số nơi. Từ thực trạng của hệ thống thoát nước thải của địa phương cho thấy sự Vĩnh Phúc cần nâng cao công tác quản lý, đầu tư bài bản và đồng bộ hơn nữa cho hệ thống thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt trên địa bàn thành phố Vĩnh yên. Từ khóa: Nước thải, Nước thải sinh hoạt, Thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt, Môi trường, Vĩnh Yên.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Trong những năm qua, Vĩnh Yên đang dành sự ưu tiên cho hệ thống cấp nước phục vụ nhu cầu thiết yếu về sinh hoạt của người dân. Hệ thống thoát nước mới chỉ được đầu tư cục bộ theo dự án và theo công trình. Đặc biệt về mặt xử lý nước thải, hiện tại chỉ mới có các bể tự hoại là công trình duy nhất xử lý nước thải sinh hoạt của các hộ gia đình và công trình công cộng dịch vụ mà hoàn toàn chưa có công trình xử lý nước thải đảm bảo yêu cầu về môi trường. Hơn nữa các bể tự hoại cũng được xây dựng không theo tiêu chuẩn và không có cơ quan nào quản lý nên chất lượng nước thải ra môi trường không kiểm soát được. Hệ thống cấp nước ở thành phố đã được cải thiện một cách đáng kể là động lực để người dân sử dụng công trình vệ sinh dội nước, cải thiện được môi trường sống nhờ giảm được hố xí khô nhưng lại làm tăng lượng nước thải xả ra môi trường.

Hệ thống thoát nước, thu gom và xử lý nước thải mặc dù có được quan tâm nhưng vẫn còn


lạc hậu, xây dựng chắp vá không đồng bộ, chưa đáp ứng được các yêu cầu phát triển của thành phố. Sự lạc hậu về hệ thống thoát nước, thu gom và xử lý nước thải đang tạo ra những rủi ro lớn về sức khỏe của người dân, đến môi trường đô thị, cản trở sự phát triển kinh tế xã hội của thành phố.

Với tình trạng xả thải bừa bãi đã tác động xấu đến môi trường sinh thái của thành phố Vĩnh Yên, nguồn nước ngầm và khí hậu ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Bên cạnh đó, dân số của thành phố liên tục tăng nhanh, nguồn nước thải xả ra ngày càng nhiều, người dân sẽ dễ phát sinh các loại bệnh về hô hấp, tiêu hoá... úng ngập cũng sẽ gây ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của dân cư, giao thông ùn tắc, hàng năm ngân sách và người dân phải trả phí để giải quyết hậu quả của việc ngập úng gây lên sự tốn kém.

Để có phương hướng khắc phục tình trạng trên, việc đánh giá tình hình thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt thành phố Vĩnh Yên là hết sức cần thiết để từ đó đưa ra những giải pháp khắc phục nâng cao chất lượng quản lý cũng như đầu tư hệ thống thoát nước và xử lý nước thải được đồng bộ.


84

HIỆN TRẠNG THOÁT NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA THÀNH PHỐ VĨNH YÊN

Các loại hình thoát nước thải

Thoát nước thải xung quanh nhà

Đối với các khu dân cư kiểu cũ, lâu năm, diện tích đất ở rộng, nước thải sinh hoạt thường được chảy tràn tự do ra xung quanh nhà sau đó nước thải tự thẩm thấu xuống đất mà không có hệ thống cống thu gom.

Thoát nước thải ra cống xây phía sau nhà

Đối với các khu dân cư mới có quy hoạch hệ thống thoát nước thải phía sau nhà, nước thải sinh hoạt một phần được xử lý qua bể tự hoại rồi đấu nối với cống xây phía sau nhà. Một phần nước thải khác được thải trực tiếp ra hệ thống cống này.

Thoát nước qua hệ thống ống thu gom uPVC

Một số khu dân cư xây dựng mới thuộc phường Khai Quang, do địa chất yếu, đất ở được quy hoạch trên những khu vực đất trũng, được đầu tư hệ thống ống thu gom nước thải bằng ống nhựa uPVC được đỡ bởi các trụ bêtông cốt thép. Nước thải của mỗi hộ gia đình được đấu nối vào ống thu gom qua Tê chờ sẵn.

Thoát nước trực tiếp ra ao/hồ

Đối với các hộ ở gần ao, hồ, đầm, nước thải sinh hoạt được thoát trực tiếp ra đây, thậm chí không qua xử lý bằng bể tự hoại.

Thoát nước qua hệ thống mương hở/mương xuống cấp

Một số khu vực nội thành cũ phường Đống Đa, Ngô Quyền, cống thu gom nước thải được xây dựng từ lâu, không được cải tạo và nâng cấp, đầu tư chắp vá nên nước thải được thu gom qua ống cống nhưng cũng được thải tự do ra mương hở bên ngoài gây nên ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và mất mỹ quan đô thị. Mặt khác, do chất lượng xây dựng kém nên nước thải trong cống rò rỉ ra ngoài lẫn nước mưa, rác thải tạo nên mùi hôi thối khó chịu.

Thoát nước thải chung với hệ thống thoát nước mưa.

Một số khu vực thuộc phường Liên Bảo, hệ thống cống được đầu tư xây dựng thoát nước mưa chung với thoát nước thải. Nước thải sinh hoạt được thu gom chung và pha loãng với nước mưa khi lượng mưa lớn và được tách riêng bằng các giếng tách khi không mưa hoặc lượng mưa nhỏ.

Hiện trạng thoát nước thải sinh hoạt hộ gia đình và hiện trạng hệ thống thoát nước tổ dân phố được thể hiện trên bảng 1 và 2.

NHẬN XÉT

Hệ thống thoát nước thải hiện trạng ở thành phố Vĩnh Yên là hệ thống cống chung thoát nước mưa và thoát nước thải, tập trung chủ yếu tại trung tâm thành phố cũ và đưa đến các điểm xả. Các hộ gia đình đấu nối nước thải trực tiếp tới hệ thống thoát nước hoặc đấu nối vào các mương thoát nước phía sau nhà. Các hộ gia đình gần các ao, hồ, đầm xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận.

Bảng 1. Hiện trạng hệ thống thoát nước của hộ gia đình

Các chỉ số

Các phường nghiên cứu Tổng cộng Khai Quang Liên Bảo Đống Đa Ngô Quyền

Số hộ Tỷ lệ (%)





Mương xây có tấm đan

75 34.9 71 15.9 56 22.9 22 11.3 224 20.3

Hệ thống thoát nước

chung kiên cố 113 52.6 322 72.0 163 66.5 166 85.1 764 69.3

Tự thấm, chảy tràn

20 9.3 38 8.5 19 7.8 5 2.6 82 7.4

HT khác 7 3.3 16 3.6 7 2.9 2 1.0 32 2.9

(Nguồn: Báo cáo Kết quả điều tra KTXH dự án Thoát nước và XLNT Vĩnh Yên năm 2012)


85

Bảng 2. Hiện trạng hệ thống thoát nước tổ dân phố

Các chỉ số

Các phường nghiên cứu Tổng cộng

Khai Quang Liên Bảo Đống Đa Ngô Quyền

Số hộ

Tỷ lệ (%)





Ống cống bằng bê tông

180 83.7 358 80.1 207 84.5 182 93.3 927 84.1

Rãnh đào đất 6 2.8 10 2.2 7 2.9 4 2.1 27 2.5

Mương hở 8 3.7 41 9.2 10 4.1 2 1.0 61 5.5 Tự thấm

tràn ra đất

10 4.7 20 4.5 12 4.9 2 1.0 44 4.0

Hình thức khác

11 5.1 18 4.0 9 3.7 5 2.6 43 3.9

(Nguồn: Báo cáo Kết quả điều tra KTXH dự án Thoát nước và XLNT Vĩnh Yên năm 2012)

+ Các khu đô thị mới phần nào đã được lắp đặt hệ thống cống chung, đặc biệt là những khu vực có cơ quan hành chính cấp tỉnh. Hệ thống thoát nước thải hộ gia đình được xây kiên cố chiếm 69,3%. Nước thải hộ gia đình dẫn vào rãnh/mương có xây tấm đan chiếm 20,3%, tự thấm/chảy tràn và hình thức khác là 10,3%. Đây chính là một trong những nguy cơ khá lớn trong việc lây lan mầm bệnh ra môi trường xung quanh. + Đối với hệ thống thu gom nước thải tại địa bàn cho thấy 84,1% có cống bê tông để nước thải chảy vào nhưng không có nắp đậy vì vậy đã gây mùi khó chịu cho người dân. Có 2,5% số người được hỏi cho rằng thoát nuớc ra rãnh đất và 5,5% là cho ra mương hở, và 4% số hộ cho nước thải của gia đình tự chảy ra ngoài đường để đất tự thẩm thấu.

Từ thực trạng của hệ thống thoát nước thải của địa phương cho thấy sự đầu tư bài bản và đồng bộ hệ thống thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt là rất cấp thiết, đặc biệt khi mật độ dân số ngày càng gia tăng.

NHỮNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUẢN LÝ

Tăng cường năng lực cho cơ quan quản lý

+ Cụ thể hóa các Thông tư, Nghị định hoặc các quy định của tỉnh về lĩnh vực thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt và gửi cho UBND các xã/phường, các tổ dân phố;

+ Thực hiện hiệu quả công tác quản lý nhà nước về hệ thống thoát nước, xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Xác định rõ trách nhiệm, phân cấp quản lý, phân công rõ chức năng nhiệm vụ, quyền hạn trong công tác quản lý hệ thống thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt từ cấp tỉnh, cấp sở, thành phố, UBND các xã/phường và Tổ dân phố.

+ Thành lập một tổ/đội chuyên trách để quản lý hệ thống thoát nước và xử lý nước thải. Tổ này cần được trang bị một số dụng cụ kiểm tra chất lượng nước thải, chất lượng hệ thống thoát nước, đề xuất với UBND thành phố cho thực hiện nâng cấp, nạo vét hay sửa chữa cống thoát nước thải.

+ Tăng cường công tác kiểm tra, khơi thông nạo vét tránh tình trạng ngập úng gây ô nhiễm môi trường. Tần suất thực hiện công việc này cần tăng lên từ 2-3 lần/năm.

+ Tăng cường thanh tra, kiểm tra, có chế tài xử lý vi phạm đối với những trường hợp xả nước thải bừa bãi hoặc có hành vi hủy hoại hệ thống thoát nước thải gây ô nhiễm môi trường

+ Báo cáo định kỳ và đột xuất với cán bộ quản lý của UBND thành phố về tình hình thoát nước thải để nạo vét, khơi thông tránh tình trạng ứ tắc, ngập úng;

+ Đề xuất xây dựng mới các khu vực chưa có hệ thống đường ống thoát nước và thu gom nước thải, nâng cấp hoặc cải tạo, sửa chữa hệ thống cống thoát nước cũ xuống cấp.


86

Đẩy mạnh giám sát thực thi Luật Bảo vệ Môi tr ường/Luật Xây dựng

+ Tổ chức tập huấn, thông báo những quy định mới của nhà nước với người dân hiểu ảnh hưởng của thoát nước và xử lý nước thải môi trường và đối với con người;

+ Thường xuyên kiểm tra, giám sát, có hướng dẫn cụ thể sử dụng nước sạch và thoát nước thải sinh hoạt để hạn chế lượng nước thải thải ra môi trường;

+ Cụ thể hóa các quy định xử phạt, khen thưởng. Thực tế, để thực hiện việc xử phạt là rất khó khăn

+ Cần có chính sách hỗ trợ các hộ gia đình (cho vay) để xây dựng công trình xử lý nước thải, hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đạt tiêu chuẩn.

Đẩy mạnh các giải pháp kỹ thuật

+ Thực hiện các đồ án quy hoạch đô thị tổng thể, quy hoạch đô thị chi tiết từng khu vực, từng lĩnh vực. Trên cơ sở quy hoạch được duyệt thì các cơ quan chuyên môn triển khai các lĩnh vực của mình phụ trách. + Xây dựng hệ thống thoát nước và xử lý nước thải sinh hoạt tập trung, đồng bộ theo quy hoạch chung đô thị, quy hoạch sử dụng đất và quy hoạch môi trường. + Đầu tư hệ thống máy móc chuyên dụng, thiết bị hiện đại, máy thông tắc, nạo vét và thường xuyên kiểm tra khơi thông theo định kỳ 2 tháng/lần. + Thành lập các đơn vị, tổ, đội sửa chữa, nạo vét hệ thống thoát nước thải ở các khu dân cư, kịp thời xử lý khi có sự cố xảy ra. + Đối với các khu vực có địa hình trũng, thấp thì cần xây dựng các bể thu gom có bơm (trạm bơm chuyển bậc nước thải) để đưa nước thải về nhà máy xử lý tập trung. + Cần có sự thống nhất về mẫu thiết kế, kích thước công trình xử lý phù hợp với số khẩu của từng gia đình để chất lượng nước thải sinh hoạt sau xử lý sẽ cơ bản đáp ứng được tiêu chuẩn đưa ra.

Tuyên truyền giáo dục nâng cao nhận thức của người dân

+ Quán triệt, phổ biến rộng rãi các quan điểm, mục tiêu, các chủ trương đường lối, chính sách pháp luật của Đảng và Nhà nước về công tác bảo vệ môi trường đến toàn thể cán bộ, đảng viên, công nhân viên và đông đảo quần chúng nhân dân, đặc biệt là thanh thiếu niên. Tạo thành dư luận xã hội lên án nghiêm khắc đối với các hành vi xả nước thải bừa bãi gây mất vệ sinh và gây ô nhiễm môi trường, xử phạt nghiêm đối với người vi phạm.

+ Xây dựng tiêu chí chuẩn mực về vấn đề thoát nước và xử lý nước thải liên quan đến ô nhiễm môi trường để đánh giá mức độ bảo vệ môi trường của từng gia đình, khu phố, tập thể, cá nhân, cán bộ, đảng viên...

+ Nâng cao năng lực công tác tuyên truyền thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt của hộ gia đình, cơ sở xản xuất kinh doanh của mình; đầu tư xây dựng các công trình xử lý nước thải hợp vệ sinh với mục tiêu bảo vệ bảo vệ chính mình và bảo vệ cộng đồng; có sự phối kết hợp chặt chẽ giữa các cơ quan chức năng với Mặt trận tổ quốc và các tổ chức đoàn thể trong nhân dân với các cơ quan thông tin đại chúng nhằm tuyên truyền rộng rãi trong cán bộ, đảng viên, đoàn viên, hội viên...sử dụng nước tiết kiệm, vừa tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn, vừa hạn chế lượng nước thải ra môi trường.

+ Tuyên truyền để người dân nâng cao tinh thần tự giác, giữ gìn, khơi thông dòng chảy, khơi thông hệ thống thoát nước xung quanh khu vực mình sinh sống, hình thành và phát triển các điển hình tiên tiến trong hoạt động bảo vệ môi trường. Cần chú trọng xây dựng và thực hiện hương ước, quy định, cam kết bảo vệ môi trường; phát triển các mô hình cộng đồng dân cư tự quản hệ thống thoát nước và xử lý nước thải.


87


[1]. Bộ Tài nguyên và Môi trường: http://www.monre.gov.vn [2]. Cổng thông tin điện tử tỉnh Vĩnh Phúc: http://www.vinhphuc.gov.vn [3]. Sở Tài nguyên và Môi trường Vĩnh Phúc năm 2010 “Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Vĩnh Phúc” năm 2010.

[4]. UBND tỉnh Vĩnh Phúc “Dự án Cải thiện Môi

trường Đầu tư tỉnh Vĩnh Phúc” năm 2011.

[5]. UBND thành phố Vĩnh Yên “Báo cáo tổng

hợp Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế xã hội

thành phố Vĩnh Yên đến năm 2020 và tầm nhìn

đến năm 2030”.

SUMMARY CURRENT STATUS OF WATER AND LIVING WASTEWATER TREAT MENT OF VINH YEN CITY, VINH PHUC PROVINCE SOLUTIONS AND IMPROVE QUALITY MANAGEMENT

Dong Minh Hung*, Nguyen The Hung College of Agriculture and Forestry – TNU

Vinh Yen is the fastest growing city of Vinh Phuc province, has many advantages for urban development through systematic abundant lakes, has Dam Vac with area of approximately 255 ha of water surface area for air regulation, is a beautiful scenery of the city and the region. Currently, Dam Vac is a place to receive rainwater and wastewater of the city. Domestic wastewater is mostly discharged into Dam Vac and lakes in urban of the city or self-absorbed into the soil. In addition, a number of densely populated areas have no sewerage and wastewater system, domestic wastewater often runoff and causes serious environmental pollution. Sewerage and wastewater treatment system of Vinh Yen city plays an important role for people's living environment, contributing significantly in the socio-economic development of the city. Keywords: Wastewater, Wastewater, Sewerage and waste water treatment, Environment, Vinh Yen.


Phản biện khoa học: TS. Hà Xuân Linh – Đại học Thái Nguyên



88

Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94

89

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ COD:N VÀ CHẾ ĐỘ CẤP NƯỚC ĐẾN HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SBR

Đặng Thị Hồng Phương1,*, Phạm Thị Hải Thịnh2, Hà Anh Tuấn3

1Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên 2Viện Công nghệ Môi trường; 3Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Mục đích của nghiên cứu này là xác định các thông số công nghệ, tối ưu hóa điều kiện vận hành của phương pháp SBR (các quá trình xử lý chất hữu cơ và nitơ được thực hiện trong một bể - Sequencing Batch Reactor) trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Tiến hành nghiên cứu các điều kiện vận hành hệ thống SBR như tỷ lệ COD:N và chế độ cấp nước cho thấy, hệ thống SBR có hiệu suất xử lý COD trong nước thải chăn nuôi rất cao. Tỷ lệ COD:N có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý Nitơ. Tỷ lệ COD:N trong khoảng 3-5, hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao và ổn định, khoảng 75-85%. Ngoài ra, ảnh hưởng chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý nitơ của hệ thống SBR cũng được tiến hành nghiên cứu. Chế độ cấp nước thải 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 2:1 cho hiệu quả xử lý cao nhất. Hiệu suất xử lý N-NH4

+ và T-N tương ứng đạt 100% và 90%. Như vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp SBR rất phù hợp để xử lý nước thải chăn nuôi, hiệu suất xử lý đạt hiệu quả cao. Từ khóa: Nước thải chăn nuôi lợn, phương pháp xử lý nước thải SBR, chế độ cấp nước, tỷ lệ C:N.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Đặc trưng của nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu SS, COD, N, P . Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn lại thay đổi rất lớn phụ thuộc vào phương pháp chăn nuôi, quy mô trang trại, quản lý chuồng trại (như việc có tách lỏng rắn hay không), điều kiện của từng địa phương. Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý cũng như lựa chọn phương pháp xử lý. Ở nước ta, việc xử lý nước thải chăn nuôi cho đến nay chỉ phổ biến áp dụng rộng rãi một số loại hầm biogas cỡ nhỏ phù hợp với chăn nuôi phân tán. Một số trang trại quy mô lớn được xây dựng gần đây đã sử dụng các hầm biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn m3 kết hợp với các hồ sinh học để xử lý nước thải. Hoặc nước thải biogas được tiếp tục qua hệ xử lý sinh học [3]. Tuy nhiên, từ đặc tính nước thải ngành chăn nuôi và thực tế các công nghệ áp dụng ở trên bị hạn chế và hiệu suất xử lý tương đối thấp. Qua các nghiên cứu cho thấy, xử lý nước thải bằng công nghệ SBR (các quá trình xử lý N, COD được thực hiện trong một bể) có thể đáp ứng các yêu cầu của xử lý nước thải chăn nuôi. Công nghệ


SBR được coi là công nghệ xử lý hiệu quả đối với nhiều loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Tuy nhiên, để có thể đưa phương pháp SBR vào ứng dụng thực tế tại Vi ệt Nam cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu để xác định các điều kiện và thông số công nghệ của quá trình: thời gian sục khí/ngừng sục khí, tỷ lệ COD:N, tỷ lệ cấp nước thải, hiệu suất xử lý và tải lượng giới hạn cho phép.

Xuất phát từ thực tiễn đó, nghiên cứu này nhằm tìm ra các chế độ vận hành thích hợp đối với công nghệ SBR để xử lý nước thải chăn nuôi lợn có chứa thành phần chất hữu cơ và NH4

+ cao, từ đó có cơ sở ứng dụng thực tiễn để xử lý nước thải chăn nuôi.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nước thải được chọn là nước thải từ hộ chăn nuôi lợn quy mô nhỏ. Nước thải lấy tại hộ gia đình chăn nuôi nhỏ lẻ, ở Gia Lâm (Hà Nội). Hộ gia đình chăn nuôi khoảng 20 con lợn, rửa chuồng 3 lần/ngày, vào mùa hè rửa 4 lần/ngày. Lượng nước dùng khoảng 1,5 – 2 m3/ngày, có một bể Biogas với thể tích 7 m3, có một bể chảy tràn 1,5 m3.


90

Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N đến hiệu quả xử lý COD, N - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu quả xử lý COD, N Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lấy mẫu: Lấy mẫu theo TCVN 5999:1995. - Phương pháp phân tích: Phân tích các chỉ tiêu COD, Amoni, Nitrat, Nitrit, tổng N, P theo QCVN hiện hành. Địa điểm thực hiện: Viện Công nghệ môi trường – Viện Khoa học công nghệ Việt Nam - Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Tiến hành theo dõi hàng ngày và ghi lại các số liệu trong quá trình làm việc, xử lý bằng Excel - Phương pháp tính toán: [1] + Tính tải lượng COD, T-N: LCOD = CCOD vào (mg/L)*Qvào (L/ngày)/(V*1000); LT-N =CT-Nvào (mg/L)*Qvào (L/ngày)/(V*1000); với Qvào= Q (L/mẻ) *2 (mẻ/ngày); + Tính hiệu suất xử lý: COD, NH4

+, T-N: H=(Cvào- Cra)*100/Cvào; Thời gian lưu: T = V/Qvào; + Tính tỷ lệ: C/N = CCODvào/CT-N vào; LCOD, LT-N: Tải lượng COD, N (kg/m3/ ngày); Q: Lưu lượng (5 L/mẻ); T: Thời gian lưu nước thải (ngày), V: Thể tích nước trong bể phản ứng SBR (20L).

H: Hiệu suất xử lý ( %); Cvào: Nồng độ COD, NH4

+ hoặc T-N đầu vào (mg/L).

Cra: Nồng độ COD, NH4+ hoặc T-N đầu ra

(mg/L); 1000: hệ số quy đổi.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Thực nghiệm

Đặc trưng nước thải trong nghiên cứu

Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 1:

Bảng 1. Đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí (biogas)

TT Thông số Đơn vị Hàm lượng 1 pH - 6,8 – 7,4 2 COD mg/L 450 – 800 3 N-NH4

+ mg/L 246 – 460 4 N-NO3

- mg/L 0,5 – 4,4 5 Tổng N mg/L 250 – 463 6 Tổng P mg/L 5,6 – 10,4 7 TSS mg/L 1500 – 3000

Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn có chứa chất hữu cơ cao, hàm lượng amoni cao và chất rắn lơ lửng tương đối cao. Tuy nhiên, hàm lượng COD không cao nên phải bổ sung thêm cơ chất để tăng COD cho phù hợp với mục đích nghiên cứu.

Mô hình thiết bị thí nghiệm

Cải tạo hệ thiết bị bùn hoạt tính thành hệ thiết bị SBR, làm việc gián đoạn như hình 1.

Hình 1. Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm SBR [4]

pH

DO

ORP

Máy tính

Máy thổi khí

Lưu lượng khí

Thùng đựng nước thải

Bơm nước thải

Máy khuấy

Bơm nước

Thùng chứa nước sạch


91

Các chế độ thí nghiệm

Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp thải đến hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của hệ thống SBR, các chế độ cấp nước thải được bố trí như bảng 2 [2].

Chế độ 1:1 (CĐ 1:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 1:1 (Lưu lượng Q1=2,5 L/30 phút, Q2= 2,5 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).

Chế độ 2:1 (CĐ 2:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 2:1 (Lưu lượng Q1= 3,33 L/30 phút, Q2= 1,67 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).

Chế độ 3:1 (CĐ 3:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 3:1 (Lưu lượng Q1= 3,75 L/30 phút, Q2= 1,25 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).

Ảnh hưởng của tải lượng COD, T-N đến hiệu suất xử lý COD và Nitơ

Hiệu quả xử lý COD

Ảnh hưởng của tỷ lệ chất hữu cơ/N đến hiệu suất xử lý COD được thể hiện trên hình 2.

Kết quả hình 2 ta thấy tỷ lệ COD:N có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD. Đối với tỷ lệ COD:N trong khoảng 1 – 2, tải lượng bùn trong khoảng 0,5 – 1 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý COD thấp hơn chỉ đạt trong khoảng 85%. Khi tăng tỷ lệ COD:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 2 – 4 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý COD tương đối ổn định và đạt khoảng 90%. Tỷ lệ COD:N trong khoảng 5 – 6, tải lượng bùn trong khoảng 3 – 3,5 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất COD có xu hướng không tăng, vẫn chỉ đạt trong khoảng 90%.

Bảng 2. Các chế độ cấp nước thải cho hệ thống SBR

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 1 2 3 4 5 6

Tỉ lệ COD:N

Tải

trọn

g C

OD

theo

bùn

,

kgC

OD

/kgM

LSS

/ngà

y

0

20

40

60

80

100

Hiệ

u suất

xử lý

CO

D, %

Tải lượng bùn Hiệu suất xử lý COD

Hình 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N và tải lượng bùn đến hiệu suất xử lý COD

Dòng vàoTrộnSục khíLắngDòng ra

Phương thức vận hành GiờThời gian biểu

Sục khí có giới hạn

0 1 2 3 4 5 8 9 10 11 126 7


92

Hiệu quả xử lý Nitơ

Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N đến hiệu suất xử lý Nitơ được thể hiện trên hình 3.

Kết quả thể hiện ở hình 3 cho thấy, đối với tỷ lệ COD:N trong khoảng 1 – 2, tương ứng với tải lượng bùn trong khoảng 0,3 – 0,6 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N đạt thấp chỉ trong khoảng 20 – 40%. Tỷ lệ chất hữu cơ:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 0,55 – 1 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao trong khoảng 75 – 85%. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ COD:N trong khoảng 5 – 6, hiệu suất xử lý T-N có xu hướng giảm đi. Có thể nhận thấy rằng tỷ lệ COD:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 0,55 – 1 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N là cao và ổn định nhất.

Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý COD, N

Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý COD

Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý COD được thể hiện ở hình 4.

Các kết quả thí nghiệm thu được ở hình 4 cho thấy: - Ở giai đoạn đầu, khi mới khởi động, hệ thống mới hoạt động nên kết quả thực nghiệm chưa ổn định, các kết quả sử dụng là khi hệ thống đã hoạt động cho kết quả ổn định. - Trong các chế độ thí nghiệm, CĐ 1:1 cho kết quả xử lý COD thấp nhất và kém ổn định, nhưng cũng đạt trên 85%. Ở chế độ thí nghiệm CĐ 2:1, hiệu quả xử lý COD là cao nhất và ổn định nhất. Hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 90%, nồng độ COD ra tương đối ổn định, khoảng 100 mg/L. Như vậy chế độ cấp nước thải có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý COD. Chế độ cấp nước thải 2 lần ở các mức tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần khác nhau cũng cho hiệu suất xử lý COD của nước thải khác nhau. Theo đó, chế độ cấp nước 2 lần, tỷ lệ cấp giữa lần 1 và lần 2 là 2:1 (CĐ 2;1) cho hiệu suất xử lý COD cao nhất và ổn định nhất.

0.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

0 1 2 3 4 5 6

Tỉ lệ COD:N

Tải

trọn

g T-N

theo

bùn

,

kgN

/kgM

LSS

/ngày

0

20

40

60

80

100

Hiệ

u suất

xử lý

T-N

, %

Tải lượng bùn Hiệu suất xử lý T-N

Hình 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N và tỷ lệ bùn đến hiệu suất chuyển hóa T-N

K ết quả thí nghiệm COD

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80 100

120

140

Thời gian, ngày

CO

D, m

g/l

0

20

40

60

80

100

COD vào

COD ra

HS

CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1

Hình 4. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý COD


93

Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý Nitơ

Hiệu quả xử lý N-NH4+

Hiệu quả xử lý N-NH4+ tại các chế độ thí

nghiệm khác nhau được thể hiện trên hình 5.

Chế độ cấp nước thải 2 lần ở các tỷ lệ cấp nước khác nhau có hiệu quả tốt với việc xử lý N-NH4

+ trong nước thải. Ở CĐ 1:1, chế độ thí nghiệm cấp nước 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 1:1, hiệu suất xử lý N-NH4

+ đã đạt 95%. Và ở 2 chế độ thí nghiệm còn lại, CĐ 2:1 và CĐ 3:1, hiệu suất xử lý N-NH4

+ đạt tối đa, 100% và tương đối ổn định.

Hiệu quả xử lý T-N

Hiệu quả xử lý T-N tại các chế độ thí nghiệm khác nhau được thể hiện trên hình 6.

Kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 6 cho thấy, hiệu suất xử lý T-N ở các chế độ thí nghiệm thay đổi rõ rệt. Ở chế độ CĐ 2:1, chế độ thí nghiệm cấp nước 2 lần, tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 1:1 thì hiệu suất xử lý T-N đã khá cao, đạt trên 80% nhưng kém ổn định. So sánh kết quả thí nghiệm ở các chế độ cho thấy, CĐ 2:1 cho kết quả cao và ổn định nhất. Hiệu suất loại T-N trong nước thải chăn nuôi ở CĐ 2:1 đạt khoảng 85-90%.

Kết quả thí nghiệm N-NH4+

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80100 12

014

0

Thời gian, ngày

CO

D, m

g/l

0

20

40

60

80

100

NH4+ vàoNH4+ raHS

CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1

Hình 5. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý N-NH4+

Kết quả thí nghiệm T-N

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80 100

120

140

Thời gian, ngày

CO

D, m

g/l

0

20

40

60

80

100

T-N vào

T-N ra

HS

CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1

Hình 6. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý T-N


94

KẾT LUẬN

- Hệ thống SBR có hiệu suất xử lý COD trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, không phụ thuộc vào các chế độ vận hành.

- Tỷ lệ C:N có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý Nitơ, tỷ lệ C:N thấp hiệu suất xử lý T-N rất thấp vì không đủ cơ chất cho quá trình khử nitrat. Tỷ lệ C: N trong khoảng 3 – 5 hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao và ổn định trong khoảng 75 – 85%.

Chế độ cấp nước thải 2 lần kết hợp với chế độ sục khí 2 quá trình thiếu – hiếu khí cho kết quả xử lý N-NH4

+ và T-N cao. Trong đó, chế độ cấp nước 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 2:1 cho hiệu quả xử lý cao nhất. Hiệu suất xử lý N- NH4

+ và T-N tương ứng đạt 100% và 90%.


[1]. Lương Đức Phẩm (2002), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội [2]. Đặng Thị Hồng Phương, Phạm Thị Hải Thịnh, Vũ Thị Thu Huế (2012), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, tập 95, số 07. [3]. Lê Công Nhất Phương (2007), Nghiên cứu triển khai ứng dụng xử lý ammonium trong nước thải nuôi heo với công suất 20 m3/ngày và nuôi dưỡng sinh khối có nhóm vi khuẩn Anammox. [4]. Nguyễn Hữu Trung (2010), Báo cáo đề tài cấp cơ sở chọn lọc Viện Công nghệ môi trường “Nghiên cứu xử lý đồng thời thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR.

SUMMARY TO STUDY THE EFFECT OF THE COD:N AND SUPPLY WATER R EGIME ON THE PERFORMANCE IN WASTEWATER TREATMENT FROM PIG LIVESTOCK BY SBR METHODS

Dang Thi Hong Phuong1,*, Pham Thi Hai Thinh2, Ha Anh Tuan3 1College of Agriculture and Forestry – TNU

2Institute of Environmental Technology – VAST 3Thai Nguye n University

The purpose of this study was to determine the technological parameters, optimize operating conditions of the SBR method of wastewater treatment from pig livestock. Conduct research operating conditions of system SBR such as ratio COD:N and supply water regime showed SBR system has COD treatment performance in wastewater is very high. Ratio COD: N greatly affects processor performance nitrogen. Ratio COD: N in the range of 3-5, processor performance TN was relatively high and stable was around 75-85%. In addition, the influence supply water regime and nitrogen processing performance of SBR systems was also conducted research. Mode supply water 2 times the rate of water supply between the two times is 2:1 for effective treatment is the most. Performance handling N-NH4 + and TN respectively 100% and 90%. Thus, the study results showed that the method SBR is suitable for wastewater treatment livestock handling performance with high efficiency. Keywords: Pig livestock waste water, SBR method, wastewater treatment, water supply mode, the C:N.


Phản biện khoa học: PGS.TS. Đặng Văn Minh – Đại học Thái Nguyên


Hoàng Văn Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 95 - 100

95

ĐÁNH GIÁ HI ỆN TRẠNG MÔI TR ƯỜNG NƯỚC MẶT HỒ NÚI CỐC TỈNH THÁI NGUYÊN

Hoàng Văn Hùng*, Phạm Tất Đạt, Tr ần Thị Mai Anh Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Hồ Núi Cốc được đưa vào khai thác từ năm 1978, là hồ nhân tạo có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, môi trường và tăng tính đa dạng sinh học. Tuy nhiên, môi trường nước hồ Núi Cốc hiện đang có dấu hiệu ô nhiễm. Nguyên nhân chủ yếu do: nguồn thải từ các hoạt động dân sinh; các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác cát sỏi không theo quy hoạch trong khu vực lòng hồ và phía thượng lưu của hồ v.v. Để đánh giá hiện trạng môi trường nước mặt tại hồ Núi Cốc, nghiên cứu đã: tiến hành phân tích chất lượng nước thải của khu du lịch Hồ Núi Cốc, chất lượng nước các sông, suối tại các cửa xả trước khi chảy vào hồ v.v. và theo dõi, phân tích diễn biến chất lượng nước hồ Núi Cốc theo không gian, thời gian. Kết quả nghiên cứu cho thấy: theo không gian tại một số vị trí trên hồ có biểu hiện ô nhiễm nhẹ về các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là tại khu vực phía thượng lưu hồ, khu vực hồ tiếp nhận các nguồn thải của khu du lịch hồ Núi Cốc; theo thời gian, diễn biến chất lượng nước hồ thay đổi không lớn nhưng có xu hướng gia tăng mức độ ô nhiễm. Nghiên cứu cũng đã đề xuất được các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý, bảo vệ môi trường nước mặt hồ Núi Cốc phù hợp với mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội của toàn tỉnh Thái Nguyên, đảm bảo phát triển bền vững. Từ khóa: Chất lượng nước, đánh giá, hồ Núi Cốc, môi trường nước mặt, phát triển bền vững, ô nhiễm.

MỞ ĐẦU*

Hồ Núi Cốc (HNC) là hồ nhân tạo chắn ngang sông Công, nằm trong địa bàn 8 xã: 5 xã thuộc huyện Đại Từ, 01 xã thuộc huyện Phổ Yên và 02 xã thuộc thành phố Thái Nguyên (từ 21o30’ – 21o50’ vĩ Bắc, 105o32’ – 105o42’ kinh Đông), với diện tích mặt hồ khoảng 25 km2 [4]. HNC có vai trò vô cùng quan trọng trong phát triển kinh tế của tỉnh Thái Nguyên: cung cấp nước cho hoạt động công nghiệp (CN) và sinh hoạt (SH) với lưua lượng 7,2 m3/s; phục vụ cấp nước cho 12.000 ha đất nông nghiệp (NN), cắt lũ cho hạ lưu sông Công; tạo khu du lịch sinh thái Hồ Núi Cốc [5].

Tuy nhiên, môi trường nước (MTN) HNC hiện đang có dấu hiệu ô nhiễm. Nguyên nhân chủ yếu do: nguồn thải từ các hoạt động sản xuất NN – CN, dịch vụ v.v, đặc biệt là khai thác cát sỏi không theo quy hoạch trong khu vực lòng hồ và thượng lưu của hồ. Những kênh rạch đầy rác và nước thải; việc lấn chiếm lòng hồ làm nơi sinh sống và hàng loạt * Tel: 0989372386; Email: [email protected]

công trình khai thác nước trái phép v.v. đang làm "chết dần" nguồn nước sống, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người [4].

Việc nghiên cứu một cách liên tục trên cả khía cạnh không gian và thời gian, làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu ô nhiễm MTN HNC là vô cùng cần thiết, có ý nghĩa thiết thực với cuộc sống của người dân, góp phần bảo tồn đa dạng sinh học trong khu vực hồ nói riêng và sự nghiệp phát triển của tỉnh Thái Nguyên nói chung.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa: kế thừa các số liệu, tài liệu liên quan đến nghiên cứu tại Chi cục Môi trường tỉnh Thái Nguyên.

- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: khảo sát toàn bộ khu vực nghiên cứu, phỏng vấn trực tiếp người dân và cán bộ nghiên cứu nhằm xác định hiện trạng và các tác động MTN [1].

- Phương pháp lấy mẫu và phân tích: theo đúng QCVN và quốc tế (ISO) tương ứng, đã được công nhận đạt tiêu chuẩn VILAS [2].

Hoàng Văn Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113 (13): 95 - 100

96

- Phương pháp xin ý kiến của các chuyên gia chuyên ngành [1].

- Phương pháp tổng hợp, so sánh: tổng hợp các số liệu và so sánh với QCVN hiện hành. Từ đó, đánh giá hiện trạng chất lượng MTN HNC và kết luận mức ô nhiễm.

- Phương pháp xử lý số liệu: sử dụng phần mềm Excel và SAS.

Thiết bị, vật li ệu nghiên cứu

- Các loại thiết bị và vật liệu để lấy, vận chuyển, bảo quản và phân tích mẫu được qui định trong QCVN 08:2008/BTNMT cột A2.

- Thời gian nghiên cứu: 2011-2012.


Hiện trạng MTN mặt HNC

Hiện trạng chất lượng nước tại các sông, suối và cửa xả đổ vào hồ Núi Cốc

Chất lượng nước tại các suối đổ vào hồ tương đối tốt. Nhưng đang có dấu hiệu ô nhiễm nhẹ hợp chất hữu cơ (HCHC), Coliform và dinh dưỡng (không đảm bảo để cấp nước sinh hoạt theo QCVN 08:2008/BTNMT cột A2).

Nguyên nhân do: tự nhiên (sự xói mòn, rửa trôi đất, chất thải, lá cây, v.v. trên bề mặt đất theo dòng chảy xuống hồ) và các hoạt động của con người (chủ yếu): chất thải sinh hoạt, hoạt động sản xuất NN – CN, du lịch, v.v.

Gồm: sông Công (nguồn chính), suối Mỹ Yên (xã Bình Thuận), suối Chấm (xã Lục Ba), suối Kẻn (xã Vạn Thọ), với các điểm lấy mẫu được kí hiệu như sau:

SCO1-12: Trên sông Công, trước cửa xả chảy vào HNC, xóm Đông Khuôn, xã Hùng Sơn. Tọa độ: 21o37’440N; 105o39’364E.

Bảng 1. Chất lượng nước ở các sông suối tại các cửa xả đổ vào HNC

TT Thông số Đơn vị SCO1

-12 SCO1

-13 SCO1

-14 SCO1

-15 QCVN 08:2008/BTNMT

A1 A2 B1 B2 1 pH - 6,6 6,7 6,8 7,1 6-8,5 6-8,5 5,5-9 5,5-9 2 DO mg/l 6,11 6,9 6,61 6,7 ≥6 ≥5 ≥4 ≥2 3 BOD mg/l 10,7 4,1 6,1 3,8 4 6 15 25 4 COD mg/l 17,6 26,2 12,6 10,8 10 15 30 50

5 TSS mg/l 19,4 31,2 23,4 8,7 20 30 50 100

6 Cd mg/l <0,0005 <0,0005 0,004 0,002 0,005 0,005 0,01 0,01 7 As mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 8 Pb mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,02 0,02 0,05 0,05 9 Zn mg/l 0,034 <0,018 0,032 0,023 0,5 1 1,5 2 10 Fe mg/l 1,01 0,51 0,06 <0,02 0,5 1 1,5 2 11 Mn mg/l 0,102 0,108 0,02 <0,02 - - - - 12 Cr(VI) mg/l <0,001 0,002 <0,001 <0,001 0,01 0,02 0,04 0,05 13 Cu mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,1 0,2 0,5 1 14 Hg mg/l 0,0013 <0,0005 <0,0005 <0,0005 0,001 0,001 0,002 0,002 15 CN- mg/l KPH - - - 0,005 0,01 0,02 0,02 16 NH4-N mg/l 0,02 <0,006 <0,006 <0,006 0,1 0,2 0,5 1 17 NO3-N mg/l 0,3 0,56 0,14 0,33 2 5 10 15 18 NO2-N mg/l 0,033 0,008 0,098 0,038 0,01 0,02 0,04 0,05 19 PO4

3-P mg/l <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,1 0,2 0,3 0,5 20 Phenol mg/l <0,001 - - - 0,005 0,005 0,01 0,02 21 Dầu mỡ mg/l KPH - - - 0,01 0,02 0,1 0,3 22 DDT µg/l - - - - 0,001 0,002 0,004 0,005 23 Coliform MPN/100ml 5400 5600 4800 1000 2500 5000 7500 10000 24 E.coli MPN/100ml KPH KPH KPH KPH 20 50 100 200

Hoàng Văn Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 95 - 100

97

SCO1-13: Tại cửa xả suối Kẻn, xã Vạn Thọ, chảy vào HNC. Tọa độ: 21o34’497N; 105o39’366E. SCO1-14: Tại cửa xả suối Mỹ Yên chảy vào HNC. Tọa độ: 21o37’440N; 105o39’64E SCO1-15: Tại cửa xả suối Nước Chấm, xóm Hà Thái, xã Lục Ba. Tọa độ: 21o36’332N; 105o39’012E. Hiện trạng chất lượng nước tại các sông, suối tiếp nhận nguồn thải từ hoạt động nông nghiệp, sinh hoạt và du lịch trước khi chảy vào hồ Núi Cốc Gồm: suối Lạc, suối Cảy, suối Rùa (xã Tân Thái); suối Đồng Khuôn (xã Hùng Sơn), suối tiếp nhận nước thải của thị trấn (TT) Đại Từ, với các điểm lấy mẫu được kí hiệu như sau:

NT-7.12-1: Suối Lạc, xóm Thái Hòa, xã Tân Thái. Tọa độ: 21o36’287N; 105o40’805E.

NT-7.12-2: Suối Cẩy, xóm Đồng Đảng, xã Tân Thái. Tọa độ: 21o36’524N; 105o40’540E.

NT-7.12-3: Suối Đá Rùa, xóm Yên Thái, xã Yên Thái. Tọa độ: 21o36’775N; 105o40’213E.

NT-7.12-4: Suối Đồng Khuôn, xã Hùng Sơn. Tọa độ: 21o37’453N; 105o39’372E.

NT-7.12-1: Trên suối tiếp nhận nước thải của thị trấn Đại Từ trước khi chảy vào Hồ Núi

Cốc. Tọa độ: 21o37’853N; 105o38’415E

NT-7.12-2: Vị trí lấy mẫu nước thải của khu du lịch HNC trước khi chảy vào HNC.

Tuy các nguồn nước đổ vào HNC khu vực xã Tân Thái, xã Hùng Sơn chưa bị ô nhiễm nhưng chất lượng nước thải đang được lấy mẫu và phân tích thường xuyên do có một số biểu hiện của sự ô nhiễm.

Bảng 2. Chất lượng nước thải của khu du lịch HNC trước khi chảy vào HNC

TT Thông

số Đơn vị

NT- 7.12-3

NT- 7.12-4

NT- 7.12-5

NT- 7.12-6

NT- 7.12-1

NT- 7.12-2

QCVN 24:2009/BTNMT

A B 1 pH - 6,8 6,2 6,4 7,2 6,5 6,6 6-9 5,5-9 2 DO mg/l 5,94 5,57 5,1 5,66 3,36 3 - - 3 Độ dẫn µS/cm 19 27 63 112 233 179 - - 4 Độ đục - 4,6 3,9 4 5,5 4 5 - - 5 BOD5 mg/l 3,7 4,9 3,6 5,8 35,3 76,9 30 50 6 COD mg/l 6,4 7 7,6 10.8 47,8 165,6 50 100 7 TSS mg/l 8 9,7 11,2 8,3 56,6 66,5 50 100 8 Cd mg/l <0,0005 <0,0005 0.0015 0.0016 <0,0002 <0,0005 0.005 0,01 9 As mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,05 0,1 10 Pb mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,1 0,5 11 Zn mg/l 0,034 <0,018 0,032 0,023 <0,018 <0,018 3 3 12 Fe mg/l 1,01 0,51 0,06 <0,02 0,51 0,51 1 5 13 Mn mg/l 0,102 0,108 0,02 <0,02 0,108 0,108 0,5 1 14 Cr(VI) mg/l <0,001 0,002 <0,001 <0,001 0,002 0,002 - - 15 S2- mg/l <0,004 <0,004 <0,004 <0,004 <0,004 <0,004 0,2 0,5 16 Hg mg/l 0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0001 <0,0005 <0,0005 0,05 0,01 17 CN- mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,07 0,1 18 NH4-N mg/l 0,02 <0,006 <0,006 <0,006 <0,006 <0,006 5 10 19 NO3-N mg/l 1,3 0,56 0,14 1,33 0,56 1,56 - - 20 NO2-N mg/l <0,005 0,03 <0,005 <0,005 0,03 0,03 - - 21 PO4

3-P mg/l <0,08 <0,098 <0,024 <0,054 <0,13 <0,35 - - 22 Tổng N mg/l 4,9 3,3 7,5 2,8 12,6 12,2 15 30 23 Tổng P mg/l 0,15 0,21 0,14 0,29 0,392 1,49 4 6 24 Dầu mỡ mg/l <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,38 <0,32 5 5

25 Coliform MPN/100m

l 1460 2900 2400 500 68000 13000 3000 5000


98

Diễn biến chất lượng nước HNC Diễn biến chất lượng nước HNC Theo không gian và theo thời gian được thể hiện trên bảng 3 và bảng 4.

Các điểm lấy mẫu cụ thể là:

- Trên HNC, cách cửa xả của Sông Công đổ vào HNC 500 m: NM 7.12-11 (phía Bắc, tọa độ: 21o35’540N; 105o40’357E); NM 7.12-12 (phía Tây, tọa độ: 21o35’397N; 105o40’237E).

- Trên HNC, cách khu vực (KV) thượng lưu 2 km: NM 7.12-13 (phía Tây, tọa độ: 21-o35’276N; 105o40’595E); NM 7.12-14 (phía Đông, tọa độ: 21o35’177N; 105o40’456E).

- KVHNC, giữa hồ: NM 7.12-15 (cách bờ phía Tây Nam 0,5 km, tọa độ: 21o34’707N; 105o41’702E); NM 7.12-16 (cách bờ phía Đông 1 km, tọa độ: 21o34’129N; 105o42’366E).

- KV hạ lưu HNC: NM 7.12-17 (cách khu vực giữa hồ 2 km, tọa độ: 21o34’550N; 105o42’663E); NM 7.12-18 (cách bờ phía Đông 0,5 km, tọa độ: 21o34’234N; 105o43’145E); NM 7.12-19 (phía Tây Nam, cách đập 0,5km, tọa độ: 21o33’521N; 105o43’270E); NM 7.12-20 (phía Đông Nam, tọa độ: 21o33’722N; 105o43’461E).

Đề xuất giải pháp Giải pháp chính sách

Với nhóm giải pháp về chính sách, Bộ Tài nguyên và Môi trường cần phối hợp với Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn xây dựng thông tư liên tịch quy định cụ thể việc phối hợp, chia sẻ thông tin liên quan đến kiểm soát ô nhiễm nguồn nước tại các vùng nông thôn.

Giải pháp về kỹ thuật

Các cơ quan chức năng cần nghiên cứu ứng dụng và phát triển các loại phân bón và thuốc bảo vệ thực vật mới thân thiện với môi trường; Xây dựng, hoàn thiện mạng lưới quan trắc.

Giải pháp về kinh tế

Nhà nước đưa ra các giải pháp tăng mức xử phạt đối với các hành vi vi phạm các quy định gây ô nhiễm nguồn nước.

Nhóm giải pháp về thông tin

Cuối cùng là nhóm giải pháp về thông tin, tuyên truyền, cần tăng cường sự phối hợp, chia sẻ thông tin giữa các đơn vị cấp trung ương và cấp địa phương; chú trọng nâng cao nhận thức cộng đồng trong các hoạt động sống và sản xuất không gây ô nhiễm môi trường.

KẾT LUẬN

- Chất lượng nước mặt tại cửa xả của các sông, suối đổ vào HNC không đảm bảo sử dụng cho sinh hoạt theo QCVN 08:2008/BTNMT cột A1, A2.

- Nước mặt KV phía Bắc và giữa Hồ bị ô nhiễm; nước mặt tại KV phía Nam hồ khá tốt và sử dụng được cho sinh hoạt theo QCVN 08:2008/BTNMT cột A2.

- Từ 2006 đến nay, hàm lượng các HCHC, coliform, DO, BOD, COD, TSS v.v. trong nước hồ có xu hướng tăng dần. Ngoài ra, quá trình xói mòn trên lưu vực và bối lấp lòng hồ đang gia tăng (mức bồi lắng đạt 0,5 – 1,0/20 năm).

- Nguyên nhân chủ yếu là: do nguồn thải từ các hoạt động dân sinh; các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác cát sỏi không theo quy hoạch trong khu vực lòng hồ và phía thượng lưu của hồ v.v.


[1]. Aveirala S.J. (1985). Wastewater Treatment for pollution Control, Tata Mc Graw Hill. New Delhi. [2]. Gilber M. Master G. (1991). Introduction to Environmental Science and Technology. Prentice - Hill Internation Edition, Third Edition New Jersy. [3]. Trịnh Lê Hùng (2007). Kỹ thuật xử lý nước thải. NXB Giáo dục, Hà Nội. [4]. Sở TNMT tỉnh Thái Nguyên (2011). Báo cáo đánh giá tổng thể chất lượng MTN vùng HNC, tỉnh Thái Nguyên. [5]. UBND tỉnh Thái Nguyên (2010). Báo cáo HTMT tỉnh Thái Nguyên năm 2010. WHO (1993). Assessment of Sources of Air, Water and land Pollution. Part 1&2, Edited by AP Economopoulos.

Ho

àng Văn Hùn

g và Đ

tg T

ạp chí KH

OA

HỌC

& C

ÔN

G N

GHỆ

11

3(1

3): 95

- 10

0

99

Bảng 3. Diễn biến chất lượng nước hồ Núi Cốc theo không gian

CVN 08: 2008/BTNMT

A2

6-8,5

≥5

-

6

15

30

<0,005

0,005

0,02

-

0,001

1

-

1

-

0,01

5

0,01

0,2

-

-

0,02

5000

(Nguồn: Trung tâm quan trắc và công nghệ môi trường Thái Nguyên)

A1

6-8,5

≥6

-

4

10

20

<0,005

0,005

0,02

-

0,001

0,5

-

0,5

-

<0,0005

2

0,01

0,1

-

-

0,01

2500

Khu vực phía nam hồ

NM 7.12-20

7,8

5,93

96

3,8

11,4

8,9

<0,005

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0005

<0,05

0,079

0,22

<0,004

<0,005

0,25

0,009

<0,006

2,3

0,052

<0,1

4200

NM 7.12-19

7,8

5,9

97

2

10,8

7,2

<0,005

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0009

<0,05

0,072

0,161

<0,004

<0,005

0,28

0,006

<0,006

3,9

0,055

<0,1

3900

NM 7.12-18

7,6

5,98

100

2,6

7,6

9,1

<0,005

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0005

<0,05

0,069

0,185

<0,004

<0,005

0,2

0,005

<0,006

1,8

0,068

<0,1

4200

NM 7.12-17

7,7

5,83

97

2

7,6

8

<0,005

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0007

<0,05

0,054

0,02

<0,004

<0,005

0,14

0,003

<0,006

1,8

0,075

<0,1

3100

Giữa hồ

NM 7.12-16

8

5,99

104

3,2

8,3

7,4

<0,005

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0006

<0,05

0,047

0,142

<0,004

<0,005

0,36

0,015

<0,006

1,8

0,073

<0,1

4400

NM 7.12-15

8,5

5,4

106

6,5

12,8

11,8

0,006

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0005

<0,05

0,063

0,078

<0,004

<0,005

0,35

0,014

<0,006

7

0,069

<0,1

2400

Khu vực phía bắc hồ

NM 7.12-14

8,5

5,57

110

9,8

15,1

28,9

0,007

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0008

<0,05

0,047

0,114

<0,004

<0,005

0,33

0,013

<0,006

8

0,059

<0,1

4600

NM 7.12-13

8,5

5,6

114

10,4

15,8

73,4

0,012

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0009

<0,05

0,064

0,263

<0,004

<0,005

0,32

0,012

<0,006

4,9

0,085

<0,1

7000

NM 7.12-12

8,5

5,5

116

11,3

18,9

23,3

0,011

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0005

<0,05

0,069

0,072

<0,004

<0,005

0,3

0,014

<0,006

5,4

0,061

<0,1

5800

NM 7.12-11

8,1

5,4

118

10,4

17,6

18,1

0,011

<0,0005

<0,005

<0,005

<0,0006

<0,05

<0,145

0,112

<0,004

<0,005

0,3

0,17

<0,006

4,4

0,076

<0,1

4200

Chỉ tiêu

pH

DO

Đỗ dẫn

BOD5

COD

TSS

As

Cd

Pb

Cr

Hg

Zn

Mn

Fe

S2-

CN-

NO3-N

NO2-N

NH4+-N

Tổng P

Tổng N

Dầu mỡ

Coliform


100

Bảng 4. Diễn biến chất lượng nước hồ Núi Cốc theo thời gian

TT Chỉ tiêu Đơn vị

Năm 2006

Năm 2007

Năm 2008

Năm 2009

Năm 2010

Năm 2011

Năm 2012 (Đợt 1)

QCVN 08:2008/BTNMT A1 A2

1 pH 7,5 7,8 7,2 6,1 8 7,6 7,1 6-8,5 6-8,5 2 DO mg/l 6,6 6,6 6,9 6,3 7,5 7,8 7,2 ≥6 ≥5 3 BOD5 mg/l 3,82 4,5 5,0 6,3 6,7 6,9 6 4 6 4 COD mg/l 8,88 9,47 11,1 13,6 12,8 14,8 11,2 10 15 5 TSS mg/l 20,1 19 8,4 13,1 19 22 17 20 30 6 As mg/l 0,009 <0,005 <0,005 0,011 0,009 0,008 0,007 0,005 0,005 7 Cd mg/l <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 0,0005 0,0005 8 Pb mg/l <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 0,002 0,002 9 Hg mg/l <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 <0,0005 0,001 0,001 10 Zn mg/l 0,215 0,129 0,3 0,12 0,009 0,14 0,13 0,5 1 11 Fe mg/l 0,228 0,15 0,895 0,313 0,52 0,85 0,92 0,5 1 12 S2- mg/l <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 <0,04 - - 13 CN- mg/l <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,001 14 NO3-N mg/l 0,84 0,32 0,44 0,98 0,76 0,94 0,96 2 5 15 NO2-N mg/l 0,012 0,017 0,015 0,014 0,018 0,018 0,016 0,01 0,2 16 NH4+-N mg/l 0,037 0,036 0,04 0,05 0,045 0,066 0,065 0.1 0.2 17 PO43-P mg/l 0,09 0,13 0,15 0,11 0,16 0,14 0,13 0,1 0.02 18 HCBVTV mg/l KPH KPH 1,2 1,4 0,6 0,9 0,2 - - 19 Dầu mỡ mg/l KPH KPH <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 - -

20 Coliform MPN/100ml

2400 2700 1000 1300 1000 4800 5100 2500 5000

(Nguồn: Trung tâm quan trắc môi trường Thái Nguyên)

SUMMARY ASSESSMENT OF THE ENVIRONMENTAL SURFACE WATER STATU S IN NUI COC LAKE, THAI NGUYEN PROVINCE

Hoang Van Hung*, Pham Tat Dat, Tran Thi Mai Anh Coolege of Agriculture and Forestry – TNU

Nui Coc lake was put into operation in 1978, is an artificial lake with an important role in social -economic development, environment and biodiversity. However, Nui Coc lake water got signs of pollution with the main reasons: waste from people's daily activities, the activities of agriculture, industry, services, mining, especially sand and gravel extraction have not planned yet in the reservoir area and upstream of the lake etc. To assess the environmental surface water status in Nui Coc lake, the research focus on the analysis of water quality in Nui Coc lake from tourist area, the water quality of rivers and streams at the outlet before flowing into the lake etc.; to monitor and analyze the water quality developments over space and time. The research results show that: in some spatial location on the lake is being slight polluted of the organic compounds, especially in the upstream area, reception area lakes sources of waste Nui Coc Lake tourist area, over time, changes in water quality changes are not large but tend to increase pollution levels. Since then propose solutions to improve the efficiency of the management and protection of environmental surface water of the lake consistent with social - economic development aims of Thai Nguyen province, ensuring sustainable development. Keywords: Assessment, Nui Coc lake, pollution, surface water, sustainable development, water quality.

Ngày nhận bài: 13/7/2013; Ngày phản biện: 12/8/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: PGS.TS. Đỗ Thị Lan – Trường ĐH Nông Lâm – ĐHTN


Phan Đình Binh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 101 - 106

101

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HI ỆN TRẠNG MÔI TR ƯỜNG NƯỚC SÔNG LÔ ĐOẠN CHẢY QUA HUYỆN SÔNG LÔ TỈNH VĨNH PHÚC

Phan Đình Binh*

Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Nghiên cứu được tiến hành nhằm đánh giá hiện trạng môi trường nước sông Lô đồng thời xác định nguyên nhân gây ô nhiễm nước sông Lô và đề xuất các giải pháp giảm thiểu, ô nhiễm môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô, tỉnh Vĩnh Phúc. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Giá trị BOD5 năm 2013 ở cả 3 điểm: bến phà Phan Lương, bến phà Then, điểm giao giữa xã Cao Phong sang xã Sơn Đông chưa có dấu hiệu bị ô nhiễm. Giá trị COD và Coliform ở cả 3 điểm quan trắc đều đạt QCVN 08:2008/BTNMT. Giá trị TSS cả 3 điểm quan trắc đều có biểu hiện ô nhiễm vượt quá QCVN 08:2008/BTNMT cột B1, như bến phà Phan Lương gấp 1,48 lần, tại bến phà Then gấp 1,34 lần, tại điểm giao xã Cao Phong và xã Sơn Động gấp 1.54 lần QCVN 08:2008/BTNMT cột B1. Nước mặt đoạn sông chảy qua huyện sông Lô có mặt hầu hết các kim loại nhưng đều đạt QCVN 08: 2008/BTNMT cột B1. Từ khóa: Môi trường nước, nước thải, COD, ô nhiễm môi trường, tiêu chuẩn môi trường.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Nước là tài nguyên vật liệu quan trọng nhất của loài người và sinh vật trên trái đất. Con người mỗi ngày cần 250 lít nước cho sinh hoạt, 1.500 lít nước cho hoạt động công nghiệp và 2.000 lít cho hoạt động nông nghiệp [8]. Nước chiếm 99% trọng lượng sinh vật sống trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người [5]. Để sản xuất 1 tấn giấy cần 250 tấn nước, 1 tấn đạm cần 600 tấn nước và 1 tấn chất bột cần 1.000 tấn nước [3].Tài nguyên nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang chịu sức ép nặng nề do biến đổi khí hậu, tốc độ gia tăng dân số và các hoạt động kinh tế đời sống khác nhau có liên quan đến sử dụng nước [4]. Do đó tình trạng ô nhiễm, suy thoái nguồn nước ngày càng trầm trọng.

Vĩnh Phúc là tỉnh có nguồn tài nguyên nước vô cùng phong phú do có một hệ thống các sông ngòi đầm hồ tự nhiên và nhân tạo, đây là nguồn nước quan trọng cung cấp chủ yếu cho đời sống và hoạt động sản xuất. Năm 2012, mặc dù trong điệu kiện chịu ảnh hưởng cuộc khủng khoảng kinh tế thế giới, song kinh tế của tỉnh vẫn đạt tăng trưởng gần 18%, là một


trong các địa phương có tốc độ tăng trưởng kinh tế cao nhất cả nước. Thu nhập bình quân đầu người trong tỉnh năm 2012 đạt trên 1300USD. Từ một tỉnh thuần nông, đến nay Vĩnh Phúc là tỉnh xếp thứ 7 trong cả nước về giá trị sản xuất công nghiệp; là tỉnh đứng thứ 2 ở miền Bắc và thứ 5 cả nước về thu ngân sách nội địa [6]. Tốc độ đô thị hoá tăng nhanh cùng với sự tăng trưởng mạnh về kinh tế trong những năm vừa qua đã có những tác động đến môi trường, làm cho chất lượng môi trường đang có chiều hướng giảm, ảnh hưởng đến đời sống, sức khoẻ của nhân dân và sự phát triển bền vững của tỉnh, chất lượng môi trường nước mặt và nước ngầm giảm…mà nhu cầu sử dụng nước để phục vụ cho các hoạt động kinh tế và đời sống liên quan đến sử dụng nước ngày càng tăng. Xuất phát từ những vấn đề cấp bách trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện sông Lô tỉnh Vĩnh Phúc” với mục đích: Đánh giá hiện trạng môi trường nước Sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô tỉnh Vĩnh Phúc; đồng thời xác định nguyên nhân suy thoái nước sông Lô và đề xuất các giải pháp giảm thiểu, ô nhiễm môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô, tỉnh Vĩnh Phúc.


102

NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung

Tiến hành điều tra điều kiện tự nhiên và điều kiện kinh tế - xã hội của huyện Sông Lô; Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng nước sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô năm 2013, xác định các nguồn gây ô nhiễm và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước sông Lô.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu thứ cấp:

Tiến hành thu thập các số liệu thứ cấp tại Trung tâm Tài nguyên và Bảo vệ môi trường tỉnh Vĩnh Phúc và Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Sông Lô.

Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa, quan trắc, lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm:

Các chỉ tiêu quan trắc mang tính đặc thù gây ô nhiễm lưu vực sông Lô: BOD, COD, TSS, hàm lượng amoni, dầu mỡ, Coliform.

Dụng cụ lấy mẫu: Thiết bị lấy mẫu là ca định lượng. Mẫu được lấy theo phương pháp tổ hợp theo không gian tức là lấy mẫu ở 3 vị trí khác nhau sau đó tổ hợp lại. Mẫu tổ hợp cung cấp thông tin chính xác hơn. Mẫu lấy được chứa trong bình polyetylen, riêng mẫu dùng để phân tích dầu mỡ được chứa trong bình thủy tinh mầu.

Vị trí lấy mẫu quan trắc: Vị trí quan trắc tại 3 điểm đó là: Bến đò Phan Lương, bến Phà Then và điểm giao xã Cao Phong và xã Sơn Đông.

Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu được thực hiện theo TCVN 5996:1995 tương ứng với phương pháp phân tích như Bảng 1.

Các chỉ tiêu được phân tích tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Tài nguyên và Bảo vệ Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Điều kiện tự nhiên và xã hội huyện Sông Lô

Vị trí địa lý và địa hình: Sông Lô là huyện mới được tách từ huyện Lập Thạch theo nghị định số 09/NĐ-CP ngày 23/12/2008 của Chính phủ với tổng diện tích tự nhiên là 150301,77 ha, có ranh giới hành chính tiếp giáp như sau: Phía Đông giáp huyện Lập Thạch; Phía Tây giáp huyện Phù Ninh và thành phố Việt Trì tỉnh Phú Thọ; Phía Nam giáp huyện Lập Thạch và thành phố Việt Trì tỉnh Phú Thọ; Phía Bắc giáp với huyện Sơn Dương tỉnh Tuyên Quang.

Chế độ thuỷ văn: Huyện Sông Lô chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ thủy văn Sông Lô chiếm tới 80% - 90% tổng lượng nước của huyện tập trung chủ yếu vào mùa mưa. Mực nước mùa khô bình quân trên 1.300cm, cao nhất là 2.132cm. Ngoài ra lòng sông Lô rộng nên thuận tiện cho việc phát triển giao thông đường thủy của huyện Sông Lô nói riêng và của tỉnh Vĩnh Phúc nói chung .

Bảng 1. Chỉ tiêu và phương pháp phân tích [1,7]

STT Tên chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị QCVN

08:2008/BTNMT (B1) 1 pH TCVN 6492 : 1999 - 5,5 – 9 2 DO TCVN 7325 : 2004 mg/l ≥ 4 3 BOD5 SMEWW 5210B – 2005 mg/l 15 4 COD SMEWW 2540D – 2005 mg/l 30 5 TSS SMEWW 3113 : 2005 mg/l 50 6 Amoni SMEWW4500-NH3 mg/l 0,5 7 Cr6+ SMEWW3112B:2005 mg/l 0,04 8 Fe SMEWW 3111B : 2005 mg/l 1,5 9 Dầu mỡ SMEWW 5520 mg/l 0,1 10 Coliform SMEWW 9222 MPN/100ml 7500

(Ghi chú: B1: Dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự; SMEWW: Phương pháp quốc tế; TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam).


103

Dân số và nguồn nhân lực: Tổng dân số của toàn huyện năm 2012 là 88.626 người. Trong đó, số dân thành thị là 3.032 người, chiếm 3,42% dân số toàn huyện. Mật độ dân số bình quân là 590 người/km2, số người trong độ tuổi lao động là 46.998 người chiếm gần 53% tổng dân số [2].

Đánh giá môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện Sông Lô năm 2013

Qua phân tích, thu thập, tổng hợp số liệu quan trắc

hiện trạng môi trường nước sông Lô được tiến hành

từ năm 2011 đến năm 2013 cho kết quả như sau:

TTTTạạạại bi bi bi bếếếến n n n đđđđò Phan Lò Phan Lò Phan Lò Phan Lươươươương (bng (bng (bng (bảảảảng 2)ng 2)ng 2)ng 2)

Qua phân tích các mẫu nước mặt sông Lô từ năm 2011 đến năm 2013 ta thấy: Chỉ tiêu TSS qua các năm có sự dao động lớn, từ 67 - 167

mg/l, vượt quy chuẩn cho phép từ 1,34 – 3,44 lần, hàm lượng các chất rắn lơ lửng qua các năm luôn ở mức cao, năm 2012 hàm lượng TSS lên đến 167 mg/l. Nguyên nhân chủ yếu gây nên là từ sản xuất nông nghiệp, chất thải chăn nuôi và chất thải từ sinh hoạt. Các chỉ tiêu còn lại đều nằm trong quy chuẩn cho phép.

Tại bến phà Then (bảng 3)

Qua phân tích các mẫu nước mặt sông Lô tại bến phà Then từ năm 2011 đến năm 2013 cho thấy: Chỉ tiêu TSS qua các năm có sự dao động lớn, từ 85 - 152 mg/l, vượt quy chuẩn cho phép từ 1,54 – 3,34 lần. Hàm lượng TSS vào năm 2013 có chiều hướng giảm điều đó cho thấy người dân đã nhận biết được mức độ ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường nước và hạn chế xả rác xuống sông Lô.

Bảng 2. Kết quả phân tích chất lượng nước sông Lô tại bến đò Phan Lương huyện Sông Lô

Thông Số Đơn vị Năm QCVN

08:2008/BTNMT

2011 2012 2013 A2 B1

pH - 7,86 8,2 7,89 6- 8,5 5,5 -9 TSS mg/l 67 167 154 30 50 DO mg/l 5,9 10,7 6,1 ≥5 ≥4 BOD5 mg/l 4,03 5,641 5,19 6 15 COD mg/l 4,03 5,641 11,6 15 30 Amoni mg/l 0,281 0,167 0,023 0,02 0,04 Fe mg/l 0,012 0,017 0,01 1 1,5 Coliform MPN/100ml 5.800 1.700 4.300 5.000 7.500

(Nguồn: Kết quả phân tích và Trung tâm Tài Nguyên & Bảo vệ môi trường Vĩnh Phúc [7])

Bảng 3. Kết quả phân tích chất lượng sông Lô tại bến phà Then huyện Sông Lô

Thông Số Đơn vị Năm

QCVN 08:2008/BTNMT

2011 2012 2013 A2 B1

pH - 7,86 8,2 7,86 6- 8,5 5,5 -9 TSS mg/l 85 152 136 30 50 DO mg/l 5,9 10,7 5,9 ≥5 ≥4 BOD5 mg/l 4,03 5,641 5,03 6 15 COD mg/l 4,03 5,641 10,5 15 30 Amoni mg/l 0,281 0,167 0,07 0,02 0,04 Fe mg/l 0,012 0,017 0,012 1 1,5 Coliform MPN/100ml 5.800 1.700 0,019 5.000 7.500



104

Tại điểm giao xã Cao Phong và xã Sơn Đông (bảng 4)

Bảng 4. Kết quả phân tích chất lượng nước sông Lô tại điểm giao xã Cao Phong và xã Sơn Đông

Thông Số Đơn vị Năm

QCVN 08:2008/BTNMT

2011 2012 2013 A2 B1

pH - 7,89 7,86 7,93 6- 8,5 5,5 -9 TSS mg/l 74 67 77 30 50 DO mg/l 6,1 5,9 5,5 ≥5 ≥4

BOD5 mg/l 5,19 5,03 5,67 6 15 COD mg/l 11,6 10,5 12,7 15 30

Amoni mg/l 0,023 0,07 0,056 0,2 0,5 Cr6+ mg/l 0,017 0,012 0,108 0,02 0,04 Fe mg/l 0,01 0,019 0,015 1 1,5

Dầu mỡ mg/l 0,08 0,06 0,09 0,02 0,1 Coliform MPN/100ml 4.300 4.600 5.400 5.000 7.500


Nằm giữa hai xã Cao Phong và Sơn Đông, chất lượng nước sông Lô bị tác động chủ yếu bởi hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi và thương mại dịch vụ (chợ). Theo kết quả quan trắc nước mặt tại đây cho thấy chỉ tiêu TSS vượt quá tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT cột B1, cụ thể TSS đạt 77mg/l gấp 1,54 lần, còn các giá trị khác đều đạt QCCP theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 08: 2008/BTNMT (B1).

Các nguồn gây ô nhiễm nước Sông Lô

Nguồn thải từ nông nghiệp: bao gồm từ trồng trọt và chăn nuôi:

Nguồn thải từ trồng trọt:Nước thải trồng trọt phát sinh chủ yếu từ lượng nước tưới hồi quy, nước tưới nông nghiệp cho chảy tràn tự nhiên và sau đó tập trung về hệ thống sông suối. Lượng nước hồi quy này tương đối lớn và từ đó chúng kéo theo một lượng rất lớn các chất ô nhiễm từ các nguồn như: phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật....Việc sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp nhằm mục đích nâng cao năng suất cây trồng nhưng nếu không sử dụng hợp lý sẽ để lại hậu quả nghiêm trọng tới sức khỏe con người và môi trường. Tổng lượng phân hóa học phát thải ra sông Lô tương đối cao, hơn 70.000 tấn/năm phân bón hóa học các loại, trong đó phân tổng hợp NPK được sử dụng thường xuyên, chiếm hơn 5% tổng lượng phân bón hóa học; lượng thuốc bảo vệ

thực vật sử dụng trung bình là 3 kg/ha/năm, trong đó thuốc trừ sâu chiếm 68,33%, thuốc trừ bệnh chiếm 15,5%, thuốc trừ cỏ là 11,7% và lượng này sẽ còn tăng nhiều trong tương lai.

Nguồn thải từ chăn nuôi: Hoạt động chăn nuôi đặc biệt tập trung ở khu vực nông thôn, có tới 67% nông dân tham gia chăn nuôi, tuy nhiên, quy mô chăn nuôi phổ biến chỉ là chăn nuôi nhỏ lẻ và hộ gia đình. Hoạt động chăn nuôi thải ra môi trường một lượng lớn chất thải như: phân, nước tiểu, thức ăn dư thừa, nước cọ rửa chuồng trại, nước tắm rửa cho vật nuôi... các chất thải này có đặc thù khá giống chất thải sinh hoạt, chúng chứa nhiều chất hữu cơ, có hàm lượng BOD5, COD cũng như chất rắn lơ lửng (TSS) thường rất cao, trong chất thải là thức ăn dư thừa cũng có cả các phụ gia có thể chứa chất gây ô nhiễm, đặc biệt thường trong thức ăn chăn nuôi hàm lượng chất hữu cơ rất cao. Hiện nay, nguồn thải này ngày càng gia tăng nhưng vẫn chưa có biện pháp thu gom và xử lý hợp lý nên đã và đang là nguồn gây ô nhiễm môi trường rất lớn ở khu vực nông thôn, tiềm ẩn nguy cơ gây ra dịch bệnh cho người và vật nuôi, đa phần lượng nước thải này được thải thông qua các hệ thống cống rãnh tạm bợ rồi thải trực tiếp vào các thủy vực (sông, suối, ao, hồ, đầm...). Chính vì thế, việc kiểm soát các nguồn ô nhiễm này là rất khó khăn do quy mô nhỏ lẻ theo kiểu hộ gia đình.


105

Nguồn thải từ sinh hoạt

Vĩnh Phúc là nơi tập trung dân cư đông đúc, trong khi đó cơ sở hạ tầng phát triển không theo kịp. Dân số tăng cùng với mức sống được tăng cao, lượng chất thải được thải ra môi trường cũng từ đó tăng theo. Mặt khác, nhu cầu về nhà ở không được đáp ứng sẽ làm nảy sinh các khu nhà tạm mất vệ sinh, làm nảy sinh tình trạng ô nhiễm. Hệ thống cấp nước và thoát nước còn rất đơn giản, chưa được xây dựng quy mô đồng bộ. Hiện nay, nước thải sinh hoạt của các khu dân cư, các cơ quan, nhà máy, bệnh viện trên địa bàn tỉnh đều được đổ trực tiếp vào các mương thoát nước mưa, sau đó được thải ra các ao, hồ, các lưu vực sông...

Từ các thực trạng trên, nước thải sinh hoạt đang tồn tại là một nguồn gây ô nhiễm rất lớn cho nguồn nước mặt. Nước thải đổ trực tiếp ra sông, suối làm ô nhiễm nguồn nước mặt, rác thải xả bừa bãi, không được thu gom hằng ngày, gây mất vệ sinh môi trường xung quanh, hiện tượng ô nhiễm môi trường đang xảy ra ở nhiều nơi trên địa bàn tỉnh làm ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh hoạt, đến sức khỏe của người dân. Vì vây, đòi hỏi cần phải sớm có các biện pháp khắc phục và giải quyết hữu hiệu nguồn nước thải sinh hoạt này để nhằm làm giảm thiểu sự ô nhiễm chất lượng môi trường đang ngày càng gia tăng trên địa bàn tỉnh.

Đề xuất các giải pháp hạn chế, khắc phục ô nhiễm môi trường nước sông Lô

Biện pháp liên quan đến thể chế chính sách Rà soát ban hành đồng bộ các văn bản hướng dẫn trong lĩnh vực quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường, nâng cao hiệu lực thi hành luật bảo vệ môi trường, luật tài nguyên nước và các luật liên quan khác. Các cơ quan quản lý nhà nước có chức năng cần rà soát chặt chẽ yêu cầu các nhà máy phải có nghĩa vụ xử lý nước thải sơ bộ để loại trừ các hóa chất độc hại, các kim loại nặng, dầu mỡ, và các chất hữu cơ trước khi thải ra môi trường. Xây dựng ban hành chính sách xã hội hóa, khuyến khích các thành phần kinh tế tham gia quản lý và bảo vệ môi trường.

Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm nước thải

- Tiến hành áp dụng thu phí nước thải (nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp) các doanh nghiệp, các hộ đân với mức thu hợp lý, hiện nay giá thu nước thải sinh hoạt đang quá thấp nên chưa tạo cho người dân ý thức giảm thiểu lượng nước thải ra môi trường.

- Xây dựng các điểm thu gom rác để tránh tình trạng đổ trực tiếp rác thải ra khu vực kênh mương gây ô nhiễm nguồn nước mặt.

- Đẩy nhanh việc triển khai chương trình phân loại rác thải tại nguồn thành các loại rác tái chế được, không tái chế được và rác hữu cơ để tiến hành xử lý thu gom riêng biệt.

- Đối với chất thải rắn, các địa phương cần có quy hoạch bãi chôn lấp, và chôn lấp đảm bảo kỹ thuật vệ sinh, tránh đổ rác thải trên mặt đất gần kênh mương và các lưu vực sông suối.

- Nâng cao kiến thức của nông dân trong kỹ thuật sử dụng phân bón hóa học, khuyến khích sử dụng các loại phân bón vi sinh thay cho các loại phân bón hóa học thông thường. Thường xuyên tổ chức các lớp hướng dẫn về cách sử dụng phân bón, cách tưới tiêu và chăm sóc cây trồng cho nông dân.

Giải pháp về quản lý

- Tiến hành quan trắc định kỳ để kịp thời phát hiện và đưa ra các biện pháp xử lý khi nguồn nước mặt của lưu vực bị ô nhiễm. Cần tiến hành kiểm tra định kỳ chất lượng nước thải tại các cơ sở sản xuất từ đó sớm phát hiện ra những sai phạm và tìm các biện pháp xử lý cho phù hợp.

- Các cơ quan chuyên môn về môi trường phải thường xuyên, phối hợp, theo dõi kiểm tra các đơn vị trên địa bàn, lập danh mục những đơn vị đang và có nguy cơ gây ô nhiễm cao để quản lý, theo dõi và có biện pháp xử lý kịp thời.

- Từng bước vận động các nhà dân nằm trên lưu vực sông xây dựng các công trình vệ sinh đạt chuẩn cho phép của Bộ Y tế, không xả thải trực tiếp xuống các lưu vực sông gây ô nhiễm nặng nề cho chất lượng nước mặt của lưu vực.


106

Giải pháp tuyên truyền - Tăng cường phổ biến, giáo dục cho người dân để họ có sự hiểu biết về tác hại và ảnh hưởng của việc ô nhiễm môi trường đến cuộc sống của họ, từ đó tạo cho bản thân họ có ý thức hình thành việc bảo vệ môi trường sống chung, đặc biệt là môi trường nước.

KẾT LUẬN

Từ kết quả phân tích, đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước sông Lô đoạn chảy qua huyện sông Lô tỉnh Vĩnh Phúc cho thấy: Giá trị BOD5 năm 2013 ở cả 3 điểm: bến phà Phan Lương, bến phà Then, cuối xã Cao Phong sang xã Sơn Đông chưa có dấu hiệu bị ô nhiễm. Giá trị COD và Coliform năm 2013 ở cả 3 điểm quan trắc đều đạt QCVN 08:2008/BTNMT. Giá trị TSS cả 3 điểm quan trắc đều có biểu hiện ô nhiễm vượt quá QCVN 08:2008/BTNMT cột B1. Cụ thể bến phà Phan Lương xã Bạch Lưu gấp 1,48 lần, tại bến phà Then – xã Như Thụy gấp 1,34 lần, tại cuối xã Cao Phong sang xã Sơn Động gấp 1.54 lần QCVN 08:2008/BTNMT cột B1. Nước mặt đoạn sông chảy qua huyện sông Lô có mặt hầu hết các kim loại nhưng đều đạt QCVN 08:2008/BTNMT cột B1.


[1]. Bộ Khoa học và Công nghệ và Môi trường (1995), Tiêu chuẩn Việt Nam về môi trường, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Cục Thống kê tỉnh Vĩnh Phúc (2011), Niên giám thống kê tỉnh Vĩnh Phúc 2011. [3]. Trịnh Trọng Hàn (2005), Thủy lợi và môi trường, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. [4]. Nguyễn Thị Hồng, Nguyễn Thực Nhu, Nguyễn Văn Cừ (1998), Đánh giá tác động hoạt động công nghiệp đến môi trường nước mặt thành phố Thái Nguyên, tuyển tập các công trình nghiên cứu đia lý, Nxb Khoa học Kỹ thuật Hà Nôi. [5].Trần Hiếu Nhuệ (2007), Chuyên đề hiện trạng môi trường lưu vực sông Cầu các đe dọa và giải pháp quản lý, bảo vệ có sự tham gia của Cộng đồng. [6]. Trung tâm Tài nguyên và Bảo vệ môi trường Vĩnh Phúc (2012), Báo cáo kết quả quan trắc hiện trạng sông Lô 2012. [7]. Escap (1994), Guidelines on monitoring methodologies for water, air and toxic chemicals, Newyork, 214-215. [8]. Speafico (2002), Protection of water sources, water Quality and quantily Ecosystems, Bangkok, 102-104.

SUMMARY STUDYING AND ASSESSING THE WATER ENVIRONMENT OF LO RIVER WITH IN SONG LO DISTRICT, VINH PHUC PROVINCE

Phan Dinh Binh* College of Agriculture and Forestry – TNU

The study was implemented to assess the water environment, find out the reasons of water pollution and give suggestions to minimize water environmental pollution of Lo river with in Song Lo district, Vinh Phuc provine. The results shown that: BOD5 value at 3 points: Phan Luong ferry, Then wharf and intersection point between Cao Phong and Phan Luong commune were not polluted. COD and Coliform value at 3 points (above) are lower allowance value in QCVN 08:2008/BTNMT. Total suspended solids (TSS) value at all 3 monitoring points (Phan Luong ferry, Then wharf and intersection point between Cao Phong and Phan Luong commune) has been 1.48, 1,34 and 1.54 times higher in comparision with Vietnam environmental standards, respectively. The others factor values have been lower than the standards (QCVN 08:2008/BTNMT, column B1) Keywords: Water environment, waste water, COD, environmental pollution.

Ngày nhận bài: 26/8/2013; Ngày phản biện: 07/092013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: Lê Văn Thư – Trường ĐH Nông Lâm – ĐHTN


Nguyễn Văn Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 107 - 113

107

MỘT CÁCH TI ẾP CẬN TÍCH H ỢP TRÍ THỨC VỀ NGÔN NGỮ VÀO HỆ DỊCH MÁY TH ỐNG KÊ

Nguyễn Văn Vinh1, Lê Thu Trang2,*, Nguyễn Thị Xuân Hương3

1Trường Đại học Công nghệ – ĐH Quốc Gia Hà Nội 2Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

3Trường Đại học Dân lập Hải Phòng

TÓM TẮT Mô hình dịch thống kê dựa vào cụm (MHTKC) [6] là một trong những mô hình dịch tự động tốt nhất hiện nay. Tuy nhiên sự hạn chế của mô hình MHTKC là nó xem xét các cụm như là dãy liên tiếp các từ và nó hoàn toàn bỏ qua bất cứ thông tin về ngôn ngữ (thông tin cú pháp, thông tin ngữ nghĩa,…). Để giải quyết vấn đề này, trong bài báo này, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu cải tiến mô hình đảo trật tự từ vựng. Chúng tôi mở rộng mô hình đảo trật tự cụm có phân cấp [2] sử dụng mô hình Maximum Entropy (ME) để đoán hướng và ước lượng xác suất. Với mô hình này, chúng ta có thể tích hợp thông tin giàu tri thức ngôn ngữ vào như các thuộc tính địa phương cũng như là toàn cục. Hơn nữa, xác suất được ước lượng bằng mô hình ME sẽ chính xác và mịn hơn so với ước lượng dựa vào cách tiếp cần tần suất tương đối. Kết quả thử nghiệm với cặp ngôn ngữ Anh-Việt cho thấy cách tiếp cận của chúng tôi tốt hơn so với cách tiếp cận sử dụng mô hình từ vựng phân cấp [2]. Từ khóa: Mô hình dịch thống kê, trí thức về ngôn ngữ.

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Những năm gần đây, sự bùng nổ của cách tiếp cận dịch máy thống kê dựa vào cụm đã tạo ra các sản phẩm thương mại được sử dụng rộng rãi trên thế giới (hệ dịch của google, microsoft, …) [14][15]. Một trong những vấn đề quan trọng của dịch máy thống kê dựa vào cụm liên quan đến việc là làm thế nào để sinh ra thứ tự các từ (cụm) chính xác trong ngôn ngữ đích.

Hình 1. Hướng của cụm (M, S, D) cho ví dụ dịch

Anh-Việt

Để giải quyết vấn đề trên, gần đây, trong [4][5], mô hình đảo trật tự từ vựng (LRMs) đã phát triển để dự đoán hướng của cặp cụm dựa vào cụm đích liền kề. Những mô hình này phân biệt ba hướng của cặp cụm hiện tại theo

* Tel: 0925009989

cụm đích phía trước: (1) monotone (M) – cụm nguồn phía trước là liền kề trước cụm nguồn hiện tại, (2) swap (S) – cụm nguồn phía trước là liền kề sau cụm nguồn hiện tại và (3) discontinuous (D) – không phải là S và M. Hình 1 (1) biểu diễn ví dụ mà ở đây mô hình hiệu quả trong việc swap cụm tính từ “nice new” và cụm “house” và cụm “a” là monotone với cụm “This is”. Những mô hình đảo trật tự từ vựng này cho chất lượng tốt hơn so với MHTKC. Tuy nhiên những mô hình này giải quyết đảo trật tự từ của các cụm cạnh nhau, chúng thường thất bại khi cụm từ mà vị trị đảo nằm xa nhau. Ví dụ trong hình 1 (2), hướng của cụm “Tom’s” nên được swap với phần còn lại của cụm danh từ, tuy nhiên LRM đoán hướng là discontinuous (D).

Galley and Manning [2] đã mở rộng mô hình LRMs bằng cách đề xuất mô hình đảo cụm phân cấp (HRM). Mô hình này dựa vào cấu trúc phân cấp và có thể giải quyết được trường hợp đảo vị trí của các cụm xa nhau. Ví dụ trong hình 1(2) mô hình của họ có thể giải quyết được cụm liền kề “ two” và “blue books” như là một cụm và sự thay thế của “Tom’s” theo cụm này được giải quyết như là swap(S). Tuy nhiên, mô hình của họ cũng có vài nhược điểm như sau:


108

• Mô hình này ước lượng xác suất dựa vào cách tiếp cận quan hệ tần suất, mà ở đây sẽ chụi ảnh hưởng của vấn đề dữ liệu thưa. Một trong những lý do là hầu hết các ví dụ về cụm chỉ xuất hiện 1 lần trong dữ liệu huấn luyện (96.5% ví dụ về cụm xuất hiện 1 lần trong kho dữ liệu “General”).

• Mô hình này không sử dụng bất cứ thông tin về ngôn ngữ. Điều này làm thiếu thông tin ngữ cảnh trong việc dự đoán hướng và ước lượng xác suất của cặp cụm.

Chúng tôi tập trung vào nghiên cứu cải tiến mô hình đảo trật tự từ vựng. Chúng tôi mở rộng mô hình đảo trật tự cụm có phân cấp [2] sử dụng mô hình Maximum Entropy (ME) để đoán hướng và ước lượng xác suất . Với mô hình này, chúng ta có thể tích hợp thông tin giàu trí thức ngôn ngữ vào như các thuộc tính địa phương cũng như là toàn cục. Hơn nữa, xác suất được ước lượng bằng mô hình ME sẽ chính xác và mịn hơn so với ước lượng dựa vào cách tiếp cần tần suất tương đối. Kết quả thử nghiệm với cặp ngôn ngữ Anh-Việt cho thấy cách tiếp cận của chúng tôi tốt hơn so với cách tiếp cận sử dụng mô hình từ vựng phân cấp [2].

MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Quá trình giải mã trong MHTKC xây dựng câu đích từ trái qua phải. Từ giả thuyết hiện tại, điều quan trọng là phải xác định cụm nguồn nào cần được dịch. Một vài nhà nghiên cứu [11], [4] đã đề xuất mô hình khá mạnh được gọi là mô hình đảo trật tự từ vựng cho việc dự đoán hướng của cụm nguồn như mô tả ở phần trên. LRMs học hướng địa phương (monotone- cùng hướng, swap- khác hướng, discontinue - không gần nhau) với xác suất của mỗi cặp cụm song ngữ từ dữ liệu huấn luyện.

[12][13] ứng dụng mô hình Maximum Entropy cho đảo trật tự cụm. Họ sử dụng ME ước lượng xác suất đảo cụm. Tuy nhiên họ sử dụng các đặc trưng đơn giản và áp dụng vào các mô hình khác của dịch máy.

Galley and Manning [2] đã mở rộng mô hình LRMs bằng cách đề xuất mô hình đảo cụm phân cấp (HRM). Mô hình này dựa vào cấu trúc phân cấp và có thể giải quyết được

trường hợp đảo vị trí của các cụm xa nhau. Tuy nhiên mô hình của họ cũng một số nhược điểm như đã nêu ở phần trên.

MÔ HÌNH ĐẢO TRẬT TỰ TỪ VỰNG

Để cải tiến mô hình đảo cụm dựa vào khoảng cách, [4] [11] đã đề xuất mô hình đảo trật tự từ vựng. Mô hình sẽ dựa vào quan hệ vị trí với các cụm liền kề của cụm đích từ đó tính xác suất của các cặp cụm tương ứng.

Cho một câu nguồn f, mà được dịch thành câu ngôn ngữ đích e. Hệ thống dịch thống kê dựa vào cụm tốt nhất hiện nay là mô hình tuyến tính logarit của xác suất điều kiện Pr(f|e):

'

exp ( , )P r( | )

exp ( ', )i ii

i ie

h e ff e

h e f

λλ

= ∑∑

(1)

Ở đây ( , )ih e f là hàm đặc trưng bất kỳ trên

cặp câu (e,f). Tham số λ là trọng số của các hàm đặc trưng ( , )ih e f . Quá trình tìm kiếm

giải mã sẽ tìm câu dịch tốt nhất ê thỏa mãn công thức sau:

= ∑

iii

e

fehê ),(expmaxarg λ (2)

Các đặc trưng bao gồm trong mô hình đảo trật tự từ vựng đươc tham số hóa như sau: cho trước câu nguồn f, dãy các cụm ngôn ngữ

đích 1( ,......., )ne e e= là các giả thuyết hiện

tại của quá trình giải mã và gióng hàng cụm

1( ,...., )na a a= xác định sao cho cụm nguồn

if a tương ứng với cụm dịch của nó là cụm

đích ei. Những mô hình ước lượng xác suất của dãy các hướng (o = o1, …, on ) như sau:

1Pr( | , ) ( | , )

i

n

ii ai

o e f p o e f=

= ∏

trong đó oi nhận các giá trị hướng , ,M S D∆ = . Trong khi tuyển tập các cặp

cụm, có thể phân loại chúng thành 3 hướng như sau:

• oi = M nếu ai – ai -1 = 1

• oi = S nếu ai – ai -1 = -1

• oi = D nếu (ai – ai -1 ≠ 1 và ai – ai -1 ≠ -1)

Trong từng bước của quá trình giải mã, chúng tôi dựa vào cách tiếp cận của Moses mà ở đây


109

gán cho ba tham số phân biệt (λm, λs, λd ) với ba hàm đặc trưng tương ứng:

1log ( | , )

i

nim i ai

f p o M e f=

= =∑

1log ( | , )

i

nis i ai

f p o S e f=

= =∑

1log ( | , )

i

niid ai

f p o D e f=

= =∑

Để tích hợp ( | , )ii i ap o e f vào công thức

(1) trong quá trình giải mã, chúng ta cần tính những giá trị xác suất này. Cách đơn giản để tính là ta dựa vào tần xuất xuất hiện như sau:

0

,( , )( | , )

( , , )i

ii

ii aii a

i a

C o un t o e fp o e f

C ou n t o e f=∑

trong đó Count(x) là số lần xuất hiện của x trong dữ liệu huấn luyện.

Chúng tôi tính ( | , )ii i ap o e f dựa vào gióng

hàng cụm trước ai-1 của ai. Chúng ta giả sử ai có m gióng hàng cụm trước. Ta có:

11

11 0

( , , , )

( , , , )( | , ) i

i

m ki iak

m ki iak

i

iii a

Count o f a

Count o e f a

ep o e f −=

−=

= ∑∑ ∑

Tuy nhiên, cách tính như trên sẽ gặp một số vấn đề như là dữ liệu thưa vì vậy cách hợp lý là ta sử dụng mô hình Maximum Entropy để tích hợp đặc trưng và tính xác suất như sau:

0

( , ))

( , ))

exp( ,( | , )

exp( ,j j ij

j j ij

i

ii

i aii a

i a

h o

h o

e fp o e f

e f

θ

θ= ∑

∑∑

TÍCH HỢP MÔ HÌNH ĐẢO TRẬT TỰ TỪ VỰNG VÀO HỆ THỐNG DỊCH MÁY DỰA VÀO CỤM SỬ DỤNG MÔ HÌNH MAXIMUM ENTROPY

Mô hình

Trong phần này chúng tập trung sử dụng thông tin ngữ cảnh để giúp HRM tính xác suất và dự đoán hướng của cụm. Chúng tôi xem hướng của cụm như là bài toán phân lớp: Hướng của cụm (M, S, D) là nhãn. Vì vậy trong quá trình giải mã, cách hiệu quả để giải quyết bài toán phân lớp là cách tiếp cận dựa vào Maximum Entropy:

0

( , ))

( , ))

exp( ,( | , )

exp( ,j j ij

j j ij

i

ii

i aii a

i a

h o

h o

e fp o e f

e f

θ

θ= ∑

∑∑

Định nghĩa các đặc trưng 1) Từ chính của cụm (HW). Ví dụ cụm “social sciences”, HW là “sciences”

2) Một phần của chức năng ngữ pháp (POS) của từ chính (TG). Ví dụ cụm “social sciences”, TG là NNS.

3) Nhãn cú pháp của cụm (SL). Ví dụ với cụm “social sciences”, SL là NP

4) Đặc trưng nút mẹ (Parent Features)

Nút mẹ của ST trong cây phân tích của câu nguồn. Với cùng cây con của câu nguồn có nút mẹ khác nhau trong ví dụ huấn luyện. Và các đặc trưng này có thể cung cấp thông tin để phân biệt giữa các cây con của câu nguồn. Hình 2a biểu diễn nút mẹ của cây con ST (“social sciences”) là nút VP trong hình thoi.

5) Đặc trưng nút anh em (Sibling Features)

Nút anh em của nút gốc ST (“social sciences”). Đặc trưng này xem xét nút anh em (nút VBD trong hình thoi) mà cùng nút mẹ (VP). Được biểu diễn ở hình 2b.

Hình 2. Minh họa về một số đặc trưng


110

Trong quá trình trích trọn đặc trưng, chúng ta phải gán nhãn cho các cặp cụm mà được cho bởi các cụm nguồn và cây phân tích của nó. Sự thực hiện gán nhãn cụm như sau: • Nếu cây con (subtree) ST phủ chính xác cụm p thì chúng ta xác định (HW, TG, SL, PF, SBF) từ cây con trên. • Nếu cây con mà không phủ toàn bộ cụm p (cụm p không là thành phần ngữ pháp) thì ta chọn cây con nhỏ nhất SST mà chứa p. Ta xác định (HW, TG, SL, PF, SBF) từ cây con SST cho cụm p (nếu HW ∉ p, chúng ta chọn từ đầu tiên của cụm p làm HW).

Chúng tôi tính ( | , )ii i ap o e f dựa vào gióng

hàng cụm trước ai-1 của ai. Với mỗi ( , )ii ae f

chung ta có m ví dụ của cặp cụm

1( , , , )i

ki i iae f a a− (k = 1, .., m). Mỗi ví dụ

của cặp cụm, chúng ta trích trọn đặc trưng

dựa vào cây con ST của if a và 1

kiaf−

.

Chúng tôi sử dụng 2 mẫu của đặc trưng là từng đặc trưng và kết hợp các đặc trưng. Huấn luyện Đầu tiên mỗi cặp cụm, ta trích trọn ví dụ từ mỗi cặp cụm. Thứ hai, chúng ta tính toán

( | , )ii i ap o e f sử dụng mô hình Maximum

Entropy. Tất cả các ví dụ của cặp cụm trong mô hình này được trích trọn theo thuật toán trích cụm [10] với độ dài của cụm là 8. Chúng tôi trích trọn đặc trưng như mô tả như ở trên từ các ví dụ của các cặp cụm. Sau đó chúng tôi sử dụng công cụ mã nguồn mở Maximum Entropy để huấn luyện mô hình Maximum Entropy cho mô hình đảo trật tự. Chúng tôi thiết lập số vòng lặp là 100 và tham số ưu tiên Gaussian là 1. Quá trình giải mã Trong quá trình giải mã, chúng ta cần tìm theo ê công thức (2). Chúng tôi phát triển công cụ giải mã cho dịch thống kê dựa vào cụm dưa vào công cụ giải mã Pharaoh [3]. Để tích hợp mô hình HRM vào quá trình giải mã, chúng tôi tính điểm đảo trật tự cụm với mô

hình HRM (xác định ( | , )ii i ap o e f ).

Để tính toán những xác suất này, mô hình phải xác định các khối liên tiếp M hoặc S mà có thể kết hợp với nhau thành khối phân cấp. Chúng tôi đã sử dụng thuật toán như mô tả trong [2] để tính các xác suất trên.

Hình 3. Cụm phân cấp h1 và h2 biểu diễn “may

gio” and “khong” có hướng Swap (S). Trong khi h3 biểu diễn “?” có hướng là Monotone (M)

Chúng tôi sử dụng một thể hiện của thuật toán phân tích shift-reduce và dựa vào ngăn xếp (Stk) chứa chuỗi xâu nguồn mà đã được dịch. Mỗi lần, quá trình giải mã sẽ thêm khối mới vào giả thuyết dịch hiện thời, nó sẽ chuyển khối ngôn ngữ nguồn vào Stk, sau đó nó lặp đi lặp lại việc kết hợp hai phần tử trên đỉnh của ngăn xếp Stk nếu chúng là liên tiếp nhau. Chúng ta không cần lưu trữ ngôn ngữ đích bởi vì quá trình giải mã thực hiện từ trái qua phải và các khối thành công luôn luôn là liên tiếp nhau theo ngôn ngữ đích.

Với ví dụ: Cho ngôn ngữ nguồn tiếng Anh “Do you know what time the film begins?” và câu dịch tương ứng trong tiếng Việt là: “Ban biet bo_phim bat_dau may gio khong ?”. Chúng tôi minh họa các bước của quá trình dịch này. Hình 4 mô tả các bước thực thi của thuật toán này mà kết quả dịch được thể hiện trong hình 3 mà ở đây thực hiện quá trình giải mã của MHTKC và tích hợp mô hình đảo trật tự cụm phân cấp.

Cột đầu tiên biểu diễn cụm đích mà quá trình giải mã thực hiện từ trái qua phải. Cột thứ 3 bao gồm các toán tử chuyển- shift (S), kết hợp- reduce (R) và chấp nhận (A) của ngăn xếp Stk. Cột ngăn xếp (Stk) và cột cụm nguồn bao gồm các cận (span) của cụm nguồn (vị trí từ của cụm nguồn trong câu nguồn) mà ở đây


111

là các thông tin cần thiết để xác định hai khối có liên tiếp nhau hay không. Cột oi biểu diễn nhãn được dự đoán bởi mô hình phân cấp bằng cách so sánh khối hiện tại với khối phân cấp trên đỉnh của Stk.

Cụm nguồn

Source spans

Thực hiện iO Ngăn xếp

(Stk) Ban [2-2] S M Biet [3-3] R M [2-2]

bo_phim [6-7] S D [2-3]

bat_dau [8-8] R M [6-7], [2-3]

may_gio [4-5] R S [6-8], [2-3]

khong [1-1] R,R S [2-8] ? [9] R,A M [1-8]

Hình 4. Thuật toán phân tích shift - reducefor xác định khối phân cấp với ví dụ trong hình 3

Quá trình giải mã thành công khi đặt vào Stk các cận của cụm nguồn [2-2], [3-3] mà ở đây kết hợp 2 cụm này thành [2-3] và chúng tương ứng có hướng monotone (M). Tiếp theo là khối [6-7] tương ứng là hướng (D) nên ta đặt vào Stk. Tiếp theo, quá trình giải mã sẽ kết hợp khối [8-8] với [6-7] thành [6-8] với hướng M và sau đó kết hợp [4-5] với [6-8] thành [4-8] với hướng S. Và cuối cùng khi quá trình giải mã thực hiện tới cụm “khong”, tương ứng với cận của cụm nguồn [1-1] mà sẽ được kết hợp thành công với [2-8] sinh ra trong ngăn xếp Stk bao gồm [1-8].

Bảng 1. Kho dữ liệu và tập dữ liệu (đơn vị bằng số câu)

Corpus Sentence

pairs Training

set Dev set

Test set

General 55,341 54,642 200 499

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Tập dữ liệu

Chúng tôi thử nghiệm với cặp ngôn ngữ Anh-Việt. Chúng tôi sử dụng kho dữ liệu song ngữ Anh-Việt được tập hợp từ báo mới hàng ngày [10]. Kho dữ liệu này bao gồm 55,341 cặp câu song ngữ, được chia là 3 tập: huấn luyện, tập phát triển và tập thử nghiệm. Tập dữ liệu

được mô tả chi tiết trong bảng 1 và thông tin thống kê được mô tả trong bảng 2.

Điểm BLEU

Chúng tôi thử nghiệm trên PC với bộ vi xử lý Core 2- Duo 2.4 GZ, bộ nhớ 4 GB. Kết quả được thể hiện trên bảng 3. Chúng tôi chạy GIZA++[7] trong kho dữ liệu huấn luyện với cả hai hướng sử dụng các tham số mặc định, và ứng dụng luật “grow-diag-final” [6] để tạo ra gióng hàng từ tương ứng nhiều-nhiều cho mỗi cặp câu Anh-Việt. Về mô hình ngôn ngữ chúng tôi sử dụng công cụ mã nguồn mở SRILM [9]. Về đánh giá chất lượng dịch, chúng tôi sử dụng độ đo BLEU [8] mà được tính bởi công cụ Nist phiên bản 11b. Về phân tích các câu tiếng Anh trong tập huấn luyện, chúng tôi sử dụng một trong bộ phân tích thống kê tốt nhất hiện nay [1]. Sau đó chúng tôi trích trọn đặc trưng của các cặp ví dụ theo phương pháp của chúng tôi mô tả ở trên.

Kết quả về chất lượng dịch được mô tả trong bảng 3. Hệ thống baseline là hệ thông dịch thống kê dựa vào cụm thông thường [3]. Thêm vào đó, chúng tôi cũng so sánh hệ thống của chúng tôi với hai hệ thống: (1) hệ thông dịch dựa vào cụm tốt nhất hiện nay – Moses [5] mà ở đây có sử dụng mô hình đảo trật tự từ vựng; (2) hệ thống HRM mà ở đây hệ thống sử dụng mô hình đảo trật tự từ vựng phân cấp [2]. Ở đây chúng tôi cũng đánh giá hệ thống với từng loại đặc trưng bao gồm cả địa phương lẫn toàn cục.

Để đánh giá ảnh hưởng của các đặc trựng địa phương và toàn cục, chúng tôi thử nghiệm với 4 hệ thống sử dụng phương pháp trên bao gồm: “HW + TG + SL”, “HW + TG + SL + PF”, “HW + TG + SL + SBF”, HW + TG + SL + PF + SBF (tất cả đặc trưng)”. Điểm BLEU của hệ thống HRM và bốn hệ thống MEM tương ứng là 35.39, 36.14, 36.35, 36.51, 36.76 mà ở đây cải tiến 0.64, 1.39, 1.67, 1.58, 2.01 điểm so với hệ thống Moses. Điểm BLEU của hệ thống “HW + TG + SL” và “HW + TG + SL + PF + SBF” cải tiến 0.75 và 1.37 điểm BLUE so với hệ thống HRM.

Bảng 2. Thống kê thông tin về kho dữ liệu Anh – Việt


112

English Vietnamese Training Setences 54,642 Average sentence length 11.2 10.6 Words 614,578 580,754 Vocabulary 23,804 24,097 Test Sentences 499 Average sentence length 11.2 10.5 Words 5620 6240 Vocabulary 1844 1851

Bảng 3. Kết quả dịch với cặp ngôn ngữ Anh – Việt sử dụng các tập đặc trưng khác nhau

Corpus Method BLEU score

General Baseline 34.07

Moses 34.75

HRM 35.39

HW+TG+SL 36.14

HW+TG+SL+PF 36.51

HW+TG+SL+SBF 36.42

HW+TG+SL+PF+SBF (all) 36.76

Phương pháp của chúng tôi là hiệu quả (HW + TG + SL + PF + SBF – kết hợp tất cả các đặc trưng) cải tiến đáng kể so với mô hình HRM với 1.37 điểm BLEU tốt hơn. Một trong các nguyên nhân là số ví dụ của cặp cụm xuất hiện lớn hơn 10 lần là 0.1 % trong khi số ví dụ của cặp cụm xuất hiện 1 lần là

96.5%. Vì vậy, dẫn đến cách tính xác suất dựa vào tần suất với mô hình HRM sẽ lỗi do hiện tượng thưa dữ liệu.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu cải tiến mô hình đảo trật tự từ vựng. Chúng tôi mở rộng mô hình đảo trật tự cụm có phân cấp [2] sử dụng mô hình Maximum Entropy (ME) để đoán hướng và ước lượng xác suất . Với mô hình này, chúng ta có thể tích hợp thông tin giàu trí thức ngôn ngữ vào như các thuộc tính địa phương cũng như là toàn cục. Kết quả thử nghiệm với cặp ngôn ngữ Anh-Việt cho thấy cách tiếp cận của chúng tôi tốt hơn so với cách tiếp cận sử dụng mô hình từ vựng phân cấp [2]. Trong tương lai chúng tôi tiếp tục thử nghiệm với dữ liệu lớn hơn và các cặp ngôn ngữ khác như Việt-Nhật, Việt-Trung.

SUMMARY AN INTEGRATED APPROACH TO LANGUAGE OF INTELLECTUAL INTO THE STATISTICAL MACHINE TRANSLATION

Nguyễn Văn Vinh1, Lê Thu Trang2,*, Nguyễn Thị Xuân Hương3

1Trường Đại học Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội 2Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

3Trường Đại học Dân lập Hải Phòng

In this paper, we present a reordering model based on Maximum Entropy with local and non-local features. This model is extended from a hierarchical reordering model with PBSMT [2], which integrates rich syntactic information directly in decoder as local and non-local features of Maximum Entropy model. The advantages of this model are (1) maintaining the strength of phrase based approach with a hierarchical reordering model, (2) many kinds of rich linguistic information integrated in PBSMT as local and non-local features of MaxEntropy model. The experiment results with English-Vietnamese pair showed that our approach achieves significant improvements over the system which uses a lexical hierarchical reordering model [2]. Keywwords: Reordering model based, intellectual language.

* Tel: 0925009989


113


[1]. E. Charniak, “A maximum-entropy-inspired parser,” in Proceedings of the ANLP-NAACL 2000, 2000, pp. 132–139. [2]. M. Galley and C. D. Manning, “A simple and effective hierarchical phrase reordering model,” in Proceedings of the 2008 Conference on Empirical Methods in Natural Language Processing, pp. 848–856 [3]. P. Koehn, “Pharaoh: A beam search decoder for phrase-based statistical machine translation models,” in Proceedings of AMTA, 2004, pp. 115–124. [4]. P. Koehn, A. Axelrod, A. B. Mayne, C. Callison-Burch, M. Osborne, D. Talbot, and M. White, “Edinburgh system description for the 2005 nist mt evaluation,” in Proceedings of Machine Translation Evaluation Workshop 2005. [5]. P. Koehn, H. Hoang, A. Birch, C. Callison-Burch, M. Federico, N. Bertoldi, B. Cowan, W. Shen, C. Moran, R. Zens, C. Dyer, O. Bojar, A. Constantin, and E. Herbst, “Moses: Open source toolkit for statistical machine translation,” in Proceedings of ACL, Demonstration Session, 2007. [6]. P. Koehn, F. J. Och, and D. Marcu, “Statistical phrase-based translation,” in Proceedings of HLT-NAACL 2003. Edmonton, Canada, 2003, pp. 127–133 [7]. F. J. Och and H. Ney, “A systematic comparison of various statistical alignment

models,” Computational Linguistics, vol. 29, no. 1, pp. 19–51, 2003. [8] K. Papineni, S. Roukos, T. Ward, and W. J. Z. 2002, “Bleu: a method for automatic evaluation of machine translation,” in Proc. of the 40th Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics (ACL). Philadelphia, PA, July, 2002, pp. 311–318. [9]. A. Stolcke, “Srilm - an extensible language modeling toolkit,” in Proceedings of International Conference on Spoken Language Processing, vol. 29, 2002, pp. 901–904 [10]. P. T. Nguyen, A. Shimazu, L.M. Nguyen, and V. V. Nguyen, “A syntactic transformation model for statistical machine translation,” International Journal of Computer Processing of Oriental Languages (IJCPOL), vol. 20, no. 2, pp. 1–20, 2007. [11]. C. Tillmann, “A unigram orientation model for statistical machine translation,” in Proceedings of HLT-NAACL 2004: Short Papers, pp. 101–104. [12]. D. Xiong, Q. Lui, and S. Lin, “Maximum entropy based phrase reordering model for statistical machine translation,” in Proceedings of ACL’06, 2006, pp. 521–528. [13]. R. Zens and H. Hey, “Discriminative reordering models for statistical machine translation,” in Proceeding of the Workshop on Statistical Machine Translation, 2006, pp. 55–63. [14]. http://translate.google.com [15]. http://www.microsofttranslator.com/


Phản biện khoa học: TS. Vũ Vinh Quang – Trường ĐH Công nghệ thông tin & TT – ĐHTN


114

Nguyễn Thị Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 115 - 121

115

NGHIÊN CỨU CHIẾN LƯỢC TỐI ƯU HÓA TRONG ĐIỀU KHI ỂN DỰ BÁO

Nguyễn Thị Mai Hương, Mai Trung Thái,

Lê Thị Huyền Linh, L ại Khắc Lãi* Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên; Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Tối ưu hóa trong điều khiển dự báo là một vấn đề khó đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Bài báo này, chúng tôi đưa ra những nghiên cứu tổng quan về các phương pháp tối ưu hóa phổ biến được sử dụng trong điều khiển dự báo đối với cả MPC tuyến tính và MPC phi tuyến. Từ khoá: Điều khiển dự báo,Tối ưu hóa, MPC tuyến tính, MPC phi tuyến.

GIỚI THIỆU CHUNG*

Lịch sử điều khiển tối ưu bắt đầu từ thập niên 60 khi xuất hiện 2 bài báo của Kalman. Hai bài báo này có tầm ảnh hưởng đáng kể đối với các nhà nghiên cứu về điều khiển tối ưu, là tiền đề cho sự phát triển của bộ điều khiển LQG (Linear Quadratic Gauss) mà sau này áp dụng lý trong thuyết điều khiển dự báo theo mô hình (MPC - Model Preditive Control). MPC về cơ bản là một dạng của bộ điều khiển LQG có bổ sung thêm các ràng buộc trong phạm vi dự báo hữu hạn. Có thể hiểu:

MPC tuyến tính tầm vô hạn = LQG đơn giản

Thập niên 70, MPC mới chỉ được sử dụng đối với các đối tượng biến đổi chậm, vì thủ tục tối ưu hóa sẽ được lặp đi lặp lại ở mọi bước. Cho tới thập niên 90, khi tốc độ tính toán của máy tính nhanh hơn thì MPC được áp dụng với nhiều loại đối tượng mà đặc tính động học nhanh như máy bay, robot, vệ tinh nhân tạo, máy móc tự động, … Khi áp dụng luật điều khiển rất nhiều vấn đề lý thuyết nảy sinh với MPC. Một trong các vấn đề chính là tìm ra thuật toán tối ưu thích hợp để giảm các sai số trong tương lai.

Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra những nghiên cứu tổng quát về các kỹ thuật tối ưu hóa phổ biến được sử dụng trong điều khiển dự báo. Các ứng dụng cho đối tượng cụ thể sẽ được công bố trong các bài báo tiếp sau.


CHIẾN LƯỢC TỐI ƯU HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình là sử dụng một mô hình quá trình rõ để dự báo đáp ứng tương lai của đối tượng. Bộ tối ưu hóa giải quyết một bài toán tối ưu, trong mỗi chu kì lấy mẫu của hệ thống điều khiển thông qua việc tính toán điều chỉnh chuỗi biến điều khiển tương lai, nhằm tối ưu hóa hoạt động của đối tượng ở mỗi một chu kì. Giá trị đầu tiên của chuỗi tối ưu được đưa tới điều khiển đối tượng, quá trình tính toán này sẽ được lặp lại trong mỗi chu kỳ tiếp theo. Hoạt động của MPC được biểu diễn như Hình 1.

Hình 1. Hoạt động MPC

Đặt Y là đầu ra của quá trình và u là đầu vào bộ điều khiển

1 2

1 2

( ) ( ) ( 2 ) ...

( ) ( 2 ) ....mongmuonY t a u t h a u t h

b y t h b y t h

= − + − +

+ − + − +

1 2

1 2

' '

' '

( ) ( ) ( 2 ) ...

( ) ( 2 ) ....

DubaoY t a u t h a u t h

b y t h b y t h

= − + − +

+ − + − +

(1)

(2)


116

trong đó t = t – h là bước thời gian. Phương trình (1) miêu tả hoạt động vào/ra của hệ thống. Phương trình (2) biểu diễn hoạt động tương lai của hệ thống dự báo dựa trên đầu vào quá khứ của hệ thống u(t - h) và đầu ra y(t - h). Sai số giữa đầu ra dự báo và đầu ra mong muốn:

( ) ( ) ( )

( ) ( )Dubao mongmuon

toiuu

e t Y t Y t

U t ce t

= −

=

Phương trình (4) chỉ ra tỉ lệ sai số c và dự báo đầu vào tối ưu tính toán Utốiuu(t) dựa trên tính toán trước đó. Phương trình (1), (2), (3) và (4) miêu tả hoạt động của hệ thống đối với mỗi chu kì lấy mẫu ở tương lai. Thực hiện lặp 4 phương trình trên tại các khoảng thời gian t + h, t + 2h, …để dự báo tín hiệu vào/ra tương lai của hệ thống có thể mô tả sơ lược như trong hình 1. Việc lặp các chu kì nhận được các sai số e(t), e(t + h), e(t + 2h) cho mỗi chu kì lấy mẫu. Để tối ưu hóa hệ thống (cực tiểu hóa sai số giữa đầu ra dự báo và tác động mong muốn) ta định nghĩa hàm số dư tương lai của hệ thống:

Số dư = e2(t+ih), i=0, 1, …, n

Mục tiêu là sử dụng các thuật toán tối ưu gần đúng và tìm các đầu vào tương lai sao cho cực tiểu hóa số dư, nghĩa là tìm cực tiểu (số dư). Tiến trình tối ưu hóa được miêu tả trong hình 2.

Hình 2. Tiến trình tối ưu hóa MPC

Sau đây trình bày ngắn gọn việc sử dụng các phương pháp tối ưu áp dụng cho MPC tuyến tính và MPC phi tuyến.

MPC tuyến tính Bài toán tối ưu hóa trong MPC tuyến tính Xét hệ thống thời gian bất biến và rời rạc sau:

1t t t

t t

x Ax Bu

y Cx+ = +=

với các điều kiện ràng buộc:

min max

min max

t

t

y y y

u u u

≤ ≤≤ ≤

trong đó ,n mt tx u∈ℜ ∈ℜ và p

ty ∈ℜ là các

véc tơ trạng thái, véc tơ đầu vào và vec tơ đầu ra. Chỉ số dưới min và max biểu thị giới hạn dưới và giới hạn trên. Nói chung, tối ưu hóa trong MPC tuyến tính là cực tiểu hóa phiếm hàm mục tiêu có dạng:

t tJ x Qx u Ru= +

Đa số các ứng dụng MPC trong công nghiệp sử dụng các mô hình thực nghiệm tuyến tính, vì vậy hầu hết các sản phẩm MPC và các thuật toán tối ưu đều dựa trên loại mô hình này. Các phương pháp tối ưu hóa đối với MPC tuyến tính Khó khăn lớn nhất trong MPC là tìm ra cách nhanh nhất để tối ưu hóa khi thời gian yêu cầu để giải thuật toán tối ưu rất ngắn. Vì thế mà chúng ta cần sử dụng giải pháp tối ưu hóa thời gian thực. Đôi khi để giảm mức độ phức tạp chúng ta tìm kiếm bằng giải pháp cận tối ưu, với các điều kiện ràng buộc là tuyến tính. Đối với MPC tuyến tính giải pháp tối ưu thường được biểu diễn ở dạng toàn phương hoặc một chuẩn tuyến tính, vì vậy mà kết quả của bài toán tối ưu có thể được lập trình toàn phương (QP) hoặc lập trình tuyến tính (LP). Lập trình tuyến tính (LP): Một số tác giả đã nghiên cứu tối ưu hóa MPC dựa trên lập trình tuyến tính [1]. Xét hàm mục tiêu dạng:

1

0

min minN

N k kk

J Px Qx Ru−

∞ ∞= ∞

= + +∑

với điều kiện ràng buộc W ( )zG Sx t≤ +

Luật MPC được định nghĩa bởi giải pháp lập trình tuyến tính [2]. Schechter [2] đã chứng minh điều này đúng với bất kì tổng các giá trị hàm Afin (Affine) từng đoạn lồi.

(3)

(4

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11

Hệ thống tối ưu hóa

Số dư cực tiểu (bằng việc lặp liên tục các phương trình (1), (2), (3) và (4))

to iuuU ( t ) ce ( t )=

C=Csốdư

D(số dư)/dt


117

Phương pháp đại số: Xét hàm mục tiêu sau: 1

' ' '

0

miny

y y y

N

t k t kt N t t N t t N t t k tk

J x Px x Qx x Ru−

+ ++ + + +=

= + +∑

các điều kiện ràng buộc

min max

min max

, 1,2,...,

, 0,1,...,t c

t c

y y y k N

u u u k N

≤ ≤ =≤ ≤ =

và động học hệ thống

1 , 0,

, 0,

, ,

t k t kt k t

t k t t k t

t k u yt k t

x Ax Bu k

y Qx k

u Kx N k N

+ + ++

+ +

+ +

= + ≥

+ ≥

= ≤ ≤

trong đó các ma trận ' '0, 0Q Q R R= ≥ = ≥ và

0P≥ . Nu, Ny, Nc là phạm vi đầu vào, phạm vi đầu ra và phạm vi điều kiện ràng buộc sao cho

y uN N≥ và 1c yN N≤ − . Giải bài toán (12),

tiến hành lặp ở mỗi thời điểm t đối với giá trị đo được hiện thời xt và biến trạng thái dự báo,

1 ,...,t t kt tx x+ + ở các bước thời gian t + 1, …,

t + k và đạt được các hoạt động điều khiển tối ưu tương ứng * * *

1,...,t t kU u u+ −= . Đầu vào dự

báo đầu tiên được đưa vào hệ thống cụ thể là ut = u

*t , tiến hành lặp ở thời điểm t + 1 dựa

trên trạng thái mới xt+1.

Việc điều khiển ma trận hàm mục tiêu P và hệ số phản hồi trạng thái K thường được sử dụng để đảm bảo ổn định vòng kín của hệ thống (12). Giải pháp đại số của hệ thống phụ thuộc vào việc tìm kiếm các giá trị của ma trận P và Q. Để tìm P ta dùng giải pháp rời rạc hóa phương trình Lyapunov: P = A’PA + Q

Giả sử bài toán không ràng buộc, tầm vô hạn, nghĩa là c u yN N N= = =∞ chúng ta có thể tìm

hệ số phản hồi trạng thái K bằng việc giải phương trình Ricatti:

' 1 '

' '

( ) ,

( ) ( )

K R B PB B PA

P A BK P A BK K RK Q

−= − += + + + +

Giải phương trình Lyapunov và các phương trình Ricatti là phương pháp phổ biến nhất để

tìm các giá trị của ma trận K và P [4], thực hiện tương tự ta giải được bài toán đại số.

Lập trình toàn phương (QP): Rawins và Morari [3] đã chứng minh rằng MPC tuyến tính có thể được gọi là bài toán lập trình toàn phương (QP). Nếu chúng ta đưa mối liên hệ

dưới đây 1

1 10

kk j

t t t k kjtj

x A x A Bu−

+ + −=

= +∑

vào trong hệ thống được miêu tả bởi phương trình (12) sẽ được biểu thức tối ưu hóa lập trình toàn phương sau:

* ' ' '1 1( ) min ( )

2 2t t tJ x U HU x FU x Yx t= + +

điều kiện ràng buộc là W ( )zG S x t≤ +

trong đó '' '

1,...,u

st t NU u u+ − ∈ℜ≜ và us mN≜ là

vectơ của các biến tối ưu, ' 0H H= ≻ , các ma trận H, P, Y, G, W, E thu được từ ma trận ràng buộc trạng thái S và ma trận đầu vào R. MPC áp dụng được nhờ giải quyết bài toán QP (13), lặp tại mỗi thời điểm 0t ≥ đối với giá trị trạng thái hiện thời xt. Mặc dù bộ giải phương trình QP là giải được nhưng việc tính toán đầu vào ut trực tuyến phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ tính toán [5].

Lập trình toàn phương đa tham số (Multi Parametric Quadratic Programming) (mp-QP)

Mục đích của MPC là giảm thời gian tối ưu hóa trực tuyến bởi vì hệ thống hoạt động ở thời gian thực. Ngày nay, những nghiên cứu quan trọng đưa ra nhiều thuật toán tối ưu hóa hiệu quả. Tác giả Bemporad [4], [6] đã giải quyết bài toán (12) bằng cách lập trình toàn phương đa tham số. Bảng 1 dưới đây đưa ra các ưu, nhược điểm của các phương pháp điều khiển tối ưu trong MPC tuyến tính

Bảng 1

P. pháp đại số

P. pháp LP

P. pháp QP

PP. ràng buộc QP

Độ khó Nhỏ T. bình Lớn Lớn hơn TƯ hóa Không Có Tốt hơn Tốt hơn ĐK ràng

buộc Không Có Không Có

Lập trình toàn phương đa tham số (mp-QP) thì tránh được hiện tượng tối ưu hóa. Biến đổi

(12)

(13)


118

bài toán QP (13) bên trong bài toán tối ưu hóa đa tham số thông qua việc biến đổi tuyến tính sau: 1 '

tx U H F x−+≜ trong đó z∈ℜ là

tham số biến tối ưu. Vấn đề QP (13) có thể được biểu diễn thành vấn đề mp-QP:

'1( ) min

2z t zV x zH=

điều kiện ràng buộc W ( )zG Sx t≤ + trong

đó xt là vec tơ tham số và 1 'S E GH F−= + .

Ưu điểm của công thức này là xt chỉ xuất hiện trong vế phải của điều kiện ràng buộc và không xuất hiện trong hàm mục tiêu. Khác với phương trình (13) véc tơ trạng thái xt xuất hiện ở vế phải của cả điều kiện ràng buộc và ở hàm mục tiêu. Vì vậy mà trong phương trình (14) z có thể đạt được như hàm Afin của x đối với không gian cho phép hoàn thiện của x [5]. Tác giả Vassilis đã chứng minh rằng tập hợp các tham số

fX X⊆ lồi, giải pháp tối

ưu ( ): fz x X →ℜ liên tục và affine từng đoạn,

hàm mục tiêu tối ưu hóa ( ):z fV x X →ℜ liên tục,

lồi và toàn phương từng đoạn.

Ưu điểm của phương pháp này là dễ cài đặt và thực hiện đánh giá trực tuyến nhanh hơn. Nhược điểm là trạng thái của hệ thống tăng, phạm vi điều khiển lớn hơn vì thế thực hiện cài đặt thuật toán khó khăn hơn.

MPC phi tuyến

Bài toán tối ưu hóa trong MPC phi tuyến

MPC đã trở lên rất hấp dẫn với chiến lược điều khiển phản hồi, đặc biệt đối với các quá trình tuyến tính. Tuy nhiên, các mô hình tuyến tính không đủ tốt để miêu tả đặc tính động học quá trình khi yêu cầu sản phẩm chất lượng cao và tăng năng suất, các quy định môi trường chặt chẽ và yêu cầu về tính kinh tế trong các quá trình công nghiệp đòi hỏi các hệ thống phải hoạt động khép kín trong phạm vi cho phép, vì thế các mô hình phi tuyến được sử dụng.

Cấu trúc cơ bản của NMPC được miêu tả như hình 3.

Sơ đồ NMPC cơ bản làm việc như sau:

1) Tính toán giá trị đặt/ước lượng trạng thái của hệ thống.

2) Tính toán tín hiệu đầu vào tối ưu thông qua việc cực tiểu hóa hàm mục tiêu đã cho trên phạm vi dự báo bền vững trong tương lai sử dụng một mô hình hệ thống.

3) Cài đặt tín hiệu đầu vào tối ưu đầu tiên cho đến khi đạt được giá trị đo mới/ ước lượng trạng thái mới của trạng thái có giá trị.

4) Tiếp tục với bước 1

Quá trình

Ước lượng

trạng thái

Bộ điều khiển NMPC

Tối ưu

Mô hình hệ

thống

Hàm mục tiêu

+ các ràng

buộc

Tính toán giá

trị đặt

u y

x

spx

Hình 3. Cơ sở vòng lặp điều khiển NMPC

* Xét hệ thống phi tuyến được miêu tả bởi các phương trình rời rạc:

1 1

1

( , )

( )xk t k k

kk k

x f x u

y g x

− −

−

=

=

Điều kiện ràng buộc

min ax

min ax

mm

nm

U u u u u

X x x x x

= ∈ℜ ≤ ≤

= ∈ℜ ≤ ≤

trong đó xk là vec tơ trạng thái, uk là vec tơ đầu vào điều khiển, yk là vec tơ đầu ra, tx là thời gian lấy mẫu, 1k k− chỉ số dưới được

dùng để chỉ ra giá trị dự báo ở bước thứ k dựa trên giá trị đo được ở bước thứ k-1. Ở đây umin, umax và xmin, xmax là các vec tơ hằng. Sai số mô hình được tính toán bởi phương trình:

1k k k kd y y −= −

Mục tiêu là cực tiểu hóa sai số sao cho nhận được đầu ra tối ưu như phương trình sau:

1

11

( )

( )xk t k k

k kk k

x f x u

y g x d

+

++

=

= +

Bài toán điều khiển tối ưu được mô tả trong miền thời gian rời rạc:

(14


119

1

, ,0

min e ( , , ) ( )N

i i i i Nx z u

i

imiz L x z u E x−

=

+∑

Điều kiện ràng buộc

0 0

1

0

( , , ) 0, 0,..., 1

( , , ) 0, 0,..., 1

( , , ) 0, 0,..., 1

( ) 0

i i i i i

i i i i

i i i i

N

x x

x f x z u i N

g x z u i N

h x z u i N

r x

+

− =− = = −

= = −≤= = −

≤

Các phương pháp tối ưu hóa đối với MPC phi tuyến Bài báo này chúng tôi đưa ra 2 phương pháp để giải bài toán NMPC

+ Tối ưu hóa kiểu Newton

+ Phương pháp số

Tối ưu hóa kiểu Newton: Phương pháp Newton để giải phương trình phi tuyến R(W)=0 bắt đầu với ước đoán ban đầu W0 và tạo thành một chuỗi lặp Wk mà mỗi chuỗi lặp này giải quyết sự tuyến tính hóa của hệ thống ở các lần lặp trước đó, cụ thể là với Wk đã cho thì lần lặp tiếp theo Wk+1 sẽ thỏa mãn

1( ) ( ) ( ) 0k k T k kR W W W W++ ∇ − =

Phương pháp Newton có tỉ lệ hội tụ toàn phương cục bộ mà khả năng hội tụ nhanh như khi thực hiện bất kì phương pháp số nào đã được phân tích trong [7]. Nếu Jacobi

( )k TR W∇ không tính được hoặc nghịch đảo không chính xác, dẫn đến tỉ lệ hội tụ chậm hơn thì việc lặp vô giá trị và phải tăng số lớp “phương pháp kiểu Newton” rộng hơn. Phương pháp này được đề cập rất chi tiết trong tài liệu [8].

Bài toán NMPC có cấu trúc đặc biệt của bài toán phi tuyến chung

( ) 0min e ( ) .

( ) 0x

G Ximiz P X s t

H X

= ≤

đối với giải pháp tối ưu X* phải thỏa mãn các điều kiện của Karush-Kuhn-Tucker (KKT) là:

* * *

*

* *

( , ) 0

( ) 0

0 ( ) 0

z X

G X

H X

λ µ

µ

∇ = =

=≥ ⊥ ≥

Ở đây chúng ta sử dụng định nghĩa Hàm Lagrange

( , , ) ( ) ( ) ( )T TX F X G X H Xλ µ λ µ= + +lvà biểu tượng ⊥ giữa hai vec tơ trong bất phương trình (23) biểu thị điều kiện bổ sung thêm cũng nên được duy trì.

Tất cả các kiểu tối ưu hóa của Newton cố gắng tuyến tính hóa các hàm toán và sử dụng phương pháp lập trình toàn phương liên tiếp (SQP, Sequential Quadratic Programming).

a1. Lập trình toàn phương liên tiếp

Bước đầu tiên để giải hệ thống Karush-Kuhn-Tucker (KKT) là tuyến tính hóa tất cả các hàm phi tuyến từ (21) đến (23) bằng cách sử dụng các điều kiện của lập trình toàn phương (QP).

( ) ( ) ( ) 0min e ( )

( ) ( ) ( ) 0

k k k T kQPk

QP k k k T kXQP

G X G X X Ximiz P X

H X H X X X

+ ∇ − =

+ ∇ − ≤

với hàm mục tiêu

2

1( ) ( ) ( ) ( )

2

( , , )( )

k k T k TQP

k k k kx

F X H X X X X

X X Xλ µ

= ∇ + −

∇ −l

2 ( , , )k k kx X λ µ∇ l được gọi là ma trận Hessian

bán hữu hạn dương, QP lồi vì vậy giải pháp tổng thể có thể tìm được đáng tin cậy. Phương pháp xấp xỉ tổng quát áp dụng cho bài toán tối ưu hóa phi tuyến được gọi là lập trình toàn phương liên tiếp (SQR).

a2. Phương pháp SQP kinh điển của Powell Một trong những người thành công nhất sử dụng biến thể SQP là Powell [10]. Ông đã sử dụng chính xác điều kiện ràng buộc Jacobi để lặp ma trận Hessian 2 ( , , )k k k

x X λ µ∇ l bằng

việc xấp xỉ Ak. Mỗi lần xấp xỉ tiếp theo ma trận Hessian thu được là Ak+1 từ lần xấp xỉ trước đó Ak bằng một công thức cập nhật mà sử dụng Lagrange gradients.

1 1 1 1 1( , , ) ( , , )k k k k k kz zX Xγ λ µ λ µ+ + + + += ∇ −∇l l

Mục tiêu của phương pháp Quasi-Newton hoặc phương pháp Variable-Metric là lựa chọn thông tin thứ 2 trong Ak+1 sao cho thỏa mãn phương trình cát tuyến 1kA σ γ+ =

Việc sử dụng rộng rãi phương pháp cập nhật là Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)


120

1( )( )

TTk kk

k TT k

A AAA

A

σσγγσ σγ σ+

+= −

Phương pháp Quasi-Newton hội tụ tuyến tính rất nhanh dưới các điều kiện mềm, và có ảnh hưởng rất lớn trong miền tối ưu hóa phi tuyến. Thành công cần kể đến là bộ chương trình NPSOL và SNOPT đối với NLPs tổng quát [9], và MUSCOD-II [12] cho điều khiển tối ưu. a3. Phương pháp Gauss-Newton ràng buộc Thành công đặc biệt của biến thể SQP là điều kiện ràng buộc hoặc mở rộng phương pháp Gauss-Newton dựa trên sự xấp xỉ Hessian. Nó được ứng dụng khi hàm mục tiêu là tổng của chuẩn bậc hai

2

2

1( ) ( )2

F X R X=

Trong trường hợp này định nghĩa hàm Hessian như sau:

( ) ( )k k TkA R X R X= ∇ ∇

tương ứng với hàm mục tiêu QP là 2

2

1( ) ( ) ( ) ( )2

k k T kkQ P

F X R X R X X= + ∇ −

Phương pháp Gauss-Newton ràng buộc chỉ hội tụ tuyến tính nhưng với tỉ lệ rút gọn rất nhanh. Phương pháp SQR Newton sử dụng xấp xỉ Hessain đạt được kết quả tốt như dùng phương pháp Jacobi ràng buộc đã được phân tích trong [10]. Sử dụng việc xấp xỉ Ak, bk, ck của ma trận Hessian mà đã được định nghĩa trong SQP và gọi là “biến đổi gradient”.

( , , )k k k k kk z k ka X B Cλ µ λ µ= ∇ − −l

đối tượng QP được định nghĩa như sau

d

1( ) ( ) ( )

2k T k T k

a jQP k kF X a X X X A X X= + − −

và đây là phương trình QP được giải ra trong mỗi lần lặp

d

( ) ( ) 0min ( ) .

( ) ( ) 0

k T kk k

a jQP k T kxk

G X B X Ximize F X s t

H X C X X

+ − = + − ≤

Phương trình này đã dùng sự biến đổi gradient ak cho phép hội tụ địa phương đối với các giải pháp phi tuyến ban đầu NLP thậm chí có xuất hiện cả bất phương trình ràng buộc Jacobi [10].

Phương pháp số Khi tối ưu hóa Newton được áp dụng cho bài toán điều khiển tối ưu (15)-(20). Bằng việc sử dụng chuỗi xấp xỉ, trong đó tất cả các biến trạng thái x, z được loại bỏ và chương trình con tối ưu hóa chỉ có thể thấy được ở các biến điều khiển u, cấu trúc bài toán điều khiển tối ưu đặc biệt có vai trò nhỏ. Vì vậy, luật off-the-shelf có thể được sử dụng. Điều này dễ dàng cài đặt trong thực tế và cũng là lí do tại sao chuỗi xấp xỉ lại được sử dụng rất nhiều. b1. Bài toán điều khiển tối ưu tuyến tính hóa: Chúng ta nhắc lại bài toán điều khiển tối ưu tuyến tính (15)-(20) với phương pháp SQP, mà cấu trúc là QP. Nó đưa ra cấu trúc hệ thống động học Hessian của phương trình Lagrangian tương tự như cấu trúc tách kênh của hàm mục tiêu Hessian (26) ban đầu, vì vậy mà đối tượng QP toàn phương vẫn được biểu diễn là tổng của các giá trị từng đoạn toàn phương tuyến tính, điều này được Bock và Plitt lần đầu tiên quan sát được [11]. Vì vậy mà bài toán con QP có dạng dưới đây:

1

,, ,

0

min ( , , ) ( )N

QP i i i i Q Nx u z

i

imize L x u z E P x−

=

+∑

Điều kiện ràng buộc 0 0 0x x− = '

1

'

'

'

0, 0,..., 1,

0, 0,..., 1,

0, 0,..., 1,

0

x z ui i i i i i i i

x z ui i i i i i i

x z ui i i i i i i

zx

x f F x F z F u i N

g G x G z G u i N

h H x H z H u i N

r R

+ − − − − = = −

− − − = = −

− − − = = −

+ ≤

Điều này chủ yếu giảm QP có thể được giải quyết bằng phương pháp nén hoặc bằng cách sử dụng cấu trúc dải. KẾT LUẬN Trên đây là nghiên cứu tổng quan một số chiến lược tối ưu hóa áp dụng trong điều khiển dự báo tuyến tính và phi tuyến. Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng. Với công nghệ tính toán của máy tính ngày càng nhanh hơn, cho phép ta có thể áp dụng các chiến lược tối ưu này để xây dựng MPC cho các đối tượng trong thực tế. Hiện nay, các nghiên cứu về MPC tập trung vào một số hướng chính như: Cải tiến, nâng cao tốc độ của thuật toán tối ưu; tìm ra các chiến lược tối ưu mới tốt hơn, tính toán nhanh hơn; tối ưu hóa thích nghi trực tuyến.

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)


121


[1]. C.V. Rao and J.B. Rawlings., “Linear Programing and Model Predictive control,” J.process Control, 10: pp. 283- 289, 2000. [2]. M.Schechte, “Polyhedral functions and multiparametric linear programming” Journal of Optimization Theory and Applications, 53(2), pp.269-280, May 1987. [3]. D.Q. Mayne, J.B. Rawlings, C.V. Rao, P.O.M. Scokaert, “Constrained model predictive control: Stability and optimality,” Automatica 36, pp. 789-814, 2000. [4]. Bemporad, A., Morari, M., Dua, V. and Pistikopoulos, E. N., “The explicit linear quadratic regulator for constrained systems,” Automatica, 38, pp. 3-20, 2002. [5]. Vassilis Sakizlis, Konstantinos I. Kouramas, Efstratios N. Pistikopoulos, “Linear Model Predictive control via Multiparametric Programing,” Book: Process Systems Engineering: volume 2: Multiparametric Model Based Control, Chapter I, Wiley, March 2007. [6]. Pistikopoulos, V. Dua, N.A Bozinis, A. Bemporad, M. Morari “On-line optimization via off-line parametric optimization tools” Computers and Chemical Engineering, vol.26, no.2, pp.175-185,2002. [7]. Findeisen, Frank Allgover, “Nonlinear Model Predictive control: A sampled-Data Feedback Perspective” Institute for Systems Theory in

Engineering, University of Stuttgart, 70550 Stuttgart, Germany.

[8]. Deufihard, Newton Methods for nonlinear Problems, Springer., New York, 2004.

[9]. Gill, P.E., Murray., Saunders, M.A, “SNOPT: An SQP algorithm for largescale constrained optimization”. Technical report, Numerical Analysis Report 97-2. Department of Mathematics, University of California, San Diego, La Jolla, CA, 1997.

[10]. Bock, H. G., Dichl, M., Kostina, E.A., Schloder, J.P, “Constrained optimal feedback control of systems governed by large differential algebraic equations,” Real-time and online PDE-Constrained Optimization, pp. 322. SIAM, Philadelphia, 2007.

[11]. Bock, H.G., Plitt, K.J, “A multiple shooting algorithm for direct solution of optimal control problems,” Proceedings 9th IFACWorld Congress Budapest, pp. 243247. Pergamon Press, Oxford, 1984.

[12]. Leineweber, D. B., Bauer, I., Schafer, A.A.S., Bock, H.G, Schloder, J.P, “An efficient multiple chooting based reduced SQP strategy for large-scale dynamic process optimization (part I and II)”. Computers and Chemical Engineering, 27, 157174, 2003.

ABSTRACT OPTIMIZATION STRATEGY IN MODEL PREDICTIVE CONTROL ( MPC)

Nguyen Thi Mai Huong1, Mai Trung Thai 1, Le Thi Huyen Linh 1, Lai Khac Lai2,*

1College of Technology – TNU; 2Thainguyen University Optimization in Model Predictive Control is a difficult issue which is being reseached by a lot of scientists both inside and outside the country. In this article, we mention a general survey covering common optimization methods used in MPC with both linear MPC and nonlinear MPC. Keywords: Predictive control, Optimization, linear MPC, nonlinear MPC.


Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên



122

Phan Đình Kỳ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 123 - 127

123

ĐIỀU KHI ỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG DỰA TRÊN BỘ ĐIỀU KHI ỂN MỜ LAI

Phan Đình Kỳ1, Lại Khắc Lãi2,*

1Trường Cao đẳng Nghề Yên Bái; 2Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Hệ truyền động qua bánh răng là một trong những hệ cơ cấu chấp hành thường gặp nhất trong các loại máy móc. Với những bài toán đòi hỏi độ chính xác cao, với giả thiết không thể đo được chính xác các momen ma sát, biến dạng đàn hồi, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánh răng, người ta phải sử dụng kèm thêm cùng với giải pháp cơ khí là các bộ điều khiển điện, điện tử để có thể dễ dàng cài đặt được các phương pháp điều khiển chỉnh định, nhằm bù lại lượng sai lệch mà các thiết bị cơ khí không giải quyết được. Bài báo trình bày một phương pháp điều khiển mới, nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động qua bánh răng bằng bộ điều khiển mờ lai. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink đã cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất. Từ khóa: Fuzzy Logic Controller, Gear systems, The method for control gear system, PID controler.

ĐẶT VẤN ĐỀ* Truyền động bánh răng là một trong những hệ truyền động có khe hở, được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và đời sống hiện nay. Với những ưu điểm vượt trội có thể kể đến như: Đảm bảo tương đối độ chính xác truyền động vì ít bị trượt. Tỉ số truyền cố định. Có thể sắp đặt vị trí tương đối giữa cặp bánh răng ăn khớp theo những góc mong muốn trong không gian (song song, chéo hay vuông góc với nhau). Hiệu suất cao 0,96 ÷ 0,98 , thậm chí 0,99 cho một cặp bánh răng. Kích thước bộ truyền tương đối nhỏ gọn, khả năng tải lớn. Tuổi thọ và độ tin cậy tương đối cao. Làm việc trong phạm vi công suất, tốc độ và tỉ số truyền khá rộng. Tuy nhiên dù công nghệ chế tạo bánh răng có hiện đại đến bao nhiêu đi chăng nữa thì khi lắp ráp, vận hành hệ truyền động bánh răng ít nhiều vẫn phát sinh tải trọng động lực học, gây va đập rung động gây ứng suất tập trung trên phần làm việc của răng, có thể làm gãy hoặc sứt mẻ răng, gây ra tiếng ồn, đồng thời phát sinh nhiệt. Sự không phù hợp giữa góc quay của bánh dẫn và bánh bị dẫn, dẫn tới sai số tương đối trong các khâu, v.v…


Để khắc phục những ảnh hưởng nêu trên, người ta thường sử dụng một số biện pháp về cơ khí như tăng độ chính xác khi chế tạo; sử dụng bánh răng nghiêng, sử dụng răng có biên dạng phức tạp, v.v… Đặc biệt trong những năm gần đây, một số nghiên cứu [1], [2], [3], [4] đã đưa ra giải pháp, kết hợp với các biện pháp cơ khí là sử dụng thêm các bộ điều khiển bằng điện. Bài báo đề xuất phương pháp sử dụng bộ điều khiển mờ lai cho hệ truyền động qua bánh răng, nhằm giảm thiểu đến mức tối đa những ứng suất và rung động cơ học đồng thời bù lại những sai số về độ trượt của tốc độ quay giữa trục chủ động và trục bị động. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG [1] Việc xây dựng mô hình toán học là cần thiết, giúp cho ta có thể sử dụng biện pháp điều khiển để nâng cao chất lượng hệ truyền động, giảm sự ảnh hưởng của sai số cơ khí không thể khắc phục được bằng phương pháp cơ học.

Hình 1. Cấu trúc vật lý của hệ truyền động

qua một cặp bánh răng


124

Mô hình toán ở chế độ tổng quát Xét một hệ truyền động bánh răng đơn giản có cấu trúc vật lý như hình 1. Trong đó: DC là động cơ phát động mômen Md cho bánh răng 1. Jd, J1, J2 lần lượt là mômen quán tính của động cơ, bánh răng 1 và bánh răng 2. Mc là mômen cản, bao gồm cả mômen tải. Mms1 và Mms2 là mômen ma sát trong các ổ trục bánh răng. Nếu gọi :

1 1 2 2;ω = ϕ ω = ϕɺ ɺ là vận tốc góc

tương ứng của hai bánh răng. rL1, rL2: Là bán kính lăn tương ứng của hai bánh răng (bán kính ngoài). r01, r02: Là bán kính cơ sở của hai bánh răng (bán kính trong). i12 là tỷ số truyền từ bánh răng 1 sang bánh răng 2 c: Là độ cứng của cặp bánh răng. M1, M2: Lần lượt là mômen đàn hồi trên bánh răng 1 và 2 Theo [1] thì: 1 01 01 1 02 2M cr (r d r d )= ϕ + ϕ

2 02 02 2 01 1M cr (r d r d )= ϕ + ϕ

Theo định luật Newton, ta có thể viết:

1 1 d ms1 1

2 2 2 c ms2

J M (M M )

J M (M M )

ϕ = − + ϕ = − +

ɺɺ

ɺɺ

Tức là:

1 1 01 01 1 02 2 d ms1

2 2 02 02 2 01 1 c ms2

J cr (r r ) M M

J cr (r r ) M M

ϕ + ϕ + ϕ = − ϕ − ϕ + ϕ = − −

ɺɺ

ɺɺ

Sau khi biến đổi bằng cách đặt 2 201 02r , r ra

ngoài dấu ngoặc và thay thế:

01 L1 L 02 L2 L 12 02 01 21 01 02r r cos ,r r cos ,i r / r ,i r / r= α = α = =vào phương trình trên, ta sẽ có mô hình toán tổng quát của hệ:

2 21 1 L1 L 1 12 2 d ms1

2 22 2 L2 L 2 21 1 c ms2

J cr cos ( i ) M M

J cr cos ( i ) M M

− ϕ + α ϕ + ϕ = − ϕ − α ϕ + ϕ = − −

ɺɺ

ɺɺ

Trong đó:

1 d 1J J J−

= +

Md tùy thuộc vào loại động cơ được chọn, ví dụ như khi chọn động cơ điện một chiều kích thích song song, thì:

.

d 0 0 0 0 11M M b M b= − ϕ = − ω

Mc tùy thuộc vào dạng của tải trọng: ví dụ . .

c c 2 1M M ( , , t)= ϕ ϕ

Mô hình toán ở chế độ xác lập

Sau đây ta sẽ xét riêng cho trường hợp hệ có ổ có bôi trơn bằng dầu và hệ đang ở chế độ xác lập (chạy đều), tức là khi mômen ma sát chỉ tỷ lệ với vận tốc góc của trục chứ không còn phụ thuộc vào gia tốc:

ms1 1 1M b= ϕɺ và ms2 2 2M b= ϕɺ

Lúc này phương trình tổng quát sẽ trở thành: 2 2

1 1 L1 L 1 12 2 d 1 1

2 22 2 L2 L 2 21 1 c 2 2

J . cr cos ( i ) M b

J . cr cos ( i ) M b

ϕ + α ϕ + ϕ = − ϕ

ϕ − α ϕ + ϕ = − − ϕ

ɺɺ ɺ

ɺɺ ɺ

(*)

Ngoài ra, có thêm:

1 1 1 212

2 2 2 1

ri

r

ϕ ϕ ω= = = = ±ϕ ϕ ω

ɺ

ɺ

Đặt: 2 2 2 2L1 L z1 L2 L z2cr cos c , cr cos cα = α =

thay vào phương trình (*) ta có:

1 1 1 12 2 z1 1 12 2 d

2 2 2 1 z 2 2 21 1 c

J b i c ( i ) M

J b c ( i ) M

ϕ + ϕ + ϕ + ϕ = ϕ + ϕ − ϕ + ϕ = −

ɺɺ ɺ

ɺɺ ɺ

1 1 z1 1 12 2 d 1 1

2 2 z2 2 21 1 c 2 2

J c ( i ) M b

J c ( i ) M b

ϕ + ϕ + ϕ = − ϕ<=> ϕ − ϕ + ϕ = − − ϕ

ɺɺ ɺ

ɺɺ ɺ

Như vậy hệ phương trình toán học của hệ truyền động qua bánh răng ở chế độ xác lập được viết:

1 1 1 1 z1 1 12 2 d

2 2 2 2 z 2 2 21 1 c

J b c ( i ) M

J b c ( i ) M

ϕ + ϕ + ϕ + ϕ = ϕ + ϕ − ϕ + ϕ = −

ɺɺ ɺ

ɺɺ ɺ

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG

Hệ thống điều khiển được xây dựng theo cấu trúc “Hệ mờ lai Cascade” với sơ đồ cấu trúc như hình 2.


125

Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc như trên thì việc chọn các đại lượng đầu vào của bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Tất nhiên các đại lượng thường được sử dụng làm tín hiệu vào của hệ mờ là tín hiệu chủ đạo x, sai lệch e, tín hiệu ra y cùng với đạo hàm hoặc tích phân của các đại lượng này. Về nguyên tắc có thể sử dụng các đại lượng khác của đối tượng cũng như sử dụng các nhiễu xác định được.

Trong bài báo này tín hiệu vào của bộ điều khiển mờ chính là sai lệch e, tín hiệu ra là ∆u. Cấu trúc điều khiển như hình 3.

Bộ điều khiển mờ có 7 hàm liên thuộc đầu vào, 7 hàm liên thuộc đầu ra được thiết kế trên Matlab - Fuzzy như hình 4 và hình 5. Với tín hiệu đặt là hàm bước nhảy có biên độ bằng 5. Sau thời gian 5s chuyển xuống biên độ bằng 3. Do vậy sai lệch lớn nhất ở đầu vào e(t) sẽ bằng tín hiệu đặt.

Bộ điều khiển mờ đóng vai trò bù lượng ∆u cho bộ điều khiển kinh điển PI, theo nguyên tắc khi lượng sai lệch càng lớn lượng bù ∆u càng lớn. Từ đó, ta đưa ra luật điều khiển có dạng tổng quát như sau:

Rk: If input is ek then output is DeltaUk

Kết quả mô phỏng trên Matlab – Simulink, khi chưa có bộ điều khiển được chỉ ra trên hình 6, với tỉ số truyền i12 = 2.

Sơ đồ mô phỏng Simulink khi đã có bộ điều khiển mờ lai như hình 7.

Hình 6. Chất lượng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển điện

Hình 7. Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ truyền động bánh răng sử dụng bộ điều khiển mờ lai

Chu Dong

Bi Dong

Sai lech

0.09552

0.001s+1

Thiet bi do

Step1 Scope1

PI

PI Controller

Fuzzy Logic Control ler

Mc

Tu Rw

Toc do chu dong

Dong co

6.5

-1

Toc do chu dong

Mc

Toc do bi dong

Banh rang

Hình 3. Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai cho hệ truyền động động cơ + bánh răng

Hình 5. Hàm liên thuộc đầu ra

Hình 2. Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai Cascade

Hình 4. Hàm liên thuộc đầu vào


126

Các kết quả mô phỏng được trình bày như hình 8 (khi chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển PI) và hình 9 (khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai)

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

Kết quả mô phỏng cho thấy:

Khi chưa có bộ điều khiển điện với tỉ số truyền i12 = 2, do ảnh hưởng khe hở, đàn hồi và ma sát nên tốc độ trục bị động bị dao động rất lớn. Khi khe hở lớn, độ đàn hồi và ma sát càng lớn, hệ thống càng dao động mạnh. Sự

dao động này có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào tốc độ làm việc của hệ.

Khi có bộ điều khiển điện với thuật toán điều khiển kinh điển PI, với tỉ số truyền i12 = 1 ở chế độ xác lập sự dao động giữa trục chủ động và bị động đã giảm đi đáng kể, tuy nhiên ở chế độ quá độ lượng quá điều chỉnh lớn. số lần dao động nhiều.

Khi bộ điều khiển sử dụng là bộ điều khiển mờ lai, chất lượng điều khiển của hệ thống được nâng cao, sự dao động giảm đi đáng kể (giảm hơn so với khi sử dụng bộ điều khiển PI), ở chế độ quá độ lượng quá điều chỉnh nhỏ, số lần dao động ít, sai lệch e(t) → 0.

Như vậy việc xây dựng bộ điều khiển mờ lai đã cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống. Các kết quả mô phỏng của bài báo thể hiện một cách trung thực, khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển, bổ sung một phương pháp điều khiển mới trong hệ truyền động qua bánh răng.


[1]. Lê Thị Thu Hà, (2013). Một số giải pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở – Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên. [2]. Lãi,L.K. và Hà,L.T.T (10.2010). Một phương pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động qua bánh răng. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về cơ điện tử, trang 134-137. [3]. Lãi,L.K. và Hà,L.T.T, (11.2011). Nghiên cứu thực nghiệm điều khiển mờ áp dụng cho hệ truyền động qua bánh răng. Tuyển tập báo cáo Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hóa,VCCA-2011, trang 759-763. [4]. Phuoc,N.D. and Ha,L.T.T, (2012). Robust and Adaptive Tracking Controller Design for Gearing Transmission Systems by Using its Reduced Order Model. Journal of Science and Technology. Technical Universities, Vol. 91, pp. 12-17. [5]. Ha,L.T.T. and Phuoc,N.D, (2012). A Design of an Adaptive SM Tracking Controller for Two Wheel Gearing Transmission Systems. Submitted and accepted for ISTS-2012, ThaiLand.

Hình 9. Chất lượng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai

Tốc độ trục b ịđộng

Tốc độ trục chủ

Sai lệch

Hình 8. Chất lượng hệ thống khi chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển PI

Tốc độ trục bị

Tốc độ trục chủđộng

Sai lệch


127

SUMMARY CONTROL GEAR DRIVE SYSTEM BASED ON HYBRID FUZZY CONTROLLER

Phan Đinh Ky 1, Lai Khac Lai2,*

1Yen Bai Vocational College; 2Thainguyen University

Transmission through the gears is a system of common actuators in machines. With these problems requires high accuracy, the assumption can not be accurately measured friction torque, resistance torque, the torque on the drive shaft and the gap between the gears. We must use mechanical solutions and electric controllers to be easily installed control methods to compensate for the deviation of the mechanical equipment that can not be settled. This paper presents a control method to improve quality of gear drive system based on hybrid fuzzy controller. Keywords: Fuzzy Logic Controller, Gear systems, The method for control gear system, PID controler.


Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên



128

Vi Thùy Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 129 - 133

129

THỊ TRƯỜNG CARBON VÀ TRI ỂN VỌNG TẠI VI ỆT NAM

Vi Thùy Linh*, Nguy ễn Thu Hường, Chu Thị Hồng Huyền Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Nghị định thư Kyoto năm 1997 đã tạo điều kiện cho sự hình thành và phát triển của một loại thị trường đặc biệt - thị trường buôn bán sự phát thải. Khí CO2 là khí do các ngành công nghiệp thải ra và chiếm chủ yếu trong các loại khí nhà kính, bởi vậy thị trường này còn hay được gọi là “thị trường carbon (carbon market). Thị trường carbon đến nay được xem là công cụ chính để giảm phát thải khí nhà kính. Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, tham gia thị trường carbon không chỉ là chung tay với thế giới trong mục tiêu giảm khí nhà kính mà còn là cơ hội để tạo nguồn thu tài chính, tiếp nhận công nghệ hiện đại ít carbon, phát triển bền vững. Bài báo này phân tích những nét chính yếu về thị trường carbon toàn cầu trong bối cảnh hiện tại và đưa ra triển vọng tham gia thị trường carbon cho Việt Nam . Từ khoá: Nghị định thư Kyoto, thị trường carbon, chi trả dịch vụ môi trường, khí nhà kính, rừng.

MỞ ĐẦU*

Ngay sau khi Nghị định thư Kyoto có hiệu lực, việc thương mại hóa tín chỉ carbon được phát triển khá mạnh mẽ. Thương mại hóa giá trị carbon là việc thương mại các tín chỉ giảm phát thải được chứng nhận (CER hoặc VER). Buôn bán tín chỉ phát thải carbon đã và đang được triển khai trên toàn thế giới, hướng tới mục tiêu lớn nhất là giảm phát thải khí nhà kính, chống biến đổi khí hậu. Trước những cơ hội từ thị trường carbon, chính phủ Việt Nam đã có nhiều hoạt động xúc tiến tham gia trong thời gian qua. Theo các phân tích thì thị trường carbon sẽ khởi sắc sau năm 2015 [2]. Từ nay đến lúc ấy, các cấp ngành liên quan nói chung và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn – ngành Lâm nghiệp nói riêng sẽ còn rất nhiều cơ hội và việc phải làm để phát triển thị trường này.

THỊ TRƯỜNG CARBON LÀ GÌ?

Cho đến nay, thị trường buôn bán carbon phân ra làm 2 loại: Thị trường chính thống và thị trường tự nguyện. Thị trường chính thống là thị trường mà ở đó việc buôn bán carbon dựa trên sự cam kết của các quốc gia trong Công ước khung của Liên hợp quốc (UNFCCC) để đạt được mục tiêu cắt giảm khí nhà kính. Thị trường này mang tính bắt buộc

* Tel: 0914400428 ; Email: [email protected]

và chủ yếu dành cho các dự án trong cơ chế phát triển sạch - CDM hoặc đồng thực hiện - JI. Thị trường carbon ngoài khuôn khổ Nghị định thư là thị trường carbon tự nguyện - thị trường này trên cơ sở hợp tác thỏa thuận song hoặc đa phương giữa các tổ chức, công ty hoặc quốc gia.

THỊ TRƯỜNG CARBON TRONG KHUÔN KHỔ NGHỊ ĐỊNH THƯ KYOTO

Trên thế giới

Ngày 01/01/2005, Liên minh Châu Âu (EU) đã chính thức thành lập thị trường buôn bán khí thải, là mô hình đầu tiên trên thế giới để trao đổi, buôn bán khí CO2 và năm loại khí thải khác gây hiệu ứng nhà kính (viết tắt là EU – ETS). Cho đến nay, EU – ETS là hệ thống thương mại hóa khí carbon lớn nhất trên thế giới. Ngoài EU-ETS còn có hệ thống buôn bán phát thải vương quốc Anh (UK - ETS) và hệ thống buôn bán phát thải New SouthWales.

Tính đến 31/10/2012, có 4.920 dự án Cơ chế phát triển sạch (CDM) đã được Ban Chấp hành quốc tế về CDM (EB) cho đăng ký, bao gồm các dự án về năng lượng chiếm 71,71%, các dự án xử lý chất thải chiếm 12,41%; các dự án về trồng rừng và tái trồng rừng chiếm 0,71% và các loại dự án khác chiếm 15,17%. Tổng tiềm năng giảm phát thải ước tính của các dự án này khoảng 2,17 tỷ tấn CO2 tương


130

đương tính đến hết năm 2012. Tổng số chứng chỉ giảm phát thải khí nhà kính được chứng nhận (CERs) đã được EB cấp cho các nước đang phát triển là 1.036.301.578 [5].

Báo cáo gần đây nhất của Ngân hàng thế giới cho thấy giá trị thương mại tín chỉ carbon tăng rất nhanh. Tổng giá trị thương mại carbon năm 2005 là 11 tỷ USD, năm 2006 là 31,2 tỷ USD, Năm 2007 là 63 tỷ USD, năm 2008 là 135 tỷ USD, năm 2009 là 143,7 tỷ USD, năm 2010 là 159 tỷ USD, năm 2011 là 176 tỷ USD. Trong các loại thị trường thương mại carbon thì thị trường EU – ETS chiếm trên 80% tổng giá trị thương mại [6].

Giá bán tín chỉ carbon cũng rất khác nhau tùy vào thị trường, lĩnh vực và khu vực. Trong thị trường chính thống - là các thị trường mang tính bắt buộc và dành cho các dự án CDM và JI, giá bán tín chỉ carbon trong các năm từ 2005 – 2012 cũng có sự biến động mạnh phụ thuộc vào từng lĩnh vực, vùng và quốc gia.

Tuy nhiên ngân hàng Thế giới cho rằng thị trường carbon trong thời gian tới sẽ rất phức tạp, phụ thuộc vào cam kết của các nước phát thải lớn và các cơ chế sửa đổi để phù hợp vào điều kiện quốc gia và cam kết quốc tế. Giá bán tín chỉ carbon bình quân được dự báo từ 6 – 8 euro/tấn CO2e [6].

Những hạn chế

Quá trình phê duyệt dự án carbon hiện còn mất thời gian, thủ tục rườm rà...Hơn nữa, chất lượng các dự án này cũng đang đặt ra một dấu hỏi lớn. Bên cạnh đó vấn đề “ bất cập cung - cầu” đang diễn ra. Những dự án CDM đã đăng ký từ năm 2006, 2007 và đặc biệt những năm 2010, 2011 đến giai đoạn tín dụng đã được cấp nhiều tín chỉ giảm phát thải. Do cầu giảm nên giá thị trường đã sụt giảm mạnh. Tuy nhiên, bất chấp một số hạn chế và khó khăn, theo báo cáo Thực tế và các Xu hướng phát triển của Thị trường các-bon từng năm của Ngân hàng Thế giới, thị trường các-bon vẫn đang lớn lên từng ngày. Điều này được minh chứng qua sự gia tăng giá trị của thị trường các-bon qua các năm. Đặc biệt với sự ra đời của các cơ chế mới hậu Kyoto, sự đột

phá của thị trường carbon tự nguyện chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng và kì vọng vào sự phát triển và ổn định của thị trường này sau năm 2013 [6].

Tại Vi ệt Nam

Đến ngày 31/10/2012, Việt Nam đã có 160 dự án được EB công nhận là dự án CDM với tổng lượng khí nhà kính được giảm khoảng 76 triệu tấn CO2 e trong thời kỳ tín dụng và 4 Chương trình hoạt động (PoA) được EB công nhận. Với tổng lượng 7.203.167 CERs do EB cấp cho Việt Nam, hiện nay Việt Nam được xếp thứ 4 trên thế giới về số lượng dự án CDM được EB công nhận, đăng ký và xếp thứ 9 trên thế giới về số lượng CERs đã được EB cấp. Việt Nam xếp thứ 2 trên thế giới về số lượng PoA, đứng đầu là Ấn Độ với 5 PoA trong tổng số 44 PoA được EB công nhận [1].

Hiện tại, dòng tài chính carbon chảy vào nước ta chưa nhiều. Thương mại carbon trong khuôn khổ Nghị định thư Kyoto tại Vi ệt Nam bộc lộ một số hạn chế khiến các nhà đầu tư còn e dè như: các bất cập về quy trình xét duyệt, cơ chế phân bổ tài chính thiếu tính công khai, minh bạch...

THỊ TRƯỜNG CARBON NGOÀI KHUÔN KHỔ NGHỊ ĐỊNH THƯ KYOTO

Trên thế giới

Thị trường carbon ngoài khuôn khổ Nghị định thư Kyoto hay còn gọi là thị trường carbon tự nguyện có tốc độ phát triển nhanh trong những năm gần đây, trong đó thị phần giao dịch tín chỉ các-bon từ rừng chiếm tỷ lệ cao. Báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB) năm 2012 cho thấy, giao dịch của thị trường carbon tự nguyện có xu hướng tăng nhanh trong thời gian qua (Bảng 1).

Trong những năm tới, tốc độ tăng trưởng của thị trường tự nguyện ngày càng cao do nhu cầu mua tín chỉ các-bon của các doanh nghiệp tiếp tục tăng mạnh. Dự báo đến năm 2020, khối lượng giao dịch của thị trường tự nguyện vào khoảng 1.638 triệu tấn CO2, tăng hơn 12 lần so với quy mô thị trường tự nguyện hiện nay [2].

Tại thị trường các-bon chính thống, các tổ chức mua tín chỉ các-bon ở Châu Âu áp đảo


131

cả về lượng giao dịch và giá trị giao dịch. Trong khi tại thị trường các-bon tự nguyện, Châu Âu với 47% thị phần thì Bắc Mỹ cũng tham gia giao dịch với khối lượng và giá trị lớn chiếm 41% thị phần, tiếp theo là Châu Úc (4%), Châu Á (4%), Mỹ La Tinh (2%) và Châu Phi (1%) [1], [6].

Bảng 1. Khối lượng và giá trị giao dịch trên thị trường carbon

Thị trường

Khối lượng (tri ệu tấn CO2tđ )

Giá tr ị (tri ệu USD)

2010 2011 2010 2011 Thị

trường tự nguyện

133 95 433 576

Thị trường chính thống

8702 10. 094 158.777 175.451

Tổng 8.835 10.189 159.210 176.027

Nguồn: [4], [6]

Các cơ chế chính của thị trường carbon tự nguyện * Cơ chế tín dụng bù trừ song phương BOCM

Vào tháng 12/2009, Nhật Bản công bố “Sáng kiến Hatoyama - hỗ trợ cho các nước đang phát triển”. Sáng kiến Hatoyama thể hiện sự sẵn sàng xây dựng các cơ chế mới, theo đó các đối tượng đóng góp thông qua việc cung cấp các công nghệ sạch, các sản phẩm, cơ sở hạ tầng, và các cơ sở sản xuất tiên tiến cho các nước đang phát triển. Trong tháng 2/2011, Nhật Bản gửi tới Ban Thư ký UNFCCC đề xuất liên quan đến cơ chế thị trường mới, bao gồm: (i) tính hiệu quả và sự thuận lợi; (ii) công nghệ trung lập; (iii) bảo đảm tính linh hoạt và minh bạch để thích ứng với hoàn cảnh của mỗi nước; (iv) bảo đảm tính toàn vẹn môi trường; (v) tính hỗ trợ các cơ chế dựa trên thị trường hiện có.

* Chương trình giảm phát thải qua hạn chế mất rừng và suy thoái rừng – REDD

REDD nguyên nghĩa là giảm phát thải do phá rừng và suy thoái rừng. REDD là một sáng kiến được đưa ra tại Hội nghị các bên tham gia UNFCCC lần thứ 13 (COP13) tại Ba Li- Indonesia. Trong năm 2010, dự án từ REDD chiếm tỷ lệ cao nhất trên thị trường tự nguyện về khối lượng giao dịch với 29% [6].

* Cơ hội cho thị trường carbon tự nguyện tại Việt Nam

Đối với thị trường carbon tự nguyện, Việt Nam có rất nhiều cơ hội để tham gia. Chương trình hợp tác giữa Việt Nam và Nhật Bản về cơ chế tín dụng song phương BOCM được bắt đầu triển khai từ 2010. Ngày 31/10/2011, thủ tướng của Nhật Bản và Việt Nam tái khẳng định bởi các cuộc thảo luận về BOCM, nhằm đạt được các thỏa thuận của hai bên vào năm 2013. Phía Nhật Bản đã thành lập một nhóm nghiên cứu của chính phủ nhằm xây dựng một nghiên cứu khả thi về BOCM nhằm đem lại những lợi ích đáng kể cho các bên tham gia chương trình. Đặc biệt, với những điều kiện vốn có của ngành lâm nghiệp, Việt Nam có triển vọng lớn tham gia REDD.

TRIỂN VỌNG THAM GIA THỊ TRƯỜNG CARBON CHO NGÀNH LÂM NGHIỆP VIỆT NAM

Theo dự đoán phát thải khí nhà kính tại Vi ệt Nam đến năm 2030 thì phát thải khí nhà kính các ngành sản xuất gồm năng lượng và nông nghiệp đều tăng lên nhanh chóng, thậm chí đối với ngành năng lượng năm 2030 gấp hơn 14 lần so với năm 1993 (396,35 triệu tấn so với 27,55 triệu tấn). Chỉ duy nhất ngành lâm nghiệp được kỳ vọng sẽ tăng dần lượng hấp thụ cácbon và lên đến khoảng 32,10 triệu tấn vào năm 2030 (Bảng 4.1).

Bảng 1. Dự đoán phát thải khí nhà kính tính tương đương CO2 đến năm 2030 (triệu tấn)

Ngành/giai đoạn 1993 2000 2010 2020 2030 Năng lượng 27,5 48,48 103,4 187,82 396,35 Lâm nghiệp 29,88 4,2 -21,7 -28,4 -32,1 Nông nghiệp 46,6 52,5 57,2 64,7 68,29 Tổng 111,69 101,18 138,9 224,12 432,54

Nguồn:[4]


132

Nhìn chung rừng Việt Nam có nhiều điều kiện để tham gia vào thị trường carbon.

• Với thị trường chính thống

Theo đánh giá của các nhà khoa học Viện Khoa học lâm nghiệp, tiềm năng phát triển các dự án trồng rừng theo cơ chế phát triển sạch (AR-CDM) ở Việt Nam là rất lớn. Các dự án AR-CDM có thể được xây dựng trên các vùng đất đáp ứng yêu cầu như: Chứng minh được đất đai không có rừng trước năm 1990. Trong thời gian thực hiện dự án, người dân không được chặt phá rừng; không được trồng các loại cây khác trong vùng dự án... Dự án CDM điển hình trong ngành lâm nghiệp tại Vi ệt Nam ở Cao Phong – Hòa Bình bắt đầu năm 2009 và dự kiến kéo dài 16 năm. Những đánh giá về dự án cho thấy: phương án chia sẻ lợi ích của dự án AR – CDM Hòa Bình là rất thực tiễn và có thể thực hiện thành công ở Việt Nam.

• Với thị trường tự nguyện

Việt Nam hiện đã có một số dự án hướng tới thị trường carbon tự nguyện. Vào ngày 13 tháng 11 năm 2009, tổ chức “Vietnam Carbon Exchange - VCE” được thành lập nhằm hỗ trợ đầu tư và buôn bán tín chỉ carbon ở Việt Nam. Công ty tài chính Voluntary của Úc hợp tác với Công ty Vietnam Carbon Exchange đầu tư và triển khai vào dự án carbon rừng tại Vườn quốc gia Tam Đảo (Vĩnh Phúc). Theo tính toán, mỗi năm rừng của dự án này sẽ hấp thụ khoảng 40.000 - 50.000 tấn carbon. Gần đây nhất, Viện Điều tra quy hoạch rừng (Bộ NN-PTNT) cũng đã khởi động dự án “Tính toán trữ lượng carbon và đánh giá sự biến đổi của rừng”. Nghiên cứu của Viện năm 2013 chỉ ra rằng: Với mức giá trung bình dao động trong khoảng 5-10 USD/tấn, giá trị lưu giữ carbon của rừng sản xuất tại miền Nam biến động trong khoảng 61 triệu đồng/ha (rừng phục hồi) đến 119 triệu đồng/ha (rừng giàu). Rừng miền Trung có giá từ 50-121 triệu đồng/ha. Rừng miền Bắc giá trị biến động trong khoảng 46-100 triệu đồng/ha.

Việt Nam đã nhận hỗ trợ 4,4 triệu USD cho giai đoạn I để tăng cường năng lực và các

điều kiện để sẵn sàng cho REDD. Ngày 29 tháng 7 năm 2013 tại Hà Nội, Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng các đại diện quốc tế liên quan đã kí văn kiện khởi động cho pha 2 chương trình REDD. Việt Nam trở thành quốc gia đầu tiên trong 47 nước đối tác UN-REDD chuyển sang giai đoạn II với khoản tài trợ không hoàn lại là khoảng 30 triệu USD.

NHỮNG CHUẨN BỊ CẦN THIẾT CỦA NGÀNH LÂM NGHIỆP VIỆT NAM CHO THỊ TRƯỜNG CARBON SAU NĂM 2012

Hoàn thiện về thể chế, chính sách

Có thể nói, hệ thống chính sách tại Vi ệt Nam liên quan đến nghề rừng là khá đầy đủ tuy nhiên để ngành lâm nghiệp có cơ hội và thành công trong thị trường carbon cần hoàn thiện một số điểm sau:

- Tạo nền tảng pháp lý minh bạch, thuận lợi cho các bên tham gia thị trường carbon quốc gia.

- Hoàn thiện thủ tục cấp quyền sử dụng đất và quyền quản lí rừng.

- Thiết lập một tổ chức tài chính quốc gia đủ năng lực và tin cậy để quản lý nguồn kinh phí (REDD, REDD+).

Hoàn thiện về phương pháp đánh giá tích lũy carbon

Bắt đầu từ cơ sở pháp lý của Nghị định thư Kyoto cho việc cắt giảm khí nhà kính, mở ra hướng nghiên cứu tính toán hàm lượng carbon trong thực vật. Rõ ràng việc lượng hóa carbon tích lũy là vô cùng quan trọng trong việc tham gia thị trường carbon. Chuẩn bị đầy đủ hệ thống phương pháp đánh giá carbon tích lũy trong các hệ thống sử dụng đất lâm nghiệp là vấn đề then chốt để ngành lâm nghiệp tham gia vào thị trường này.

KẾT LUẬN

Nghị định thư Kyoto đã tạo điều kiện cho sự hình thành và phát triển của một loại thị trường đặc biệt - thị trường carbon.Từ khi được thiết lập, thị trường carbon không ngừng lớn mạnh, gia tăng nhanh chóng về thị phần giao dịch cũng như các tổ chức tham gia. Thị trường carbon chính thống đặc biệt phát triển


133

mạnh mẽ trong những năm 2006 – 2008, tuy nhiên lại trầm lắng ở giai đoạn cuối cam kết theo Nghị định thư Kyoto - 2012.

Thị trường carbon tự nguyện đã và đang nhanh chóng chiếm lĩnh thị phần của thị trường carbon (433 triệu USD năm 2010 và 576 triệu USD năm 2011). Thị trường này được dự báo còn tiếp tục lớn mạnh sau năm 2012. Đặc biệt với chương trình REDD, các nước đang phát triển có tài nguyên rừng phong phú như Việt Nam có cơ hội thâm nhập sâu vào thị trường carbon tự nguyện.

Việt Nam rất có triển vọng tham gia vào thị trường carbon sau năm 2012, đặc biệt là ngành lâm nghiệp. Sự chuẩn bị hoàn thiện các chính sách và trang bị đầy đủ hệ thống các phương pháp kiểm kê, đo đạc khí nhà kính là yếu tố tiên quyết để ngành lâm nghiệp thành công trên thị trường carbon.


[1]. Ban chỉ đạo thực hiện Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu và Nghị định thư Kyoto tại Vi ệt Nam (2012), Thông tin tóm tắt về cơ chế phát triển sạch và thị trường carbon quốc tế, Hà Nội, 2012. [2]. Thủ tướng Chính phủ (2012), Quyết định số 1775/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ ngày 21 tháng 10 năm 2012 về Quản lý phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính; quản lý các hoạt động kinh doanh tín chỉ các-bon ra thị trường thế giới, Hà Nội. [3]. David Diaz, Katherine Hamilton, Evan Jonhson (2011), State of forest carbon market 2011. Ecosystem Marketplace. [4]. Hydrometeorological Service of Vietnam (1999), Economics of Greenhouse Gas Limitations, UNEP Collaborating Centre on Energy and Environment, Riso National Laboratory, Denmark. [5]. Point Carbon’s report on the carbon market (2012),World Bank Washington DC. [6]. World Bank(2012), State and trends of the carbon markets 2011. WB Washington DC.

SUMMARY CARBON MARKET AND PROSPECTS IN VIETNAM

Vi Thuy Linh *, Nguyen Thu Huong, Chu Thi Hong Huyen College of Sciences – TNU

Kyoto Protocol 1997 has created conditions for the formation and development of a specific market - the market emissions trading. CO2 is discharged by the industry and the majority of greenhouse gases, so this market is also known as the “carbon market”. Carbon market are now considered as the main tool for reducing greenhouse gas emissions. For developing countries as Vietnam, join in carbon market not only together with the world in greenhouse gas reduction targets , but also as an opportunity to generate financial income , receive less modern technology carbon , sustainable development. This paper analyzes the main features of the global carbon market in the current context and offer prospects for carbon market participants Vietnam. Keywords: Kyoto Protocol, carbon market, greenhouse gas, payment services, forest.


Phản biện khoa học: TS. Ngô Văn Giới – Trường Đại học Khoa học - ĐHTN

* Tel: 0914400428 ; Email: [email protected]


134

Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140

135

TRIỂN KHAI H Ệ ĐIỀU HÀNH NHÚNG TH ỜI GIAN TH ỰC FreeRTOS TRÊN VI ĐIỀU KHI ỂN ARM AT91SAM7S256

Ngô Thị Vinh *

Trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT FreeRTOS là một hệ điều hành nhúng thời gian thực có nhiều ưu điểm nổi bật để phù hợp cho các hệ thống thời gian thực nhỏ với các kiến trúc khác nhau như ARM, AVR, APSx, AFSx, LPC2000, STM32, PIC18,….Với các nền phần cứng khác nhau người lập trình cần phải cung cấp các tham số đầu vào phù hợp với từng dòng vi điều khiển để ứng dụng hoạt động đúng theo cấu hình của mạch thiết kế. Bài báo này sẽ trình bày các bước xây dựng một ứng dụng với hệ điều hành FreeRTOS và triển khai nó trên chíp vi điều khiển ARM AT91SAM7S256 của hãng Atmel-một chíp thuộc họ vi điều khiển ARM7 được sử dụng rộng rãi trong các bo mạch dùng chủ yếu cho việc thực hành, thí nghiệm với ARM7 trong các trường đại học hoặc các trung tâm nghiên cứu về hệ nhúng. Chương trình ứng dụng là một chương trình đa tiến trình hoạt động song song để có thể tận dụng được khả năng xử lý của CPU. Từ khóa: FreeRTOS, ARM, hệ điều hành nhúng, AT91SAM7S256, quản lý tài nguyên, tiến trình.

GIỚI THIỆU*

FreeRTOS là một hệ điều hành nhúng thời gian thực mã nguồn mở[1] ra đời từ năm 2003, đến nay nó được phát triển rất mạnh mẽ và nhận được nhiều sự ủng hộ của các lập trình cho các hệ nhúng. FreeRTOS có tính khả chuyển, có thể sử dụng miễn phí hoặc dùng cho mục đích thương mại[1]. Nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ điều hành nhúng thời gian thực khác như có kích thức rất nhỏ gọn nên rất phù hợp với các hệ nhúng thời gian thực nhỏ; được viết bằng ngôn ngữ C nên có độ phù hợp cao với các nền phần cứng khác nhau. Ngoài ra, FreeRTOS còn hỗ trợ các cơ chế như cho phép tạo cả task và co-routie với số lượng task là không giới hạn phụ thuộc vào tài nguyên của phần cứng của chip[1]; hỗ trợ cơ chế truyền thông đồng bộ giữa các task hoặc giữa task và ngắt bằng cách sử dụng hàng đợi hoặc semaphore nhị phân hoặc semaphore đếm và các mutex; cho phép nhận biết khi ngăn xếp bị tràn. Ngay cả trong các hệ thống nhúng lớn người ta vẫn có thể sử dụng FreeRTOS để tiết kiệm được dung lượng bộ nhớ và làm cho hệ thống ít bị quá tải.


FreeRTOS khi mới ra đời được cài đặt chủ yếu cho các dòng chip [3], [4], [5] như LPC, PIC, RX và hiện nay đang tiếp tục được quan tâm triển khai trên các dòng chip ARM [2]. Với mỗi nền phần cứng khác nhau người lập trình cần cấu hình các thông số khác nhau sao cho phù hợp thì hệ thống mới có thể hoạt động chính xác. Đã có một số ứng dụng về FreeRTOS được viết cho các chip AT91SAM7S32 bít và AT91SAM7S64 bít [10] là các đời vi xử lý thấp hơn của AT91SAM7S256, hoặc các ứng dụng chỉ viết thuần túy là các chương trình lập trình giao tiếp với các cổng vi điều khiển này mà không sử dụng hệ điều hành nhúng thời gian thực[10]. Do đó, chúng chỉ là các ứng dụng đơn tiến trình. Nhiều lập trình viên hệ nhúng hiện nay đang rất quan tâm đến việc triển khai ứng dụng FreeRTOS trên chip AT91SAM7S256. Vì vậy, bài báo này trình bày các bước xây dựng một ứng dụng sử dụng hệ điều hành FreeRTOS, chương trình gồm bốn tiến trình chạy đồng thời và được đồng bộ sử dụng cơ chế hàng đợi và cơ chế mutex của hệ điều hành. Chương trình sẽ sử dụng các LED và các nút nhấn được thiết kế sẵn trên board để thể hiện trạng thái của các task và minh họa các ngắt trong hệ nhúng. Đồng thời chương trình truyền dữ liệu từ bộ chuyển đổi ADC ra máy tính qua cổng COM và hiển thị trên màn hình nhờ một task khác.


136

QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNGTRONG FREERTOS

Quản lý các task: Đây nhiệm vụ quan trọng trong FreeRTOS. Các nhiệm vụ mà người lập trình muốn hệ thống thực hiện sẽ được viết trong nội dung của các task. Mỗi task sẽ được gán một độ ưu tiên phù hợp và được bộ lập lịch sắp xếp thời gian hoạt động.

Mỗi task sẽ gồm các tham số như: chức năng, tên, độ ưu tiên, độ sâu stack, định danh task và biến tham số tác động vào task. File task.c [8] sẽ cung cấp một tập các hàm chức năng để làm việc với các task.

Thời gian hoạt động của một task được định nghĩa trong file FreeRTOSConfig.h và được tính bằng mini giây theo công thức t/portTICK_RATE_MS, với t là thời gian ở và trạng thái Blocking của mỗi task. Trong SAM7S256 mỗi Tick tương ứng với 500ms.

Quản lý hàng đợi [1]: FreeRTOS cung cấp cơ chế hàng đợi (Queue) hoạt động theo nguyên tắc cơ bản là vào trước ra trước-FIFO. Hàng đợi là nơi lưu trữ dữ liệu của các task. Khi một task chờ để ghi dữ liệu vào hàng đợi hoặc là đọc dữ liệu ra từ hàng đợi thì nó sẽ bị rơi vào trạng thái Block.

Quản lý sự kiện ngắt [1] : FreeRTOS cho phép quản lý hiệu quả các ngắt. Khi ngắt xảy ra CPU sẽ chuyển vào hàm thủ tục ngắt, hàm thủ tục ngắt phát đi một "tín hiệu" để hàm thực hiện chức năng của ngắt được thực hiện, hàm này có độ ưu tiên cao hơn tất cả các task khác nên nó sẽ được thực hiện ngay lập tức. Tín hiệu ở đây chính là Semaphore, trong FreeRTOS có 2 loại Semaphore là Binary Semaphore và Counting Semaphore [1]. Có 2 tác động chính vào Semaphore là "Take" và "Give". "Take" là dùng cho hàm thực hiện chức năng của ngắt, khi chưa có ngắt hàm này sẽ ở trạng thái khóa (Blocking ) và chờ đợi sự kiện ngắt xảy ra. Tác động "Give" được thực hiện trong hàm thủ tục ngắt, nó sẽ phát ra tín hiệu là có ngắt xảy ra (Semaphore ở trạng thái Full), khi đó hàm thực hiện chức năng ngắt sẽ ngay lập tức được chuyển sang trạng thái sẵn sàng (Semaphore ở trạng thái Empty). Sau khi thực hiện xong nó lại trở lại trạng thái khóa và chờ đợi cho sự kiện ngắt tiếp theo xảy ra.

Đồng bộ dữ liệu trong FreeRTOS [1]: Nếu Semaphore được sử dụng trong FreeRTOS để đồng bộ các sự kiện thì Mutex được sử dụng để đồng bộ dữ liệu giữa các task khi chúng cần truy xuất đến một vùng nhớ chứa dữ liệu chung. Mutex khác semaphore ở chỗ là nó bắt buộc phải trả về vùng đệm dữ liệu sau khi dùng. Để tạo ra một Mutex sử dụng phương thức xSemaphoreCreateMutex (void). Hai hàm tác động vào Mutex là "Take" và "Give" được định nghĩa để bảo vệ vùng mã không cho phép task khác truy xuất khi một task đang sử dụng nó.

BOARD ARM AT91SAM7S256

Với các đặc điểm như trên trình bày FreeRTOS rất phù hợp khi được cài đặt trên họ vi điều khiển SAM7S. Đây là họ vi điều khiển sử dụng lõi ARM7TDMI là nhân của nhiều chip trên các điện thoại di động ngày nay. AT91SAM7S256 là một trong chip vi điều khiển điển hình của họ này và thường được sử dụng trong các thiết bị RFID, đặc biệt được sử dụng để chế tạo một loạt các bo mạch phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, thực hành và thí nghiệm với vi điều khiển ARM tại các trường đại học trên thế giới.

Hình 1. Một số kít thí nghiệm sử dụng AT91SAM7S256

Chíp AT91SAM7S256 có thể hoạt động với tần số 60MHz, 256KB bộ nhớ Flash và 64KB bộ nhớ RAM. Do đó, để tận dụng tối đa hiệu năng xử lý của CPU thì người lập trình nên cài đặt hệ điều hành nhúng thời gian thực như FreeRTOS cho chíp để có thể xây dựng được các ứng dụng đa tiến trình.


137

Ngoài khả năng hỗ trợ lập trình cho các chân vào ra, hoạt động định thời như các vi điều khiển thông thường, AT91SAM7S256 còn hỗ trợ chuẩn truyền thông nối tiếp theo chuẩn RS485, bộ chuyển đổi ADC 16 bít, chuẩn USB với tốc độ truyền 2.0. Để lập trình cho chip này cần sử dụng tệp thư viện do nhà sản xuất chip Atmel là AT91SAM7S256.h [9], tệp này sẽ định nghĩa chức năng các chân và các ký hiệu được sử dụng trong chương trình.

CÁC BƯỚC XÂY DỰNG ỨNG DỤNG VỚI FREERTOS CHO KÍT AT91SAM7S256

Có thể mô tả cấu trúc hoạt động chung của một chương trình sử dụng hệ điều hành nhúng FreeRTOS như sau:

Hình 2. Cấu trúc chung của chương trình sử dụng hệ điều hành FreeRTOS trên hệ nhúng

Bước 1: Khởi tạo cấu hình phần cứng cho bo mạch sẽ thực hiện thiết lập các thông số phù hợp với từng chip phần cứng cụ thể. Chương trình ở đây sẽ thực hiện cấu hình các hằng số tương ứng với xung nhịp đầu vào hệ thống,

cấu hình các chân vào ra số 17, 18, 19 và 20 của cổng cổng 0 cho việc điều khiển các nút nhấn và các LED đơn, cấu hình các thông số và khởi động bộ điều khiển ADC và USART trên chip.

Bước 2: Khởi tạo Semaphore. Nếu chương trình có sử dụng semaphore để đồng bộ dữ liệu giữa các task thì chúng sẽ được tạo ra ở bước này. Chương trình ở đây sẽ thực hiện tạo ra một semaphore sử dụng một mutex để đồng bộ một vùng dữ liệu dùng chung cho bộ chuyển đổi ADC và cổng USART.

Bước 3: Khởi tạo hàng đợi. Nếu chương trình sử dụng cơ chế hàng đợi để lưu trữ dữ liệu chung chuyển giữa các tiến trình với nhau thì chúng sẽ được tạo ra ở bước này. Chương trình ứng dụng được trình bày ở đây sẽ sử dụng hàng đợi để lưu trữ giá trị được sử dụng làm cờ trạng thái cho các tiến trình điều khiển các LED.

Bước 4: Khởi tạo các task. Bước này sẽ thực hiện tạo ra các task với độ ưu tiên nhất định để thực hiện các nhiệm vụ theo yêu cầu của người lập trình. Chương trình ứng dụng được xây dựng gồm bốn task tương ứng với bốn tiến trình hoạt động song song trên chíp. Mỗi tiến trình sẽ thực hiện nhiệm vụ như sau:

Tiến trình vTaskLED1: Điều khiển đảo trạng thái của LED1 tại chân số 17 của cổng 0 và chờ nhận ngắt tác động qua nút bấm tại chân số 19 của cổng này.

Tiến trình vTaskLED2: Điều khiển đảo trạng thái của LED2 tại chân số 18 của cổng 0 và chờ nhận ngắt tác động qua nút bấm tại chân số 20 của cổng này.

Hai tiến trình vTaskLED1 và vTaskLED2 sẽ sử dụng hàng đợi được tạo ở bước 3 để điều khiển trạng thái của các LED và cho phép các ngắt mềm tác động khi các nút bấm trên chân số 19 và 20 được nhấn. Khi tiến trình vTaskLED1 đang hoạt động thì tiến trình vTaskLED2 ở trạng thái Blocking và ngược lại. Khi các tiến trình đang hoạt động thì các LED được bật sáng và khi ở trạng thái Blocking thì các LED tương ứng tắt, khi nhấn các nút bấm trên chân 19 và 20 thì có ngắt


138

xảy ra. Sơ đồ sau thể trình tự hoạt động của hai task vTaskLED1 và vTaskLED2 được thể hiện như trong hình 3.

Hình 3. Trình tự hoạt động của task vTaskLED1 và vTaskLED2

Tiến trình thứ ba là vTaskADC sẽ liên tiếp đọc giá trị từ kênh 4 của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và ghi vào một vùng đệm.

Tiến trình thứ tư là vTaskSerial sẽ liên tiếp đọc dữ liệu từ vùng đệm do tiến trình vTaskADC ghi vào và gửi ra cổng nối tiếp USART. Hai tiến trình vTaskADC và vTaskSerial sử dụng chung một vùng đệm dữ liệu nên phải đồng bộ bằng cách sử dụng một semaphore với cơ chế Mutex được tạo ra ở bước 2. Hoạt động đồng bộ của hai tiến trình này được mô tả như trong hình 4. Thực chất để đồng bộ hai tiến trình ta sử dụng một biến cờ để đánh dấu vùng đệm dữ liệu đang bận khi bộ chuyển đổi ADC chưa hoàn thành hoặc đã hoàn thành để báo cho tiến trình truyền đọc dữ liệu từ vùng đệm này và truyền qua cổng nối tiếp biết. Đồng thời hai tiến trình này sử dụng cặp hàm xSemaphoreTake() và xSemaphoreGive() để bảo vệ vùng mã của mình không cho phép các tiến trình khác xâm nhập.

Hình 4. Sử dụng Mutex để đồng bộ hai task vTaskADC và vTaskSerial

Bước 5: Khởi động hệ điều hành. Hệ điều hành sẽ bắt đầu chạy là lập lịch để chia sẻ thời gian xử lý cho các tiến trình và chờ đợi các sự kiện ngắt xảy ra.

Tổng kết lại ta có chương trình chính như sau:

int main(void)

Init ();

//Tạo semaphore trong hệ điều hành để đồng bộ tiến trình

CreateMutexADC();

// Tạo hàng đợi tiến trình

CreateQueue();

// Tạo các task

CreateAllTask();

//Khởi tạo hệ điều hành FreeRTOS

vTaskStartScheduler();

return 0;

Ta sẽ thực hiện biên dịch chương trình bằng phần mềm IAR và nạp chương trình lên kít qua cổng USB sử dụng phần mềm SAM_BA và SAM_PROG. Với SAM_PROG người lập trình có thể nạp chương trình thực thi với đuôi .bin được tạo ra trực tiếp từ các trình biên dịch như IAR hoặc WinARM.


139

Hình 5. Nạp file đuôi .bin lên board

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Kết quả kiểm tra chương trình trên kít cho thấy sau 100 lần bật và tắt nút nguồn trên kít đều thấy chương trình hoạt động ổn định trong thời gian dài (một giờ đồng hồ) và cho kết quả hiển thị trên các LED và trên màn hình máy tính là giống nhau. Trên kít ta quan sát thấy khi LED tại chân số 17 sáng thì LED tại chân số 18 tắt và ngược lại như hình 4. Trên màn hình máy tính (hình 6) hiển thị dữ liệu từ kít gửi qua cổng USART tại các lần test đều giống nhau.

Hình 6. Kết quả nạp chương trình lên board

KẾT LUẬN

Bài báo đã chỉ ra các ưu điểm chính của hệ điều hành nhúng thời gian thực FreeRTOS và các bước tiến hành xây dựng một ứng dụng với FreeRTOS trên một nền phần cứng nhất định. Tác giả đã tiến hành nạp chương trình và thử nghiệm trên board AT91SAM7S256 của hãng Atmel.

Hình 7. Kết quả màn hình máy tính nhận dữ liệu từ cổng COM ảo

Kết quả cho thấy chương trình hoạt động ổn định và cho các kết quả giống nhau tại các lền kiểm tra. Bài báo có thể làm tài liệu tham khảo cho các lập trình viên hệ nhúng muốn tìm hiểu tìm hiểu về cách xây dựng một ứng dụng đa tiến trình sử dụng FreeRTOS nói chung và trên board AT91SAM7S256 nói riêng.


140


[1]. Richard Bary, Using the FreeRTOS Real Time Kernel - a Practical Guide - Standard Base Edition, Real Time Engineers Ltd London, 2013. [2]. RICHARD BARY, USING THE FREERTOS

REAL TIME KERNEL FOR CORTEX-M3 EDITION, REAL TIME ENGINEERS LTD LONDON, 2013. [3]. RICHARD BARY (2013), USING THE FREERTOS

REAL TIME KERNEL FOR LPC17XX EDITION , REAL

TIME ENGINEERS LTD LONDON. [4]. Richard Bary, Using The FreeRTOS Real Time Kernel for Microchip PIC32 Edition, Real Time Engineers Ltd London, 2013.

[5]. Richard Bary, (2013). Using The FreeRTOS Real Time Kernel for Renesas RX600 Edition, Real Time Engineers Ltd London. [6]. ALAN BURNS, ANDY WELLINGS, REAL-TIME

SYSTEMS AND PROGRAMMING LANGUAGES, ADDISON WESLEY LONGMAN, NOVEMBER 1ST 1996. [7]. Alan Burns and Andy Wellings, Real-Time Systems and Programming Languages (Fourth Edition), Addison Wesley Longmain, April 2009 [8]. http://www.freertos.org [9]. http:// www.atmel.com/ [10].http://siwawi.bauing.uni-kl.de/avr_projects/arm_projects/index_at91.html [11]. http://www.embeddedrelated.com

SUMMARY DEPLOYMENT EMBEDDED OPERATING SYSTEM FreeRTOS ON ARM MICROPROCESSOR AT91SAM7S256

Ngo Thi Vinh* College of of Information And Communication Technology – TNU

FreeRTOS is a real-time embedded operating system that has many advantages for small real-time systems with different architectures such as ARM, AVR, APSx, AFSx, LPC2000, STM32, PIC18,… Programmers need to provide different input parameters corresponding to each microcontroller of different hardware platforms to obtain accurate applications in accordance with the configurations of the designed circuits. This paper presents the steps to build an application using FreeRTOS and to setup FreeRTOS on ARM microcontroller AT91SAM7S256 of Atmel, which is one chip belonged to ARM7 microcontrollers that are widely used in for practicing and experimenting in universities and research centers of embedded systems. The application is a multi-process program operating in parallel to take advantage of the processing power of the CPU. Keywords: FreeRTOS, ARM, embedded operating system, AT91SAM7S256, resource management, task.


Phản biện khoa học: TS. Phùng Trung Nghĩa – Trường ĐH Công nghệ thông tin & TT - ĐHTN


Lành Thị Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 141 - 146

141

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RỄ CÂY BẠCH THƯỢC (PAEONIA LACTIFLORA PALL.)

Lành Thị Ngọc1,*, Phạm Hải Yến2 1Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên,

2Viện Hóa sinh biển – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam

TÓM TẮT Bằng các phương pháp sắc ký kết hợp, 5 hợp chất: benzoylpaeoniflorin (1), paeoniflorin (2), 6′-O-benzoylalbiflorin (3), metyl gallat (4) và paeonol (5) đã được phân lập từ dịch chiết metanol rễ cây bạch thược (Paeonia lactiflora). Cấu trúc hóa học của các hợp chất đã được xác định bằng các phương pháp phổ ESI-MS, 1D- và 2D-NMR và so sánh với các số liệu đã công bố. Từ khóa: Paeonia lactiflora, benzoylpaeoniflorin, paeoniflorin, 6′-O-benzoylalbiflorin, metyl gallat và paeonol.

MỞ ĐẦU*

Bạch thược có tên khoa học là Paeonialactiflora Pall. thuộc họ Mẫu đơn (Paeoniaceae) là loại cây thảo sống lâu năm [1]. Trong dân gian, rễ cây Bạch thược được dùng chữa đau nhức, trị tả lị, giải nhiệt, cảm mạo. Rễ sao tẩm chữa các bệnh về máu huyết, thông kinh nguyệt. Rễ sao vàng dung chữa đau bụng máu. Rễ sao cháy dùng chữa băng huyết… [1], [2], [3].

Nhiều tác giả trên thế giới cũng như nước ta đã quan tâm nghiên cứu thành phần hóa học và tác dụng sinh học của rễ cây Bạch thược. Ở Việt nam, Năm 2007, tác giả Phan Văn Kiệm và cộng sự đã phân lập được 2 hợp chất paeoniflorin và benzoylpaeoniflorin từ rễ cây Bạch thược [4]. Cũng trong năm 2007, nhóm tác giả này lại tiếp tục thông báo phân lập được các hợp chất axit gallic, metyl gallat, naringenin và axit 3β,23-dihydroxy-30-norolean-12,20(29)-dien-28-oic từ rễ cây bạch thược [5].

Với mục đích góp phần khảo sát thành phần hóa học của rễ cây Bạch thược, trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả phân lập và xác định cấu trúc năm chất được phân lập từ dịch chiết metanol rễ cây Bạch thược.


THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mẫu thực vật

Mẫu rễ cây Bạch thược (Paeonia lactiflora) được thu Sapa, Lào Cai, Việt Nam vào tháng 2 năm 2013. Tên khoa học được Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam giám định.

Hóa chất thi ết bị

Sắc ký lớp mỏng (TLC): Sắc ký lớp mỏng được thực hiện trên bản mỏng tráng sẵn DC-Alufolien 60 F254 (Merck 1,05715), RP18 F254s (Merck). Phát hiện chất bằng đèn tử ngoại ở hai bước sóng 254 nm và 368 nm hoặc dùng thuốc thử là dung dịch H2SO4 10% được phun đều lên bản mỏng, sấy khô rồi hơ nóng từ từ đến khi hiện màu.

Sắc ký cột (CC): Sắc ký cột được tiến hành với chất hấp phụ là Silica gel pha thường và pha đảo. Silica gel pha thường có cỡ hạt là 0,040-0,063 mm (240-430 mesh). Silica gel pha đảo ODS hoặc YMC (30-50 µm, FuJisilisa Chemical Ltd.).

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Được đo trên máy Bruker DRX500 của Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Phổ khối lượng (ESI-MS): Được đo trên máy LC-MSD Agilent 1200 Series (USA) của Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.


142

Phân lập các chất

Rễ khô đã nghiền thành bột (2,5 kg), ngâm chiết với metanol ba lần, sau đó gộp các dịch chiết lại loại dung môi dưới áp suất thấp thu được 145 g cặn chiết metanol. Cặn metanol được hoà tan vào 2 lít nước cất và chiết lần lượt bằng n-hexan, clorofom. Sau khi đuổi dung môi dưới áp suất thấp thu được các dịch n-hexan (20,0 g), clorofom (70,0 g) và nước (25,0 g). Cặn clorofom được hòa tan vào dung môi clorofom một lượng tối thiểu, sau đó tẩm vào 140g silicagel, cô đuổi dung môi cho đến khi thu được bột tơi, khô. Tiến hành sắc ký cột nhồi silica gel pha thường cỡ hạt 230-400 mesh (0,04-0,063 mm) và nạp mẫu khô vào cột, sau đó rửa giải với hệ dung môi clorofom: metanol với độ phân cực tăng dần (từ 50:1 - 5:1) thu được 5 phân đoạn chính là F1 (12,0 g), F2 (8,5 g), F3 (18,5 g), F4 (7,8 g) và F5 (12,0 g). Phân đoạn F3 (18,5 g) tiếp tục sắc ký trên cột silicagel với hệ dung môi rửa giải là clorofoc: metanol: H2O (90:10:1) thu được 4 phân đoạn F3A (4,5 g), F3B (3,4 g), F3C (5,0 g) và F3D (4,7 g). Sau đó, từ phân đoạn F3A (4,5 g) tiếp tục sắc ký cột lặp lại trên cột nhồi silicagel pha đảo YMC RP 18 với hệ dung môi axeton: H2O (8:3) thu được hợp chất 2 (35 mg). Phân đoạn F3B (3,4 g) được chạy sắc ký cột sillicagel hệ clorofoc: axeton (4:1) thu được hợp chất 3 (80 mg). Phân đoạn F3D (4,7 g) sử dụng sắc ký cột lặp lại trên cột nhồi silicagel pha đảo YMC RP 18 với hệ dung môi metanol: H2O (3:2) thu được hợp chất 5 (200 mg). Phân đoạn F4 (7,8 g) tiến hành sắc ký trên cột silicagel với hệ dung môi metanol: nước (7:3) thu được các hợp chất 4 (50 mg). Phân đoạn F5 (12,0 g) cũng tiến hành sắc ký trên cột silicagel với hệ dung môi metanol: nước (2:1) thu được các hợp chất 1 (20 mg).

Benzoylpaeoniflorin (1): Chất rắn không màu. Nhiệt độ nóng chảy: 127-128oC. Độ quay cực:[α]25

D: -12,9o (MeOH, c: 1,0). Rf = 0,4 (TLC, silica gel, n-hexan:axeton tỷ lệ 7:2). ESI-MS m/z: 585,1 [M+H]+. Khối lượng phân tử M = 584. Công thức phân tử C30H32O12.

1H-NMR (500 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 1,86 (1H, d, J = 12,3 Hz, Ha-3), 1,72 (1H, dd, J =12,3 Hz, Hb-3), 2,52 (1H, d, J = 6,9 Hz, H-5), 1,82 (1H, d, J = 10,5 Hz, Ha-6), 2,48 (1H, dd, J = 10,5, 7,0, Hb-6), 4,73 (1H, s, H-8), 5,40 (1H, s, H-9), 1,25 (3H, s, H-10), 4,58 (1H, d, J = 8,0, H-1′), 3,27 (1H, dd, J = 9,5, 8,0, H-2′), 3,40 (1H, H-3′), 3,40 (1H, H-4′), 3,62 (1H, ddd, J = 9,0, 7,0, 2,0, H-5′), 4,51 (1H, dd, J = 7,0, 12,0 Hz, Ha-6′), 4,65 (1H, dd, J = 12,0, 2,0 Hz, Hb-6′), 8,08 (4H, m, H-2′′, H-6′′, H-2′′′, H-6′′′), 7,48 (4H, m, H-3′′, H-5′′ , H-3′′′, H-5′′′), và 7,61 (2H, m, H-4′′ và H-4′′′). 13C-NMR (125 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 89,27 (C-1), 87,04 (C-2), 44,41 (C-3), 106,19 (C-4), 43,79 (C5), 23,00 (C-6), 72,02 (C-7), 61,59 (C-8), 102,19 (C-9), 19,53 (C-10), 100,01 (C-1′), 74,92 (C-2′), 77,83 (C-3′), 71,94 (C-4′), 75,17 (C-5′), 65,12 (C-6′), 131,67 (C-1′′), 130,64 (C-2′′, C-6′′), 129,68 (C-3′′, C-5′′), 134,37 (C-4′′), 167,61 (C-7′′), 131,16 (C-1′′′), 130,52, (C-2′′′, C-6′′′), 129,59, (C-3′′′, C-5′′′), 134,44, (C-4′′′) và 167,94, (C-7′′′). Paeoniflorin (2): Chất rắn không màu. Nhiệt độ nóng chảy: 153-154oC. Độ quay cực: [α] 25

D: -31o (MeOH, c: 1,0). Rf = 0,4 (TLC, silica gel, n-hexan:axeton tỷ lệ 4:1). ESI-MS m/z: 481,1 [M+H]+, 503,1 [M+Na]+, 479 [M-H] -. Khối lượng phân tử M = 480. Công thức phân tử: C23H28O11. 1H-NMR (500 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 2,20 (1H, d, J = 13,0 Hz, Ha-3), 1,82 (1H, dd, J = 13,0, 2,0 Hz, Hb-3), 2,60 (1H, dd, J = 1,5, 6,5 Hz, H-5), 1,96 (1H, d, J = 10,5 Hz, Ha-6), 2,51 (dd, J = 10,5, 6,5 Hz, Hb-6), 4,73 (2H, s, H-8), 5,45 (1H, s, H-9), 1,38 (3H, s, H-10), 4,65 (1H, d, J = 8,0 Hz, H-1′), 3,27 (1H, dd, J = 9,5, 8,0 Hz, H-2′), 3,41 (1H, m, H-3′), 3,42 (1H, m, H-4′), 3,62 (1H, ddd, J = 9,0, 7,0, 2,0 Hz, H-5′), 4,51 (1H, dd, J = 7,0, 12,0 Hz, Ha-6′), 4,65 (1H, dd, J = 12,0, 2,0 Hz, Hb-6′), 8,07 (2H, m , H-2′′′, H-6′′′), 7,48 (2H, m, H-3′′′, H-5′′′) và 7,62 (1H, m, H-4′′′). 13C-NMR (125 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 89,34 (C-1), 87,23 (C-2), 44,53 (C-3), 106,38 (C-4), 43,96 (C-5), 23,42 (C-6), 72,22 (C-7), 61,79 (C-8), 102,29 (C-9), 19,60 (C-10), 100,18 (C-1′), 75,00 (C-2′), 77,92 (C-3′), 71,73 (C-4′), 78,04 (C-5′), 62,88 (C-6′), 131,19 (C-1′′′), 130,77 (C-2′′′, C-6′′′), 129,62 (C-3′′′, C-5′′′), 134,40 (C-4′′′) và 167,98 (C-7′′′).


143

Hình 1. Cấu trúc hóa học của các hợp chất 1-5

6′-O-benzoylalbiflorin (3): Tinh thể màu trắng. Nhiệt độ nóng chảy: 154-155oC. Độ quay cực: [α]25

D: -23,0 (MeOH, c: 1,0). Rf = 0,5 (TLC, silica gel, n-hexan:axeton tỷ lệ 7:2).ESI-MS m/z: 585,2 [M+H]+, 607,2 [M+Na]+. Khối lượng phân tử M = 584. Công thức phân tử C30H32O12.

1H-NMR (500 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 1,90 (1H, d, J = 16,0, 1,0 Hz, Ha-3), 2,00 (1H, dd, J = 16,0, 6,5 Hz, Hb-3), 4,00 (1H, dd, J = 6,5, 5,0 Hz, H-4), 2,83 (1H, dd, J = 10,0, 5,0 Hz, H-5), 1,74 (1H, d, J = 10,5 Hz, Ha-7), 2,75 (1H, dd, J = 8,0, 10,5 Hz, Hb-7), 4,70 (1H, d, J = 12,0 Hz, Ha-8), 4,84 (Hb-8), 1,52 (3H, s, H-10), 4,54 (1H, J = 7,5 Hz, H-1′), 3,27 (1H, dd, J = 7,5, 8,0 Hz, H-2′), 3,35 (H-3′), 3,35 (H-4′), 3,60 (1H, m, H-5′), 4,53 (1H, d, J = 7,5 Hz, Ha-6′), 3,65 (Hb-6'), 8,08 (4H, H-2′′, H-6′′, H-2′′′, H-6′′′), 7,48 (4H, H-3′′, H-5′′, H-3′′′, H-5′′′), 7,61 (H-4′′), và 7,61 (H-4′′′). 13C-NMR (125 MHz, CD3OD): δδδδ (ppm): 86,97 (C-1), 93,29 (C-2), 41,48 (C-3), 68,24 (C-4), 41,48 (C-5), 56,52 (C-6), 28,05 (C-7), 61,86 (C-8), 177,78 (C-9), 20,45 (C-10), 99,94 (C-1′), 74,78 (C-2′), 77,82 (C-3′), 71,96 (C-4′), 75,33 (C-5′), 68,18 (C-6′), 131,22 (C-

1′′), 130,62 (C-2′′, C-6′′), 129,62 (C-3′′, C-5′′), 134,36 (C-4′′), 167,54 (C-7′′), 131,35 (C-1′′′), 130,73 (C-2′′′, C-6′′′), 129,71 (C-3′′′, C-5′′′), 134,50 (C-4′′′) và 167,09 (C-7′′′).

Metyl gallat (4): Tinh thể màu trắng. Nhiệt độ nóng chảy: 156-157oC. Rf = 0,4 (TLC, silica gel, CHCl3:MeOH tỷ lệ 8:1);Khối lượng phân tử M = 184. Công thức phân tử C8H8O5.

1H-NMR (500 MHz, MeOD-d4), δ (ppm): 7,06 (2H, s, H-3 và H-7), 3,82 (3H, s, OCH3). 13C-NMR (125 MHz, MeOD-d4), δ (ppm): 169,02 (C-1), 121,48 (C-2), 110,07 (C-3, C-7), 139,71 (C-4, C-6), 146,41 (C-5) và 52,24 (OCH3).

Paeonol (5): Tinh thể lập phương màu trắng ngà. Nhiệt độ nóng chảy: 52-53oC. Rf = 0,4 (TLC, silica gel, n-hexan:etyl axetat tỷ lệ 4:1). Khối lượng phân tử M = 166. Công thức phân tử C9H10O3.

1H-NMR (500 M, CDCl3) δδδδC (ppm): 2,55 (3H, s, H-8), 3,83 (3H, s, OCH3), 6,41 (1H, d, J = 1,5 Hz, H-4), 6,43 (1H, dd, J = 9,0, 1,5 Hz, H-6), 7,62 (1H, d, J = 9,0 Hz, H-7), 12,73 (1H, s, 3-OH);


144

13C-NMR (125 M, CDCl3) δδδδC (ppm): 202,52 (C-1), 113,93 (C-2), 165,28 (C-3), 100,87 (C-4), 166,13 (C-5), 107,59 (C-6), 132,26 (C-7), 26,14 (C-8), 55,53 (O-CH3).


Phổ 1H-NMR của 1 ở vùng trường thấp xuất hiện tín hiệu của hai vòng benzen thế mono tương ứng với 10 proton tại δ 8,08 (4H), 7,48 (4H), 7,61 (2H). Ở vùng trường cao xuất hiện tín hiệu singlet của một nhóm metyl tại δ 1,25 (3H, s, H-10), các tín hiệu của hai nhóm metylen tại δ 1,86 (1H, d, J = 12,3 Hz, Ha-3), 1,72 (1H, dd, J = 12,3 Hz, Hb-3), 1,82 (1H, d, J = 10,5 Hz, Ha-6), 2,48 (1H, dd, J = 10,5, 7,0, Hb-6). Ngoài các tín hiệu proton gắn với nguyên tử cacbon oxymetin của phân tử đường tại δ 4,58 (1H, d, J = 8,0 Hz, H-1′), 3,27 (1H, dd, J = 9,5, 8,0 Hz, H-2′), 3,40 (1H, H-3′), 3,40 (1H, H-4′), 3,62 (1H, ddd, J = 9,0, 7,0, 2,0, Hz, H-5′), trên phổ còn xuất hiện tín hiệu singlet tại δ 5,40 (1H, s, H-9). Chú ý đến hằng số tương tác spin -spin của các proton của phân tử đường với giá trị JH-1′/2′ = 8,0 Hz cho thấy đã hình thành liên kết O-β-glucoside. Phổ 13C-NMR cùng với các phổ DEPT 90o và DEPT 135o của 1 xuất hiện các tín hiệu 30 nguyên tử cacbon, trong đó có 12 tín hiệu của hai vòng benzen thế mono, hai tín hiệu của hai nhóm cacboxylat tại δ167,61 và 167,94 cho thấy trong phân tử chứa hai nhóm benzoyl. Một phân tử đường glucose được xác định bởi 6 tín hiệu tại δ 100,01 (CH), 74,92 (CH), 77,83 (CH), 71,94 (CH), 75,17 (CH), 65,12 (CH2), trong đó cacbon anome được khẳng định tại δ 100,01. Như vậy, trừ đi 14 cacbon của 2 nhóm benzoyl, 6 cacbon của phân tử đường glucose thì phân tử của 1 còn lại 10 nguyên tử cacbon tại δ 89,27 (C), 87,04 (C), 44,41 (CH2), 106,19 (C), 43,79 (CH), 23,00 (CH2), 72,02 (C), 61,59 (CH2), 102,19 (CH), 19,53 (CH3). Chú ý đến các giá trị độ dịch chuyển hóa học và loại cacbon của 10 tín hiệu nêu trên, tham khảo khung cơ bản của các hợp chất phổ biến của chi Paeonia có thể sơ bộ dự đoán các tín hiệu này thuộc vào khung monotecpen. Điểm đặc trưng của cấu trúc khung này là chỉ có một nhóm metyl duy

nhất và hai nhóm metylen no cùng với 4 cacbon không còn nguyên tử hydro nào gắn vào. Đồng thời, một nhóm benzoyl thường được nối với C-8, một nhóm đường glucose luôn nối với C-1. Tham khảo các tài liệu đã công bố cho các hợp chất từ chi Paeonia L., có thể dự đoán hợp chất 1 là benzoylpaeoniflorin với công thức phân tử là C30H32O12. Các dữ kiện phổ NMR của 1 được so sánh trực tiếp với các dữ kiện phổ đã công bố cho hợp chất benzoylpaeoniflorin cho kết quả phù hợp hoàn toàn [6]. Ngoài ra, phổ khối lượng ESI -MS của 1 còn xuất hiện các píc tín hiệu ion m/z 585 [M+H]+ và m/z 583 [M-H]- tương ứng phù hợp với công thức phân tử của benzoylpaeoniflorin.

Hợp chất 2 nhận được dưới dạng chất rắn không màu, nhiệt độ nóng chảy 153-154oC. Phổ NMR của 2 có dạng tương tự như các phổ tương ứng của 1. Tuy nhiên, trên phổ NMR của 2 đã mất đi các tín hiệu của một nhóm benzoyl. Phổ khối lượng ESI -MS của 2 xuất hiện các píc m/z 481 [M+H]+, 503 [M+Na]+, 479 [M-H]- hoàn toàn tương ứng với công thức phân tử C23H28O11 của paeoniflorin. Từ những kết quả nêu trên, hợp chất 2 được khẳng định là paeoniflorin, một hợp chất đã biết được phân lập từ rễ cây P. lactiflora [6].

Phổ 1H-NMR của 3 cũng tương tự như phổ 1H-NMR của 2, hai vòng benzen thế mono xuất hiện tại δ 8,08 (4H), 7,61 (2H) và 7,48 (4H). Ngoài ra các tín hiệu của phân tử đường tại δ 4,54 (1H, J = 7,5 Hz, H-1′), 3,27 (1H, dd, J = 7,5, 8,0 Hz, H-2′), 3,35 (H-3′), 3,35 (H-4′), 3,60 (1H, m, H-5′), 4,53 (1H, d, J =7,5 Hz, Ha-6′)/3,65 (Hb-6′). Các tín hiệu còn lại thuộc vào khung monotecpen Phổ 13C-NMR của 3 xuất hiện tín hiệu tương ứng với 30 cacbon, trong đó có 12 tín hiệu tương ứng với hai vòng benzoyl. Sáu tín hiệu của phân tử đường glucozơ. Ngoài ra còn có tín hiệu của 10 cacbon tương ứng với một monotecpen. Khác biệt dễ nhận thấy giữa phổ NMR của 3 so với phổ của 2 là sự xuất hiện tín hiệu của một cacboxylat tại δ 177,78 (C-9) thay cho tín


145

hiệu của cacbon CH tại δ 102,19 của 2. Sự thay thế này cũng đã làm thay đổi độ dịch chuyển hoá học của proton và cacbon tại các vị trí liền kề của 3. Kết quả trên đã gợi ý cấu trúc của 3 như hình 1. So sánh các giá trị phổ NMR của 3 với các giá trị phổ tương ứng của 6′-O-galloyl desbenzoylalbiflorin [7] thấy rằng các vị trí tương ứng của khung monotecpen và phân tử đường là hoàn toàn phù hợp. Sự khác nhau về độ dịch chuyển hoá học của cacbon C -6′ của phân tử đường là do có một vòng benzoyl liên kết với phân tử đường tại vị trí này. Cấu trúc của toàn bộ phân tử của 3 còn được khẳng định bằng các tương tác trên phổ HSQC và phổ HMBC. Trên phổ khối lượng ESI -MS của 3 xuất hiện tín hiệu các pic ion m/z 585,2 [M+H]+, 607,2 [M+Na]+

, hoàn toàn tương ứng phù hợp với công thức phân tử C30H32O12 của 6′-O-benzoylalbiflorin, hay còn được gọi là paeonivayin, một hợp chất đã biết đến từ loài Paeonia delavayi.

Các hợp chất (4) và (5) được xác định lần lượt là metylgallat [8] và paeonol [13] bằng cách phân tích chi tiết các số liệu phổ NMR, MS và so sánh chúng với các số liệu tương ứng đã được công bố trong các tài liệu tham khảo.

KẾT LUẬN

Bằng các phương pháp sắc ký kết hợp, năm hợp chất benzoylpaeoniflorin (1), paeoniflorin (2), 6′-O-benzoylalbiflorin (3), metyl gallat (4) và paeonol (5) đã được phân lập từ rễ cây bạch thược (Paeonia lactiflora). Cấu trúc hóa học của chúng được xác định bằng các phương pháp phổ khối lượng, phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều và hai chiều.


[1]. Nguyễn Tiến Bân, Nguyễn Khắc Khôi, Vũ Xuân Phương, Trần Thị Phương Anh và cộng sự (2003), Danh lục các loài thực vật Việt Nam, Tập II (Tr. 325), Nhà xuất bản Nông Nghiệp, Hà Nội. [2]. Đỗ Huy Bích, Đặng Quang Trung, Bùi Xuân Chương, Nguyễn Thượng Dong, Đỗ Trung Đàm, Phạm Văn Hiển, Vũ Ngọc Lộ, Phạm Duy Mai, Phạm Kim Mãn, Đoàn Thị Nhu, Nguyễn Tập, Trần Toàn (2003), Cây thuốc và động vật làm thuốc ở Việt Nam, Tập I (Tr. 158), II (Tr. 253, 1102), Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội. [3]. Võ Văn Chi (1997), Từ điển cây thuốc Việt Nam, Nhà xuất bản Y học, Hà Nội. [4]. Phan Văn Kiệm, Nguyễn Xuân Nhiệm, Nguyễn Hữu Tùng, Trần Hồng Quang, Phạm Hải Yến, Châu Văn Minh, Axit gallic, metyl gallat, naringenin và axit 3β,23-dihydroxy-30-norolean-12,20(29)-dien-28-oic phân lập từ cây bạch thược (Paeonia lactiflora Pall.), Tạp chí Dược học, Tập 47 (6), Tr. 27-29,31, 2007. [5]. Phan Văn Kiệm, Phạm Hải Yến, Nguyễn Xuân Nhiệm, Nguyễn Hữu Tùng, Trần Hồng Quang và Châu Văn Minh, Paeoniflorin và benzoylpaeoniflorrin phân lập từ cây bạch thược (Paeonia lactiflora Pall.), Tạp chí Hoá học, Tập 45 (5), tr. 570-574, 2007. [6]. Lin H.C., Ding H.Y., Wu T.S., Wu P.L. (1996), “Monoterpene glucosides from Paeonia suffruticosa”, Phytochemistry, 41, pp. 237-242. [7]. Takashi T., Maki K., Nagisa T. and Isao K. (2000), “ New monoterpene glycoside ester and phenolic constituents of paeoniae radix, and increase of water solubility of proanthocyanidins in the presence of Paeoniflorin”, Chem. Pharm. Bull, Vol. 48(2), 201-207. [8]. Lee S. C., Kwon Y. S., Son K. H., Kim H. P., Heo M. Y. (2005), “Antioxidative constituents from Paeonia lactiflora”, Arch. Pharm. Res., 28, 775. [9]. Yasuda, T. et al. (1999), “Metabolism of Paeonol in Rats” J. Nat. Prod., 62, 1142-1144 (Paeonol, pmr, cmr)


146

SUMMARY STUDY ON CHEMICAL COMPONENTS FROM THE ROOTS OF PAEONIA LACTIFLORA PALL

Lanh Thi Ngoc1,*, Pham Hai Yen2 1College of Agriculture and Forestry – TNU

2Institute of Marine Biochemistry – Vietnam Academy of Science and Technology

From the methanol extract of the roots of Paeonia lactiflora Pall., five compounds: benzoylpaeoniflorin (1), paeoniflorin (2), 6′-O-benzoylalbiflorin (3), metyl gallat (4), and paeonol (5) were isolated. Their structures were determined by spectrometry methods and in comparision with published data. Keywords: Paeonia lactiflora, benzoylpaeoniflorin, paeoniflorin, 6′-O-benzoylalbiflorin, metyl gallat và paeonol.


Phản biện khoa học: TS. Dương Nghĩa Bang – Trường Đại học Khoa học - ĐHTN


Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152

147

ĐIỀU KHI ỂN MỜ LAI ÁP DỤNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI L ƯỚI

Lại Khắc Lãi*

Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo đề xuất một bộ điều khiển dòng điện sử dụng lôgic mờ cho biến tần kết nối với lưới điện. Trong bộ điều khiển PI để điều khiển biến tần nối lưới, độ khuếch đại của bộ khâu P được thay đổi với sự trợ giúp của các thuật toán logic mờ để có được đáp ứng quá độ nhanh bất chấp các biến đổi đầu vào và nhiễu phụ tải. Đầu vào của bộ điều khiển logic mờ là sai lệch dòng điện đo được và giá trị đặt trong trong hệ tọa độ quay. Hiệu quả của các chiến lược điều khiển đề xuất đã được xác nhận qua kết quả mô phỏng với phần mềm Psim - Matlab và được so sánh với các bộ điều khiển PI thông thường. Từ khóa: Điều khiển dòng điện. Logic mờ, Nối lưới, Bộ điều khiển PI, Psim-Matlab.

GIỚI THIỆU

Biến tần nối lưới là một loại đặc biệt của biến tần có thể chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều và nối nó vào lưới điện hiện hành. Các bộ biến tần nối lưới cần có một số tính năng như điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng với dòng năng lượng hai hướng, điều khiển hệ số công suất với điện áp/dòng điện ra hình sin chất lượng cao. Ngoài ra, nó có thể hỗ trợ bảo vệ các thiết bị điện trong trường hợp xảy ra lỗi lưới . Cấu trúc chung của biến tần nguồn áp 1 pha kết nối lưới được chỉ ra trên hình 1. Trong đó, bộ chuyển đổi DC-AC là ngịch lưu cầu một pha đầy đủ sử dụng 4 MOFET hoặc 4 GJB. Đầu vào biến tần là nguồn áp một chiều (pin mặt trời, acqui hoặc là đầu ra của bộ chỉnh lưu). Đầu ra của biến tần được kết nối với lưới điện thông qua bộ lọc thông thấp (lọc

LC hoặc LCL hoặc bộ lọc L trong trường hợp đơn giản) để đưa năng lượng vào lưới. Khi đầu ra biến tần cắt khỏi lưới, nó sẽ cung cấp năng lượng cho tải cục bộ. Do vậy bộ điều khiển biến tần được chia thành chế độ làm việc độc lập và chế độ nối lưới.

Để điều khiển biến tần trong cả chế độ làm việc độc lập cũng như chế độ nối lưới, các giá trị điện áp và dòng điện của biến tần được chuyển thành các giá trị tương ứng trong hệ tọa độ quay thông qua phép biến đổi Park thuận. Điện áp ra của bộ điều chỉnh là các giá trị Ud và Uq, chúng được đưa tới chuyển đổi ngược Park ngược. Đầu ra của chuyển đổi Park ngược là các giá trị Uα và Uβ được đưa tới bộ điều chế rộng xung hình sin (SPWM).

Đầu ra của khối SPWM là tín hiệu điều khiển các khóa chuyển đổi của biến tần.

Hình 1. Sơ đồ khối điều khiển biến tần một pha nối lưới*


Ug

Ubus

Lưới AC

DC ∼∼∼∼

SPWM

ϑ

Điều khi ển điện áp

Điều khi ển dòng điện

PLL

Uα Uβ

Tải


148

Chế độ làm việc độc lập: Ở chế độ làm việc độc lập, biến tần cần phải liên tục cung cấp điện áp phù hợp với điện áp lưới điện cho tải cục bộ. Để thực hiện điều này, ta sử dụng vòng khóa pha (PLL) để phát hiện tần số và góc pha của điểm kết nối chung điện áp. Thành phần Ugd của điện áp lưới được căn chỉnh theo véc tơ điện áp đầu ra của biến tần. Góc pha của biến tần được xác định bằng cách tích phân của tổng tần số bù và tần số điện áp lưới.

Mặt khác, bộ điều khiển điện áp được áp dụng để đồng bộ hóa điện áp đầu ra của biến tần với biên độ điện áp lưới. Quá trình điều khiển được mô tả trong hình 1.

Thực tế các thành phần điện áp p và q của biến tần (Ud-inv và Uq-inv) được so sánh với điện áp đặt (Ud-ref và Uq-ref) . Các thành phần điện áp đầu ra là các giá trị điện áp đặt (Uα, Uβ) tương ứng với biên độ của điện áp lưới.

Chế độ nối lưới: Trong chế độ nối lưới, dộ điều khiển dòng điện được sử dụng để điều khiển việc truyền công suất tác dụng và công suất phản kháng vào lưới điện quốc gia. Trong chế độ này điện áp ra cùng biên độ và cùng pha với điện áp lưới, do vậy quá trình điều khiển công suất có thể xem như điều khiển dòng điện. Bài báo đề xuất phương pháp sử dụng bộ điều khiển mờ lai (FLC-PI) cho bộ điều khiển dòng điện biến tần một pha trong chế độ nối lưới trên trên hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu dq).

Bộ chuyển đổi DC/AC của hệ thống biến tần cần phải bơm dòng điện tác dụng vào lưới, đó là dòng điện thuần sin cùng pha với điện áp lưới. Để thỏa mãn điều kiện này sai số xác lập giữa dòng điện mong muốn và dòng điện thực tế cần phải xấp xỉ bằng không tại tần số lưới.

Trong nhiều năm qua, đã có nhiều sơ đồ điều khiển cho biến tần nối lưới được đề xuất. Sơ đồ điều khiển kinh điển của biến tần nối lưới thường dựa trên phản hồi điện áp lưới trong hệ tọa độ xoay và thêm vào một vài bộ điều khiển PI [1].

Trong trường hợp bộ điều khiển PI, việc thực hiện điều khiển phụ thuộc vào PI hệ số khuếch đại. Hơn nữa, bộ điều khiển PI với hệ số PI hằng không thể đảm bảo độ quá điều chỉnh mong muốn và thời gian quá độ cho tất cả các tải. Đặc biệt, trong trường hợp nhiều bộ điều khiển PI hoạt động không hoàn toàn độc lập với nhau trong một hệ thống điều khiển. Trong các hệ thống biến tần nối lưới thường có nhiều hơn hai bộ điều khiển PI và chúng có yêu cầu độ tác động nhanh [2]. Do vậy, cần thiết điều chỉnh giá trị hệ số khuếch đại của PI trong quá trình quá độ để đạt được hiệu quả tốt hơn. Một trong những phương pháp mạnh được áp dụng để điều chỉnh tăng hệ số khuếch đại của PI là sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC).

Hình 2. Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần một pha nối lưới

ϑ

Ig

Vg

Vbus

I*d

I*q

Id

Iq

Iα Iβ

Vα

Lưới

d,q

α,β 900

AC

DC ∼∼∼∼

α,β

d

,PI2

PI1 PLL

ϑ

-

-


149

Do sự đơn giản và tính linh hoạt của logic mờ nên chúng đã được áp dụng cho các hệ thống phi tuyến, các hệ thống điều khiển thông minh, và các ứng dụng phức tạp khác. Trong lĩnh vực hệ thống điện, FLC có thể được sử dụng để điều khiển các hệ thống năng lượng gió hoặc điều khiển kết nối lưới các hệ thống quang điện [5-8].

FLC áp dụng cho hệ thống biến tần nối lưới 3 pha được phân tích chi tiết trong [3]. Bài báo này đề xuất một ứng dụng của FLC để bù hệ số khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển PI điều khiển dòng điện biến tần nối lưới điện quốc gia. hệ số khuếch đại tỉ lệ của PI được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu của dòng điện ra trong hệ tọa độ quay. Do đó, không chỉ các điều kiện khác nhau của điện áp lưới và dòng điện được thích nghi mà còn nâng cao độ tin cậy của bộ điều khiển. Phương pháp điều khiển đề xuất được phân tích thông qua các mô phỏng với sự trợ giúp của phần mềm Psim, và Matlab simulink. Sau đó so sánh với bộ điều khiển kinh điển PI để thấy rõ ưu việt và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN D-Q

Một trong các giải pháp được ứng dụng phổ biến hiện nay là xây dựng bộ điều khiển trong hệ tọa độ quay đồng bộ với tần số lưới (hệ tọa độ d-q). Bộ điều khiển trong hệ tọa độ d-q cho phép hệ số khuếch đại lớn tại tần số lưới và có tính khử nhiễu cao. Do đó nó làm tăng hiệu quả điều khiển và có thể hủy bỏ dòng điện phản kháng đưa vào lưới điện.

Đối với hệ thống biến tần ba pha, việc áp dụng hệ qui chiếu đồng bộ (d-q) khá dễ dàng, vì điện áp cũng như dòng điện của hệ thống này được biểu diễn bởi một véc tơ quay với tốc độ bằng tốc độ góc của điện áp lưới. đối với hệ thống một pha, do điện áp cũng như dòng điện chỉ có một thành phần duy nhất. Vì vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu đồng bộ ta cần tạo ra một thành phần điện áp ảo hoặc dòng điện ảo vuông pha với trạng thái điện áp hoặc dòng điện của hệ thống.

Giả thiết điện áp lưới và dòng điện lưới là:

( )u( ) cos t+u t Uα ω ϕ= và ( )i( ) Icos t+i tα ω ϕ=

Trong đó ω là tần số góc lưới, φu, φi là góc pha đầu của điện áp và dòng điện.

Thành phần dòng điện ảo trực giao với dòng điện lưới (iα) là ( )i( ) Isin t+i tβ ω ϕ= . Áp dụng chuyển đổi Park ta dễ dàng tính được Id và Iq trong hệ qui chiếu quay đồng bộ với điện áp lưới.

d

q

os (t) sin (t)

I Isin (t) os (t)

I Ic

cα

β

ϑ ϑϑ ϑ

= −

(1)

Trong đó góc ( ) vt tϑ ω ϕ= + thu được nhờ vòng khóa pha PLL.

Từ (1) ta có:

d

q

= i cos ( ) sin ( )

= - sin ( ) i cos ( )

i t i t

i i t t

α β

α β

ϑ ϑϑ ϑ

+ +

(2)

Thay ( )i( ) Icos t+i tα ω ϕ= và

( )i( ) Isin t+i tβ ω ϕ= vào (2) ta

được:

( ) ( )( ) ( )

d i i

q i i

= os t+ cos ( ) sin t+ sin ( )

= - os t+ sin ( ) sin t+ cos ( )

i Ic t I t

i Ic t I t

ω ϕ ϑ ω ϕ ϑω ϕ ϑ ω ϕ ϑ

+ +

( )( )

1

q 1

( ) Icos - os

i (t) = -Isin - sin

d v

v

i t Ic

I

ϕ ϕ ϕϕ ϕ ϕ

= = = −

(3)

Trong đó id tương ứng với biên độ của dòng điện lưới tác dụng, cùng pha với điện áp lưới và -iq tương ứng với biên độ dòng điện lưới phản kháng, vuông góc với điện áp lưới; cosφ là hệ số công suất.

Sơ đồ bộ điều khiển dòng điện d-q được chỉ ra trên hình 2. Trong đó biến phụ thuộc Uα trong trong chuyển đổi Park ngược được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi DC/AC để có được dòng điện lưới mong muốn. Chuyển đổi Park ngược có đầu vào là dòng điện Id và dòng Iq. Điểm đặt của vòng điều khiển dòng điện phản kháng thường thiết lập bằng 0. bởi vì trong điều kiện lý tưởng ta chỉ cần cung cấp dòng điện tác dụng.


150

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO BÙ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHO PI

Có 2 bộ FLC để điều chỉnh hệ số khuếch đại tỉ lệ của PI1 và PI2. Để tránh trùng lặp, bài báo này chỉ trình bày chi tiết bộ điều chỉnh thứ nhất. Cấu trúc của chúng được biểu diễn ở phần đóng khung trên hình 2, gồm 2 khối: Bộ điều khiển PI kinh điển có hệ số khuếch đại tỉ lệ (Kp) không đổi và bộ điều khiển mờ. Ta gọi khối này là FLC-PI1. FLC trong khối có nhiệm vụ làm tăng hệ số Kp ở giai đoạn đầu nhằm giảm thời gian quá độ của hệ thống.

y

PI1

in1

in2

O1

O2

O3

O4

Lai1c single-phase inverter

Fuzzy-PI2

Id

Iq

Add2

Add

Hình 3. Sơ đồ khối của cấu trúc điều khiển d-q

Bộ điều khiển mờ có đầu vào là sai lệch e, đầu ra là lượng tăng ∆k, hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra có 9 tập mờ như hình 4 và hình 5. Luật điều khiển có dạng tổng quát:

Ri : if e is mfi then ∆k is mfi Sử dụng luật hợp thành Max-Min, giải mờ bằng phương pháp cận phải .

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Để kiểm tra đặc tính động của phương pháp đề xuất, ta tiến hành mô phỏng trên phần mềm Psim và Matlab-Simulink. Mô hình mô phỏng như hình 3, bao gồm chuyển đổi DC/AC, điện áp lưới và tải thuần trở 1 pha. Các thông số của hệ thống mô phỏng là:

- Điện áp 1 chiều 400V

- Tải thuần trở 1 pha: R = 10Ω

- Điện cảm lọc: L = 10mH

- Điện dung lọc: C = 500µF

- Điện áp lưới: 220V

- Tần số lưới: 50Hz

- Thời gian chạy mô phỏng: 0,2s

Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 5 và hình 7. Trong đó hình 6 là đáp ứng khi sử dụng bộ điều khiển PI, hình 7 là đáp ứng khi có thêm bộ điều khiển mờ.

Hình 4. Hàm liên thuộc đầu vào của FLC

Hình 5. Hàm liên thuộc đầu ra của FLC

Hình 6. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng PI

FLC-PI

Uinv Ugrid


151

Hình 7. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng FLC-PI

Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng khi không có bộ điều chỉnh FLC thì thời gian để điện áp bộ biến tần hòa đồng bộ với điện áp lưới khoảng 0,07s, trong khi đó nếu sử dụng FLC-PI thời gian này chỉ còn khoảng 0,03s, giảm hơn 50% so với sử dụng PI

KẾT LUẬN

Trong bài báo này đã giới thiệu một sơ đồ điều khiển nâng cao của biến tần một pha nối lưới. Để cải thiện đặc tính động của hệ thống biến tần nối lưới, hệ số của PI được điều chỉnh theo đầu vào và sự biến thiên tải với thuật toán lôgic mờ. Kết quả mô phỏng đã chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất bằng cách so sánh với phương pháp truyền thống. Đồng thời cho thấy ưu điểm riêng của FLC-PI như thời gian quá độ ngắn, sai số xác lập bằng không trong, khả năng kháng nhiễu tốt.


[1].Balaguer, I.J.; Qin Lei; Shuitao Yang; Supatti, U.; Fang Zheng Peng; Control for Grid-Connected and Intentional Islanding Operations of Distributed Power Generation. Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.1, pp.147-157, (2011).

[2].Zhilei Yao; Lan Xiao; Yangguang Yan: Seamless Transfer of Single-Phase Grid-Interactive Inverters Between Grid-Connected and Stand-Alone Modes. Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.25, no.6, pp.1597-1603, ( 2010). [3].Mann, G.K.I.; Hu, B.-G.; Gosine, R.G.: Analysis and performance evaluation of linear-like fuzzy PI and PID controllers. Fuzzy Systems, Proceedings of the Sixth IEEE International Conference on , vol.1, no., pp.383-390 vol.1, ( 1997). [4]. Petrov, M.; Ganchev, I.; Taneva, A. : Fuzzy PID control of nonlinear plants. Intelligent Systems, 2002. Proceedings. 2002 First International IEEE Symposium, vol.1, no., pp. 30- 35 vol.1,( 2002). [5].Quoc-Nam Trinh and Hong-Hee Lee, Fuzzy Logic Controller for Maximum Power Tracking in PMSG-Based Wind Power Systems. Lecture Notes in Computer Science, Vol 6216, Advanced Intelligent Computing Theories and Applications With Aspects of Artificial Intelligence, pp. 543-553, (2010). [6].Zheng Fei; Fei Shumin; Zhou Xingpeng: Design and simulation of fuzzy sliding-mode robust controller for grid-connected photovoltaic system. Intelligent Control and Automation (WCICA), 2010 8th World Congress on , vol., no., pp.2527-2532 (2010). [7].Premrudeepreechacharn, S.; Poapornsawan, T.: Fuzzy logic control of predictive current control for grid-connected single phase inverter, Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE , vol., no., pp.1715-1718, (2000). [8].Yiwang Wang; Fengwen Cao: Implementation of a Novel Fuzzy Controller for Grid-Connected Photovoltaic System. Power and Energy Engineering Conference, 2009. APPEEC 2009. Asia-Pacific , vol., no., pp.1-4, ( 2009). Miranda, U.A.; L. G. B. & Aredes M. A DQ synchronous reference frame current control for single-phase converters, in proc. Of Power Electronics Specialists Conference. PESC'05. IEEE 36, , pp. 1377-1381 (2009).

Uinv Ugrid


152

SUMMARY FUZZY LOGIC CONTROLLER FOR GRID-CONNECTED SINGLE PH ASE INVERTER

Lai Khac Lai * Thai Nguyen University

In this paper, a current controller for grid-connected inverter is proposed by using a fuzzy logic control algorithm. In PI controller to control the grid-connected inverter, the gains of PI controller are changed with the aid of the fuzzy logic algorithm in order to get the fast transient performance despite of the input variations and load disturbances. The inputs of fuzzy logic controller are the error between the measured currents and the reference values in rotating reference frame. The effectiveness of proposed controller strategy has been verified by simulation with PSIM - MATLAB software and compared with that of the conventional PI controller. Keywords: Current controller, Fuzzy logic, Grid connected, PI contrroller, Psim-Matlab.

Ngày nhận bài: 07/9/2013; Ngày phản biện: 09/11/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên


A NEW UNIQUENESS THEOREM FOR HOLOMORPHIC CURVESSHARING FIXED HYPERSURFACES

HA TRAN PHUONG AND PHAM THI TUYET MAI

Abstract. In this paper, we give some improvements of Phuong’s results ([8]) abouton unicity for algebraically non-degenerate holomorphic maps in Pn(C) sharing suf-ficiently hypersurfaces.

1. Introduction

In 1926, R. Nevanlinna proved that two non-constant meromorphic functions of

one complex variable which attain same five distinct values at the same points, must

be identical. In 1975, H. Fujimoto ([6]) generalized Nevanlinna’s result to the case of

meromorphic mappings of Cm into Pn(C). It given the condition such two meromorphicmaps sharing 3n+2 hyperplanes in general position are identical. Since that time, this

problem has been studied intensively. In 1983, L. Smiley ([10]) proved the result about

unicity for a special collection of linearly non-degenerate meromorphic maps, which

was given again in 1998 by H. Fujimoto ([7]) and was considered again by G. Dethloff

and T. V. Tan ([3]) in 2005. For the case hypersurfaces, In 2008 H. T. Phuong ([8])

proved the uniqueness theorem for algebraically non-degenerate holomorphic curves

in the case hypersurfaces in general position. In this paper, we will estimate again

truncated of number of hypersurfaces some results in ([5]) and ([9]). First we introduce

some notations.

Let f : C → Pn(C) be a holomorphic map, and f = (f0, . . . , fn) be a reduced

representative of f , where f0, . . . , fn are entire functions on C without common zeros.Let D be a hypersurface in Pn(C) of degree d and Q be a homogeneous polynomial ofdegree d in n+1 variables with coefficients in C defining D, we write (f,D) = Q(f)and define

Ef (D) := z ∈ C | (f,D)(z) = 0 ignoring multiplicity ;Ef (D) := (z,m) ∈ C× N | (f,D)(z) = 0 and ord(f,D)(z) = m,

2010 Mathematics Subject Classification. Primary 32H30.Key words: Unique range sets, Hypersurfaces, Algebraically Holomorphic Curves.

1

2

where ord(f,D)(z) is order of zero of Q(f(z)) in z. Let D = D1, . . . ,Dq be acollection of hypersurfaces, we define

Ef (D) :=⋃

D∈DEf (D) and Ef (D) :=

⋃

D∈DEf (D).

Let (j1, . . . , jn) and (i1, . . . , in) be n-tuples of natural numbers. Recall that (j1, . . . , jn) >

(i1, . . . , in) if and only if for some b ∈ 1, . . . , n, we have jl = il for l < b and jb > ib.With the n-tuples I = (i1, . . . , in) of non-negative integers, define σ(I) :=

n∑j=1ij .

Denote by [z0 : · · · : zn] the homogeneous coordinate in Pn(C). For any positiveinteger d, a monomial zI of degree d is defined as

zI = zi00 . . . zinn ,

where I = (i0, . . . , in) ∈ Nn+1 such that σ(I) = i0 + · · ·+ in = d. Notice that

nd + 1 :=

(n+ d

d

)

is the number of monomials of degree d in n+ 1 variables.

Let D be a fixed hypersurface of degree d in Pn(C), which is defined by a homo-geneous polynomial Q in C[z0, . . . , zn] of degree d. Let Id = I0, . . . , Ind be the(n+1)-tuples such that σ(Ij) = d, j = 0, . . . , nd, with lexicographic ordering, namely

Ii < Ij for all i < j. Then we have

D =

[z0 : · · · : zn] ∈ Pn(C)| Q(z0, . . . , zn) = 0

,

where Q(z) = Q(z0, . . . , zn) =nd∑j=0ajz

Ij . Denote by a = (a0, . . . , and) the associated

vector for D (or Q).

Let D = D1, . . . ,Dq be a collection of arbitrary hypersurfaces and Qj be thehomogeneous polynomial in C[z0, . . . , zn] of degree dj defining Dj . Denote

δD := mind1, . . . , dq.

Let mD be the least common multiple of the dj, j = 1, . . . , q, denote

nD =

(n+mDn

)− 1

and

∆ = 2n+1mD[2n(n+ 1)n(mD + 1)

]n.

3

Recall that the collection D = D1, . . . ,Dq is said to be in N -subgeneral position

if q > N and for any distinct i1, . . . , iN+1 ∈ 1, . . . , qN+1⋂

k=1

Dik = ∅,

where N be a positive integer such that N n. If N = n, the collection D is said tobe in subgeneral position. It is seen that, for hyperplanes, general position for Veronese

embedding is equivalent to the usual concept of hyperplanes in general position (namely

n-subgeneral position). For hypersurfaces, general position for Veronese embedding

implies nD-subgeneral position.

In 2008, H. T. Phuong ([8]) showed that:

Theorem A. Let D = Dj, j = 1, 2, . . . , q be collection of hypersurfaces in gen-

eral position. Let f, g : C → Pn(C) are algebraically non-degenerate holomorphic

mappings such that f(z) = g(z) for all z ∈ Ef (D) ∪ Eg(D). If

q > n+3

2+2∆n

δD,

then f ≡ g.Note that, in the proof of Theorem A, the authors was used the second main theorem

with ramification of T. T. H. An and H. T. Phuong ([1]) in the case ε =1

2. Our

contribution in this paper is considered again truncated of number of hypersurfaces some

results in ([8]), which is unicity results for algebraically non-degenerate holomorphic

maps sharing sufficiently many hypersurfaces in general position.

The following results we obtained in this paper:

Main theorem. Let D = D1, . . . , Dq be a collection of q hypersurfaces in Pn(C)in general position, where Dj have degree dj , and f, g : C→ Pn(C) be algebraically

non-degenerate holomorphic curves. Assume that f(z) = g(z) for all z ∈ Ef (D) ∪Eg(D) and one of following conditions is hold:

1) q n+ 2 + 2n∆/mD;2) q n+2+ 2∆/mD and Ef (Di)∩Ef (Dj) = ∅ and Eg(Di)∩Eg(Dj) = ∅ for

all i = j ∈ 1, . . . , q.Then f ≡ g.Theorem 1 has shown the sufficient conditions that two algebraically non-degenerate

holomorphic maps sharing sufficiently many non-linear hypersurfaces being are iden-

tical. Note that, the truncated of number of hypersurfaces in Theorem 1 are n + 2 +

2n∆/mD (if condition 1 holds) and n + 2 + 2∆/mD (if condition 2 holds), which

are n + 2 + 2n∆/δD and n + 2 + 2∆/δD reps. in Dulock-Ru’s results. The trun-

cated of number of hypersurfaces in Theorem 2 are nD + 2 + 2n2D/mD (if condition

4

1 holds) and nD + 2 + 2nD/mD (if condition 2 holds), which are nD + 2 + 2n2D/δDand nD + 2 + 2n2D/δD reps. in Phuong’s results.

2. Preliminaries From Nevanlinna-Cartan theory

In this section, we introduce some notations in Nevanlinna-Cartan theory and recall

some results, which are necessary for proofs of the our main results.

Let f : C → Pn(C) be a holomorphic map and f = (f0, . . . , fn) be a reduced

representative of f , where f0, . . . , fn are entire functions on C without common zeros.The Nevanlinna-Cartan characteristic function Tf (r) is defined by

Tf (r) =1

2π

∫ 2π

0log ‖f(reiθ)‖dθ,

where ‖f(z)‖ = max|f0(z)|, . . . , |fn(z)|. The above definition is independent, upto an additive constant, of the choice of the reduced representation of f .

Let D be a hypersurface in Pn(C) of degree d. Let Q be the homogeneous polyno-mial of degree d defining D. The proximity function of f is defined by

mf (r,D) =1

2π

∫ 2π

0log

‖f(reiθ)‖d|Q f(reiθ)|dθ.

Let nf (r,D) be the number of zeros of Q f in the disk |z| r counting multiplicity.For any positive integer ∆, let n∆f (r,D) be the number of zeros of Q f in the disk|z| r, where any zero is counted with multiplicity if its multiplicity is less than orequal to ∆, and ∆ times otherwise. The integrated counting functions are defined by

Nf (r,D) =

∫ r

0

nf (t,D)− nf (0, D)t

dt+ nf (0,D) log r;

N∆f (r,D) =

∫ r

0

n∆f (t, D)− n∆f (0, D)t

dt+ n∆f (0, D) log r.

First Main theorem. Let f : C → Pn(C) be a holomorphic map, and D be a

hypersurface in Pn(C) of degree d. If f(C) ⊂ D, then for every real number r with

0 < r <∞,

mf (r,D) +Nf (r,D) = dTf (r) +O(1),

where O(1) is a constant independent of r.

In 2007, An and Phuong (see [1]) proved the following theorem (when ε = 1/2)

Theorem 2.1. Under the assumption of Theorem 2.1 and Dj have the same degree d.

Then we have

(q − n− 32)Tf (r)

1

d

q∑

j=1

N∆f (r,Dj),

5

where ∆ = 2n+1d[2n(n+1)n(d+1)

]nand the inequality holds for all large r outside

a set of finite Lebesgue measure.

3. Proof of Theorem 1

Proof. LetQj be the homogeneous polynomial of degree dj definingDj , j = 1, 2, . . . , q.

We now set Q∗j = QmD/djj and let D∗j is the hypersurface in Pn(C) defining by Q∗j for

any j ∈ 1, 2, . . . , q. Note that D∗1, D∗2, . . . ,D∗q have the same degree mD, where mDis the least common multiple of dj . Set D∗ = D∗1, . . . , D∗q. Since the assumptionthat the D is in general position, we have

z = (z0 : · · · : zn) ∈ Pn(C) : Qi1(z) = Qi2(z) = · · · = Qin+1(z) = 0 = ∅

for any the choice distinct i1, . . . , in+1 ∈ 1, . . . , q. So

z = (z0 : · · · : zn) ∈ Pn(C) : Q∗i1(z) = Q∗i2(z) = · · · = Q

∗in+1(z) = 0 = ∅.

This implies that D∗ is in general position.Assume for the sake contradiction that f ≡ g. Then there are two numbers α, β ∈

0, . . . , n, α = β such that fαgβ ≡ fβgα. Let

∆ = 2n+1mD[2n(n+ 1)n(mD + 1)

]n.

Since the D∗1,D∗2, . . . ,D∗q is in general position and Theorem 2.2, we have

(q − n− 32)Tf (r)

1

mD

q∑

j=1

N∆f (r,D

∗j ) +O(1)(3.1)

∆

mD

q∑

j=1

N1f (r,D

∗j ) +O(1).

Obviously, z0 ∈ C is a zero of (f,Dj) if and only of z0 is the zero of (f,D∗j ). So(3.1) becomes

(q − n− 32)Tf (r)

∆

mD

q∑

j=1

N1f (r,Dj) +O(1).(3.2)

Similarly for g, we have

(q − n− 32)Tg(r)

∆

mD

q∑

j=1

N1g (r,Dj) +O(1).(3.3)

Combining the formulas (3.2) and (3.3) together, we have

(q − n− 32)(Tf (r) + Tg(r))

∆

mD

( q∑

j=1

N1f (r,Dj) +

q∑

j=1

N1g (r,Dj)

)+O(1).

(3.4)

6

We consider two cases:

Case 1. The condition 1 holds. Assume that z0 ∈ C is a zero of Dj f , thenz0 ∈ Ef (D) ∪ Eg(D). This implies that g(z0) = f(z0), so

fα(z0)gβ(z0) = fβ(z0)gα(z0),

namely z0 is the zero of the function h = fαgβ−fβgα. Note that by the hypothesis D isin general position, there exist at most n hypersurfaces Dj in D such that Dj f(z0) =0. This implies

q∑

j=1

N1f (r,Dj) nNh(r),

where Nh(r) is counting function on the zeros of h = fαgβ − fβgα. Similarly for g,we have

q∑

j=1

N1g (r,Dj) nNh(r).

We know

Nh(r) Th(r) +O(1) =1

2π

∫ 2π

0log |(fαgβ − fβgα)(reiθ)|dθ +O(1)

1

2π

∫ 2π

0log(2. maxj=0,...,n

|fj(reiθ)| maxj=0,...,n

|gj(reiθ)|)dθ +O(1)

=1

2π

∫ 2π

0

(log max

j=0,...,n|fj(reiθ)|dθ + log max

j=0,...,n|gj(reiθ)|

)dθ +O(1)

= Tf (r) + Tg(r) +O(1).

Therefore, (3.4) becomes

(q − n− 32)(Tf (r) + Tg(r))

2∆n

mD(Tf (r) + Tg(r)) +O(1).

This concludes that

2q − 2n− 3− 4∆nmD

O(1)

Tf (r) + Tg(r)

holds for a sufficiently large positive real number r. Let r →∞ we have

2q − 2n− 3− 4∆nmD

0.


q n+ 32+2∆n

mD.

This is a contradiction with q n+ 2 + 2∆nmD

. Hence fαgβ ≡ fβgα for any α = β ∈0, . . . , n, namely f ≡ g.

7

Case 2. The condition 2 holds. Assume that z0 ∈ C is a zero of Dj f, then z0 is thezero of the function h = fαgβ − fβgα. Since the hypothesis that

Ef (Di) ∩ Ef (Dj) = ∅

for any pair i = j ∈ 1, . . . , q, we haveq∑

j=1

N1f (r,Dj) Nh(r) Tf (r) + Tg(r) +O(1).

Similarly for g, we haveq∑

j=1

N1g (r,Dj) Nh(r) Tf (r) + Tg(r) +O(1).

The inequality (3.4) becomes

(q − n− 32)(Tf (r) + Tg(r))

2∆

mD(Tf (r) + Tg(r)) +O(1).

This concludes that

2q − 2n− 3− 4∆

mD O(1)

Tf (r) + Tg(r)

holds for a sufficiently large positive real number r. Let r →∞ we have

2q − 2n− 3− 4∆

mD 0.


q n+ 32+2∆

mD.

This is a contradiction with q n + 2 + 2∆

mD. Hence fαgβ ≡ fβgα for any α = β ∈

0, . . . , n, namely f ≡ g.This is the conclusion of the proof of Main theorem.

SUMMARY

N¨m 2009, trong bµi b¸o [8], H. T. Phuong ®G chøng minh mét ®Þnh lý vÒ x¸c ®Þnh

duy nhÊt mét ®−êng cong chØnh h×nh kh«ng suy biÕn ®¹i sè trong Pn(C) bëi mét häc¸c siªu mÆt cè ®Þnh. Trong bµi b¸o nµy chóng t«i chøng minh mét më réng cña kÕt

qu¶ nµy.

8

References

[1] T. T. H. An and H. T. Phuong, An explicit estimate on multiplicity truncation in the second maintheorem for holomorphic curves encountering hypersurfaces in general position in projective space,Houston Journal of Mathematics, Volume 35, N. 3, p. 774-786, 2009.

[2] H. Cartan, Sur les zeros des combinaisions linearires de p fonctions holomorpes donnees, Mathe-matica (Cluj). 7 (1933), 80-103.

[3] G. Dethloff and T. V. Tan, An extension of uniqueness theorems for meromorphic mappings, VietnamJ. Math. 34, no. 1, 71–94, 2006.

[4] G. Dethloff and T.V. Tan, A uniqueness theorem for meromorphic maps with moving hypersurfaces,Publ. Math. Debrecen 78 (2011), 347-357.

[5] M. Dulock and M. Ru, A uniqueness theorem for holomorphic curves sharing hypersurfaces, ComplexVariables and Elliptic Equations. 53, no. 8, 797-802, 2008.

[6] H. Fujimoto, The Uniqueness problem of meromorphic maps into complex projective space, I, NagoyaMath. J. 58 1-23, 1975.

[7] H. Fujimoto, Uniqueness problem with truncated multiplicities in value distribution theory, I, NagoyaMath. J. 152 131-152, 1998.

[8] H. T. Phuong, On unique range sets for holomorphic maps sharing hypersurfaces without countingmultiplicity, Acta Math. Vietnamica, Volume 34, N 3, 351-360, 2009.

[9] H. T. Phuong, On Uniqueness theorems for holomorphic curves sharing hypersurfaces without count-ing multiplicity, Ukranian Math. Journal, Volume 63, No 4 (2011), 556 - 565.

[10] L. Smiley, Geometric conditions for unicity of holomorphic curves, Contemp. Math., 25, Amer.Math. Soc., Providence, RI, 1983.

Department of Mathematics, Thai Nguyen University of education, Luong ngoc quyen streets, ThaiNguyen City, VietNam

E-mail address: [email protected]

Department of Mathematics, Thai Nguyen University of education, Luong ngoc quyen streets, ThaiNguyen City, VietNam

E-mail address: [email protected]

tập 113, số 13, 2013

Documents