tập 128, số 14, 2014

Tạp chí Khoa học và Công nghệ

CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN – KỸ THUẬT

Mục lục Trang

Vũ Văn Thắng, Đặng Quốc Thống, Bạch Quốc Khánh - Qui hoạch hệ thống cung cấp điện xét đến khả năng tham gia của nguồn tuabin khí hay máy phát diesel 3

Bùi Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thu Hiền - Nghiên cứu hệ thống điều khiển và giám sát cán thép trong công ty

cán thép Thái Nguyên 11

Đỗ Đức Trung, Ngô Cường, Phan Bùi Khôi, Phan Thanh Chương, Nguyễn Thành Chung - Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công thép 20x thấm các bon khi mài vô tâm chạy dao

hướng kính 17

Lại Ngọc Hùng - Đánh giá phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi sử dụng kết quả các thí nghiệm

xuyên CPT và xuyên SPT 23

Trân Khai Hoàn, Lại Ngọc Hùng - Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát âm đến sức chịu tải của cọc và các biện

pháp làm giảm thiểu ma sát âm 29

Nguyễn Thị Việt Hương, Nguyễn Doãn Phước, Vũ Thị Thúy Nga, Đỗ Trung Hai - Điều khiển cẩu treo 3D

chất lượng cao sử dụng bộ điều khiển thích nghi bền vững 35

Phạm Thị Hồng Anh - Nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối theo phương pháp tái cấu trúc lưới 43

Vũ Hồng Vinh, Đinh Thị Nhung, Vương Hoàng Nam, Nguyễn Văn Sơn, Đào Huy Du - Ứng dụng phương

pháp ica phát hiện vùng não hoạt hóa trong dữ liệu ảnh cộng hưởng từ chức năng 49

Trân Văn Thắng - Đối ngẫu liên hợp cho bài toán tối ưu và ứng dụng 55

Duong Nghĩa Bang, Nguyễn Đăng Đức, Hoàng Lâm, Yu. A. Sayapin, V. N. Komissarov, V.N. Minkin -

Nghiên cưu tổng hợp một số dẫn xuất quinolin từ 3-clo-2-metylanili 61

Trân Hai Đăng, Khorokhordina E.A, Rudakov O.B. – Xác định phenol trong dung dịch bằng phương pháp

chiết – sắc kí 65

Trân Thị Pha, Vũ Văn Biển, Nguyễn Thị Hao, Hứa Văn Đáo, Vương Văn Ánh - Nghiên cứu sử dụng tinh

dầu cam, bưởi xử lý rác thải xốp 71

Vũ Thị Hậu - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr (VI), Ni (II) của quặng Mangan Cao Bằng 77

Bùi Quang Hưng - Tổ chức bảo vệ và phát triển cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên 85

Phan Đình Binh - Đánh giá hiện trạng môi trường nước theo tiêu chí xây dựng nông thôn mới tại xã Nhã Lộng,

huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên 93

Nguyễn Xuân Thành - Nghiên cứu mô hình quy hoạch kiến trúc bản làng kết hợp với dịch vụ du lịch khu văn hóa lịch sử ATK Định Hóa 101

Lê Thu Trang, Lê Bích Liên, Nguyễn Tuấn Anh - Phân mảnh và cấp phát dữ liệu trong cơ sở dữ liệu hướng

đối tượng phân tán 107

Nguyễn Văn Căn - Phân loại phương tiện giao thông trong video dựa trên đặc trưng hình dạng 113

Lê Hoàng Hiệp - Nghiên cứu khả năng thích nghi cho các dịch vụ trong mạng NGN tại việt nam 119

Nguyễn Thị Ngọc Ánh - Hướng dẫn học sinh trung học phổ thông khá giỏi sử dụng phương pháp song ánh giải

một số bài toán đếm 127

Phạm Đức Thoan, Phạm Hoàng Hà, Trân Huệ Minh - Một ước giá cho ánh xạ chỉnh hình rẽ nhánh qua họ các siêu phẳng ở vị trí dưới tổng quát 133

Lê Thị Thu Hà, Đỗ Thị Tú Anh - Điều khiển bám hệ truyền động bánh răng với bộ điều khiển dự báo có ràng buộc 139

Journal of Science and Technology

128(14)

N¨m 2014

Lê Thị Huyền Linh, Lại Khắc Lãi - Điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho một lớp đối tượng có trễ 149

Đặng Danh Hoằng - Điều khiển bám lưới hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn

kép bằng phương pháp tựa theo thụ động 155

Nguyễn Thị Mai Hương, Mai Trung Thái, Lại Khắc Lãi, Đỗ Thị Tú Anh - Ổn định hóa hệ thống hai cánh quạt nhiều đầu vào nhiều đầu ra dựa trên phương pháp quy hoạch động của Bellman 161

Nguyễn Đăng Đức, Nguyễn Như Lâm - Xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh Thái Nguyên 167

Đồng Thị Hồng Ngọc - Nghiệm toàn cục của phương trình tích phân Volterra – Fredholm trong không gian

Banach 175

Ngô Mạnh Tưởng, Đàm Thanh Phương - Một số phương pháp giải số giải bài toán bình phương tối thiểu 183

Hà Trân Phương, Lê Quang Ninh – Một chú ý về định lý duy nhất cho đường cong chỉnh hình kết hợp với các

siêu mặt 189

Nông Minh Ngọc, Phạm Đình Lâm, Đỗ Năng Toàn - Phương pháp phát hiện va chạm dựa trên cấu trúc cây

phân cấp giới hạn biên ứng dụng kỹ thuật hộp bao theo hướng 199

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 3 - 10

3

QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG

THAM GIA CỦA NGUỒN TUABIN KHÍ HAY MÁY PHÁT DIESEL

Vũ Văn Thắng1*, Đặng Quốc Thống2, Bạch Quốc Khánh2

1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 2Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT Bài toán qui hoạch hệ thống cung cấp điện ngày càng trở lên phức tạp với nhiều phần tử tham gia

trên không gian lớn, thông số mang tính ngẫu nhiên khó dự báo trước như giá điện, phụ tải điện…

Ngoài ra, khi tuabin khí hay máy phát diesel tham gia trong hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) sẽ

làm thay đổi lớn các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của bài toán. Bài báo đề xuất mô hình hai bước qui

hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của tuabin khí hay máy phát diesel với hàm mục

tiêu cực tiểu chi phí vòng đời của phương án đầu tư và các ràng buộc đảm bảo các chỉ tiêu kỹ

thuật. Tính toán kiểm tra trên sơ đồ HTCCĐ hình tia 7 nút, sử dụng ngôn ngữ lập trình GAMS.

Từ khóa: Qui hoạch HTCCĐ, Tuabin khí, Máy phát diesel

GIỚI THIỆU*

Nguồn phân tán nói chung trong đó có tuabin

khí (TBK) hay máy phát diesel có những tác

động tích cực tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

của HTCCĐ như giảm tổn thất điện áp, tổn

thất công suất và tổn thất điện năng đồng thời

trì hoãn việc nâng cấp đường dây, TBA

nguồn [1] [2]. Do đó, nhiều nghiên cứu ứng

dụng nguồn điện phân tán (DG) trong qui

hoạch HTCCĐ đã được thực hiện [3] [4] với

một số mô hình chỉ đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật

của hệ thống mà không quan tâm đến hiệu

quả kinh tế của phương án qui hoạch. Hàm

mục tiêu cực tiểu chi phí đầu tư và vận hành

của hệ thống khi xét đến khả năng lựa chọn

TBK được đề xuất trong [5] hay sử dụng chỉ

tiêu cực tiểu chi phí vòng đời của phương án

đầu tư được đề xuất trong [6] [7] [8].

Gần đây, mô hình hai bước qui hoạch

HTCCĐ cho phép lựa chọn đồng thời thông

số đầu tư của các thiết bị và xét đến khả năng

đầu tư DG được đề xuất trong [9] [10] [11].

Những nghiên cứu trên sử dụng giá điện trung

bình, chi phí tổn thất điện năng tính trong chế

độ phụ tải cực đại và thời gian chịu tổn thất

công suất lớn nhất. Tuy nhiên, giá điện và phụ

tải thường thay đổi lớn theo thời gian nên

những mô hình trên sẽ có sai số lớn.

* Tel: 0915 176569, Email: [email protected]

Do đó, bài báo đề xuất mô hình hai bước qui

hoạch HTCCĐ xét đến khả năng tham gia,

hiệu quả của TBK hay máy phát diesel khi

phụ tải thay đổi theo đồ thị phụ tải (ĐTPT)

ngày điển hình và đặc tính giá bán điện theo

thời gian trong ngày. Tổn thất công suất và

tổn thất điện năng được tính toán theo ĐTPT

khi sử dụng ràng buộc cân bằng công suất nút

AC. Ngoài ra, chỉ tiêu chi phí vòng đời cũng

được sử dụng để đánh giá hiệu quả của

phương án đầu tư.

Phần tiếp theo của bài báo sẽ trình bày chi tiết

mô hình qui hoạch HTCCĐ xét đến khả năng

đầu tư và hiệu quả của TBK hay máy phát

diesel trong phần II. Phần III trình bày kết quả

tính toán áp dụng và những đánh giá, kết luận

được trình bày trong phần IV.

MÔ HÌNH TOÁN

Sơ đồ khối

Sơ đồ khối của mô hình hai bước đề xuất

trong nghiên cứu này như hình 1. Bước cơ sở

lựa chọn thông số nâng cấp của đường dây,

TBA đồng thời xác định vị trí đầu tư của TBK

hay máy phát diesel với biến lựa chọn sử dụng

biến thực nhằm giảm khối lượng tính toán. Hàm

mục tiêu cực tiểu chi phí vòng đời của

phương án đầu tư trong giai đoạn qui hoạch

và các ràng buộc kỹ thuật nhằm đảm bảo yêu

cầu vận hành của HTCCĐ. Kết quả tính toán


4

được sử dụng làm thông số đầu vào của bước

hiệu chỉnh sau khi lựa chọn lại thông số nâng

cấp của thiết bị theo các giá trị tiêu chuẩn. Do

đó, bước hiệu chỉnh xác định được công suất và

thời gian đầu tư tối ưu của TBK hay máy phát

diesel cùng với thông số chế độ của HTCCĐ

trong giai đoạn qui hoạch khi thông số nâng cấp

của đường dây, TBA nguồn đã được xác định

theo thông số tiêu chuẩn.

Hình 1. Sơ đồ khối qui hoạch HTCCĐ khi xét đến

khả năng tham gia của TBK hay máy phát diesel

Mô hình cơ sở

Mô hình sử dụng hàm mục tiêu cực tiểu chi

phí vòng đời như biểu thức (1).

1 0 ij. ,

1 1 1

0 , , ,

1 1

, ,

1

. , , , . , , ,

1 1 1

1. ( . . )

(1 )

( . . ) .

8760.( . . )

( . . )

S TB

TB

S S

T N N

ij F t F ij ttt i j i

N NS TB TB

S i t S i t i i t

i i

NTB TB TB T

P i t Q i t

i

N S HS S S S

s P h i t s h Q h i t s h t

i s h

J L C C Fr

C C S C P

P Q

D P Q R Min

, , ,Sij N t T s S h H

(1)

Chi tiết các thành phần của hàm mục tiêu

như sau:

- 1/ (1 )tr là thành phần qui đổi các chi phí

trong hàm mục tiêu về thời điểm hiện tại với

hệ số chiết khấu r; T là tổng số năm trong giai

đoạn qui hoạch; H là tổng số giờ trong ngày;

N là tổng số nút trong HTCCĐ; NTB là số nút

có thể đầu tư TBK hay máy phát diesel; NS và

SS là số nút tổng số nút TBA và tổng số mùa

trong năm

- Thành phần là chi phí đầu tư nâng cấp

các đường dây với 0 ,F FC C là chi phí nâng

cấp đường dây, ,ij tF là biến tiết diện nâng cấp,

,ij t là biến nhị phân và chiều dài đường dây

là Lij

- Thành phần là tổng chi phí đầu tư nâng

cấp các trạm biến áp (TBA) nguồn với

0 ,S SC C là các thành phần chi phí, ,

S

i tS là

biến công suất nâng cấp và ,i t là biến nhị

phân quyết định nâng cấp của TBA

- Thành phần là chi phí đầu tư của TBK

hay máy phát diesel với TB

iC là suất chi phí

đầu tư tại mỗi vị trí xây dựng và ,

TB

i tP là công

suất đầu tư trong năm t

- Thành phần là chi phí vận hành và nhiên

liệu của TBK hay máy phát diesel. Nguồn này

có đặc điểm riêng là khả năng dự trữ nguồn

năng lượng sơ cấp nên thường được vận hành

với ông suất định mức nhằm đạt được hiệu

suất cao nhất. Vì vậy, công suất phát của

TBK hay máy phát diesel luôn là định mức,

ký hiệu là , ,,TB TB

i t i tP Q và suất chi phí vận hành

là ,TB TB

P Q .

- Thành phần là chi phí mua điện từ hệ

thống qua các TBA trung gian với, , , , , ,,S S

i t s h i t s hP Q

1

2 3

4

5 6

TB

TB

TB

TB


5

là công suất tác dụng (CSTD) và công suất

phản kháng (CSPK) nhận từ hệ thống.

. .,S S

P h Q h là giá điện với số ngày trong mùa

là Ds

- Thành phần là giá trị còn lại của thiết bị

đầu tư ở cuối giai đoạn qui hoạch như biểu

thức (2). Trong đó: , F

F khT t là tuổi thọ và thời

gian khấu hao của đường dây. , S

S khT t là tuổi

thọ và thời gian khấu hao của TBA. , TB

TB khT t là

tuổi thọ và thời gian khấu hao của TBK hay

máy phát diesel.

0 ij. ,

1 1

0 , , ,

1 1

( ). ( . . )

( ) ( ). ( . . ) . .

S TB

F N Nkh F

t ij F t F ij t

i j iF

NS TB NS TB TBkh S kh TB

S i t S i t i t

i iS TB

t TR L C C F

T

t T t TC C S C P

T T

(2)

Các ràng buộc được sử dụng trong mô hình

nhằm xác định điều kiện nâng câp, đầu tư

thiết bị đồng thời đảm bảo các chỉ tiêu KT-

KT của HTCCĐ.

- Ràng buộc cân bằng công suất nút AC như (3).

, , , , , , ,

, , , , , , , , , , , , , ,1

, , , , , , ,

, , , , , , , , , , , , , ,1

. . .cos( )

. . .sin( )

, , ,

TB S

i t i s t h i s t h

N

ij t i s t h j s t h ij t j s t h i s t hj

TB S

i t i s t h i s t h

N

ij t i s t h j s t h ij t j s t h i s t hj

S

P P PD

Y U U

Q Q QD

Y U U

ij N s S h H t T

(3)

Trong đó: nhu cầu phụ tải thay đổi theo thời

gian là PDi,s,t,h và QDi,s,t,h. |Ui,s,t,h|, j,s,t,h là

modul và góc lệch của điện áp nút. |Yij,t| và

ij,t là modul, góc lệch trong các thành phần

của ma trận tổng dẫn.

- Ràng buộc nâng cấp đường dây được thực

hiện như biểu thức (4) với ax

,

m

ij tS là công suất

cần đáp ứng của dây dẫn theo yêu cầu của

phụ tải, *

, 1

F

ij tS

là công suất giới hạn của đường

dây hiện trạng, ij,

F

tS là biến công suất của

đường dây cần bổ sung để đáp ứng yêu cầu

của phụ tải trong giai đoạn qui hoạch. min

FS ,

max

FS là giới hạn công suất bổ sung của

đường dây và biến nhị phân ij,t

.

ax *

, , 1 ij,

ij, min ij,t ij, max ij,t

( )

. ; .

1, ,

m F F

ij t ij t t

F F F F

t t

S S S

S S S S

t ij N t T

(4)

Công suất ax

,

m

ij tS được xác định như biểu thức

(5) và (6) với ij, , , ij, , ,

,s t h s t h

P Q được xác định

theo biến điện áp nút (, , ,

| |i s t h

U là modul,

, , ,i s t h là góc pha) và tổng dẫn của đường dây

(, ,

| |i j t

Y là modul, , ,i j t

ax 2 2

ij, ij, , , ij, , , ij, , , ij, , ,ax ;m F F

t s t h s t h s t h s t hS m S S P Q (5)

, , , , , ,

ij, , , , , ,

, , , , , ,

, , , , , ,

ij, , , , , ,

, , , , , ,

, , , ij

, , , , , ,

os( ).Re( )

( ).Im( )

( ).Re( )

os( ).Im( )

os(Re( )

i s t h ij s t h

s t h i s t h

i s t h ij s t h

i s t h ij s t h

s t h i s t h

i s t h ij s t h

j s t h

ij s t h ij s t h

C IP U

Sin I

Sin IQ U

C I

U CI Y

, , , ,

, , , ij, , , ,

, , , ij, , , ,

, , , , , ,

, , , ij, , , ,

)

os( )

( )Im( )

( )

1, , , ,

t j s t h

i s t h t i s t h

j s t h t j s t h

ij s t h ij s t h

i s t h t i s t h

S

U C

U SinI Y

U Sin

t ij N t T s S h H

(6)

Khi đó, công suất giới hạn của đường dây tại

năm t sau khi nâng cấp là *

,

F

ij tS như biểu thức

(7) và tiết diện nâng cấp của đường dây như

biểu thức (8) với Udm là điện áp định mức của

lưới và J là mật độ dòng điện ở chế độ giới

hạn nhiệt. * *

, , 1 ij,1, ,F F F

ij t ij t tS S S t ij N t T

(7)

*

,

ij, ,. 1, ,

3 .

F

ij t

t ij t

dm

SF t ij N t T

U J (8)

- Ràng buộc công suất nâng cấp của TBA như

biểu thức (9) với ax

,

m

i tS là công suất cần đáp

ứng của TBA theo yêu cầu của phụ tải, *

, 1

S

i tS

là

công suất giới hạn của TBA hiện trạng,i,

S

tS là

biến công suất bổ sung của TBA. min

SS , max

SS

là giới hạn công suất bổ sung của TBA nguồn

và i,t là biến nhị phân.

ax *

, , 1 i,

i, min i,t i, max i,t

( )

. ; .

1, ,

m S S

i t i t t

S S S S

t t

S

S S S

S S S S

t i N t T

(9)

Công suất của TBA sau nâng cấp được xác

định như biểu thức (10). * *

, , 1 i,1, ,S S S

i t i t t SS S S t i N t T

(10)

- Ràng buộc công suất của TBK hay máy phát

diesel được xác định như biểu thức (11) với

max

TBP là công suất lớn nhất có thể xây dựng tại


6

mỗi vị trí xét, osc là hệ số công suất định

mức của máy phát,,

TB

i tP và

,

TB

i tQ là công suất

phát theo CSTD, CSPK tại năng qui hoạch t

, max , ,0 ; 0 tan .

,

TB TB TB TB

i t i t i t

TB

P P Q P

i N t T

(11)

Ngoài ra, mô hình sử dụng biến thực nên

công suất bổ sung trong từng năm qui hoạch

được lấy theo giá trị phù hợp với gam công

suất để giảm khối lượng tính toán đồng thời phù

hợp với thông số thực tế của TBK hoặc máy

phát diesel như biểu thức (12) với TBP là công

suất bổ sung trong mỗi năm tính toán

, , 1 , ,tan .

1, ,

TB TB TB TB TB

i t i t i t i t

TB

P P P Q P

t i N t T

(12)

- Ràng buộc giới hạn điện áp nút như (13) để

đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong mọi chế độ

vận hành

min , , , max

, , ,

, ,

i s t h L

i s t h S

S

U U U i N

U constan i N

s S t T h H

(13)

Trong đó: Umin, Umax là điện giới hạn điện áp

nhỏ nhất và lớn nhất cho phép tại các nút tải;

NL là số nút tải và NS là số nút TBA nguồn.

Như vậy, mô hình cơ sở xác định được công

suất nâng cấp tiêu chuẩn của TBA *

,( )i tS ,

công suất giới hạn của TBA *

,( )

i tS , tiết diện

nâng cấp tiêu chuẩn *

ij,( )tF cũng như công suất

giới hạn *

,( )

ij tS và điện trở, điện kháng

* *

ij, ij,( , )

t tR X của đường dây.

Mô hình hiệu chỉnh

Mục tiêu của mô hình là lựa chọn thời gian và

công suất cần đầu tư của TBK hay máy phát

diesel khi vị trí đã xác định từ mô hình cơ sở,

thông số nâng cấp của thiết bị (tiết diện và tổng

trở đường dây, công suất bổ sung của TBA) đã

được hiệu chỉnh theo các giá trị tiêu chuẩn.

Do đó, mô hình sử dụng hàm mục tiêu tương

tự như mô hình cơ sở với biến lựa chọn tiết

diện dây dẫn được thay thế bằng tiết diện dây

dẫn tiêu chuẩn, biến công suất bổ sung của

TBA được thay thế bằng công suất nâng cấp

tiêu chuẩn đã xác định như biểu thức (14).

* *

ij, ij, , ,; S

t t i t i tF F S S (14)

Trong mô hình này, các ràng buộc được sử

dụng như sau:

- Ràng buộc cân bằng công suất nút và điện

áp nút như mô hình cơ sở. Tuy vậy, tổng dẫn

của hệ thống được xác định lại theo tiết diện

nâng cấp của đường dây

- Ràng buộc giới hạn công suất đường dây và

TBA như biểu thức (15), (16) nhằm tránh quá

tải thiết bị với , , ,

F

ij t s hS là công suất truyền tải

trên đường dây, , , ,

S

i t s hS là công suất truyền tải

qua TBA nguồn tại mọi chế độ vận hành

*

, , , ,

1, , , ,

F

ij t s h ij t

S

S S

t ij N t T s S h H

(15)

*

, , , ,

1, , , ,

S

i t s h i t

S S

S S

t i N t T s S h H

(16)

- Ràng buộc giới hạn công suất của TBK hay

máy phát diesel như biểu thức (17) với vị trí

có thể lựa chọn là *

TBN , công suất giới hạn tại

mỗi vị trí được xác định từ bước cơ sở là *

,max

TB

iP (tại những vị trí không được lựa chọn,

thông số này nhận giá trị 0). *

, ,max , ,

*

0 ; 0 tan .

,

TB TB TB TB

i t i i t i t

TB

P P Q P

i N t T

(17)

Kết quả tính toán trong bước này sẽ cho kết

quả gần giá trị tối ưu hơn bởi công suất đầu tư

của TBK hay máy phát diesel được xác định sau

khi đã xét đến thay đổi của thông số hệ thống,

ảnh hưởng của ĐTPT và đặc tính giá điện.

Mô hình đề xuất trên được tính toán kiểm tra

trên HTCCĐ 7 nút bằng chương trình lập

trong ngôn ngữ lập trình The General

Algebraic Modeling System (GAMS) [12].

TÍNH TOÁN ÁP DỤNG

Tính toán kiểm tra trên HTCCĐ hình tia gồm

7 nút như hình 2, điện áp 22kV, công suất

TBA nguồn 10MVA, thông số đường dây và

phụ tải như trong phụ lục với hệ số phát triển

của tải là 10% mỗi năm.


7

Hình 2. Sơ đồ HTCCĐ 7 nút

ĐTPT ngày điển hình và giá điện mua từ hệ

thống qua TBA nguồn giả thiết như hình 3 và

hình 4.

Hình 3. ĐTPT ngày điển hình

Suất chi phí đầu tư cố định của đường dây

trung áp (CF0) là 150000$/km và suất chi phí

đầu tư theo tiết diện dẫy dẫn (CF) là

16.5$/km.mm2. Suất chi phí đầu tư cố định

của TBA nguồn (CS0) là 200000$/TBA và

suất chi phí đầu tư theo công suất (CS) là

50000$/MVA. Tuổi thọ của đường dây và

TBA nguồn là 20 năm. Giới hạn tiết diện

đường dây nâng cấp, từ 35mm2 đến 300mm2.

Gam công suất tiêu chuẩn của MBA là

10MVA.

Hình 4. Đặc tính giá bán điện

Giả thiết tất cả các nút tải đều có thể lựa chọn

xây dựng máy phát diesel, công suất giới hạn

tại mỗi vị trí là 1MW, máy phát luôn vận

hành với công suất định mức. Suất chi phí

đầu tư giả thiết bằng nhau tại tất cả các vị trí

là 500000$/MW, suất chi phí vận hành là

90$/MWh và 5$/MVARh, tuổi thọ của máy

phát diesel là 30 năm

Điện áp tại các nút tải giả thiết cho phép độ lệch

từ 0.9pu đến 1.05pu, nút nguồn có giá trị không

đổi bằng 1.05pu. Hệ số chiết khấu r là 10%.

Tính toán kiểm tra trong khoảng thời gian là

10năm với hai phương án: Phương án A, qui

hoạch HTCCĐ với sơ đồ hiện trạng bằng giải

pháp nâng cấp đường dây và TBA nguồn.

Phương án B, xác định lộ trình qui hoạch

HTCCĐ đồng thời xét khả năng tham gia của

máy phát diesel.

Kết quả tính toán cho thấy, máy phát diesel

không được lựa chọn mà phụ tải trong tương

lai được đáp ứng bằng giải pháp nâng cấp

đường dây và TBA. Lộ trình nâng cấp, đầu tư

thiết bị của hệ thống được lựa chọn và trình

bày trong bảng 1. Tương ứng, các biến lựa

chọn nâng cấp đường dây và TBA cũng như

công suất lớn nhất chạy trên các thiết bị được

xác định như bảng 2 và 3.

Bảng 1. Lộ trình đầu tư thiết bị

Đường dây 1-2, 1-5 bị quá tải tại năm thứ 9

và thứ 8 của giai đoạn qui hoạch nên được

nâng cấp lên tiết diện 70mm2 và 50mm2. TBA

nguồn cần bổ sung 10MVA ở năm thứ 3 nâng

tổng công suất của TBA lên 20MVA mới đáp

ứng được yêu cầu của phụ tải. Các đường dây

còn lại không cần phải nâng cấp do công suất

lớn nhất truyền tải trên các đường dây trong

giai đoạn qui hoạch chỉ đạt 5.38MVA và nhỏ

hơn công suất giới hạn của đường dây là

6.67MVA.

Bảng 2. Biến quyết định nâng cấp đường dây, TBA


8

Bảng 3. Biến quyết định nâng cấp đường dây, TBA

Một số chỉ tiêu KT-KT của hệ thống cũng

được xác định và trình bày trên bảng 4. Chi

phí vòng đời của phương án đầu tư là

20.21x106$, tổn thất điện năng trung bình

trong cả giai đoạn tính toán là 9.05x106kWh

tương ứng 2.08% của tổng điện năng nhận từ

HTĐ là 435.21x106kWh. Chi phí đầu tư thiết

bị trong 10 năm là 1.26x106$ nhưng giá trị

còn lại của các thiết bị đầu tư ở cuối thời gian

tính toán là 0.94x106$ do các đường dây và

TBA được lựa chọn đầu tư ở những năm

cuối nhằm tận dụng tối đa đường dây và

TBA hiện có.

Bảng 4. Một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

Tổn thất công suất lớn nhất của hệ thống xuất

hiện trong giờ cao điểm cũng được xác định,

năm đầu tiên tổn thất là 2.62%, những năm

tiếp theo phụ tải tăng cao nên tổn thất công

suất tăng nhanh và đạt giá trị cực đại là 4.34%

năm thứ 7. Từ năm thứ 8 tổn thất công suất

giảm do đường dây được nâng cấp, tổng trở

của đường dây giảm dẫn đến tổn thất công

suất giảm theo như hình 5.

Hình 5. Tổn thất công suất lớn nhất

Tương tự, tổn thất điện áp lớn nhất cũng xuất

hiện trong giờ cao điểm và tăng cao ở cuối

giai đoạn tính toán. Điện áp thấp nhất tại nút

4 và nút 6 trong năm thứ 10 là 0.99pu do đó

tất cả các nút đảm bảo yêu cầu về độ lệch

điện áp.

Như vậy, trong điều kiện giả thiết máy phát

diesel không được lựa chọn đầu tư do hiệu

quả kinh tế kém. Tuy nhiên, để đánh giá khả

năng tham gia và hiệu quả của nguồn này, bài

báo nghiên cứu đánh giá độ nhậy của phương

án đầu tư theo suất chi phí nhiên liệu và vận

hành của chúng. Chỉ tiêu này có tỷ trọng cao

và ảnh hưởng lớn đến quyết định của phương

án đầu tư. Kết quả tính toán khi suất chi phí

nhiên liệu và vận hành của máy phát diesel

giảm từ 100% đến 69% được trình bày trên

hình 6. Máy phát diesel chỉ được lựa chọn khi

suất chi phí nhiên liệu nhỏ hơn 73%, công

suất lựa chọn tăng dần khi suất chi phí giảm

tương ứng hàm chi phí vòng đời giảm mạnh

Hình 6. Phân tích độ nhạy theo suất chi phí nhiên

liệu và vận hành máy phát diesel

Khi suất chi phí nhiên liệu còn 72%, tương

ứng 64.8$/MWh và 3.6$/MVARh, máy phát

diesel được lựa chọn đầu tư tại 4 và 6 là nút

xa nguồn với tổng công suất là 0.5MW trong

năm thứ 8, 10 và đã trì hoãn không phải nâng

cấp đường dây. Do đó, chi phí vòng đời của

phương án đầu tư trong trường hợp này giảm

còn 19.99x106$.

Kết quả so sánh các chỉ tiêu KT-KT của hệ

thống trên bảng 5 cho thấy thông số nâng cấp

đường dây, TBA nguồn trong bước cơ sở và

hiệu chỉnh không có sự sai khác. Tuy nhiên,

công suất lựa chọn đầu tư máy phát diesel

trong bước hiệu chỉnh đã giảm 1.4MW tương

ứng chi phí đầu tư giảm 0.61x106$ và chi phí

vòng đời giảm 15.9%.

Bảng 5. So sánh chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ

thống trong 2 bước tính

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

100% 76% 75% 74% 73% 72% 71% 70% 69%

Suất chi phí nhiên liệu của máy phát diesel

Ch

i p

hí

vò

ng

đờ

i, 1

0e

6$

19.90

19.95

20.00

20.05

20.10

20.15

20.20

20.25

Cô

ng

su

ất,

MW

Công suất máy phát

diesel

Chi phí vòng đời

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thời gian, năm

Tổ

n t

hấ

t c

ôn

g s

uấ

t lớ

n n

hấ

t, %


9

Như vậy, máy phát diesel chỉ có hiệu quả và

cạnh tranh khi suất chi phí nhiên liệu giảm

dưới 65.25$/MWh tương ứng cần trợ giá

khoảng 2.48cent/kWh. Khi được lựa chọn, vị

trí đầu tư ở những nút xa nguồn nhằm giảm

tổn thất công suất, tổn thất điện áp và tránh

nâng cấp đường dây. Thời gian đầu tư lựa

chọn ở cuối giai đoạn tính toán để tận dụng

giá điện rẻ mua từ HTĐ trong những năm đầu

qui hoạch mà chưa phải đầu tư nâng cấp

đường dây, TBA nguồn.

Từ ví dụ minh họa cho thấy, mô hình đề xuất

và chương trình tính toán đã lập có thể phù

hợp cho bài toán qui hoạch HTCCĐ có xét

đến khả năng sử dụng TBK hoặc máy phát

diesel. Lộ trình nâng cấp, cải tạo tối ưu đường

dây và TBA được lựa chọn đồng thời với vị

trí, công suất và lộ trình đầu tư tối ưu TBK

hoặc máy phát diesel. Kế hoạch mua điện từ

hệ thống cũng như các chỉ tiêu KT-KT khác

cũng được xác định. Tuy nhiên, để sử dụng

TBK tại những nơi có tiềm năng góp phần

giảm ô nhiễm môi trường đồng thời giảm tổn

thất điện năng trong HTCCĐ cần xây dựng

chính sách trợ giá để phát triển nguồn này.

KẾT LUẬN

TBK hay máy phát diesel đã được nghiên cứu

và ứng dụng trong HTCCĐ những năm gần

đây đặc biệt TBK do có nhiều ưu điểm. Vì

vậy, bài báo nghiên cứu đề xuất mô hình hai

bước qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng

tham gia của TBK hoặc máy phát diesel.

Mô hình sử dụng hàm mục tiêu cực tiểu chi

phí vòng đời của phương án qui hoạch cùng

các ràng buộc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của

hệ thống và khả năng làm việc của thiết bị.

Đặc điểm riêng của tuabin khí hay máy phát

diesel cũng như ĐTPT ngày điển hình và đặc

tính giá điện được xét đến nhằm nâng cao tính

chính xác của kết quả tính toán và đáp ứng

yêu cầu thực tiễn.

Kết quả tính toán trên ví dụ minh họa cho

thấy, mô hình đề xuất và chương trình tính

toán phù hợp với bài toán qui hoạch HTCCĐ

khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc

máy phát diesel. Công suất và lộ trình nâng

cấp của đường dây, TBA nguồn đã được

xác định cùng các thông số chế độ của hệ

thống. Khả năng tham gia và hiệu quả của

TBK hoặc máy phát diesel trong HTCCĐ

cũng được xác định.

Trong điều kiện giả thiết, máy phát diesel

không được lựa chọn đầu tư do có chi phí

nhiên liệu và vận hành lớn. Nhu cầu phụ tải

tăng trong tương lai được đáp ứng bằng giải

pháp nâng cấp đường dây và TBA nguồn.

Tuy nhiên, mô hình đề xuất cho phép đánh

giá được hiệu quả của nguồn này trong qui

hoạch HTCCĐ bằng đánh giá độ nhạy của

phương án đầu tư qua suất chi phí nhiên liệu

và vận hành. Từ đó, xây dựng được chính

sách khuyến khích phát triển TBK tại những

khu vực có tiềm năng, nhằm giảm sức ép

phát triển nguồn điện hiện nay, giảm ô

nhiễm môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thomas Ackermann, Go¨ran Andersson, Lennart

So¨der, “Distributed generation: a definition”,

Electric Power Systems Research 57, 2001.

2. C.L.T Borges, V.F. Martins, “Multistage

expansion planning for active distribution

networks under demand and Distributed

Generation uncertainties”, International Journal

of Electrical Power and Energy Systems, 2012

3. H.K.Temraz, Victor H. Quintana, “Distribution

system expansion planning models: an overview”,

Electric Power Systems Research, Vol.26, 1993,

pp61-70

4. Suresh K. Khator, L. C. Leung, “Power

Distribution Planning: A Review of Models and

Issues”, IEEE Transactions on Power Systems,

Vol.12, No.3, 1997

5. El-Khattam, W.; Hegazy, Y.; Salama, M., “An

integrated distributed generation optimization

model for distribution system planning”, Power

Engineering Society General Meeting, IEEE, 2005

6. H. Paul Barringer, P.E, “A Life Cycle Cost

Summary”, International Conference of

Maintenance Societies, ICOMS2003

7. Su. H, Zhang. J, Liang. Z, Niu. S, “Power

Distribution Network Planning Optimization

Based on Life Cycle Cost”, 2010 China

International Conference on Electricity

Distribution, 13-16 Sept. 2010


10

8. I. Jeromin, G. Balzer, J. Backes, R. Huber, “Life

Cycle Cost Analysis of transmission and distribution

systems”, IEEE Bucharest Power Tech Conference,

June 28th - July 2nd, Romania, 2009.

9. S. Wong, K. Bhattacharya and J.D.Fuller,

“Comprehensive framework for long-term

distribution system planning”, Proc. IEEE PES

Annual General Meeting, Tampa, USA, 2007

10. Algarni, A.A.S.; Bhattacharya, K., “A Novel

Approach to Disco Planning in Electricity

Markets: Mathematical Model”, Power Systems

Conference and Exposition, 2009. PSCE '09.

IEEE/PES

11. S. Wong, K. Bhattacharya1and J.D. Fuller,

“Electric power distribution system design and

planning in a deregulated environment”, IET

Generation, Transmission & Distribution, 2009

Richard E. Rosenthal, “GAMS - A User's Guide”,

GAMS Development Corporation, Washington,

USA, 2010.

SUMMARY

THE DISTRIBUTION SYSTEM PLANNING INTERGRATED

GAS TUARBINE OR DIESEL GENERATOR

Vu Van Thang1*, Dang Quoc Thong2, Bach Quoc Khanh2

1College of Technology – TNU, 2HaNoi University of Technology

The planning of distributed systems is a complication problem with many elements involved on

the large space. The parameters of the didtributed system are random variablenature and difficult

to predict as price and demand. Besides, economic and technical indicators of distributed system

can be changed when gas turbine or diesel generator appear in system. This paper proposed a two-

stage optimized model that is integrated gas turbine or diesel generator in distributed system

planning problem. In these models, life cycle cost minimizing objectives of the investment project

are used same time constraints. The proposed model is tested using a 7 bus 22kV radial feeder.

The calculation is programmed in GAMS environment.

Keyword: Planning of Distribution Systems, Gas turbine, Diesel generator

Ngày nhận bài:01/8/2014; Ngày phản biện:15/8/2014; Ngày duyệt đăng: 25/11/2014

Phản biện khoa học: TS. Ngô Đức Minh – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN


Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15

11

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁN THÉP

TRONG CÔNG TY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN

Bùi Tuấn Anh*, Nguyễn Thị Thu Hiền

Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Đối với các nhà máy cán thép Thái Nguyên hiện nay đã được xây dựng từ những năm 2002, với

công nghệ Danieli- Italia khá hiện đại lúc bấy giờ. Tuy nhiên qua khảo sát tìm hiểu, thì hiện tại

khu vực cán cán thép của nhà máy cán thép đang sử dụng các bộ PLC S7-400 và các module mở

rộng để điều khiển và giám sát khu vực cán thép. Vì thế trong bài báo này chúng tôi sẽ ứng dụng

các module có sẵn của nhà máy rồi từ đó đưa ra các giải pháp điều khiển và giám sát HMI trên nền

Simatic S7-400 và WinCC.

Từ khóa: SCADA, thuật toán điều khiển,Looper, PLC S7-400

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Thiết kế hệ thống tự động hóa và điều khiển

cho nhà máy Cán thép Thái Nguyên là một

bài toán lớn và phức tạp. Trong nhà máy cán

thép Thái Nguyên ở khu vực cán thép được

xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát

SCADA để thợ vận hành dễ dàng giám sát và

điều khiển dây truyền từ xa. Trạm điều khiển

khu vực giá cán có rất nhiều chức năng như:

điều khiển tốc độ cán, điều khiển lực căng

giữa các giá cán, điều khiển khe hở giữa hai

trục cán, điều khiển máy cắt, đếm, đóng bó và

tạo cuộn. Để chất lượng cán thép tốt thì việc

điều chỉnh đồng tốc độ giữa các động cơ cán

là bài toán khó khăn. Tác dụng của việc điều

chỉnh tốc độ và lực căng của các giá cán là để

cho quá trình cán thép không phải là cán đẩy

hay cán kéo mà là quá trình cán tự do. Dây

chuyền cán của công ty thép Thái Nguyên là

dây chuyền cán nóng liên tục, có yêu cầu điều

chỉnh ở vùng rộng và sức căng phải đảm bảo

không đổi với độ chính xác cao. Trong bài

báo này tác giả đi sâu vào việc nghiên cứu tại

vị trí giữa hai giá cán #12 và #13 thép được

tạo trùng với độ trùng yêu cầu là 20cm

(h=20cm). Nhằm đáp ứng yêu cầu trên, ta áp

dụng hệ thống truyền động điều chỉnh đồng

bộ tốc độ và sức căng bằng điều chỉnh điện áp

phần ứng, dùng nguồn cung cấp riêng để

trang bị cho động cơ truyền động giá cán 12.


PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Ta có sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực

căng qua khảo sát nhà máy có sơ đồ như sau:

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực căng

Ta coi từ thông bằng hằng số lúc này hệ

truyền động có ba mạch vòng tham gia. Mạch vòng dòng điện, mạch vòng ổn định tốc độ và

mạch vòng ổn định lực căng.

Ta thấy rằng nếu có sự sai lệch về tốc độ thì

nhờ khâu đo độ dài PL để điều chỉnh lại tốc độ để đảm bảo vn” = vn+1’. Trong đó vn” : là

tốc độ phôi thép ra giá cán n. vn+1’ : là tốc độ phôi thép giá cán số n+1.

Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc đồng bộ tốc độ và lực căng


12

Trong đó khối 1 là bộ điều chỉnh tốc độ, khối

2 là bộ điều chỉnh dòng điện. Khối 3,4,5 là

hàm truyền của bộ biến đổi và động cơ điện

một chiều. Khối 6 là khối quan hệ tốc độ và

chiều dài vật liệu (khối tích phân). Từ độ dài

của vật liệu, căn cứ vào khoản cách giữa hai

giá cán ta sẽ tìm được độ trùng của thép thông

qua khối 7. Độ cao H được sẽ được sensor

quang chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thông

qua khối 8. Tín hiệu ra từ khối 8 sẽ được so

sánh với điện áp đặt và sai lệch đưa về bộ

điều chỉnh lực căng. Trong quá trình làm việc,

phôi thép phải đảm bảo chế độ cán tự do. Vì

vậy phôi đi qua giữa hai giá luôn phải có một

độ trùng nhất định.

Qua khảo sát hệ thống truyền động điện tại

giá cán số 12. Và sử dụng các phương pháp

tổng hợp hệ thống. Sử dụng chương trình mô

phỏng Matlap Simulation ta kiểm tra như

sau: Ta phát các tín hiệu nhiễu vào hệ thống ở

những vị trí: độ cao, độ dài và ta đưa tốc độ

của giá cán sau vào (#13) và quan sát sự thay

đổi của hệ thống. Để làm được việc đó, ta xây

dựng ba hệ thống, trong đó một hệ thống làm

chuẩn, hai hệ thống còn lại ta sẽ giảm tín hiệu

nhiễu của một hệ thống và tăng tín hiệu ở hệ

thống còn lại. Ta đưa đặc tính độ dài, độ cao,

tốc độ, dòng điện của cả ba hệ thống ra scope

để quan sát sự thay đổi của hệ thống trong

quá trình quá độ.

Hình 3. Sơ đồ khối đồng bộ tốc độ và lực căng

Với thông số của đối tượng và thông số của

bộ điều khiển như trên. Ta mô phỏng được

đặc tính động của hệ thống khi có sự thay đổi

tốc độ của giá cán số 13.

Nhận xét : Qua việc khảo sát chất lượng hệ

thống khi giá cán số 13 thay đổi thì việc đồng

bộ tốc độ và lực căng tại giá cán số 12 đảm

bảo chất lượng tĩnh và động với Như vậy độ

cao của phôi thép ổn định ở chế độ đặt với

thời gian trễ (0,5s) và độ quá điều chỉnh

(3,24% < 10%) thỏa mãn yêu cầu công nghệ

cán thép tại giá cán số 12.

Hình 4: Đặc tính tốc độ khi có sự thay đổi tốc độ

của giá cán #13

Hình 5: Đặc tính độ cao (H) khi có sự thay đổi tốc

độ của giá cán #13

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ

GIÁM SÁT TẠI KHU VỰC CÁN THÉP

CỦA NHÀ MÁY

Cấu hình phần cứng

Bài toán điều khiển hệ thống cán thép bao

gồm bài toán điều khiển dòng điện, điều

khiển tốc độ trục cán và điều khiển lực căng.

Thiết bị đo tốc độ là máy phát tốc, thiết bị đo

lực căng, thiết bị đo dòng điện. Do vậy tổng

cộng là có 3 đầu vào số và 3 đầu ra tương tự

tại một giá cán. Căn cứ trên bài toán điều khiển

đã đặt ra và số lượng đầu vào, đầu ra (gồm các

thiết bị đo, thiết bị chấp hành) ta lựa chọn cấu

hình phần cứng của hệ thống điều khiển.

Các đầu vào tương tự

Tín hiệu các đầu vào tương tự là tín hiệu các

thiết bị đo của các vùng, bao gồm: Thiết bị đo

dòng điện, tốc độ và lực căng. Các thiết bị đo

này đều được chuyển đổi thành tín hiệu điện

áp chuẩn 0-10V để đưa tới các module tương

tự AI.

Các đầu ra tương tự

Các đầu ra tương tự trong bài toán điều khiển

ở đây chính là các triết áp để điều khiển góc

mở cho bộ biến đổi để thay đổi điện áp đặt

vào phần ứng động cơ.

Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng ở đây là máy

tính PC có thể cài đặt được 2 phần mềm được


13

sử dụng là hai phần mềm mới nhất hiện nay

của hãng Siemen: Phần mềm Step7 v5.5 và

phần mềm WinCC 7.0

Thiết bị ghép nối truyền thông

Để có thể kết nối trạm PLC với máy tính PC

thì cần phải có thiết bị ghép nối truyền thông.

Các thiết bị ghép nối truyền thông được sử

dụng là:

- Một cáp truyền thông theo giao thức MPI.

- Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với

PLC S7-400 thông qua giao thức MPI.

Cấu trúc điều khiển hệ thống đồng bộ tốc

độ và lực căng tại giá cán số 12.

Cấu trúc hệ thống điều khiển đồng bộ tốc độ

và lực căng tại giá cán số 12 như sau:

Hình 7. Cấu trúc hệ thống điều khiển giá cán số

12Hệ thống điều khiển lực căng của giá cán

số 12 sử dụng 2 bộ điều khiển nối cấp như

hình 7. Hệ thống sử dụng hai bộ điều khiển

tốc độ R dùng để ổn định tốc độ giá cán và

RI là bộ điều khiển dòng điện để ổn định

dòng điện. Đầu ra là chính là góc điều khiển

của mạch phát xung dùng để thay đổi điện

áp đặt vào phần ứng của động cơ điện một

chiều giá cán số 12. Bộ điều khiển RT có

nhiệm vụ là ổn định điện áp lực căng theo giá

trị đặt lực căng và bù tốc độ động cơ giá cán

số 12.

Thiết kế chương trình điều khiển trên nền

STEP 7

Chương trình điều khiển hệ thống cán bao

gồm việc đọc các tín hiệu đầu vào tương tự từ

các cảm biến dòng điện được lấy thông qua

máy biến dòng, máy phát tốc và Looper để

đầu ra là tốc độ quay của giá cán số 12 đạt

yêu cầu công nghệ. Điều khiển đồng bộ tốc

độ và lực căng là điều khiển giá trị lực căng

theo tín hiệu đặt tức là điều khiển tốc độ động

cơ ổn định ở giá trị lực căng ở giá trị đặt đó.

Để viết chương trình điều khiển trước hết cần

xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển đồng

bộ tốc độ động cơ và lực căng.

Thuật toán điều khiển đồng bộ tốc độ và lực căng

Toàn bộ chương trình được viết trong OB35.

Thời gian trích mẫu T (mặc định T=100ms)

có thể thay đổi được bằng cách vào phần

mềm Step7. Thuật toán điều khiển lực căng

tại giá cán số 12 được thực hiện tuần tự. Từ

việc xử lý tín hiệu đo để đưa ra tín hiệu quá

trình, sau đó tín hiệu quá trình được tính toán

điều khiển để đưa ra tín hiệu bù điện áp đặt

vào bộ điều khiển tốc độ. Từ giá trị đặt và độ

võng của cây thép theo thực tế mà Looper xác

định được, chương trình sẽ tính toán lượng sai

lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào

khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để

giữ cho độ võng của cây thép luôn trong

khoảng giá trị đặt nhờ khối FB 41, để đảm

bảo chế độ cán tự do giữa hai giá cán. Từ giá

trị đặt tốc độ và lượng bù điện áp của đầu ra

lực căng và trừ đi điện áp phản hồi của máy

phát tốc về chương trình sẽ tính toán lượng

sai lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào

khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để

giữ cho tốc độ động cơ luôn trong khoảng giá

trị đặt. Từ giá trị đặt tốc độ và lượng bù điện

áp của đầu ra lực căng và trừ đi điện áp phản

hồi của máy phát tốc về chương trình sẽ tính

toán lượng sai lệch giữa hai giá trị trên đó

tham gia vào khống chế dòng điện động cơ

tăng hay giảm để giữ cho dòng điện động cơ

luôn trong khoảng giá trị đặt.

THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT

Yêu cầu thiết kế

Thiết kế giao diện HMI để điều khiển giá cán số

12 và số 13, phần giám sát và phần cảnh báo.

Về phần điều khiển phải đặt được độ trùng để

đảm bảo cán tự do giữa hai giá cán đặt được

các tham số bộ điều khiển PID của lực căng,

tốc độ và dòng điện giữa hai giá cán


14

Về phần giám sát phải thể hiện được lực tốc

độ và dòng điện giữa hai giá cán và biểu diễn

bằng đồ thị và bằng số.

Về cảnh báo phải cảnh báo được tình trạng

thiết bị (lỗi hay không lỗi)

Thiết kế giao diện HMI

Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều

khiển và giám sát hệ thống cán ở trên, ta đi

vào việc thiết kế giao diện. Giao diện thiết kế

gồm các trang màn hình chính như sau: Màn

hình tổng quan khu vực cán, 3 màn hình điều

khiển và giám sát cho bộ điều khiển lực căng,

bộ điều khiển tốc độ, và bộ điều khiển dòng

điện. Và các màn hình con như sau: Bargraph,

Looper, Trend, Print,Help.

Hình 8. Giao diện tổng quan khu vực cán

Hình 9. Cài đặt tham số PID lực căng

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Bước cuối cùng của việc thiết kế hệ thống tự

động hóa là cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ

thống và đánh giá kết quả.

Hình 10. Kết quả chạy thử nghiệm

Hình 11. Giao diện theo dõi lực căng tại giá cán số 12

Hình 12. Giao diện theo dõi tốc độ tại giá cán số 12

KẾT LUẬN

Như vậy chúng ta đã nghiên cứu và thiết kế

hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống điều

khiển cán thép Hệ thống điều khiển được lựa

chọn ở đây là hệ Simatic S7-400 của hãng

Siemen. Phần mềm được sử dụng để thiết

kế giao diện giám sát là phần mềm WinCC

7.0 sp2.

Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết

kế phần mềm giám sát hệ thống điều khiển

cán thép, chúng ta đấu nối các thiết bị cần

thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các


15

tham số bộ điều khiển PID và download

chương trình lên bộ PLC S7-400…kết quả mô

phỏng cho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp.

Tuy nhiên kết quả vẫn chưa được kiểm chứng

trên hệ thống cán thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn

Văn Liễn, Dương Văn Nghi (2008) Điều chỉnh

tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật.

2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ

sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và

Kỹ thuật.

3. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều

khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.

4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn

Hà (2000), Tự động hóa với Simatic PLC S7-300,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (năm 2000).

5. Nguyễn Văn Hòa (2001), Cơ sở lý thuyết điều

khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.

6. Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều

khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản Khoa học và

Kỹ thuật.

SUMMARY

CONTROL SYSTEM RESEARCH AND MONITORING

IN STEEL COMPANY OFFICERS AND PERSONNEL

Nguyen Thi Thu Hien*, Bui Tuan Anh College of Information and Communication Technology - TNU

In the Thai Nguyen steel mill now was construction in 2002, with Danieli- Italian technology quite

modern at the time. But the survey to find out, the current area of the steel rolling steel mill is

using the PLC S7-400 and expansion modules to control and monitor the steel sector. So in this

article we will apply the module is available from the factory and offer solutions that control and

monitoring based on Simatic HMI and WinCC S7-400.

Key words: SCADA, control algorithms, Looper, PLC S7-400


Phản biện khoa học: TS. Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp - ĐHTN



16

Đỗ Đức Trung và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 17 - 22

17

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG CHẠY DAO

ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG THÉP 20X THẤM CÁC BON

KHI MÀI VÔ TÂM CHẠY DAO HƯỚNG KÍNH

Đỗ Đức Trung1*, Ngô Cường1, Phan Bùi Khôi2,

Phan Thanh Chương1, Nguyễn Thành Chung3 1Trường CĐ Kinh tế Kỹ thuật - ĐH Thái Nguyên, 2Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

3Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Viêt bắc Vinacomin

TÓM TẮT Bài báo này trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công

tinh thép 20X thấm các bon khi mài vô tâm chạy dao hướng kính. Hai thông số đặc trưng của chất

lượng bề mặt gia công được khảo sát trong nghiên cứu này gồm độ nhám ( Ra ) và độ không tròn

(∆). Từ đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám và độ không tròn.

Đồng thời, nghiên cứu này cũng chỉ ra khoảng chạy dao hợp lý khi gia công tinh mác thép 20X

thấm các bon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính.

Từ khóa: Mài vô tâm chạy dao hướng kính, độ nhám, độ không tròn, thép 20X, lượng chạy dao

hướng kính

GIỚI THIỆU*

Trong gia công cơ khí, mài vô tâm là một

phương pháp gia công có năng suất cao hơn

nhiều lần so với mài có tâm nhờ chế độ gia

công cao, thời gian gá đặt, hiệu chỉnh và tháo

dỡ chi tiết ít [1, 2]. Ngoài ra, do không cần

định tâm chi tiết nên có thể giảm bớt lượng

dư gia công vì chi tiết được định vị chính

bằng bề mặt gia công; có thể nâng cao chế độ

mài vì chi tiết được gá trên thanh tỳ và đá dẫn

nên có độ cứng vững cao; nếu sử dụng đá có

chiều dày lớn có thể giảm đáng kể số lần chạy

dao dọc; có thể gia công các chi tiết dài hoặc

nhiều chi tiết đồng thời bằng phương pháp

chạy dao hướng kính [3].

Trong phương pháp mài vô tâm, chất lượng

vật mài được đánh giá qua nhiều thông số.

Trong đó, độ nhám và độ không tròn là những

thông số quan trọng quyết định chất lượng vật

mài [1, 2, 3]. Chất lượng bề mặt khi mài phụ

thuộc nhiều vào các đặc tính của chi tiết gia

công [3]. Theo [4,5] độ cứng và độ bền kéo

của vật liệu gia công có ảnh hưởng mạnh đến

lực cắt, năng lượng cắt, qua đó ảnh hưởng đến

tải trọng cơ nhiệt của quá trình cắt. Ngoài ra,

tốc độ mòn hạt mài phụ thuộc vào độ cứng


của vật liệu gia công [5] làm thay đổi mức độ

cào xước của hạt mài lên bề mặt gia công.

Đây là những nguyên nhân có ảnh hưởng

đáng kể đến chất lượng bề mặt mài.

Đối với thép 20X thấm các bon sau khi nhiệt

luyện thường đạt độ cứng 60÷62HRC, độ bền

kéo của mác thép này có giá trị trung bình so

với nhóm các mác thép hợp kim thấp thông

dụng, b ≈ 430÷470 N/mm2 [6]. Đây là một

trong các mác thép điển hình đại diện cho

nhóm thép hợp kim thấp được sử dụng rộng

rãi trong ngành chế tạo máy. Mác thép này

hiện đang được Công ty TNHH Nhà nước

một thành viên Diesel Sông Công - Thái

Nguyên và một số công ty khác dùng để chế

tạo chi tiết con đội xupap của động cơ diesel,

chốt piston, gudông, đồ định vị của đồ gá… với

phương pháp mài vô tâm được chọn để gia công

các bề mặt trụ yêu cầu độ chính xác cao.

Đã có một số nghiên cứu về độ nhám và độ

không tròn của chi tiết khi mài vô tâm chạy

dao hướng kính được công bố: đánh giá độ

nhám bề mặt bằng hai phương pháp sửa đá

khi sử dụng bút kim cương và đĩa kim cương

[2]; ảnh hưởng của một số thông số động hình

học đến độ nhám bề mặt [7, 8, 9]; ảnh hưởng

của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt gia công

[10]; mối quan hệ giữa độ không tròn của chi


18

tiết và góc nghiêng thanh tỳ γ, góc tiếp tuyến

β (hình 1) [2]; phân tích những hạn chế của

phương pháp sửa đá thông thường ảnh hưởng

đến độ tròn của chi tiết [11, 12]; ảnh hưởng

của độ chính xác của đá dẫn đến độ không

tròn của chi tiết [13]; phân tích về rung động

và quá trình tạo độ tròn của chi tiết [14]; khảo

sát độ không tròn của chi tiết trong cả hai

trường hợp mài vô tâm: chi tiết cao hơn tâm

đá và chi tiết thấp hơn tâm đá [15, 16]; Ảnh

hưởng của tốc độ đá dẫn đến độ không tròn

của chi tiết [10]; mối quan hệ giữa độ không

tròn với góc tiếp tuyến và lượng chạy dao khi

sửa đá, mối quan hệ giữa độ không tròn với

góc tiếp tuyến và vận tốc chi tiết [17]; một số

gợi ý để đảm bảo độ tròn của chi tiết gia công

[18]; ảnh hưởng của tỷ lệ vận tốc đá mài/vận

tốc chi tiết đến độ không tròn [19]; nghiên

cứu mô phỏng ảnh hưởng đồng thời của một

số thông số động hình học của quá trình mài

đến độ không tròn [20]... Trong nghiên cứu

này chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng

của lượng chạy dao (SK) đến đồng thời hai

thông số độ nhám và độ không tròn khi gia

công tinh thép 20X thấm các bon bằng

phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng

kính. Từ đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng

của lượng chạy dao đến độ nhám và độ không

tròn. Đồng thời, nghiên cứu này cũng chỉ ra

khoảng chạy dao tương đối hợp lý khi gia công

tinh mác thép 20X thấm các bon bằng phương

pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính.

SƠ ĐỒ GIA CÔNG

Sơ đồ gia công khi mài vô tâm chạy dao

hướng kính được thể hiện trên hình 1. Ở

phương pháp này, chi tiết được đặt giữa đá

mài - đá dẫn và thanh tỳ. Trong quá trình gia

công, đá dẫn - chi tiết và thanh tỳ sẽ tiến dần

về phía đá mài.

Hình 1. Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính

HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

Mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm là mẫu thép 20X thấm các

bon (hình 2), có thành phần hóa học trước và

sau khi thấm các bon được trình bày trong

bảng 1.

Hình 2. Mẫu thí nghiệm

Máy thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành trên máy mài vô

tâm M1080B do Trung Quốc sản xuất năm

2011 tại Xưởng cơ khí II - Công ty Cổ phần

Cơ khi Phổ Yên - Thái nguyên (hình 3) với

các đặc tính ký thuật như sau:

- Đá mài: Cn80.TB1.G.V1.500.150.305x35m/s

- Đá dẫn: R.273.150.127

- Thanh tỳ: γ = 300

Bảng 1. Thành phần hóa học chính của thép 20X trước và sau khi thấm các bon

20X C Si Mn P S Cr Ni Cu

Trước khi thấm C 0,209 0,208 0,74 0,015 0,015 1,16 0,013 0,018

Sau khi thấm C 1,02 0,212 0,51 0,018 0,017 0,78 0,017 0,021


19

Hình 3. Máy thí nghiệm

Thiết bị đo

- Độ nhám bề mặt gia công được đo bằng

máy SJ400 của hãng Mitutoyo - Nhật Bản

(hình 4).

Hình 4. Máy đo độ nhám SJ400

- Độ không tròn của chi tiết được kiểm tra

bằng đồng hồ đo 5/10000 (hãng HJ - Đài

Loan), việc điều chỉnh vị trí khối V đỡ chi tiết

được tiến hành bằng đồng hồ đo 1/1000 (hãng

Mitutoyo - Nhật Bản) trên máy đo độ thẳng

ЧиМ - 23 (hình 5).

Hình 5. Thiết bị đo độ không tròn

Điều kiện thí nghiệm

- Vận tốc đá mài: 34 m/s (nđ = 1300 v/ph)

- Vận tốc đá dẫn: 30,85 m/p (nd = 36 v/ph)

- Chiều cao tâm chi tiết h = 12 mm (β =

7,140).

- Dung dịch trơn nguội: UNIMET AS 192

(hãng Oemeta - Đức), nồng độ 4% với

phương pháp tưới tràn.

- Lượng dư gia công tính theo bán kính: 0,05 mm

- Đá dẫn được xoay trong mặt phẳng thẳng

đứng một góc 0,50, xoay trong mặt phẳng

nằm ngang 00.

- Sửa đá dẫn:

+ Chiều sâu sửa đá: 0,01 mm

+ Lượng chạy dao dọc: 30 mm/ph

+ Vận tốc đá dẫn: 257,3 m/ph (nd = 300 v/ph)

- Sửa đá mài:

+ Chiều sâu sửa đá: 0,01 mm

+ Vận tốc đá mài: 34 m/s (nđ = 1300 v/ph)

+ Lượng chạy dao dọc: Sd = 300 mm/ph

- Lượng chạy dao hướng kính: SK = 1 ÷ 21 μm/s

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tiến hành mài thí nghiệm với các giá trị khác

nhau của lượng chạy dao hướng kính (SK).

Tại mỗi điểm thí nghiệm tiến hành với 3 mẫu.

Tiến hành đo độ nhám bề mặt trên chiều dài

chuẩn L = 0,08 mm, giá trị độ nhám tại mỗi

điểm thí nghiệm là giá trị trung bình của các

lần đo. Độ không tròn được đo trên các mẫu

là thống nhất tại một tiết diện nhờ có cữ chặn

chiều trục được gắn trên khối V, giá trị độ

không tròn tại mỗi điểm thí nghiệm được xác

định bằng số vạch chỉ thị trên đồng hồ

5/10000 sau đó lấy giá trị trung bình của các

lần đo. Kết quả về độ nhám và độ không tròn

được thể hiện trên bảng 2 và đồ thị hình 6,

hình 7.

Từ kết quả trên bảng 2 và hình 6, hình 7 ta có

nhận xét:

- Lượng chạy dao có ảnh hưởng đáng kể đến cả

độ nhám và độ không tròn của bề mặt gia công.


20

- Mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến

độ không tròn nhiều hơn ảnh hưởng đến độ

nhám bề mặt.

- Khi mài tinh thép 20X thấm các bon giá trị

độ nhám và độ không tròn đều có giá trị nhỏ

và tương đối ổn định khi SK = 2 ÷ 18 μm/s.

Bảng 2. Giá trị độ nhám và độ không tròn khi thay đổi SK

TT SK

(μm/s)

Độ nhám Độ không tròn

1Ra

(μm) 2Ra

(μm)

3Ra

(μm)

Ra

(μm)

1

(μm) 2

(μm)

3

(μm)

(μm)

1 1 0,71 0,69 0,71 0,70 11,0 11,0 13,0 11,67

2 3 0,53 0,43 0,55 0,51 2 1,5 2,0 1,83

3 5 0,45 0,50 0,45 0,46 2,5 1,5 2,5 2,17

4 7 0,47 0,43 0,41 0,44 1,5 2,0 2,0 1,83

5 9 0,60 0,56 0,53 0,56 1,0 1,5 2,0 1,50

6 11 0,45 0,50 0,45 0,46 1,0 1,0 1,5 1,17

7 13 0,61 0,60 0,55 0,59 3,0 1,5 2,0 2,17

8 15 0,56 0,50 0,52 0,53 2,0 2,0 2,0 2,00

9 17 0,64 0,63 0,51 0,59 1,5 2,0 1,5 1,67

10 19 0,59 0,58 0,65 0,61 2,0 2,0 2,5 2,17

11 21 0,70 0,70 0,76 0,72 3,5 3,5 4,0 3,67

Hình 6. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt

Hình 7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ không tròn


21

KẾT LUẬN

- Mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến

độ không tròn nhiều hơn ảnh hưởng đến độ

nhám bề mặt

- Khi mài tinh thép 20X thấm các bon nên

chọn lượng chạy dao hướng kính trong

khoảng SK = 2 ÷ 18 μm/s. Kết quả này cũng

có thể được dùng để tham khảo khi gia công

tinh các mác vật liệu thuộc nhóm thép hợp

kim thấp.

- Trên cơ sở khoảng tương đối hợp lý của lượng

chạy dao mà nghiên cứu này đã chỉ ra, chúng tôi

sẽ tiến hành nghiên cứu tối ưu giá trị của thông

số này trong nghiên cứu tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Tính , Kỹ thuật mài, Nxb Công

nhân kỹ thuật, Hà Nội (1978).

2. Loan D. Marinescu, Mike Hitchiner, Eckart

Uhlmann and W. Brian Rowe, Handbook of

machining with grinding wheels, CRC Press

Taylor & Francis Group (2006).

3. Lưu Văn Nhang, Kỹ thuật Mài kim loại, Nhà

xuất bản KH&KT, Hà Nội (2003).

4. Loan D. marinescu, W. Brian Rowe, Boris

Dimitrov and Ichiro Inansaki, Tribology of

abrasive machining process, Published in the

United States of America by William Andrew, Inc

(2004).

5. Milton Shaw, The size effect in metal cutting,

Sadhana Vol. 28, part 5, October 2003, pp 875-

896, Printed in India.

6. Mechanical properties of alloy steel (Chinese

standard: GB/T 17107 – 1997)

7. J. Kopac, P. Krajnik and J.M. d’Aniceto,

Grinding analysis based on the matrix experiment,

13th International scientific conference on

achievements in mechanical and materials

engineering (2005).

8. P. Krajnik, A. Sluga, J. Kopac, Radial basis

function simulation and metamodelling of surface

roughness in centreless grinding, Faculty of

Mechanical Engineering, University of Ljubljana,

Askerceva 6, SI-1000 Ljubljana, Slovenia (2005).

9. P. Krajnik, J. Kopac and A. Sluga, Design of

grinding factors based on response surface

methodology, Journal of Materials Processing

Technology 162–163 (2005).

10. S.S.Pande and B.R. Lanka, Investigation on

the through – feef centerless grinding process,

International Journal of Production Research

Volume 27, Issue 7 (1989).

11. F. Hashimoto, A. Kanai, M. Miyashita, K.

Okamura, High Precision Trueing Method of

Regulating Wheel and Effect on Grinding

Accuracy, Annals of the C/RP Vol. (1983).

12. Albert J. Shih, A New Regulating Wheel

Truing Method for Through-FeedCenterless

Grinding, Contributed by the Manufacturing

Engineering Division for publication in the journal

of Anufacturing science and engineering (2000).

13. P. R. Nakkeeran and V. Radhakrishnan, A

study on the effect of regulating wheel on the

roundness of workpiece in centerless grinding by

computer simulation, Int. J. Math. Tools

Manufact. Vol, 30, No. 2, pp. 191-201 (1990).

14. Yuji Furukawa, Masakazu Miyashita and

Susumu Shiozakij, Vibration Analysis and Work-

Rounding Mechanism in Centerless Grinding, Int.

J. Mach. Tool Des. Res. Vol. 11,(1971).

15. N. G. Subramanya Udupa, M. S. Shubnmugam

and V. Radhakristinan, Influence of workpiece

position on roundness error and surface finish in

centerless grinding, Int. I. Mach. Tools Manufact.

Vol. 27. No. 1. p. 77-89 (1987).

16. C. Guo, S.Malkin, J.A.Kovach and M.Laurich,

Computer Simulation of Below-Center and Above-

Center Centerless Grinding, Machining Science

and Technology, 1(2), 253-249 (1997).

17. S.S. Pande, A.R. Naik and S.Somasundaram,

Computer simulation of the plunge centreless

grinding process, Journal of Materials Processing

Technology, 39 (1993).

18. F. Hashimoto, G. D. Lahoti, M. Miyashita,

Safe Operations and Friction Characteristics of

Regulation Wheel in Centerless Grinding, Tokyo,

Japan Received on January 5 (1998).

19. W. B. Rowe, S. Spraggett, R. GiII and B. J.

Davies, Improvements in Centreless Grinding

Machine Design, Annals of the CIRP Vol (1987).

20. Phan Bui Khoi, Ngo Cuong, Do Duc Trung,

Nguyen Dinh Man, A study on simulation of

plunge centerless grinding process, ISEPD 2014 –

International Sysposium on Eco-materials

Processing and Design, Ha Noi, Viet Nam

(Jannuary 12~14, 2014).


22

SUMMARY

INFLUENCE OF THE PLUNGE FEED-RATE ON QUALITY OF WORKPIECE

SURFACE WHEN GRIND 20X – CARBON INFILTRATION STEEL USING

PLUNGE CENTERLESS GRINDING PROCESS

Do Duc Trung1*, Ngo Cuong1, Phan Bui Khoi2,

Phan Thanh Chuong1, Nguyen Thanh Chung3 1College of Economics and Technology - TNU

2 Hanoi University of Science and Technology 3Vinacomin - Viet Bac Industrial Vocational College

This paper presents the research on the influence of the plunge feed-rate on quality of workpiece

surface when grind 20X – carbon infiltration steel using plunge centerless grinding process. Two

parameter of quality of workpiece surface which consider in this paper are roughness (Ra) and

error roundness (∆). So, give the influence of the plunge feed-rate on roughness and error

roundness. Also, this work carry the logical range of plunge feed-rate when grind grind 20X –

carbon infiltration steel using plunge centerless grinding process.

Keywords: Plunge centerless grinding, Roughness, Error roundness, 20X steel, Plunge feed-rate


Phản biện khoa học: PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn – Đại học Thái Nguyên


Lại Ngọc Hùng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 23 - 27

23

ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN

NHỒI SỬ DỤNG KẾT QUẢ CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN CPT VÀ XUYÊN SPT

Lại Ngọc Hùng*

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Hiện nay trong thiết kế cọc khoan nhồi, sức chịu tải (SCT) của cọc thường tính dựa trên kết quả thí

nghiệm xuyên CPT hoặc xuyên SPT, sử dụng hệ số an toàn Fs từ 2-3 do đó kết quả khó xác định

chính xác. Thực tế để kiểm tra SCT thông dụng sử dụng thí nghiệm nén tĩnh (TNNT) cọc sẽ cho

kết quả rất tin cậy. Để giải quyết vấn đề mối tương quan giữa SCT của cọc khoan nhồi tính toán

dựa trên kết quả xuyên CPT, SPT và sức chịu tải từ TNNT cọc, tác giả tiến hành thu thập kết quả

nén tĩnh cọc khoan nhồi trên một số khu vực điển hình của thành phố Hà Nội và tính toán SCT cọc

dựa trên kết quả xuyên CPT, SPT. Kết quả nghiên cứu chỉ ra mối tương quan giữa SCT của cọc

theo kết quả thí nghiệm xuyên CPT, SPT với SCT từ TNNT thông qua hệ số tương quan K, với

xuyên CPT có K = 0.654- 1.405, với xuyên SPT có K = 0.837-1.42.

Từ khóa: Sức chịu tải của cọc, cọc khoan nhồi, thí nghiệm xuyên CPT, thí nghiệm xuyên SPT, thí

nghiệm nén tĩnh cọc

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Trong xây dựng hiện đại, đặc biệt với nhà cao

tầng, móng cọc khoan nhồi luôn là giải pháp

thiết kế được ưu tiên lựa chọn do có nhiều ưu

điểm như sức chịu tải lớn, độ lún không đáng

kể, sự ảnh hưởng đến địa chất và công trình

xung quanh khi thi công có thể kiểm soát tốt…

Hiện nay để dự báo sức chịu tải của cọc nói

chung và cọc khoan nhồi nói riêng, có thể sử

dụng nhiều công thức khác nhau, trong đó

công thức dựa vào kết quả từ các thí nghiệm

xuyên( CPT và SPT) được dùng rất phổ biến.

Trong thực tế tính toán thiết kế, các kỹ sư tư

vấn được sử dụng hệ số an toàn rất lớn (từ 2-

3), nếu chúng ta có những so sánh tin cậy kết

quả tính sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào

kết quả các thí nghiệm xuyên với kết quả thí

nghiệm nén tĩnh trên cọc thực tế của công

trình, chúng ta có thể sử dụng hệ số an toàn

thích hợp hơn, tăng hiệu quả kinh tế của các

dự án đầu tư xây dựng khi sử dụng cọc khoan

nhồi, tránh gây lãng phí tài nguyên trong điều

kiện môi trường xây dựng hiện đại.


CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC

CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI DỰA VÀO

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XUYÊN VÀ THÍ

NGHIỆM NÉN TINH

Phương phap dựa vào cac thí nghiệm xuyên

Dựa vào kết quả khảo sát bằng các thiết bị thí

nghiệm xuyên (CPT và SPT), chúng ta tính

toán được các thành phần sức ma sát bên của

thành cọc với đất nền (Qs) và thành phần sức

kháng của đất ở mũi cọc (Qp), từ đó tính được

sức chịu tải của cọc theo phương diện đất nền

là nguyên lý chung của việc tính sức chịu tải

cọc dựa vào các thí nghiệm xuyên.

Sức chịu tải giới hạn: Qu = Qs+Qp (2.1)

Sức chịu tải tính toán Qa = Qu/Fs trong đó Fs

là hệ số an toàn lấy từ 2-3.

Với Qs là sức kháng thành cọc, Qp Sức kháng

mũi cọc

- Theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT.

Qs= K2.Ntb.As (2.2)

Qp = K1.N.Ap (2.3)

Trong đó: N – chỉ số SPT trung bình trong

khoảng 1D dưới mũi cọc và 4D trên mũi cọc

(D là đường kính cọc nhồi), Ntb – chỉ số SPT

trung bình các lớp đất dọc thân cọc.


24

K1 -hệ số lấy bằng 120, K2 -hệ số lấy bằng

1.0, Ap là diện tích tiết diện cọc, AS là diện

tích xung quanh thân cọc.

-Theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn CPT

Qs = (2.4)

Qp= Ap.(qcn.Ki) (2.5)

Trong đó:

ui, li : chu vi và chiều dài cọc đi qua lớp thứ i,

Ki hệ số phụ thuộc loại đất.

, : sức kháng mũi xuyên trung bình của

lớp đất thứ i, thứ n.

Ap diện tích tiết diện cọc.

Thí nghiệm nén tĩnh dọc truc cọc

Nguyên lý thí nghiệm:

Tác dụng lên cọc thí nghiệm tải trọng coi là

tĩnh, xác định quan hệ tải trọng - độ lún

(chuyển vị cọc) trên cơ sở đó xác định được

sức chịu tải giới hạn của cọc về phương diện

đất nền Pgh ( hay Qu) từ đó suy ra sức chịu tải

tính toán Qa.

Kết quả thí nghiệm: Theo quan điểm biến

dạng: từ giá trị biến dạng cho phép đã hiệu

chỉnh S* suy ra Pgh theo sơ đồ như hình 1.

Hình 1. Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả

thí nghiệm nén tĩnh

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ

TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI

DỰA VÀO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

XUYÊN VỚI THÍ NGHIỆM NÉN TINH

Chuẩn bị số liệu

Trên cơ sở phân vùng địa chất ở Hà Nội, tác

giả đã thu thập tài liệu, thống kê và tính toán

nội suy các số liệu khảo sát địa chất và số liệu

nén tĩnh cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn Việt

Nam hiện hành.

Hình 2. Phân vùng địa chất Hà Nội

Với 5 vùng địa chất điển hình đó (như hình

3.1), tác giả đã thu thập, tổng hợp các số liệu

nén tĩnh cọc khoan nhồi cho các công trình

thuộc các vùng tương ứng.

So sánh kết quả tính toán và kết quả thí

nghiệm nén tĩnh tại hiện trường

Sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi theo

công thức lý thuyết sử dụng kết quả thí

nghiệm xuyên (Qu), sức chịu tải cho phép của

cọc (Qa) lấy với hệ số an toàn chung là 2,5.

Theo thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường: giá

trị sức chịu tải giới hạn Qu của cọc khoan

nhồi được tính dựa vào đường cong nén S-P

theo giá trị độ lún cho phép của cọc, giá trị

này được quy định trong TCXDVN có thể lấy

theo hai giá trị sau:

+ Theo S*= .Sgh (với = 0,1; Sgh - độ lún

giới hạn công trình), với công trình xây dựng

dân dụng thì S* = 0,1.8 = 0,8 cm

+ Theo S* = 1%. D (D - đường kính cọc)

Sức chịu tải cho phép của cọc lấy theo độ lún

cho phép của cọc: Qa = Qu/1.25

P( T )

( mm )S

ghP gh[P ]

S*= [S]

®P =ghP

Fs

s

maxTNP


25

Tiến hành tính toán và so sánh, nghiên cứu

thu được các kết quả sau:

Vơi vùng A (Khu Phú Diễn, Mai Dịch,

Nghĩa Tân)

Tính toán cho công trình với cọc đường kính

1,2m; chiều dài 30 m (cắm vào lớp cuội sỏi

khoảng 2m)

- Kết quả nén tĩnh: Lấy trung bình của 5 cọc

có đường kính 1,2m, ứng với S*=.Sgh có

Qanéntĩnh= 690 T, ứng với S*= 0,01D có

Qanéntĩnh= 825 T

- Kết quả tính sức chịu tải của cọc dựa trên

kết quả thí nghiệm xuyên:

Bảng 1. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất A1

Công thức tính Qs(T) Qp(T) Qu(T) Qa(T)

1. Xuyên CPT 671.20 678.6 1349.8 539.9

2. Xuyên SPT 197.20 1357.2 1554.4 621.6



1. Xuyên CPT 714.10 1017.88 1731.96 692.8

2. Xuyên SPT 219.07 1357.17 1576.24 630.5



1. Xuyên CPT 386.84 1017.88 1404.72 561.9

2. Xuyên SPT 148.42 1357.17 1505.59 602.2

Vơi vùng B: (Khu Cổ Nhuế, Đông Ngạc):

Tính toán cho công trình với cọc đường kính

1,2m; chiều dài 33 m (cắm vào lớp cuội sỏi

khoảng 2m)

- Kết quả nén tĩnh: lấy trung bình của 3 cọc


Qanéntĩnh=760 T, ứng với S*= 0,01D có

Qanéntĩnh= 880 T



Bảng 4. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất B1


1. Xuyên CPT 754.10 1123.88 1877.98 751.2

2. Xuyên SPT 258.07 1356.17 1614.24 645.7

Bảng 5. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất B2


1. Xuyên CPT 434.84 1017.88 1452.7 581.1

2. Xuyên SPT 262.42 1327.15 1589.6 635.8

Vơi vùng C: (Khu Mỹ Đình, Mễ Trì, Đại Mỗ)

Tính toán cho cọc đường kính 1,2m; chiều dài

34 m (cắm vào lớp cuội sỏi 2m)

- Kết quả nén tĩnh: lấy trung bình của 3 cọc


Qanéntĩnh=751 T, ứng với S*= 0,01D có

Qanéntĩnh= 950 T



Bảng 6. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất C1


1. Xuyên CPT 1467.9 678.6 2146.5 858.6

2. Xuyên SPT 341.7 1357.2 1698.9 679.6



1. Xuyên CPT 1503.7 1017.9 2521.6 1008.6

2. Xuyên SPT 442.8 1357.2 1799.9 719.9



1. Xuyên CPT 1036.1 1017.9 2053.9 821.6

2. Xuyên SPT 333.71 1357.2 1690.9 676.4



1. Xuyên CPT 2658.2 678.6 3336.8 1334.7

2. Xuyên SPT 345.4 1357.2 1702.6 681.0

Vơi vùng D: (Khu Trung Yên, Ngọc Khánh)

- Tính toán cho cọc đường kính 1,2m; chiều

dài 45 m (cắm vào lớp cuội sỏi 2m)

- Kết quả nén tĩnh: lấy trung bình của 3 cọc,

ứng với S*=.Sgh có Qanéntĩnh=660 T, ứng với

S*= 0,01D có Qanéntĩnh= 853 T



Bảng 10. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất D1


1. Xuyên CPT 653.4 1017.9 1671.2 668.5

2. Xuyên SPT 277.9 1357.2 1635.1 654.3



1. Xuyên CPT 1535.36 1187.5 2722.9 1089.1

2. Xuyên SPT 409.68 1357.2 1766.8 706.7



1. Xuyên CPT 1588.34 1085.4 2673.7 1069.5

2. Xuyên SPT 427.13 1251.5 1678.6 671.4


26



1. Xuyên CPT 1704.13 1187.5 2891.7 1156.7

2. Xuyên SPT 474.67 1357.2 1831.8 732.7



1. Xuyên CPT 458.39 1017.9 1476.3 590.51

2. Xuyên SPT 124.67 1357.2 1481.8 592.74

Vơi vùng E: (Khu Đại Kim, Linh Đàm, Pháp

Vân, Thanh Trì)

- Tính toán cho cọc đường kính 1,2m; chiều

dài 42 m (cắm vào lớp cuội sỏi 2m)

- Kết quả nén tĩnh: lấy trung bình của 3 cọc,

ứng với S*=.Sgh có Qanéntĩnh=744T, ứng với

S*= 0,01D có Qanéntĩnh= 992 T

Bảng 15. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất E1


1. Xuyên CPT 1079.55 1855.5 2935.1 1174

2. Xuyên SPT 308.76 2120.6 2429.3 971.7

Bảng 16. Kết quả Qu, Qa với dạng địa chất E2


1. Xuyên CPT 1277.49 1237 2514.5 1005.8

2. Xuyên SPT 521.24 2120.5 2641.7 1056.7

- Từ các kết quả trên, tác giả dùng hệ số

tương quan K = Qatinhtoan/Qanentinh để đánh giá

mức độ tin cậy của sức chịu tải cho phép tính

toán dựa trên kết quả thí nghiệm xuyên và kết

quả sức chịu tải cho phép của cọc từ thí

nghiệm nén tĩnh, thu được kết quả như sau:

- Dựa vào thí nghiệm CPT, có K = 0.782-

1.778 nếu tính S*=.Sgh và K = 0.654- 1.405

nếu tính S*= 0,01D (như hình 3.2).

Hình 3. Bảng hệ số K giữa kết quả theo thí

nghiệm CPT và thí nghiệm nén tĩnh cọc

- Dựa vào thí nghiệm SPT, có K = 0.837-1.42

nếu tính S*=.Sgh và K = 0.695- 1.065 nếu

tính S*= 0,01D (như hình 3)

Hình 4. Bảng hệ số K giữa kết quả theo thí

nghiệm SPT và thí nghiệm nén tĩnh cọc.

KẾT LUẬN

Với hệ số K thu được trong nghiên cứu, sức

chịu tải cho phép của cọc tính dựa vào kết quả

thí nghiệm CPT và SPT (với hệ số an toàn

Fs=2.5) đều có sai khác với sức chịu tải của

cọc từ thí nghiệm nén tĩnh cọc, tuy nhiên sai

khác này là không quá nhiều.

- Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo kết

quả thí nghiệm CPT và từ thí nghiệm nén tĩnh

tính ứng với biến dạng S*= 0,01D là tin cậy

hơn (có K = 0.654- 1.405) so với tính ứng với

biến dạng S*= .Sgh (có K = 0.782-1.778).

- Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo kết

quả thí nghiệm SPT và từ thí nghiệm nén tĩnh

tính ứng với biến dạng S*= .Sgh là tin cậy hơn

(có K = 0.837-1.42) khi tính ứng với biến

dạng S*= 0,01D.

- So sánh với sức chịu tải cho phép của cọc từ

thí nghiệm nén tĩnh cọc thì sức chịu tải cho

phép của cọc tính theo kết quả thí nghiệm

SPT tin cậy hơn tính theo kết quả thí nghiệm

CPT (vì với thí nghiệm SPT cho K = 0.837-

1.42, thí nghiệm CPT cho K = 0.782-1.778).

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Công Ngữ, 2006, Thí nghiệm đất hiện

trường và ứng dụng trong phân tích nền móng,

Nxb Khoa học và kỹ thuật.

2. Lê Đức Thắng, tái bản 1999, Tính toán móng

cọc, Nxb Khoa học kỹ thuật.

3. TCXDVN 205 : 1998, Móng cọc tiêu chuẩn

thiết kế.

4. TCXDVN 269:2002, Cọc – Phương pháp thí

nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục.

0.6 0.7 0.8 0.9

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Hệ sô K

S*= .Sgh S*= 0,01D

0.6 0.7 0.8 0.9

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Hệ sô K

S*= .Sgh S*= 0,01D


27

SUMMARY

ASSESSMENT OF METHODS APPLYING TO DETERMINE THE LOAD

CAPACITY OF BORED PILES USING RESULTS FROM CPT AND SPT TESTS

Lai Ngoc Hung* College of Technology - TNU

Recently, the pile load capacity using in designs is commonly estimated based on the results of

Cone penetration tests (CPT) or Standard penetration test (SPT). This calculations must apply a

safety factor Fs from 2 to 3 because the pile load capacity is difficult to determine accurately that

possibly leads to a wasteful design. In practice, to determine the load capacity of piles, the static

load test method is commonly performed and provides reliable results. To solve the problem of the

relationship between the load capacity of piles according to calculations based on experimental

results of CPT or SPT and other regular capacity from static load test, the author has conducted

static load test results of piles located in some typical areas of Hanoi, pile load capacities

calculated theoretically based on CPT and SPT.This research focuses on establishing a correlation

between the pile load capacity as a result of tests CPT, SPT with the capacity received from static

load test through a correlation coefficient K, with CPT have K = 0.654- 1.405, with SPT have K =

0.837-1.42.

Keywords: Loading capacity of pile, bored pile, cone penetration test CPT, standard penetration

test SPT, static load test


Phản biện khoa học: ThS. Hàn Thị Thúy Hằng – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN



28

Trần Khải Hoàn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 29 - 33

29

R

i

cäc ma s¸t

R

ma

s¸

t d

¬

ng

+

ma

s¸

t ©

m

_

ma

s¸

t d

¬

ng

+

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM ĐẾN SỨC CHỊU TẢI

CỦA CỌC VÀ CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM THIỂU MA SÁT ÂM

Trần Khải Hoàn, Lại Ngọc Hùng*

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong tính toán móng cọc, việc xem xét và đánh giá tương tác giữa cọc và đất nền là rất cần thiết,

đặc biệt đối với nền đất yếu, công trình có tải trọng bề mặt lớn, vì khi đó xuất hiện yếu tố có tác

động tiêu cực đến sự làm việc của cọc là hiện tượng ma sát âm. Do vậy, việc xem xét và có kể đến

thành phần ma sát âm trong tính toán sức chịu tải của cọc là hết sức cần thiết. Kết quả nghiên cứu

đã chỉ ra các phương pháp xác định ma sát âm trong tính toán sức chịu tải của cọc và các biện

pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát âm như tăng nhanh tốc độ cố kết của đất yếu, giảm ma

sát đất – cọc …

Từ khóa: Sức chịu tải của cọc, ma sát âm, đất yếu, tải trọng bề mặt, độ lún

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Ứng dụng móng cọc vào thiết kế công trình

trong điều kiện nền đất yếu là việc làm rất

phổ biến. Tuy vậy, các thiết kế trước đây

cũng như hiện nay rất ít đề cập đến tương tác

giữa cọc và đất nền, đặc biệt với nền đất yếu.

Việc này đồng nghĩa với việc bỏ qua ma sát

âm, một trong những yếu tố làm giảm sức

chịu tải của cọc. Đó cũng là lý do có sự khác

biệt trong tính toán sức chịu tải của cọc theo

lý thuyết và sức chịu tải thực tế của cọc thu

được từ thí nghiệm hiện trường đặc biệt trong

một số trường hợp như nền đất yếu dày có tải

trọng bề mặt lớn hay lớp đất đắp tôn nền

dày... Trong một số trường hợp ma sát âm khá

lớn có thể làm cọc không đủ sức chịu tải nhất

là đối với cọc có chiều dài khá lớn. Chẳng

hạn, năm 1972 Fellenius đã đo quá trình phát

triển lực ma sát âm của 2 cọc bêtông cốt thép

được đóng qua lớp đất sét mềm dẻo dày 40m

và lớp cát dày 15m cho thấy: Sự cố kết lại của

lớp đất sét mềm dẻo bị xáo trộn do đóng cọc

đã tạo ra lực kéo xuống 300KN trong thời

gian 5 tháng và 16 tháng sau khi đóng cọc thì

mỗi cọc chịu sự kéo xuống là 440KN.

KHÁI NIỆM MA SÁT ÂM TRÊN CỌC VÀ

NGUYÊN NHÂN

Khái niệm

Ma sát âm trên cọc là hiện tượng đất xung

quanh cọc bị lún cố kết lớn hơn chuyển vị


xuống dưới- biến dạng nén của cọc. Đối với

công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được

đưa vào các tầng đất nền có quá trình cố kết

chưa hoàn toàn, nếu tốc độ lún cố kết của nền

đất nhanh hơn tốc độ lún của cọc theo chiều

đi xuống, thì sự lún tương đối này phát sinh ra

lực kéo xuống của tầng đất đó đối với cọc làm

giảm khả năng chịu tải của cọc gọi là hiện

tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma

sát âm. Lực ma sát âm xảy ra trên một phần

thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất

xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc. Lực

ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống

dưới, có xu hướng kéo cọc đi xuống, do đó

làm tăng lực tác dụng lên cọc.

Hình 1. Sơ đồ cọc chịu ma sát âm

Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thể bỏ qua

khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san

nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh


30

hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm…

Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc

tốc độ cố kết của đất và tốc độ lún của cọc.

Nguyên nhân

Thông thường hiện tượng ma sát âm xảy ra

trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố

kết và độ dày lớn hoặc khi có phụ tải tác dụng

trên mặt đất quanh cọc.

a) Khi nền công trình được tôn cao, gây ra tải

trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới

làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên

dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới

tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy

ra quá trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể

trong các trường hợp sau:

- Trường hợp 1: khi có một lớp đất sét đắp

phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên

qua nó, tầng đất đắp sẽ cố kết dần dần, quá

trình cố kết này sẽ sinh ra ma sát âm tác dụng

vào cọc trong suốt quá trình cố kết.

- Trường hợp 2: khi có một tầng đất rời đắp ở

phía trên một tầng đất sét yếu, nó sẽ gây ra

quá trình cố kết trong tầng đất sét và tạo ra

ma sát âm tác dụng vào cọc.

- Trường hợp 3: khi có một tầng đất dính đắp

ở phía trên một tầng đất sét yếu, nó sẽ gây ra

quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và trong

tầng đất sét yếu do đó tạo ra ma sát âm.

Trong trường hợp các cọc được tựa trên nền

đất cứng và có tồn tại tải trọng bề mặt, có thể

xảy ra các trường hợp sau:

- Trường hợp 4: với tầng cát xốp sẽ có biến

dạng lún tức thời, đặc biệt khi đất nền chịu sự

rung động hoặc sự dao động của mực nước

ngầm; sự tác động của tải trọng bề mặt sẽ tạo

ra sự biến dạng lún.

b) Cọc làm việc trong nền chưa kết thúc cố

kết: thực tế rất hay gặp trường hợp này đặc

biệt là các khu vực đang gia tải, nền đất chưa

cố kết hết, độ lún của đất lấp lớn kéo theo ảnh

hưởng là xuất hiện lực ma sát âm tác dụng lên

cọc, làm giảm sức chịu tải của cọc.

Ngoài ra, việc hạ thấp mực nước ngầm làm

tăng ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại mọi

điểm của nền đất. Vì vậy, làm tăng nhanh tốc

độ lún cố kết của nền đất, lúc đó tốc độ lún

của đất xung quanh cọc vượt quá tốc độ lún

của cọc dẫn đến xảy ra hiện tượng kéo cọc đi

xuống của lớp đất xung quanh cọc.

Hình 2. Sơ đồ các vung phát sinh ma sát âm trong

sự làm việc của cọc

Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998: hiện tượng

ma sát âm nên được xét đến trong các trường

hợp sau [4]:

- Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện

đại và trầm tích kiến tạo;

- Sự tăng độ chặt của đất dưới tác dụng của

lực động;

- Sự lún ướt của đất khi bị ngập nước;

- Mực nước ngầm hạ thấp làm cho ứng suất

hiệu quả trong đất tăng lên, làm tăng nhanh

tốc độ cố kết của nền đất;

- Nền công trình được nâng cao với chiều dày

lớn hơn 1m trên đất yếu;

- Phụ tải trên nền với tải trọng lớn từ 2T/m2

trở lên;

- Sự giảm thể tích đất do chất hữu cơ trong

đất bị phân hủy…


31

TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT ÂM

Khi cọc ở trong đất thì sức chịu tải của cọc

được thể hiện qua thành phần ma sát (dương)

xung quanh cọc và sức kháng mũi cọc. Khi

cọc bị ảnh hưởng ma sát âm thì sức chịu tải

giảm do nó phải gánh chịu một lực kéo

xuống, lúc này khả năng chịu tải của cọc bị

giảm xuống do thành phần ma sát đất –cọc

trong đoạn cọc xuất hiện ma sát âm có xu

hướng ngược với phần ma sát dương.

Việc tính toán ma sát âm lên cọc đặt ra hai

vấn đề như sau:

Xác định phạm vi tồn tại ma sát âm

Bề dày có vùng ma sát âm (giả thiết là h)

thường không phải là toàn bộ lớp đất yếu mà

là vùng có độ lún lớn hơn độ lún của cọc.

Trong thực tế tính toán tùy theo loại đất nền

chiều dày h được chọn theo hai cách [1]:

- Đất nền có biến dạng lớn: h bằng h1 với h1

là chiều sâu mà tại đó có ứng hữu hiệu thẳng

đứng v(z) có xét đến ảnh hưởng treo của đất

lên cọc bằng với ứng suất hữu hiệu thẳng

đứng do trọng lượng bản thân khi chưa có tải

trọng đắp và không có cọc (.z)

- Đất nền có biến dạng ít: h =h2 với h2 là độ

sâu mà tại đó chuyển vị đứng của lớp đất yếu

bằng với độ lún của cọc, độ lún của cọc ở đây

thường được tính bằng các phương pháp

thông thường hoặc chọn một cách gần đúng

bằng 0.01B hay 0.02R (với B là cạnh cọc

vuông hoặc R là bán kính cọc tròn)

Xác định cường độ ma sát âm

Hiện nay áp dụng một trong hai cách sau:

- Coi cường độ ma sát âm trên một đơn vị

diện tích cọc bằng cường độ ma sát dương,

khi tính toán sức chịu tải của cọc chỉ cần đổi

dấu các giá trị thành phần lực ma sát i (được

xác định theo các phương pháp thông thường

như thống kê, xuyên CPT, xuyên SPT…)

- Cường độ ma sát âm xác định theo nguyên

lý ma sát đất - cọc theo biểu thức sau (công

thức của Vesic, 1977) [3].

i = N0.v(z) (3.1)

Trong đó:

v(z) : ứng suất lớp phủ hữu hiệu theo

phương thẳng đứng tại độ sâu đang xét.

N0 : Hệ số không thứ nguyên lấy như sau

Bảng 1. Hệ số N0 theo Vesic

Đất và điều kiện cọc N0

Cọc không sơn phủ bề mặt

- Trong các lớp phù sa, sét mềm

- Trong đất cát rời, sét rắn

0.15 – 0.30

0.30 – 0.80

Bảng 2. Hệ số N0 theo Garlanger (1982)

Loại đất N0

- Cát

- Đất phù sa

- Đất sét

0.35 – 0.50

0.25 – 0.35

0.20 – 0.25

CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM MA SÁT ÂM

Để giảm ảnh hưởng của ma sát âm lên cọc có

thể sử dụng các phương pháp xử lý như sau:

Biện pháp làm tăng nhanh mức độ cố kết

và làm giảm tối đa độ lún còn lại của nền

Đối với công trình có thời gian thi công gấp,

công trình có hệ móng cọc trong đất yếu chưa

cố kết, có thể bố trí các vật thoát nước theo

phương thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm)

nên nước cố kết ở các lớp sâu trong đất yếu

dưới tác dụng tải trọng đắp sẽ có điều kiện để

thoát nhanh (thoát theo phương nằm ngang

vào vật thoát nước đứng rồi theo chúng thoát

lên mặt đất tự nhiên). Tuy nhiên, để đảm bảo

phát huy được hiệu quả thoát nước này thì

chiều cao nền đất đắp tối thiểu nên 4m, do đó

nếu nền đắp không đủ lớn hơn thì ta kết hợp

với gia tải trước để phát huy hiệu quả các

đường thấm thẳng đứng.

Khi sử dụng các giải pháp thoát nước cố kết

thẳng đứng nhất thiết phải bố trí tầng cát đệm.

Giếng cát chỉ nên dùng loại có đường kính từ

35 đến 45cm, bố trí kiểu hoa mai với khoảng

cách giữa các giếng bằng 8 đến 10 lần đường

kính giếng. Nếu dùng bấc thấm thì nên bố trí

kiểu hoa mai với cự ly không nên dưới 1.3m

và không quá 2.2m. Khi sử dụng các giải

pháp thoát nước cố kết thẳng đứng nên kết


32

hợp với các biện pháp gia tải trước và trong

mọi trường hợp thời gian duy trì tải trọng đắp

không dưới 6 tháng. Ưu điểm này có thể áp

dụng cả cho cọc đóng ép và cọc khoan nhồi,

tuy nhiên cần thời gian thi công lâu và mặt

bằng lớn (nếu có gia tải).

Biện pháp làm giảm ma sát giữa đất và cọc

trong vùng chịu ma sát âm [5]

Tạo lớp phủ mặt ngoài để ngăn ngừa tiếp xúc

trực tiếp giữa cọc và đất xung quanh làm

giảm ma sát thành bên giữa cọc và lớp đất

nền xung quanh cọc. Bitum thường được

dùng để phủ xung quanh cọc bởi vì đặc tính

dẻo nhớt của nó. Những thành công sử dụng

bitum để làm giảm lực kéo xuống phụ thuộc

rất nhiều vào các yếu tố như loại và tính chất

của bitum, mức độ thâm nhập của hạt đất vào

bitum, sự phá hỏng của bitum khi đóng cọc và

nhiệt độ môi trường.

Theo kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lớp

phủ bitum làm giảm ma sát âm trong cọc của

Brons (1969), kết quả nghiên cứu cho thấy

lực ma sát âm giảm khoảng 90% so với

trường hợp không dùng lớp phủ mặt ngoài.

Theo kết quả nghiên cứu của Bjerrum (1969),

đối với cọc dùng lớp phủ bitum và dùng

betonite để giữ ổn định thì lực kéo xuống

giảm 75%. Tuy nhiên, nếu không có bentonite

khi hạ cọc thì tác dụng của bitum chỉ còn

khoảng 30% mà thôi do lớp phủ bitum bị phá

hỏng trong quá trình hạ cọc do đó chiều dày

của lớp phủ bitum nên vào khoảng 4-5mm để

ngăn ngừa trường hợp lớp phủ bitum bị xước

khi hạ cọc.

Ưu điểm của biện pháp này là thi công đơn

giản, kinh phí thấp. Tuy nhiên chỉ có thể áp

dụng cho cọc đóng, ép. Không áp dụng được

cho cọc khoan nhồi.

Ngoài ra, người ta còn có thể khoan tạo lỗ có

kích thước lớn hơn kích thước cọc trong vùng

chịu ma sát âm, sau đó khi thi công vẫn giữ

nguyên khoảng trống xung quanh và được lấp

đầy bằng bentonite.

Dùng sàn giảm tải có xử lý cọc làm giảm tải

trọng tác dung vào đất nền [5]

Đối với các công trình có phụ tải là hàng hóa,

vật liệu, container… tải trọng phụ trên mặt

nền có giá trị lớn thì dùng các sàn bêtông có

xử lý cọc để đặt phụ tải.

Trong công trình giao thông, sàn giảm tải bố

trí cho nền đường đắp cao sau mố cầu ngày

càng được sử dụng rộng rãi, đất đắp nền được

đắp lên sàn giảm tải chứ không tác dụng trực

tiếp lên nền đất yếu bên dưới. Thực tế các dự

án lớn ở khu vực đồng bằng song Cửu Long

đã sử dụng giải pháp sàn giảm tải cho kết quả

tốt như: Cầu Hưng Lợi, cầu Mỹ Thanh … thuộc

dự án xây dựng tuyến đường Nam Sông Hậu.

Trong trường hợp này, lục ma sát âm giảm

đáng kể do phụ tải được truyền xuống tầng

đất tốt có khả năng chịu lực. Như vậy tải

trọng phụ sẽ ít ảnh hưởng đến lớp đất có tính

nén lún cao từ đó làm giảm độ lún của đất nền

dẫn đến giảm ma sát âm lên cọc.

Biện pháp này dễ thi công, làm giảm đáng kể

lực kéo xuống của cọc, an toàn về kỹ thuật

nhưng xét về mặt kinh tế thì khá tốn kém.

Biện pháp này đặc biệt thích hợp với các công

trình được xây dựng tôn nền cao trên nền đất

rất yếu.

KẾT LUẬN

- Ma sát âm là hiện tượng phức tạp phụ thuộc

vào nhiều yếu tố như sự cố kết, độ lún của đất

sau khi thi công cọc, độ lún của cọc, qui luật

phân bố ứng suất hiệu quả xung quanh cọc...

- Mối quan hệ giữa biến dạng lún của nền và

biến dạng lún của cọc là nền tảng cơ bản để

lực ma sát âm xuất hiện. Ma sát âm phát triển

ở phần trên của mặt phẳng trung hòa, vì vậy

khi tính sức chịu tải của cọc chỉ được tính

thành phần ma sát từ mặt trung hòa trở xuống

đồng thời phải trừ đi ma sát âm ở phần trên

mặt trung hòa.

- Khi có ma sát âm xuất hiện, sự phân bố tải

trong dọc theo thân cọc cũng thay đổi, lực dọc

lớn nhất có thể sẽ xuất hiện tại vị trí mặt

phẳng trung hòa. Như vậy cần phải bố trí cốt

thép cho phù hợp khi kiểm tra khả năng làm

việc của cọc theo vật liệu.


33

- Khi tiến hành các biện pháp xử lý giảm

thiểu ma sát âm phải xem xét cả chỉ tiêu kinh

tế và tiến độ thi công. Nếu điều kiện thời gian

cho phép nên ưu tiên sử dụng các phương

pháp xử lý theo nhóm thứ nhất và thứ hai vì

tiết kiệm kinh phí. Ngoài ra, ảnh hưởng của

ma sát âm giảm dần theo thời gian đến khi đất

nền cố kết hoàn toàn thì vùng chịu ma sát âm

lại chuyển thành ma sát dương, khi đó khả

năng chịu tải của móng cọc sẽ lớn hơn so với

tính toán và gây ra lãng phí, do đó cần chọn hệ

số an toàn không quá lớn trong trường hợp tính

sức chịu tải của cọc có xét đến ma sát âm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Châu Ngọc Ân, 2009, Nền móng công trình,

Nxb Xây dựng.

2. Vũ Công Ngữ, 2006, Thí nghiệm đất hiện

trường và ứng dụng trong phân tích nền móng,

Nxb Khoa học và kỹ thuật.

3. Phan Hồng Quân, 2008, Nền và móng, Nxb

Giáo dục.

4. TCXDVN 205 : 1998, Móng cọc tiêu chuẩn

thiết kế.

5. Đậu Văn Ngọ, 2009, Nghiên cứu ảnh hưởng của

ma sát âm đến công trình và các biện pháp làm

giảm thiểu ma sát âm, Tạp chí Phát triển KH &

CN tập 12.

SUMMARY

STUDY ON EFFECTS OF NEGATIVE FRICTION ON PILE BEARING

CAPACITY AND MEASURES TO MINIMIZE NEGATIVE FRICTION

Tran Khai Hoan, Lai Ngoc Hung* College of Technology - TNU

In pile design, the evaluation of interactions between piles and ground is essential, especially for

soft soil or pile charging by a large load because of the impact of pile negative friction phenomena

appeared. Therefore, the consideration and taking into account negative friction component in

calculating the pile bearing capacity is a demand. This research presents a method of determining

the negative friction in pile bearing capacity and measures to minimize the negative impact of such

friction by accelerating consolidation of soft soil or reduce soil-pile friction.

Keywords: pile bearing capacity, negative friction, soft soil


Phản biện khoa học: TS. Vũ Minh Tân – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội



34

Nguyễn Thị Việt Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 35 - 41

35

ĐIỀU KHIỂN CẨU TREO 3D CHẤT LƯỢNG CAO

SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG

Nguyễn Thị Việt Hương1, Nguyễn Doãn Phước2,

Vũ Thị Thúy Nga2, Đỗ Trung Hải3*

1Trường Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên, 2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,

3Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo này trình bày một phương pháp điều khiển cho hệ thống cẩu treo thông qua bộ điều khiển

thích nghi bền vững. Bằng cách sử dụng bộ điều khiển này không những đảm bảo được sự bám

quỹ đạo cho các chuyển động của cẩu treo mà còn đảm bảo góc lắc của dây cáp theo các phương

tiến dần về không. Không những thế, bộ điều khiển đề xuất trong bài báo này còn đảm bảo rằng hệ

thống vẫn cho đáp ứng tốt khi có ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài và có tham số bất định mô hình.

Hiệu quả của bộ điều khiển được chứng minh thông qua các kết quả mô phỏng thực hiện trên

Matlab/Simulink.

Từ khóa: Cẩu treo; Cẩu giàn; bộ điều khiển thích nghi; Phương trình Euler-Lagrange; Hệ thiếu

cơ cấu chấp hành

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Mặc dù đã xuất hiện từ khá lâu và được dùng

rất nhiều trong công nghiệp [4], song vấn đề

điều khiển cần cẩu treo, cải tiến chất lượng

vận chuyển, bốc dỡ hàng, định hướng nhanh,

an toàn và chính xác, tiết kiệm năng lượng,

vẫn là bài toán thời sự. Ở [3] tác giả đã đề

xuất một chiến lược điều khiển phản hồi trạng

thái để nhấc, ổn định, và phân phối phụ tải.

Hai bộ điều khiển độc lập được sử dụng: một

(thực hiện thay đổi hệ số khuếch đại với sự

thay đổi chiều dài cáp) để điều khiển vị trí xe

tời và sự dao động phụ tải và bộ kia để điều

khiển vị trí nâng phụ tải. Thuật toán được

kiểm tra trên một mô hình thu nhỏ đã chứng

minh sự bám tốt của vị trí cần trục và chiều

dài cáp, không có các dao động dư, và làm

giảm tốt các nhiễu bên ngoài đối với vị trí của

xe tời và góc dao động phụ tải. Tuy nhiên vẫn

còn tồn tại những dao động tức thời với góc là

12o. Trong [1] các tác giả đã sử dụng các

mạng nơ ron để nâng cao hiệu suất của một

bộ điều khiển phản hồi trạng thái đồng thời

hiệu chỉnh hiệu suất trực tuyến theo sự thay

đổi của chiều dài cáp. Kỹ thuật mờ cũng được

các tác giả sử dụng để thiết kế bộ điều khiển

mờ điều khiển vị trí của xe tời và góc dao

* Email: [email protected]

động để loại bỏ các dao động dư. Tuy nhiên

các thí nghiệm kiểm tra đã chỉ ra rằng bộ điều

khiển mờ và nơ ron làm cho xe tời di chuyển

tới điểm mục tiêu một cách trơn tru không có

dao động dư; tuy nhiên, có thể thấy rằng nó

đạt tới điểm mục tiêu rất chậm.

Trong bài báo này, một bộ điều khiển thích

nghi bền vững được đề xuất để điều khiển cho

hệ thống cẩu treo 3D. Bằng cách sử dụng bộ

điều khiển này không những đảm bảo được sự

bám quỹ đạo cho các chuyển động của cầu

treo mà còn đảm bảo góc lắc của dây cáp theo

các phương tiến dần về không. Không những

thế, bộ điều khiển đề xuất trong bài báo này

còn đảm bảo rằng hệ thống vẫn cho đáp ứng

tốt khi có ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài và

cả khi có sự bất định trong tham số mô hình.

Hiệu quả của bộ điều khiển được chứng minh

thông qua các kết quả mô phỏng thực hiện

trên Matlab/Simulink.

MÔ HÌNH CÂU TREO 3D

Xét hệ cẩu treo 3D hai đầu vào có dạng cẩu

giàn, tức là xe cẩu với khối lượng cm sẽ di

chuyển theo cả hai chiều x và y trực giao

nhau trong mặt phẳng nằm ngang. Sự di

chuyển đó được tạo ra bởi lực đẩy 1( )u t theo

phương x và 2 ( )u t theo phương y độc lập


36

với nhau (hình 1). Hai lực đẩy này chính là

hai tín hiệu đầu vào của hệ.

2u cm H4

xm

1u x

y

hm

l x

y

z

Hình 1. Cẩu treo chuyển động theo 2 phương

trực giao

Để đơn giản, trước tiên ta giả thiết trong quá

trình cẩu hàng, chiều dài l của dây treo hàng

là hằng số. Nói cách khác, hệ chỉ có hai tín

hiệu vào duy nhất là 1u và 2u .

Xe cẩu di chuyển theo phương x trên một

thành xà đỡ có khối lượng xm . Như vậy, toàn

bộ khối lượng được dịch chuyển dọc theo trục

y sẽ bao gồm cm của xe cẩu, xm của xà đỡ

và hm của hàng được vận chuyển. Mô hình

Euler- Lagrange của hệ có dạng như sau:

( ) ( , ) ( ) q q q q q g qM C

trong đó:

2

2 2

0 cos cos

0 cos sin( )

cos cos cos sin

sin sin sin cos 0

sin sin

sin cos

0

sin

c h h

c h x h

h h h

h h

h

h

h

m m m l

m m m m l

m l m l m l J

m l m l

m l

m l

m l J

M q

2

2

0 0 sin cos cos sin

0 0 sin sin cos cos( , )

0 0 0

0 0 sin cos

cos sin sin cos

cos cos sin sin

sin

h h

h h

h

h h

h h

h

m l m l

m l m l

m l

m l m l

m l m l

m l

C q q

2

cos

sin cos

0

0( )

sin

0

h

h

m l

m glg q

1 2( , , 0 , 0) Tu u , ( , , , ) Tx yq

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG

Xét mô hình hệ cẩu treo khi có tính đến các thành phần bất định trong hệ thống:

( , ) ( , , ) ( , ) ( , , , , ) tM C Dq d q q q d q g q d u n q q q d (1)

trong đó:

2 2, , , , , ,

0

T Tx y x yx y u u

ID q u


37

với 2 2I là ma trận đơn vị kiểu 2 2 , ,x y là tọa độ của xe cẩu chạy trên xà đỡ, , x y là góc lắc

của hàng so với phương thẳng đứng, được chiếu lên hai mặt phẳng yoz , xoz và ,x yu u lần lượt

là các lực tạo bởi những động cơ đẩy xà đỡ, xe cẩu, dây buộc hàng , mRd , là các tham số hằng

không thể xác định được chính xác của mô hình, và ( , , , , )tn q q q d là nhiễu tác động ở đầu vào,

để đơn giản, sau này nhiễu đầu vào đó sẽ được viết ngắn gọn thành vector ( )tn .

Dạng tương đương của mô hình (1) là:

11 12 1 11 12 1 1

21 22 2 21 22 2 2

( , ) ( , ) ( , , ) ( , , ) ( , )

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

( , ) ( , , ) ( , )

M M C C

M M C C

M C

q d q d q q q d q q d q g q d u n

q d q d q q q d q q d q g q d

qqq d q q d g q d

trong đó

11

2

, , ,

Tx y l

qq qq

và 2 , T

x yq

Hay ta có thể viết lại là / /

1 11 1

21 1 22 2 2

( , ) ( , , ) ( , , )

( , ) ( , ) ( , , ) 0

M C

M M

q d q q q d q f q q d u n

q d q q d q f q q d (2)

trong đó / 1

11 12 22 21

/ 11 12 22 2

( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )

( , , ) ( , , ) ( , ) ( , ) ( , , )

M M M M M

M M

q d q d q d q d q d

f q q d f q q d q d q d f q q d

1 12 2 1

2 21 1 22 2 2

( , , ) ( , , ) ( , )

( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , )

C

C C

f q q d q q d q g q d

f q q d q q d q q q d q g q d

Không mất tính tổng quát, ta hoàn toàn có thể giả thiết thêm: / ( , )M q d là đối xứng xác định dương với mọi vector tham số hằng d

(3)

( ) sup ( ) t

t tn n là giá trị hữu hạn

(4)

Quan hệ giữa thành phần bất định hằng d với mô hình là một quan hệ tuyến tính, tức là vế trái

của mô hình (2) luôn viết lại được thành:

/ /1 11 1 1 1

21 1 22 2 2 2

( , ) ( , , ) ( , , ) ( , , )

( , ) ( , ) ( , , ) ( , , )

M C F

M M F

q d q q q d q f q q d q q q d

q d q q d q f q q d q q q d (5)

Điều khiển 1q bám theo được quỹ đạo , T

r r rx yq đặt trước.

Nhiệm vụ điều khiển là thiết kế được bộ điều khiển thích nghi với thành phần vector bất định

hằng d , bền vững với thành phần vector bất định hàm ( )tn sao cho luôn có được sai lệch

1 re q q bị chặn và tiến tiệm cận về 0.

Định lý: Xét hệ bất định (2) thỏa mãn các giả thiết (3), (4) và (5). Khi đó bộ điều khiển thích nghi

bền vững:

/ /1 2 11 1( , ) ( , , ) ( , , ) ( ) r tM K K Cu q d q e e q q d q f q q d s

(6)

trong đó:

1 1 2, ( ), ( 1) , 0 r diag a diag a a aK Ke q q

(7)

có vector hằng d trong / /11( , ) ( , , ), ( , , )M , Cq d q q d f q q d được chọn thay cho vector tham số

hằng bất định d để:


38

/

1 1

max ( , ) ,

n

iji n j

m q d q

(8)

với là một giá trị hữu hạn, / ( , )ijm q d là các phần tử của / 1( , )M q d và:

/ 11 1 2

1

( , ) ,

( )

T

t

M F K K

F

v q d x

s v

(9)

trong đó , colx e e là ký hiệu của vector động học sai lệch bám, sẽ luôn đưa vector động

học của sai lệch bám x về được lân cận gốc xác định bởi:

6

a

Rx x

(10)

Chứng minh:

Để đơn giản trong trình bày, sau đây ta sẽ sử dụng các ký hiệu:

/ / / /11 11

/ / / /11 11

1 1 1 2 2 1

( , ), ( , , ), ( , , )

( , ), ( , , ), ( , , )

( , , ), ( , , )

M M C C

M M C C

F F F F

q d q q d f f q q d

q d q q d f f q q d

q q q q q q

Khi đó, giả thiết (8) là tương đương với:

1

/

1

M

trong đó 1

là ký hiệu chuẩn bậc nhất của ánh xạ tuyến tính. Cũng như vậy, bộ điều khiển (6)

được viết lại thành:

/ /1 2 11 1 ( ) r tM K K Cu q e e q f s

(11)

Hệ kín, bao gồm đối tượng điều khiển (2) và bộ điều khiển (11) sẽ có thành phần động học thứ

nhất trong nó biểu diễn bởi:

/ / / /11 1 1 2 11 1 rM C M K K Cq q f u n q e e q f s n

2

/ / / / /11 11 1 1 2

4

2

b b ac

aM M C C M K Kq q f f e e e s n

Kết hợp thêm với giả thiết (5) ta sẽ có:

/1 1 2 F M K Kd d e e e s n

1

/1 2 1

K K M Fe e e d d s n

3 31 1/

1 2

1

00

IF

K K M

A B F

x x d d s n

x d d s n

(12)

trong đó

3 31

/1 2

00

, ,

IA B

K K M

ex

e (13)


39

Do 1 2, K K cho bởi (7) là hai ma trận đối xứng xác định dương nên ma trận A định nghĩa trong

(13) là ma trận bền, tức là ma trận có tất cả các giá trị riêng nằm bên trái trục ảo. Điều này nói

rằng hệ tuyến tính mẫu:

m mAx x

(14)

là hệ ổn định. Bởi vậy quỹ đạo ( )m tx , không phụ thuộc giá trị đầu (0)mx , khi 0t luôn bị

chặn và tiến tiệm cận về gốc khi t .

Bây giờ ta sẽ chứng minh bộ điều khiển bổ sung (9) đã cho trong định lý sẽ làm sai lệch mx x

luôn bị chặn và tiến về được lân cận gốc xác định bởi (10). Nếu chứng minh được điều đó thì do

( )m tx là bị chặn và tiến tiệm cận về gốc, ta cũng sẽ khẳng định được tính chất bị chặn cũng như

luôn tiến tiệm cận được về lân cận của quỹ đạo sai lệch ( )tx .

Trước tiên ta thấy với 1 2, K K cho bởi (7) thì:

1 2 1

1 2

2

K K KP

K K

là ma trận đối xứng xác định dương. Khi đó, nếu sử dụng hàm xác định dương V theo

d d v , trong đó v là vector định nghĩa trong (9), tức là 1 Fs v , và sai lệch mx x , có

mô hình động học được suy ra từ (12) và (14) là:

1

1

m m

m

A B F

A B F

x x x x d d s n

x x n

có dạng toàn phương như sau:

1

2

T Tm mV Px x x x

(15)

ta sẽ có với v , vì , d d đều là những vector hằng, đẳng thức sau:

1 1

1

1

2

1

2

T Tm m m m

T

T T TT Tm m m m

V A B F P P A B F

A P PA BF P PB

x x n x x x x x x n

x x x x x x v x x n

Suy ra

1

T T TTm m m mV Q BF P PBx x x x x x v x x n

trong đó

21 2

22 1

01( )

2 0

T diag aK

Q A P PAK K

là ma trận đối xứng xác định dương.

Điều này chỉ rằng nếu ta chọn:

1

1/

1 1 2 ,

Tm

T

m

BF P

M F K K

v x x

x x

(16)

sẽ có:

T T

m m mV Q PBx x x x x x n

(17)


40

Cả hai công thức (16) và (17) trên đều luôn đúng với mọi giá trị đầu (0)mx , bởi vậy đương nhiên

cũng đúng với (0) 0mx . Khi (0) 0mx thì do có ( ) 0, m t tx , nên (16) trở thành:

1

/1 1 2 ,

T

M F K Kv x

và đây chính là bộ điều khiển bổ sung (9) đã cho trong định lý. Cũng như vậy, công thức (17)

được rút gọn thành:

22

22

T T TV a

a a a

Q PB PB

PB

x x x n x x n

x x x x

(18)

Điều này chỉ rằng khi có:

ax

tức là khi quỹ đạo sai lệch ( )tx còn nằm ngoài lân cận cho bởi công thức (10), sẽ có 0V ,

do đó ( )tx vẫn còn đơn điệu giảm (đ.p.c.m).

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK

Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi bền

vững thiết kế trong mục III được kiểm chứng

thông qua một hệ cẩu treo với bộ thông số

như sau:

a = 5e0;

b = sqrt((a+1)*a);

K1 = [a 0;0 a];

K2 = [b 0;0 b];

K = [K1 K2];

m=10;

mr = 1;

mc = 0;

mh = 0;

D = [1 0 0 0;0 1 0 0;0 0 0 0;0 0 0 0];

g = 9.81;

Kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 2.

Từ kết quả mô phỏng ta thấy sự di chuyển của

xe hàng dọc theo trục x và y bám khá tốt theo

quỹ đạo đặt. Tuy nhiên, đáp ứng quá độ của

hệ thống còn chậm do quán tính của hệ lớn.

Điều này cũng phù hợp với yêu cầu thực tế

đảm bảo độ an toàn cơ khí khi cả hệ thống có

khối lượng khá lớn. Ở hình 2.c, sự dao động

theo phương trục y gần như không tồn tại.

Theo trục x, dây treo hàng có dao động điều

hòa nhưng góc dao động không đáng kể

(khoảng 0.015rad)

0 10 20 30 40 50 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time (s)

x

xr

x

a) Đáp ứng vị trí theo trục x

0 10 20 30 40 50 60-1

0

1

2

3

4

5

Time (s)

z

zr

z

b) Đáp ứng vị trí theo trục y

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Time (s)

theta

x,

theta

y

thetax

thetay

c) Đáp ứng góc lắc của dây cáp theo các phương

x và y

Hình 2. Đáp ứng vị trí và góc lắc của cẩu treo 3D

sử dụng bộ ĐK thích nghi bền vững


41

KẾT LUẬN

Bài báo đã đưa ra một phương pháp điều

khiển cho hệ thống cẩu treo thông qua bộ điều

khiển thích nghi bền vững. Bằng cách sử

dụng bộ điều khiển này không những đảm

bảo được sự bám quỹ đạo cho các chuyển

động của cầu treo mà còn đảm bảo góc lắc

của dây cáp theo các phương tiến dần về

không. Không những thế, bộ điều khiển đề

xuất trong bài báo này còn đảm bảo rằng hệ

thống vẫn cho đáp ứng tốt khi có ảnh hưởng

của nhiễu bên ngoài và có tham số bất định

mô hình. Hiệu quả của bộ điều khiển đã được

chứng minh thông qua các kết quả mô phỏng

thực hiện trên Matlab/Simulink.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J. A. Mendez, L. Acosta, L. Moreno, A.

Hamilton, and G. N. Marichal (1998): Design of a

neural network based self-tuning controller for an

overhead crane. in Proceeding of the IEEE

International Conference on Control Application,

Trieste, Italy, pp. 168-171.

2. J. A. Mendez, L. Acosta, S. Torres, L. Moreno,

G. N. Marichal, and M. Sigut (1999): A set of

control experiments on an overhead crane

prototype. International Journal of Electrical

Engineering Education, 36, pp. 204-221.

3. H. T. Nguyen (2004): State-variable feedback

controller for an overhead crane. Journal of

Electrical and Electronics Engineering, Australia,

14(2), pp. 75-84.

4. Rahman, E.A.; Nayfed, A.H. and Masoud, Z.

(2003): Dynamics and Control of Cranes: A

Review. Journal of Vibration and Control 9, pp.

863-908.

SUMMARY

CONTROL OVERHEAD CRANE 3D HIGH QUALITY

USING SUSTAINABLE ADAPTIVE CONTROLLER

Nguyen Thi Viet Huong1, Nguyen Doan Phuoc2,

Vu Thi Thuy Nga2, Do Trung Hai3*

1Thai Nguyen College of Industry, 2Hanoi University of Science and Technology,

3College of Technology - TNU

This paper presents a control method for overhead crane systems based on the robustly adaptive

controller. By using this controller, it not only ensures the orbit tracking but also guarantees the

shaking angle of cable to get zero error. Moreover, the proposed controller in this paper ensures

the system’s respond is good when having the noise or uncertainties. Effectiveness of this

controller is shown in simulation in Matlab/Simulink.

Keywords: Overhead cranes; Gantry cranes; adaptive controller; Euler-Lagrange equation;

Underactuated systems


Phản biện khoa học: TS. Đặng Danh Hoằng – Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp - ĐHTN



42

Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48

43

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THEO

PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI

Phạm Thị Hồng Anh*

Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo giới thiệu và đánh giá hiệu quả phương pháp giảm tổn thất trong lưới điện phân phối bằng

cách thay đổi cấu trúc lưới điện. Việc giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối không chỉ

góp phần đáng kể vào giảm giá thành điện năng mà còn góp phần đảm bảo khả năng cung cấp điện

ổn định cho các phụ tải điện.

Dựa trên cấu trúc lưới điện có sẵn, tác giả đưa ra giải thuật tính toán và phân tích bài toán mẫu

Civanlar 3 nguồn và cấu trúc lưới điện kín vận hành hở để đánh giá hiệu quả giảm tổn thất điện

năng. Kết quả tính toán bằng phần mềm PSS/ADEAPT cho thấy việc thay đổi cấu trúc lưới phân

phối mẫu đem lại hiệu quả cao và có thể ứng dụng trong thực tế để vận hành lưới điện.

Từ khóa: PSS, chất lượng điện năng, lưới phân phối, tái cấu trúc, Civanlar

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Phụ tải điện ngày càng tăng do nhu cầu sử

dụng và sự phát triển của xã hội hiện đại, tuy

nhiên sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn

cho phép. Do cấu trúc của mạng điện không

thay đổi dẫn đến tổn thất điện năng của mạng

phân phối điện tăng lên. Nếu muốn giảm tổn

thất điện năng, các biện pháp thường được sử

dụng bao gồm: Đặt tụ bù tại các vị trí thích

hợp, cải tạo lại lưới điện… Các phương pháp

này cho thấy phải chi phí nhiều vốn đầu tư mà

hiệu quả giảm tổn thất lại không đáng kể. Vì

vậy, khi tải tăng trong giới hạn cho phép của

mạng phân phối, ta có thể sử dụng phương

pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên

đường dây.

Có rất nhiều phương pháp để tái cấu trúc lưới

phân phối, ví dụ như Phương pháp cổ điển

cho kết quả chính xác tuy nhiên lại không

dùng được trong mạng phân phối thực tế do

không gian thực nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời

gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu.

Các nghiên cứu trước đây cho thấy có nhiều

phương pháp nhân tạo để tái cấu trúc trên lưới

phân phối như giải thuật Heruistic [1], giải

thuật mô phỏng luyện kim (SA)[2]. Hai giải

thuật nói trên có độ tin cậy tìm cấu trúc tối ưu

không cao. Ngày nay, một số phương pháp


tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí truệ

nhân tạo như giả thuật Gen di truyền (GA)

[3,4], giải thuật kiến (ACS) [5,6,7]… được sử

dụng nhằm giải quyết các bài toán này. Kết

quả của các hướng nghiên cứu này cho tập

nghiệm, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn và tốc độ

xử lý nhanh hơn.

Các kết quả tính toán theo phương pháp nói

trên thường được kiểm nghiệm bằng nhiều

phần mềm lập trình khác nhau để giải tích

lưới điện như Malab, Visuabasic, Exel,

C++..vv. Tuy nhiên, trên thực tế, tác giả thấy

rằng số liệu tải nhập vào thường là giá trị phụ

tải tĩnh do đó có thể ứng dụng ngay chương

trình giải tích lưới phân phối PSS/ADEAPT

phiên bản 5.0 [8] cho bài toán mẫu Civanlar 3

nguồn mẫu để đánh giá nhanh hiệu quả của

phương pháp này.

MÔ HÌNH ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG

PHÂN PHỐI

Để xây dựng bài toán tái cấu trúc lưới điện

phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục

tiêu. Khi thay đổi tái cấu trúc lưới điện có rất

nhiều các hàm mục tiêu khác nhau, như tối ưu

hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục

tiêu đảm bảo chất lượng điện áp…

Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự

nhiều bài toán tối ưu khác nhau như bài toán

tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán

tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu… Tuy nhiên,


44

khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc

là lớn do có nhiều biến số tác động đến các

trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành

như: Lưới điện phân phối phải vận hành hở,

không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết

bị đóng cắt…và sụt áp tại các hộ tiêu thụ nằm

trong giới hạn cho phép.

Mạng phân phối đặc trưng là mạch vòng

nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận

hành phải là mạng hình tia. Vấn đề tiếp theo

là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao

cho tổn thất công suất trên mạng phân phối

đặc trưng là nhỏ nhất. Để làm được điều này

ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm

kiếm cấu trúc cho tổn thất công suất là nhỏ

nhất. Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện

là bài toán quy hoạch chi phí phi tuyến rời rạc

theo dòng công suất chạy trên các nhánh.

Hàm mục tiêu như sau:

Plosse = ∑ ∑ Rj - 1,j [( Pj2 + Q2

j ) / Vj2 ] => min (1)

Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc:

∑ni = 1 Si j = Sj (2)

Si j ≤ Si j max (3)

ΔVi j ≤ ΔV i j max (4)

ft

n

ft ft SS (5)

1 ftft (6)

Trong đó:

+ n: Số nút tải có trên lưới

+ Si j : Dòng công suất trên nhánh ij

+ Sj: Nhu cầu công suất điện tại nút j

+ ΔVij: Sụt áp trên nhánh ij

+ Sƒt : Dòng công suất trên đường dây ƒt

+ ƒt : Các đường dây cung cấp điện từ máy

biến áp t

+ λƒt : Có giá trị là 1 nếu đường dây ƒt làm

việc, là 0 nếu đường dây ƒt không làm việc.

Hàm mục tiêu thể hiện tổng tổn thất công suất

trên toàn lưới phân phối, có thể đơn giản hóa

hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất

nhánh chỉ có thành phần công suất tải và điện

áp các nút tải là hằng số. Biểu thức (2) đảm

bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của

các phụ tải. Biểu thức (3) và (4) là điều kiện

chống quá tải trạm trung gian và sụt áp tại nơi

tiêu thụ. Biểu thức (5) đảm bảo rằng các trạm

biến thế hoạt động trong giới hạn công suất

cho phép. Biểu thức (6) đảm bảo mạng điện

được vận hành với cấu trúc hình tia. Với mô

tả trên, tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân

phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc.

Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài

toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải tích

toán học truyền thống và điều này còn gặp khó

khăn hơn khi lưới điện không cân bằng.

Hình 1: Sơ đồ khối thuật toán tái cấu trúc lưới

trung áp giảm tổn thất điện năng

GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM MỞ TỐI ƯU

TRONG LƯỚI ĐIỆN MẠCH VÒNG

Lưới điện vận hành kín đạt hiệu quả cao nhất

về chỉ tiêu tổn thất điện áp, điện năng, và các

chỉ tiêu kỹ thuật khác…. Tuy nhiên, việc vận

hành lưới điện kín cũng gây nhiều khó khăn,

đặc biệt là vấn đề phối hợp bảo vệ cho các

phần tử trên lưới rất phức tạp, dễ dẫn đến hệ

thống bảo vệ làm việc không chọn lọc gây ra

hiệu quả nghiêm trọng.

Cũng chính vì vậy mà các lưới phân phối

được thiết kế theo mạch vòng liên thông


45

nhưng vẫn được vận hành với cấu trúc hình

tia bằng cách mở các khóa trong những mạch

vòng trên hệ thống điện. Mở khóa tối ưu cho

lưới mạch vòng này chính là điểm mà tại đó

phụ tải nhận công suất từ cả hai chiều của

lưới điện hay gọi là "điểm phân công suất".

GIẢI BÀI TOÁN MẪU SỬ DỤNG PHẦN

MỀM PSS /ADEAPT

Kiểm tra bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn bằng

phần mềm Pss/Adept 5.0. Bài toán Civanlar 3

nguồn vận hành ở điện áp 23 kV có cấu trúc

như sau:

Hình 2: Sơ đồ ban đầu của lưới điện Civanlar 3

nguồn có cấu hình vận hành hở, ban đầu mở mạch

vòng tại các khóa 05 - 11, 10 - 14, 07 - 16

Thông số tải và đường dây được cho như sau:

Bảng 1. Thông số của mạch điện Civanlar 3 nguồn

Nhánh Tổng trở

Nút

Công suất

Từ

nút

Đến

nút R(Ω) X(Ω) P(kW) Q(kW)

01 04 0.4124 0.5313 04 2072 1710

04 05 0.4124 0.5963 05 3024 1640

05 11 0.4832 0.8529 06 2111 821

04 06 0.2248 0.2248 07 1428 1189

06 07 0.5963 0.5313 08 4145 2721

02 08 0.5963 0.5963 09 5324 3124

08 10 0.4124 0.8529 10 1053 924

08 09 0.5963 0.2248 11 582 97

09 11 0.4124 0.5313 12 5572 1957

09 12 0.4124 0.5963 13 1056 925

03 13 0.4832 0.8529 14 1056 737

13 14 0.2248 0.2248 15 1157 957

13 15 0.5963 0.5313 16 2015 978

15 16 0.5963 0.5963

05 11 0.4124 0.8529

10 14 0.5963 0.2248

07 16 0.4832 0.6547

Sơ đồ mô phỏng trên Pss/Adept 5.0:

Hình 3. Điện áp nút cuối của lưới điện Civanlar 3

nguồn có cấu hình vận hành hở, ban đầu mở mạch

vòng tại các khóa 05 - 11, 10 - 14, 07 – 16

Bảng 2. Phân phối tải và điện áp của lưới điện

Civanlar 3 nguồn

Nhánh Dòng

điện

(A)

Điện

áp

nút

cuối

(kv)

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút P (kw)

Q

(kVAr)

01 04 260.51 22.715 8800.2 5497.1

04 05 87.82 22.617 3033.5 1650.1

04 06 105.36 22.562 3610.7 2032.6

06 07 48.68 22.563 1483.6 1186.9

02 08 494.98 22.307 17283.9 9487.7

08 09 332.38 21.948 11645.3 5409.4

09 11 15.53 21.929 582.4 94.0

09 12 156.49 21.789 5602.3 1997.3

08 10 36.35 22.254 1055.4 922.8

03 13 162.52 22.767 5346.1 3647.9

13 14 32.72 22.724 1057.5 735.3

13 15 94.68 22.664 3185.3 1944.1

15 16 57.13 22.634 2017.2 976.5

Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của

mạng điện như sau:

Bảng 3. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của

mạng điện ban đầu

Nhánh

Điện

áp

nút

cuối

(kv)

ΔU

%

Tổn thất công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút ΔP (kw)

ΔQ

(kVAr)

01 04 22.715 1.24 83.9 104.4

04 05 22.617 1.67 9.5 10.1

04 06 22.562 1.90 16.1 24.7

06 07 22.563 2.02 1.6 -2.1

02 08 22.307 3.01 438.2 434.6

08 09 21.948 4.57 136.7 194.1

09 11 21.929 4.65 0.4 -3.0

09 12 21.789 5.27 30.3 40.4

08 10 22.254 3.24 2.4 -1.2

03 13 22.767 1.01 47.2 43.5

13 14 22.724 1.20 1.5 -1.7

13 15 22.664 1.46 11.1 10.6

15 16 22.634 1.59 2.2 -1.5


46

- Tổn thất công suất tác dụng: ΔP = 781.222

kW

- Nút điện áp thấp nhất là nút 12 với giá trị

điện áp là 21.789 kV

- Tổn thất điện áp lớn nhất trên lưới là

ΔU = 1.211 kV hay ΔU% = 5.27%

Vòng lặp 1:

Bước 1: Đọc các thông số của lưới như số

nút, nhánh.

Bước 2: Đóng tất cả các khóa điện đưa lưới

về dạng mạch vòng kín.

Bước 3: Giải bài toán tính các thông số chế

độ của lưới, tìm điện áp nút cuối và dòng

công suất trên lưới.

Hình 4. Điện áp nút cuối và dòng công suất của

lưới điện Civanlar 3 nguồn khi đóng tất cả các

khóa điện

Sau khi tính toán ta được các thông số sau: Bảng 4. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất

trên các nhánh của lưới điện Civanlar 3 nguồn khi

đóng tất cả các khóa điện

Nhánh Dòng

điện

(A)

Điện

áp

nút

cuối

(kV)

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút P (kW)

Q

(kVAr)

01 04 335.21 22.633 11292.9 7122.9

04 05 183.52 22.430 6399.9 3282.9

05 11 95.08 22.380 3334.2 1586.3

11 09 80.60 22.268 -2746.1 -1486.8

09 08 232.40 22.518 8257.6 3734.1

08 02 344.19 23.000 12027.5 6580.3

08 10 15.20 22.536 -587.3 -79.7

10 14 49.27 22.562 -1642.0 -1001.6

14 13 82.13 22.669 2707.7 1747.9

13 03 233.56 23.000 7977.2 4785.0

13 15 116.79 22.547 4115.9 2018.2

15 16 79.96 22.507 2942.1 1043.2

16 07 23.74 22.486 -922.8 -64.5

07 06 32.20 22.502 560.7 1119.0

06 04 84.71 22.633 2682.1 1954.7

09 12 154.20 22.111 5601.3 1996.0

Bước 4: Mở khóa điện có dòng đi qua bé nhất

và khó có độ sụt áp lớn nhất nằm trên đường

tạo mạch vòng.

Từ kết quả trên ta thấy khóa điện có dòng đi

qua bé nhất (15.20) nằm trên đường tạo mạch

vòng giữa nguồn hai và nguồn ba trên nhánh

08 - 10. Khóa có điện áp nút cuối thấp nhất

(22.268kV) nằm trên đường tạo mạch vòng

giữa nguồn 1 và nguồn 2 trên nhánh 11 - 09.

Mở khóa điện trên nhánh 08 - 10 và 11 - 09.

Tính điện áp nút cuối và dòng công suất trên

lưới ta có:

Hình 5. Điện áp nút cuối và dòng công suất của

lưới điện Cavanlar ba nguồn khi mở khóa điện

trên nhánh 08 - 10 và 11 - 09

Sau khi tính toán lại ta có các thông số sau:

Bảng 5. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất

trên các nhánh của lưới điện Civanlar ba nguồn

khi mở khóa 08 - 10 và 11 – 09

Nhánh Dòng

điện

(A)

Điện

áp

nút

cuối

(kV)

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút P (kW) Q

(kVAr)

01 04 262.73 22.711 8763.7 5718.6

04 05 102.22 22.599 3619.1 1748.5

05 11 15.08 22.593 582.2 93.5

04 06 93.68 22.567 2987.3 2153.9

06 07 40.31 22.545 863.6 1314.1

07 16 16.20 22.554 -619.9 130.8

15 16 70.85 22.589 2638.3 846.9

13 15 107.40 22.701 3809.6 1818.6

03 13 209.99 23.000 7061.1 4482.2

13 14 68.53 22.609 2116.7 1663.5

10 14 35.81 22.589 -1053.9 -921.2

02 08 443.19 22.381 15546.0 8364.8

08 09 316.13 22.037 11049.6 5296.2

09 12 155.85 21.878 5602.0 1997.0

Bước 5: Kiểm tra các điều kiện điện áp và tổn

thất công suất


47

Bảng 6. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của

mạng điện sau khi mở khóa 08 - 10 và 11 – 09

Nhánh

Điện

áp nút

cuối

(kV)

ΔU

%

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút

P

(kW)

Q

(kVAr)

01 04 22.711 1.26 85.4 106.2

04 05 22.599 1.74 12.9 15.0

05 11 22.593 1.77 0.2 -3.5

04 06 22.567 1.88 12.7 18.8

06 07 22.545 1.98 1.1 -2.6

07 16 22.554 1.94 0.4 -3.1

15 16 22.589 1.79 3.4 -0.3

13 15 22.701 1.30 14.3 14.7

03 13 23.000 0.00 78.9 75.1

13 14 22.609 1.70 6.8 5.3

10 14 22.589 1.79 0.9 -2.8

02 08 22.381 2.69 351.3 347.6

08 09 22.037 4.19 123.6 175.2

09 12 21.878 4.88 30.0 40.0

Bước 6: Do chưa thỏa mãn điều kiện lưới

điện hình tia do trên lưới vẫn còn 1 mạch

vòng kín nên cần tiếp tục vòng lặp.

Vòng lặp 2:

Bước 3: Giải bài toán tính các thông số chế

độ của lưới.

Từ bảng 6. ở trên ta mở khóa điện nằm trên

nhánh 07 - 16 là khóa có dòng đi qua nhỏ

nhất (16.20 A) để tạo thành lưới hình tia.

Hình 6. Lưới điện Civanlar ba nguồn khi mở khóa

điện trên nhánh 08 - 10 , 11 - 09 và 07 - 16

Bước 4: Tính toán lại các thông số chế độ của

lưới khi mở khóa điện trên nhánh 08 - 10, 11 -

09 và 07 - 16.

Bảng 7. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất

trên các nhánh của lưới điện Civanlar ba nguồn

khi mở khóa 08 - 10, 11 - 09 và 07 - 16

Nhánh Dòng

điện

(A)

Điện

áp

nút

cuối

(kV)

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút P (kW)

Q

(kVAr)

01 04 274.70 22.702 9395.1 5607.7

04 05 102.26 22.591 3619.1 1784.5

05 11 15.08 22.584 582.2 93.5

04 06 105.42 22.549 3610.7 2032.7

06 07 48.71 22.523 1483.6 1186.9

07 16 443.19 22.381 15546.0 8364.8

15 16 316.13 22.037 11049.6 5296.2

13 15 155.85 21.878 5602.0 1997.0

03 13 198.47 22.714 6428.5 4599.4

13 14 68.49 22.622 2116.7 1663.5

10 14 35.78 22.602 -1053.9 -921.2

02 08 94.90 22.611 3185.3 1944.2

08 09 57.27 22.581 2017.2 976.5

Bước 5: Kiểm tra các điều kiện điện áp và tổn

thất công suất.

Bảng 8. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp

của mạng điện sau khi mở khóa 08 - 10, 11 - 09

và 07 - 16

Nhánh

Điện

áp nút

cuối

(kV)

ΔU

%

Công suất trên

các nhánh

Từ

nút

Đến

nút

ΔP

(kW)

ΔQ

(kVAr)

01 04 22.702 1.29 93.3 116.5

04 05 22.591 1.78 12.9 15.0

05 11 22.584 1.81 0.2 -3.5

04 06 22.549 1.96 16.1 24.7

06 07 22.523 2.08 1.6 -2.1

02 08 22.381 2.69 351.3 347.6

08 09 22.037 4.19 123.6 175.2

09 12 22.878 4.88 30.0 40.0

03 13 23.714 1.24 70.4 66.7

13 14 22.622 1.64 6.8 5.3

10 14 22.602 1.73 0.9 -2.8

13 15 22.611 1.69 11.1 10.7

15 16 22.581 1.82 2.2 -1.5

- Tổn thất công suất tác dụng: ΔP = 720.586 kW

- Nút có điện áp thấp nhất là nút 12 với giá trị

điện áp là 21.878 kV

- Tổn thất điện áp lớn nhất trên lưới là ΔU =

1.122 kV hay ΔU% = 4.88%


48

Bước 6: Điều kiện lưới điện hình tia đã được

thõa mãn

KẾT LUẬN

Như vậy, sau khi kết thúc hai vòng lặp ta đã

lựa chọn được ba vị trí mở khóa trên các

nhánh 08 - 10, 11 - 09 và 06 - 17. So với sơ

đồ ban đầu thì tổn thất công suất tác dụng và

tổn thất điện áp đều giảm.

Qua tính toán ở trên, chúng ta đã thấy rõ lợi

ích mang lại khi áp dụng tái cấu trúc lưới điện

phân phối về mặt giảm tổn thất điện năng

trong quá trình vận hành hệ thống.

Áp dụng phương pháp để kiểm tra trên bài

toán mẫu, kết quả thu được hoàn toàn phù

hợp với những nghiên cứu trước đây.

Tính toán phân tích lưới để đưa ra các cấu

trúc lưới vận hành tốt nhất làm giảm tổn thất

điện năng truyền tải trên đường dây - đây

chính là phương pháp và là mục đích của bài

toán tái cấu trúc lưới điện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. T . P Wagner , A.Y . Chikhanni and R.

Hackam, Feeder reconfiguration for loss

reduction

an application of distribution automation, IEEE

transactions on power Delivery , vol 6,

no. 4, October (1994).

2. Y oung Jae Jeon and Jae Chul Kim,

Network reconfiguration in radial distribution

systems using simulated annealing and T abu

search, IEEE (2000).

3. Bhoomesh Radha, Robert T .F .Ah King and

Harry C.S. Rughooputh, A modified genetic

algorithm for optimal electrical distribution

network r econfiguration, IEEE (2003).

4. Jen-Hao Teng and Chan Nan Lu, Feeder-

switches relocation for customer interruption

cost minimization, IEEE transactions on power

delivery , vol. 17, No. 1, January(2002)

5."Haibao Zhai, Haozhong Cheng And

Xuwang, Using ant colony system algorithm

to solve dynamic transmission network

expansion plainning, Singapore, 27-29

November (2003).

6. Enrico Carpaneto and Gianfranco chicco,

Ant colony search based minimum losses

reconfiguration of distribution systems, IEEE

MELECON 2004, Dubrovnik, croaria,

May12-15, (2004)

7. Jen-Hao Teng and Yi-Hwa Lui, A novel

ACS based optimum switch relocation method,

IEEE transactions on power systems, V ol 18, No,

1 February(2003).

8. Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng

PSS/ADEPT 5.0 trong lưới điện phân phối,

Trường Đại học Điện lưc.PSS/ADEAPT 5.0 trong

lưới điện phân phối.

SUMMARY

IMPROVING POWER GRID METHOD

DISTRIBUTION NETWORK RESTRUCTURING

Pham Thi Hong Anh* College of Information & Communication Technology - TNU

1.

This paper presents and evaluates the effectiveness of methods of reducing losses in electricity

distribution networks by changing the grid structure. The reduction of power losses in power

distribution networks not only contribute significantly to reducing energy costs, but also the ability

to contribute to ensuring a stable power supply for the electrical load.

Based on the available grid structure, the authors analyzed sample problem Civanlar 3 sources and

grid structure open secret operation to evaluate the effectiveness of reducing power losses. The

results calculated by the software PSS / ADEAPT shows the structural change distribution patterns

bring high efficiency and can be applied in actual grid operator.

Key words: PSS, power quality, distribution, restructuring, Civanlar


Phản biện khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên


Vũ Hồng Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 49 - 54

49

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ICA PHÁT HIỆN VÙNG NÃO HOẠT HÓA

TRONG DỮ LIỆU ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG

Vũ Hồng Vinh1, Đinh Thị Nhung1,

Vương Hoàng Nam1, Nguyễn Văn Sơn2, Đào Huy Du3* 1Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2Viện Đại học Mở Hà Nội

3Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo đã xây dựng được một mô hình xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng fMRI dựa trên

phương pháp ICA (thuật toán FastICA). Phương pháp ICA cho phép phân tách dữ liệu fMRI thành

các thành phần không gian (ảnh) độc lập và phi Gauss. Từ các thành phần độc lập này, chúng ta có

thể xác định những thành phần tín hiệu có ích liên quan đến tác động kích thích cũng như xác định

những khu vực hoạt hóa trong não. Trong phần mô phỏng, chúng tôi sử dụng cơ sở dữ liệu fMRI

được thu thập bởi Institutional Review Board of Johns Hopkins University. Kết quả phân tích cho

phép xác định được các vùng não hoạt hóa chịu tác động bởi kích thích thị giác ở cả bán não bên

trái và bán não bên phải của bệnh nhân.

Từ khóa: ảnh cộng hưởng từ chức năng, phân tích thành phần độc lập, vung não hoạt hóa, thuật

toán fastICA

GIỚI THIỆU*

Chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic

Resonance Imaging) là một kỹ thuật chẩn

đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ

thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio.

Cộng hưởng từ hình ảnh (MRI) cung cấp hình

ảnh của cấu trúc bên trong cơ thể, trong khi

chức năng cộng hưởng từ hình ảnh fMRI

(funtional MRI ) đánh giá các quá trình trao

đổi chất. MRI có thể được sử dụng bất cứ nơi

nào trong cơ thể, trong khi các nghiên cứu

fMRI tập trung vào não, nơi hình ảnh mà có

thể tiết lộ những thay đổi rất tinh tế trong mức

độ hoạt động đặc biệt quan trọng. MRI có độ

phân giải không gian cao trong khi fMRI có

độ phân giải thời gian. Tuy nhiên, các tín hiệu

đo thu được bởi kỹ thuật cộng hưởng từ chức

năng là một tín hiệu phức hợp có chứa nhiều

thành phần mang thông tin khác biệt từ nhiều

nguồn phần tử khác nhau. Do đó sự tái tạo

ảnh sử dụng dữ liệu thô sẽ không thể hiển thị

được đúng tính chất của nguồn phát sóng do

xung kích thích của sóng điện từ. Để giải

quyết vấn đề này việc tách biệt các tín hiệu

thành phần sẽ là giải pháp. Vào năm 1994, tác

giả Comon đã đề xuất khái niệm về phân tích


các tín hiệu thành phần không tuân theo phân

bố Gauss nghĩa là hoàn toàn độc lập về mặt

thống kê, được đặt tên là Phân tích thành

phần độc lập ICA (Independent Component

Analysis). Sau đó, khái niệm này đã được 2

tác giả Bell và Sejnowski phát triển vào năm

1995 [1].

Ứng dụng phương pháp Phân tích thành phần

độc lập ICA để phân tích ảnh chụp cộng

hưởng từ chức năng fMRI là một hướng khoa

học nghiên cứu đang rất phát triển trên thế

giới trong khoảng hơn mười năm trở lại đây

và đạt được nhiều kết quả triển vọng dùng

cho việc hỗ trợ chẩn đoán trong y tế. Một

trong những hướng nghiên cứu quan trong

phân tích dữ liệu fMRI là việc xác định các

vùng não hoạt hóa. Phương pháp ICA cho

phép phân tách dữ liệu fMRI thành các thành

phần không gian (ảnh) độc lập và phi Gauss.

Từ các thành phần độc lập này, chúng ta có

thể xác định những thành phần tín hiệu có ích

liên quan đến tác động kích thích cũng như

xác định những khu vực hoạt hóa trong não.

Kết quả nghiên cứu thu được có thể triển khai

vào thực tiễn cho phép các bác sĩ xác định các

khu vực não hoạt hóa của người bệnh khi chịu

những tác động kích thích nhất định từ đó

giúp bác sĩ tìm ra những phương án điều trị

tối ưu cho người bệnh.


50

PHƯƠNG PHÁP ICA

Phân tách mù nguồn tín hiệu BSS (Blind

Source Separation) là một phương pháp được

sử dụng phổ biến cho mục đích đánh giá các

nguồn tín hiệu ban đầu chỉ thông qua các tín

hiệu thu được ở tại các bộ cảm biến đầu ra,

mà không cần biết đến đặc tính hàm truyền

đạt của kênh truyền. Mô hình toán học đơn

giản của bài toán BSS tuyến tính như sau:

Nếu gọi 1 2, ,...,

T

Ns s s s là một vectơ ngẫu

nhiên, trong đó mỗi thành phần được xem là

một nguồn tín hiệu gốc ban đầu, và

1 2, ,...,

T

Mx x x x là vectơ tín hiệu thu tại

các bộ cảm biến được xác định bởi phương

trình: x As (1) trong đó A là một ma

trận trộn (không biết) đặc trưng cho đặc tính

truyền đạt của kênh truyền.

Khi đó nhiệm vụ của bài toán BSS là phải xác

định một ma trận W , được gọi là ma trận

tách, khi đó y Wx là các tín hiệu nguồn

được khôi phục. Một cách lý tưởng ma trận

W sẽ là ma trận nghịch đảo của A nhưng

trên thực tế chúng ta hoàn toàn không biết A

mà chỉ biết tín hiệu thu được x .Một trong

những phương pháp giải quyết phổ biến nhất

bài toán BSS tuyến tính là phương pháp

phân tích các thành phần độc lập ICA.

Phương pháp ICA dựa trên giả thiết thực tế

là các nguồn tín hiệu gốc là độc lập thống

kê với nhau.

Hình 1. Mô hình bài toán BSS tổng quát

Phương pháp phân tích các thành phần độc

lập ICA được định nghĩa như sau [2]:

Định nghĩa về ICA:

ICA của một vector biến ngẫu nhiên Nx R

là tìm một phép biến đổi tuyến tính y Wx

sao cho các thành phần 1,iy i N độc

lập hỗ tương nhất có thể thông qua việc cực

đại hóa các hàm đo tính độc lập hỗ tương

(hàm mục tiêu) 1 2, ,..,

NF y y y .

Định nghĩa trên được xem là định nghĩa tổng

quát nhất không cần có các điều kiện ràng

buộc về dữ liệu.Mô hình ICA tuyến tính cơ

bản đòi hỏi các giả thiết sau đây [2]:

Các nguồn tín hiệu gốc ban đầu độc lập

thống kê với nhau.

Ma trận trộn A là ma trận vuông (số lượng

tín hiệu nguồn và tín hiệu trộn bằng nhau)

khả nghịch.

Tối đa chỉ có một nguồn tín hiệu gốc có

phân bố Gauss.

Với các giả thiết trên, mục tiêu của phương

pháp ICA đối với một vector ngẫu nhiên Nx R là tìm một ma trận tách W sao cho

tín hiệu đầu ra 1,...,

T

Ny n y n y n

được xác định bởi:

y n Wx n (2)

gồm các thành phần độc lập với nhau. Trong

bài báo thuật toán ICA chúng tôi sử dụng là

thuật toán FastICA với hàm đo tính độc lập là

hàm Negentropy [2,3].

TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG

Cơ chế hoạt động

Khác với ảnh cấu trúc cho hình ảnh cụ thể rõ

ràng về giải phẫu não, fMRI dùng khảo sát

hoạt động của não nhờ vào phát hiện các thay

đổi huyết động ở não khi đáp ứng các kích

thích thần kinh. Các hoạt động thần kinh làm

tăng mức tiêu thụ Oxygen cũng như tăng

dòng chảy mạch máu não. Lúc đó, ở vùng não

hoạt động sẽ tăng tương đối lượng

oxyhemoglobin so với deoxyhemoglobin.

Việc giảm tương đối nồng độ

deoxyhemoglobin tại chỗ sẽ có tác động

A

s1(t)

s2(t)

sN(t)

x1(t)

x2(t)

xM(t)

Ma trận trộn

s(t)Tín hiệu nguồn

x(t)Tín hiệu trộn


51

thuận từ làm tăng thoáng qua tín hiệu T2*,

điều này có thể phát hiện trên fMRI. Đây là

nguyên lý cơ bản của tương phản lệ thuộc

oxygen máu BOLD (Blood Oxygen Level

Dependent) dùng trong fMRI.

Điều quan trọng cần lưu ý là BOLD fMRI

không đo, đánh giá trực tiếp các hoạt động

của các nơron thần kinh mà chỉ đánh giá

lượng tiêu thụ (lượng ôxi hóa) của các nơron

hoạt hóa.

Hàm đáp ứng huyết lưu HRF

(Haemodynamic Response Function)

Hàm đáp ứng huyết lưu HRF chính tắc

h t của tín hiệu BOLD đối với một xung

kích thích (sự kiện) được minh họa ở hình 2.

Đối với hàm đáp ứng HRF chính tắc h t ,

chúng ta có thể thấy đỉnh của đáp ứng ở

khoảng 5s sau khi kích thích và sau đó giảm

xuống kéo dài trong khoảng 30s (hình vẽ 2)

quanh kích thích. Tuy nhiên trên thực tế

khoảng thời gian giữa các kích thích thường

nhỏ hơn so với hàm đáp ứng HRF. Boynton

et al., 1996 [4] giả thiết rằng nếu tín hiệu

BOLD là đầu ra của một hệ thống tuyến tính

bất biến thời gian (linear time-invariant), với

hàm kích thích đầu vào là u t thì chúng ta

có thể biểu diễn sự biến thiên theo thời gian

(time-course) X t của tín hiệu BOLD như

là phép tích chập giữa hàm kích thích và hàm

đáp ứng xung HRF .

Hình 2. Hàm đáp ứng HRF

0

T

X t u t h u t h d (3)

CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH FMRI

Cơ sở dữ liệu BOLD-fMRI (theo định dạng

Analyze) sử dụng trong bài báo dùng đánh

giá chức năng thị giác (visual) được thu thập

bởi Institutional Review Board of Johns

Hopkins University bằng một máy cộng

hưởng từ Gyroscan NT PT-6000 hoạt động ở

1,5 Tesla (hãng Philips Medical Systems) [5].

Người tham gia (3 đối tượng) nằm trong máy

quét MRI và được kích thích hình ảnh được

chiếu từ một máy video-projector trong phòng

cộng hưởng từ và được cách ly từ trường nhờ

một lồng Faraday. Một chiếc gương sẽ giúp

chiếu hình ảnh lên trên màn hình trong cuộn

dây của máy. Người tham gia sẽ nhìn màn

hình này bằng một gương cố định (đối diện

người bệnh với góc nghiêng khoảng 25 độ)

trước mắt người bệnh. Kích thích sẽ được đưa

đến máy chiếu từ PC (hình vẽ 3). Ảnh chụp

theo phương pháp EPI, là phương pháp chụp

ảnh cộng hưởng từ siêu nhanh có thể đạt tới

tốc độ video. EPI được sử dụng để thể hiện sự

thay đổi lớn về thông số sinh lý học, đặc biệt

là trong thăm khám chức năng não. Tuy nhiên

phương pháp này có nhược điểm là nhiều

nhiễu hơn và ma trận dữ liệu thô thường bị

giới hạn.

Hình 3. Quá trình thu nhận dữ liệu fMRI

Dữ liệu thu nhận của mỗi đối tượng gồm 220

ảnh FMRI được ghi ghi nhận tại 220 thời

điểm (cách 1s).

Các thông số chụp EPI: TR=1sec; TE= 39ms;

FOV= 24cm; matrix= 53 x 63; góc flip=90

độ; độ dày slice (theo trục z)= 4 mm;


52

Hình 4. Quá trình kích thích thị giác fMRI

Quá trình kích thích thị giác gồm: mẫu ô bàn

cờ được thay đổi (đảo) màu và độ sáng với

tần số (nhấp nháy) 8 Hz và được chiếu trong

15 giây ở hemi-field (trường nhìn) thị giác

bên phải. Năm giây tiếp theo màn hình cố

hình không có kích thích. Mẫu kích thích thị

giác (ô bàn cờ) với tần số 8 Hz được lặp lại

15 giây cho hemi-field thị giác trái. Cuối cùng

màn hình không mẫu kích thích trong 20 giây

tiếp. Quá trình hiển thị này được hiển thị

thông qua lập trình máy tính. Quá trình kích

thích thị giác lặp lại sự kiện trên 4 lần (sự

kiện có chu kỳ 55 giây) với tổng cộng 220

giây (hình 4).

ỨNG DỤNG ICA PHÂN TÍCH DỮ LIỆU FMRI

NHẰM PHÁT HIỆN VÙNG HOẠT HÓA

Ứng dụng phương pháp ICA để phân tích dữ

liệu ảnh fMRI cho phép tách ra các thành

phần độc IC (Independent Component) trong

dữ liệu ảnh và các quá trình biến thiên theo

thời gian (time-course) của chúng dựa trên ma

trận tách W [6,7]. Trong phạm vi nghiên

cứu, bài báo quan tâm đến các vùng não

(vùng hoạt hóa) bị chịu ảnh hưởng của tác

động kích thích thị giác. Như vậy chúng ta sẽ

chỉ quan tâm đến hai thành phần liên quan

đến vùng não thị giác bên trái (Visuo-Left) và

bên phải (Visuo-Right) trong cơ sở dữ liệu

fMRI (mục 4).

Sau khi tìm được các thành phần độc lập

trong dữ liệu fMRI, các thành phần tín hiệu

được quan tâm sẽ được xác định bằng việc so

sánh tương quan giữa quá trình biến thiên

theo thời gian của các thành phần này với

hàm biến thiên theo thời gian được dự đoán

của tín hiệu BOLD trong thực nghiệm (mục

3). Đối với từng thực nghiệm, chúng ta sẽ có

một time-course (dự doán) của thực nghiệm

liên quan đến tín hiệu BOLD tại vùng não

chịu ảnh hưởng của kích thích. Với hàm tham

chiếu này, chúng ta có thể đánh giá mức độ

“giống nhau” của các time-course của các

thành phần IC so với time-course tham chiếu

dự đoán thông qua hệ số tương quan

(Corelation Coefficient- CC) [8].

1

2 2

1 1

n

i ii

n n

i ii i

x x y yCC

x x y y

(4)

trong đó CC được sử dụng để đánh giá độ

tương quan của time-course x với time-

course dự đoán y , i là chỉ số thời gian. Các

IC liên quan đến tác động kích thích sẽ có giá

trị tương quan với time-course của tín hiệu

BOLD lớn nhất.

Cuối cùng, việc xác định các vùng hoạt hóa

(activation map) sẽ được thực hiện trên các

thành phần này. Chúng ta sẽ thực hiện quá

trình tìm kiếm vùng hoạt hóa ROA (Region of

Activation). Phương pháp đơn giản nhất là

tìm kiếm các điểm có giá trị lớn (outlier) bằng

cách tạo ra một ảnh thống kê ( )T s để tìm

kiếm vùng hoạt hóa, sau đó chọn một ngưỡng

giá trị t và vùng ROA được xác định nếu tất

cả các điểm s trong ROA thỏa mãn

T s t . Các ROA này có thể được tìm

kiếm dựa trên tham số Z-score (chỉ số Z)

được định nghĩa như sau [6,7]:

xZ (5)

Chỉ số Z dùng để diễn đạt mối liên hệ của một

điểm giá trị dữ liệu cụ thể x khi biết giá trị

trung bình dữ liệu và độ lệch chuẩn .

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Việc phân tích dữ liệu ảnh fMRI (CSDL

Institutional Review Board of Johns Hopkins

University) được thực hiện bởi thuật toán

FastICA. Số thành phần độc lập phân tích


53

được chọn bằng 20 được xem là phù hợp.

(Kiviniemi.V et al. đưa ra số lượng thành

phần đánh giá nên từ 20 đến 40 thành phần

[9]). Dữ liệu fMRI của từng đối tượng được

thuật toán FastICA tách thành 20 thành phần

không gian (ảnh) độc lập.

Trong các IC này chúng ta cần tìm ra các IC

liên quan đến các tác động kích thích từ thực

nghiệm. Hình vẽ 5 thể hiện sự thay đổi (dự

đoán) theo thời gian của tín hiệu BOLD ở

vùng não thị giác trái và phải được xem như

phép tích chập giữa hàm kích thích (hình 4)

và hàm đáp ứng xung HRF (hình 2). Dữ liệu

fMRI trong thực nghiệm của bài báo khi được

phân tích bằng ICA sẽ được tách thành các

thành phần liên quan đến hai tác động khác

nhau (một ở vùng vùng não thị giác trái Visuo-

Left, một ở vùng thị giác phải Visuo- Right).

Hình 5. Quá trình thay đổi được dự đoán của tín

hiệu BOLD ứng với VL và VR

Hai thành phần IC này sau khi đã được xác

định sẽ được tìm kiếm vùng hoạt hóa thông

qua việc đánh giá chỉ số Z. Chỉ số Z được tính

cho mọi voxel và đối với các voxel có giá trị

chỉ số Z lớn hơn một ngưỡng cụ thể (trong bài

báo chọn 2Z ) sẽ được dùng nhận dạng

vùng hoạt hóa, các voxel có chỉ số Z nhỏ hơn

ngưỡng sẽ được trả về giá trị 0.

Kết quả thực nghiệm (của một đối tượng) sau

khi phân tích ảnh FMRI bằng thuật toán

FastICA chúng ta thu được hai thành phần có

time-course tương quan lớn nhất (giống) với

time-course của thực nghiệm là IC6 và IC7.

Thành phần IC7, hình 7, liên quan đến tác

động thị giác ở trường nhìn (hemi-field) bên

phải (ở vùng vỏ não thị giác trái-VL) và

thành phần IC6, hình 6, liên quan đến tác

động thị giác ở trường nhìn (hemi-field) bên

trái (ở vùng vỏ não thị giác phải-VR) của đối

tượng trong thực nghiệm.

Hình 6. Thành phần IC6 liên quan đến vị trí hoạt

hóa vung thị giác phải của não (VR)

Hình 7. Thành phần IC7 liên quan đến vị trí hoạt

hóa vung thị giác trái của não (VL)

Tiến hành phân tích trên dữ liệu của cả 3

đối tượng tham gia đều cho kết quả thu

được tốt với các vị trí hoạt hóa chịu tác

động của thực nghiệm.

KẾT LUẬN

Bài báo đã xây dựng được một mô hình xử lý

ảnh cộng hưởng từ chức năng fMRI dựa trên

phương pháp ICA (thuật toán FastICA) cho

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

0.5

1

1.5Tien trinh thoi gian (time-course) tuong ung voi Visuo-Left

Thoi gian(s)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

0.5

1

1.5Tien trinh thoi gian (time-course) tuong ung voi Visuo-Right

Thoi gian(s)

0

R

9.3

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

-1

0

1

2

Thoi gian (Scans)

Don v

i tin h

ieu d

a c

huan h

oa

IC 7


54

phép xác định những thành phần tín hiệu có

ích liên quan đến tác động kích thích cũng

như xác định những vùng hoạt hóa trong não.

Kết quả nghiên cứu có thể triển khai vào thực

tiễn cho phép các bác sĩ xác định các khu vực

não hoạt hóa của người bệnh khi chịu những

tác động kích thích nhất định từ đó giúp bác sĩ

tìm ra những phương án điều trị tối ưu.

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là

thực hiện đánh giá chức năng liên kết não

(functional connection) trong fMRI cũng như

việc kết hợp giữa tín hiệu fMRI với các tín

hiệu y sinh khác (như điện não đồ EEG) trong

việc hỗ trợ chẩn đoán bệnh động kinh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. McKeown M.J and Sejnowski T.J,

“Independent Component Analysis of FMRI data:

Examining the Assumptions”, Human Brain

Mapping, vol.6, pp 368-372, 1998.

2. Aapo Hyvarinen, Juha Karhunen and Erkkl Oja,

Independent Component Analysis, John Wiley and

Sons Ltd, 2001

3. A.Hyvarien, “Fast and robust fixed-point

algorithms for independent component analysis,”

IEEE Trans. On Neural Networks, 10(3): 626-634,

1999.

4. Boynton GM, Engel SA, Glover GH et al

(1996), Linear systems analysis of functional

magnetic resonance imaging in human V1, J

Neurosci 16: 4207-21.

5.http://mialab.mrn.org/software/gift/software_do

wnload_links.html

6 V.Calhoun, T.Adali, G.Pearlson, and J.Pekar, “A

Method for Making Group Inferences From

Functional MRI Data Using Independent

Component Analysis” Hum.Brain Map., vol. 14,

pp. 140-151, 2001.

7. V.Calhoun, J.Pekar, T.Adali, and G.Pearlson,

“Spatial & Temporal Independent Component

Analysis of fMRI Data with TwoTask-Related

Waveforms” Proceedings, ISMRM, 10th Annual

Meeting, Glasgow,Scotland, p. 24, 2001.

8. Chung I-Huang et al, “Using Independent

Component Analysis to detect active regions in

brain fMRI for tactile stimulation”, Journal of

Medical and Biological Engineering, 28(3), 147-

154, 2008.

9.Kiviniemi.V et al, “Independent Component

Analysis of nondeterministic fMRI signal

sources”, NeuroImage, vol. 19, pp.253-260, 2003.

SUMMARY DETECTION OF ACTIVATED BRAIN REGIONS

FROM FMRI DATA BASED ON INDEPENDENT COMPONENT ANALYSIS

Vu Hong Vinh1, Dinh Thi Nhung1,

Vuong Hoang Nam1, Nguyen Van Son2, Dao Huy Du3* 1Hanoi University of Science and Technology, 2Hanoi Open University

3College of Technology - TNU In this work, Independent Component Analysis (FastICA algorithm) is employed to separate

functional magnetic resonanse image (fMRI) data into spatially independent non-Gaussian

components. Based on the separation, activation regions related to stimulations on the left and

right brain are indicated. For the demonstration, the data collected from Institutional Review Board

of Johns Hopkins University data base were used. The results of the analysis are the images of the

patient’s brain which the activation regions of the visual function posed on the left and right half of

the brain have been shown

Key word: functional MRI, independent component analysis, brain activated region, fastICA




Trần Văn Thắng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 55 - 59

55

ĐỐI NGẪU LIÊN HỢP CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU VÀ ỨNG DỤNG

Trần Văn Thắng*

Trường Đại học Điện lực

TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra đối ngẫu liên hợp cho các bài toán tối ưu tựa lõm với hàm

mục tiêu là các hàm sản xuất Cobb-Douglas. Sau đó, chúng tôi ứng dụng kết quả đối ngẫu đạt

được để nghiên cứu một số bài toán trong kinh tế.

Từ khoá: Hàm sản xuất Cobb-Douglas, Đối ngẫu liên hợp

GIỚI THIỆU*

Gần đây, lý thuyết đối ngẫu mà được xây

dựng dựa trên phép biến đổi tựa liên hợp của

hàm : nf dạng

* 1( ) [sup ( ) | 1, 0] T np f x p xf x p

bởi TS. P. T. Thạch đã được ứng dụng cho

một số bài toán tối ưu trong kinh tế và thu

được những kết quả đáng chú ý ([5], [7], [8],

[9]). Mục đích của bài báo này là mở rộng đối

ngẫu liên hợp cho bài toán tối ưu vô hướng và

tối ưu đa mục tiêu với hàm mục tiêu là các

hàm sản xuất Cobb-Douglas. Sau đó, chúng

tôi ứng dụng kết quả đối ngẫu để nghiên cứu

tìm phương án sản xuất cho một số bài toán

trong kinh tế như: Bài toán với một ràng buộc

phân bố nguồn lực, bài toán với nhiều ràng

buộc phân bố nguồn lực và bài toán tối ưu với

các ràng buộc phân bố nguồn lực.

ĐỐI NGẪU LIÊN HỢP

Cho ( )f x là hàm số không âm, nhận giá trị

hữu hạn trên n

.

Định nghĩa 1.1 (xem [5]). Hàm *f được gọi

là tựa liên hợp của f nếu

* 1( ) [sup ( ) | 1, 0] T np f x p xf x p

(quy ước 1/ 0 ).

Cho các hàm sản xuất Cobb-Douglas

1 2

1 2( ) ... n

nf x x x x và

1 2

1 2( ) ... n

ng p p p p ,

với 1 20 , ... 1i ni .

Mệnh đề 1.2 (xem [7]). Hàm f và g liên

hợp với nhau theo nghĩa:

1 2 1

1 2( ) ... [sup ( ) : 1, 0]n T

ng p f x p x x ,

* Tel:

1 2 1

1 2( ) ... [sup ( ) : 1, 0]n T

nf x g p p x p .

Cho X là tập lồi, đóng, bị chặn có thứ nguyên

đầy đủ trong Rn+ và thoả mãn điều kiện bỏ đi

được: ',0x X x x ' .x X Định nghĩa

P là liên hợp dưới của X:

: 1, .n TP p p x x X

Dễ thấy P cũng là tập lồi, đóng, bị chặn có

thứ nguyên đầy đủ trong Rn+ và thoả mãn điều

kiện bỏ đi được. Ngoài ra, chúng ta có

Bổ đề 1.3 (xem [7]). X là liên hợp dưới của

P : : 1, .n TX x p x p P

Sau đây, chúng ta quan tâm đến bài toán tối ưu:

max ( ), f x v.đ.k x X (1)

và bài toán đối ngẫu:

max ( ),g p v.đ.k p P . (2)

Vì X và P là liên hợp dưới với nhau, f và

g liên hợp với nhau, do đó, cặp bài toán (1)

và (2) là đối hợp.

Mệnh đề 1.4. (xem [8]) Cho *x X và *p P . Nếu 1 2* *

1 2( ) ( ) ... n

nf x g p , thì

*x là nghiệm của (1) và *p là nghiệm của

(2).

Đặt 1( ) [ ( ) ]Tf x f x x , 1( ) [ ( ) ]Tg p g p p

Chúng ta có định lý đối ngẫu sau.

Định lý 1.5. (xem [8]) Nếu *x là nghiệm của

(1) thì * *( )p f x là nghiệm của (2). Đảo

lại, Nếu *p là nghiệm của (2) thì * *( )x f p là nghiệm của (1).

Tiếp theo, chúng ta sẽ mở rộng đối ngẫu liên

hợp cho bài toán tối ưu đa mục tiêu.


56

Với mỗi 1 2 , ,...,r k , ta lấy véctơ r sao

cho 1 20 1 , ...r r r r

j nj

và đặt

1 2

1 2

( ) ...

rr rn

r nf x x x x , 1 2

1 2

( ) ...

rr rn

r ng x p p p .

Xét bài toán tối ưu:

1 2max ( ( ), ( ),..., ( )) kf x f x f x , x X (3)

và bài toán đối ngẫu:

1 2max (g ( ), ( ),..., ( )) kp g p g p , p P (4)

Bổ đề 1.6 (xem [8]). *x X là nghiệm hữu

hiệu Pareto của (3) nếu và chỉ nếu tồn tại

k sao cho *x là nghiệm tối ưu của bài

toán 1 2

1 2max ( ) ( )... ( ) | k

kf x f x f x x X

(5)

Tương tự, *p P là nghiệm hữu hiệu Pareto

của (4) nếu và chỉ nếu tồn tại k sao

cho *p là nghiệm tối ưu của bài toán

1 2

1 2max ( ) ( )... ( ) | p k

kg p g p g p P

. (6)

Cho *x là nghiệm hữu hiệu Pareto của (3) và *p là nghiệm hữu hiệu Pareto của (4). Khi đó, * *( , )x p được gọi là cặp nghiệm hữu hiệu

Pareto gốc-đối ngẫu nếu tồn tại k sao

cho *x là nghiệm hữu hiệu Pareto của (5) và *p là nghiệm hữu hiệu Pareto của (6).

Đặt là tập gồm tất cả các véctơ:

1 2

1 2 ...| ,n k

k

1 2 .. , 1. 0,k r r .

Chúng ta có đối ngẫu cho cặp bài toán tối ưu

đa mục tiêu bởi định lý sau.

Định lý 1.7. Cho *x X và *p P . Nếu tồn

tại sao cho * *

j j jx p với

mọi 1,2,...,j n thì * *( , )x p là cặp nghiệm

hữu hiệu Pareto gốc-đối ngẫu.

Chứng minh. Vì * *

j j jx p với

mọi 1,2,...,j n ta có

1 2* *

1 2( ) ( ) ... n

nf x g p , theo Mệnh đề

1.4, *x là nghiệm của bài toán (1). Mặt khác,

do nên tồn tại k sao cho

12 21

1 21 2( ) . ( ) (.. )... ( )kn

n kf x f x ff x x x xx

Điều này suy ra *x là nghiệm của (5). Tương

tự, ta cũng chỉ ra *p là nghiệm tối ưu của bài

toán (6). Vậy, * *( , )x p được là cặp nghiệm

hữu hiệu Pareto gốc-đối ngẫu.

ỨNG DỤNG

Bài toan với một ràng buộc phân bố nguồn lực

Cho m véctơ i na và n thỏa mãn

0j với mọi ,j 1 2 ... 1n .

Chúng ta xét hệ phi tuyến sau:

1 11 0, ,,

m mi

i i mi ix a m (7)

0, 1,2,..., , 1, 1,2,...,T i

jp j n p a i m (8)

, 1,2,...,j j jp x a j n (9)

Bài toán này có thể gặp trong việc lập kế

hoạch hoạt động của một công ty có m nhà

máy để sản xuất n hàng hoá khác nhau. Để

sản xuất các hàng hoá này, một nguồn lực

nhất định có tổng bằng 1 được phân bố cho

các nhà máy.

Giả sử i na là véctơ đặc trưng cho năng

lực của nhà máy thứ i , nghĩa là nhà máy thứ

i chạy hết công suất có thể sản xuất được ija

đơn vị hàng hóa thứ j , 1,2,...,j n . Số jp

biểu thị phần nguồn lực được phân bố cho

việc sản xuất một đơn vị hàng hóa thứ j và

jx là tổng lượng hàng hóa thứ j cần sản xuất

bởi cả công ty. Khi đó, j jp x là tổng nguồn lực

được phân bố cho việc sản xuất hàng hóa thứ

j , tức là giá vốn sản xuất lượng hàng hóa thứ

j . Để đảm bảo khả năng cạnh tranh trên thị

trường, cần thiết rằng 1,2,...,j j jp x a j n .

Bài toán đặt ra là tìm một phương án hoạt

động khả thi, tức là tìm một véctơ

( , ) n nx p thỏa mãn hệ (7)-(9). Véctơ

được gọi là véctơ phân bố nguồn lực.

Ký hiệu X là tập các véctơ nx , thỏa

mãn (7) và X là tập các véctơ thỏa mãn (8).

Bổ đề 2.1.1 (xem [8]). Chúng ta có

0 1 | TP p p x x X


57

0 | 1 TX x p x p P

trong đó : : , 0X y x X x y .

Định lý 2.1.2. Nếu * *( , )x p là nghiệm của hệ

(7)-(9), thì *x là nghiệm của (1) và *p là

nghiệm của (2). Đảo lại, nếu *x là nghiệm của

(1), thì * *( , )x p với * *( )p f x là nghiệm

của hệ hệ (7)-(9); nếu *p là nghiệm của (2),

thì * *( , )x p với * *( )x g p là nghiệm của

hệ (7)-(9).

Chứng minh. Cho * *( , )x p là nghiệm của hệ

(7)-(9). Ta có * * 1,2,...j j jx p j n , theo

Mệnh đề 1.4, *x là nghiệm của bài toán (1) và *p là nghiệm của (2).

Đảo lại, nếu *x là nghiệm của (1) và * *( )p f x thì *p thỏa mãn (8) và *p là

nghiệm của (2). Do đó, * *( , )x p với là

nghiệm của hệ hệ (7)-(9). Tương tự, nếu *p là nghiệm của (2), thì * *( , )x p với * *( )x g p là nghiệm của hệ hệ (7)-(9).

Dễ thấy các bài toán (1) và (2) tương ứng

tương đương với các bài toán cực đại hàm

lõm sau:

maxln( ( )) : ,f x x X (10)

maxln( ( )) : .g p p P (11)

Các hàm ln( ( ))f x và ln( ( ))g p là lõm chặt

trên n nên nghiệm của các bài toán (10) và

(11) là tồn tại duy nhất. Do đó, từ Định lý

2.1.2 chúng ta khẳng định nghiệm của hệ (7)-

(9) là tồn tại và duy nhất, đồng thời nghiệm

này có được bằng cách giải bài toán (10) hoặc

(11). Chú ý rằng các bài toán (10) và (11)

tương đương với các bài toán tối ưu lồi, nên

việc giải các bài toán này đơn giản hơn việc

giải hệ phi tuyến (7)-(9).

Bài toán với nhiều ràng buộc phân bố

nguồn lực

Trong phần này, chúng ta xét bài toán mở

rộng của (7)-(9) khi công ty có 1k nguồn

lực được sử dụng để sản xuất n sản phẩm

trong m nhà máy, với r là giá trị của

nguồn lực thứ , 1,2,..,r r k . Không mất tính

tổng quát ta có thể giả thiết rằng

11.

k

rr

Giả sử r

j là phần nguồn lực thứ r được

phân bố cho việc sản xuất sản phẩm thứ j và

toàn bộ các nguồn lực được sử dụng hết, khi

đó ta có

0 1rj ,

11 1, , .

j

rj

nr k

Véctơ

1

( , , ) n

n với

1

kr

j r j

r

(tổng giá trị các nguồn lực được sử dụng để

sản xuất sản phẩm thứ j ), 1, , ,j n được

gọi là véctơ phân bố các nguồn lực. Vậy

là tập gồm tất cả các véctơ phân bố các

nguồn lực.

Ứng với mỗi véctơ phân bố các nguồn lực

, véctơ nx thỏa mãn (7)-(9) sẽ

được gọi là một phương án sản xuất. Véctơ

1 ( , , )np p p với jp là tổng giá trị các

nguồn lực được sử dụng để sản xuất một đơn

vị hàng hóa thứ j (tức là giá vốn sản xuất của

đơn vị hàng hóa thứ j ) sẽ được gọi là véctơ

chi phí sản xuất đơn vị.

Bài toán đặt ra là tìm phương án sản xuất

nx và véctơ chi phí sản xuất đơn vị

np thỏa mãn 1 1( , , )n np x p x .

Điều đó có nghĩa là chúng ta cần giải hệ sau:

1 11 0, ,,

m mi

i i mi ix a m

(12)

0 1,2,..., , 1 1,2,...,T i

jp j n p a i m

(13)

1,2,...,j j jp x j n (14)

. (15)

Định lý 2.2.1. Giả sử * *( , )x p là cặp nghiệm

hữu hiệu Pareto gốc-đối ngẫu. Khi đó, * *( , )x p là nghiệm của hệ (12)-(15).

Chứng minh. Cho * *( , )x p là cặp nghiệm hữu

hiệu Pareto gốc-đối ngẫu, nghĩa là tồn tại


58

véctơ k sao cho *x là nghiệm hữu hiệu

Pareto của (5) và *p là nghiệm hữu hiệu

Pareto của (6). Bằng cách chứng minh tương

tự như ở Định lý 2.3 ta có *x là nghiệm của

(1), *p là nghiệm của (2), trong đó 1 2

1 2 ... k

k . Theo Định lý

2.1.2, * *( , )x p là nghiệm của hệ (7)-(9).

Từ Định lý 2.3 và Định lý 2.2.1 ta chỉ ra rằng

bài toán với nhiều ràng buộc phân bố nguồn

lực tương đương với bài toán tối ưu đa mục

tiêu (3) hoặc (4).

Tối ưu với cac ràng buộc phân bố nguồn lực

Xét bài toán

max ( )q x (16)

1 11 0, ,,

m mi

i i mi ix a m ,

(17)

0, 1,2,..., , 1, 1,2,..., ,T i

ip i n p a i m (18)

, 1,2,...,i i ip x i n (19)

, (20)

trong đó ( )q x là hàm lõm liên tục trên

n sao cho ( ) 0 x>0q x .

Nếu ( )q x là hàm biểu diễn lợi ích của công ty

tại phương án sản xuất nx thì (16) - (20)

trở thành bài toán tìm phương án sản xuất

sao cho lợi ích của công ty là lớn nhất.

Ký hiệu EX là tập gồm các phương án sản

xuất, lúc này bài toán (16)-(20) được viết lại

như sau: max ( ) | Eq x x X (21)

Theo Định lý 2.3 và Định lý 2.2.1, EX cũng

chính là tập nghiệm hữu hiệu Pareto của bài

toán tối ưu đa mục tiêu (3). Do đó, (21) là bài

toán tối ưu trên tập nghiệm hữu hiệu Pareto

của bài toán tối ưu đa mục tiêu. Đối với bài

toán dạng này đã có nhiều phương pháp giải

được đưa ra (xem [3], [6]).

Sau đây, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp

được đưa ra trong các bài báo [5] để biến đổi

(21) về bài toán cực đại hàm tựa lồi trên một

tập lồi compắc trong không gian k chiều. Do

đó, bài toán sau khi biến đổi có thể được giải

bằng phương pháp xấp xỉ ngoài như ở [6].

Bằng cách đổi thang đơn vị nếu cần thiết,

không mất tính tổng quát chúng ta có thể giả

thiết rằng 1, ,min 2ij n ja với mọi

1,2,...,i m . Điều này dẫn đến

1, , min 2 .j n jx x X Đặt

1 2

21| max ( ) ( )... ( ) 3rnx X rM f fx x xf

1 2

21 3 ( ) max ( ) | ( ) ( )... ( ) ,r

rh q x x x xf f xf X

.n (quy ước max 0 ).

Dễ thấy tập M là tập lồi compắc. Ngoài ra, ta

có bổ đề sau:

Bổ đề 2.3.1 (xem [8]).

Hàm h là nửa liên tục trên và tựa lồi ở trên .k

Xét bài toán: max ( ) | h M (22)

Định lý 2.3.2. Giá trị tối ưu của các bài toán

(21) và (22) là bằng nhau: * *.q h Ngoài

ra, nếu * là nghiệm tối ưu của (22) thì

điểm cực đại *x của hàm

1 2

1 2

** *

( ) ( )... ( )k

kf fx fx x trên X là nghiệm tối

ưu của (21).

Chứng minh. Cho *x là nghiệm tối ưu của

(21), nghĩa là * * *, ( ) .Ex X q x q Vì

*Ex X , nên tồn tại véctơ k sao cho

*x là nghiệm tối ưu của (5). Ta khẳng định

rằng tồn tại 0 sao cho

1 2* * *1 2( ) ( )... ( ) 3.k

kf x x xf f Thực vậy, đặt

1 2* * *1 2( ) ( )... ( ).k

kf x f x f x Vì

* 2, 1, ,jx j n , do đó ln( ) 0. Lấy

1ln(3)ln ( ) ta có ln( ) ln(3) .

Bây giờ, đặt . Dễ thấy

1 2

1 2max ( ) ( )... ( ) 3,k

x X kf x f x f x

điều này

suy ra .M Do vậy, * *( )q q x

1 2

1 2sup ( ) | ( ) ( )... ( ) 3,k

kq x f x f x f x x X

*( )h h .

Điều này dẫn đến * 0h . Đảo lại, giả sử

* là nghiệm tối ưu của (22), nghĩa là

* M và * *( ) .h h Giả sử

*x là một điểm


59

cực đại của hàm ** *

1 2

1 2( ) ( )... ( )k

kf fx x f x

trên

.X Theo Bổ đề (1.6), *x là nghiệm hữu

hiệu Pareto của (5) và do đó, * .Ex X Vì

* M , nên ta có

** *1 2* * *

1 2( ) ( )... ( )k

kx x xf f f

** *

1 2* * *1 2sup ( ) ( )... ( ) : x X 3.k

kf fx xf x

Nếu ** *

1 2* * *1 2( ) ( )... ( ) 3k

kx x xf f f thì

** *

1 2*1 2( ) sup ( ) | ( ) ( )... ( ) 3,k

kh q x f x f x f x x X

*sup 0 h

điều này là vô lý. Do đó, ** *

1 2* * *1 2( ) ( )... ( ) 3k

kx x xf f f và hơn nữa,

* *( )h h

** *

1 2

1 2sup ( ) | ( ) ( )... ( ) 3,k

kq x f x f x f x x X

* *( )q x q .

Hệ quả là * *q h và do đó, *x là nghiệm tối

ưu của (21).

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A. V. Fiacco, (1983), Introduction to Sensitivity

and Stability Analysis in Nonlinear Programming,

Academic Press, New York.

2. D. G. Luenberger, (1995), Microeconomic

Theory, McGraw-Hill, Inc., New York.

3. L. D. Muu, (2000), A Convex-concave

Programming Method for Optimizing over the

Efficient Set, Acta Math. Vietnam, 25, 67-85.

4. P. T. Thach, (1993), Global Optimality

Criterion and Duality with Zero Gap in

Nonconvex Optimization, SIAM J. Math. Anal.,

24, 1537-1556.

5. P. T. Thach, (2004), Dual preference in

Leontief production problem and its extension,

Vietnam J. Math., 32, 209-218.

6. P. T. Thach, H. Konno, and D. Yokota, (1996),

Dual Approach to Minimization on the Set of

Pareto-optimal Solutions, J. Optim. Theory Appl.,

88, 689-707.

7. P. T. Thach and T. V. Thang, (2011), Conjugate

duality for vector-maximization problems, J. Math.

Anal. Appl., 1, 94-102.

8. P. T. Thach and T. V. Thang, (2014), Problems

with resource allocation constraints and

optimization over the efficient set, J. Glob. Optim.,

58, 481-495.

9. T. V. Thang, (2014), Conjugate duality in

nonconvex optimization problems and

optimization over the weakly efficient set

(Preprint).

10 H. Tuy, (2000), Monotonnic Optimization:

Problem and Solution Approaches, SIAM Journal

of Optimization, 11, 464-494.

11. H. Tuy, A. Migdalas and N.T. Hoai-Phuong,

(2007), A novel approach to Bilevel nonlinear

programming, J. Glol. Optim., 38, 527-554.

SUMMARY

CONJUAGATE DUALITY FOR OPTIMIZATION

PROBLEMS AND APPLICATIONS

Tran Van Thang* University of Electric Power

In this paper, we present the conjugate duality for a class of quasiconcave optimization problems

with objective functions are Cobb-Douglas production functions. Then, we apply the conjugate

duality to study some optimization problems in Economics.

Key word: cobb-douglas function, conjuagate duality


Phản biện khoa học: PGS.TS Hà Trần Phương – Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN

* Tel:


60

Dương Nghĩa Bang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 61 - 64

61

NGHIÊN CỨU TÔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT QUINOLIN

TỪ 3-CLO-2-METYLANILIN

Duong Nghĩa Bang1*, Nguyễn Đăng Đức1,

Hoàng Lâm1, Yu. A. Sayapin2, V. N. Komissarov2, V.N. Minkin2

1Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên, 2Viện nghiên cứu Vật lý và Hóa học hữu cơ thuộc trường Đại học Southern Federal

TÓM TẮT Trên thị trường hiện nay đang lưu hành nhiều loại thuốc có thành phần chính chứa hệ quinolin.

Trong số đó có những loại thuốc rất quan trọng như Saquinavir là một trong những chất ức chế

virut HIV hiệu quả nhất hiện nay. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất có chứa hệ

quinolin được các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu mạnh mẽ trong thời

gian gần đây. Nội dung bài báo sử dụng phương pháp Conrad-Limpach để tổng hợp một số dẫn

xuất quinolin mới từ 3-clo-2-metylanilin. Bài báo thể hiện rõ phương pháp thực hiện phản ứng

tổng hợp, phương pháp tinh chế sản phẩm và đặc biệt là phương pháp xác định tính chất vật lý của

sản phẩm như nhiệt độ nóng chảy. Cấu trúc của các chất sản phẩm được tác giả chứng minh bằng

phương pháp phổ hiện đại là 1H-NMR.

Từ khóa: Quinolin, 3-chloro-2-methylanilin, quinolon, quinin, sopcain, plasmocin, saquinavir,

Conrad-Limpach,..

MỞ ĐẦU*

Những hợp chất hữu cơ có chứa hệ quinolin,

thường thể hiện có hoạt tính sinh học đa dạng.

Nhiều hợp chất đã được sử dụng làm thành

phần chính trong một số loại thuốc lưu hành

trên thị trường. Quinin (thuốc chống sốt rét),

Sopcain (thuốc gây mê), plasmocin và

acrikhin (thuốc chống sốt rét)[1], Saquinavir

là một trong những chất ức chế virut HIV

hiệu quả nhất hiện nay [2]. Chính vì vậy trong

những năm gần đây nhiều nhà khoa học trong

nước cũng như trên thế giới tập trung mạnh

mẽ vào việc tổng hợp cũng như nghiên cứu

cấu trúc và hoạt tính sinh học của chúng.

NN

H

N

Ph

N

O

ON

HO

t-Bu

H

CONH2

OH

Saquinavir

N

OH

N

H2C

Quinin Plasmoxin

N

HN CH(CH2)3N(C2H5)2

CH3 Trong bài báo này chúng tôi thông báo về quá

trình tổng hợp một số dẫn xuất mới của

quinolin từ 3-clo-2-metylanilin.

* E-mail: [email protected]

THỰC NGHIỆM

Các dẫn xuất mới của quinolin được tổng hợp

theo sơ đồ 1:

Sơ đồ 1:

543

21

H2SO4

HNO3

N

Cl

Cl CH3

CH3

NO2

POCl3

N

Cl

CH3

CH3

ClN CH3Cl

CH3

O

H

PPA 140-170oC

-C2H5OHCl

CH3

NH2

CH3COCH2COOC2H5+H+(HCl)

-H2OCl

CH3

N

CCH3

CH2

COC2H5OH

Quy trình tổng hợp 7-clo-2,8-đimetylquinolin-

4(1H)-on

Cho 22 ml (0,1mol)3-clo-2-metylanilin vào

bình nón dung tích 200ml, thêm 50 ml

etylaxetoaxetatat và vài giọt HCl đặc làm xúc

tác. Sau khoảng 30 phút khi thấy những giọt

hơi nước ngưng tụ trên thành bình chúng ta

cho thêm khoảng 15 g Na2SO4 để hút nước.

Hỗn hợp giữ ở nhiệt độ phòng khoảng 12 giờ,

sau đó được chuyển sang bình cầu 3 cổ. Đổ

thêm vào bình khoảng 60 ml PPA ( Poli Axit

Photphoric). Lắp thêm sinh hàn, nhiệt kế và

máy khuấy. Đun nóng từ từ tới khi hỗn hợp ở

nhiệt độ 140o C thì bắt đầu tính giờ. Giữ nhiệt

độ của hỗn hợp trong khoảng 140-150 oC


62

trong thời gian 2h. Hỗn hợp để nguội và rót

sang cốc thuỷ tinh dung tích 1 lit có chứa sẵn

0,5 kg H2O đá. Trung hoà hỗn hợp bằng dung

dịch NaOH 40% cho đến môi trường trung

tính. Lọc kết tủa, rửa bằng nước nóng, sấy

khô, kết tinh lại bằng ancol isopropylic thu

được 37,1 g (H=83,8%) tinh thể màu vàng

nhạt tnc = 221oC–223oC

Quy trình tổng hợp 4,7-điclo- 2,8-

dimetylquinolin

Dùng phễu nhỏ giọt thêm từng phần nhỏ 120

ml POCl3 vào bình cầu 2 cổ dung tích 250ml

chứa 37,1 g quinolon 5 cho tới khi quinolon

5 tan hết. Lắp sinh hàn hồi lưu và đun sôi nhẹ

trong vòng 2h. Hỗn hợp được làm nguội,

chuyển từ từ sang cốc thuỷ tinh dung tích 1 có

chứa sẵn 0,5 kg H2O đá. Trung hoà hỗn hợp

bằng NaOH 40% đến môi trường trung tính.

Lọc lấy kết tủa, sấy khô, tinh chế qua cột sắc

kí chứa Silica gel bằng dung môi CHCl3. Thu

được 30,5 g (H = 82,2%) tinh thể màu trắng

với tnc=102-1040C

Quy trình tổng hợp 5-nitro - 4,7-điclo-2,8-

đimetylquinolin

Hòa tan 33,11g (0,03mol) quinolin 6 vào

25ml H2SO4 ở nhiệt độ từ 10-15oC. Dung dịch

được làm lạnh tới -5oC và thêm từng giọt hỗn

hợp gồm 9ml H2SO4 (đặc) và 9ml HNO3

(đặc). Giữ nhiệt độ trong thời gian phản ứng

không quá -5oC. Thu bỏ hệ làm lạnh, khuấy

đều dung dịch ở nhiệt độ 20-25oC trong thời

gian 3h. Dung dịch được trung hòa bằng

NaOH 40% . Lọc lấy kết tủa rửa bằng nước

ấm, làm khô, tinh chế bằng phương pháp sắc

ký cột (CHCl3/silica gel). Kết tinh lại bằng

ancol isopropylic thu được 20,74 g

(H=62,6%) tinh thể màu vàng nhạt với tnc =

109-111 oC.

Phổ NMR - 1H thực hiện trên máy “Bruker-

Advance 500 MHz” tại Viện Hóa học, Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Nhiệt độ nóng chảy thực hiện trong ống

capila đo trong glixerol.


Có rất nhiều phương pháp tổng hợp quinolin,

nhưng trong đề tài này chúng tôi chọn phương

pháp tổng hợp Conrad-Limpach (tương tự

phương pháp Combes) là đi từ dẫn xuất 3-

clo-2-metyl anilin do phản ứng xảy ra trong

điều kiện đơn giản, phù hợp với điều kiện

phòng thí nghiệm.

Đầu tiên dẫn xuất 3-clo-2-metylanilin phản

ứng với etylaxetoaxetatat trong điều kiện xúc

tác axit ở nhiệt độ phòng ta thu được sản phẩm

của phản ứng ngưng tụ theo sơ đồ 2 [4,5].

Sơ đồ 2:

Cl

CH3

NH2

CH3COCH2COOC2H5+H+(HCl)

-H2O

Cl

CH3

N

CCH3

CH2

COC2H5OH

1 2

Lượng nước thoát ra sau phản ứng là rất lớn,

chúng ta có thể nhìn thấy các giọt nước ngưng

tụ trên thành bình. Lượng nước này sẽ cản trở

tiến độ phản ứng và có khả năng làm giảm hiệu

xuất phản ứng. Chính vì vậy, tác giả đã sử dụng

Na2SO4 để hút nước, làm khô hỗn hợp.

Sản phẩm của phản ứng ngưng tụ được vòng

hoá trong axit poliphotphoric (PPA) trong

điều kiện đun nóng ở nhiệt độ khoảng 140o C.

Kết quả phản ứng thu được 7-clo-8-

metylquinolin-4(1H)-on theo sơ đồ 3.

Sơ đồ 3:

Cl

CH3

N

CCH3

CH2

COC2H5OH

-C2H5OH

PPA 140-170oC

N CH3Cl

CH3

O

H2 3

Quinolon được clo hoá bằng POCl3, phản ứng

xảy ra khi đun sôi hỗn hợp trong vòng 2 giờ

thu được sản phẩm cuối cùng là 4,7-điclo-

2,8-dimetylquinolin. Để phản ứng đạt hiệu suất

cao thì quinolon phải khô, vì POCl3 bị thủy

phân mạnh làm giảm hiệu suất phản ứng chính.

Sơ đồ 4:

N CH3Cl

CH3

O

H

POCl3

N

Cl

CH3

CH3

Cl

3 4


63

Sau phản ứng, sản phẩm được tinh chế bằng

phương pháp sắc kí cột và được xác định cấu

trúc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H

NMR (kết quả theo bảng 1).

Bảng 1: Tín hiệu 1H-NMR (δ, ppm và J, Hz) của

các dẫn xuất quinolin thu được

Hợp

chất

2-

CH3

8-

CH3

3-H 5-H 6-H

4 2,71 2,85 7,35 7,95

(J=8,5)

7,52

(J=8,5)

5 2,76 2,91 7,48 - 7,70

Phổ cộng hưởng 1H NMR cho thấy: 2,71 (s,

3H, 8’-CH3) là đặc trưng của –CH3; 2,85 (s,

3H, 2-CH3) là đặc trưng của –CH3; 7,35(s,

1H,3-H) là đặc trưng của –CH nhân thơm;

7,51 (d, 1H, 6-H, J=8,5) là đặc trưng của

nhóm –CH nhân thơm thế octo-octo ; 7,95 (d,

1H, 5-H, J=8,5) là đặc trưng nhóm –CH thế

octo-octo. Từ những dữ kiện về các phổ ghi

được chúng tôi xác định được cấu tạo của

chất tổng hợp được là đúng như công thức

của 5 đã dự kiến.

Từ quinolin 5 tiếp tục thực hiện phản ứng

nitro hóa. Theo tài liệu [3], sự phân bố mật

độ electron trên hệ quinolin (theo hình 1):

N

-0,011 +0,068

-0,008

+0,104

-0,784-0,013

+0,016

-0,003

Hình 1: Mật độ electron trên hệ quinolin

Dựa vào mật độ electron ta dễ dàng dự đoán

phản ứng nitro hóa xảy ra ở các vị trí số 5 và

8. Tuy nhiên, vị trí số 8 đã có nhóm metyl

chiếm chỗ nên phản ứng nitro hóa quinolin

xảy ra chủ yếu ở vị trí 5 (theo sơ đồ 5).

Sơ đồ 5:

N

Cl

CH3

CH3

Cl

HNO3

xt H2SO4 N

Cl

Cl CH3

CH3

NO2

4 5

Phổ cộng hưởng 1H NMR cho thấy: 2,76 (s,

3H, 8’-CH3) là đặc trung của nhóm –CH3;

2,93 (s, 3H, 2-CH3) là đặc trưng của nhóm –

CH3; 7,48 (s, 1H, 3-H,) là đặc trưng của

nhóm –CH nhân thơm; 7,70 (s, 1H, 6-H) là

đặc trưng của –CH nhân thơm. Đặc biệt là sự

biến mất của vạch phổ của Hiđro ở vị trí số 5

so với chất 4 chứng tỏ nó đã được thay thế

bằng nhóm nitro. Từ những dữ kiện đó chúng

tôi xác định được cấu tạo của chất tổng hợp

được là đúng như công thức của 7 đã dự kiến.

Các quinolin 4 và 5 là những hợp chất có triển

vọng rất lớn trong việc sử dụng làm chất đầu

trong tổng hợp hữu cơ theo những hướng sau:

- Chất 4 và 5 đều có nhóm CH3 ở vị trí số 2,

đây là nhóm metyl hoạt động hóa nên có thể

sử dụng vào các phản ứng ngưng tụ với nhóm

cacbonyl để tạo ra những hợp chất mới.

- Chất 4 và 5 đều có nguyên tử Cl ở vị trí số 4

và số 7. Ở vị trí của Cl chúng ta có thể thay thế

nó bằng những nhóm khác nhau, đặc biệt việc

thay thế nguyên tử clo bằng các nhóm amin có

ý nghĩa rất lớn trong tổng hợp hữu cơ.

- Nhóm Nitro ở chất 5 có thể dễ dàng bị khử

thành nhóm NH2. Nó mở ra một hướng rất

quan trọng trong việc phát triển tổng hợp các

hợp chất mới từ hợp chất này.

KẾT LUẬN

Bằng phản ứng Conrad-Limpach, phản ứng

clo hóa, phản ứng nitro hóa, chúng tôi đã thu

được 02 dẫn xuất rất quan trọng của quinolin.

Đây là 02 quinolin hoàn toàn mới, chưa được

công bố trên bất kì tạp chí nào kể cả trong

nước và trên thế giới. Từ 02 quinolin này

chúng ta có thể phát triển nghiên cứu theo

nhiều hướng khác nhau để tạo ra nhiều sản

phẩm có ý nghĩa khác. Cấu trúc của 02

quinolin đã được xác định bằng phổ cộng

hưởng từ hạt nhân 1H NMR.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đỗ Đình Rãng (chủ biên), Đặng Đình Bạch, Lê

Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị

Thanh Phong, Hóa học hữu cơ 3, Nxb GD 2005.

2. Nguyễn Văn Tuyến (chủ biên), Ngô Quốc Anh,

Đặng Thị Tuyết Anh, Phạm Thị Thắm, Phạm Thế

Chính. Giáo trình hóa dược. Nxb KH & KT 2014.

3. The chemistry of aniline - Part 1- WILEY-2007.

4. Jean-Cristophe Brouet, Shen Gu, Norton P.

Peet, and John D. Williams. A Survey of Solvents

for the Conrad-Limpach Synthesis of 4-

Hydroxyquinolones. Synth Commun. Jan 1, 2009;

39(9): 5193–5196.

5. Jie Jack Li. Name Reactions. Springer 2009, pp

133-134.


64

“Công trình được hoàn thành với sự tài trợ của Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia Việt Nam

(NAFOSTED, mã số 104.01-2011.37), Chương trình (No 8) của viện hàn lâm Khoa học Nga, Quỹ Nga

dành cho nghiên cứu cơ bản (mã số 14-03-00672)”.

“This work was financially supported by the Vietnam National Fund for Development of Science and

Technology NAFOSTED (Grant No.104.01-2011.37), Programs (No 8) of Russian Academy of Sciences,

Russian Foundation of Basic Research (grant 14-03-00672)”

SUMMARY

SYNTHESIS OF SOME DERIVATIVES OF QUINOLINE

FROM 2-CHLORO-2-METHYLANILINE

Duong Nghia Bang1*, Nguyen Dang Duc1,

Hoang Lam1, Yu. A. Sayapin2, V. N. Komissarov2, V.N. Minkin2

1College of Science - TNU, 2Research Institute of Physical and Organic Chemistry at the Southern Federal University,

The organic compounds containing quinoline system are often diverse biological activities. Many

of these compounds have been used as the main ingredient in a number of drugs in circulation in

the market. Quinine(malaria medicine), Sopcain(anesthetic), plasmoxin and acrikhin(antimalarial

drugs), Saquinavir is the most efficient inhibitor for the HIV virus today. Therefore, the study of

synthetic compounds containing quinoline system is attracted many scientists inside and outside

the country strong research focus in recent times. This paper is uses method Conrad-Limpach for

the synthesis of some new quinoline derivatives from 3-chloro-2-methylaniline. The paper made

clear implementation methodology fusion, product refinement methods and especially methods of

determining the physical properties of the product as the melting temperature. The molecular

structure of the latter was established by 1H-NMR spectroscopy.

Key words: Quinoline, 3-chloro-2-methylaniline, quinolone, quinine, sovcain, plasmocin,

saquinavir, Conrad-Limpach,..

Ngày nhận bài:30/7/2014; Ngày phản biện:07/8/2014; Ngày duyệt đăng:25/11/2014

Phản biện khoa học: TS. Lành Thị Ngọc – Trường Đại học Nông Lâm - ĐHTN

* E-mail: [email protected]

Trần Hải Đăng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 65 - 69

65

XÁC ĐỊNH PHENOL TRONG DUNG DỊCH

BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾT – SẮC KÍ

Trần Hải Đăng*, Khorokhordina E.A, Rudakov O.B. Trường ĐH kiến trúc – xây dựng Voronezh, LB Nga

TÓM TẮT Hiện nay, phenol và các dẫn xuất của phenol được sử dụng rất nhiều trong các vật liệu polymer,

vật liệu kĩ thuật, vật liệu xây dựng, v.v. Chúng là các chất độc sinh học, gây nguy hiểm cho sức

khoẻ con người và mọi sinh vật sống. Vì vậy việc xác định phenol trong môi trường và các vật liệu

đang trở thành vấn đề cấp bách. Trong nghiên cứu này chúng tôi ứng dụng phương pháp chiết –

sắc kí để xác định phenol trong dung dịch hữu cơ cũng như trong dung dịch nước. Phương pháp

này dựa trên kĩ thuật chiết lỏng-lỏng ở nhiệt độ thấp kết hợp với sắc kí lớp mỏng và đo màu kĩ

thuật số. Với phương pháp mới này thì thời gian tiến hành phân tích mẫu nhanh hơn, chính xác

hơn, chí phí thấp hơn so với các phương pháp trước đây. Các hóa chất trong thí nghiệm cũng phổ

biến và ít độc tính hơn.

Từ khoá: chiết tĩnh lỏng-lỏng, phương pháp chiết – sắc kí, sắc kí lớp mỏng, đo mầu kĩ thuật số,

phenol

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Ngày nay phương pháp sắc kí đã được nghiên

cứu và ứng dụng rộng rãi để xác định phenol

trong không khí và trong các dung dịch nước.

Phenol là chất độc hại và việc xác định

phenol trong môi trường có ý nghĩa rất quan

trọng. Tuy nhiên, phenol cũng là thành phần

trong các vật liệu polyme, dầu kỹ thuật và dầu

thực vật có tác dụng chống oxy hóa ở dạng

các dẫn xuất của nó [1]. Đa số các vật liệu

này đều không tan trong nước mà chỉ tan

trong các dung môi hữu cơ như axetonitrile,

etyl axetat, hexan, butanol, butylaxetat, v.v.

Cùng với đó đặt ra vấn đề là cần chiết xuất

phenol và phân tích chúng.

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng các

hợp chất phenol có sẵn: phenol,

hydroquinone, ortho-tert-butylphenol,

resorcinol, ortho-cresol, meta-cresol, para-

cresol (hãng Merck, Đức) để thử nghiệm xác

định phenol bằng phương pháp tổng hợp chiết

– sắc kí. Phương pháp dưa trên việc sử dụng

nhiệt độ thấp trong kỹ thuật chiết tĩnh lỏng –

lỏng và sắc kí lớp mỏng kết hợp với đo màu

kĩ thuật số.

Trong phương pháp đo màu kỹ thuật số, máy

tính xử lý các hình ảnh bằng hệ thống màu

* Tel:

điện tử, nghiên cứu của chúng tôi sử dụng hệ

thống màu RGB (Red, Green, Black). Lựa

chọn này dựa trên khả năng thu nhận thuộc

tính màu sắc trực tiếp từ các thiết bị kĩ thuật

số mà không cần các phương pháp chuyển đổi

toán học như các hệ thống màu CMYK, LAB

và HSB. Hình ảnh được xử lý bởi phần mềm

đồ họa Adobe Photoshop CS3 và phần mềm

toán học MATLAB [2].

PHẦN THỰC NGHIỆM

Quy trình chiết lỏng – lỏng ở nhiệt độ thấp:

Trong một phễu có 10 ml dung dịch cần phân

tích chứa phenol nồng độ 1 mg/ml, thêm 10

ml dung dịch axetonitrile - etyl axetat (85:15)

được lắc đều trên máy lắc OS-20. Sau đó đặt

phễu vào tủ lạnh trong 30 phút ở nhiệt độ 263

± 2 oK. Sau quá trình làm lạnh, dụng dịch

trong phễu sẽ bị phân ra làm 2 pha lỏng riêng

biệt: lớp dung dịch nước ở dưới và lớp dung

dịch hữa cơ ở trên. Lớp dung dịch hữa cơ

được hút ra để làm phân tích bằng phương

pháp sắc kí lớp mỏng. Lớp dung dịch nước

cũng được hút ra để làm phân tích bằng

phương pháp trắc quang. Toàn bộ quá trình

thí nghiệm được trình bày bằng sơ đồ hình 1.

Xác định phenol bằng phương pháp sắc kí

lớp mỏng: Chúng tôi sử dụng bản sắc kí của

hãng Sorbfil kích thước 12,5×7 cm trong

dung môi là hỗn hợp axit axetic-clorofom-etyl


66

axetat (50:50:1) và 2 thuốc thử cho các phản

ứng màu:

1) Phun dung dịch hỗn hợp KMnO4 0,1N được hòa tan trong axit axetic loãng vào bản

sắc kí, phenol sẽ hiện thành những điểm màu vàng trên nền màu hồng;

2) Phun dung dịch hỗn hợp của FeCl3 – K4Fe(CN)6, phenol sẽ hiện thành những điểm

màu xanh dương trên nền màu xám [3,4].

Ngay sau khi xuất hiện vệt màu thì các bản

sắc kí sẽ được scan bằng máy scan cầm tay

ION COPYCAT. Các hình ảnh được đưa vào

máy tính để phân tích bằng phần mềm đồ họa

Adobe Photoshop (phiên bản CS3).

Dữ liệu đo màu tổng quát được trình bày

dưới dạng các biểu đồ radar với 6 trục R1, G1,

B1, R2, G2, B2 (chỉ số 1 và 2 là các phản ứng

màu) (Hình 2) [2].

Phân tích trắc quang: chúng tôi sử dụng thuốc

thử trắc quang là p-nitroaniline và tiến hành

phân tích trên máy quang phổ KFK-3 [5].

Hình 1. Quá trình phân tích


67

0

50

100

150

Phenol

R1

G1

B1

R2

G2

B2

0

50

100

150

Hydroquinone

R1

G1

B1

R2

G2

B2

0

50

100

150

ortho-tert-Butylphenol

R1

G1

B1

R2

G2

B2

0

50

100

150

Resorcinol

R1

G1

B1

R2

G2

B2

0

50

100

150

ortho-Cresol

R1

G1

B1

R2

G2

B2

0

50

100

150

para-Cresol

R1

G1

B1

R2

G2

B2

Hình 2. Biểu đồ radar của các hợp chất phenol


Kết quả phân tích trắc quang

Hệ số phân bố (D) và phần trăm chiết (R%) của các phenol thu được phù hợp với các dữ liệu của

phương pháp phân tích trước đó là chiết lỏng-lỏng sử dụng muối amoni sunfat [5] (bảng 1). Giá

trị R > 94% cho thấy đã chiết được gần như hoàn toàn lượng phenol cần phân tích.

Kết quả phân tích sắc kí lớp mỏng

Hệ số lưu (Rf) của các phenol chỉ ra khả năng dịch chuyển khác nhau trong dung môi của các

phenol có cấu trúc khác nhau (bảng 2). Từ đây mở ra khả năng xác định cấu trúc của phenol

trong dung dịch cũng như các vật liệu.

Bảng 1. Hệ số phân bố (D) và phần trăm chiết của phenol (R%); n = 5, P = 0,95

Chất C (mg/ml) D R %

Phenol 1,00 231 ± 11 99,0

Hydroquinone 1,10 49 ± 3 94,2

ortho-tert-Butylphenol 0,98 181 ± 7 98,7

Resorcinol 1,00 46 ± 4 95,2

ortho-Cresol 1,20 104 ± 5 97,8

meta-Cresol 1,00 95 ± 5 97,6

para-Cresol 1,20 112 ± 7 97,4

Bảng 2. Hệ số lưu của các phenol trong dung môi axit axetic-clorofom-etyl axetat (50:50:1)

Chất C (mg/ml) Rf

Phenol 1,00 0,70

Hydroquinone 1,10 0,64

ortho-tert-Butylphenol 0,98 0,75

Resorcinol 1,00 0,65

ortho-Cresol 1,20 0,74

meta-Cresol 1,00 0,74

para-Cresol 1,20 0,74


68

Bảng 3. Các thông số hình học đo màu cho các phenol khác nhau

Chất C (mg/ml) S P ɛ

Phenol 1,00 11590 465 0

Hydroquinone 1,10 7062 360 0,702

ortho-tert-Butylphenol 0,98 4025 273 0,506

Resorcinol 1,00 6968 344 0,547

ortho-Cresol 1,20 6523 332 0,497

meta-Cresol 1,00 6732 341 0,460

para-Cresol 1,20 15700 522 0,255

Bảng 4. Kết quả phân tích phenol bằng phương pháp chiết- sắc kí (n=5, Р=0,95)

Dung dịch Đưa ra Tìm thấy Sai số W, %

Phenol 0,1 0,0900 ± 0,0030 3,50

Hydroquinone 0,1 0,0872 ± 0,0053 6,07

ortho-tert-Butylphenol 0,1 0,0943 ± 0,0043 4,54

Resorcinol 0,1 0,0948 ± 0,0041 4,35

ortho-Cresol 0,1 0,0972 ± 0,0052 5,38

meta-Cresol 0,1 0,0888 ± 0,0073 8,28

para-Cresol 0,1 0,0904 ± 0,0038 4,20

Kết quả phân tích đo màu kĩ thuật số

Như có thể thấy từ hình 2, biểu đồ radar của

mỗi phenol khác nhau có hình dạng khác

nhau và đặc trưng cho từng phenol. Sự khác

nhau đó có thể được mô tả qua các thông số

hình học - diện tích (S), chu vi (P) và hệ số

vector gần đúng ε (bảng 3)[6]. Hệ số vector

gần đúng ε chỉ ra sự khác nhau về hình dạng

của các hình khối so với một hình khối chuẩn.

Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn hình

khối chuẩn là hình khối trong biểu đồ radar

của phenol, vì vậy hệ số vector gần đúng của

phenol bằng 0. Hệ số ε của chất nào càng lớn

thì hình dạng chất đó càng khác biểu đồ radar

của phenol. Trong kết quả thu được thì

hydroquinone có hệ số ε lớn nhất phù hợp với

thực tế về sự khác biệt màu sắc khi làm phản

ứng màu. Nhưng quan trọng hơn là phản ứng

màu sắc của các hợp chất phenol phản ánh sự

khác nhau về cấu trúc không gian.

Độ tin cậy của các kết quả trong thí nghiệm

được kiểm tra bằng phương pháp chuẩn "Đưa

ra – tìm thấy" (Bảng 4). Sai số trong các thực

nghiệm không vượt quá 10%, tương ứng với

yêu cầu trong thực nghiệm khoa học.

KẾT LUẬN

Như vậy, với việc áp dụng kĩ thuật chiết lỏng

– lỏng ở nhiệt độ thấp sử dụng dung dịch hỗn

hợp axetonitrile - etyl axetat (85:15) giúp thí

nghiệm diễn ra nhanh hơn (thời gian phân tích

chỉ mất 1 tiếng), giảm độc tính hơn so với các

phương pháp khác trước đây [5]. Sự kết hợp

kĩ thuật này cùng phương pháp sắc kí lớp

mỏng và đo màu kĩ thuật số làm tăng hiệu qủa

độ chính xác trong quá trình phân tích.

Ứng dụng phương pháp chiết – sắc kí đã mở

ra một hướng đi mới trong việc xác định cấu

trúc và hàm lượng phenol của dung dịch cũng

như của các vật liệu với các ưu điểm: thiết bị

đơn giản, giá thành thấp, tiến hành nhanh

chóng, độ chính xác cao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Хорохордина Е.А., Фан Винь Тхинь, Рудаков

О.Б., Подолина Е.А. Контроль свободных

фенолов в строительных полимерах // Вестник

ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. –

2008. – 1. – С. 47-54.

2. Рудаков О.Б., Рудакова Л.В., Кудухова И.Г.,

Головинский П.А., Хорохордина Е.А., Грошев

Е.Н. Усовершенствование способа определения

фенолов по цветным реакциям с применением

цифровых технологий // Аналитика и контроль. –

Т. 16, 4. – С. 570-579.

3. Шаршунова М., Шварц В., Михалец Ч.

Тонкослойная хроматография в фармации и

клинической биохимии. М.: Мир, 1980. – Т.1.

– 295 с.

4. Руководство по современной тонкослойной

хроматографии / под ред. О.Г. Ларионова. –

М.: Химия, 1994. – 311 с.


69

5. Е.А. Подолина, О.Б. Рудаков, Е.А.

Хорохордина, Л.А. Харитонова Применение

ацетонитрила для извлечения двухатомных

фенолов из водно-солевых растворов и анализа

методом ВЭЖХ // Журнал Аналитической

химии, 2008, Т. 63. 5, С. 514-518.

6. Головинский П.А. Когерентный нейрон и

распознавание образов // Вестник

Воронежского государственного технического

университета. 2005. 9. С. 115-117.

SUMMARY

DETERMINATION OF PHENOLS IN SOLUTIONS

BY METHOD EXTRACT - CHROMATOGRAPHY

Tran Hai Dang*, Khorokhordina E.A, Rudakov O.B.

Voronezh State University of Architecture and Construction

Today, phenol derivatives are widely used in various fields such as polymer materials, engineering

materials, and constructions materials because of their…. The toxicity of phenol derivatives leads

to the need of a method for determining the concentration of these compounds in the environment

and materials. This study presents a new chromatography extraction method to quantitatively

determined phenol derivatives in solution and aqueous solution. The method is based on the

combination of liquid-liquid extraction technique and other techniques like low-temperature thin-

layer chromatography and digital colorimetric. The advantage of this method is that it uses

common and less toxic chemicals but still provides a faster, more accurate analysis with lower cost

in comparison with previous methods.

Key words: liquid-liquid extraction static, method extracts - chromatography, thin-layer

chromatography, digital colorimetry, phenols


Phản biện khoa học: TS. Mai Xuân Trường – Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN

* Tel:


70

Trần Thị Phả và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 71 - 76

71

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TINH DẦU CAM, BƯỞI XỬ LÝ RÁC THẢI XỐP

Trần Thị Phả*, Vũ Văn Biển,

Nguyễn Thị Hảo, Hứa Văn Đáo, Vương Văn Ánh Trường Đại học Nông Lâm - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trung bình khi chưng cất 10kg nguyên liệu vỏ cam, bưởi thì thể tích tinh dầu thu được lần lượt là:

249,7ml và 220ml. Thể tích tinh dầu tối ưu là 10ml để xử lý 5g xốp, thời gian trung bình để xử lý

của tinh dầu cam là 4,18 phút và tinh dầu bưởi là 4,79 phút. Tinh dầu sau khi xử lý xốp có thể thu

hồi tới 95% đến 96% và có thể tái sử dung. Vì vậy, sử dụng tinh dầu để xử lý xốp phế thải thay thế

cho acetone đã mở ra một một hướng đi mới đầy triển vọng trong lĩnh vực môi trường bởi hiệu

quả xử lý xốp cao, tiết kiệm, có thể tái thu hồi, đặc biệt là không ảnh hưởng tới môi trường và sức

khỏe con người.

Từ khóa: Chưng cất, tinh dầu cam bưởi, xử lý xốp

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Từ xa xưa, người ta đã biết đến công dụng

làm đẹp và chăm sóc sức khoẻ của tinh dầu

bưởi, cam nhưng ít ai biết rằng tinh dầu còn

có khả năng xử lý xốp – một loại chất thải

khó bị phân huỷ trong điều kiện bình

thường. Nghiên cứu tiến hành nhằm mục

đích nghiên cứu khả năng xử lý xốp bằng

tinh dầu cam, bưởi.

NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu cam, bưởi.

- Tinh dầu từ vỏ bưởi

Nội dung nghiên cứu và cac chỉ tiêu theo dõi

- Theo dõi và đánh giá quá trình xử lý xốp

của tinh dầu bưởi, cam và acetone.

- So sánh giữa khả năng xử lý xốp của tinh

dầu với acetone.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp

Thu thập các tài liệu, số liệu có liên quan đến

các vấn đề nghiên cứu.

Phương pháp kế thừa:

Kế thừa và tham khảo các kết quả đã đạt

được của các báo cáo, đề tài có liên quan đến

vấn đề nghiên cứu.

Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp

* Tel:

Phương pháp chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi,

cam: Sử dụng phương pháp chưng cất lôi

cuốn hơi nước không có nồi hơi riêng.

Phương pháp bố trí thí nghiệm: Thực hiện thí

nhiệm xử lý xốp bằng tinh dầu cam, bưởi và

so sánh với acetone.

Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu được tổng hợp, phân tích và xử lý

bằng phần mềm MS Excel và SAS 9.0

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Quy trình chưng cất tinh dầu

Công đoạn cơ bản của quá trình chưng cất

tinh dầu cam, bưởi.

B1: Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu dùng

để chưng cất là vỏ cam, bưởi. Mỗi mẻ chưng

cất cần khoảng 10kg nguyên liệu và nghiền

nhỏ nhằm mục đích giải phóng tinh dầu ra

khỏi mô để khi chưng cất tinh dầu dễ thoát ra,

từ đó rút ngắn thời gian chưng cất và đạt hiệu

quả cao.

B2: Ngâm nguyên liệu: Nguyên liệu được

ngâm vào dung dịch NaCl (10%) trong 3 giờ.

Công đoạn này là làm cho tinh dầu thẩm thấu

đi từ túi tiết ra bên ngoài, giúp cho quá trình

chưng cất tinh dầu được triệt để hơn.

B3: Nạp liệu: Nguyên liệu nạp vào thiết bị

được chứa bởi hệ thống vỉ đỡ để ngăn cách

với lớp nước bên dưới đáy nồi. Nguyên liệu

chứa trong thiết bị không vượt quá 85% dung

tích thiết bị. Không được nạp nguyên liệu


72

chặt quá làm cho hơi khó phân phối đều trong

toàn bộ khối nguyên liệu và không được quá

lỏng, quá xốp sẽ làm cho hơi dễ dàng theo

những chỗ rỗng đi ra mà không tiếp xúc với

toàn khối nguyên liệu.

B4: Chưng cất: Khi bắt đầu chưng cất cần

cung cấp nhiệt lượng lớn để làm sôi nước

chưng cất. Sau đó hạ nhiệt độ, duy trì nước ở

nhiệt độ sôi vì khi ở nhiệt độ cao tinh dầu dễ

dàng bị phân hủy. Vì vậy, cần theo dõi đồng

hồ đo nhiệt độ nồi hơi và duy trì ở mức 95-

1000C. Khi sôi, hơi nước kéo theo tinh dầu,

hỗn hợp hơi này được dẫn vào hệ thống làm

lạnh, ta sẽ thu được hỗn hợp nước, tinh dầu vào

một bình thủy tinh. Cần điều chỉnh nhiệt độ

dịch ngưng nằm trong khoảng 30 - 400C vì nếu

dịch ngưng quá nóng sẽ làm bay hơi tinh dầu.

B5. Tháo bả: Sau khi chưng cất xong cần tắt

lửa, để nguội 15 - 30 phút, mở nắp và tháo bã,

sau đó dùng nước sạch vệ sinh thiết bị.

B6. Tách tinh dầu: Do có tỉ trọng nhỏ hơn,

tinh dầu nổi nên trên. Vì vậy có thể hút tinh

dầu một cách dễ dàng. Tinh dầu cam, bưởi

cần bảo quản trong các chai lọ có màu, tránh

tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng, không khi.

Kết quả chưng cất tinh dầu

Kết quả chưng cất tinh dầu cam, bưởi được

thể hiện dưới bảng 1:

Bảng 1: Kết quả chưng cất tinh dầu cam, bưởi

TT Chỉ số khảo nghiệm ĐV

tính

Kết quả các mẻ khảo nghiệm Trung

bình Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 Khối lượng vỏ bưởi kg 10 10 10 10

2 Lượng nước cho vào nồi lít 4 4 4 4

3 Thời gian đạt sôi phút 35 35 35 35

4 Thời gian cất kiệt phút 180 180 180 180

5 Nhiệt độ chưng cất oC 95 - 100 95 - 100 95 - 100 95 - 100

6 Lượng than tiêu thụ viên 3 3 3 3

7 VTD bưởi

VTD cam

ml 235

250

210

256

215

243 220

249,7

Qua bảng số liệu trên ta thấy, khi chưng cất 10kg nguyên liệu vỏ cam và 10kg vỏ bưởi trong cùng

một điều kiện thì lượng tinh dầu thu được của vỏ cam nhiều hơn so với vỏ bưởi. Trung bình khi

chưng cất 10kg vỏ cam ta thu được 249,7ml tinh dầu nhiều hơn 29,7ml so với vỏ bưởi.

Kết quả xử lý xốp của tinh dầu

Kết quả xử lý xốp của tinh dầu bưởi

Kết quả xử lý xốp của tinh dầu bưởi được thể hiện ở bảng dưới đây:

Bảng 2: Kết quả xử lý xốp của tinh dầu bưởi

Lượng tinh dầu (ml) Thời gian xử lý hoàn toàn (phút) Thời gian xử lý trung

bình (phút) Nhắc lại 1 Nhắc lại 2 Nhắc lại 3

CT1: 5ml 13,5 12,75 13,05 13,10 ± 0,38a

CT2: 10ml 4,8 4,93 4,63 4,79 ± 0,15b

CT3: 15ml 4,08 4,2 4,05 4,11 ± 0,08c

LSD0.05 0,48

Ghi chú: Các chỉ số a, b, c (theo cột) không có sự sai khác có ý nghĩa ở độ tin cậy 95%.

- Ở CT1: Thời gian cần thiết để xử lý hoàn toàn 5g xốp ở 3 lần nhắc lại lần lượt là 13,3 phút;

12,75 phút và 13,05 phút. Thời gian xử lý trung bình đạt 13,10 phút. Tốc độ xử lý ở CT1 chậm và

phải tiến hành đảo trộn liên tục.


73

- Ở CT2: Khi tăng thể tích tinh dầu bưởi lên 10ml để xử lý 5g xốp thì thời gian cần thiết để xử lý

hoàn toàn lượng xố đó giảm đáng kể so với CT1 ở cả 3 lần nhắc lại và lần lượt là 4,8 phút; 4,93

phút và 4,63 phút. Thời gian xử lý trung bình đạt 4,79 phút.

- Ở CT3: Tiếp tục tăng thể tích tinh dầu lên 15ml để xử lý 5g xốp ta thấy thời gian cần thiết để xử

lý hoàn toàn lượng xốp đó tuy có giảm so với CT2 ở cả 3 lần nhắc lại nhưng không đáng kể và

lần lượt là 4,08 phút; 4,2 phút và 4,05 phút. Thời gian xử lý trung bình đạt 4,11phút.

Kết quả xử lý xốp của tinh dầu cam

Bảng 3: Kết quả xử lý xốp của tinh dầu cam

Lượng tinh dầu

(ml)

Thời gian xử lý hoàn toàn (phút) Thời gian xử lý

trung bình (phút) Nhắc lại 1 Nhắc lại 2 Nhắc lại 3

CT1: 5ml 8,83 8,63 8,75 8,74 ± 0,1a

CT2: 10ml 4,25 4,1 4,2 4,18 ± 0,08b

CT3: 15ml 3,58 3,03 3,75 3,45 ± 0,38c

LSD0,05 0,46

Ghi chú: Các chỉ số a, b, c (theo cột) không có sự sai khác có ý nghĩa ở độ tin cậy 95%.

Qua bảng số liệu trên ta thấy:

- Ở CT1: khi sử dụng 5 ml tinh dầu cam để xử

lý 5g xốp thì thời gian cần thiết để xử lý

hoàn toàn trong điều kiện đảo trộn liên tục

ở 3 lần nhắc lại lần lượt là 8,83 phút; 8,63

phút và 8,75 phút. Thời gian xử lý trung

bình đạt 8,74 phút.

- Ở CT2: khi tăng thể tích tinh dầu cam lên

10ml để xử lý 5g xốp thì thời gian cần thiết để

xử lý hoàn toàn lượng xốp đó giảm đáng kể

so với CT1ở cả 3 lần nhắc lại và lần lượt là

4,25 phút; 4,1 phút và 4,2 phút. Thời gian xử

lý trung bình đạt 4,18 phút.

- Ở CT3: Tiếp tục tăng thể tích tinh dầu lên

15ml để xử lý 5g xốp ta thấy thời gian cần

thiết để xử lý hoàn toàn lượng xốp đó giảm

nhẹ hơn so với CT2 ở cả 3 lần nhắc và lần

lượt là 4,08 phút; 4,2 phút và 4,05 phút. Thời

gian xử lý trung bình đạt 4.11phút.

* Nhận xét:

- Khi cho cùng một thể tích tinh dầu bưởi và

cam để xử lý một khối lượng xốp nhất định

thì thời gian xử lý xốp của tinh dầu bưởi lớn

hơn nhiều so với tinh dầu cam. Điều này đã

chứng minh được rằng khả năng xử lý xốp

của tinh dầu cam tốt hơn bưởi.

- Trong 3 CT thí nghiệm sử dụng 3 mức tinh

dầu cam, bưởi khác nhau là 5ml, 10ml và 15

ml để xử lý cùng một lượng xốp là 5g thì ở

CT2 (10ml tinh dầu xử lý 5g xốp) sẽ mang lại

hiệu quả tối ưu nhất về thời gian cũng như

lượng tinh dầu cần thiết để xử lý xốp vì:

+ Ở CT1: Thời gian cần thiết để xử lý hoàn toàn

xốp lớn hơn rất nhiều so với CT2 và trong quá

trình đó phải tiến hành đảo trộn liên tục.

+ Ở CT3: Tuy thời gian xử lý xốp được rút

ngắn nhưng không đáng kể mà lượng tinh dầu

sử dụng lại lớn hơn 33.33% so với CT2. Vì

vậy CT này sẽ gây lãng phí một lượng tinh

dầu đáng kể.

- Kết quả lý xốp của 2 loại tinh dầu cam và

bưởi rất tốt, thời gian xử lý chỉ kéo dài trong

vài phút, hiệu quả xử lý tương đối cao. Điều

quan trọng là tinh dầu là một hợp chất tự nhiên,

không gây độc hại tới sức khỏe con người cũng

như có lợi cho môi trường sinh thái.

So sánh khả năng xử lý xốp giữa tinh dầu

và acetone

Để so sánh giữa khả năng xử lý xốp tại mức

tối ưu của tinh dầu (10ml/5g xốp) so với

acetone, chúng tôi sử dụng 10ml acetone để

xử lý 5g xốp, kết quả xử lý được thể hiện

dưới bảng số liệu sau:


74

Bảng 4: Kết quả xử lý xốp của acetone và tinh dầu cam bưởi

Lần nhắc lại Thời gian xử lý (phút)

Acetone Cam Bưởi

Nhắc lại 1 2,23 4,25 4,8

Nhắc lại 2 2,25 4,1 4,93

Nhắc lại 3 2,33 4,2 4,63

Trung bình 2,27 4,18 4,79

Bảng 5: Kết quả thí nghiệm chưng cất thu hồi tinh dầu sau khi xử lý xốp

TT Chỉ số khảo nghiệm ĐV

tính

Kết quả khảo nghiệm Trung

bình Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 Khối lượng xốp g 10 10 10 10

2 Thể tích tinh dầu sử dụng ml 20 20 20 20

3 Lượng nước cho vào ml 50 50 50 50

4 Thời gian sôi phút 12 13 11 12

5 Thời gian kết thúc thí nghiệm phút 60 60 60 60

6 Lượng tinh dầu thu được. ml 19 19.25 19.1 19.12

* Nhận xét: Qua quá trình nghiên cứu, phân tích

khả năng xử lý xốp của 3 loại nguyên liệu là:

tinh dầu bưởi, tinh dầu cam và acetone ta thấy:

- Thời gian trung bình để xử lý hoàn toàn 5g

xốp của acetone là 2.27 phút, trong khi đó,

tinh dầu cam phải mất tới 4.18 phút và tinh

dầu bưởi là 4.79 phút. Qua đó ta thấy Acetone

có khả năng xử lý xốp tốt hơn so với 2 loại

tinh dầu.

- Hiệu quả xử lý xốp của acetone cao nhưng

nó lại là một hóa chất độc hại, nếu nồng độ

acetone trong không khí quá cao, chỉ cần hít

thở trong thời gian ngắn cũng gây ảnh hưởng

tới sức khỏe như ói mửa, dị ứng da... Với

nồng độ rất nhỏ (500-1000ppm) hơi acetone

cũng gây kích thích niêm mạc của mũi, họng,

có thể thở chậm, khó thở… Nếu bất cẩn vào

mắt sẽ gây tổn thương giác mạc, ngứa, chảy

nước mắt. Vì vậy, việc sử dụng acetone trong

xử lý và tái chế xốp hiện nay vẫn còn hạn chế

do chi phí cao và acetone là hóa chất độc hại

cho con người cũng như sinh vật.

Qua trình xử lý xốp bằng tinh dầu bưởi, cam

- Kết quả phân tích 2 mẫu tinh dầu đã chứng

minh limonene trong tinh dầu là thành phần

chủ yếu để xử lý xốp. Và xốp được xử lý bởi

tinh dầu chỉ bằng sự hòa tan vật lý mà không có

bất kỳ quá trình phản ứng hóa học nào xảy ra.

- Để khẳng định cơ chế xử lý xốp của tinh dầu

cam, bưởi chỉ là sự hòa tan vật lý thông

thường, chúng tôi làm thí nghiệm tại phòng

thí nghiệm khoa Môi trường - Trường Đại

học Nông Lâm Thái Nguyên để chứng minh

như sau:

Chuẩn bị nguyên liệu, dụng cụ.

+ Dụng cụ: cân, đèn cồn, hệ thống làm lạnh

dịch ngưng, giá đỡ, bình tam giác…

+ Nguyên liệu: xốp thải, tinh dầu bưởi, nước.

Các bước tiến hành:

B1: Cân 10g xốp và cho vào bình tam giác và

sử dụng 20ml tinh dầu để xử lý chúng. Cho

thêm vào hỗn hợp 50ml nước.

B2: Lắp đặt hệ thống thí nghiệm thu hồi

lượng tinh dầu

B3: Sử dụng đèn cồn đun hỗn hợp tinh dầu,

xốp và nước. Khi bắt dầu chú ý hơ đều toàn

bộ bình tam giác để trong quá trình đun bình

tam giác không bị rạn, nứt. Đun với nhiệt độ

vừa phải để tránh hỗn hợp trào nên hệ thống

làm lạnh.

B4: Khi hỗn hợp bắt đầu sôi, mở van cho

nước đi qua hệ thống làm lạnh để thu hồi hỗn

hợp tinh dầu, nước. Để kiểm tra đã kết thúc

thí nghiệm chưa có thể nhỏ dịch ngưng vào

một cốc đựng nước, nếu thấy không còn váng

dầu nữa thì thí nghiệm kết thúc.

B5: Tách tinh dầu ra khỏi hỗn hợp và đo thể

tích tinh dầu thu được.


75

Bảng 6: Hiệu quả xử lý xốp bằng tinh dầu cam, bưởi

STT Khoản chi Đơn vị Sồ lượng Đơn giá (vnđ) Thành tiền (vnđ)

1 Than tổ ong viên 30 2.000 60.000

2 Điện Kw 4 2.500 10.000

3 Hao hụt máy móc 10.000 10.000

4 Nhân công Kg 100 2.000 200.000

Tổng 280.000

Kết quả thí nghiệm

Thể tích tinh dầu thu được khi tiến hành thí

nghiệm với 3 lần nhắc lại được thể hiện qua

bảng 5:

Từ bảng số liệu trên ta thấy:

- Khi sử dụng 20ml tinh dầu để xử lý 10g

xốp, sau đó làm thí nghiệm thu hồi lượng tinh

dầu đó thì kết quả thu được rất khả quan. Lần

1 thu được 19ml, lần 2 là 19.25ml và lần 3 là

19.1 ml trong tổng số 20ml ban đầu sử dụng.

Hiệu suất thu hồi lần lượt đạt 95%; 96,25%

và 95,5%.

- Kết quả thí nghiệm đã chứng minh cơ chế

của quá trình xử lý xốp của tinh dầu chỉ là sự

hòa tan vật lý thông thường mà không có bất

cứ một phản ứng hóa học nào xảy ra. Vì sau

khi cho 20ml tinh dầu bưởi để xử lý 10g xốp

và tiến hành thí nghiệm như trên chúng ta gần

như thu lại hoàn toàn lượng tinh dầu.

- Chúng tôi đã tái sử dụng tinh dầu thu được

để xử lý xốp. Kết quả cho thấy thời gian và

hiệu quả xử lý xốp của tinh dầu thu hồi hoàn

toàn không có sự thay đổi nào. Theo kết quả

trên ta có thể tiết kiệm được tới 95% lượng

tinh dầu khi xử lý xốp, đồng nghĩa với việc

chỉ hao hụt khoảng 5% tinh dầu cho việc hòa

tan hoàn toàn một khối lượng xốp nhất định.

Hiệu quả kinh tế khi sử dung tinh dầu cam,

bưởi xử lý xốp

Các khoản cần chi để chưng cất 10 mẻ tinh

dầu cam (thể tích tinh dầu thu được là 2,5 lít)

hoặc tinh dầu bưởi(thể tích tinh dầu thu được

là 2,2 lít) được thể hiện dưới bảng 6.

Nhìn vào bảng trên ta thấy:

- Để chưng cất được 2,5 lít tinh dầu cam cần

một khoản chi phí là 280.000vnd tương ứng

với 112.000vnd/ lít.

- Để chưng cất được 2,2 lít tinh dầu bưởi cần

một khoản chi phí là 280.000vnd tương ứng

với 127.000vnd/ lít.

* So sánh hiệu quả kinh tế khi sử dụng tinh

dầu để xử lý xốp so với acetone.

- Giá acetone hiện nay rên thị tường là

120.000vnd/lít. Để xử lý 1kg xốp cần dùng 2

lít acetone tương ứng với sồ tiền cần dùng để

xử lý xốp là 240.000vnd.

- Để xử lý 1kg xốp cần 2lít tinh dầu. Tương

ứng với số tiền cần dùng là 224.000vnd đối

với tinh dầu cam và 254.000vnd đối với tinh

dầu bưởi. Tuy nhiên, lượng tinh dầu sau khi

sử dụng để xử lý xốp thải có thể thu hồi tới

95%. Đồng nghĩa với việc để xử lý 1kg xốp

chỉ mất 11.200vnđ đối với tinh dầu cam và

12.700vnđ với tinh dầu bưởi.

Khi sử dụng tinh dầu thì chi phí để xử lý xốp

giảm 94.7% - 95.3% so với acetone. Vì vậy,

sử dụng tinh dầu cam, bưởi để xử lý xốp thay

thế cho acetone là một hướng đi mới thân thiện

với môi trường và tiết kiệm chi phí tái chế.

KẾT LUẬN

Trung bình khi chưng cất 10kg vỏ cam ta thu

được 249,7ml tinh dầu nhiều hơn 29,7ml so

với vỏ bưởi. Kết quả phân tích thành phần

hoá học trong tinh dầu đã chứng minh

Limonene là chất chiếm thành phần phần

trăm lớn nhất và chiếm 94,22% trong tinh dầu

cam và 72,05% trong tình dầu bưởi.

Trong 3 công thức thí nghiệm về khả năng xử

lý xốp của tinh dầu thì ở CT2 (10ml tinh dầu

xử lý 5g xốp) là công thức mang lại hiệu quả

tối ưu nhất về thời gian cũng như lượng tinh

dầu cần sử dụng. Tinh dầu sau khi xử lý xốp

có khả năng thu hồi tới 95%-96% mà có thể

tái sử dụng được.


76

Acetone có khả năng xử lý xốp tốt hơn tinh

dầu. Tuy nhiên, chi phí tái chế cao và acetone

là hóa chất độc hại cho con người cũng như

sinh vật. Vì vậy, sử dụng tinh dầu để xử lý

xốp phế thải thay thế cho acetone đã mở ra

một một hướng đi mới đầy triển vọng trong

lĩnh vực môi trường bởi hiệu quả xử lý xốp

cao, tiết kiệm, có thể tái thu hồi, đặc biệt là

không ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe

con người.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vương Ngọc Chính (2005), Hương liệu mỹ

phẩm, Nxb Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

2. Lê Thị Ngọc Duyên (2011), Nghiên cứu ly

trích tinh dầu từ vỏ quả quất bằng phương pháp

chưng cất lôi cuốn hơi nước, Luận văn tốt nghiệp

đại học, Trường ĐH Đồng Tháp.

3. Lê Thị Anh Đào, Đặng Văn Liếu (2005), Thực

hành Hóa học, Nxb ĐH Sư phạm.

4. Nguyễn Minh Hoàng (2006), Khảo sát tinh dầu

vỏ trái giống Citrus họ rutaceae. Đề tài nghiên cứu

khoa học cấp cơ sở, Đại học Mở TP. Hồ Chí Minh.

5. Lê Ngọc Thạch (2003), Tinh dầu, Nxb ĐHQG

TP. Hồ Chí Minh.

SUMMARY

STUDY ON USAGE OF ESSENTIAL OIL OF ORANGE AND GRAPEFRUIT

FOR DEALING STYROFOAM WASTE

Tran Thi Pha*, Vu Van Bien,

Nguyen Thi Hao, Vuong Van Anh, Hua Van Dao College of Agriculture and Forestry - TNU

Average distillation of 10kg raw orange peel and grapefruit were obtained essential oil volume of

249,7 ml and 220ml, respectively. Optimal volume of essential oil for dealing 5g styrofoam are

10ml. The average time for dealing styrofoam is 4,18 minutes and 4,79 minutes in essential oil of

orange and grapefruit, respectively. Essential oils after dealing the styrofoam can be recovered up

to 95% - 96% which can still reuse. So, using essential oils to treat styrofoam waste can be

replaced acetone chemical, it was opened a promising new direction in the field of environment

and high efficiency processing, saving, renewable, especially it is not affect the environment and

human health.

Keywords: Distilling, Essential oi of orange and grape fruit, dealing Styrofoam


Phản biện khoa học: PGS.TS Lương Văn Hinh – Trường Đại học Nông Lâm - ĐHTN

* Tel:

Vũ Thị Hậu Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 77 - 84

77

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II)

CỦA QUẶNG MANGAN CAO BẰNG

Vũ Thị Hậu*

Trường Đại học Sư Phạm - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu hấp phụ ion Cr(VI) và ion Ni(II) của chất hấp phụ là

quặng mangan Cao Bằng. Các thí nghiệm được tiến hành với các thông số sau: khối lượng vật liệu

hấp phụ: 1,0g; thể tích dung dịch Cr(VI) hoặc Ni(II): 25 mL; tốc độ lắc: 200 vòng/phút; thời gian

đạt cân bằng hấp phụ đối với cả 2 ion trên là 90 phút ở nhiệt độ phòng (25±10C); pH hấp phụ tốt

nhất với Ni(II) là 5 ÷ 5,5; Cr(VI) là 2,0. Kết quả nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại

của quặng mangan Cao Bằng đối với Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir là 1,692

mg/g; đối với Ni(II) là 1,845 mg/g.

Từ khóa: hấp phụ, Cr(VI), Ni(II), quặng mangan Cao Bằng

MỞ ĐẦU*

Hiện nay vấn nạn ô nhiễm môi trường nước

do các kim loại nặng là khá nghiêm trọng,

chúng có thể xâm nhập vào cơ thể người qua

đường hô hấp, đường miệng, qua da,.. với

hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây

rối loạn chức năng sinh lý của cơ thể sống,

gây các bệnh ung thư, thần kinh. Do vậy, việc

nghiên cứu loại bỏ chúng ra khỏi môi trường

nước có ý nghĩa hết sức quan trọng.

Đã có nhiều phương pháp xử lý nguồn nước

bị ô nhiễm kim loại như phương pháp sinh

học, kết tủa hóa học, lọc màng, hấp

phụ,...phương pháp hấp phụ cho đến nay vẫn

được xem là phương pháp hiệu quả vì vật liệu

sử dụng làm chất hấp phụ khá phong phú, dễ

điều chế, thân thiện với môi trường và có độ

an toàn cao. Việc sử dụng các vật liệu tự

nhiên, phổ biến, giá thành rẻ như phế thải

nông nghiệp (lõi ngô, vỏ lạc, vỏ trấu…), các

loại zeolit, than tro bay, rong biển… để xử lý

chất ô nhiễm nhận được sự quan tâm của

nhiều nhà khoa học [3-7].

Ở Việt Nam, khoáng sản kim loại rất phong

phú và đa dạng [8], phân bố ở nhiều tỉnh

thành trong cả nước [1] trong đó có quặng

mangan. Mỏ mangan Cao Bằng có trữ lượng

lớn, giá thành rẻ [9]. Tuy nhiên, các loại

quặng nói chung và quặng này nói riêng mới

chỉ được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản


xuất công nghiệp, việc nghiên cứu sử dụng

trực tiếp quặng tự nhiên làm chất hấp phụ và

xúc tác còn ít được quan tâm. Bài báo này

trình bày các kết quả nghiên cứu hấp phụ

Cr(VI) và Ni(II) sử dụng quặng mangan Cao

Bằng làm chất hấp phụ.

THỰC NGHIỆM

Hóa chất và thiết bị nghiên cứu

Hóa chất:

NiSO4.6H2O, dung dịch NH3, dung dịch brom

bão hoà, đimetylglyoxim, Kalidicromat

K2Cr2O7, axit H3PO4, dung dịch H2SO4 1:1,

dung dịch 1,5 – điphenylcarbazide, dung dịch

NaOH 0,1M; dung dịch HNO3 0,1M. Tất cả

hóa chất nêu trên đều có độ tinh khiết PA và

được chuẩn bị thành các dung dịch có nồng

độ xác định.

Thiết bị nghiên cứu: Máy nghiền bi RETSCH

PM-100 (Đức), thiết bị rây, cân phân tích 4 số

Precisa XT 120A (Thụy Sĩ), máy lắc IKA

KS260 (Đức), máy đo pH Precisa pH900

(Thụy Sĩ) , tủ sấy, máy đo quang UV mini

1240 (Shimadzu - Nhật Bản).

Chất hấp phu

Chất hấp phụ được sử dụng trong nghiên cứu

này là quặng mangan lấy ở mỏ Rọong Tháy,

huyện Trùng Khánh, tỉnh Cao Bằng (Mn-CB)

được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi, phân

loại hạt với kích thước d ≤ 63 µm, rửa sạch

bằng nước cất, sấy khô, bảo quản trong lọ


78

polietilen, sau đó được xác định thành phần

hóa học chính và một số đặc trưng như ghi

phổ nhiễu xạ tia X (XRD), diện tích bề mặt

riêng (BET), điểm đẳng điện.

Quy trình thực nghiệm và các thí nghiệm

nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm

Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:

- Thể tích dung dịch Cr(VI) hoặc Ni(II): 25

mL với nồng độ xác định

- Lượng chất hấp phụ: 1g

- Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ

phòng, sử dụng máy lắc với tốc độ 200

vòng/phút

Các thí nghiệm nghiên cứu

+ Xác định điểm đẳng điện của Mn-CB:

Chuẩn bị các dung dịch NaCl 0,1M có pH

tăng dần từ 1,15 đến 11,98. Lấy 12 bình nón

cho vào mỗi bình 1,0g Mn - CB. Sau đó cho

lần lượt vào các bình nón 25ml dung dịch có

pH tăng dần đã chuẩn bị sẵn, để trong vòng

48h rồi xác định lại pH của các dung dịch trên

+ Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của Mn-CB:

- Thời gian đạt cân bằng hấp phụ

- Ảnh hưởng của pH

- Ảnh hưởng của nồng độ đầu Cr(VI), Ni(II)

và xác định dung lượng hấp phụ cực đại.

+ Động học hấp phụ Cr(VI), Ni(II) trên Mn-CB

Nồng độ Cr(VI), Ni(II) trước và sau hấp phụ

được xác định bằng phương pháp đo mật độ

quang ở bước sóng tương ứng 540, 536 nm.

Hiệu suất hấp phụ của quá trình hấp phụ được

tính theo công thức:

.100C

CCH

o

to

Trong đó:

- H: hiệu suất hấp phụ (%)

- Co, Ct: nồng độ đầu và nồng độ tại thời điểm

t của dung dịch Cr(VI), Ni(II) (mg/L)

Dung lượng hấp phụ cực đại của mỗi ion

kim loại trên được xác định dựa vào phương

trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng

tuyến tính:

bq

1C

q

1

q

C

max

e

max

e

Trong đó:

- q, qmax: dung lượng hấp phụ và dung lượng

hấp phụ cực đại

- Ce: nồng độ tại thời điểm cân bằng của dung

dịch Cr(VI) hoặc Ni(II)

- b: hằng số

Vẽ đồ thị Ce/q = f(Ce) từ đây ta tính được

dung lượng hấp phụ cực đại của chất hấp phụ

đối với Cr(VI) hoặc Ni(II).


Một số đặc trưng của Mn-CB

Kết quả xác định thành phần hoá học chính

của Mn-CB được cho trong bảng 1: hàm lượng

Mn lớn (41%), hàm lượng Fe thấp (5,7%).

Kết quả nhiễu xạ tia X cho biết trong Mn-

CB, mangan ôxit tồn tại ở dạng alpha.

Diện tích bề mặt riêng của Mn-CB đo được

theo phương pháp BET là 44 m2/g.

Kết quả xác định điểm đẳng điện của Mn-CB

được chỉ ra ở hình 1.

Từ kết quả ở hình 1 ta thấy điểm đẳng điện

của Mn - CB là pI = 6,3. Điều này cho thấy

khi pH < pI thì bề mặt Mn - CB tích điện

dương, khi pH > pI thì bề mặt Mn - CB tích

điện âm.

Bảng 1. Thành phần hóa học chính của Mn-CB

Thành phần Mn Fe SiO2 Khác

Thành phần khối lượng (%) 41 5,7 20,1 33,2


79

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 2 4 6 8 10 12 14

pHbd

pH

bd

- p

Hc

b

Hình 1. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của Mn-CB

Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phu Cr(VI) và Ni(II) của Mn-CB

Ảnh hưởng của thời gian

Tiến hành các thí nghiệm hấp phụ với nồng độ đầu của Cr(VI) là 51,390 mg/L, của Ni(II) là

50,880 mg/L; khối lượng Mn-CB là (1,0g/25mL); nhiệt độ phòng (25±10C); thời gian hấp phụ

khác nhau (10, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 150 phút). Kết quả được trình bày ở hình 2.

0.2

0.3

0.3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.6

0.6

0.7

0.7

0 50 100 150 200

Thời gian (phút)

q (

mg

/l)

0.3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.6

0.6

0.7

0.7

0.8

0.8

0 50 100 150 200

Thời gian (phút)

q (

mg

/l)

Hình 2. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào thời gian đối với Cr(VI) (a) và Ni(II) (b)

Bảng 2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của Mn-CB

Ion pH Co

(mg/l)

Ccb

(mg/l)

q

(mg/g)

H

(%)

Ni(II)

1,05 52,081 24,854 0,681 52,278

2,03 52,081 23,468 0,715 54,939

3,06 52,081 21,960 0,753 57,835

4,02 52,081 20,914 0,779 59,843

5,00 52,081 19,309 0,819 62,925

6,02 52,081 17,631 0,861 66,147

Cr(VI)

1,05 51,390 25,759 0,641 49,875

1,98 51,390 23,693 0,692 53,896

3,04 51,390 25,124 0,657 51,111

4,06 51,390 26,852 0,613 47,749

5,05 51,390 28,258 0,578 45,013

6,03 51,390 30,888 0,513 39,895

Kết quả hình 2 cho thấy trong khoảng thời gian khảo sát từ 10 ÷ 150 phút thấy quặng mangan

Cao Bằng hấp thụ khá tốt ion Ni(II), Cr(VI). Dung lượng hấp phụ đều tăng theo thời gian. Từ

10÷90 phút dung lượng hấp phụ tăng nhanh, từ 90 phút đến 150 phút tăng chậm và dần ổn định

(quá trình hấp phụ đã đạt cân bằng). Từ đây xác định được thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối

với Cr(VI) và Ni(II) là 90 phút.


80

Ảnh hưởng của pH

Tiến hành sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) với khối lượng Mn-CB xác định (1,0g/25mL dung dịch);

pH thay đổi từ 1 đến 6; nhiệt độ phòng (25±10C); thời gian hấp phụ 90 phút; nồng độ ban đầu

dung dịch Cr(VI) là 51,390mg/l và Ni(II) là 52,081 mg/l. Kết quả được trình bày ở bảng 2 và

hình 3.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 1 2 3 4 5 6 7

pH

q (

mg

/l)

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 2 4 6 8pH

q (

mg

/g)

Hình 3. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Cr(VI) (a) và Ni(b) của quặng Mn-CB

Từ kết quả ở bảng 2 và hình 3 cho thấy:

Đối với Ni(II):

Trong khoảng pH từ 1÷ 6 thì dung lượng hấp

phụ tăng và tăng khá nhanh trong khoảng pH

từ 1 ÷ 4 và đạt các giá trị cao nhất trong

khoảng pH từ 5 ÷ 6. Điều này có thể giải

thích như sau: ở pH thấp, nồng độ ion H+ cao

nên có sự cạnh tranh với cation kim loại trong

sự hấp phụ, kết quả là làm giảm sự hấp phụ

cation kim loại của Mn-CB. Tương tự, ở pH

cao, nồng độ ion H+ giảm, trong khi nồng độ

cation kim loại gần như không đổi bởi vậy

quá trình hấp phụ cation kim loại ở đây có thể

xảy ra phản ứng trao đổi ion H+ - M2+ (M:

kim loại). Tuy nhiên, ở pH gần bằng 6 bắt đầu

xuất hiện kết tủa Ni(OH)2. Do vậy, lựa chọn

pH hấp phụ tốt nhất đối với ion Ni(II) là trong

khoảng 5 đến 5,5. Giá trị này được sử dụng

cho các thí nghiệm tiếp theo.

Đối với Cr(VI):

Trong khoảng pH từ 1÷ 2 thì dung lượng hấp

phụ tăng. Khi pH tăng từ 2 ÷ 5 thì dung lượng

hấp phụ của quặng Mn-CB giảm. Điều này có

thể do ở pH thấp Cr(VI) tồn tại chủ yếu dạng

HCrO4- và do đó xảy ra lực hút tĩnh điện giữa

chất hấp phụ tích điện dương và các ion

HCrO4- tích điện âm. Ngược lại, ở pH cao

dung lượng hấp phụ của Mn-CB đối với

Cr(VI) giảm là do sự cạnh tranh giữa CrO42-

với ion OH- trong dung dịch. Vì vậy, chúng

tôi chọn pH = 2 cho các thí nghiệm tiếp theo.

Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI), Ni(II) ban

đầu và xác định dung lượng hấp phụ cực đại

Tiến hành sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) với

khối lượng Mn-CB xác định (1g/25mL dung

dịch); pH của các dung dịch được điều chỉnh

đến pH tối ưu như trình bày ở trên; nhiệt độ

phòng (25±10C); thời gian hấp phụ 90 phút;

nồng độ ban đầu các dung dịch Cr(VI) và

Ni(II) khác nhau. Kết quả được trình bày ở

bảng 3 và hình 4.

Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ hiệu

suất hấp phụ của Mn-CB giảm khi nồng độ

đầu của Cr(VI) và Ni(II) tăng. Điều này là

hoàn toàn phù hợp với quy luật.

Cũng từ các kết quả thực nghiệm này, dựa

vào phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Langmuir dạng tuyến tính (hình 5) ta tính

được dung lượng hấp phụ cực đại của Mn-CB

đối với Cr(VI) là 1,692 mg/g, đối với Ni(II)

là 1,845 mg/g. Kết quả này cho thấy Mn-CB

có khả năng hấp phụ Ni(II) tốt hơn Cr(VI).


81

Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) và Ni(II) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ của Mn-CB

Cr(VI) Ni(II)

Co

(mg/L)

Ce

(mg/L)

q

(mg/g)

H

(%)

Ce/q

(g/l)

Co

(mg/L)

Ce

(mg/L)

q

(mg/g)

H

(%)

Ce/q

(g/l)

26,20 10,40 0,40 60,32 26,31 25,29 6,71 0,46 73,45 14,46

51,01 24,85 0,65 51,28 38,00 51,82 19,94 0,80 61,52 25,02

74,40 39,79 0,87 46,51 46,00 76,01 35,48 1,01 53,32 35,02

102,80 58,90 1,10 42,71 53,66 102,73 52,58 1,25 48,82 41,93

125,20 78,99 1,16 36,91 68,39 124,68 72,37 1,31 41,95 55,35

153,00 102,94 1,25 32,72 82,24 147,98 91,68 1,41 38,04 65,14

175,00 123,06 1,30 29,68 94,78 173,02 114,40 1,47 33,88 78,06

199,30 145,00 1,36 27,25 106,81 203,18 138,13 1,63 32,01 84,94

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225C(mg/L)

H(%

)

20

30

40

50

60

70

80

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225C(mg/L)

H(%

)

Hình 4. Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu Cr(VI) (a) và Ni(II) (b)

y = 0.5909x + 21.39

R2 = 0.9976

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150

y = 0.5419x + 13.999

R2 = 0.991

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150

Hình 5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của Mn-CB đối với Cr(VI) (a) và Ni(II) (b)

Động học hấp phụ Cr(VI), Ni(II)

Bảng 4. Các số liệu hấp phụ Cr(VI) theo thời gian của Mn-CB

t, phút 0 10 20 30 45 60 90 120

Ct, mg/L 51,39 37,51 34,18 31,86 29,02 26,91 24,70 24,62

H, % 0 27,00 33,49 38,01 43,53 47,64 51,93 52,09

qt, mg/g 0 0,35 0,43 0,49 0,56 0,61 0,67 0,67

Theo Lagergren [4], sự hấp phụ có thể xảy ra theo phương trình động học bậc 1:

11kdt

d (3.1)

Ce/q(g/l)

Ce(mg/l)

Ce/q(g/l)

Ce(mg/l)


82

Nghĩa là, tốc độ hấp phụ tăng theo hàm bậc

nhất của bề mặt tự do 1 (bề mặt chưa bị

hấp phụ)

Vì

e

t

q

q

qt:: dung lượng hấp phụ ở thời điểm t

qe: dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng

thay vào (3.1), ta có:

te qqkdt

d 1

(3.2 )

Tích phân (3.2) ta được:

ln(qe-qt) = lnqe – k1t (3.3)

(3.3) được gọi là phương trình biểu kiến bậc 1

Lagergren.

Hoặc sự hấp phụ có thể xảy ra theo phương

trình động học bậc 2: 22 1

kdt

d (3.4)

Hoặc viết dưới dạng: ee

t

q

t

qkdt

dq

2

2

1 ( 3.5)

Dạng tích phân của phương trình (3.5) là:

eet q

t

qkq

t

2

2

1 (3.6)

(3.6) được gọi là phương trình động học hấp

phụ biểu kiến bậc 2.

Sử dụng kết quả ở bảng 4, xây dựng đồ thị

tương ứng của các phương trình (3.3) và (3.6)

ta nhận được các đồ thị động học biểu kiến

bậc 1 và biểu kiến bậc 2 đối với Cr(VI) như

thể hiện trên hình 6.

Từ hình 6 nhận thấy rằng sự hấp phụ Cr(VI)

trên Mn-CB phù hợp với mô hình biểu kiến

bậc 2 khá tốt (R2 >0,99) hơn là mô hình động

học biểu kiến bậc 1 (R2 ~ 0,9).

Tương tự như Cr(VI), Ni(II) cũng được

nghiên cứu trong cùng điều kiện và phương

pháp. Các kết quả về động học hấp phụ đối

với Ni(II) được chỉ ra ở bảng 5.

Sử dụng kết quả ở bảng 5, xây dựng đồ thị

tương ứng của các phương trình (3.3) và (3.6)

ta nhận được các đồ thị động học biểu kiến

bậc 1 và biểu kiến bậc 2 đối với Ni(II) như

thể hiện trên hình 7.

y = -0.0262x - 0.0093

R2 = 0.8999

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 20 40 60 80 100

Thời gian (phút)

log

(qe-

qt)

y = 1.3x + 19.772

R2 = 0.9957

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Thời gian (phút)

t/q

t

Hình 6. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a) và biểu kiến bậc 2 (b) của Cr(VI) trên Mn – CB

Bảng 5. Các số liệu hấp phụ Ni(II) theo thời gian của Mn-CB

t, phút 0 10 20 30 45 60 90 120

Ct, mg/L 50,88 34,48 30,84 27,82 25,49 23,32 20,43 20,28

H, % 0 32,22 39,39 45,32 49,91 54,16 59,85 60,14

qt, mg/g 0 0,41 0,50 0,58 0,63 0,69 0,76 0,76

Từ hình 7 nhận thấy rằng sự hấp phụ Ni(II) trên Mn-CB cũng xảy ra với động học biểu kiến bậc

2 với độ tin cậy cao (R2 >0,99).

KẾT LUẬN

Đã nghiên cứu một số đặc trưng của Mn-CB, kết quả nhiễu xạ tia X cho biết trong Mn-CB

mangan oxit tồn tại ở dạng alpha; theo phương pháp BET diện tích bề mặt riêng của Mn-CB là

44 m2/g; đã xác định được điểm đẳng điện của Mn-CB là 6,3.

(a) (b)


83

Sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của Mn-CB đã được nghiên cứu dưới các điều kiện thí nghiệm khác

nhau. Kết quả thu được:

- Thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 90 phút đối với cả Cr(VI) và Ni(II).

- Theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại đối với

Cr(VI) là 1,692 mg/g; đối với Ni(II) là 1,845 mg/g.

- Trong cùng điều kiện thí nghiệm Mn-CB có khả năng hấp phụ Ni(II) tốt hơn Cr(VI).

- Sự hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) trên Mn-CB đều tuân theo quy luật động học biểu kiến bậc 2.

y = -0.0235x - 0.0324

R2 = 0.898

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 20 40 60 80 100

Thời gian (phút)

log

(qe-q

t)

y = 1.1604x + 16.107

R2 = 0.9954

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100Thời gian (phút)

t/q

t

Hình 7. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a) và biểu kiến bậc 2 (b) của Ni(II) trên Mn – CB

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Cần, Phạm Hồng Huấn, Trần Anh

Ngoan, Hoàng Đức Ngọc, Nguyễn Hùng Quốc

(1993), Địa chất các mỏ khoáng công nghiệp, Nhà

xuất bản Đại học mỏ địa chất, Hà Nội.

2. Vũ Thị Hậu, Vũ Ngọc Duy, Cao Thế Hà (2010),

“Khảo sát hoạt tính xúc tác của một số quặng tự

nhiên trong phản ứng ôxi hoá pha lỏng xử lý thuốc

nhuộm hoạt tính”, Tạp chí Khoa học và Công

nghệ, Viện khoa học & Công nghệ Việt Nam,Tập

48 (2A), tr. 235 – 242.

3. Đỗ Trà Hương (2010), “Nghiên cứu khả năng

hấp phụ ion Cu(II), Ni(II) của than bùn Việt Yên-

Bắc Giang”, Tạp chí phân tích Hoá, Lý và Sinh

học, Tập 15, tr.150-154.

4. Hà Thị Hồng Hoa, Vũ Trường Thành, Trần Văn

Hùng, Đặng Kim Chi, Nguyễn Hữu Phú (2012),

“Nghiên cứu sự hấp phụ của một số ion kim loại

nặng (Me2+) trên vật liệu bentonit – Phần 2. Động

học hấp phụ”, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, Tập 1

(1), tr. 122-128.

5. Ngô Thị Mai Việt (2013), “Đánh giá khả năng

hấp phụ Fe(III), Cr(VI) của các vật liệu đá ong

biến tính”, Tạp chí phân tích Hoá, Lý và Sinh học,

Tập 19 (2), tr.23-32.

6. Aghdas Heidari, Habibollah Younesi, Zahra

Mehraban, Harri Heikkinen (2013), “Selective

adsorption of Pb(II), Cd(II), and Ni(II) ions from

aqueous solution using chitosan - MAA

nanoparticles”, International Journal of Biological

Macromolecules, 61, pp. 251 – 263.

7. LiHui Huang, Yuan Yuan Sun, Tao Yang, Li Li

(2011), “Adsorption behavior of Ni(II) on lotus

stalks derived active carbon by phosphoric acid

activatio”, Desalination, 268, pp. 12 – 19

8. V.X.KRAXULIN, biên tập Nguyễn Như Mai

(1981), Sách tra cứu của nhà kỹ thuật địa chất,

Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật 70 – Trần

Hưng Đạo, Hà Nội.

9.http://www.dgmv.gov.vn/baotang/KSVN(ct).htm.

(a) (b)


84

SUMMARY

RESEARCH ON THE ADSORBABILITY OF Cr(VI) AND Ni (II)

ON CAO BANG MANGANESE ORE

Vu Thi Hau* College of Education - TNU

This report shows research results of adsorbability of Cr(VI) and Ni(II) of Cao Bang manganese

ore as adsorbent desiccant. Experiments were done with the following parameters: the mass of

absorbent desiccant: 1.0g; the volume of Cr(VI) or Ni(II) solution: 25mL; shaking speed: 200

rounds/minute; time to reach adsorption equilibrium of both above ion were 90 minutes at room

temperature (25±10C). The best adsorption pH for Ni(II) was 5 – 5.5, for Cr(VI) was 2.0. The

result shows that, the adsorption according to model Langmuir adsorption isotherm, the maximum

adsorption capacity of Cao Bang manganese ore for Cr(VI) was 1.692 mg/g and for Ni(II) was

1.845 mg/g.

Key words: adsorption, Cr(VI), Ni(II), Cao Bang manganese ore


Phản biện khoa học: TS. Trương Thị Thảo – Trường Đại học Khoa học - ĐHTN


Bùi Quang Hưng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 85 - 91

85

TÔ CHỨC BẢO VỆ VÀ PHÁT TRIỂN CẢNH QUAN KIẾN TRÚC VEN SÔNG

CẦU ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Bùi Quang Hưng*

Sở Xây dựng Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài viết trình bày những phân tích, đánh giá về thực trạng phát triển cảnh quan kiến trúc ven sông

Cầu, đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên, vận dụng các cơ sở lý luận và thực tiễn đề xuất một

số giải pháp tổ chức bảo vệ và phát triển cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu, đoạn chảy qua thành

phố Thái Nguyên.

Từ khóa: Cảnh quan kiến trúc, sông Cầu, ven sông, thành phố Thái Nguyên

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Sông Cầu là con sông lớn thuộc hệ thống

sông Thái Bình, là một trong những lưu vực

sông lớn ở Việt Nam. Sông Cầu chảy qua

trung tâm thành phố Thái Nguyên, có vai trò

cực kỳ quan trọng trong việc kết nối không

gian cảnh quan giữa hai bờ Đông - Tây của

thành phố Thái Nguyên, là con đường giao

lưu kinh tế huyết mạch quan trọng của Thái

Nguyên qua nhiều thế kỷ, là cầu nối giao lưu

giữa các vùng văn hóa của các dân tộc anh em

trên đất Thái Nguyên. Tuy nhiên, trên thực tế

hiện nay cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu

đoạn chảy qua Thành phố Thái Nguyên chưa

được khai thác sử dụng nhiều, chưa khai thác

được vẻ đẹp của sông Cầu cũng như các giá

trị về văn hoá đặc trưng của địa phương, chưa

có sự khác biệt, sự nhận dạng về cảnh quan

giữa các đô thị trong vùng. Mặt khác chất

lượng môi trường nước của sông Cầu đang bị

ô nhiễm do chất thải từ các nhà máy, khu

công nghiệp ở đầu nguồn nước, không đảm

bảo chất lượng, môi trường sống của người

dân trong vùng. Để khắc phục tình trạng nêu

trên, bài viết đề ra một số cơ sở, giải pháp cụ

thể về mô hình tổ chức bảo vệ và phát triển

không gian cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu

nhằm góp phần cải thiện chất lượng, môi

trường sống, tăng giá trị về bản sắc văn hoá

của đô thị, địa phương; xác định vai trò quan

trọng của cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu

trong khu vực trung tâm thành phố Thái

* Tel: 0982 05280

Nguyên và đề xuất các giải quản lý về quy

hoạch và kiến trúc cho khu vực ven sông Cầu

đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên.

HIỆN TRẠNG VÀ CÁC CƠ SỞ GIẢI

QUYẾT VẤN ĐỀ

Một số khái niệm Tổng quan về tổ chức

cảnh quan kiến trúc ven sông:

Cảnh quan kiến trúc ven sông là một khái

niệm nhánh của của cảnh quan kiến trúc.

Những nhân tố chính ảnh hưởng bao gồm:

Thành phần tự nhiên và thành phần nhân tạo;

Các yêu cầu của không gian kiến trúc cảnh

quan: Yêu cầu sử dụng, yêu cầu thẩm mỹ, yêu

cầu bền vững, yêu cầu kinh tế. Quy luật tổ

chức không gian bao gồm: Cơ sở bố cục cảnh

quan (điểm nhìn, tầm nhìn và góc nhìn), Tạo

hình không gian (không gian đóng, không

gian mở và không gian nửa đóng nửa mở),

các quy luật bố cục cơ bản (quy luật về đường

trục bố cục, quy luật bố cục đối xứng, bố cục

không đối xứng, quy luật tỷ lệ không gian,

quy luật về sự đồng nhất và sự tương tự, sự

tương phản, sáng tối và màu sắc) [3].

Không gian ven sông là không gian rộng, dài

và đa chiều. Là sự phối kết của nhiều dạng

không gian khác nhau, cả tự nhiên và nhân

tạo. Tổ chức cảnh quan kiến trúc ven sông là

sự sắp xếp, bố trí các thành phần yếu tố thiên

nhiên (Địa hình, mặt nước, bầu trời, cây xanh,

hoa cỏ, con người,...) và các thành phần yếu

tố nhân tạo (Kiến trúc công trình, giao thông,

các trang thiết bị kỹ thuật, các tác phẩm nghệ

thuật..) [3].


86

Theo GS. TS. Nguyễn Thế Bá [2]: "Hầu hết

các đô thị được xây dựng và phát triển gần

sông, biển và hồ. Từ xa xưa, giao thông

đường thuỷ đã trở thành một trong những

động lực mạnh thúc đẩy sự phát triển của đô

thị". Thực vậy, các đô thị trên thế giới và cả

Việt Nam đều nằm trong những quy luật phát

triển tất yếu đó là sự phát triển của giao thông

đường thuỷ, ngoài ra việc lựa chọn vị trí đô

thị còn phụ thuộc vào một số yếu tố như sau:

Thuận tiện cho việc thông thương buôn bán;

Sử dụng nguồn nước (các nền văn minh lúa

nước) và chống ngoại xâm.

Hiện trạng cảnh quan kiến trúc ven sông

cầu đoạn chảy qua TP Thái Nguyên:

Theo khảo sát, đánh giá và phân tích, hiện

trạng sông Cầu có những tồn tại sau [1], [7]:

- Tỷ lệ quy hoạch chi tiết còn hạn chế, chỉ tập

trung chủ yếu bên bờ Nam sông Cầu và một

phần dọc Quốc lộ 1B bên bờ Bắc (tỷ lệ

khoảng 30%) nên khó khăn trong việc quản lý

và triển khai đầu tư.

- Chưa được đầu tư xây dựng hệ thống đê, kè

sông đồng bộ (chỉ có khoảng 1,5km kè bờ

Nam sông đoạn qua khu trung tâm thành

phố), nhiều khúc sông sau mùa mưa lũ

thường bị biến dạng do phù xa và chế độ

dòng chảy. Hệ thống đê, kè chỉ mang tính

phòng chống lũ, chưa khai thác được giá trị

thẩm mỹ và mỹ quan của khu vực ven sông.

- Thiếu nghiêm trọng hệ thống cầu qua sông

(hiện chỉ có cầu Gia Bảy), một số cây cầu chỉ

mang tính tạm bợ chưa đủ quy mô, chất

lượng, giá trị thẩm mỹ để đáp ứng nhu cầu

thông thương, qua lại giữa hai bên bờ sông

(cầu treo Oánh, cầu Ba Đa).

- Cây xanh hầu như chưa được đầu tư, chủ

yếu là các loại cây phòng hộ như tre, trúc,

sung và các cây ăn quả của khu dân cư. Khu

vực sát bờ sông chủ yếu là cây lau, sậy mọc

tự do, um tùm không đảm bảo mỹ quan và

gây ô nhiễm môi trường.

- Các công trình kiến trúc ven sông chưa được

đầu tư nhiều về mặt thẩm mỹ, chủ yếu chỉ

quan tâm đến giá trị sử dụng; quy mô nhỏ,

xây dựng tự phát, nên nhìn tổng thể khu vực

ven sông thể hiện một sự lộn xộn, nghèo nàn.

- Các khu chức năng hiện có chưa có sự gắn

kết với cảnh quan xung quanh đặc biệt chưa

có sự gắn kết với sông Cầu, không phát huy

được các giá trị về thẩm mỹ, tinh thần, không

tận dụng được vẻ đẹp tự nhiên của sông Cầu.

- Một số khu vực ven sông không khai thác

được tầm nhìn, chắn các hướng tiếp cận từ các

tuyến đường ra sông (khách sạn sông Cầu, các

khu dân cư dọc trục đường Bắc Kạn).

- Các khu dân cư ven sông thường xả thẳng

phân ro, nước thải, rác thải sinh hoạt ra sông

gây ra nhiều khí, mùi khó chịu và làm ô

nhiễm môi trường chung của khu vực.

- Các nhà máy, xí nghiệp nằm ở đầu nguồn

nước (nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ, nhà

máy nhiệt điện Cao Ngạn) và nhà máy Gang

thép Thái Nguyên đã có những biện pháp xử

lý chất thải, nước thải nhất định nhưng về lâu

dài cần có những giải pháp hữu hiệu để đảm

bảo vấn đề môi trường sinh thái chung cho

toàn thành phố (khí thải, nước thải, rác thải).

Hình 1. Bản đồ hiện trạng lập quy hoạch chi tiết,

hiện trạng môi trường, kè sông khu vực ven sông

Cầu [1]

Hình 2. Hiện trạng cảnh quan kiến trúc khu vực

ven sông Cầu [1]

Cơ sở khoa học

Cơ sở thẩm mỹ

Yếu tố giác quan: Cảm giác, thị giác, thính

giác, khứu giác, vị giác và cả trí nhớ, sự quen


87

thuộc của con người. Khái niệm “Nơi chốn”

trong tổ chức kiến trúc cảnh quan [4].

Cơ sở lý thuyết: Giải quyết, sắp xếp các yếu

tố tự nhiên (Địa hình, mặt nước, bầu trời, cây

xanh, hoa cỏ) và nhân tạo (các loại công trình

xây dựng).

Cơ sở thẩm mỹ của kiến trúc công trình ven

sông: Kiến trúc công trình lớn (công trình

công cộng); Các công trình kiến trúc cổ và cũ

cần bảo tồn; Kiến trúc công trình trang trí;

Kiến trúc công trình nhỏ.

Cơ sở các quy luật về bố cục trong tổ chức

không gian:

- Cơ sở bố cục cảnh quan: Cảm thụ thông qua

thị giác: Điểm nhìn, tầm nhìn, trục nhìn và

góc nhìn.

- Cơ sở tạo hình không gian: Các yếu tố: Mặt

nền, mặt trần và mặt đứng ngăn không gian.

Các loại không gian: Không gian đóng; Không

gian mở; Không gian nửa đóng nửa mở.

- Các quy luật bố cục cơ bản: Quy luật về

đường trục bố cục; Quy luật bố cục đối xứng,

không đối xứng; Quy luật tỷ lệ không gian, về

sự đồng nhất và sự tương tự; Quy luật về sự

tương phản, sáng tối và màu sắc.

Cơ sở kinh tế kỹ thuật, môi trường

- Về kinh tế: Tiềm năng phát triển kinh tế

(dịch vụ, du lịch, công nghiệp), phương án

đầu tư kinh tế (Kế hoạch, giải pháp đầu tư,

kêu gọi và thu hút đầu tư), vật liệu địa

phương (xi măng, đá)

- Về kỹ thuật: Khả năng đáp ứng về kỹ thuật

công nghệ của đội ngũ tri thức, lao động của

Thành phố Thái Nguyên.

- Về môi trường sinh thái, mô hình phát triển

bền vững: Cân bằng hệ sinh thái; Thân thiện

với môi trường; Đảm bảo chất lượng môi

trường nước (đầu vào, đầu ra), biện pháp xử lý;

Tỷ lệ cây xanh bên trong và ngoài công trình.

Cơ sở thực tế: Cơ sở về điều kiện tự nhiên

của thành phố Thái Nguyên, vị trí địa lý (Đặc

điểm địa hình (địa hình đa dạng, thảm thực

vật phong phú); Điều kiện khí hậu (Thuận lợi

cho phát triển du lịch vào các mùa trong

năm); cơ sở về văn hóa xã hội của Thái

Nguyên: Truyền thống văn hóa, bản sắc văn

hóa; Cơ sở về lịch sử, truyền thống; cơ sở về

vị thế và tầm quan trọng, cơ sở về định hướng

điều chỉnh quy hoạch chung xây dựng thành

phố Thái Nguyên đến năm 2035 [6].

MỘT SỐ GIẢI PHÁP TỔ CHỨC BẢO VỆ

VÀ PHÁT TRIỂN KHÔNG GIAN CẢNH

QUAN KIẾN TRÚC VEN SÔNG CẦU

ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Vận dung Lý luận về thành phố “Dải” của

Aturo Soria Y Mata [1] trong định hướng

quy hoạch cho khu vực ven sông cầu

Aturo Soria Y Mata (1844 -1920) người Tây

Ban Nha là tác giả đầu tiên lý luận quy hoạch

xây dựng thành phố theo hệ thống chuỗi, dải

(đô thị phát triển dọc theo trục giao thông,

sông với chiều dài không hạn chế). Điển hình

cho lý luận nêu trên là thành phố Vongagrat

của N.A, các khu vực tại bờ biển Nam Mỹ

như: Montevideo, Sao Paulo, Rio De Janciro.

Thành phố Thái Nguyên có những điểm

tương đồng về tính chất với lý luận của Aturo

Soria Y Mata khi thành phố được định hướng

quy hoạch phát triển mở rộng về phía Đông

và phía Bắc [6] với quy mô 5243,8ha (các xã

Linh Sơn, Huống Thượng, Đồng Liên, Sơn

Cẩm và thị trấn Chùa Hang), sông Cầu sẽ là

trục dọc không gian trung tâm của thành phố.

Đề xuất trong định hướng quy hoạch cần phát

triển các khu chức năng quan trọng của thành

phố theo dọc hai bên bờ sông, trong đó giữ

nguyên khu hành chính - văn hóa phía bờ

Nam sông, phát triển các chức năng thương

mại, dịch vụ, giải trí (yếu tố tạo thị) phía bờ

Bắc, Đông sông, từ đó kết nối các chức năng

đô thị còn lại tạo thành mạng lưới không gian

các khu chức năng, tạo sự đa dạng, linh hoạt

cho đô thị trong khai thác sử dụng, mặt khác

tạo cho đô thị một lõi không gian xanh, cải

thiện vi khí hậu, đảm bảo sự phát triển bền

vững cho đô thị.


88

Đề xuất giải phap quy hoạch, tổ chức

cảnh quan

Khai thác các yếu tố tự nhiên của khu vực

- Yếu tố địa hình: Tận dụng tối đa các yếu tố địa

hình của khu vực để bố trí các khu chức năng.

- Yếu tố mặt nước: Khai thác yếu tố chuyển

động của dòng chảy bằng việc tạo ra các bán

đảo nhỏ trên sông, tạo ra các bến. Duy trì các

giá trị tự nhiên của mặt nước bằng việc hạn

chế xây dựng những đường kè bê tông kiên

cố, tận dụng những thảm cỏ, bãi cát hiện có.

Khai thác đặc tính phản chiếu của mặt nước

bằng việc tạo những công trình dạng dãy, dải

dọc theo bờ sông tạo những không gian ảo

bằng hiệu ứng nhân đôi.

- Yếu tố bầu trời: Khôi phục lại mối liên hệ

của mặt đất, mặt nước với bầu trời bằng cách

tạo ra các không gian trống ven sông. Sử

dụng các hình thức và vật liệu kiến trúc phù

hợp phản ánh sự biến đổi của bầu trời.

- Khai thác, sử dụng cây xanh, cây bụi, hoa

cỏ, đá trang trí trong tổ chức các khu cây

xanh, vườn hoa, tiểu cảnh.

Khai thác Yếu tố thị giác

- Điểm nhìn: Tạo ra các điểm nhìn tốt bằng

cách tổ chức các không gian thoáng đãng có

thể phóng xa được tầm mắt (quảng trường Võ

Nguyên Giáp, Bảo tàng Thái Nguyên).

- Tầm nhìn: Tạo ra nhiều lớp không gian, vật

thể để từ một vị trí có thể có nhiều tầm nhìn.

- Góc nhìn: Tạo những góc nhìn rộng thoáng để

nhìn vật thể một cách chân thực nhất, không bị

méo mó hay thay đổi hình dạng vật thể.

- Trục nhìn, tuyến nhìn: Tạo ra các tuyến nhìn

dài không bị hạn chế, chia cắt.

Các yếu tố giác quan: Tạo lập không gian để

con người có thể cảm nhận tối đa nét đặc

trưng của khu vực qua các yếu tố giác quan:

Cảm giác, thích giác, khứu giác và vị giác.

Khai thác khái niệm “nơi chốn”: Tạo dấu ấn

bằng các điểm nhấn cho các địa danh, khu

vực như: Công trình kiến trúc, cầu, tượng

đài, không gian văn hóa, quảng trường (quảng

trường Võ Nguyên Giáp - quảng trường 20-8

cũ bản thân đã là một yếu tố nơi chốn quen

thuộc với nhân dân trong tỉnh.

Khai thác yếu tố về tạo hình không gian: Đề

xuất áp dụng theo dạng “không gian mở” để

không gian ven sông được cởi mở, kết nối với

toàn đô thị đồng thời tạo cảm giác rộng lớn,

thoáng đãng cho khu vực ven sông.

Vận dụng các quy luật bố cục cơ bản:

- Quy luật về đường trục bố cục: Bố cục theo

dải, tuyến (tổ chức hệ thống đường, cây xanh).

- Quy luật bố cục đối xứng: Áp dụng cho các

khu mang tính chất trang nghiêm hoặc những

khối công trình lớn có tính trọng điểm của

khu vực.

- Quy luật bố cục không đối xứng: Áp dụng

cho những công trình trang trí, vui chơi giải

trí ven sông.

- Quy luật tỷ lệ không gian: Nhấn mạnh yếu

tố tỷ lệ con người với các công trình kiến

trúc, tượng trang trí.

- Quy luật về sự đồng nhất và sự tương tự: Đảm

bảo sự đồng nhất, nhất quán trong hình thức,

tránh sự chắp ghép lộn xộn, thiếu căn cứ.

- Quy luật về sự tương phản, quy luật sáng tối

và quy luật về màu sắc: Tổ chức đan xen để

tránh cảm giác nhàm chán cho con người.

Giải pháp kiến trúc:

Kiến trúc công trình công cộng:

- Bến tàu thuyền: Bố trí theo tuyến với sự sắp

xếp hợp lý về khoảng cách mỗi bến.

- Chợ ven sông: Kết hợp các khu chợ nhỏ

dạng chợ tạm, bán rong tại các khu vực bến

tàu thuyền để bán các đồ lưu niệm đặc trưng

của vùng làm quà cho khách thập phương.

- Khách sạn, nhà hàng ăn uống: Bố trí nhà

hàng, dịch vụ và để xe ở các tầng dưới, các

phòng nghỉ bố trí ở các tầng trên. Hình thức

kiểu dáng nhẹ nhàng, thanh thoát, màu sắc

trang nhã đặc biệt nên thiết kế theo dạng dải

bám dọc theo bờ sông.

- Cao ốc văn phòng: Thiết kế các công trình

có tầng cao lớn, khoảng lùi rộng, hình thức


89

kiến trúc, vật liệu, màu sắc mới mẻ, hiện đại

thể hiện là các điểm nhấn không gian xa cho

cảnh quan ven sông.

- Đường ven sông và các cây cầu: Thiết kế

theo kiểu dáng mềm mại, thanh thoát kết hợp

các yếu tố hoa văn, màu sắc đặc trưng của các

dân tộc thiểu số trong khu vực.

- Khu công viên ven sông: Phân khu chức

năng rõ ràng (khu nghỉ, vui chơi giải trí,

sinh hoạt văn hoá, thể dục thể thao..), thiết

kế chi tiết, tận dụng tối đa các yếu tố địa

hình cảnh quan.

Các công trình Kiến trúc công trình cổ và cũ

cần bảo tồn: Cần tạo các hướng mở từ phía

sông Cầu để tạo thành các tuyến du lịch cho

khách du lịch bằng thuyền có điểm dừng

chân, tiếp cận để tham quan.

Kiến trúc công trình trang trí: Bố trí các

công trình nhỏ như Ki-ốt phục vụ, chòi nghỉ

đan xen theo các đường dạo ven sông. Kiến

trúc công trình nên theo hình thức đơn giản.

Kiến trúc công trình nhỏ: Thiết kế kiểu nhà

vườn hoặc theo kiểu phân tán thấp tầng,

tường gạch, cột BTCT, số tầng cao từ 2-3

tầng, mái dốc.

Giải phap kinh tế, kỹ thuật, môi trường:

Giải pháp kinh tế:

- Đầu tư hợp lý: Lựa chọn các dự án hiệu quả

nhất để đầu tư xâu dựng, phân ký đầu tư hợp

lý, đẩy nhanh tốc độ đô thị hoá. Các dự án có

thể triển khai ngay như: Quảng trường Võ

Nguyên Giáp, Khu công viên ven sông Cầu

(khu A và khu B), dự án khu phố Châu Âu

bên bờ sông Cầu, Trường Đại học Việt Bắc

(giai đoạn 2), Cầu Bến Tượng, Khu đô thị

Nam sông Cầu.

- Mở cửa, kêu gọi nhà đầu tư, có chính sách

đầu tư hợp lý, thu hút được nhà đầu tư cho

các dự án cần triển khai.

- Tận dụng tối đa vật liệu địa phương để giảm

chi phí vận chuyển và giá thành xây dựng.

Giải pháp kỹ thuật:

- Nâng cao trình độ chuyên môn cho đội ngũ

cán bộ quản lý, các kỹ sư, kiến trúc sư thiết kế

quy hoạch, công trình trên địa bàn khu vực.

- Các công trình có giá trị xây lắp cao, đòi hỏi

giá trị thẩm mỹ cao (ngoài quy định của nhà

nước) cần phải tổ chức thi tuyển kiến trúc, lựa

chọn phương án hợp lý để đầu tư xây dựng.

- Nâng cao tay nghề cho công nhân xây dựng,

đảm bảo an toàn và vệ sinh trong lao động.

- Đầu tư các máy móc, thiết bị mới, hiện đại.

- Thường xuyên tổ chức các lớp học, tập huấn

chuyên môn nghiệp vụ như: Quản lý dự án,

đấu thầu, kỹ sư định giá, đánh giá, kiểm định

chất lượng công trình.

Giải pháp môi trường [4]:

- Tạo một chu trình khép kín của hệ sinh thái

khu vực (sông nước, cây xanh, công trình xây

dựng, con người…) nhằm ổn định các hệ sinh

thái nhỏ, gây dựng vững chắc hệ sinh thái lớn.

- Sử dụng tối đa, hiệu quả vật liệu từ tự nhiên

sẵn có trong vùng tạo sự thân thiện với môi

trường (đá, tre, nứa, cọ).

- Nghiên cứu các biện pháp xử lý nước mặt,

xử lý nước thải, gìn giữ nguồn nước sạch. Tập

trung cải tạo phát triển mạng lưới hạ tầng kỹ

thuật, hạ tầng xã hội, tạo lập môi trường ăn ở

hợp lý cho cư dân ven sông.

Cụ thể một số giải phap kiến trúc cảnh quan

- Khu vực đường Thanh Niên:

Hình 3. Giải pháp đường dạo, cây xanh, kè sông,

khai thác tầm nhìn [1]

Hình 4. Giải pháp không gian sân lễ hội nhỏ, chòi

nghỉ, quan sát [1]


90

- Khu vực ven hai bờ sông phía Bắc:

Hình 5. Giải pháp kè phòng lũ, cây xanh thảm cỏ

khai thác yếu tố phản chiếu của mặt nước [1]

- Khu vực tuyến đường Bắc Kạn đoạn sát bờ

sông và các khu vực có công trình xây dựng

sát sông

Hình 6. Giải pháp tạo không gian mở và hướng

tiếp cận từ lớp công trình bên trong ra sông [1]

- Khu vực nhà hàng, khách sạn, cao ốc văn phòng.

Hình 7. Khai thác yếu tố bầu trời và tính phản chiếu

của mặt nước cho các chức năng công cộng [1]

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

Từ những kết quả nghiên cứu, khảo sát, phân

tích tổng hợp, đề xuất trong bài viết, tác giả

đưa ra những kết luận chính sau đây:

Cần thực hiện điều tra cơ bản và đánh giá

toàn diện không gian cảnh quan kiến trúc ven

sông Cầu với tư cách một di sản đô thị. Trên

cơ sở lấy phiếu điều tra cư dân sinh sống khu

vực, tập hợp các số liệu thống kê, lập các

bảng tính đưa ra các thông số thuyết phục về

tập tục, sở thích, nhu cầu và trình độ người

dân ven sông.

Xác định và thể hiện nổi bật vai trò của không

gian ven sông Cầu bằng các định hướng tổ

chức không gian, phân khu chức năng cụ thể

trong quá trình lập điều chỉnh quy hoạch

chung xây dựng thành phố Thái Nguyên

(đang trong quá trình lập). Cần xây dựng và

ban hành quy chế đặc biệt về quản lý và sử

dụng không gian hai bờ sông Cầu cho từng khu

vực cụ thể. Thực hiện chủ trương trả lại đôi bờ

cho dòng sông mang tính mở và tự nhiên.

Nâng cao năng lực cán bộ trong công tác

quản lý đô thị. Xã hội hoá công tác phát triển

đô thị. Hoàn chỉnh hệ thống thông tin lưu

trữ. Có chương trình tuyên truyền rộng rãi, phổ

cập kiến thức về không gian cảnh quan kiến trúc

đến mọi tầng lớp nhân dân. Giáo dục ý thức

cộng đồng, tôn trọng pháp luật.

Huy động nguồn vốn, có chính sách thoả

đáng cho các dự án đầu tư khả thi. Huy động

nhiều thành phần kinh tế cùng tham gia phát

triển kinh tế làm giàu đẹp thành phố. Tạo

hành lang pháp lý, mở mang các dịch vụ kinh

doanh để có các nguồn thu từ du lịch, bảo

tàng và bảo tồn.

Cải tạo môi trường nước, cây xanh. Xây dựng

thêm nhiều công viên ven sông, các tuyến cây

xanh, đường dạo với nhiều chức năng phong

phú. Phối kết hợp chức năng công viên với

chức năng vui chơi giải trí và kinh doanh.

Nạo vét lòng sông, xây dựng hệ thống kè,

bến, các cây cầu, đường giao thông ven sông.

Kết hợp tuyến đi bộ với tuyến cây xanh, tạo

nút giao thông hợp lý đồng thời xây dựng thêm

các quảng trường vừa và nhỏ ven sông, tạo ra

nhiều điểm nhìn, góc nhìn tốt từ nhiều phía.

Phát triển các tuyến du lịch, tham quan ven

sông (Du lịch trên bờ và du lịch dưới nước).

Kết hợp các tuyến du lịch ven sông với các

tuyến du lịch chính trong tỉnh.

Có giải pháp quy hoạch và lựa chọn mô hình

sinh hoạt cụ thể cho khu dân cư làng xóm ven

sông để tránh những tác động xấu đến môi

trường khu vực.


91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quang Hưng (2009), Tổ chức không gian

cảnh quan kiến trúc ven sông Cầu, đoạn chảy qua

Tp Thái Nguyên, LV thạc sỹ kiến trúc, trường ĐH

Xây dựng, Hà nội.

2. Nguyễn Thế Bá (2004), Quy hoạch xây dựng và

phát triển đô thị, Nxb xây dựng, Hà Nội.

3. Nguyễn Nam (2008), “Tổ chức kiến trúc cảnh

quan”, bài giảng cao học, trường Đại học Xây

dựng Hà Nội.

4. Ths. KTS. Nguyễn Văn Chương, “Nơi chốn”

trong tổ chức không gian đô thị có bản sắc, Tc

Kiến trúc VN.

5. Nguyễn Thị Thanh Thuỷ (1997), Tổ chức và

quản lý môi trường cảnh quan đô thị, Nxb Xây

dựng, Hà Nội.

6. Quyết định số 1536/QĐ-TTg ngày 28/8/2014

của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Nhiệm vụ

điều chỉnh quy hoạch chung xây dựng Thành phố

Thái Nguyên đến năm 2035.

7. Số liệu điều tra tại phòng Quản lý Kiến trúc quy

hoạch - Sở Xây dựng Thái Nguyên (2014): Các đồ

án quy hoạch, dự án đang được triển khai quy

hoạch xây dựng ven sông Cầu Tp Thái Nguyên.

SUMMARY

PROTECTING AND IMPROVING THE LANDSCAPE STRUTURE

ALONG THE BANKS OF CAU RIVER, THE CASE

OF RIVER SECTION IN THAI NGUYEN CITY

Bui Quang Hung*

Department of Construction of Thai Nguyen Province

This paper analyzes and assesses the situation of landscape structure along the banks of Cau river

which flows through Thai Nguyen city. Based on the literature review and analytical results, the

paper suggests some solutions to protect and improve the landscape struture along the banks of

Cau river which flows through Thai Nguyen city.

Key words: Landscape struture, Cau river, riverside, Thai Nguyen city


Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Tiến Đức – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN

* Tel: 0982 05280


92

Phan Đình Binh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 93 - 100

93

ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

THEO TIÊU CHÍ XÂY DỰNG NÔNG THÔN MỚI TẠI XÃ NHÃ LỘNG,

HUYỆN PHÚ BÌNH, TỈNH THÁI NGUYÊN

Phan Đình Binh*

Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt, nước ngầm

và xác định các nguồn gây ô nhiễm và đề xuất các giải pháp quản lý môi trường phù hợp để ngăn

ngừa và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước trên địa bàn xã Nhã Lộng đáp ứng tiêu chí về môi

trường trong xây dựng nông thôn mới. Các mẫu nước ngầm đã được thu thập và phân tích tại

Phòng thí nghiệm của Viện khoa học sự sống, Đại học Thái Nguyên. Kết quả phân tích nước ngầm

cho thấy kết các chỉ tiêu pH, Sắt, Amoni, Coliform đều đạt quy chuẩn cho phép (QCVN

02:2009/BYT) đối với nước sinh hoạt. Tuy nhiên, nguồn nước mặt trên địa bàn xã hiện đang phải

đối mặt với các nguồn gây ô nhiễm như: Ô nhiễm do nước thải, chất thải rắn sinh hoạt; do chất thải

chăn nuôi và do hoạt động canh tác nông nghiệp.

Từ khóa: Chất lượng môi trường, nước ngầm, ô nhiễm nước, Coliform

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Phú bình là một huyện thuộc tỉnh Thái

Nguyên, kinh tế còn chậm phát triển, đời sống

nhân dân còn gặp nhiều khó khăn [6]. Do vậy,

vấn đề môi trường của huyện đã bộc lộ nhiều

bất cập thậm chí đáng báo động. Hiện nay,

môi trường đất, môi trường không khí, nguồn

nước mặt, nước ngầm đang bị ô nhiễm [4].

Điều này đã gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời

sống và sức khoẻ người dân. Trên địa bàn

huyện có sông Cầu chảy qua, là nguồn nước

rất quan trọng cung cấp cho sản xuất nông

nghiệp, sinh hoạt cũng như các hoạt động

khác [6]. Tuy nhiên do tiếp nhận nguồn nước

thải từ các hoạt động sản xuất, kinh doanh,

nhà máy công nghiệp…và từ Thành phố Thái

Nguyên nên nước đang bị ô nhiễm. Bên cạnh

đó, Phú bình là một huyện thuần nông, chủ

yếu là trồng trọt và chăn nuôi. Do lạm dụng

phân bón, hoá chất bảo vệ thực vật cùng với

chất thải chăn nuôi, nước thải sinh hoạt chưa

được thu gom, xử lý, rác thải rắn bừa bãi đã

làm ô nhiễm nước mặt và nước ngầm [3].

Hiện nay, xã đang thực hiện các tiêu chí xây

dựng Nông thôn mới, trong đó có tiêu chí về

Môi trường. Tuy nhiên, công tác quản lý nhà

nước về môi trường nói chung và môi trường

nước nói riêng trên địa bàn xã Nhã Lộng chưa

* Tel: 0984 941626; Email: [email protected]

được quan tâm, chú trọng đúng mức. Sự ô

nhiễm nguồn nước cũng như sự khan hiếm

nguồn nước sẽ càng trầm trọng nếu không có

biện pháp quản lý tốt chất lượng tài nguyên

nước [2]. Để khắc phục, giảm thiểu được ảnh

hưởng của ô nhiễm nước đến đời sống và sức

khoẻ người dân thì công việc quan trọng là

đánh giá chính xác mức độ và nguyên nhân

gây ô nhiễm nước trên địa bàn xã để đưa ra

giải pháp khắc phục, giảm thiểu một cách hữu

hiệu và phù hợp với điều kiện của địa

phương. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó,

chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu: “Đánh giá

hiện trạng môi trường nước theo tiêu chí xây

dựng nông thôn mới tại xã Nhã Lộng, huyện

Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên”, với mục tiêu:

- Đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường

nước mặt, nước ngầm và xác định các nguồn

gây ô nhiễm tại xã Nhã Lộng huyện Phú Bình

tỉnh Thái Nguyên.

- Đề xuất các giải pháp quản lý môi trường

phù hợp để ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm

môi trường nước trên địa bàn xã Nhã Lộng

đáp ứng tiêu chí về môi trường trong xây

dựng nông thôn mới.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu

Điều tra điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội,

nguồn nước và hiện trạng môi trường nước,


94

đồng thời đề xuất các biện pháp phòng ngừa ô

nhiễm môi trường nước mặt trên địa bàn xã

Nhã Lộng.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập số liệu, thông tin thứ

cấp: Thu thập tài liệu, số liệu về điều kiện tự

nhiên, kinh tế - xã hội tại UBND xã Nhã

Lộng và Phòng Tài nguyên và Môi trường

huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên.

Phương pháp điều tra, phỏng vấn: Tiến

hành phỏng vấn người dân xã Nhã Lộng

(chọn ngẫu nhiên 150 hộ gia đình trong toàn xã,

chia đều cho 14 xóm; không phân biệt tuổi, giới

tính, dân tộc, nghề nghiệp, tôn giáo...).

Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu

* Lấy mẫu: Lấy mẫu nước theo quy định

TCVN 6663-11 với tổng số 18 mẫu.

* Phân tích mẫu: Mẫu nước được phân tích tại

phòng thí nghiệm của Viện Khoa học sự sống

- Đại học Thái Nguyên.

Phương pháp khảo sát thực địa: Quan sát

màu sắc nước, mùi vị,…Màu sắc của nước

được quan sát trực tiếp bằng mắt thường và

đánh giá bằng cảm quan.

Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: Các số

liệu nghiên cứu được thống kê, xử lý trên máy

tính bằng phần mềm Excel và biểu diễn trên

bảng, biểu đồ. Kết quả nghiên cứu, phân tích

được so sánh với QCVN 02:2009/BYT - Quy

chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước

sinh hoạt để đánh giá nồng độ chất ô nhiễm

có trong nước giếng [1].


Vài nét về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội

Vị trí địa lý và khí hậu: Nhã Lộng là xã trung

du miền núi nằm ở phía Tây huyện Phú Bình,

cách trung tâm huyện khoảng 5 km, với tổng

diện tích tự nhiên là 549,8 ha, có có ranh giới

tiếp giáp với các xã như sau: Phía Bắc giáp xã

Bảo Lý; Phía Đông giáp xã Úc Kỳ; Phía Tây

giáp xã Điềm Thụy; Phía Nam giáp xã Điềm

Thụy,Úc Kỳ huyện Phú Bình. Xã Nhã Lộng

có 14 xóm, dân số (năm 2013) là 7343 khẩu

(1664 hộ) [6].

Xã Nhã Lộng là một xã trung du của huyện

Phú Bình, khí hậu mang tính chất đặc thù của

vùng nhiệt đới gió mùa, có 4 mùa rõ rệt [6].

- Nhiệt độ trung bình các tháng trong năm là

23,1oC – 24,4oC.

- Lượng mưa trung bình cả năm là 2000 mm

đến 2500 mm.

- Tháng có lượng mưa cao nhất (tháng 7) và

thấp nhất vào tháng 1

- Tổng số giờ nắng trong năm dao động từ

1200 h – 1600 h.

Với nhiệt độ và lượng mưa của vùng khí hậu

nhiệt đới ẩm, về cơ bản điều kiện khí hậu của

xã có nhiều thuận lợi cho phát triển sản xuất

nông, lâm nghiệp với phát triển đa dạng các

loại cây trồng, có thể thâm canh tăng vụ, bố

trí được từ 3 đến 4 vụ cây trồng ngắn ngày

trong năm để tăng hệ số sử dụng đất.

Bảng 1. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích

STT Chỉ tiêu Phương pháp phân tích Bảo quản

1 Màu sắc Cảm quan -

2 Mùi vị Cảm quan -

3 pH Máy đo pH Meter F-51 Bảo quản không quá 24h

4 Fe

TCVN 6177:1996 Chất lượng nước. Xác định sắt

bằng phương pháp trắc phổ dùng thuốc thử 1,10-

phenantrolin

Ở nhiệt độ từ 0 - 4 oC

bảo quản không quá 1 tuần

5 NH4+

Xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so

màu với thuốc thử Nessler

Ở nhiệt độ từ 0 - 4 oC

bảo quản không quá 1 tuần

6 Coliform

TCVN 6187-1:1996 Chất lượng nước. Phát hiện và

đếm vi khuẩn coliform, vi khuẩn coliform chịu

nhiệt và Escherichia coli giả định.


95

Đặc điểm phân bố dân cư: Dân cư xã Nhã

Lộng phân bố ở 3 miền, bao gồm:

- Miền Thanh Bình gồm các xóm: xóm

Hanh, xóm Nón, xóm Đồi, xóm Bến, và

xóm Thanh Đàm.

- Miền Sông Cầu gồm các xóm: xóm Trại,

xóm Soi 1, xóm Soi 2, xóm Chiễn 1, xóm

Chiễn 2.

- Miền Hợp Thành gồm các xóm: xóm Mịt,

xóm Đô, xóm Náng, xóm Xúm.

Nguồn nước và tình hình sử dung nguồn

nước tại xã Nhã Lộng

Nguồn nươc mặt: Nguồn nước mặt trên địa

bàn xã Nhã Lộng bao gồm sông, hồ, ao, kênh,

mương. Là một xã trung du miền núi nên Nhã

Lộng có số lượng ao, hồ ít. Nhã Lộng có dòng

sông Cầu chảy qua 3 xóm: xóm Trại, xóm Soi

1 và xóm Chiễn 2. Nguồn nước mặt của xã

chủ yếu sử dụng vào mục đích nông nghiệp

và nuôi thủy sản. Nguồn nước cung cấp cho

tưới tiêu nông nghiệp chủ yếu lấy từ Hồ Núi

Cốc. Nguồn nước mặt của xã đang có dấu

hiệu ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt ở các khu vực

đông dân cư. Nguyên nhân là do nước thải

chăn nuôi, nước thải sinh hoạt, rác thải của

người dân trong xã hầu hết đều thải ra sông,

hồ ao và các kênh mương ở gần khu vực sinh

sống của họ.

Nguồn nươc ngầm: Nước ngầm trên địa bàn

xã Nhã Lộng chủ yếu được khai thác dưới

hình thức giếng đào và giếng khoan nhằm sử

dụng cho mục đích sinh hoạt của các hộ gia

đình (Hình 1). Biểu đồ 1 cho thấy, tại xã Nhã

Lộng hiện nay giếng đào chiếm 58%, giếng

khoan chiếm 42%. Phần lớn giếng đào có

đường kính từ 0,8 - 1 m, sâu 10 - 15 m, độ

cao miệng giếng so với mặt đất khoảng 0,5 -

0,8 m. Giếng khoan trên địa bàn xã có độ sâu

trung bình từ 25 - 50 m. Theo ý kiến của

người dân, vào mùa khô mực nước giếng rất

thấp, khó khai thác vì vậy không đáp ứng đủ

cho nhu cầu sinh hoạt của người dân.

Đặc biệt theo một số ý kiến của người dân tại

miền Sông Cầu hiện nay do có hoạt động đào

bới ở rìa sông để khai thác cát, sỏi khiến

cho vào mùa khô mực nước ngầm càng thấp

dẫn đến tình trạng thiếu nước sinh hoạt

càng gia tăng.

Hình 1: Loại hình sử dụng nước cho sinh hoạt tại

xã Nhã Lộng

Đánh giá hiện trạng môi trường nước xã

Nhã Lộng

Nươc mặt

Quan sát đoạn sông Cầu chảy qua địa bàn xã,

nước sông có màu xanh đậm, không có mùi

khó chịu nhưng có sự hiện diện của các loài

thực vật thủy sinh như rêu, rong... Qua đánh

giá cảm quan nước vẫn có chất lượng khá tốt

nhưng đang có dấu hiệu ô nhiễm. Nguyên

nhân do người dân thực hiện các hoạt động

chăn nuôi ở rìa sông như chăn nuôi vịt; các hộ

dân ở gần sông hầu hết đều dẫn nước thải ra

sông cùng với nước thải nông nghiệp.

Các kênh mương: Tại các đoạn kênh mương

gần khu vực đông dân cư, nước có màu đen

và có mùi khó chịu; tại các đoạn kênh mương

ở khu vực có ít dân cư và chảy qua các cánh

đồng, nước không có màu hay mùi lạ, tuy

nhiên tại các khu vực này lại chứa nhiều các

bao bì thuốc bảo vệ thực vật đã sử dụng, xác

thực vật (cỏ dại)...

Tuy tại khu vực này chưa bị ô nhiễm nhưng

nếu người dân vẫn tiếp tục thải các bao bì

thuốc BVTV, xác thực vật xuống nguồn nước

thì chất ô nhiễm sẽ được tích tụ theo thời gian

và gây ô nhiễm nguồn nước.

Tại các hồ, ao: Trong các ao trên địa bàn xã,

phần lớn trong các ao quan sát được nước có

màu xanh đen, các ao của các hộ gia đình

Loại hình sử dung nước cho sinh hoạt

58%42%

Giếng khoan

Giếng đào


96

chăn nuôi lợn nước có mùi khó chịu bốc lên.

Qua đánh giá cảm quan, nước ao trên địa bàn

xã có chất lượng không tốt. Nguyên nhân là

do các hộ gia đình hầu hết thải trực tiếp nước

thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi chưa qua

xử lý xuống ao.

Như vậy, môi trường nước mặt trên địa bàn

xã đã có dấu hiệu bị ô nhiễm, đặc biệt tại các

khu vực đông dân cư. Tại các khu vực thưa

dân cư, môi trường nước mặt hiện vẫn có chất

lượng khá tốt. Môi trường nước mặt sẽ bị ô

nhiễm và ô nhiễm nặng thêm nếu không được

quản lý tốt và có các biện pháp phòng ngừa

hợp lý do chất thải sinh hoạt, chăn nuôi, phế

phẩm nông nghiệp... thải vào môi trường khi

chưa được xử lý.

Nươc ngầm

Để đánh giá chất lượng nước ngầm tại xã Nhã

Lộng chúng tôi tiến hành lấy mẫu nước giếng

tại một số vị trí điển hình thuộc 3 miền và

phân tích các chỉ tiêu như Bảng 1.

Kết quả phân tích được so sánh với QCVN

02:2009/BYT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

về chất lượng nước sinh hoạt để đánh giá chất

lượng nước giếng trên địa bàn xã, trong đó:

- Giới hạn tối đa cho phép I: Áp dụng đối với

các cơ sở cung cấp nước.

- Giới hạn tối đa cho phép II: Áp dụng đối với

các hình thức khai thác nước của cá nhân, hộ

gia đình (các hình thức cấp nước bằng

đường ống chỉ qua xử lý đơn giản như

giếng khoan, giếng đào, bể mưa, máng lần,

đường ống tự chảy).

Hiện trạng chất lượng nước giếng tại các

miền như số liệu Bảng 2.

Nhận xét: Kết quả phân tích ở Bảng 3 cho

thấy các chỉ tiêu pH, Fe, NH4+, Coliform của

các mẫu nước ở các miền đều nằm trong giới

hạn cho phép đối với nước sinh hoạt. Nước

giếng trong khu vực của các miền có chất

lượng khá tốt. Các nguồn gây ô nhiễm nước

giếng chưa gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng

nước giếng của khu vực.

So sánh chất lượng nước giếng giữa các miền

Xã Nhã Lộng được chia làm 3 miền là: Sông

Cầu, Hợp Thành và Thanh Bình. Các miền có

nhiều đặc điểm tự nhiên, đời sống sản xuất,

sinh hoạt chung nhưng mỗi miền cũng có

những đặc điểm riêng. Vì vậy mà mỗi miền

cũng có các nguồn gây ô nhiễm nước giếng

đặc trưng của từng nguồn.

* Giá trị pH (Hình 2a): Giá trị pH tại các

điểm khảo sát đều nằm trong giới hạn cho

phép và có giá trị tương đồng đều, dao động

từ 6,32 – 6,62. Độ pH tại xóm Hanh (miền

Thanh Bình) là cao nhất (pH = 6,62) và thấp

nhất là ở xóm Xúm (miền Hợp Thành).

Bảng 2. Kết quả phân tích chất lượng nước giếng tại các miền

TT Chỉ tiêu Đơn

vị

Kết quả phân tích các miền QCVN

02:2009/B

YT

(GHTĐCP

II)

Sông Cầu Hợp Thành Thanh Bình

Mẫu N1 Mẫu

N2

Mẫu

N1

Mẫu

N2

Mẫu

N1

Mẫu

N2

1 Màu sắc - Không

màu

Không

màu

Không

màu

Không

màu

Không

màu

Không

màu

2 Mùi vị -

Không

có mùi

vị lạ

Không

có mùi

vị lạ

Không

có mùi

vị lạ

Không

có mùi

vị lạ

Không

có mùi

vị lạ

Không

có mùi

vị lạ

Không có

mùi vị lạ

3 pH - 6,33 6,32 6,25 6,35 6,43 6,62 6,0 – 8,5

4 Fe mg/l 0,021 0,061 0,03 0,005 0,128 0,179 0,5

5 NH4+ mg/l 0,08 0,10 0,13 0,32 0,04 0,05 3

6 Colifor

m

VK/

100

ml

93 15 2 8 10 3 150

(Nguồn: Số liệu phân tích mẫu)


97

* Giá trị sắt (Hình 2b):Qua biểu đồ trên hình

2b cho thấy tại tất cả các điểm khảo sát trong

xã đều có hàm lượng sắt trong nước giếng

nằm trong QCCP đối với nước sinh hoạt. Tại

xóm Hanh (miền Thanh Bình) có hàm lượng

sắt cao nhất (0,179 mg/l), xóm Chiễn 2 (miền

Sông Cầu) có hàm lượng sắt thấp nhất (0,21

mg/l).

* Giá trị Amoni (Hình 2c): Hình 2c cho thấy,

tại tất cả các điểm khảo sát trong xã đều có

hàm lượng amoni trong nước giếng nằm trong

QCCP đối với nước sinh hoạt. Hàm lượng

Amoni giữa các miền chênh lệch nhau khá

nhiều. Tại xóm Náng (miền Hợp Thành) có

hàm lượng amoni cao nhất (0,32 %), xóm

Bến (miền Thanh Bình) có hàm lượng amoni

thấp nhất (0,04 %). Nguyên nhân nước ngầm

bị nhiễm amoni chủ yếu do các hợp chất có

chứa Nito có trong nước thải sinh hoạt, nước

thải chăn nuôi, phân bón,... Miền Hợp Thành

có hàm lượng amoni cao nhất do đây là khu

vực có hoạt động sản xuất rau rất phát triển,

vì vậy ngoài nguồn gây ô nhiễm là nước thải

sinh hoạt, chăn nuôi, còn do trong quá trình

sản xuất sử dụng nhiều phân bón hóa học, đặc

biệt là phân đạm có chứa hàm lượng Nito cao

làm tăng hàm lượng amoni trong nước ngầm.

Miền Sông Cầu có hàm lượng amoni cao thứ

hai do ngoài nguồn gây ô nhiễm là nước thải

sinh hoạt, chăn nuôi thì nước giếng còn bị ảnh

hưởng của nước sông Cầu.

* Giá trị Coliform (Hình 2d): Qua biểu đồ

trên ta thấy, tại tất cả các điểm khảo sát trong

xã đều có số lượng coliform trong nước giếng

nằm trong QCCP đối với nước sinh hoạt. Số

lượng Coliform trong nước giếng trên địa bàn

xã có độ chênh lệch rất lớn, dao động từ 2 –

93 VK/100ml. Tại xóm Chiễn 2 (miền Sông

Cầu) có số lượng Coliform trong nước giếng

cao nhất (93 VK/100ml), tại xóm Xúm (miền

Hợp Thành) có số lượng Coliform trong nước

giếng thấp nhất (2 VK/100ml). Miền Sông

Cầu là khu vực ven sông Cầu, chất lượng

nước sông đã có ảnh hưởng đến giá trị

Coliform của khu vực làm cho tại đây có số

lượng Coliform trong nước giếng là cao nhất.

Biểu đồ thể hiện giá trị pH của nước giếng giữa

các miền trong xã

6

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

6.7

1 2 3 4 5 6

Kí hiệu các xóm

pH

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng Fe trong nước giếng giữa

các miền trong xã

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1 2 3 4 5 6


mg/l

Fe

QCVN

02:2009

a/ b/

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng Amoni trong nước giếng

giữa các miền trong xã

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1 2 3 4 5 6


mg/l

NH4+

QCVN

02:2009

Biểu đồ biểu diễn số lượng Coliform trong nước giếng

giữa các miền trong xã

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6


mg/l

Coliform

QCVN

02:2009

c/ d/

(Ghi chú: (1): xóm Chiễn, (2): xóm Trại, (3): xóm Xúm, (4): xóm Náng, (5): xóm Bến, (6): xóm Hanh) Hình 2: So sánh các giá trị a/ pH, b/ sắt, c/ Amoni và d/Coliform giữa các miền trong xã Nhã Lộng


98

Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước trên

địa bàn xã Nhã Lộng

Do hoạt động chăn nuôi: Nhã Lộng là xã có

hoạt động chăn nuôi khá phát triển đặc biệt là

chăn nuôi lợn. Hoạt động chăn nuôi có xu

hướng tăng số lượng so với năm 2012 và chỉ

là chăn nuôi nhỏ lẻ và hộ gia đình. Hoạt động

chăn nuôi thải ra một lượng lớn chất thải như

phân, nước tiểu, thức ăn thừa, nước cọ rửa

chuồng, tắm rửa cho vật nuôi. Chất thải từ

hoạt động chăn nuôi có đặc thù là chứa rất

nhiều chất hữu cơ và có hàm lượng chất rắn

lơ lửng cao,... Hiện nay chất thải này vẫn

chưa có biện pháp thu gom và xử lý hợp lý

nên đã và đang là nguồn gây ô nhiễm không

những gây ảnh hưởng đến con người mà còn

góp phần làm gia tăng ô nhiễm nước. Việc kiểm

soát nguồn ô nhiễm này là rất khó khăn do quy

mô nhỏ lẻ và phân tán theo hộ gia đình.

Do hoạt động canh tác nông nghiệp: Nhã

Lộng là một xã thuần nông nên hoạt động

trồng trọt cũng là một nguyên nhân quan

trọng gây ô nhiễm nguồn nước. Nước thải

trồng trọt phát sinh chủ yếu từ lượng nước hồi

quy. Nước tưới nông nghiệp cho chảy tràn tự

nhiên và sau đó chảy qua các kênh mương đổ

về các hồ chứa nước, suối và cuối cùng tập

trung về sông Cầu. Lượng nước hồi quy này

là rất lớn và kéo theo một lượng lớn các chất

ô nhiễm từ hoạt động bón phân và sử dụng

thuốc BVTV. Việc sử dụng phân bón một các

bừa bãi, không theo quy trình sẽ làm xâm

nhập các chất ô nhiễm vào môi trường nước.

Do đời sống sinh hoạt của người dân:

Nguồn nước thải sinh hoạt trên địa bàn xã chủ

yếu phát sinh từ các hộ gia đình, ngoài ra còn

từ trạm y tế, trường học, cơ quan. Thành phần

các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt có

thể tồn tại dưới dạng các chất hòa tan, chất

không tan (cặn dễ lắng, cặn lơ lửng) và thành

phần gồm: hữu cơ (52 %) chủ yếu là các

cacbonhydrat như đường xenlulozo; các chất

dầu mỡ như axit béo dễ bay hơi; các chất đạm

như axit amin, amoni và ure và các vô cơ (48

%) [5]. Ngoài ra, còn một lượng lớn các loài

vi sinh vật là các virut, vi khuẩn gây bệnh.

Theo ước tính, hiện nay lượng nước dùng cho

sinh hoạt trung bình là 120 l/người/ngày ở

khu vực đô thị và 100 l/người/ngày ở khu vực

nông thôn [2]. Trong đó lượng nước thải

chiếm khoảng 80 % lượng nước cấp. Với số

dân hiện nay của xã khoảng hơn 7000 người

thì lượng nước thải phát sinh ra mỗi ngày là

rất lớn (khoảng 875000 l/ngày). Nước thải

sinh hoạt là một trong các nguyên nhân gây ô

nhiễm môi trường nước nếu như chúng không

được xử lý trước khi thải ra môi trường.

Đề xuất các biện pháp phòng ngừa ô nhiễm

môi trường nước trên địa bàn xã Nhã Lộng

Giải pháp quản lý: Nâng cao hiệu quả công

tác quản lý môi trường: Hướng dẫn các hình

thức khai thác và sử dụng nguồn nước đúng

kỹ thuật để bảo vệ tài nguyên nước.

Giải pháp kỹ thuật

- Quy hoạch hệ thống thoát nước thải: Hiện

tại trên địa bàn xã chưa có hệ thống thoát

nước thải hợp vệ sinh. Vì vậy, cần xây dựng

hệ thống thoát nước mưa chảy tràn, nước thải

sinh hoạt, nước thải chăn nuôi,... Hệ thống thoát

nước thải cần phải được xây dựng đúng kỹ thuật

như có nắp đậy kín, không bị rò rỉ ra ngoài,...

- Quy hoạch xử lý nước thải: Phải xử lý nước

thải trước khi xả vào sông hồ, kênh mương.

Không đổ nước thải chưa xử lý vào hố để tự

thấm hoặc để chảy tràn lan trên mặt đất. Nước

thải cần được thu gom, xử lý trong khu xử lý

tập trung trước khi thải ra môi trường.

- Quy hoạch bãi rác tập trung: Đầu tư xây

dựng bãi rác thải tập trung của huyện Phú

Bình. Tiến hành thu gom rác thải trên địa bàn

xã theo hợp đồng dịch vụ.

- Không lấn chiếm lòng sông, kênh rạch để

xây nhà, chăn nuôi thủy sản. Việc nuôi trồng

thủy sản trên các dòng nước mặt phải theo

quy hoạch.

- Trong sản xuất nông nghiệp phải có chế độ

tưới nước, bón phân phù hợp. Tránh sử dụng

thuốc trừ sâu dư thừa, không rõ nguồn gốc.

Nên áp dụng các phương pháp sinh học để

tiêu diệt sâu bọ, côn trùng.


99

Giải pháp tuyên truyền

Để thực hiện được giải pháp này cần phải tổ

chức các đợt điều tra xã hội học tìm hiểu nhận

thức của người dân về môi trường, ý thức và

khả năng tham gia bảo vệ môi trường của

người dân, những khó khăn và hạn chế của họ

để có biện pháp giúp đỡ. Tuyên truyền, giáo

dục môi trường là một giải pháp cấp thiết

nhưng cần tiến hành lâu dài, liên tục với

nhiều hình thức khác nhau thông qua các

phương tiện thông tin, truyền thông đại chúng

như tivi, phát thanh địa phương... cần được

tuyên truyền nhiều lần để tạo thói quen tốt

trong nếp sống hàng ngày, luôn nhắc nhở mọi

người phải giữ gìn vệ sinh môi trường, không

xả rác bừa bãi, tiết kiệm nước, ngăn chặn ô

nhiễm môi trường nước.

Giáo dục môi trường có thể thông qua các

tranh, ảnh tuyên truyền về môi trường, xây

dựng nếp sống văn minh đô thị ở các nơi công

cộng, trên các phương tiện giao thông công

cộng và những nơi tập trung đông người.

KẾT LUẬN

Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết

luận sau:

Nguồn nước mặt tại xã chủ yếu được sử dụng

vào mục đích tưới tiêu cho nông nghiệp. Qua

đánh giá cảm quan và theo ý kiến của người

dân, nước mặt có chất lượng khá tốt, chỉ riêng

ở khu vực trung tâm xã nước mặt có dấu hiệu

ô nhiễm hữu cơ do các nguồn gây ô nhiễm

như chất thải sinh hoạt từ các hộ gia đình,

nước thải chăn nuôi... chưa được xử lý thải ra

môi trường.

Nguồn nước ngầm trên địa bàn xã được khai

thác dưới hình thức giếng đào và giếng khoan

chủ yếu nhằm phục vụ mục đích sinh hoạt.

Qua kết quả phân tích, các chỉ tiêu pH, Sắt,

Amoni, Coliform đều đạt quy chuẩn cho phép

đối với nước sinh hoạt (QCVN

02:2009/BYT).

Tuy nước mặt, nước ngầm trên địa bàn xã vẫn

có chất lượng khá tốt nhưng hiện nay đang

phải đối mặt với các nguồn gây ô nhiễm như:

Ô nhiễm do nước thải, chất thải rắn sinh hoạt;

do chất thải chăn nuôi; do hoạt động trồng

trọt. Vì vậy, cần có biện pháp ngăn ngừa,

giảm thiểu các nguồn gây ô nhiễm môi trường

nước trước khi môi trường nước bị ô nhiễm

nặng gây ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt

và sản xuất của con người.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bộ y tế (2009), QCVN 02:2009 – Quy chuẩn kỹ

thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt,

2. Phạm Ngọc Hồ, Đồng Kim Loan, Trịnh Thị

Thanh (2009), Giáo trình cơ sở môi trường nước,

Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.

3. Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Vân Hà

(2006), Giáo trình Quản lý chất lượng môi trường,

Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội.

4. Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt

Nam (2005), Luật Bảo vệ môi trường 2005, Nhà

xuất bản chính trị Quốc gia Hà Nội.

5. Nguyễn Thanh Sơn (2005), Giáo trình Đánh giá

Tài nguyên nước Việt Nam, Nhà xuất bản Giáo dục.

6. UBND xã Nhã Lộng (2012), Báo cáo về điều

kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của xã Nhã Lộng

năm 2012.


100

SUMMARY

ASSESSING THE CURRENT WATER ENVIRONMENT

FOR NEW RURAL BUILDING CRITERIA IN NHA LONG COMMUNE,

PHU BINH DISTRICT, THAI NGUYEN PROVINCE

Phan Dinh Binh*

College of Agriculture and Forestry - TNU

The study was implemented to assess the quality of surface and underground water environment,

and find out the sources of water pollution and give suggestions to minimize water environmental

pollution in Nha Long commune, Phu Binh district, Thai Nguyen province in order to meet

environmental criteria of new rural building process. The underground water samples were

collected and analyzed in the laboratory of Life Science Institute - Thai Nguyen university. The

results shown that: all factors pH, Fe, Amoni and Coliform still are lower allowance value in

QCVN 02:2009/BYT. However, surface water source within Nha Long commune is facing with

sources of pollution such as: wastewater, solid waste, animal waste and agricultural cultivation

activities.

Key words: environmental quality, underground water, water pollution, Coliform


Phản biện khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Đặng – Trường Đại học Nông Lâm - ĐHTN


Nguyễn Xuân Thành Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 101 - 105

101

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH QUY HOẠCH KIẾN TRÚC BẢN LÀNG

KẾT HỢP VỚI DỊCH VỤ DU LỊCH KHU VĂN HÓA LỊCH SỬ ATK ĐỊNH HÓA

Nguyễn Xuân Thành*

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Khu du lịch văn hóa lịch sử ATK Định Hóa không chỉ là nơi có nhiều di tích lịch sử có ý nghĩa

quan trọng mà còn là nơi giàu truyền thống văn hóa dân tộc, có nhiều danh lam thắng cảnh đẹp.

Tuy nhiên trong quá trình khai thác du lịch vẫn chưa gắn kết việc khai thác, bảo tồn di tích với

khai thác bản sắc văn hóa dân tộc của vùng thể hiện các mặt sau: Chưa khai thác yếu tố văn hoá

bản làng vào các tuyến du lịch; Chưa khai thác kiến trúc nhà ở của người dân để phục vụ khách du

lịch. Để khắc phục các nhược điểm trên bài báo đưa ra mô hình quy hoạch kiến trúc bản làng kết

hợp với dịch vụ du lịch khu văn hóa lịch sử ATK Định Hóa nhằm khai thác giá trị văn hóa dân tộc

của vùng phục vụ cho du lịch.

Từ khóa: Quy hoạch, kiến trúc, kiến trúc cảnh quan, bản làng, nhà ở.

TỔNG QUAN*

- ATK Định hóa là nơi có nhiều di tích lịch sử

quan trọng, là môt địa danh có truyền thống

văn hóa cách mạng và có nhiều danh lam

thắng cảnh. Do vậy, ATK Định Hóa là nơi

hấp dẫn du khách để tìm hiểu văn hoá lịch sử,

thăm quan ngắm cảnh và nghỉ dưỡng.

- Ngày nay, trước sự phát triển mạnh mẽ về

văn hóa, kinh tế, các điểm di tích ATK Định

Hóa đang được đầu tư cơ sở hạ tầng, bảo tồn

tôn tạo các di tích nhằm khai thác du lịch.

Tuy nhiên chưa chú ý đến việc đầu tư để khai

thác các giá trị văn hóa cảnh quan của vùng

cụ thể còn một số tồn tại:

+ Chưa khai thác yếu tố văn hoá bản làng vào

các tuyến du lịch.

+ Chưa khai thác kiến trúc nhà ở của người

dân để phục vụ khách du lịch.

CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KIẾN

TRÚC BẢN LÀNG KHU VĂN HÓA LỊCH

SỬ ATK ĐỊNH HÓA

* Bản làng gắn với núi đồi.

Một trong những đặc trưng của bản làng khu

ATK Định Hóa là thường nằm trong điạ thế

bao quanh có núi do vậy rất thuận lợi cho việc

lập căn cứ địa và đánh du kích trong kháng

chiến, tạo cho Định Hóa có khả năng phòng


ngự tốt khi cách mạng gặp khó khăn. Chính vì

vậy mỗi tên làng, tên núi ở đây đều gắn với

những sự kiện lịch sử hào hùng của dân tộc.

Do đó, bố cục cảnh quan làng bản khu ATK

Định Hóa có đặc điểm gắn với cảnh quan đồi

núi tạo cho làng bản vẻ hùng tráng và hòa

nhập xung quanh.

* Bản làng gắn với rừng.

Rừng Định Hóa là một bộ phận đặc trưng

trong việc tạo ra cảnh quan bản làng nơi đây.

Mỗi một làng bản gắn với những con đường

nhỏ xíu, gập ghềnh, len lỏi giữa rừng cọ.

Những mái nhà sàn, nhà đất thấp thoáng dưới

những tán lá cọ và bóng cây cổ thụ đã tạo cho

đặc điểm riêng của cảnh quan khu vực.

* Bản làng gắn với quần thể di tích.

Khi lựa chọn nơi đây làm ATK, BácHồ khẳng

định: “Có nhân dân tốt, có cơ sở chính trị tốt

là ở nơi đó “tiến khả dĩ công, thoái khả dĩ

thủ” (tiến có thể đánh, lui có thể giữ)”. Đây

chính là tiêu chí của Người để lựa chon nơi ở

và làm việc ”Gần dân mà không gần đường”.

Do vậy, khi xây dựng các điểm căn cứ cách

mạng, Bác Hồ đều lựa chọn vị trí gắn với bản

làng. Đây là một yếu tố quan trọng để huy

động lực lượng của toàn dân tham gia phục

vụ cho cách mạng. Cùng với những tấm lòng

kiên trung của người dân là một trong những

lá chắn che chở cho cả vùng ATK rộng lớn,


102

bảo vệ an toàn cho Trung ương Đảng, Chính

phủ và Bác Hồ.

Vị trí các điểm di tích thường được xây dựng

ở lưng chừng đồi dưới những tán cọ và những

cây cổ thụ xanh mát đan xen với những ngôi

nhà sàn trong làng bản thấp thoáng dưới chân

đồi bám ven những cánh đồng, bờ suối.

Đây chính là một đặc trưng của cảnh quan của

bản làng, nó gắn với cảnh quan di tích ATK

Định Hóa thành một cơ thể vững chắc và hài

hòa với không gian thiên nhiên của núi đồi.

* Bản làng gắn với con suối, thác nước.

Phần lớn các bản làng nơi đây đều có phong

cảnh hữu tình đáp. Không những có núi, Định

Hóa còn có suối uốn lượn bắt nguồn từ chân

dãy núi Hồng chảy qua xóm Khuôn Tát ... đổ

vào sông Công là một phần không thể thiếu

được trong bố cục kiến trúc bản làng huyện

Định Hóa.

Do vậy, suối không chỉ có vai trò ý nghĩa

lịch sử như vậy mà còn là một điểm nhấn

làm tôn thêm vẻ đẹp trong việc bố trí cảnh

quan bản làng.

* Đặc trưng của kiến trúc nhà ở.

Nét đặc trưng trong kiến trúc nhà ở Định Hóa

là kiến trúc nhà sàn dân tộc Tày – Định Hóa.

Hiện nay nhà sàn phần lớn là nhà hai mái, sàn

ghép dát hoặc ván gỗ. Việc dựng ngôi nhà sàn

cần rất nhiều công phu. Để chuần bị đủ

nguyên liệu: Cột, ván, sàn, cọ... người ta phải

vào rừng sâu, lên núi cao để kiếm tìm loại gỗ

tốt lâu năm. Thời gian lo nguyên liệu có thể

vài ba tháng nhưng cũng khi tới cả vài năm.

Nhà sàn có diện tích sử dụng rất lớn, chia

thành các gian và mỗi gian đều có chức năng

riêng: Gian giữa dùng làm bàn thờ, để cầu

nguyện ông bà tổ tiên phù hộ cho gia đình an

lành, ấm no và hạnh phúc. Còn các gian phụ

được dùng để sinh hoạt, để đồ đạc…

Nghệ thuật bài trí trong nhà sàn cũng mang

nhiều nét đặc trưng riêng của văn hóa Tày –

Định Hóa. Nhà sàn người Tày thường đặt 3

bếp: Một bếp đặt ở gian chính giữa ngôi nhà,

đây là bếp chính dùng để tiếp khách và là nơi

giữ lửa cho tất cả các bếp khác cũng như sưởi

ấm cho cả gia đình, Bếp thứ hai được đặt

cạnh giường của người già với mục đích giữ

ấm trong mùa đông. Bếp cuối cùng dùng để

chế biến thức ăn, bếp này thường được dựng

ở một gian riêng. Bên cạnh đó, người Tày

cũng thờ ma bếp ở ngay góc bếp hoặc cắm

ống nhang vào bức vách thẳng khuôn bếp

nhưng về vách phía sau gọi là “sỏi lội”.

Trong ngôi nhà sàn, từ cách bố trí không gian

thờ cúng tổ tiên, nơi tiếp khách, bếp núc cho

tới buồng ngủ của mỗi thành viên trong gia

đình đều thể hiện rõ phong tục, tập quán, nền

nếp của đồng bào Tày ở Định Hóa.

MÔ HÌNH QUY HOẠCH KIẾN TRÚC BẢN

LÀNG KẾT HỢP VỚI DỊCH VỤ DU LỊCH

KHU VĂN HÓA LỊCH SỬ ATK ĐỊNH HÓA

Nguyên tắc mô hình quy hoạch tuyến du

lịch nhằm khai thác giá trị bản làng

Dựa vào sự phân bố của các điểm di tích mà

khi quy hoạch tuyến du lịch tổ chức thành các

cụm theo nguyên tắc sau:

- Chọn ra các điểm di tích quan trọng có ý

nghĩa về mặt lịch sử và thuận tiện giao thông

để làm điểm đón tiếp du khách.

- Các di tích khác chỉ là các điểm tham quan .

- Trong tuyến tham quan cần đan xen bản

làng với các điểm di tích tạo thành vòng tuần

hoàn liên tục làm phong phú và hấp dẫn thêm

cho du khách.

- Mạng lưới giao thông hiện tại đến các cụm

di thích theo dạng hình xương cá không thuận

tiện cho tham quan. Đề xuất đường giao

thông thành vòng tròn khép kín thuận tiện cho

du khách cũng như phát huy giá trị củ bản

làng vào du lịch.

Giải pháp mô hình quy hoạch kiến trúc

bản làng kết hợp với dịch vu du lịch khu

văn hóa lịch sử ATK Định Hóa

Tùy vào địa điểm và vai trò của làng mà có

thể phân cấu trúc làng thành các phân khu

nhằm phục vụ du lịch văn hóa như sau:

Không gian đón tiếp và dịch vụ.


103

- Vị trí : Thường được lựa chọn vị trí ở đầu

làng để đón tiếp du khách

- Nội dung hoạt động:

Hình 1. Quy hoạch mạng lưới tuyến du lịch nhằm

khai thác giá trị bản làng phục vụ du lịch.

Khu phụ trợ phục vụ cho quản lý hướng dẫn,

trưng bày các hoạt động trong làng.

Văn hóa ẩm thực, bán hàng thủ công, đồ lưu niệm

Trường hợp làng có Đình cần khai thác giá trị

Đình làng làm chỗ đón tiếp, trưng bày giới

thiệu cho du khách

- Hình thức thể hiện:

Xây dựng các công trình dựa theo đường

đồng mức của địa hình, tránh đào phá san lấp

gây lãng phí cho đầu tư. Tỷ lệ khối tích công

trình hài hòa với phong cảnh tự nhiên và cảnh

quan đô thị.

Khai thác các đường nét của kiến trúc địa

phương, khuyến khích lợp mái dốc lợp ngói

hoặc dán ngói hay có thể lợp dạ.

Khai thác cảnh quan thiên nhiên sẵn có nhằm

khai thác du lịch

Hình 2. Không gian đón tiếp khách và dịch vụ

khai thác kiến trúc nhà sàn

Không gian văn hóa lễ hội, thể dục thể thao.

- Vị trí: Lựa chọn vùng trọng tâm của làng,

nơi có địa hình bằng phẳng, phù hợp với các

hoạt động tập trung đông người.

- Nội dung hoạt động: Là nơi tập trung các

hoạt động thể thao và trò chơi, lễ hội,.

- Hình thức thể hiện:

Nên kết hợp với không gian thiên nhiên ngắm

cảnh tạo cảm rác rộng rãi, khoáng đạt.

Xây dựng khuôn viên sân lễ hội như trồng cây

xung quanh sân, lát nền vỉa hè, không gian

đường dạo.

Trang bị hệ thống cột điện chiếu sáng mang

dáng dấp kiến trúc dân tộc.

Với địa hình không phẳng dùng giải pháp kè

theo dạng vát hay giật cấp đan xen với cỏ cây

tạo hòa nhập với cảnh quan xung quanh.

Cần chú ý các thùng rác lưu động để đảm bảo

môi trường xung quanh.

Hình 3. Mẫu nhà nghỉ có phòng nghỉ khách và

chủ nhà chung một nhà

Không gian làng bản

- Về mặt chức năng:

Là nơi du khách tham quan và tìm hiểu văn

hóa phong tục tập quán thông qua đời sống

sinh hoạt.


104

Tạo thuận lợi cho du khách ăn nghỉ nếu có

nhu cầu đảm bảo tiện nghi, tính riêng tư,

không ảnh hưởng đến cuộc sống riêng tư của

gia đình.

- Mô hình quy hoạch kiến trúc nhà ở:

Hình 4. Quy hoạch khuôn viên hài hòa xung quanh

Quy hoạch dựa vào kiến trúc nhà dân sẵn có

để chia thành các cụm bằng cách làm đường

giao thông, tạo vỉa hè, đèn điện chiếu sáng,

cây ven đường , hàng rào nhằm khai thác nổi

bật giá trị của kiến trúc bản địa đồng thời tạo

thuận tiện cho du khách tham quan. Các công

trình xây mới cần tuân thủ theo địa hình tự

nhiên để hài hòa với môi trường xung quanh

Giải pháp mặt bằng: Không gian mặt bằng

tầng trệt là nơi tiếp khách , nơi du khách tham

quan, nơi trưng bày vật lưu niệm. Tầng 2 một

phần bố trí không gian ăn ở gia đình, bố trí

thêm một cầu thang cho du khách lên phòng

nghỉ để đảm bảo riêng tư, trường hợp có hành

lang không cần bố trí cầu thang riêng mà

khách có thể đi qua hành lang đến không gian

phòng nghỉ. Không gian ăn uống có thể sử

dụng chung với du khách tùy theo kiến trúc

cụ thể đảm bảo vừa vệ sinh, vừa thoáng mát.

Nhà vệ sinh có thể bố trí vệ sinh riêng hay

chung tùy vào điều kiện cụ thể đảm bảo vệ

sinh môi trường. Thông thường nhà vệ sinh

bố trí phía sau 2 tầng kết hợp với hành lang

của nhà.

Không gian thư giãn ngắm cảnh

- Vị trí : Thường ở cuối làng nơi có phong

cảnh đẹp núi đồi, cánh đồng, suối nước.

- Chức năng: Tạo không gian đường dạo tận

dụng không gian thiên nhiên phục vụ nghỉ

ngơi thư giãn của du khách

Hình 5. Mẫu nhà nghỉ có phòng nghỉ khách và

chủ nhà tách làm 2 nhà

- Giải pháp quy hoạch kiến trúc: Không gian

đường dạo khai thác cảnh quan đường dọc

theo ven suối bằng hệ thống kè, lan can kết

hợp với bến nước, chỗ nghỉ chân ngắm cảnh

nhằm tạo cho du khách thêm thú vị. Bảo tồn

hệ thống cây tự nhiên đặc biệt là những cây

lâu năm để đảm bảo vẻ nguyên sơ cho không

gian bản làng hài hòa với cảnh quan di tích

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trên đây là một số giải pháp về mô hình quy

hoạch tuyến du lịch, mô hình bản làng kết

hợp với du lịch, mô hình kiến trúc nhà ở trong

khu du lịch khu văn hóa lịch sử ATK Định

Hóa nhằm khai thác giá trị văn hóa dân tộc

của vùng phục vụ cho du lịch góp phần làm

tăng sự hấp dẫn của khu du lịch văn hóa lịch

sử ATK Định Hóa với du khách.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kts Nguyễn Thế Khải, Khai thác không gian

kiến trúc cảnh quan tại các khu di tích, Tạp chí

Kiến trúc Việt Nam

2. Nguyễn Thế Bá (2004), Quy hoạch xây dựng và

phát triển đô thị, Nxb xây dựng, Hà Nội.

3. Đồng Khắc Thọ, Về thủ đô gió ngàn ATK in

dấu lịch sử, Nxb Hội Nhà Văn, Thái Nguyên.


105

SUMMARY

A LANDSCAPES PLANNING MODEL OF LOCAL ARCHITECTURE

COMBINE WITH TOURIST SERVICES FOR THE ATK DINH HOA

Nguyen Xuan Thanh*

College of Technology - TNU

ATK Dinh Hoa is not only home of many historical sites but also a place rich in cultural, ethnic

traditions and beautiful landscapes. However, during the tour operators have not linked the

exploitation and conservation of monuments to exploit ethnic cultural identity of the region.

Therefore, this paper introduced a landscape planning model based on the combination of the local

architecture and services for tourism development. For development the values of local

architecture we proposed to plan ruins in clusters and a closed circle road to connect clusters ruins

and local villages. In addition, we encourage the development of tourist services in the living space

of indigenous.

Keywords: planning, architecture, landscape architecture, architectural space, conservation


Phản biện khoa học: TS. Dương Thế Hung – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN



106

Lê Thu Trang và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 107 - 112

107

PHÂN MẢNH VÀ CẤP PHÁT DỮ LIỆU

TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN

Lê Thu Trang1*, Lê Bích Liên2, Nguyễn Tuấn Anh3

1Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái nguyên 2Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên, 3Đại Học Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong thiết kế phân tán, phân mảnh và cấp phát là một vấn đề quan trọng. Cơ sở dữ liệu hướng đối

tượng phân tán khi thiết kế còn phát sinh thêm một số vấn đề phức tạp khác. Các vấn đề phức tạp

này bắt nguồn từ các đặc điểm của mô hình hướng đối tượng, đó là tính đóng gói, kế thừa, sự phân

cấp lớp, sự có mặt của các thuộc tính và phương thức phức hợp. Bài bào này trình bày về thuật

toán cấp phát lớp trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng phân tán.

Từ khóa: phân tán, cơ sở dữ liệu hướng đối tượng phân tán, phân mảnh, cấp phát dữ liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Sự phát triển của các ứng dụng dữ liệu

chuyên sâu đã vượt qua khả năng xửa lý của

hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ. Có

thể liệt kê một số lĩnh vực chuyên môn sâu

của cơ sở dữ liệu như Multimedia,

CAD/CAM và các hệ thống tài chính phức

tạp. Các hạn chế của cơ sở dữ liệu quan hệ đã

thúc đẩy sự phát triển của hệ thống cơ sở dữ

liệu hướng đối tượng (OODBS – Object

Oriented Database System). OODBS được

xây dựng dựa trên mô hình cơ sở dữ liệu

hướng đối tượng (OODB), mỗi đối tượng

được lưu trữ không chỉ dữ liệu mà còn thao

tác trên chúng. Các nghiên cứu cho thấy

OODB sẽ tiếp tục phát triển và cung cấp các

khả năng nổi trội trong việc xử lý dữ liệu

phức tạp.

Để đáp ứng nhu cầu của doanh nghiệp lớn với

sự phân bố nhiều trạm ở các vị trí địa lý khác

nhau, OODB được phát triển trên môi trường

mạng tạo thành mô hình cơ sở dữ liệu hướng

đối tượng phân tán (DOODB – Distributed

Object Oriented Database System).

Cơ sở dữ liệu phân tán cần có phương án thiết

kế tốt nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống.

Hai vấn đề trong thiết kế trong cơ sở dữ liệu

phân tán là phân mảnh (fragment) và cấp phát

(allocation). Với các đặc điểm của OODB

như đóng gói, kế thừa, phân cấp thì các kĩ


thuật phân mảnh và cấp phát sẽ gặp khó khăn

hơn nhiều. Bài toán cấp phát dữ liệu đã được

chứng minh là bài toàn NP đầy đủ, trong

nghiên cứu này tôi đề cập tới một thuật toán

cấp phát lớp trong OODB.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Phân mảnh được chia làm 3 loại: phân mảnh

ngang, phân mảnh dọc và phân mảnh hỗn

hợp. Phân mảnh dọc nhằm chia một quan hệ

thành tập các quan hệ nhỏ hơn, phân mảnh

ngang nhằm chia các bộ dữ liệu thành các

quan hệ, phân mảnh hỗn hợp là kết hợp cả

phân mảnh ngang và phân mảnh dọc. Phân

mảnh trong cơ sở dữ liệu quan hệ đã được đề

cập trong rất nhiều nghiên cứu, và cũng có

nhiều công trình liên quan đến cấp phát trong

cơ sở dữ liệu [4], [8], [9].

Trong OODB, mục tiêu của phân mảnh dọc là

chia các lớp thành các lớp nhỏ hơn, còn phân

mảnh ngang là chia bộ các đối tượng của lớp

thành các mảnh. Dữ liệu trong OODB bao

gồm các đối tượng được đóng gói, mỗi đối

tượng bao gồm các thuộc tính và các phương

thức. Các đối tượng được tạo ra từ các lớp.

Một lớp trong quan hệ thứ tự được biểu diễn

bởi C = (K, A, M, I) trong đó K là tập các

định danh, A là tập các thuộc tính, M là tập

các phương thức, I là tập các đối tượng được

định nghĩa bởi A và M. Phân mảnh dọc của C

là Cv =K, A’, M’, I trong đó A’ ,

M’ . Phân mảnh ngang của C là Ch=K,

A, M, I’ trong đó I . Một số nghiên cứu


108

đã thực hiện với việc phân mảnh trong OODB

[3], [7], [11], Cấp phát là định vị các mảnh f i

vào các trạm sj của mạng truyền thông. Các

nghiên cứu tập trung tìm ra các thuật toán cấp

phát nhằm giảm chi phí. Chỉ có một số rất ít

các nghiên cứu đề cập đến vấn đề cấp phát

các thuộc tính và các phươg thức. Trong [6]

K. Barker and S. Bhar đã đưa ra các khái

niệm cơ bản để thiết lập cho bài toán cấp phát

lớp, trong đó các tác giả cũng đề nghị một

hướng tiếp cận đồ thị để giải quyết bài toán.

Trong [1] và [10] đề cập đến thuật toán di

truyền để chọn ra phương án cấp phát gần tối

ưu. Các giải thuật heuristic cho bài toán cấp

phát lớp trong OODB được đề cập trong [2], [5]

BÀI TOÁN CẤP PHÁT LỚP

Mô tả bài toán

Trong giai đoạn cấp phát, các mảnh lớp được

định vị vào các trạm trong mạng liên kết, bài

toán đặt ra là tìm một phương án cấp phát tối

ưu. Phương án này với tiêu chí là chi phí cấp

phát là nhỏ nhất. Chi phí cấp phát là tổng các

chi phí thành phần: chi phí lưu trữ dữ liệu, chi

phí xử lý vấn tin, chi phí để truyền dữ liệu

giữa các trạm.

Các thông tin cần thiết để thiết lập công thức

tính chi phí cấp phát bao gồm: thông tin về dữ

liệu, các truy vấn, thông tin mạng gồm các

trạm, khả năng lưu trữ của từng trạm và hiệu

năng hoạt động của mỗi trạm

Mô hình được thiết lập như sau:

- Mạng kết nối gồm m trạm S= s1, s2, … sm

- Tập các mảnh F= f1, f2, … fn, giả thiết số

lượng các mảnh nhiều hơn số trạm rất nhiều.

- Tập các truy vấn Q = q1, q2, … qh

Mục tiêu của bài toán là xác định ánh xạ từ F

vào S sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất.

Thông tin về dữ liệu

Để đơn giản, tất cả các thuộc tính và phương

thức của tất cả các lớp được đánh số và chỉ

mang một chỉ số. Ma trận sử dụng thuộc tnhs

của các phương thức MAU (Method Attribute

Usage) biểu diễn việc sử dụng các thuộc tính

bởi các phương thức. Trong ma trận MAU,

các hàng thể hiện các phương thức, các cột

thể hiện các thuộc tính, giá trị 1 chỉ ra phương

thức truy cập thuộc tính tương ứng, ngược lại

là 0. Bảng 1 là một ví dụ về MAU.

Bảng 1. Ma trận MAU a1 a2 a3 a4 a5

m1 1 0 1 0 0

m2 0 1 0 0 0

m3 0 0 0 1 1

Ma trận sử dụng phương thức của các phương

thức MMU (Method Method Usage) biểu

diễn việc sử dụng các phương thức bởi các

phương thức khác. Trong ma trận MMU, các

hàng và các cột bao gồm các phương thức, giá

trị 1 chỉ ra phương thức truy cập các thuộc

tính tương ứng, ngược lại là 0. Bảng 2 là một

ví dụ về MMU.

Bảng 2. Ma trận MMU

m1 m2 m3

m1 1 0 1

m2 0 1 0

m3 0 0 0

Kích thước các mảnh lớp fi:

Size (fi) = card(fi) * length (fi)

Trong đó card(fi) là số phần tử của các mảnh fi,

length(fi) là số byte của các thuộc tính trong

mảnh fi. Bảng 3 là ví dụ về kích thước mảnh. Bảng 3. Mảng Size (F)

Fragment f1 f2 f3 f4

Size 300 550 400 100

Thông tin về truy vấn của người dung

Khi đóng gói các đối tượng, các ứng dụng chỉ

truy cập được các mảnh đối tượng thông qua

các phương thức, acc(qi, mi) là tần suất truy

cập vào phương thức mi của câu truy vấn qi,

Ví dụ được thể hiện qua bảng 4.

Bảng 4. Ma trận QMF

Query/Method m1 m2 m3

q1 3 5 1

q2 4 0 2

q3 4 1 0

Ma trận QSF biểu diễn tần suất thực hiện các

truy vấn tại các trạm.

Bảng 5. Ma trận QSF

Query/Site s1 s2 s3

q1 2 1 0

q2 1 0 3

q3 0 3 1


109

Thông tin các trạm

Mỗi trạm có dung lượng lưu trữ như sau:

Bảng 6. Dung lượng trên các trạm Site s1 s2 s3

Dung lượng 1000 1700 600

Điều kiện đặt ra là tổng kích thước các mảnh

lưu trữ trên mỗi trạm không được vượt quá

dung lượng của trạm đó

Thông tin về mạng

Ma trận chi phí giao tiếp giữa các trạm là n*n,

mỗi phần tử là chi phí giao tiếp giữa 2 trạm,

Bảng 7 là ví dụ về ma trận chi phí giao tiếp

Bảng 7. Ma trận liên kết trạm SSC0 Site s1 s2 s3

s1 0 5 10

s2 5 0 3

s3 10 3 0

Áp dụng thuật toán tìm đường đi nhỏ nhất

giữa 2 đỉnh bất kì để đưa về ma trận chi phí

giao tiếp SSC, ví dụ ma trận trong bảng 7 đưa

về kết quả ma trận SSC trong bảng 8.

Bảng 8. Ma trận SSC Site S1 S2 S3

S1 0 5 8

S2 5 0 3

S3 8 3 0

Xây dựng hàm chi phí cấp phát

Sử dụng một số hàm

- Par(mj) trả về tập các tham số được phân

tích ra khi phương thức mj được gọi.

- res(mj) là dữ liệu trả về khi phương thức mj

được gọi.

- MIS(qk) là tập các phương thức mà truy vấn

qk tham chiếu tới.

- MMR(mj) là tập các phương thức được tham

chiếu bởi mj.

Tính chi phí tham chiếu

Chi phí giao tiếp về mặt dữ liệu giữa các

mảnh IFDC (Interfragment data

communication) được thiết lập như sau, trước

hết là giữa phương thức mj với thuộc tính ak

)(*),(*),(),(|

kkl

Qqi

likl asizeamMAUmqaccamIFDCi

Trong đó acc(qi, ml) là tần suất truy cập

phương thức ml của truy vấn qi, size(ak) là

kích thước của thuộc tính ak. Như vậy, tính

cho toàn bộ các thuộc tính ak thuộc mảnh fj

nhận được chi phí giao dịch giữa mảnh và

phương thức IFC (Interfragment

communication).

ji fak

kljl amIFDCfmIFC|

),(),(

),(*),(*)(),(|

21 klli

Qqi

kl mmMMUmqaccIImmIFDCi

Trong đó, Il là tổng tất cả kích thước các tham

số trong phương thức mk, I2 là tổng tất cả kích

thước các kết quả trả về của phương thức mk

)(|

1 )(ki mparpi

ipsizeI ))((2 kmressizeI

Thiết lập chi phí tham chiếu giữa mảnh fi và fj

được xác định bởi:

jl lkjkfml mMMRmfmk

kljlji mmIFDCfmIFCffFFR| )(|

)),(),((),(

Trong đó, ml là các phương thức thuộc fj và

mk là các phương thức ml tham chiếu đến.

Như vậy, có thể thiết lập một ma trận tham

chiếu giữa các mảnh FFR, ví dụ về một ma

trận tham chiếu mảnh như bảng 9. Bảng 9. Ma trận FFR

Fragment F1 F2 F3 F4

F1 2 1 0 5

F2 4 0 0 1

F3 3 1 0 0

F4 0 2 3 0

Tham chiếu giữa mảnh và truy vấn ứng dụng

xác định bằng hàm QFR (Query Fragment

Reference).

),(*)(),( 2

)(|

1 lk

h

qMISmfml

ik mqaccAAfqQFRklil

Trong đó A1 là tổng tất cả kích thước các

tham số trong phương thức ml, A2 là tổng tất

cả kích thước các kết quả trả về của phương

thức ml

)(|

1 )(lj mparpj

jpsizeA ))((2 lmressizeA

Như vậy, có thể thiết lập một ma trận tham

chiếu giữa các truy vấn và mảnh QFR, ví dụ

về một ma trận QFR như bảng 10.

Bảng 10. Ma trận QFR

Query/Fragment f1 f2 f3 f4

q1 2 1 0 5

q2 0 0 2 1

q3 3 1 0 0

Xác định phương án cấp phát

Kết hợp ma trận QFR và ma trận QSF để tính

tham chiếu giữa mảnh và trạm.


110

Bảng 11. Ma trận SFR0

S Q QSF f1 f2 f3 f4

S1

q1 2 2 1 0 5

q2 1 0 0 2 1

q3 0 3 1 0 0

S2

q1 0 2 1 0 5

q2 1 0 0 2 1

q3 3 3 1 0 0

S3

q1 0 2 1 0 5

q2 3 0 0 2 1

q3 1 3 1 0 0

Lấy tần suất nhân với số truy cập tương ứng

ta xây dựng được ma trận SFR biểu diễn sự

tham chiếu giữa mảnh và trạm như sau:

Bảng 12. Ma trận SFR

Site/Fragment f1 f2 f3 f4

s1 4 2 2 11

s2 11 3 0 5

s3 3 1 6 3

Thực hiện nhân ma trận SFR với ma trận

FFR, tiếp tục nhân với ma trận SSC, kết quả

là ma trận SFC biểu diễn chi phí khi cấp phát

các mảnh tại các trạm.

SFR1 = SFR*FFR

SFC = SFR1*SSC

Với dữ liệu của SFR và FFR trong bảng 12 và

bảng 9 có kết quả ma trận SFR1 như sau:

Hình 13. Ma trận SFR1


s1 22 28 33 22

s2 38 21 15 59

s3 28 15 9 16

Kết hợp nhân dữ liệu SFC trong bảng 8 với

SFRI có ma trận SFC như sau:

Bảng 14. Ma trận SFC


s1 414 225 147 423

s2 194 185 192 158

s3 290 278 309 353

Tại mỗi cột của ma trận SFC, tìm giá trị lớn nhất, giả sử giá trị lớn nhất là SFC(i,j) thì

mảnh fj được cấp phát tại trạm Si. Nếu kích thước của mảnh vượt quá dung lượng còn lại

của trạm thì tìm trạm tương ứng với phần tử có giá trị lớn tiếp theo trong cột.

Nếu có 2 phần tử trong cột cùng có giá trị lớn nhất thì xây dựng thêm thuật toán tính độ ưu

tiên để chọn, chẳng hạn đơn giản chọn trạm có dung lượng lớn hơn.

Với ví dụ về ma trận SFC như trong bảng 14,

ta xây dựng phương án cấp phát như sau:

- Trong cột f1 giá trị lớn nhất tương ứng với

hàng s1,Vì vậy f1 chọn cấp phát tại trạm s1

- Tương tự f2 được chọn cấp phát tại trạm s2

- f3 được chọn cấp phát tại trạm s3 nhưng như

vậy sẽ quá dung lượng S3.

Giá trị lớn thứ 2 trong cột f3 tương ứng với

hàng s2, vậy f3 được chọn cấp phát tại trạm s2

- f4 được chọn cấp phát tại trạm s1

Phương án lựa chọn như trong bảng 15.

Bảng 15. Ma trận SFA

Fragment f1 f2 f3 f4

Site s1 s3 s2 s1

THUẬT TOÁN CẤP PHÁT LỚP

Thuật toán chia thành các bước như sau:

Xác định ma trận chi phí giữa các trạm

Đầu vào: Ma trận chi phí SSC0

Đầu ra: Ma trận chi phí được tối thiểu SSC

Thuật toán: Tìm đường đi ngắn nhất giữa 2

đỉnh trong đồ thị

Xây dựng ma trận tham chiếu giữa các

mảnh và truy vấn

Đầu vào: Các ma trận MAU, MMR, QMF,

res(mk), res(mk), MIS(qk), MMR(mk)

Đầu ra: Ma trận FFR, QFR

Thuật toán:

// Tính IFDC (m1, ax)

For i = 1 to x do //method

For j = 1 to y do // attribute

For k = 1 to h do // query

IFDC1 [i, j] + = QMF [k, i] *MMU [i, j] *size(ax)

// Tính IFC (mi, fj)


For j = 1 to n do //fragment

For (ak € f j)

IFC [i , j] + = IFDC1 [i , j]:

// Tính IFDC (mi , mk):


For j = 1 to h do //query


111

For (p1 € par (mk))

I1 + = size (p1);

I2 = size (res (mk))

IFDC [i , j] + = (I1 + I2) * QMF [k , i] *MMU [i , j]

// Tính FFR (fi , fj)

For i = 1 to n do // fragment

For j = 1 to n do // fragment

FFR [ i , j] + = IFC [1 , j]

For (k|mk € fj & mk € MMR (mi))

FFR [ i , j] + = IFDC [1 , k]

// Tính QFR (qk , fi)

For k = 1 to h do // query

For I = 1 to n do // fragment

For (1|mi € fi & mi € MIS (qk))

For (p3 € par (m1))

A1 + = size (p1);

A2 = size (res (mk))

QFR i , j += (A1 + A2)*QMF k

,1

Xác định chi phí cấp phát

Đầu vào: Các ma trận QSF, FFR, QFR, SFR

Đầu ra: Ma trận SFC

Thuật toán:

/* Xây dựng hàm nhân 2 ma trận: Ma trận A

kích thước m*h, ma trận B kích thước h*n, ma

trận kết quả C kích thước h*n * /

Nhân ma trận (A , B)

for i = 1 to m do

for j = 1 to n do

C[i, j] = 0;

for k = 1 to n do

C[i, j] = C[i , j] + A[i , k] * B[k , j] ;

end k;

end j;

end i;

return C:

end NhânMaTrân;

/* Gọi hàm nhân ma trận để thực hiện nhân

ma trận SFR với FFR, lấy kết quả nhân với

ma trận SSC, kết quả cuối cung là ma trận

SFC * /

SFR 1 = Nhân MaTrận (SFR , FFR);

SFC = Nhân MaTrận (SFR1, SSC);

Tìm phương án cấp phát

Đầu vào: SFC, Size(F), Capacity(S)

Đầu ra: Phương án cấp phát

Thuật toán:

Tìm giá trị lớn nhất trong các cột của ma trận

SFC, xác định được trạm cấp phát tương ứng

cho mảnh. Điều chỉnh nếu vượt qua dung

lượng và sử dụng độ ưu tiên nếu có 2 giá trị

lớn nhất tại một cột.

for j = 1 to n do

for i = 1 to m do

//Tìm i để SFC(i , j) đạt giá trị lớn nhất

If (tồn tại nhiều giá trị i)

Chọn i mà s1 có dung lượng

lớn

if (Capacity (si) > size (fj))

Cấp phát fj tại trạm Si;

Capacity (s1) = size (fj))

ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

Khi một mảnh fj được cấp phát tại trạm Sk khi

có chi phí cập nhật là cao nhất và như vậy chi

phí giao tiếp là bé nhất. Điều này cũng đã

được chứng minh trong [7].


112

Với phương án cấp phát đề xuất mỗi mảnh

chỉ được cấp phát tại một trạm, nghĩa là

không xảy ra trường hợp phải sao chép một

mảnh và đặt tại các trạm khác nhau.

Trong thuật toán các phép tính để xác định độ

phức tạp chính là phép tính nhân hai ma trận.

Như vậy thuật toán có độ phức tạp là O(h*n2),

trong đó h là số các trạm và n là số các mảnh,

Độ phức tạp này là có thể chấp nhận được.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A.Sarhan, “A New Allocation Technigue for

Methods and Attributes in Distributed Object-

Oriented Databases Using Genitic Algorithms,”

The Intrernational Arab Journal of Information

Technology, vol.6,2009.

2. Bellatreche L, Karlapalem K, and Li Q,

“Complex Methods and Class Allocation in

Distributed Object Oriented Databases,” in

International Conference on Object-Oriented

Databases, Paris, 1998.

3. Ezeife, C, I and Barker, K., “Vertical Class

Fragmentation in a Distributed Object Based

System,” 1993.

4. H. I. Abdalla, “A New Data Re-Allocation for

Distributed Databases,” vol, 5 no, Internatinal of

Database Theory and Application, 2012.

5. J.Graham, “Efficient Allocation in Distributed

Object Oriented Databases,” 2003.

6. K. Barker and S. Bhar, “Agraphical approach to

allocation class fragments in distributed object-

oriented base systems,” no, Distributed and

Parallel Databases, 2001.

7. Rajan John and Dr. V. Saravanna, “Vertical

Partitioning in Object Oriented Databases Using

Intelligent Agents,” 2008.

8. Salvatore T. March, Sangkyu Rho, “ Allocating

data and operations to nodes in distributed

database design,” IEEE Transactions on

Knowledge and Data Engineering vol. 7, no, IEEE

Transactions on Knowledge and Data

Engineering, 1995.

9. S-M, Lee, “Design of allocation algorithm in

distributed database,” in Procecding of Korean

Information and Processing Society, 2003.

10. Soo-Mi Lee, Yan Ha, Hea-Sook Park, *Allocation of Classes in distributed object-

oriented databases, *2009.

11. Soon-mi et al., “Attribute Partitioning Algorithm

in DOODB,” in International Conference on Parallel

and Distributed Systems, 1997.

SUMMARY

FRAGMENTATION AND ALLOCATION

IN DISTRIBUTED OBJECT -ORIENTED DATABASE

Le Thu Trang1*, Le Bich Lien2, Nguyen Tuan Anh3

1College of Information and Communication Technology – TNU, 2College of Education - TNU, 3Thai Nguyen University

The two most important matters in distributed design are fragmentation and allocation. And the

design in even generates more complexities. Such complexities are caused by characteristics of

object-oriented model, which are encapsulation, inheritance, class-composite hierarchy, complex

attributes and methods. This paper presents the class allocation algorithm in Distributed Object-

Oriented Database.

Keywords: distributed, Object-Oriented Database, fragmentation, allocation, distributed

Database.


Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Văn Huân – Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN


Nguyễn Văn Căn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 113 - 117

113

PHÂN LOẠI PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TRONG VIDEO

DỰA TRÊN ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG

Nguyễn Văn Căn*

Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần CAND

TÓM TẮT Bài viết này là trình bày một số phương pháp biểu diễn đặc trưng ảnh phục vụ cho phát hiện và

phân loại phương tiện giao thông từ video: trích chọn đối tượng chuyển động bằng phương pháp

luồng quang học; biểu diễn hình dạng đối tượng; biểu diễn đường viền trên trường số phức, biểu

diễn đường viền theo đỉnh hình dạng. Đề xuất một khung làm việc chung cho hệ thống phân loại

và xác định mật độ phương tiện giao thông từ video trong vùng quan sát.

Từ khóa: luồng quang học, phân tích đường viền, phân loại phương tiện, xác định hình dạng

GIỚI THIỆU*

Bài toán phân loại phương tiện giao thông

trong video có nhiều ý nghĩa trong thực tế

quản lý giao thông, như xác định chứng cứ vi

phạm luật giao thông, điều khiển giao thông,

giải quyết tranh chấp trong hiện trường tai

nạn... Để đáp ứng điều kiện giao thông Việt

Nam, khi mà giao thông đông đúc, đa dạng

thì việc lựa chọn những kỹ thuật, phương

pháp biểu diễn mô hình phương tiện là hết

sức quan trọng cho giải quyết bài toán phân

loại phương tiện giao thông từ video.

Các đặc trưng của phương tiện chuyển động

trong video được chia thành 2 mức tiếp cận:

mức cục bộ và mức toàn cục.

Đặc trưng tiếp cận ở mức toàn cục: Vùng

quan tâm; Video và frame; Đối tượng chuyển

động và nền; Khối chuyển động; Đốm sáng;

Đặc trưng tiếp cận ở mức cục bộ: Đối tượng

chuyển động và bóng của nó; Độ dài ảnh;

Hình dạng đối tượng; Mức xám khu vực đèn

trước/sau xe; Mức xám và đặc điểm khu vực

biển số xe; Các đường biên ngang trên xe;

Trên thế giới, nhiều công trình nghiên cứu đã

quan tâm đến vấn đề này. Năm 2004,

Yigithan Dedeoglu và cộng sự [3] nghiên cứu

một hệ thống giám sát phân loại đối tượng

chuyển động. Hệ thống cho kết quả phân loại:

người, nhóm người và phương tiện giao thông

tương ứng là 84%, 66%, 79%.Năm 2007,

Guohui Zhang và cộng sự nghiên cứu hệ

* Tel: 0986 919333

thống phát hiện và phân loại xe dựa trên

video (VVDC) [6] được phát triển cho hệ

thống camera giám sát tầm rộng nhằm mục

đích thu thập thông tin các xe tải. Kết quả thu

được là độ chính xác để phát hiện ra xe lên

đến trên 97%, và tỷ lệ lỗi khi đếm xe tải thấp

hơn 9% trong cả ba lần thử nghiệm. Tiếp cận

theo hướng này, chủ yếu là phát hiện được xe

tải, xác định và phân hoạch được sự khác biệt

giữa 2-3 xe con nối tiếp nhau và xe tải dài...

Chưa tiếp cận và nói đến việc nhận dạng và

đếm số lượng xe máy, xe thô sơ và người đi

bộ. Năm 2009, Umesh Narayanan [5]đã phát

triển một hệ thống phân loại và đếm số lượng

phương tiện dựa trên thị giác máy tính thông

qua camera giám sát. Phân loại từng xe qua

sử dụng kích thước xe. Độ chính xác thực

nghiệm chứng minh khoảng 90%.Năm 2010,

Chung-Cheng Chiu và cộng sự [4], phát triển

một hệ thống giám sát giao thông thời gian

thực, bao gồm phát hiện, nhận dạng và theo dõi

các phương tiện từ các ảnh chụp trên đường.

Tiếp theo, các phương pháp biểu diễn hình

dạng, biểu diễn đường viền, độ dài ảnh được

trình bày trong mục II; một số kết quả áp

dụng thực nghiệm được trình bày trong mục

III, kết luận và hướng phát triển trình bày

trong mục IV.

PHƯƠNG PHÁP

Tính độ dài thực của đối tượng từ ảnh

Các tham số về kích thước của ô tô rất quan

trọng để nhận ra các loại xe khác nhau.Chiều

dài, chiều rộng ảnh của mỗi kiểu xe để tiếp


114

cận với chiều dài và chiều rộng thực tế của xe;

và tất nhiên đề xuất phương pháp nhận dạng ô

tô dựa trên chiều dài và chiều rộng ảnh.

Hình 1 mô tả việc sử dụng quang hình học để

tìm mối quan hệ giữa chiều dài pixel R trong

ảnh phẳng với chiều dài ảnh Dh1 trên đường.

Đường đứt nét F là đường tâm của camera,

Dh1 là chiều dài thị giác của phương tiện phía

trên đường đứt nét F. R2 và R1 là các chiều

dài pixel trong ảnh phẳng, Rp là kích thước

điểm ảnh của camera. H là độ cao của

camera, f là tiêu điểm của ống kính, θ là góc

của camera với mặt đường. Ta có:

(1)

Hình 1. Chiều dài giữa ảnh và đối tượng

chuyển động

Chiều dài ảnh Dh1:

cossincossinsin1

1

1

2

212

pp

p

RRf

R

RRf

RHRDDDh

(2)

Chiều dài ảnh:

cossin

3

cossinsin2

34

434

pp

p

RRf

R

RRf

RHRDDDh

(3)

Chiều rộng ảnh:

f

DH

R

Dwf

DhF

Rw

Dw w

cossin

1cos1 1

(4)

f

DH

R

Dwf

DhF

Rw

Dw w

cossin

2cos22 3

(5)

Tính được các chiều dài và chiều rộng ảnh

trung bình của các xe khác nhau bằng các

kiểm thử liên tiếp. Mặc dù chiều cao của xe

gây ra sai số không đáng kể trong việc ước

lượng chiều dài, nhưng vẫn có thể xác định

chính xác loại xe trên đường nhờ sử dụng các

tham số của nhà sản xuất.

Véc tơ hóa hình dạng đối tượng

Cho một bức hình chứa một đối tượng, với bố

cục nền không phức tạp, dễ dàng phát hiện

được biên đối tượng, và trích chọn nội dung

đối tượng để làm đặc trưng cho bức ảnh.

Phương pháp biểu diễn hình ảnh thông qua

lược đồ khoảng cách thực hiện dựa trên các

hình đa giác và trọng tâm của đa giác, trước

khi đối tượng được biểu diễn thực hiện tìm

xấp xỉ của hình dạng đó (thuộc tính hình học).

a) Đường tròn gốc

b) Với 8điểm cơ bản

Hình 2. Mô tả hình dạng hình tròn

Hình 2 cho thấy, khi số lượng điểm cơ bản trên biên của hình tròn càng tăng thì hình mô

tả sẽ gần giống hơn đối với hình ảnh gốc, và các điểm biên cơ bản này luôn được căng đều

trên biên, đồng thời dây cung nối giữa các điểm này sẽ tạo lên đường mô phỏng hình

dạng gốc.

Công việc xác định điểm cơ bản được thực hiện bằng cách, duyệt lần lượt các điểm ảnh biên theo thứ tự ngược chiều kim đồng hồ hoặc xuôi chiều kim đồng hồ. Thu được tổng số điểm ảnh trên biên của đối tượng, sau đó chia đều theo số điểm cơ bản cho trước theo công thức sau:

(6)

với Lrounded là khoảng cách giữa các điểm cơ bản trên biên đã được làm tròn, Lsum là tổng chiều dài của biên ảnh, và N là số lượng điểm cơ bản cho trước.

Trọng tâm của đa giác.Cho hình đa giác bất

kỳ, có các đỉnh (xi,yi) với i = 0,1,2,…n,

x0=xn,y0=yn.

Hình 3. Đa giác có n cạnh


115

Diện tích của đa giác:

(7)

Áp dụng định lý Green trên mặt phẳng, xác

định tọa độ trọng tâm của đa giác:

(8)

Khoảngcách giữa điểm mẫu và trọng tâm.

Nếu một đa giác có chiều dài một biên là Li,

tổng chiều dài của tất cả biên là Lsum và số

lượng điểm mẫu là N thì số lượng điểm mẫu

sẽ là Ni:

N (9)

Khoảng cách từ điểm mẫu có tọa độ si =

(xi,yi) và trung tâm đa giác có tọa độ

c=(xc,yc), được tính theo công thức Ơclit:

(10)

Lược đồ khoảng cách. Lược đồ là một công

cụ miêu tả các thuộc tính của dữ liệu. Các

điểm mẫu sẽ được đặt cách đều nhau trên biên

của đa giác, đặt khoảng cách giữa hai điểm

mẫu kề nhau là D, và tổng độ dài của biên sẽ

là Dmax, phân tách D thành nhiều phần thông

qua các điểm mẫu.

Chuẩn hóa. Gọi D[i] là tập giá trị khoảng

cách từ tâm C đến các điểm mẫu trên biên. Ta

có tập DS (chuẩn hóa) được chuẩn hóa:

(11)

Sau quá trình chuẩn hóa, tất cả khoảng cách

chuẩn hóa thu được sẽ nằm trong khoảng

[0,1]. Bởi vì việc gán điểm mẫu dựa trên

chiều dài của biên, và căng đều chúng trên

biên, hai đa giác có kích thước khác nhau nhưng

hình dạng giống nhau sẽ sinh ra giá trị khoảng

cách chuẩn hóa. Do đó, phương pháp này là bất

biến đối với tỷ lệ sau khi chuẩn hóa.

Đo độ tương tự. Lược đồ khoảng cách của

một đa giác có thể được mô tả bằng:

(d0,d1,d2,d3,…dn), n là số lượng khoảng cách

trong lược đồ và di, i [0,n-1] là số khoảng

cách trong vùng khoảng cách này. Theo đó

cho hai đa giác D1 và D2 với lược đồ khoảng

cách tương ứng là D1: (d11,d12,d13,…,D1n) Và

D2: (d21,d22,d23,…,d2n), có độ tương tự được

tính theo khoảng cách ơ-clit:

(12)

Biểu diễn hình dạng đối tượng theo trọng tâm

và khoảng cách từ tâm đến biên đối tượng, áp

dụng các tính chất bất biến quay, bất biến tỷ

lệ của mô-men mang đến khả năng nhận dạng

và phân loại đối tượng theo hình dạng. Điều

này có thể áp dụng phân loại phương tiện giao

thông trên đường trong trường hợp đông đúc,

có sự chồng lấp lên nhau về hình dạng sau khi

thực hiện phát hiện khối chuyển động. Trong

điều kiện giao thông đô thị đông đúc, các xe ô

tô, xe máy, người đi bộ có thể đi sát nhau và

tạo thành các khối chuyển động có hình dạng

phức tạp và khó có thể phân định được bằng

các phương pháp thông thường. Để thực hiện

nhận dạng và xác định số lượng đối tượng có

thể áp dụng thuật toán máy học. Tạo ra một

tập huấn luyện các khả năng có thể, sau đó

đối sánh và kết luận về số lượng phương tiện

chuyển động.

Biểu diễn đường viền theo véc tơ số phức

Đường viền là đường bao của đối tượng,

thường là các điểm ảnh, phân tách đối tượng

với nền. Phân tích đường viền (Contour

Analysis - CA) cho phép mô tả, lưu trữ, so

sánh và tìm ra các đối tượng biểu diễn dưới

dạng đường viền.CA cho phép giải quyết hiệu

quả các bài toán cơ bản của nhận dạng mẫu –

biến đổi, quay và tỷ lệ của ảnh đối tượng.

Phương pháp CA là bất biến đối với phép

biến đổi[7].

Trong CA đường viền được biểu diễn bằng

một dãy các số phức. Trên một đường viền,

điểm bắt đầu cần được xác định. Tiếp theo,

đường viền sẽ được quét (xoay theo chiều

kim đồng hồ), và mỗi véc tơ được biểu diễn

bằng một số phức a+ib. Với a là điểm trên

trục x, b là điểm trên trục y. Các điểm được

biểu diễn kế tiếp nhau.

Do tính chất vật lý của các đối tượng ba

chiều, đường viềncủa chúng luôn khép kín và


116

không tự giao nhau. Nó cho phép xác định rõ

ràng một duyệt qua một đường viền. Vector

cuối cùng của một đường viền luôn luôn dẫn

đến điểm khởi đầu.

Mỗi vector của một đường viền chúng ta sẽ

đặt tên vector cơ sở (EV). Và chuỗi giá trị các

số phức gọi là vectorđường viền (VC).

Vectorđường viền, ký hiệu bằng chữ cái Γ, và

vector cơ sở ký hiệu là . Như vậy, vector

đường viền Γ có độ dài k có thể được xác

định là:

(13)

Hình 4. Biểu diễn đường viền bằng véc tơ số phức

Thao tác trên đường viền như là thao tác trên

véc tơ số phức có chứa nhiều đặc tính toán

học hơn là các mã biểu diễn khác. Về cơ bản,

mã số phức là gần với mã hai chiều khi mà

đường viền được định nghĩa phổ biến bằng

véc tơ cơ bản trong tọa độ 2 chiều.

Đường viền có một số đặc tính như: Tổng các

EV của một đường viền kín bằng 0; không

phụ thuộc vào phép chuyển vị song song của

ảnh nguồn; Quay ảnh theo một góc độ nào đó

tương đương với quay mỗi EV của đường

viền trên cùng góc độ đó.

Tích vô hướng của đường viền

Hai số phức của 2 đường viền Γ và N, tích vô

hướng của nó là

(14)

với k – kích thước của VC, γn là véc tơ cơ sở

của đường viền Γ, νn là véc tơ cơ sở của

đường viền N.

Nếu tích càng lớn, góc càng nhỏ giữa các

vector, thì các vector này sẽ càng gần nhau.

Với những vector vuông góc, tích này bằng

0, và hơn nữa có thể nhận giá trị âm cho

những vector có hướng khác nhau theo cách

này. Tích vô hướng chuẩn hóa (NSP):

(15)

|Γ| và |N| - Tiêu chuẩn (chiều dài) của

đường viền được tính bằng công thức:

(16)

NSP trong không gian phức cũng là một số

phức.Do vậy, tính đồng nhất là giá trị lớn nhất

có thể của chuẩn NSP và chỉ có thể đạt được

giá trị này khi và chỉ khi:

(17)

Với μ – Là một số phức tùy chọn.

Đường viền μN giống với đường viền N,

ngoại trừ xoay và tỉ lệ. Tỉ lệ và hướng xoay

được định nghĩa bởi một số phức μ.

Dạng chuẩn của NSP đạt giá trị max, chỉ khi

đường viền Γ giống với đường viền N, nhưng

xoay theo một số góc và tỉ lệj bởi một hệ số

xác định.

Hình 5. Tích vô hướng chuẩn trên đường viền

Chuẩn NSP là bất biến trong phép chuyển

dịch, xoay và tỉ lệ của đường viền. Nếu 2

đường viền tương đồng nhau, NSP của chúng

sẽ luôn cho giá trị đồng nhất, không phụ

thuộc vào vị trí của đường viền, hay độ xoay

của góc và tỉ lệ của chúng. Tương tự, nếu các

đường viền khác nhau, NSP sẽ bị giới hạn

nhỏ hơn 1, và độc lập trong không gian, độ

xoay và tỉ lệ.Chuẩn đưa ra giá trị đo của một

đường viền và tham số của một NSP – đưa ra

một góc xoay của đường viền

THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN

Thực nghiệm phương pháp phân loại xe ô tô

theo độ dài ảnh. Hệ thống được cài đặt thử

nghiệm và cho kết quả khá tốt về độ chính

xác, phản ứng tốt với các điều kiện thời tiết,

không gian, thời gian. Tham số chiều rộng,


117

chiều dài trung bình một số loại xe của nhà

sản xuất.

Kết quả phát hiện ô tô của hệ thống dưới

nhiều điều kiện thời tiết khác nhau, với điều

kiện trời nắng và ban ngày cho độ chính xác

tốt nhất.

KẾT LUẬN VÀ BÀN LUẬN

Bài báo đã trình bày tổng quan về một số

phương pháp phân loại phương tiện dựa trên

đặc trưng hình dạng. Đề xuất một số phương

pháp biểu diễn đặc trưng. Bao gồm:

1. Phương pháp biểu diễn hình dạng, đường

viền của phương tiện hoặc một tập các

phương tiện dính liền nhau thành một khối có

thể phân giải và phân loại.

2. Tham số độ dài ảnh kết hợp với các tham số

độ dài thực đối tượng có thể phân loại nhanh

loại đối tượng, hoặc phân giải loại đối tượng.

3. Áp dụng một số phương pháp biểu diễn

phương tiện đã trình bày cho một số hệ thống

nhận dạng và phân loại phương tiện trong

video giao thông.

Mặc dù, tất cả các đề xuất trong nghiên cứu

này có thể làm việc tốt trong một số trường

hợp, các mô hình vẫn còn dễ bị lỗi và tốn thời

gian. Chúng tôi tin rằng nghiên cứu sẽ tiếp tục

cải thiện hiệu suất xác định mật độ phương

tiện dựa trên hệ thống thị giác máy tính trong

khi giảm tỷ lệ sai số.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Thanh Việt, Trần Công Chiến, Huỳnh Cao

Tuấn, Nguyễn Hữu Nam, Đỗ Năng Toàn, Trần

Hành (2011), “Một kỹ thuật bám đối tượng và ứng

dụng”. Hội thảo quốc gia lần thứ 14, Cần Thơ.

2. Nguyễn Quang Quý (2012), Phát hiện đối

tượng đột nhập bằng camera theo dõi, Đại học

Thái Nguyên.

3. Xue Mei (2007), “Integrated Detection,

Tracking and Recognition for IR Video-based

Vehicle Classification”, Journal of computers

(Vol.2, No.6).

4. Chung-Cheng Chiu(2010), Automatic Traffic

Surveillance System for Vision-Based Vehicle

Recognition and Tracking. Chung Cheng Institute

of Technology National, Defense University

Taoyuan, Taiwan.

5. G. S. K. Fung, (2003), “Close range Camera

calibration” Opt. Eng. SPIE, vol. 42, no. 10, pp.

2967–2977.

6. C. C. C. Pang (2004), “A novel method for

resolving vehicle occlusion in a monocular traffic-

image sequence” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst.,

vol. 5, no. 3, pp. 129–141.

7. Nguyễn Văn Căn, Nguyễn Đăng Tiến, Phạm

Việt Trung. “Phương pháp biểu diễn đường viền

trên trường số phức, áp dụng cho bài toán phân

loại phương tiện giao thông”. Tạp chí Khoa học

và Công nghệ quân sự. (Tháng 08/2014)

SUMMARY

VEHICLE CATEGORY BASED VIDEO FEATURED IN SHAPE

Nguyen Van Can*

College of Engineering - Logistics People's Police The purpose of this paper is to present some methods of performing imaging characteristics serve

to detect and classify vehicles from video: select extract moving objects with optical flow method;

Performing object shape; performing contour on the complex numbers, the top performers

according to the shape contour. Propose a general framework for the classification system and

determine the density of vehicles in the area of video observation.

Keywords: Optical Flow, Contour Analysis, Car Counting, Shape Detection, Vehicle

Classification.


Phản biện khoa học: PGS.TS Ngô Quốc Tạo – Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam

* Tel: 0986 919333


118

Lê Hoàng Hiệp Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 119 - 125

119

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THÍCH NGHI

CHO CÁC DỊCH VỤ TRONG MẠNG NGN TẠI VIỆT NAM

Lê Hoàng Hiệp*

Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Việc xác định các loại hình dịch vụ mà Mạng thế hệ tiếp theo (NGN - Next Generation Network)

có khả năng cung cấp trong thời gian tới là rất khó, hơn nữa là tại Việt Nam hạ tầng mạng NGN

còn chưa được đồng bộ và phát triển. Các nhà cung cấp dịch vụ không những phải triển khai cơ sở

hạ tầng cung cấp dịch vụ dựa trên một mạng lưới chung mà còn phải xây dựng và củng cố mạng để

tạo ra các dịch vụ mới. Các dịch vụ này phải là mới lạ, độc đáo, có giá cả phải chăng, và đáp ứng yêu

cầu của khách hàng ở một mức độ cao. Bài báo trình bày các phân tích và đánh giá tóm tắt về đặc điểm

chính của một số loại hình dịch vụ trong mạng NGN để các nhà mạng có thể lựa chọn và triển khai hiệu

quả trên môi trường hạ tầng mạng NGN còn tương đối mới mẻ trong nước hiện nay.

Từ khóa: Dịch vụ mạng NGN, Dịch vụ truyền thống, Dịch vụ thích nghi, Dịch vụ tương thích,

Dịch vụ đa phương tiện

GIỚI THIỆU*

Mục tiêu chính của các nhà mạng khi triển

khai các dịch vụ trên hạ tầng mạng NGN

không nằm ngoài hai yếu tố: thứ nhất đó là

việc làm sao các dịch vụ này có thể chạy ổn

định, trơn chu, đạt được hiệu quả tốt nhất như

mong muốn; thứ hai đó là đáp ứng được tối

đa các yêu cầu của khách hàng với chi phí

thấp nhất mà khách hàng có thể trả cho nhà

mạng, có khả năng cạnh tranh được với các

nhà cung cấp dịch vụ khác, đồng thời vẫn thu

về được doanh thu ổn định nhất.

Tuy nhiên, trên thực tế khi triển khai các loại

hình dịch vụ mạng NGN, hầu hết khó khăn

không mong muốn gặp phải đó là việc các

dịch vụ mới này không thể “thích nghi” được

ngay với hạ tầng mạng chưa đồng bộ, chưa

đạt chuẩn, hay nói cách khác đó là tính ổn

định chưa cao, chi phí đầu tư tốn kém và khả

năng vận hành, duy trì phức tạp, có rủi ro với

nhà mạng.

Do đó, nội dung trong bài báo này nhằm đưa

ra các phân tích và đánh giá về đặc trưng, cấu

trúc, xu thế phát triển, cũng như tiềm năng,

khả năng triển khai dịch vụ trong môi trường

hạ tầng mạng NGN mới tinh hoặc cơ sở hạ

tầng có tận dụng các thiết bị, chính sách sẵn


có đang tồn tại của hệ thống mạng truyền

thống để từ đó các nhà mạng có thể có

phương pháp tiếp cận, thực thi các loại hình

dịch vụ mạng NGN được hiệu quả.

PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG & KIẾN TRÚC

DỊCH VỤ MẠNG NGN

Dựa trên đặc trưng & kiến trúc dịch vụ của

từng loại dịch vụ dưới đây [1], [2] mà ta sẽ có

các nhận xét/đề xuất về tính tương thích của

dịch vụ đó trong mục tiếp theo bên dưới khi

triển khai áp dụng trên môi trường thực tế cụ

thể tại một thành phố nào đó:

Dịch vụ thoại (Voice Telephony): NGN vẫn

cung cấp các dịch vụ thoại khác nhau đang

tồn tại như chờ cuộc gọi, chuyển cuộc gọi, gọi

ba bên, các thuộc tính AIN khác nhau,

Centrex, Class,… Tuy nhiên cần lưu ý là

NGN không cố gắng lặp lại các dịch vụ thoại

truyền thống hiện đang cung cấp; dịch vụ thì

vẫn đảm bảo nhưng công nghệ thì thay đổi.

Dịch vụ dữ liệu ( Data Service):Cho phép

thiết lập kết nối thời gian thực giữa các đầu

cuối, cùng với các đặc tả giá trị gia tăng như

băng thông theo yêu cầu, tính tin cậy và phục

hồi nhanh kết nối, các kết nối chuyển mạch ảo

(SVC- Switched Virtual Connection), và quản

lý dải tần, điều khiển cuộc gọi,… Tóm lại các

dịch vụ dữ liệu có khả năng thiết lập kết nối

theo băng thông và chất lượng dịch vụ QoS

theo yêu cầu.


120

Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service):

Cho phép nhiều người tham gia tương tác với

nhau qua thoại, video, dữ liệu. Các dịch vụ

này cho phép khách hàng vừa nói chuyện, vừa

hiển thị thông tin. Ngoài ra, các máy tính còn

có thể cộng tác với nhau.

Dịch vụ sử dụng mạng riêng ảo (VPN): Thoại

qua mạng riêng ảo cải thiện khả năng mạng,

cho phép các tổ chức phân tán về mặt địa lý,

mở rộng hơn và có thể phối hợp các mạng

riêng đang tồn tại với các phần tử của mạng

PSTN. Dữ liệu VPN cung cấp thêm khả năng

bảo mật và các thuộc tính khác mạng của mạng

cho phép khách hàng chia sẻ mạng Internet như

một mạng riêng ảo, hay nói cách khác, sử dụng

địa chỉ IP chia sẻ như một VPN.

Bên cạnh việc nắm bắt rõ được đặc trưng của

các dịch vụ mạng NGN, thì sự hiểu biết về

cấu trúc dịch vụ mạng thế hệ mới sẽ giúp làm

sáng tỏ các yêu cầu đối với mỗi phát hành,

triển khai về công nghệ NGN.

Hình 1. Cấu trúc mạng đa dịch vụ

Mỗi một thành phần trong cấu trúc dịch vụ

của NGN sẽ có sự ảnh hưởng và tác động

nhất định tới mỗi loại dịch vụ có liên quan.

Khai thác hết được toàn bộ các ưu điểm của

mỗi thành phần cấu trúc đó sẽ giúp phát huy

được hiệu năng sử dụng dịch vụ của nhà

mạng tới một mức cao nhất có thể.

PHÂN TÍCH CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN

TÂM TRONG DỊCH VỤ MẠNG NGN

Đối với các nhà cung cấp dịch vụ vấn đề mấu

chốt là việc tích hợp một cách thông minh

giữa cơ sở hạ tầng của mạng mới với mạng

hiện có mà vẫn đảm bảo việc khai thác được

dễ dàng. Việc tích hợp của hệ thống thiết bị

cũ với mới không bao giờ dễ dàng và nó sẽ là

một trở ngại lớn cho việc cung cấp dịch vụ.

Chính vì thế, khi triển khai các dịch vụ mạng

NGN trên thực tế, có rất nhiều vấn đề mà các

nhà mạng cần phải biết và quan tâm, nắm rõ

được các yếu tố này sẽ giúp họ xây dựng

được các giải pháp thích hợp nhất đối với hạ

tầng mạng hiện tại của họ.

Vấn đề bảo mật:Một nhà cung cấp mạng hay

dịch vụ sẽ quyết định giới hạn thực hiện bảo

mật dựa vào kết quả của phân tích nguy cơ và

đánh giá rủi ro. Sau đó nhà cung cấp sẽ tạo ra

một “chiến lược bảo mật”. Hình sau mô tả sự

tương tác của các khối liên quan đến bảo mật.

Hình 2. Mô hình bảo mật

Một thách thức quan trọng đối với hệ thống

mạng NGN trên nền IP là thực hiện các bảo

mật trong các dạng ứng dụng khác nhau. Từ

khi bắt đầu, cấu trúc NGN đã được phát triển

với sự quan tâm đến các vấn đề bảo mật, dựa

vào các phân tích nguy cơ và chế độ IPSec từ

IETF. Sự linh hoạt đảm bảo tính bảo mật có

thể đạt được yêu cầu của môi trường thực tế.

Sử dụng NGN trong mạng dựa trên nền

PacketCable đã được kiểm định các giải pháp

bảo mật. Công việc còn lại là tiếp tục bảo vệ

mạng chống lại các cuộc tấn công trong tương

lai từ các nguồn chưa biết trước.

Chất lượng dịch vụ QoS:Chất lượng dịch vụ

QoS chính là yếu tố thúc đẩy MPLS [3]. So


121

sánh với các yếu tố khác, như quản lý lưu

lượng và hỗ trợ VPN thì QoS không phải là lý

do quan trọng nhất để triển khai MPLS. Như

chúng ta đã biết, hầu hết các công việc được

thực hiện trong MPLS tập trung vào việc hỗ

trợ các đặc tính của IP QoS trong mạng. Nói

cách khác, mục tiêu là thiết lập điểm tương

đồng giữa các đặc tính QoS của IP và MPLS,

chứ không phải là làm cho MPLS QoS có

chất lượng cao hơn IP QoS.

Hình 3. Các kỹ thuật QoS trong mạng IP

Mạng lưới phải đảm bảo được các yêu cầu về

chất lượng dịch vụ khác nhau đến tận khách

hàng, phải đảm bảo các yêu cầu riêng và các

yêu cầu như đã cam kết với từng khách hàng.

Tại cùng một thời điểm, các dịch vụ cần phải

đủ lớn để đáp ứng một số lượng tăng lên của

số lượng khách hàng và cũng phải đủ nhỏ để

đáp ứng các yêu cầu của khách hàng nhỏ hơn,

điều mà trước đây các nhà cung cấp dịch vụ

thường không quan tâm đến.

Vấn đề quản lý: Khi được triển khai ở quy mô

lớn, việc quản lý sẽ trở nên phức tạp hơn

nhiều, do đó cần có cơ chế, kế hoạch quản lý

ngay từ giai đoạn thiết kế để thuận lợi cho

quá trình vận hành sau này.

Vấn đề chuyển tiếp: Đó là vấn đề làm sao

chuyển tiếp thành công từ mạng truyền thống

sang mạng NGN. Trở ngại chính ở đây chính

là tính tương thích giữa mạng mới và mạng

đã triển khai, đang tồn tại.

Vấn đề về chi phí: Triển khai mạng NGN phát

sinh thách thức về mặt chi phí đối với nhà

cung cấp dịch vụ do sự giảm giá liên tục của

băng thông mạng, do yêu cầu của người dùng

muốn được sử dụng miễn phí khi mà mạng

mới triển khai đã trở nên phổ biến.

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI

DỊCH VỤ MẠNG NGN TẠI THỊ TRƯỜNG

VIỆT NAM

Tại Việt Nam, không nằm ngoài xu hướng

phát triển chung của thế giới, Việt Nam đã có

những bước phát triển hạ tầng mạng NGN của

riêng mình. Các doanh nghiệp điển hình được

cấp phép cung cấp các dịch vụ viễn thông trên

hạ tầng mạng NGN như VNPT, Viettel, VP

Telecom,…

Ở một mức độ nào đó, sự đầu tư xây dựng và

phát triển hạ tầng dịch vụ mạng NGN của

VNPT được đánh giá là toàn diện nhất, mặc

dù khi triển khai và đưa vào sử dụng gặp

không ít khó khăn. Khó khăn trước tiên mà

một nhà cung cấp dịch vụ truyền thống như

VNPT gặp phải trong quá trình triển khai

mạng NGN đó là việc hệ thống mạng của họ

chỉ tập trung cung cấp dịch vụ thuê kênh

riêng hay thoại. Vì vậy việc tích hợp những

bộ phận của mạng lưới này trong mạng NGN

gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra, những nhà

mạng mới khai thác, khi xây dựng mạng

NGN ngay từ đầu có thể tiết kiệm được chi

phí, đồng thời có thể đến đích trước VNPT.

Bên cạnh đó, mạng NGN sẽ làm thay đổi cách

thức tổ chức con người và mô hình kinh

doanh. Điều này bắt buộc VNPT phải chuyển

đổi mô hình kinh doanh để phù hợp với tính

năng của mạng NGN.

Sau gần 3 năm định hướng và lựa chọn, đến

tháng 12/2003 VNPT đã lắp đặt xong giai

đoạn 1 mạng NGN, sử dụng giải pháp

SURPASS của Siemens, đã đi vào vận hành

thành công. Đây là mạng có hạ tầng thông tin

duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói

được VNPT lựa chọn để thay thế cho mạng

chuyển mạch kênh truyền thống. Với ưu thế

cấu trúc phân lớp theo chức năng và sử dụng

rộng rãi các giao diện ở API để kiến tạo dịch

vụ mà không phụ thuộc nhiều vào các nhà


122

cung cấp thiết bị và khai thác mạng, công

nghệ NGN đã đáp ứng được yêu cầu kinh

doanh trong tình hình mới là dịch vụ đa dạng,

giá thành thấp, đầu tư hiệu quả và tạo được

nguồn doanh thu mới. Đây là mạng sử dụng

công nghệ chuyển mạch gói với đặc tính linh

hoạt, ứng dụng những tiến bộ của công nghệ

thông tin và công nghệ truyền dẫn quang băng

thông rộng nên tích hợp được dịch vụ thoại và

dịch vụ truyền số liệu.

Cho đến thời điểm hiện nay, nhờ sự kế thừa

và học hỏi kinh nghiệm từ việc triển khai

NGN tại các nước tiên tiến, VNPT đã luôn đi

tắt và đón đầu các công nghệ NGN nói chung

và đạt được kết quả cao trong các cuộc phát

hành các dịch vụ mới cho người sử dụng.

Hơn nữa [4], để xác định được các dịch vụ

trong mạng thế hệ sau cũng như chiến lược

đầu tư của các nhà mạng khác ở trong nước,

xu hướng phát triển các dịch vụ trong tương

lai là vấn đề rất cần xem xét:

Trước hết, chúng ta cần quan tâm đến xu

hướng của dịch vụ thoại. Đây là dịch vụ phổ

biến, lâu đời và thu nhiều lợi nhuận nhất từ

những ngày đầu cho đến nay. Do đó, dịch vụ

thoại truyền thống sẽ tiếp tục tồn tại trong

thời gian dài. Sau đó, một phần dịch vụ truyền

thống này chuyển sang thông tin di động và

thoại qua IP.

Đối với dịch vụ truyền thông đa phương tiện,

hiện nay H.323 đã là môi trường cho giải

pháp thoại qua giao thức IP và các dịch vụ đa

phương tiện tương đối đơn giản. Tuy nhiên,

sau đó SIP sẽ thay thế cho H.232 do SIP có

nhiều ưu điểm hơn và thích hợp với các dịch

vụ truyền thông đa phương tiện phức tạp.

Trong tương lai, tính cước dịch vụ theo nội

dung và chất lượng, không theo thời gian sẽ

chiếm ưu thế.

Nhiều dịch vụ và truy nhập ứng dụng thông

qua các nhà cung cấp dịch vụ và truy nhập

ứng dụng sẽ phát triển mạnh. Các dịch vụ

leased line, ATM, Frame Relay hiện nay sẽ

tiếp tục tồn tại thêm một thời gian nữa do các

tổ chức kinh doanh không muốn thay đổi thiết

bị chỉ vì thay đổi dịch vụ kết nối. Dịch vụ IP-

VPN sẽ trở thành một lựa chọn hấp dẫn.

Cuối cung, phương thức truy nhập mạng, ra

lệnh, nhận thông tin,… bằng lời nói (voice

portal) sẽ là một chọn lựa trong tương lai. Hiện

nay, kỹ thuật chuyển đổi từ lời nói sang file văn

bản và ngược lại đang phát triển mạnh.

Theo quan sát của các chuyên gia về lĩnh vực

mạng viễn thông, trong thời gian tới tại thị

trường Việt Nam sẽ là một thị trường tiểm

năng và sẽ có rất nhiều sự đột phá trong việc

triển khai hạ tầng cũng như rất nhiều các dịch

vụ tiên tiến nhất của NGN tới khách hàng của

các nhà mạng khác nhau.

Chính các ưu điểm của NGN so với mạng

truyền thống sẽ thúc đẩy sự phát hành các

dịch vụ mới. Tuy nhiên, các nhà mạng cần

thận trọng và cần có sự điều tra, phân tích

tình hình triển khai dịch vụ NGN nói chung ở

trong nước, để từ đó có các kế hoạch phù hợp

và hiệu quả khi áp dụng, triển khai trên cơ sở

hạ tầng mạng của mình.

TÍNH THỰC THI VÀ GIẢI PHÁP TĂNG

KHẢ NĂNG THÍCH NGHI DỊCH VỤ

MẠNG NGN

Sự thành công của một dịch vụ cụ thể được

đo bằng tỉ lệ khách hàng sử dụng dịch vụ đó.

Tỷ lệ sử dụng có thể bị tác động bởi các nhân

tố như: chất lượng dịch vụ, tính khả dụng, và

tính dễ sử dụng với người dùng. Đưa dịch

vụ cung cấp trong mạng NGN vào một chế

độ danh định, nhằm xác định được lớp cấu

trúc mạng, công nghệ thích hợp cung cấp

dịch vụ đó.

Trên thực tế khi triển khai dịch vụ mạng

NGN, người ta không phân loại chi tiết hoặc

không triển khai riêng biệt một dịch vụ trên

hạ tầng mạng tại một thời điểm, mà là kết hợp

triển khai đa loại hình dịch vụ trên cùng một

hạ tầng thiết bị, hệ thống mạng để nâng cao

hiệu quả khai thác và tăng tính cạnh tranh về

khả năng cung cấp dịch vụ cho khách hàng.

Do đó, ở đây tác giả chỉ đưa ra các đóng góp,

nhận xét, phân tích tổng thể cho các loại hình

dịch vụ mạng NGN để các nhà mạng và độc


123

giả có cái nhìn tổng quan và có cách tiếp cận,

triển khai phù hợp các loại hình dịch vụ với

một môi trường, hạ tầng mạng NGN cụ thể.

Dưới đây là một số quan điểm đề xuất về tính

“thích nghi” khi triển khai các loại hình dịch vụ

mạng NGN tại một số nhà mạng trong nước:

Thích nghi vơi hạ tầng mạng

Ở đây, có hai vấn đề cần đặt ra [5]. Thứ nhất

đó là triển khai các loại hình dịch vụ trên cơ

sở hạ tầng mạng sẵn có. Ưu điểm của loại

hình này đó là giá thành đầu tư ban đầu thấp,

có khả năng cung cấp dịch vụ mới, dịch vụ

truy cập băng thông rộng, bảo vệ tối đa nguồn

vốn đã đầu tư trên mạng hiện tại. Nhược điểm

đó là việc nâng cấp các chuyển mạch hiện có

từ TDM sang IP/ATM chỉ là bước đệm mà

không thay đổi được về cơ bản công nghệ

chuyển mạch phục vụ cho các dịch vụ mới,

chi phí vận hành và khai thác sẽ cao hơn so

với mạng hiện tại do không có sự quản lý

thống nhất trong toàn mạng, khả năng cạnh

tranh kém khi xuất hiện các nhà khai thác thế

hệ mới với hạ tầng mạng NGN mới tinh; Thứ

hai, đó là triển khai trên hạ tầng mạng NGN

hoàn toàn mới. Ưu điểm đó là thay đổi hoàn

toàn cấu trúc mạng, tăng khả năng cạnh tranh,

hoàn toàn sẵn sàng cung cấp dịch vụ mới,

dịch vụ truy nhập băng rộng, thời gian triển

khai nhanh chóng, độ tương thích cao, quản

lý thống nhất, tập trung. Nhược điểm đó là,

giá thành đầu tư ban đầu cao, rủi ro do dự

báo nhu cầu vượt ngưỡng dẫn đến hậu quả

đầu tư thấp, thời gian hoàn vốn lâu, tăng chi

phí do phải tăng cường lực lượng lao động

kỹ thuật mới.

Thích nghi khả năng bảo mật và chất lượng

dịch vụ

Như đã nói ở trên, hệ thống các loại hình dịch

vụ có tốt đến đâu, có khả năng đáp ứng, thỏa

mãn các nhu cầu khách hàng hiệu quả tới mức

nào mà không đảm bảo được yếu tố về tính

năng bảo mật và QoS của chính loại hình dịch

vụ đang triển khai, hoạt động thì sẽ không

được bền vững, dễ dàng bị cạnh tranh bởi các

nhà mạng có đầu tư, tính toán trước khả năng

bị xâm phạm về quyền riêng tư, tính ổn định

và chất lượng dịch vụ. Tóm lại, với một loại

hình dịch vụ khi triển khai cần phải có được

hoặc đáp ứng được yêu cầu này.

Thích nghi về tính sẵn sàng và hiệu quả

dịch vụ

Cung cấp dịch vụ mạng IPVPN là một ví dụ,

với các mức độ thoả thuận dịch vụ khác nhau

và việc quản lý thiết bị đặt tại nhà khách

hàng, cùng với việc cung cấp các dịch vụ

mạng sẽ đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải

quản lý một số lượng lớn các phần tử mạng

khác nhau. Thứ nhất, họ cần phải đảm bảo

chất lượng dịch vụ như đã thoả thuận với từng

khách hàng; Thứ hai, lưu lượng có thể đi ra

ngoài vùng mạng IP thuần tuý tới lớp thoại;

và thứ ba, họ cần phải đáp ứng các nhu cầu

khác nhau về băng thông cho các loại khách

hàng khác nhau cũng như chất lượng dịch vụ

tới tận khách hàng tại cùng một thời điểm [5].

Và trên hết, các nhà cung cấp dịch vụ mong

muốn đưa ra các tính năng khác nhau của hệ

thống như bảo mật, tốc độ linh hoạt, lựa chọn

kết nối, kế hoạch định giá linh hoạt, cung cấp

dịch vụ, quản lý thiết bị và các dịch vụ đặc

biệt… như là một phần của dịch vụ IP VPN.

Do đó, tính sẵn sàng chính là có thể đáp ứng

được cho khách hàng ở mọi nơi, mọi lúc,

giá thành phù hợp nhưng vẫn có hiệu quả về

hiệu suất đường truyền, khả năng truyền tải,

khả năng hỗ trợ và giải đáp thắc mắc cho

khách hàng.

Thích nghi về tính cạnh tranh và lợi nhuận

Nhà cung cấp có thể tồn tại với phương thức

cũ, tuy nhiên chắc chắn họ sẽ không thành

công. Các nhà cung cấp đang bắt buộc cạnh

tranh về giá để đảm bảo thu nhập. Trong lúc

đó, các đối thủ cạnh tranh đưa ra các dịch vụ

hấp dẫn để được các khách hàng “béo bở”

nhất. Do đó nếu nhà cung cấp dịch vụ muốn

thành công trong thời đại mới, họ buộc phải

thêm giá trị vào các dịch vụ truyền thống của

mình. NGN hỗ trợ các dịch vụ mới tiên tiến

nên cho phép họ giữ được các khách hàng

quan trọng và mở rộng thị trường trong nhiều

khu vực mới [5].


124

NGN sẽ cho phép các nhà khai thác cung cấp

với chi phí hiệu quả của các dịch vụ mới phức

tạp hơn bằng cách xây dựng một lõi liên hệ

với các dịch vụ truyền tải truyền thống [6].

Thêm vào đó, việc hợp nhất các ứng dụng

NGN làm giảm chi phí bằng cách loại bỏ các

nhược điểm của các dịch vụ riêng lẻ hiện nay.

NGN còn giảm thời gian thương mại hóa và

xoay vòng vốn nhanh hơn khi cung cấp các dịch

vụ mới. Và sau cùng, NGN mở rộng các dịch

vụ tiên tiến, tăng khả năng cạnh tranh và mở

rộng khả năng thâm nhập thị trường của họ.

Thích nghi về tính ổn định và xu hương

phát triển

Tính ổn định, bền vững của một loại hình

dịch vụ chính là thời gian tồn tại cũng như

khả năng dễ vận hành, triển khai, dễ dàng

thay đổi và cập nhật các tiêu chí mới của dịch

vụ đó nhằm giảm chi phí cho việc liên tục

thay đổi các dịch vụ này trên cùng một cơ sở

hạ tầng mạng NGN.

Một dịch vụ mới khi được triển khai, nhà

mạng cần chú ý tới khả năng phát triển mở

rộng sau này, đặc biệt là các dịch vụ khả

dụng, có tiềm năng. Nhà cung cấp dịch vụ

không những phải triển khai cơ sở hạ tầng

cung cấp dịch vụ dựa trên một mạng lưới

chung mà còn phải xây dựng và củng cố

mạng để tạo ra các dịch vụ mới. Các dịch vụ

này phải là mới lạ, độc đáo, có giá cả phải

chăng, và đáp ứng yêu cầu của khách hàng ở

một mức cao. Trong một môi trường mà việc

cung cấp nhanh một dịch vụ mới là một yếu

tố cạnh tranh, thì mạng lưới cũng cần phải tối

ưu hoá để có thể đưa ra được nhiều loại hình

dịch vụ tạo ra nhiều lợi nhuận.

KẾT LUẬN

Có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm đáp

ứng nhu cầu của các nhà khai thác muốn

chuyển từ mạng truyền thống sang mạng thế

hệ sau. Tùy vào hiện trạng mạng, quan điểm

của chính nhà khai thác mà giải pháp thích

hợp được lựa chọn. Và việc xây dựng mạng

phải dựa vào nhu cầu mới của khách hàng để

thu hút và giữ khách hàng. Điều này cũng có

nghĩa là các nhà khai thác sẽ triển khai mạng

NGN theo hướng để đáp ứng cho nhu cầu

phát triển dịch vụ của khách hàng.

Qua hàng loạt các phân tích, nhận xét và đánh

giá ở trên, tác giả đã đưa ra một số tiêu chí

giúp các loại hình dịch vụ mạng NGN có thể

“tương thích” – hay chính là khả năng triển

khai được hiệu quả, dễ vận hành, bảo trì, đáp

ứng được các yêu cầu của khách hàng, đồng

thời thu được lợi nhuận cao nhưng giá thành

vẫn cạnh tranh được với dịch vụ của các nhà

mạng khác.

Mạng NGN là một cuộc thách đấu đối với các

nhà cung cấp thiết bị để đưa vào công nghệ

mới và để các nhà cung cấp đường truyền

thâm nhập vào các các dịch vụ mới. Và các

nhà cung cấp dịch vụ nào dám đương đầu với

thử thách sẽ là những người đầu tiên thu về

lợi nhuận.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Nguyễn Quý Minh Hiền, Mạng viễn thông

thế hệ sau, Viện khoa học kỹ thuật bưu điện.

2. Johnson I Agbinya, 2010, IP Communications

and Services for NGN. 3. Azhar Sayeed, Monique J. Morrow, 2007,

MPLS and Next-Generation Networks:

Foundations for NGN and Enterprise

Virtualization.

4. Neill Wilkinson, Next Generation Service –

Technologies and Strategies,2002, John Wiley &

Sons Ltd.

5. Ms. Aruelie, Mr. Jan H. Guettler, Dr. Ken

Leeson, Regulatory implication of the introduction

of nextgeneration network and other new

developments in electronic communications, 2003,

Devoteam Siticom & Cullen International.

6. Sammeer Padhye, Next Generation Network

“Complementing the Internet for Converged

Service”, 2003, Cisco System.


125

SUMMARY

RESEARCH FOR SERVICE ADAPTATION

IN NEXT GENERATION NETWORKS

Le Hoang Hiep*

College of Information and Communication Technology - TNU

The determination the type of NGN’s services that is capable of providing in the future is very

difficult. Moreover, in Vietnam with infrastructure NGN is not yet sync and development, the

service providers have to not only deploy the infrastructure service based on a common network,

but also to build and strengthen networks to create new services. These services must be strange

but unique , affordable priced, and meet to customer’s requirements at a high level. This paper

presents the analysis and evaluation summarizes about the main characteristics of NGN’s

services, to helping the ISP can select and deploy effectively on NGN infrastructure environment

which is relatively new in Viet nam.

Keywords: NGN services, Traditional services, Adaptive services, Services compatible,

Multimedia Service


Phản biện khoa học: TS. Phung Trung Nghĩa – Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN



126

Nguyễn Thị Ngọc Ánh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 127 - 131

127

HƯỚNG DẪN HỌC SINH TRUNG HỌC PHÔ THÔNG KHÁ GIỎI SỬ DỤNG

PHƯƠNG PHÁP SONG ÁNH GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐẾM

Nguyễn Thị Ngọc Ánh*

Trường THPT Chuyên Thái Nguyên

TÓM TẮT

Phương pháp song ánh ( PPSA) là một phương pháp hay để giải một số bài toán đếm. Tuy nhiên, ở

nước ta hiện nay có ít bài viết về phương pháp này và chưa tác giả nào đề cập đến việc dạy phương

pháp này như thế nào cho đối tượng học sinh (HS) khá giỏi trung học phổ thông (THPT). Chúng

tôi xin chia sẻ kinh nghiệm dạy các khái niệm ánh xạ (AX), đơn ánh (ĐA), toàn ánh (TA), song

ánh (SA). Đồng thời, phân tích một số ví dụ về vận dụng PPSA vào giải một số bài toán đếm để

giúp HS hiểu rõ hơn về phương pháp này.

Từ khóa: Phương pháp song ánh, bài toán đếm.

MỞ ĐẦU*

Năm 1992, các tác giả Chen Chuan-Chong và

Koh Khee-Meng đã viết về Nguyên lí Đơn

ánh và Nguyên lí Song ánh trong cuốn

“Những nguyên lí và kĩ thuật trong Tổ hợp”.

Với kí hiệu X là số phần tử của tập hợp X,

nội dung của hai nguyên lí này được tác giả

nêu ra như sau:

Nguyên lí Đơn ánh (The Injection Principle):

Cho A và B là hai tập hợp hữu hạn. Nếu có

một đơn ánh từ A đến B, thì A B .

Nguyên lí Song ánh (The Bijection

Principle): Cho A và B là hai tập hợp hữu

hạn. Nếu có một song ánh từ A đến B, thì

A B .

Phương pháp vận dụng hai nguyên lí trên vào

giải toán gọi là PPSA [1, tr - 230]. Phương

pháp này đã được đề cập đến trong các tài

liệu: [1], [3], [4], [5], [7]. Tuy nhiên, chưa tác

giả nào đề cập đến việc phải dạy PPSA như

thế nào cho HS khá giỏi THPT. Qua bài viết

này, chúng tôi xin chia sẻ kinh nghiệm vận

dụng PPSA ở trường THPT với đối tượng là

HS khá giỏi. Để vận dụng phương pháp này

hiệu quả trước tiên chúng ta phải giúp HS

phân biệt được các khái niệm AX, ĐA, TA,

SA, sau đó hướng dẫn các em vận dụng tính

chất của các AX vừa học vào các ví dụ nhằm

từng bước hình thành PPSA.


NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Dạy khái niệm AX, ĐA, TA, SA cho HS

khá giỏi THPT:

Khái niệm AX, ĐA, TA, SA

a. Ánh xạ f từ tập hợp X vào tập hợp Y (ký

hiệu f: XY) là một quy tắc cho tương ứng

mỗi phần tử x X với một phần tử xác định

y Y, phần tử y gọi là ảnh của phần tử x, ký

hiệu y = f(x).

Với mỗi tập A X: f(A) = Axxf )(

gọi là ảnh của tập A.

b. TA là AX từ X vào Y trong đó f(X) = Y.

c. ĐA là AX từ X vào Y thỏa mãn:

)()(:, 212121 xfxfxxXxx .

d. SA là AX vừa là ĐA, vừa là TA.

Dạy các khái niệm AX, ĐA, TA, SA cho HS

khá giỏi THPT

Trong thực tế giảng dạy chúng tôi nhận thấy

HS thường khó phân biệt các khái niệm: AX,

ĐA, TA, SA . Do đó, chúng tôi xin đề xuất

một phương án dạy bốn khái niệm trên thông

qua các hoạt động (HĐ) như sau [2] :

HĐ1: Giáo viên (GV) vẽ hai vòng tròn rời

nhau. GV gọi 3 HS đứng vào vòng 1 và qui

ước đây là tập hợp các con. Gọi 4 HS nữ

đứng vào vòng 2 và qui ước đây là tập hợp

các mẹ đẻ của các con ở vòng kia. Tiếp đó,

GV dùng 3 sợi dây để nối tương ứng giữa con

và mẹ để tạo ra mô hình (MH) 1.


128

Mô hình 1

HĐ 2: GV đưa ra khái niệm AX, minh họa thông qua MH1 và phân tích:

Tập X : tập các con. Tập Y: tập các mẹ đẻ.

Vậy tương ứng mỗi xX với một phần tử xác định yY được thể hiện ở đây là tương ứng mỗi

con thuộc tập các con có duy nhất một mẹ đẻ ( biểu thị bằng sợi dây nối), chú ý là không con nào

‘đứng bơ vơ’ vì không có mẹ tương ứng. Đây là điểm cần nhớ của khái niệm AX.

Hđ 3: GV cùng HS lần lượt xây dựng các MH 2, MH 3 và yêu cầu xác định xem MH nào thỏa

mãn khái niệm AX.

Mô hình 2

Mô hình 3

HS trả lời MH2 không phải là AX vì có con

C3 ‘đứng bơ vơ’, MH3 thỏa mãn vì tuy có C2

và C3 chung một mẹ nhưng mỗi con vẫn có

duy nhất một mẹ.

HĐ 4: GV vẽ MH1, MH3 lên bảng và thông

báo cho HS biết MH1 thỏa mãn điều kiện cứ

hai con khác nhau thì có hai mẹ khác nhau

nên là MH của một ĐA. Nhưng MH3 không

thỏa mãn khái niệm ĐA vì con C2 và C3

chung mẹ M2. GV yêu cầu HS thử nêu khái

niệm ĐA và chỉnh sửa lại khi phát biểu của

HS chưa chính xác.

HĐ 5: GV thông báo TA là AX thỏa mãn

không có mẹ nào trong tập các mẹ đẻ ‘đứng

bơ vơ’ và yêu cầu HS xây dựng một số MH

minh họa. Từ đó, GV hướng dẫn HS nhớ khái

niệm TA.

HĐ6: Cuối cùng GV đưa ra khái niệm SA và

yêu cầu HS xây dựng MH minh họa.

Sau khi HS đã nắm được bốn khái niệm AX,

ĐA, TA, SA. GV và HS cùng tìm thêm các ví

dụ và phản ví dụ trong toán học và trong thực

tế minh họa cho các khái niệm này. Đồng

thời, giúp các em nêu ra được các tính chất

của các khái niệm đó.

Áp dụng PPSA vào giải một số bài toan đếm

C1 M1

C3

C2 M2

C1 M1

C3

C2

M2

M3

C1 M1

C3

C2 M2

M3

M4


129

PPSA được coi là một kỹ thuật đếm nâng cao

được vận dụng trong giải toán tổ hợp. Ý nghĩa

của phương pháp là thay thế cho việc đếm số

phần tử của một tập hợp A nhất định, ta đi

đếm số phần tử của một tập hợp B có cùng số

phần tử với tập hợp A. Số phần tử của tập hợp

B là dễ đếm. Để có được kết quả này ta cần

chứng minh có một SA giữa hai tập hợp A và

B. Muốn có một bất đẳng thức liên quan đến

số phần tử của hai tập hợp, ta xây dựng một

đơn ánh giữa hai tập hợp đó. Khi hướng dẫn

HS vận dụng PPSA vào giải một bài toán

đếm, chúng tôi thường hướng dẫn các em

theo bốn bước sau:

Bước 1: Dựa vào giả thiết, xác định xem cần

xây dựng một đơn ánh hay một song ánh.

Bước 2: Tìm hai tập hợp X, Y tương ứng

trong ánh xạ cần xây dựng.

Bước 3: Chỉ ra cách xây dựng ánh xạ từ X

tới Y.

Bước 4: Trình bày lời giải.

Ví du 1:

Cho một lưới gồm các ô vuông. Các nút được

đánh số từ 0 đến m theo chiều từ trái sang

phải và từ 0 đến n theo chiều từ dưới lên trên.

Hỏi có bao nhiêu đường đi khác nhau từ nút

(0 ; 0) đến nút (m, n) nếu chỉ cho phép đi trên

cạnh các ô vuông theo chiều từ trái sang phải

hoặc từ dưới lên trên.

Phân tích: Đây là một bài toán đếm nên có

thể vận dụng Nguyên lí Song ánh. Ta cần xây

dựng một song ánh giữa tập hợp X các đường

đi thỏa mãn với một tập hợp Y nào đó.

Tìm tập Y: Ta thấy các đường đi thỏa mãn

đều có độ dài (m + n) vì có n đoạn đi lên và

m đoạn đi sang ngang. Sự khác nhau giữa các

đường đi chỉ là sự sắp xếp thứ tự giữa các

đoạn đi lên và các đoạn đi ngang. Đây là một

bài toán có 2 khả năng cơ bản. Ta có thể mã

hóa mỗi đoạn đi lên bởi số 1, mỗi đoạn đi

ngang bởi số 0. Khi đó, mỗi đường đi thỏa

mãn tương ứng với một dãy nhị phân có độ

dài (m + n), trong đó, có đúng n thành phần

bằng 1. Tập hợp Y là tập các dãy nhị phân

nói trên.

Giải:

1

1

1

1

0 0

0

0

0n

m

m,nn m,nn

m

(m,n)n

(0,0)

Một đường đi như thế gồm (m + n) đoạn (mỗi

đoạn là một cạnh ô vuông). Tại mỗi đoạn chỉ

được chọn một trong hai giá trị đi lên (ta mã

hóa là 1) hay sang phải (ta mã hóa là 0). Số

đoạn đi lên đúng bằng n và số đoạn sang phải

đúng bằng m. Như vậy, có một song ánh giữ

tập hợp A các đường đi thỏa mãn yêu cầu bài

toán với tập hợp B các dãy nhị phân có cùng

độ dài (m + n). Trong mỗi dãy nhị phân đó có

đúng n thành phần bằng 1, m thành thành

bằng 0.

Dễ thấy n

nm

n

nm CACB . Vậy số

đường đi cần tìm là n

nmC

Ví du 2: [ Balkan 1997]

Lấy m và n là số tự nhiên lớn hơn 1. Gọi S tập

hợp có n phần tử. Lấy A1, A2, A3,…,Am là

những tập con của S. Giả sử rằng, cứ 2 phần

tử bất kỳ x, y thuộc S đều có 1 tập hợp Ai

( 1,i m ) thỏa mãn điều kiện: nếu x Ai thì

y Ai còn nếu x Ai thì y Ai. Chứng

minh rằng: mn 2 .

Phân tích: Bài toán yêu cầu chứng minh một

bất đẳng thức nên có thể sử dụng Nguyên lí

Đơn ánh. Tập S có n phần tử nên ta sẽ tìm

một đơn ánh từ S tớt tập T nào đó. Tập T có

2m phần tử. Bài toán có hai quan hệ “thuộc”

và “không thuộc” nên có thể đưa về bài toán

dãy nhị phân. Ta biết, tập hợp các dãy nhị

phân có độ dài m thì có 2m phần tử ( do tại

mỗi vị trí chỉ có thể chọn là 1 hoặc 0). Tập

T phải liên quan đến m tập nêu trong đề


130

bài. Ta có cách xây dựng đơn ánh như

trong lời giải sau:

Giải:

Mỗi phần tử x của S ta cho tương ứng với một

dãy nhị phân 1 2, ,..., mf x x x x , với

1ix nếu i ix A và 0ix nếu

i ix A . Ta có ánh xạ: f: S T =

1 2, ,..., 0;1m ix x x x .

Từ giả thiết ta có, nếu

( ) ( )x y f x f y .Vậy f là một đơn

ánh nên S T . Mỗi phần tử của T là

một dãy nhị phân có độ dài m nên mT 2 . Vậy

mn 2 .

Ví du 3: Để xem một buổi biểu diễn xiếc,

mỗi người phải mua một vé vào giá 1 USD.

Mỗi khán giả chỉ được phép mua một vé. Mọi

người đến mua vé đứng xếp thành một hàng

dọc trước cửa bán vé. Mỗi người chỉ mang

đúng một tờ 1 USD hoặc đúng 1 tờ 2 USD.

Người bán vé quên không mang theo tiền. Giả

sử có n người mang tờ 1 USD và m người

mang tờ 2 USD ( m n ). Tìm số cách xếp

hàng sao cho người có tờ 1 USD thì được

nhận ngay vé, người có tờ 2 USD thì khi đến

lượt của mình được nhận ngay vé và một tờ 1

USD trả lại ?

Phân tích: Đây là một bài toán hay nhưng

khó đối với đa số HS phổ thông. PPSA được

vận dụng rất rõ nét trong cách giải bài toán.

Định hướng ban đầu là sử dụng Nguyên lí

Song ánh vì đây là một bài toán đếm. Mỗi

cách xếp hàng bất kì của (m + n) khán giả nói

trên ta gọi là một véc tơ. Tập hợp các véc tơ

này ta kí hiệu là X. Một véc tơ gọi là tốt nếu

tương ứng với cách xếp hàng thỏa mãn yêu

cầu bài toán. Các véc tơ còn lại gọi là các véc

tơ xấu. Ta chứng minh có một song ánh từ

tập A các véc tơ xấu đến tập B các véc tơ rất

xấu (đặc điểm cụ thể của B xem trong lời giải)

theo hai chiều: ứng với mỗi véc tơ thuộc A có

duy nhất một véc tơ thuộc B và ngược lại.

Giải :

Mã hóa người có tờ 1 USD bởi số 1, người có

tờ 2 USD bởi số 2. Mỗi cách xếp hàng bất kỳ

tương ứng với một véc tơ có (m+n) thành

phần trong đó n thành phần bằng 1, m thành

phần bằng 2. Thành phần thứ i tương ứng với

người xếp hàng ở vị trí thứ i. Số véc tơ như

thế là m

n mC .

Một véc tơ gọi là tốt nếu tương ứng với cách

xếp hàng thỏa mãn yêu cầu bài toán. Các véc

tơ còn lại gọi là các véc tơ xấu. Chúng ta đếm

xem có bao nhiêu véc tơ xấu bằng cách xây

dựng một song ánh từ tập A các véc tơ xấu

đến tập B các véc tơ có ( 1)m n thành

phần . Mỗi véc tơ của B có hai tính chất :

i, Có m thành phần 2, (n+1) thành phần 1

ii, Thành phần 2 đứng vị trí đầu tiên.

Ta có: 1m

m nB C

.

Cách xây dựng song ánh như sau:

- Giả sử v là một véc tơ xấu, tức là từ thành

phần đầu tiên đến hết thành phần thứ (i-1) thì

tương ứng với việc mua vé diễn ra suôn sẻ.

Đến thành phần thứ i tương ứng với người thứ

i mua vé nhưng người bán vé không có tiền

trả lại. Vị trí i lúc này ta gọi là vị trí xấu. Như

vậy, từ thành phần 1 tới hết (i-1) có số lượng

thành phần 1 bằng số lượng thành phần 2.

Xây dựng một véc tơ 'v bằng cách thực hiện

hai bước:

- Bước 1: Thêm thành phần 1 vào trước

thành phần đầu tiên của v . Khi đó, vị trí

xấu là ( i +1).

- Bước 2: Từ vị trí đầu tiên của véc tơ ở bước

1 tới hết vị trí (i+1), thay các giá trị 1 bởi 2 và

giá trị 2 bởi 1. Các thành phần từ vị trí (i+2)

trở đi giữ nguyên giá trị cũ.

Sau hai bước trên ta thu được véc tơ 'v thuộc

tập B.

- Xét véc tơ bất kỳ 'u bất kỳ thuộc B, gọi j là

số tự nhiên bé nhất thỏa mãn từ vị trí 1 đến

hết vị trí j thỏa mãn số thành phần 1 bằng số


131

thành phần 2. Thao tác ngược lại ở trên, từ vị

trí 1 tới hết vị trí j ta thay 2 bởi 1 và 1 bởi 2.

Các vị trí còn lại giữ nguyên như cũ. Bỏ đi số

1 ở thành phần đầu tiên ta được một véc tơ

xấu thuộc A.

Vậy có một song ánh từ A đến B nên số véc

tơ tốt bằng: m

n mC - 1m

m nC

.

Đây cũng là kết quả cần tìm của bài toán.

Chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm tại lớp

chuyên Toán 10 khóa 25, trường trung học

phổ thông Chuyên, tỉnh Thái Nguyên. Nội

dung thực nghiệm gồm 3 tiết. Tiết 1: Hướng

dẫn học sinh phân biệt được 4 khái niệm: AX,

ĐA, TA, SA, lấy được các ví dụ và phản ví

dụ minh họa. Tiết 2: PPSA. Tiết 3: Vận dụng

PPSA vào giải một số bài toán đếm trong các

đề thi học sinh giỏi. Cảm nhận chung của

chúng tôi là các em rất hào hứng tham gia các

hoạt động theo hướng dẫn của giáo viên. 84

% các em được hỏi ý kiến đều cảm thấy thích

thú khi sử dụng PPSA vào giải bài tập. Các

em bắt đầu tự đọc được một số bài viết về

phương pháp này ở mức độ khó hơn.

KẾT LUẬN

Bài báo đề xuất một phương án dạy cho HS

khá giỏi THPT phân biệt được bốn khái niệm:

AX, ĐA, TA, SA, nêu được nội dung của

PPSA và hướng dẫn các em vận dụng PPSA

vào giải toán. Thông qua phương pháp giảng

dạy đã nêu, chúng tôi mong muốn tạo hứng

thú cho học sinh khi học chủ đề này. Thực

nghiệm bước đầu cho thấy những đề xuất nêu

trên là có tính khả thi. Chúng tôi sẽ tiếp tục

nghiên cứu để có thể dạy tốt hơn phương

pháp này cho đối tượng học sinh khá giỏi

THPT.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phan Huy Khải (2002), Các phương pháp giải

toán sơ cấp 12, Nxb Hà Nội.

2. Bùi Văn Nghị (2009), Vận dụng lý luận vào

thực tiễn dạy học môn toán ở trường phổ thông,

Nxb Đại học Sư phạm, Hà Nội.

3. Phạm Minh Phương (2010), Một số chuyên đề

toán tổ hợp bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ

thông, Nxb Giáo dục Việt Nam.

4. Nguyễn Văn Thông (2012), Bồi dưỡng học sinh

giỏi toán Tổ hợp – Rời rạc, Nxb Đại học Quốc gia

Hà Nội, Hà Nội.

5. Chen Chuan-Chong, Koh Khee-Meng (1992),

Principles and techniques in combinatorics,

World Scientific.

6. V.K. Balakrishnan, Ph.D (1995), Theory and

problems of combinatorics, McGraw-Hill, INC,

Singapore.

7. Titu Andreescu, Zuming Feng (2004), A Path to

Combinatoricts for Undergraduates ( Counting

Strategies), Birkhauser Boston, United states of

America.

SUMMARY

INSTRUCTING GOOD AND EXCELLENT STUDENTS

OF HIGH SCHOOLS IN APPLYING THE BIJECTIVE METHOD

TO SOLVE SOME COUNTING PROBLEMS

Nguyen Thi Ngoc Anh*

Thai Nguyen Specialized High School

The Bijective method (BM) is an interesting method to solve some counting problems. However,

in Vietnam there are few articles mentioned on this method and there is not any author mentioning

how to teach this method for good and excellent students of high schools (HS). So, we would like

to share teaching experience of concepts on mapping, injective, surjective and bijective functions.

Simultaneously, we analyze some examples on applying the bijective method to solve some

counting problems in order to help students understanding more about this method.

Keywords:



132


Phản biện khoa học: TS. Trần Việt Cường – Trường Đại học Sư phạm - ĐTHN


133


134

AN ESTIMATE FOR HOLOMORPHIC MAP RAMIFICATED OVER

HYPERPLANES IN SUBGENERAL POSITION

Pham Duc Thoan1, Pham Hoang Ha2, Tran Hue Minh3

1National University of Civil Engineering, 2Hanoi National University of Education, 3College of Education - TNU

SUMMARY In this article, we study the ramification of the holomorphic map ramificate over hyperplanes in n-

subgeneral position in ( )k. This work is a continuation of previous work of Dethloff-Ha [1].

We thus give an improvement of the results by studying the holomorphic maps with ramification

of M. Ru [3] and Dethloff-Ha [1].

Key words: Minimal surface, Gauss map, Ramification, holomorphic map, Value distribution theory.

INTRODUCTION*

In 1993, M. Ru [3] studied the holomorphic

maps in ( )k with ramification. The aim of

this work is that studying the distribution of

Gauss map of Minimal surface. Using the

notations which will be introduced in §2, the

result of Ru can be stated as following.

Main Lemma [3] Let

0( : ... : ) : ( )k

k Rf f f be a

nondegenerate holomorphic map, 0 ,..., qH H

be hyperplanes in ( )k in n subgeneral

position, and ( )j be their Nochka weights.

Let 1

0( , , ) : 0k

k RF f f is

reduced representation of f . Assume that

2 1q n k and

1

( ) ( 1)

2 /( 2)

q

j

j k

q Nk k

with some constant N>1. Then there exists

some positive constant C such that 1

4/ 1 2 /

1 0

( )

1

| | | ( ) | | |

| ( ) |

q kS N q N

p j k

j p

qj

j

j

F F H F

F H

1

2

0

( 1)( ) /

2

2 2

2,

| |

k

p

k kk p q N

RC

R z


with S is given by

2

1

( ) ( 1) ( 2 12 / ).q

j

j k k k q N

Recently, the authors P.H. Ha and D. Dethloff

[1] gave a version on the lower dimension

spaces (1( ) .

Theorem (Lemma 8, [1]) For every with

1

12 0

q

j j

q qm

and f which is

ramified over ja with multiplicity at least

jm for each j (1 ),j q there exists a

positive constant 0C such that

1

12

0 101 2 2

1

1

|| || | ( , ) | 2.

| || |

q

jj

j

q qm

mq

j j

f W f f RC

R zF

In this paper we will consider the

corresponding problem for the holomorphic

map on disk z : |z| <R R

( 0 R ) ramificating over hyperplanes

located n-subgeneral position in ( ).k Our

result is stated as following:

Main Theorem. Let 0 : ... : :kf f f

( )k

R be a nondegenerate

holomorphic map, 0 ,..., qH H be hyperplanes

in ( )k in n subgeneral position, and

( )j be their Nochka weights. If f is

Phạm Đức Thoan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 133 - 137

135

ramified over jH with multiplicity at least

( )jm k for each , (1 ),j j q then there

exists some positive constants and C

such that

1

11

1 0

( )(1 )

1

2 2

| | | ( ) |

| |

| ( ) |

2.

| |

k

j

k k

q k

k p j

j p

kq j

m

j

j

F F H

F

F H

RC

R z

PRELIMINARIES

Let f be a linearly non-degenerate

holomorphic map of : :| | R z z R

into ( ),k where 0 .R Take a

reduced representation 0( : : )kf f f .

Then 1

0: ( , , ) : 0k

k RF f f is

a holomorphic map with ( ) .F f Consider

the holomorphic map 1 1: p k

p RF

with (0) (1) ( ): p

pF F F F for

0 ,p k where ( 0 )

0: ( , , )kF F f f

and ( ) ( ) ( )

0: ( , , )l l l

kF f f for each

0,1, ,l k , and where the l -th derivatives ( )l

if , 0,...,i k , are taken with respect to z .

The norm of pF is given by

0

0

12

2

0

: ( , , ) ,( )p

p

p i i

i i k

F W f f

where 0 0

( , , ) ( , , )k ki i z i iW f f W f f denotes

the Wronskian of 0, ,

ki if f with respect to

z .

Proposition 2.1 (Proposition 2.1.6, [2]) For

two holomorphic local coordinates z and

and a holomorphic function : Rh , the

following holds:

a) ( 1)/2

0 0( , , ) ( , , )( ) .k kk z k

dzW f f W f f

d

b) 1

0 0( , , ) ( , , )·( ) .kz k z kW hf hf W f f h

Proposition 2.2 (Proposition 2.1.7, [2]) For

holomorphic functions 0 , , :p Rf f

the following conditions are equivalent:

(i) 0 , , pf f are linearly dependent over .

(ii) 0( , , ) 0z pW f f for some (or all)

holomorphic local coordinate z.

We now take a hyperplane H in ( )k given

by 0 0: 0,k kH c c with

2

0

| | 1.k

i

i

c

We set

0 0 0( ) : ( ) : k kF H F H c f c f

and ( )pF H :=

1

1 1

21

2

0 ,...,

( , , , ) ,( )p

p p

l l i i

i i k l i i

c W f f f

for 1 .p k We note that by using

Proposition 2.1, ( )pF H is multiplied by a

factor ( 1)/2| |p pdz

d

if we choose another

holomorphic local coordinate , and it is

multiplied by 1| |ph if we choose another

reduced representation 0( : : )kf hf hf

with a nowhere zero holomorphic function h .

Finally, for 0 p k , set the p -th contact

function of f for H to be

2

2

| ( )( ) |( )( ) :

| ( ) |

p

p

p

F H zH z

F z .

We next consider q hyperplanes 1, , qH H

in ( )k given by

0 0 ,: , (1 )j j j jk kH A c c j q

where 0: ( , , )j j jkA c c with 2

0

| | 1.k

ji

i

c

For : 1,2, , ,R Q q denote by ( )d R

the dimension of the vector subspace of 1k

generated by ;jA j R . The hyperplanes

1, , qH H are said to be in n -subgeneral

position if ( ) 1d R k for all R Q with


136

( ) 1,R n where ( )A means the number

of elements of a set A. In the particular case

n k , these are said to be in general

position.

Theorem 2.3 (Theorem 2.4.11, [2]) For given

hyperplanes 1, , qH H in ( )k

( 2 1)q n k located in n -subgeneral

position, there are some rational numbers

(1), , ( )q and satisfing the following

conditions:

(i) 0 ( ) 1, (1 ),j j q

(ii) 1

( ) 1 ( 2 1),q

j

j k q n k

(iii) 1 1

,2 1 1

k k

n k n

(iv) If R Q and 0 ( ) 1,R n then

( ) ( ),j R

j d R

(v) For each : 1,2, ,R Q q with

0 ( ) 1R n and real constants

1, , qE E with 1jm , there are some

R R such that ( ) ( ) ( )R d R d R and

( ) .j

j j

j R j R

E E

Constants ( ) (1 )j j q and with the

properties of Theorem 2.3 are called Nochka

weights and a Nochka constant for

1, , qH H respectively. Related to Nochka

weights, we need the following. We need the

three following results of Fujimoto combining

the previously introduced concept of contact

functions with Nochka weights:

Theorem 2.4 (Theorem 2.5.3, [2]) Let

1, , qH H be hyperplanes in ( )k located

in n subgeneral position and let ( )j

(1 )j q and be Nochka weights and a

Nochka constant for these hyperplanes. For

every 0 there exist some positive

numbers ( 1) and C, depending only on

and jH 1 ,j q such that

1 20

2 ( )1 ,0 1

| |log

log ( / ( ))

kp pc

jj q p k p j

Fdd

H

2

(2 ( 2 1) 2 20

12 2 ( )

1 0

1)

2

( 1)

(| | | | | |

( (| ( ) | log ( / ( )))

)

)

q n k ck

q

k k

kk

jkj

p jj p

C F F dd z

F H H

Proposition 2. 5 (Proposition 2.5.7, [2]) Set

( 1) / 2p p p for 0 p k and

0

.k

k p

p

Then,

1

2 2 2

0 1 1

2 2 21/ 20 1

2

0

log(| | | | | | )

| | | | | | | | .

| |( ) k

k

c

k

ck k

k

dd F F F

F F Fdd z

F

Proposition 2. 6 (Lemma 3.2.13, [2]) Let f

be a nondegenerate holomorphic map of a

domain in into ( )k with reduced

representation 0( : : )kf f f and let

1, , qH H be hyperplanes located in n -

subgeneral position with Nochka weights

(1), , ( )q respectively. Then,

( , )

1

( ) min 0,,j

q

f H

j

j k

where

( )

1

| |.

( )

k

q j

j j

F

F H

∣ ∣

Lemma 2.7 (Generalized Schwarz's Lemma).

Let v be a nonnegative real-valued

continuous subharmonic function on .R If

v satisfies the inequality 2log v v in the

sense of distribution, then 2 2

2( ) .

| |

Rv z

R z

THE PROOF OF THE MAIN THEOREM

Take an arbitrary positive number with

1

1

: ( ) ( 1) .q

k

j

j k

For an

arbitrary holomorphic local coordinate z, we

set

1 /1

0

(1 )1 ( )

0

1

| | . | | . | |

: ,

(| ( ) | log( / ( )))

( )

k

k k

j

kq

k p

p

z kq

m k j

j p p j

j

F F F

F H H

and define the pseudo metric 2 2 2: | | .zd dz Using Proposition 2.1 we


137

can see that 2d is independent of the choice

of the local coordinate z. We now show that

d is continuous on .R Indeed, it is easy to

see that d is continuous at every point 0z

with 1 0( )( ) 0.q

j jF H z Now we take a

point 0 1 0( )( ) 0.q

j jz F H z We have

0 0 ( ) 0

1

( ) ( ) ( ) ( )(1 )k j

q

d F F H

j j

kz z j z

m

0 ( ) 0

1

( ) 0

1

( ) ( ) ( )

( ) ( ).

k j

j

q

F F H

j

q

F H

j j

z j z

kj z

m

Combining this with Proposition 2.6 we get

0 ( ) 0

1

( ) 0

1

( ) ( ) min ( ),

( ) ( ).

j

j

q

d F H

j

q

F H

j j

z j z k

kj z

m

By assumption, it holds that

( ) 0( )jF H jz m k or

( ) 0( ) 0,jF H z so

0( ) 0.d z This concludes the proof that

d is continuous on .R Using Proposition

2.5 and Theorem 2. 4, we have

2 1

2 20 1

log log | |

log(| | | | )2( )

c ckz

k k

ck

k k

dd dd F

dd F F

2

0

12 ( )

1 0

|1

log2( )

log ( / ( ))

k

ppc

q kjk k

p jj p

F

dd

H

1

1/2 2 220 1

2 1/0

(| | | | | || |

2( ) |

)

( )|

k

k k

ck k

k k k

F F Fdd z

F

2

2 ( 2 1) 2 2( 1)0 0

2

1 ( 1)2 2 ( )

1 0

( )| | | | | |

(| ( ) | log ( / ( )))

q n k ck kk

q k k kj

j p jj p

C F F dd z

F H H

1 21

0

1( )

1

1

0

(| | . | | . | | | |

,

( (| ( ) | log( /

)

)( )))

k

j

kc

k p

p

kq

m jp

k

pj j

j

C F F F dd z

F H H

where we denote 2

k k

and by the

help of Holder's inequality, where 0 1,C C are

some positive constants. We now use Lemma

2.7 to show the following

1

0

(1 )

2

0

)

1

1(

2 2

(| | . | | . | |

( (| ( ) | log( / ( )))

2,

|

)

|

)k

j

k

k p

p

kq

m jj

k

pp j

j

F F F

F H H

RC

R z

where we denote 1

k k

. Now we have

1

11 /

1 0

(| | . | | . | ( ) | ) :k

q kq

k p j

j p

F F F H

(1 ) ( )

1

1/ ( )

1 0

2 2 2

| ( ) |

| ( ) |( ( ) log ( / ( )))

| |

2.

| |

j

kq j

m

j

j

q kp j q j

p j

pj p

F H

F HH

F

RC

R z

Since ( )

20 1

sup log .jq

x

xx

Then we

get

1

1

11

1 0

(1 ) ( )

1

2 2

| | | | | ( ) |

| ( ) |

2.

| |

k k

k

j

q k

k p j

j p

kq j

m

j

j

F F F Hq

F H

RC

R z

This implies the main theorem.


138

Acknowledgements. A part of this work was

completed during a stay of the two first named

authors at the Vietnam Institute for Advanced

Study in Mathematics (VIASM). The research of

the second named author is partially supported by

a NAFOSTED grant of Vietnam.

REFERENCES 1. G. Dethloff and P. H. Ha, Ramification of the

Gauss map of complete minimal surfaces in 3

and 4

on annular ends, arXiv: 1304.7065, to

appear in the Annales Fac. Sci. Toulouse.

2. H. Fujimoto, Value Distribution Theory of the

Gauss map of Minimal Surfaces in m

, Aspect of

Math, Vieweg, Wiesbaden, 1993.

3. M. Ru, Gauss map of minimal surfaces with

ramification, Trans. Amer. Math. Soc. 339

(1993), 751-764.

4 L. Jin and M. Ru, Values of Gauss maps of

complete minimal surfaces in m

on annular

ends, Trans. Amer. Math. Soc. 359 (2007), 1547-

1553.

TÓM TẮT

MỘT ƯỚC GIÁ CHO ÁNH XẠ CHỈNH HÌNH RẼ NHÁNH QUA HỌ

CÁC SIÊU PHẲNG Ở VỊ TRÍ DƯỚI TÔNG QUÁT

Phạm Đức Thoan1*, Phạm Hoàng Hà2, Trần Huệ Minh3 1Đại học Xây dựng, 2Đại học Sư phạm Hà Nội,

3Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tính rẽ nhánh của ánh xạ chỉnh hình rẽ nhánh qua họ các

siêu phẳng ở vị trí n-dưới tổng quát trong ( )k. Đây là sự tiếp nối công việc của Dethloff-Ha

[1]. Chúng tôi mở rộng kết quả nghiên cứu về tính rẽ nhánh của ánh xạ chỉnh hình của M. Ru [3]

và của Dethloff-Ha [1].

Key words: Mặt cực tiểu, Ánh xạ Gauss, Tính rẽ nhánh, ánh xạ chỉnh hình, Lí thuyết phân bố giá trị.


Phản biện khoa học: TS. Phạm Thị Thủy – Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN



139


140

ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG

VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CÓ RÀNG BUỘC

Lê Thị Thu Hà1, Đỗ Thị Tú Anh2

1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên, 2Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái để điều

khiển bám ổn định hệ truyền động qua bánh răng có các điều kiện ràng buộc. Bộ điều khiển dự

báo của bài báo sử dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính của hệ truyền động bánh răng và sử dụng hàm

mục tiêu dạng toàn phương có tham số biến đổi, do đó luôn chuyển bài toán điều khiển có ràng buộc

thành bài toán không ràng buộc. Do sử dụng nguyên lý tối ưu sai lệch bám là nhỏ nhất nên mặc dù sử

dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính, song bộ điều khiển vẫn cho thấy được chất lượng bám tốt.

Từ khóa: Điều khiển dự báo; Hệ truyền động bánh răng; Tối ưu hóa có ràng buộc

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Hệ truyền động qua bánh răng (hình 1) là một

trong số các hệ truyền động được sử dụng

rộng rãi nhất trong công nghiệp, vì vậy vấn đề

chất lượng điều khiển hệ truyền động qua

bánh răng cũng giữ một vai trò không nhỏ

trong chất lượng hệ thống điều khiển quá

trình nói chung. Từ lý do đó mà việc nâng cao

chất lượng điều khiển hệ truyền động qua

bánh răng luôn mang tính thời sự và nhận

được sự quan tâm đặc biệt của các nhà thiết

kế hệ thống điều khiển quá trình.

Bài toán điều khiển hệ truyền động qua bánh

răng được quan tâm trong bài báo này là phải

xác định được quy luật thay đổi moment dẫn

động tạo ra từ động cơ dẫn động để hệ có

được tốc độ góc của tải đầu ra luôn bám ổn

định được theo một quỹ đạo đặt trước và điều

này phải không được phụ thuộc vào các tác

động không mong muốn vào hệ. Tất nhiên để

điều khiển được hệ truyền động với chất

lượng cao cần phải có mô hình toán mô tả

chính xác hệ truyền động. Tài liệu [5] đã giới

thiệu một mô hình như vậy, trong đó nó chứa

đựng gần như đầy đủ tất cả những thành phần

phi tuyến rất khó xác định được một cách

chính xác, song lại giữ vai trò không nhỏ tới

chất lượng truyền động của hệ. Đó là các

thành phần như những lực ma sát khác nhau,


khe hở giữa các bánh răng, độ cứng vững của

vật liệu.

Tuy nhiên mô hình càng chính xác, cấu trúc

phi tuyến của mô hình càng rắc rối, kéo theo

phương pháp điều khiển cũng như bộ điều

khiển sau này càng phức tạp và tính tin cậy

cũng như tính bền vững của hệ điều khiển

càng giảm. Bởi vậy trong thực tế người ta

thường chỉ cần đến một mô hình toán vừa

đủ chính xác sao cho vẫn có thể đảm bảo

được chất lượng điều khiển đặt ra, mà lại

không làm phức tạp cấu trúc của bộ điều

khiển sau này.

2msM

1msM 4msM

3msM

Md 1 M

3 Biến tần

Bộ điều khiển

2 Mc

Tải

Hình 1: Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng

Phương pháp điều khiển đơn giản nhất

thường được áp dụng là điều khiển PID [2].

Đây là phương pháp này đòi hỏi mô hình toán

hệ truyền động phải xấp xỉ được về dạng

tuyến tính. Song nếu xấp xỉ về dạng tuyến

tính như vậy ta đã phải giả thiết là trong hệ

truyền động không có khe hở, ma sát và

không có moment xoắn (vật liệu là tuyệt đối

cứng). Điều này đã vô tình làm giảm chất

Lê Thị Thu Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 139 - 147

141

lượng hệ thống điều khiển, vì các giả thiết

nêu trên rất dễ bị phá vỡ trong thực tế.

Như vậy, muốn nâng cao chất lượng hệ thống

ta phải sử dụng mô hình phi tuyến của nó.

Tuy nhiên khi sử dụng mô hình phi tuyến

cùng với phương pháp điều khiển tuyến tính

ta phải tuyến tính hóa xấp xỉ mô hình phi

tuyến của nó xung quanh các điểm làm việc.

Các phương pháp đã được giới thiệu ở tài liệu

[7],[10] là những ví dụ về nhóm phương pháp

điều khiển này.

Song việc tuyến tính hóa xung quanh điểm

làm việc mà không phải trả giá cho sự sụt

giảm chất lượng điều khiển không phải lúc

nào cũng thực hiện được, đặc biệt là khi có sự

tham gia của các thành phần phi tuyến mạnh

như ma sát, khe hở, độ cứng vững của vật

liệu. Do đó, để vẫn không làm giảm chất

lượng hệ thống khi phải tuyến tính hóa người

ta đã sử dụng thêm các cơ cấu nhận dạng ma

sát, khe hở hay độ cứng vững của vật liệu để

điều khiển bù sự ảnh hưởng của chúng tới

thành phần động học tuyến tính trong mô

hình, trước khi sử dụng bộ điều khiển tuyến

tính. Một số tài liệu như [3], [12], [17] đã

công bố các kết quả điều khiển đi theo hướng

giải quyết này. Tất nhiên với hướng giải

quyết bằng cách bổ sung thêm các cơ cấu điều

khiển bù đó, cấu trúc bộ điều khiển sẽ càng

phức tạp thêm, kéo theo độ tin cậy và tính bền

vững của chất lượng điều khiển càng giảm.

Bởi vậy, cuối cùng xu hướng thiết kế bộ điều

khiển trực tiếp trên nền mô hình phi tuyến của

hệ truyền động là một giải pháp đúng đắn. Nó

hứa hẹn sẽ không làm tăng thêm tính phức tạp

của cấu trúc hệ điều khiển mà vẫn đảm bảo

được chất lượng điều khiển đặt ra ban đầu.

Các tài liệu [6], [8], [13], [14] đã công bố một

số kết quả về xu hướng điều khiển thích nghi

bền vững phi tuyến này.

Mặc dù vậy tất cả các phương pháp điều

khiển nêu trên, kể cả phương pháp điều khiển

thích nghi bền vững phi tuyến, sẽ vẫn bị hạn

chế nếu như trong yêu cầu chất lượng điều

khiển đặt ra ban đầu có thêm giả thiết về tính

bị chặn của tín hiệu điều khiển, ở đây được

hiểu là moment đặt ở bánh răng chủ động,

hoặc khoảng giá trị biến thiên cho phép của

các trạng thái trong hệ, chẳng hạn như các

giới hạn về tốc độ, gia tốc của các bánh răng.

Những giả thiết này, từ yêu cầu về tính bền

vững của hệ thống, luôn phải được thỏa mãn,

nhằm có thể đảm bảo được vật liệu của hệ

bánh răng không quá bị mỏi trong thời gian

làm việc.

Một trong các bộ điều khiển được xây dựng từ mô hình phi tuyến của đối tượng điều

khiển mà vẫn thỏa mãn các điều kiện bị chặn về dải biến thiên giá trị của các tín hiệu điều

khiển và trạng thái của hệ là bộ điều khiển dự báo theo mô hình, được viết tắt thành MPC

(model predictive controller).

Bài báo này sẽ trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo cho hệ truyền động qua bánh răng, có mô hình phi tuyến chứa đầy đủ các thành phần lực ma sát, khe hở và độ không cững vững của vật liệu bên trong là [5]:

0

1 1 1 ( 1)

0 1 1 1

( ) ( )

( )

( ) ( )

Si i i msi i i i

Si i i ms i

i i i

J M M d t r F D

J M M

d t r F D

(1)

trong đó, ở (1) ta đã bỏ qua hiện tượng va đập bánh răng [5]. Việc bỏ qua này là hợp lý vì với bài toán điều khiển thì khoảng thời gian xẩy ra quá trình va đập bánh răng là vô cùng nhỏ so với quá trình quá độ, nên có thể xem như xấp xỉ bằng 0. Ngoài ra:

- ( )d t là hàm mô tả khe hở,

- msiM là tổng các moment ma sát tại cặp

bánh răng thứ i ,

- 1, i iM M là các moment vào và ra ở bánh

răng thứ i có 1 dM M là moment đặt ở đầu

vào, được tạo bởi động cơ,

- ( )i iF D là lực biến dạng đàn hồi và lực

giảm chấn giữa hai bánh răng trong cặp bánh

răng thứ i được xác định theo công thức:

20 , 1 1( ) cos ( )i i i i L i i i iF D c r i (2)

với 0ir , i , , 1i ii , ic lần lượt là bán kính vòng

tròn cơ sở, góc quay, tỷ số các răng giữa hai

bánh răng và độ cứng vững vật liệu của cặp

bánh răng thứ i .


142

Nhiệm vụ điều khiển bám ổn định bền vững cho hệ truyền động bánh răng (1) được đặt ra ở đây cho bài báo là phải thiết kế được bộ điều khiển MPC phản hồi trạng thái để hệ truyền động gồm n cặp bánh răng có góc quay đầu ra n bám theo được quỹ đạo mong muốn ref :

n ref

đồng thời tín hiệu điều khiển và các biến

trạng thái phải có giá trị biến thiên trong dải

cho phép là:

max , , 1,2, ,d i iM M i n (3)

với max , , 1,2, , iM i n là những hằng số

dương cho trước.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG

Thiết kế bộ điều khiển MPC có điều kiện ràng

buộc nhờ hàm mục tiêu tham số biến đổi

Hình 2a) biểu diễn cấu trúc cơ bản của hệ

điều khiển dự báo đối tượng phi tuyến, gồm 2

thành phần là [1],[4]:

- Khối mô hình không liên tục của đối tượng:

( , )k k kx f x u , ( ) kky g x (4)

có tác dụng dự báo các vector trạng thái của

hệ được tính từ thời điểm k hiện tại, trong đó

kx là vector trạng thái và ku là vector các tín

hiệu điều khiển đối tượng (tín hiệu đầu vào).

Các giá trị trạng thái , 0 k ix i N được dự

báo trong khoảng cửa sổ dự báo , k k N

trong khoảng thời gian tương lai, tính từ thời

điểm hiện tại k như mô tả ở hình 2b) sẽ là:

1 1

2 2 1

1 1

1 1

( , )

( , ),

( ( , ), ), ),

( , , , , )

k i k i k i

k i k i k i

k k k k i

k k k k ii

x f x u

f f x u u

f f f x u u u

f x u u u

Từ các giá trị trạng thái , 0 k ix i N dự

báo được trong cửa sổ dự báo hiện tại

, k k N ta cũng sẽ có các giá trị đầu ra dự

báo trong cửa sổ dự báo đó là:

1 1

1 1

( )

( , , , , )

( , , , , )

k ik i

k k k k ii

k k k k ii

y g x

g f x u u u

g x u u u (5)

Khối tối ưu hóa, có nhiệm vụ xác định tín

hiệu điều khiển tối ưu *ku . Khối này chứa

đựng trong nó 2 khối con gồm hàm mục tiêu

và thuật toán tối ưu xác định nghiệm của hàm

mục tiêu đó.

Hàm mục tiêu tương ứng trong khối này được

xây dựng từ chỉ tiêu chất lượng đặt ra cho hệ

thống. Với chỉ tiêu chất lượng đặt ra là tín

hiệu đầu ra ky phải bám ổn định theo được

tín hiệu đặt kw , thì một trong các hàm mục

tiêu thỏa mãn được chỉ tiêu chất lượng đó là:

1

2

1

0

( ) ( )

NTik i k ik i k i

i

NT

ik i k ii

J w y Q w y

u R u

với ,i iQ R là những ma trận đối xứng xác định

dương tùy chọn và 1 20 , N N N cũng là hai

số dương tùy chọn [16]. Rõ ràng, khi sử dụng

kết quả dự báo (5) cũng như do kx là đã có,

thì khi chọn 1 21 N N N , hàm mục tiêu J

sẽ trở thành hàm của các tín hiệu điều khiển

cần tìm:

1col( , , , )k k k k Nu u u

Hình 2: Cấu trúc hệ điều khiển dự báo


143

tức là ( )kJ J , lúc này được viết lại thành:

( ) T Tk k k k kJ (6)

trong đó:

1 11 1

( ), ( )

( , , )

i i

k k k k Nk k k N

diag Q diag R

col w y w y w y

Khối con thứ hai là khối thuật toán tối ưu để

tìm nghiệm bài toán tối ưu:

* arg min ( )N

kk k

UJ

(7)

trong đó RmU là điều kiện ràng buộc của

vector tín hiệu điều khiển ku được suy ra từ

(3). Thuật toán tìm *k thường được sử dụng

là SQP [11].

Tuy nhiên, khi sử dụng các phương pháp tối

ưu hóa để tìm nghiệm bài toán tối ưu có ràng

buộc (7)thì rất có thể ta chỉ thu được nghiệm

địa phương. Nói cách khác nó *k tìm được

có thể chỉ mới là điểm cực trị của ( )kJ , chứ

chưa phải nghiệm của (7). Để tìm nghiệm

toàn cục của (6), ta cần tới phương pháp điều

khiển tối ưu, chẳng hạn như phương pháp

biến phân, hoặc quy hoạch động của Bellman,

song các công thức tường minh xác định *k

theo phương pháp điều khiển tối ưu này lại

mới chỉ dừng lại cho trường hợp không ràng

buộc, do đó không thể áp dụng được khi bài

toán điều khiển dự báo có thêm các điều kiện

ràng buộc như ở công thức (3).

Mặc dù vậy, nếu nhìn lại và phân tích cấu trúc

hàm mục tiêu (6) của bài toán tối ưu (7) ta sẽ

thấy:

- Khi càng lớn, sự tham gia của thành

phần Tk k trong hàm mục tiêu (7) càng

cao, kéo theo khi có được ( ) minkJ , giá

trị của k sẽ càng giảm. Điều đó đồng

nghĩa với việc càng tăng , điều kiện ràng

buộc (3) càng dễ được thỏa mãn.

- Nhưng nếu càng tăng , gián tiếp sẽ càng

làm cho sự tham gia của thành phần thứ hai là Tk k trong (6) lại càng giảm, kéo theo

càng khó có được 0k , tức là chất lượng

bám tín hiệu mẫu đặt ở đầu vào càng xấu.

Tất nhiên ta càng không thể vừa tăng

vừa tăng , vì như vậy tương quan về sự

tham gia của hai thành phần Tk k và

Tk k trong ( )kJ sẽ không thay đổi.

Bởi vậy một ý tưởng dung hòa xuất hiện ở

đây là ngay ban đầu (khi k nhỏ) ta chọn

đủ lớn để có k đủ nhỏ sao cho với nó có

được điều kiện ràng buộc (3). Khi điều kiện

ràng buộc (3) đã được thỏa mãn, ta sẽ giảm

để thông qua đó làm tăng thêm sự tham

gia của thành phần sai lệch bám Tk k trong

( )kJ nhằm làm giảm sai lệch bám sau này.

Tương tự ta cũng có thể chọn đủ nhỏ ban

đầu, sau đó tăng dần theo k .

Với hai trường hợp thay đổi hai ma trận

hay theo thời gian k như trên, hàm mục

tiêu gốc ban đầu (6) trở thành:

( ) T Tk kk k k k kJ (8)

và tương ứng, bài toán tối ưu có ràng buộc (7)

trở thành bài toán không ràng buộc:

* arg min ( )k kJ (9)

Sau khi đã có nghiệm tối ưu *k của (9), phần

tử đầu tiên của *k là *

ku sẽ được đưa vào

điều khiển đối tượng trong khoảng thời gian

giữa hai lần trích mẫu ( 1) kT t k T , trong

đó T là chu kỳ trích mẫu. Như vậy bộ điều

khiển dự báo làm việc theo nguyên lý lặp với

các bước sau:

1) Chọn 0N . Gán : 0k .

2) Đo trạng thái kx và tìm nghiệm tối ưu *k

của bài toán tối ưu có ràng buộc (9).

3) Xuất * *( ,0, ,0)ku I để điều khiển

đối tượng trong khoảng thời gian

( 1) kT t k T rồi gán : 1 k k và quay

về 2.

Xây dựng mô hình dự báo

Theo nguyên tắc điều khiển dự báo vừa trình

bày, để có được bộ điều khiển dự báo cho hệ

truyền động bánh răng, thì từ mô hình (1) đã

có của hệ truyền động bánh răng ta phải xây

dựng mô hình không liên tục dạng (4) làm mô

hình dự báo.


144

Từ (1), tài liệu [9] đã đưa ra mô hình tương

ứng cho hệ tương ứng có một cặp bánh răng

như sau:

2 21 1 1 1 12 2 1

2 22 2 2 2 21 1 2

cos ( )

cos ( )

L L d ms

L L c ms

J cr i M M

J cr i M M(10)

trong đó:

L góc ăn khớp của hai bánh răng, và

cũng là đại lượng đánh giá khe hở giữa

các bánh răng. Khi hai bánh răng tiêu

chuẩn và không có độ dịch tâm, thì góc

ăn khớp 020 L . Với hệ có khe hở

thì 18L25,

c là đại lượng đánh giá độ cứng của bánh

răng. Giá trị c càng nhỏ, độ mềm dẻo

của bánh răng càng lớn và

0

ë chÕ ®é n khíp

ë chÕ ®é khe hë

cc

1 2, ,dJ J J lần lượt là moment quán tính

của động cơ, bánh răng 1 và bánh răng 2

và 1 1dJ J J ,

cM là moment cản, bao gồm cả moment

tải,

1 2,ms msM M là moment ma sát trong các ổ

trục bánh răng,

1 2, L Lr r là bán kính lăn tương ứng của hai

bánh răng (bán kính ngoài),

1 1 2 2, là vận tốc góc tương ứng của

hai bánh răng,

12i là tỷ số truyền từ bánh răng 1 sang

bánh răng 2, tức là 2 21 1 i .

Như vậy, giống như (1), mô hình (10) này của

hệ một cặp bánh răng cũng chứa đựng trong

nó tất cả những thành phần bất định không

thể xác định được một cách chính xác trong

nó, bao gồm moment cản cM , góc khớp hai

răng L , chỉ số đo độ cứng vững của vật liệu

làm bánh răng c , các moment ma sát của hai

bánh răng 1 2, ms msM M .

Tất nhiên với nhiều thành phần bất định trong

mô hình như vậy, công thức (10) không thể

sử dụng được làm mô hình dự báo. Do đó ta

cần phải xấp xỉ nó và chấp nhận rằng trong

mô hình xấp xỉ không còn chứa thành phần

bất định này tồn tại một sai lệch mô hình.

Mặc dù có sai lệch mô hình, tuy nhiên nhờ

tính tối ưu của bộ điều khiển dự báo sau này

mà sự ảnh hưởng của sai lệch mô hình đó tới

chất lượng hệ thống sẽ được giảm thiểu.

Trước tiên ta xấp thành phần moment ma sát

động, bỏ qua ma sát tĩnh:

1 1 1 2 2 2, ms c msM b M M b

cũng như các hệ số xấp xỉ hằng 0:

2 2 1 2 21 1 2 2, cos cos L L L Lcr cr

thì (10) chuyển về được thành:

1 1 1 1 12 2 1 1

1 12 2 2 2 12 1 2 2

( )

( )

dJ i M b

J i b (11)

Từ phương trình thứ hai trong (11) có:

1 12 2 2 2 2 22 2

3 2 4 2 12 2

i J b

i

với

3 2 2 4 12 2 2, J i b

Suy ra

(4)1 3 4 2 12 22 i

Thay vào phương trình thứ nhất của (11)

được:

(4)1 3 1 4 1 3 22

1 4 1 3 1 12 2 1 4 1 12 2

dM J J b

b J i b i

hay:

1

4

2

khi 1 3

k k

Tgf

x x k

x x u

y x

(12)

trong đó:

1 2 2 2 3 2 4 2

2 3 4

1 4 1 12 1

1 4 1 3 1 12 21 3 1 3

1 4 1 3 3

, , ,

col( , , ),

1 1,

d

g f

x x x x

x x x x u M

b i a

b J i aJ J

J b a

Do chỉ quan tâm tới tốc độ 2 2x nên ta có

thể bỏ bớt đi biến trạng thái 1 2x trong mô

hình (12). Khi đó mô hình hệ truyền động qua

một cặp bánh răng sẽ là:

dx

Ax budt

và Ty c x (13)


145

với

1 2 3

0 1 0 0 1

0 0 1 , 0 , 0

0

g

A b c

a a a

Từ đây, và với chu kỳ trích mẫu T chọn

trước, có:

1

T

kk k

k k

x Ax bu

y c x (14)

trong đó

0

, T

AT AtA e b e bdt

và ta sẽ sử dụng mô hình (14) này làm mô

hình dự báo các trạng thái , 0 k ix i N

trong cửa sổ dự báo hiện tại.

Xây dựng khối tối ưu hóa

Với mô hình dự báo (14) cho hệ truyền động

một cặp bánh răng, công thức dự báo đầu ra

tổng quát (5)bây giờ trở thành:

11

22 12

1 1 , , ,

T T T

T T T

T T T T

k i k ik i k i

k i k ik i

i i ik i

y c x c Ax c bu

c A x c Abu c bu

c A x c A b c A b c b

trong đó:

1 1col , , , k k k ii u u u

Bởi vậy, nếu ký hiệu vector sai lệch đầu ra

tương lai trong toàn bộ cửa sổ dự báo

, k k N là:

1 1 1 1col , , k k k N k Ne w y w y

ta sẽ được:

ke

trong đó:

1

11

1

1

0 0

0

col , , ,

T

T

T

T T

T T T

k

kNk N

N N

k k k Nk

w c A

x

w c A

c b

c Ab c b

c A b c A b c b

u u u

(15)

Suy ra, hàm mục tiêu (8) tổng quát trở thành:

( )

2

T Tk k k k k k k

T T T Tk k k k k k k

J

với

1

2

1

1

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

k

kk

k N

k

kk

k N

Q

Q

Q

R

R

R

(16)

Nếu như các ma trận , k i k iQ R đối xứng xác

định dương được chọn sao cho nghiệm tối ưu *k của (9) luôn thỏa mãn điều kiện bị chặn

(3) mà cụ thể ở đây là:

max , , 1,2,3 k i j ju M x j (17)

thì bài toán tối ưu bị ràng buộc (7) sẽ trở

thành bài toán không có ràng buộc (9). Trong

trường hợp như vậy ta có ngay:

*

1

)arg min (

arg min 2

k k

T T Tk k k k k k

T Tk k k

J

(18)

và cuối cùng là:

* *1,0, ,0k ku (19)

Hai công thức (18), (19) trên một lần nữa

khẳng định rằng với , k i k iQ R được chọn

sao cho k và k có k càng nhỏ hoặc

Tk k càng lớn thì *

ku sẽ càng

nhỏ.

Thuật toán điều khiển dự báo hệ truyền động

bánh răng có điều kiện ràng buộc

Từ các công thức (15), (16), (18) và (19) ta có

được thuật toán điều khiển dự báo cho hệ truyền

động bánh răng (12) gồm các bước sau:

1) Chọn 0N và các ma trận , k i k iQ R

tương ứng với điều kiện ràng buộc (17). Xác

định ma trận theo (15) Gán : 0k .

2) Đo trạng thái kx và xác định theo (15).


146

3) Xây dựng các ma trận ,k k theo (16).

4) Tính *k theo (18) và từ đó là *

ku theo (19).

5) Xuất *ku để điều khiển đối tượng trong

khoảng thời gian ( 1) kT t k T rồi gán

: 1 k k và quay về 2.


Để minh họa phương pháp, ta xét hệ truyền

động bánh răng có mô hình tuyến tính xấp xỉ

dạng (13) trong đó:

0 1 0 0 1

0 0 1 , 0 , 0

6 11 6 1 0

A b c

Ta sẽ áp dụng thuật toán điều khiển dự báo để

hệ thống này bám được tín hiệu đặt

1, kw k và thỏa mãn điều kiện ràng buộc

của tín hiệu điều khiển 30ku . Chọn chu

kỳ trích mẫu 0.2T , cửa sổ dự báo 5N và

các ma trận 10k I , 12

0.01k

k I

với I là ma trận đơn vị có kích thước phù

hợp. Việc chọn k giảm dần theo thời gian

như trên xuất phát từ lập luận như sau. Từ cấu

trúc hàm mục tiêu (8) ta thấy khi k càng

nhỏ thì tín hiệu điều khiển ku sẽ càng lớn. Do

đó, ở thời điểm ban đầu, sai lệch bám giữa tín

hiệu ra và tín hiệu đặt là lớn nhất nên k cần

đủ lớn để ku không vi phạm điều kiện ràng

buộc. Sau đó, khi sai lệch bám giảm dần thì

do ku cũng có xu hướng giảm nên để nâng

cao khả năng bám tín hiệu đặt, ta lại có thể

giảm dần k nhằm tăng ku mà vẫn đảm bảo

thỏa mãn điều kiện ràng buộc. Lập luận này

sẽ được kiểm chứng ở phần mô phỏng qua so

sánh với trường hợp ma trận này không thay

đổi, tức là khi 0.003.k

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Time, sec

Out

put

R=0.01(0.5)k

R=0.0003

Hình 3: Tín hiệu ra y

0 1 2 3 4 5 6 7 8-40

-20

0

20

40

60

80

100

Time, sec

Con

trol

R=0.01(0.5)k

R=0.0003

constraint

Hình 4: Tín hiệu điều khiển u

Hình 3 và hình 4 minh họa cho tín hiệu ra và

tín hiệu điều khiển của hệ thống. Trong

trường hợp k giảm dần (đường nét liền), ta

thấy tín hiệu ra bám được theo tín hiệu đặt mà

vẫn đảm bảo thỏa mãn điều kiện ràng buộc

của tín hiệu điều khiển 30ku . Trong khi đó

nếu giữ nguyên k (đường nét đứt) thì

phải được chọn đủ nhỏ nhằm tạo ra tín

hiệu điều khiển đủ lớn mới có thể đưa hệ

thống bám được tín hiệu đặt. Điều này dẫn

đến việc ở những thời điểm đầu tiên, điều

kiện ràng buộc của ku bị vi phạm.

Ngoài ra, ưu điểm của việc sử dụng hàm mục

tiêu có tham số biến đổi so với hàm mục tiêu

có tham số cố định còn được thể hiện qua kết

quả mô phỏng ở các hình 5 và hình 6. Để

không vi phạm điều kiện ràng buộc của ku thì

việc giữ nguyên 0.01k lại không thể

đem lại chất lượng bám tốt, kể cả khi tăng cửa

sổ dự báo. Cụ thể hơn, sai lệch bám của hệ

thống ứng với 50N (đường chấm gạch)

nhỏ hơn so với sai lệch bám ứng với 5N

(đường nét gạch). Tuy nhiên, N càng lớn thì

khối lượng tính toán cũng càng lớn. Trong khi

đó ta có thể đạt được sai lệch bám bằng

không với 12

0.01k

k I và 5N (đường

nét liền).

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Time, sec

Out

put

R=0.01(0.5)k, N=5

R=0.01, N=5

R=0.01, N=50

Hình 5: Tín hiệu ra y


147

0 1 2 3 4 5 6 7 8-10

0

10

20

30

Contr

ol

R=0.01(0.5)k, N=5

0 1 2 3 4 5 6 7 8-10

0

10

20

30

Contr

ol

R=0.01, N=5

0 1 2 3 4 5 6 7 8-10

0

10

20

30

Contr

ol

Time, sec

R=0.01, N=50

Hình 6: Tín hiệu điều khiển .u

KẾT LUẬN

Bài báo đã xây dựng được một phương pháp

thiết kế bộ điều khiển dự báo có ràng buộc

cho hệ thống phi tuyến với mô hình xấp xỉ

được về dạng tuyến tính liên tục (13). Thông

qua việc sử dụng hàm mục tiêu có tham số

biến đổi, bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng

thái trong bài báo có thể làm tín hiệu ra của

hệ thống bám được theo tín hiệu đặt đồng thời

thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của vector

trạng thái và tín hiệu điều khiển. Kết quả mô

phỏng trên Matlab cho thấy rõ ảnh hưởng của

việc thay đổi các tham số của hàm mục tiêu

này tới chất lượng bám của hệ truyền động

bánh răng có ràng buộc. Việc phân tích tính

ổn định bám của hệ thống điều khiển dự báo

này sẽ là vấn đề nghiên cứu tiếp theo của

chúng tôi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Camacho, E. and Bordons, C. (1999): Model

predictive control. Springer.

2. Couwder,R.(2006): Electric Drivers and

Electro-mechanical Systems. Elservier GB.

3. Deur,J. and Peric,N. (1999): Analysis of Speed

Control for Electrical Drivers with Elastic

Transmission. IEEE Internaltional Symposium on

Industrial Electronics. Bled, Slovenia, pp. 624-630.

4. Grüne, L. and Pannek, J. (2010): Nonlinear

model predictive control. Theory and Algorithms.

Springer.

5. Hà,L.T.T (2014): Mô hình hóa hệ truyền động

bánh răng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học

Thái Nguyên, tập 118, số 4, 2014, trang 67-78.

6. Hà,L.T.T và Phước,N.D (2012): Thiết kế bộ

điều khiển bám thích nghi bền vững cho hệ phi

tuyến bất định và ứng dụng vào điều khiển hệ

truyền động qua bánh răng. Tạp chí Khoa học &

Công nghệ Đà nẵng, Số 10(59), 2012, trang 1-6.

7. Hà,L.T.T và Phước,N.D (2013): Điều khiển

PID thích nghi hệ truyền động cơ khí qua bánh

răng. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học & Công nghệ

Quân sự, Số 25(06-2013), trang 25-32.

8. Hà.L.T.T và Phước,N.D. (2012): Điều khiển

bám thích nghi hệ phi tuyến bất định có để ý tới

tạp nhiễu và ứng dụng vào điều khiển hệ truyền

động qua bánh răng. Tuyển tập báo cáo Hội nghị

Cơ học toàn quốc lần thứ 9 tại Hà Nội, 2012, trang

158-170.

9. Hà,L.T.T (2013): Một số giải pháp nâng cao

chất lượng hệ truyền động có khe hở trên cơ sở

điều khiển thích nghi, bền vững. Luận án tiến sỹ

kỹ thuật. ĐHKTCN Thái Nguyên.

10. Lãi.L.K. và Hà,L.T.T (2009): Hai giải pháp

nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở.

Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái

nguyên, Số 4-2009, trang 34-37.

11. Nocedal,J. and Wright,S.J. (1996): Numerical

Optimization. Springer-New York.

12. Manish Vaishya and Rajendra Singh (2003):

Strategies for modelling friction in gear dynamics.

Journal of mechanical design, vol.125, pp.383-393.

13. Phuoc,N.D. and Ha,L.T.T. (2012): Robust and

Adaptive Tracking Controller Design for Gearing

Transmission Systems by Using its Third Order

Model. Journal of Science and Technology, Vol.

91. Technical Universities, 2012, pp. 12-17.

14. Phuoc,N.D. and Ha,L.T.T. (2013): Model

Reference Adaptive Controller Design for Gearing

Transmission System. Journal of Science and

Technology. Technical Universities, Vol. 95, pp. 1-5.

15. Tú Anh,Đ.T. và Phước,N.D. (2013): Giới thiệu

về điều khiển dự báo. Phần I: Hệ tuyến tính.

Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học Khoa Điện

tử, Trừơng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái

Nguyên, tr.129-138.

16. Tú Anh,Đ.T và Phước,N.D. (2014): Ổn định

hóa hệ song tuyến liên tục với bộ điều khiển dự

báo. Tạp chí Nghiên cứu và công nghệ khoa học,

Đại học Thái Nguyên, tập 20, số 6, trang 73-79.

17. Walha, L.; Fakhfakh, T. and Haddar, M.

(2009): Nonlinear dynamic of two stage gear

system with mesh stiffness fluctuation, bearing

flexibility and backlash. Mechanism and Machine

44, pp.1058-1069, 2009.


148

SUMMARY

TRACKING CONTROL OF GEARING TRANSMISSION SYSTEMS

VIA CONSTRAINED MODEL PREDICTIVE CONTROLLER

Le Thi Thu Ha1*, Do Thi Tu Anh2

1College of Technology - TNU, 2Hanoi University of Science and Technology

This paper introduces a method to design feedback predictive controller for stable tracking control

of gear transmission system with boundary conditions. The predictive controller of this paper uses

linear approximate model of gear transmission system and uses the objective function in quadratic

form with parameters shift, hence, control problem with constrains is always being non-constrain

problems. Since the optimized principle with tracking error used is smallest, thus, despite of using

linear approximate model, the performance of controller still recorded high tracking quality.

Keywords: Model Predictive Control; Gear transmission system; Optimization with constrain


Phản biện khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi – Đại học Thái Nguyên



149


150

ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO MỘT LỚP

ĐỐI TƯỢNG CÓ TRỄ

Lê Thị Huyền Linh1*, Lại Khắc Lãi2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, 2Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Lớp đối tượng phi tuyến có trễ thường gặp phổ biến trong công nghiệp, việc thiết kế điều khiển

cho lớp đối tượng này gặp nhiều khó khăn. Trong [9] các tác giả đã đưa ra giải pháp sử dụng mạng

nơron RBF để nhận dạng và bù thành phần phi tuyến. Nhờ đó đã chuyển lớp đối tượng phi tuyến

có trễ thành lớp đối tượng tuyến tính có trễ với ma trận A, B là xác định. Nhằm tiếp tục phát triển

các kết quả đã đạt được trong [9], bài báo này đề xuất giải pháp xây dựng bộ điều khiển tối ưu dựa

trên mô hình dự báo cho lớp đối tượng phi tuyến có trễ sau khi đã bù thành phần phi tuyến. Thông

qua việc lựa chọn phiếm hàm mục tiêu phù hợp cho phép ta tìm được tín hiệu điều khiển tối ưu là

một hàm tường minh. Đồng thời tìm ra chính xác tầm dự báo và tầm điều khiển của hệ thống.

Từ khoá: Mô hình điều khiển dự báo, có trễ, hàm mục tiêu, điều khiển tối ưu

MỞ ĐẦU*

Các đối tượng có trễ thường gặp trong nhiều

lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp hóa

chất, công nghiệp lọc dầu và hóa dầu, luyện

kim, thực phẩm,… Để điều khiển các đối

tượng có trễ, các phương pháp điều khiển

truyền thống tỏ ra kém hiệu quả [1]. Một số

phương pháp điều khiển dựa trên mô hình

dành cho các đối tượng có trễ đã được đề xuất

trong các công trình [1,2,3,4]. Tuy vậy vấn đề

điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho lớp

đối tượng có trễ vẫn chưa được giải quyết một

cách thỏa đáng, đặc biệt là đối với các trường

hợp hệ thống chịu tác động của các loại nhiễu

phụ thuộc trạng thái. Vấn đề nhận dạng các

nhiễu bất định đối với lớp các đối tượng có

trễ trong điều khiển đã được đề xuất trong

[5,6]. Bài báo này đề cập vấn đề điều khiển

tối ưu các đối tượng có trễ trên cơ sở mô hình

dự báo. Đối với các đối tượng có trễ chịu tác

động của các nhiễu bất định, vấn đề sẽ được

giải quyết trên cơ sở kết hợp luật điều khiển

tối ưu dựa trên mô hình dự báo với các thuật

toán nhận dạng nhiễu đề xuất trong [5,6].

Xét lớp đối tượng được mô tả bởi phương trình:

( ) ( ) ( )t t t X AX BV (1)

( ) ( )t t V U (2)


Trong đó: ;n m X U, V ; x x;n n n m A B ; - thời gian trễ.

Vấn đề đặt ra là phải tổng hợp hệ thống

điều khiển, đảm bảo tối thiểu hóa phiếm hàm:

0

( , ) min

ft

t

J H dt X U (3)

Phiếm hàm mục tiêu (3) còn được gọi là tiêu

chuẩn tối ưu. Việc lựa chọn tiêu chuẩn tối ưu

là một vấn đề khó khăn và phức tạp, bởi một

hệ thống tối ưu theo một tiêu chuẩn sẽ chỉ

đảm bảo chất lượng tốt nhất theo một chỉ tiêu

tương ứng có thể sẽ là không chấp nhận được

theo các chỉ tiêu khác. Ví dụ, một hệ thống tối

ưu tác động nhanh có thể là không chấp nhận

được theo quan điểm kinh tế (tiết kiệm) hoặc

không chấp nhận được theo các đặc tính của

quá trình quá độ. Hơn thế nữa, trong hàng loạt

trường hợp, việc thực hiện kỹ thuật các luật

điều khiển tối ưu theo tiêu chuẩn tối ưu được

chọn có thể làm cho hệ thống trở nên phức

tạp đến mức không thể chấp nhận được.

Sự đa dạng của các bài toán thực tế cùng với

các yêu cầu kỹ thuật khác nhau đối với các hệ

thống điều khiển khác nhau không cho phép

chúng ta xây dựng một tiêu chuẩn chất lượng

duy nhất – thống nhất chung, phù hợp với tất

cả các trường hợp. Vì vậy trong mỗi bài toán

đòi hỏi phải xác định một chỉ tiêu chất lượng

riêng biệt, một tiêu chuẩn tối ưu riêng đảm

bảo chất lượng theo mục tiêu đặt ra. Các tiêu

Cao Tiến Huỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 149 - 154

151

chuẩn tối ưu khác nhau sẽ dẫn tới các hệ

thống điều khiển khác nhau cho cùng một đối

tượng, cùng một quá trình, với mức độ hiệu

quả khác nhau. Rõ ràng là việc xây dựng các

tiêu chuẩn tối ưu, tức là các hàm mục tiêu cho

từng đối tượng điều khiển cụ thể có vai trò hết

sức quan trọng, đồng thời là bài toán phức tạp

đòi hỏi phải tìm được lời giải thỏa đáng,

nhằm làm cho hệ thống điều khiển mang lại

hiệu quả và lợi ích cao nhất.

Trong phần tiếp theo, bài báo đề xuất một

cách tiếp cận trong việc xây dựng tiêu chuẩn

tối ưu khi giải bài toán điều khiển tối ưu, đặc

biệt là khi giải bài toán tổng hợp hệ thống

điều khiển dự báo.

XÂY DỰNG TIÊU CHUÂN TỐI ƯU CHO

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU VÀ

ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

Để giải bài toán tối ưu hóa, trước hết phải xác

định được hàm mục tiêu, biểu diễn tiêu chuẩn

tối ưu. Xuất phát từ các yêu cầu đặt ra cho

quá trình cần điều khiển, chúng ta xác định

các mục tiêu cần đạt được theo góc độ bản

chất vật lý và xây dựng phiếm hàm mục tiêu

phản ánh các mục tiêu cần đạt đó. Trong đại

đa số các bài toán điều khiển, hàm mục tiêu là

thước đo chất lượng hoạt động của hệ thống

điều khiển, được chọn ở dạng bình phương

của vectơ sai lệch giữa vectơ trạng thái mong

muốn ( )d tX và vectơ trạng thái thực ( )p tX

của đối tượng điều khiển:

( ) ( ) ( )d pt t t X X X

0

( ) ( ) ( )

ft

T

t

t t t dtX Q X (4)

trong đó ( )tQ là ma trận đường chéo với các

thành phần ( )ijq t thay đổi theo thời gian và là

các giá trị dương; 0 ft t t - khoảng thời

gian điều khiển. Tuy nhiên, nếu chỉ chú ý đến

việc tối thiểu hóa phiếm hàm (4) mà không

tính đến các yếu tố khác thì để phiếm hàm (4)

đạt giá trị cực tiểu có thể phải đòi hỏi hàm

điều khiển ( )tU lớn vô cùng, dẫn đến không

thể thực hiện trong kỹ thuật được hàm điều

khiển đó, và đương nhiên là không có ý nghĩa

thực tiễn. Để khắc phục điều này người ta đưa

vào phiếm hàm mục tiêu thêm dạng bình

phương của vectơ điều khiển:

0

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

ft

T

t

J t t t t t t dt TX Q X U R U (5)

trong đó ( )tR là ma trận đường chéo có kích

thước tương ứng và có các thành phần thay

đổi theo thời gian ( ) 0ijr t , với i=j và

( ) 0ijr t với mọi i j .

Trong trường hợp khi thời điểm cuối tf là cố

định thì sai lệch giữa vectơ trạng thái thực của

đối tượng tại thời điểm tf có ý nghĩa quan

trọng. Vì vậy phiếm hàm mục tiêu trong

trường hợp này thường được chọn dưới dạng:

0

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

ft

T T T

f f

t

J t t t t t t t t dt X SX X Q X U R U

(6)

với S là ma trận đường chéo có các thành

phần 0ijs , với i=j và 0ijs với mọi i j .

Vấn đề tiếp theo có ý nghĩa đặc biệt quan

trọng trong việc xây dưng phiếm hàm mục

tiêu (5),(6) là xác định các ma trận trọng

lượng ( )tQ , ( )tR , S và thời điểm tf như thế

nào để phiếm hàm mục tiêu phản ánh được

đúng mục tiêu đặt ra đối với quá trình điều

khiển đối tượng cụ thể, đồng thời dễ dàng

thực hiện trong kỹ thuật mà không yêu cầu trả

giá nhiều cho thiết bị điều khiển và đảm bảo

được độ tin cậy cần thiết cho hệ thống nhờ có

mức độ đơn giản của thiết bị điều khiển.

Ma trận ( )tR phải được lựa chọn trong sự so

sánh với ma trận ( )tQ . Tác động điều khiển

( )tU nhằm làm giảm sai lệch ( )tX , đồng thời

đến lượt mình cũng có thể gây nên những

điều không mong muốn và bất lợi. Chọn ma

trận ( )tR trong sự so sánh với ma trận ( )tQ

để quy đổi đúng mức độ bất lợi của tác động

điều khiển ( )tU về độ bất lợi của sai lệch

( )tX . Để làm được điều này, chúng ta cần

phải khảo sát bản chất vật lý của quá trình

điều khiển với đối tượng cụ thể. Ví dụ trong

hệ thống điều khiển đối tượng bay hoặc điều

khiển tàu thủy, sai lệch ( )tX (góc hướng,

góc dạt cánh,…) làm tăng sức cản, tác động


152

điều khiển ( )tU là góc quay bánh lái đến lượt

mình cũng gây ra sức cản. Ma trận R được

lựa chọn trên cơ sở các kích thước hình học

của bánh lái so với kích thước hình học và

dạng khí (thủy) động học của đối tượng điều

khiển.

Về việc lựa chọn tf nếu thời gian điều khiển

kéo dài ta nên chọn ft . Điều này phản

ánh đúng bản chất của quá trình điều khiển,

đồng thời làm cho bài toán tổng hợp luật điều

khiển tối ưu trở nên đơn giản hơn, hệ thống

điều khiển dễ thể hiện kỹ thuật hơn. Để thấy

rõ điều này, chúng ta xét trường hợp cho đối

tượng tuyến tính:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )t t t t t X A X B U (7)

0 0( )t X X , với tiêu chuẩn tối ưu là tối thiểu

hóa phiếm hàm mục tiêu (6). Đây là bài toán

điều khiển tối ưu rất thường gặp và luật điều

khiển tối ưu đã được biết [7,8,12]. * 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )Tt t t t tU R B P X (8)

trong đó ( )tP là nghiệm của phương trình

Riccati:

1

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

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

T

T

t t t t t t

t t t t t

P P A A P Q

P B R B P

(9)

với điều kiện biên: ( )ft P S (10)

Từ luật điều khiển (8), phương trình vi phân

Riccati (9) và điều kiện biên (10) ta thấy rằng

hệ thống điều khiển tối ưu theo tiêu chuẩn tối

ưu (6) đối với cả đối tượng tuyến tính (7) khá

phức tạp, dẫn đến khó khăn trong việc thực

hiện kỹ thuật và làm cho thiết bị điều khiển

phức tạp và tốn kém. Điều đó vẫn tiếp tục xảy

ra ngay cả đối với trường hợp khi A , B , Q

và R là các ma trận không thay đổi theo thời

gian. Những phức tạp và rắc rối đó sẽ bị loại

trừ nếu ft [8,12].

Khi A , B , Q và R là các ma trận hằng số và

ft điều khiển tối ưu sẽ là [7,8,12]. * 1( ) ( )Tt tU R B PX , (11)

trong đó P là nghiệm của phương trình đại số

Riccati:

1( ) 0T Tt PA A P Q PBR B P (12) (6.1)

Luật điêu khiển tối ưu (11) dễ dàng thực hiện

kỹ thuật ở trong hệ kín và vì vậy thiết bị điều

khiển đơn giản không cần trả giá nhiều cho

thiết bị điều khiển tính toán,vẫn đảm bảo

được độ tin cây tốt. Như vậy việc lựa chọn tf

trong bài toán tối ưu và trong bài toán cần

phải được thực hiện trên cơ sở phân tích kỹ

lưỡng các vần đề có liên quan.

TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰA

TRÊN MÔ HÌNH DỰ BÁO

Từ phiếm hàm biểu thị chỉ tiêu chất lượng của

hệ thống (3), ta có:

0

0

0

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

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

T T

T T

T T T

J t t t t dt

t t t t dt

t t dt t t t t dt

X QX U RU

X QX V RV

X QX X QX V RV

(13)

Từ đây ta thấy rằng, thành phần thứ nhất

trong vế phải của (13) không phụ thuộc vào

tác động điều khiển. Vì vậy, bài toán tổng hợp

hệ điều khiển cho đối tượng (1), (2) theo chỉ

tiêu chất lượng (3) được quy về bài toán tổng

hợp hệ điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng 1J .

1 ( ) ( ) ( ) ( ) minT TJ t t t t dt

X QX V RV (14)

Cho đối tượng (1) với điều kiện biên 0( )tX

0

0 0( ) ( ) ( ) ( ) ( )

t

t

t t t t t d X X BU (15)

Với: 0; ( ) ( ); (0) I; ( ) 0, 0t t t t t t A (16)

Luật điều khiển tối ưu theo chỉ tiêu tối ưu

(14) cho đối tượng (1), (2) có dạng:

( ) ( ),t t t V KX (17)

Trong đó ma trận xm nK được xác định từ

phương trình Riccati [10]:

1

1

0,T T

T

PA A P Q PBR B P

K R B P (18)

Từ (2) và (17) ta thu được:

( ) ( )t t U KX (19)


153

Như vậy để tạo được tín hiệu điều khiển

( )tU ở thời điểm t đòi hỏi phải có vectơ

trạng thái ở thời điểm t , nghĩa là phải dự

báo được vec tơ trạng thái của hệ thống.

Tương tự như (15), từ (1) ta có :

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

t

t

t

t

t t t d

t t d

X X BV

X BU

(20)

Thế (20) vào (19) ta thu được luật điều khiển

tối ưu theo chỉ tiêu tối ưu (3) cho đối tượng

(1), (2):

0 0

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

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

t

op

t

t t

t t t d

t t d t d

U K X K BU

K X K BU BU

(21)

Thành phần thứ nhất trong dấu móc chính là

vec tơ trạng thái của hệ thống có trễ , do

điều khiển ( )tU tạo ra trong suốt khoảng thời

gian từ 0 đến t : [0, ]t ; thành phần thứ

2 trong dấu móc chính là trạng thái của hệ

thống không chứa trễ, do tác động điều khiển

( )tU tạo ra trong suốt thời gian từ 0 đến t:

[0, ]t . Hai thành phần này dễ dàng tạo ra của

các mô hình:

1 1( ) ( ) ( )M M M M Mt t t X Α X B U (22)

2 2( ) ( ) ( )M M M M Mt t t X Α X B U (23)

với ,M M A A B B

1 2(0) 0; (0) 0;M MX X

( ) 0 khi 0M t t U

Từ (12),(13)và (14) ta thu được:

2 1(t) ( ) ( ) ( ) K ( )op M Mt t t U K X KX X (24)

Trên Hình 1 là sơ đồ cấu trúc hệ thống sử

dụng luật điều khiển tối ưu (24), trong đó bộ

điều khiển BĐK thực thi luật điều khiển trên

cơ sở của vectơ trạng thái ( )tX của đối

tượng, vectơ trạng thái của mô hình M1 có trễ

1( )M tX và vec tơ trang thái của mô hình M2

không có chứa trễ 2( )M tX

Hình 1. Sơ đồ mô hình của hệ thống điều khiển

dựa trên mô hình dự báo cho lớp đối tượng có trễ

Rõ ràng là mô hình M2 thực hiện việc dự báo

véc tơ trạng thái của đối tượng, với thời gian dự

báo là , và trong điều kiện không có nhiễu tác

động và với ;M M A A B B , ta có:

2( ) ( )M t t X X (25)

Như vậy cửa sổ dự báo của hệ thống là

,t t . Cửa sổ này sẽ trượt theo trục thời

gian trong suốt quá trình hoạt động. Từ (24)

và (25) ta thấy rằng tác động điều khiển tối

ưu (24) được tạo ra trên cơ sở kết quả dự báo

(25), vec tơ trạng thái của đối tượng điều

khiển ( )tX và vec tơ trạng thái của mô hình

có trễ M1. Đây là luật điều khiển tối ưu theo

chỉ tiêu tối ưu (3) cho đối tượng có trễ (1):

( )( ) arg Min (0, )op

Ut J

U (26)

Với (0, )J là giá trị của phiếm hàm chỉ tiêu

tối ưu với thời gian từ 0 đến ∞. Theo nguyên

lý tối ưu của Bellman [11] (Bellman Principle

of optimality), luật điều khiển (24) đảm bảo

tối ưu theo chỉ tiêu (3) với khoảng thời gian

từ 0 đến ∞, sẽ đảm bảo tối ưu theo chỉ tiêu

này với khoảng thời gian từ t đến ∞:

( ) ( )

( )

( ) arg Min (0, ) arg Min ( , )

arg Min ( ) ( ) ( ) ( )

opU U

T T

Ut

t J J t

t t t t dt

U

X QX U RU

(27)

với điều kiện ban đầu ( )tX

Hàm điều khiển tối ưu (24),(27) thu được trên

đây là một hàm giải tích của vec tơ trạng thái

của hệ thống ( )tX , vec tơ trạng thái của mô

hình M1 có trễ 1( )M tX và của vec tơ trạng

thái của mô hình dự báo M2 không chứa trễ

R


154

2( )M tX tại thời điểm t. Nói cách khác, hàm

điều khiển tối ưu thu được (24),(27) biểu diễn

sự biến đổi của điều khiển U theo các vec tơ

trạng thái cho khoảng thời gian [ , )t và chỉ

tác động lên đối tượng với giá trị ( )tU tại

thời điểm t. Cửa sổ [ , )t trượt theo trục thời

gian t cùng với sự tiến triển của quá trình điều

khiển. Luật điều khiển dự báo (24),(27) đề

xuất trên đây cho đối tượng có trễ trong điều

khiển (1) có nhiều ưu điểm. Trước hết, luật

này cho phép thực hiện điều khiển dự báo một

cách dễ dàng, tránh được các phép tính toán

lặp để xác định tác động điều khiển tối ưu liên

quan đến giải bài toán điều khiển tối ưu mạch

hở (open loop optimal control problem), nhờ

vậy hệ thống sẽ đơn giản hơn trong thực hiện

kỹ thuật và đi liền với đó là tăng độ tin cậy và

giảm giá thành cho hệ thống điều khiển.Một

ưu điểm đặc biệt quan trọng nữa của luật điều

khiển dự báo đề xuất ((24),(27) trên đây là nó

đảm bảo tối ưu theo chỉ tiêu (3) đồng thời

đảm bảo được ổn định cho hệ thống.

Tuy nhiên luật điều khiển (24),(27) chỉ áp

dụng được cho các trường hợp, khi các ma

trận A và B có các thành phần không thay đổi

và đối tượng điều khiển (1) không chịu tác

động của nhiễu. Để có thể áp dụng được luật

điều khiển (24),(27) cho trường hợp tồn tại

các nhiễu phụ thuộc trạng thái, chúng ta có

thể sử dụng các phương pháp nhận dạng

nhiễu trên cơ sở mạng Nơron nhân tạo [9].

Như vậy, kết hợp phương pháp tổng hợp luật

điều khiển dựa trên mô hình dự báo đề xuất

với phương pháp nhận dạng các nhiễu tác

động lên đối tượng chúng ta sẽ giải quyết

được trọn vẹn bài toán điều khiển dựa trên mô

hình dự báo cho một lớp rất rộng các đối

tượng có trễ dưới tác động của nhiễu, đặc biệt

là nhiễu không đo được.

KẾT LUẬN

Bài báo đề xuất phương pháp tổng hơp hệ

điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho các

đối tượng có trễ trong kênh điều khiển. Luật

điều khiển thu được là một hàm giải tích của

vec tơ trạng thái của đối tượng điều khiển,

vec tơ trạng thái của mô hình chứa trễ, vừa

đảm bảo tính tối ưu vừa đảm bảo tính ổn định

cho hệ thống. Hệ thống với luật điều khiển đó

đơn giản và dễ dàng trong thực hiện kỹ thuật.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Qin S.J and Badgwell T.A. An overview of

industrial model predictive control technology. In

J.C Kantor, C.E. Garcia and B. Carnahan, “Fifth

International conference on Chemical Process

Control- CPC”, pp. 232 – 256. American Institute

of Chemical Engineers, 1996.

2. Morari M. , Lee J. H. Model Predictive control:

the good, the bad and the ugly. In Proc. Conf. On

Chemical Process Control, CPC –IV. pp.419 –

444. AIChE, New York, 1991

3. Eric Coulibaby, Sandip Maiti and Coleman

Brosilow – Internal Model Predictive Control

(IMPC). Automatica Vol 31, No. 10, pp. 1471 –

1482, 1995.

4. Camacho, Bordons. Model Predictive Control.

Springer Venlag, 2004.

5. Frank Allgower, Rolf Findeisen, Christian

Ebenbauer. Nonlinear Model Predictive Control.

Stuttgart, 2010.

6. Cao Tiến Huỳnh. Tổng hợp hệ điều khiển thích

nghi cho các đối tượng có trễ. Tuyển tập các báo

cáo khoa học hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về Tự

Động Hóa, Hà Nội 2005, trang 288 – 293.

7. Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều

khiển nâng cao, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.

8. Andrew P.Sage, Chelsea C. White (1977), III

Optimum Systems Control, Prentice – Hall, Inc.

9. Cao Tiến Huỳnh, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Huyền

Linh. Một phương pháp nhận dạng nhiễu trên cơ

sở mạng Nơ ron cho một lớp hệ thống điều khiển

dự báo có trễ. Tạp chí ĐHTN, Tập 120 - số 06/

2014, ISSN 1859 - 2171 trang 81 – 86.

10. Liuping Wang, Model Predictive Control

System Design and Implementation Using

MATLAB, Springer Venlag, 2008

11. Moshe Sniedovich, Dynamic Programming:

Foundations and Principles, Second Edition,

Taylor and Francis Group, 2011.

12. Michael Athans, Peter L. Falb (1966), Optimal

Control, McGraw – Hill Book Company.

Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 155 - 160

155

SUMMARY

CONTROLLER ON BASED MODEL PREDICTIVE CONTROL

FOR A CLASS SYSTEM WITH DELAY

Le Thi Huyen Linh1*, Lai Khac Lai2 1College of Technology – TNU, 2Thai Nguyen University

Nonlinear delay system is commonly found in the industry, designing controller for this system is

somewhat difficult. In [9] the authors pointed out some solutions by using neural RBF to identify

and nonlinear compensation. Thereby, transforming nonlinear delay system to linear delay system

with determined matrix A and B. In order to develop further result performed in [9], this paper

proposes a solution to design an optimal controller based on predictive control model for a

nonlinear delay system after compensating nonlinear components. Through the selection of

appropriate objective functions, it allows us to find out the optimal control signal, which is an

explicit function. It can also find out the exact forecast range and level control of the system.

Key word: Model Predictive Control, delay, object funtion, optimal control





156

GRID RETAINING CONTROL OF WIND POWER PLANTS SYSTEM USING

DOUBLY-FED INDUCTION GENERATORS BY PASSIVITY -BASED METHOD

Dang Danh Hoang*

College of Technology - TNU

SUMMARY The surveying and evaluation of the quality of control method for wind power systems using

Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) is a highly important signification.

A new designing methodology for the passivity-based nonlinear controller is applied to gain some

results which are described in this paper as can be seen, to control the Doubly-Fed Induction

Generators, to maintain grid retaining of system in syschronical fault case which lead to drop a

part of grid voltage

Key word: Passivity - based control , wind power, grid fault.

Notation Notation Unit Meaning

R(x) Attenuation matrix

J(x) Matrix links blocks in

system structure.

G(x) Matrix represents input,

output relation.

Lr H Rotor’s induction.

Tr, Ts s Timing constant of rotor and

stator

r, rad/s Rotor’s radian frequency,

mechanical angular speed of

rotor

sd, sq Wb Components d and q of

magnetic flux stator

rd, rq Wb Components d and q of

magnetic flux rotor

Summing dissipated co-

efficient.

Lm H Mutual inductance between

stator and rotor

Abbreviation DFIG Doubly-Fed Induction Generators

PĐSG Wind power generators.

EL Euler - Lagrange

PBC Passive based control

NL Energy

PREFACE*

Recently, in our country as well as in over the

world, controlling Doubly-Fed Induction

Generators in Wind power generators system

(PĐSG) is a considerative problem. Now,

there are some researchers who using a few

control methods, such as: accurate

* Tel: 0912 847588

linearazation[9], backstepping[1] and had

gotten positive results. We ourselves also

published searching projects in this field [2,

3]. This article introduces achievement of

passivity-based control method to control

Doubly-Fed Induction Generators in the case

of grid failure. In details:

Control to ensure wind power generators

using Double-Fed Three-phrases Induction

Generators in grid tracking when symmetrical

grid failure happened leading to drop apart of

grid voltage avoiding grid clumble if the

generators cut out of grid simultaneously.

There will be established systems containing

many wind power generators, therefore when

the errors happen, generators all cut out of

grid easily occurs grid clumble. Thus,

controling grid tracking is very important when

the errors occur. This study itself focused on

dealing the problem mentioned above.

PASSIVITY-BASED CONTROL METHOD

Fundamental theory

Passivity Based Control - PBC is controlling

algorithm which its principle based on

passitive characteristic of objects (open-system)

target to change closed-system being passive

with expective energy storage function.

Consider a system which has summing

function of energy storage H(x,x) (positive

difining), input turning vector u, output y and

ignore disturbance. So that, delivery speed of


157

energy for system will be yTu. That could be

passivity if:

T

T

0energy storage

energy input

( ) (0)dt H T Hy u (1)

where x = (x1,x2,..,xn)T and x is state vector

and state derivative vector of system.

Means that : u y defining a passive

relation using summing energy storage

function ( , )x xH .

If u = 0 then 0H , system’s energy is

invariable, so that it’s stable following

Lyapunov, H is considered as Lyapunov

function.

If the system is tight passive then it could be

asymptotical stability Lyapunov at origin

cause of H is negative determination.

Control System Structure

Arccoding to [2, 4, 6], the system contains 2

basic control sections, as figure 1.

Control from generators side using Doubly -

fed induction machines - DFIG.

Control from grid side

Figure 1. Structure diagram of generators system

using DFIG

NLPL: Grid side inverter,

NLMP: Generators side inverter,

MĐC: On/Off switch,

IE: Speed measurer.

Applied to design controller

Design Rotor’s current controller in

generator side

To apply this method, we divide gerenator’s

rotor into two sections: electrical dynamics

(energy function He, NL) and mechanical

dynamics (energy function Hm) - Hình 2.

Figure 2. Analysis DFIG to dynamic of electric

and mechanic

Figure 3. Structure principle diagram of

controlling MĐKĐBNK by using PBC

Then, by putting dynamic equations into EL

equation, so the equations turn to passivity

[11, 12].

From firgure 2, we construct pricipal diagram

of control structure following passivity based

method as showed in figure 3 and for

specifically in figure 4.

Figure 4. Structure of current vector controller

PBC including 2 functional blocks

Using the method taking controller into

electrical dynamic system and interaction of

He

Hm

ir

m

M

mW

-

-

urPBC

PBCIR

e

H

mH

(-)

(-)

(-)

mW (sức gió)

mG

PBC

ru r

i r

i

PBC

IR : Current controller

using PBC

Transformer

3~ 3

~

=

Controller

IE

MĐ

C u

N

us

DFIG

UDC

ir

is

n

iN

NLPL NLMP

= 3

~

MĐKĐBNK

(-)

(-)

eH

mH

(-) mW (wind power)

mG

PBC

ru

*

ri

Calculate ur*

based on

function NL expectation He

*

Calculate

attenuation

coefficients D()

us r s

(-)

*

ru

( )D ri

Controller PBC

IR

ri

ri


158

mechanical dynamic system, so that closed-

system is sastified EL equation, gotten:

( )( - )PBC D * *r r r ru u i i (2)

Where:2

2 0 04

mr

LD( ) d , R ,d (3)

As in [1, 4] system of equations descirbe rotor

current model of (DFIG) after separated in

coordinate axes dq as:

'

'

'

'

1 1 1 1 1( ) .

1 1 1. .

1 1 1 1 1( )

1 1 1.

rdrd r rq sd

r s s

rdsq sdr m

rq

rq r rd sqr s s

rq sqsdr m

dii i

dt T T T

u uL L

dii i

dt T T T

u uL L

(4)

To establish control problem, named ir is

control variable, with expective value is ir* -

taking from moment controller mG and cos.

Passivity based controller EL is established

following (2). Control signal is determined:

* *

* *

( ).( )

( ).( )

rdrd

rqrq

PBCrd rd

PBCrq rq

u u D i i

u u D i i

(5)

Where:

;rd rq

PBC PBCu u : Voltage from PBC controller

created (following d and q).

urd*; urq

*: expecting rotor voltage of generator

(following d and q), defined by (4).

Figure 5. Generator control system DFIG in Wind Power Generator (PĐSG) system

using Passivity – Based Controller

From DC

intermediate circuit

Controller DCMM

Grid


159

1450 n_ref

nmL

Turbine

Sine Wave

Signal 1

Signal Builder

Tr

Tm

Source

K5

Sy nch

Ti

Fehler

Udc

Unetz

Ustator

IStator

Enc

Inetz

Irotor

I_kurzschluss

I_haupt

Mo hinh MF

[n]

u_dc

u_netz

u_stator

i_stator

enc

i_netz

i_rotor

I_phu

I_chinh

theta_r

ird*

irq*

omega_n

indq_ist

undq_ist

theta_n

udc_ist

irdq_ist

isdq_ist

usdq_ist

theta_s

omega_s

omega_m

Chuan_hoa

k_5

Rec

Inv

Sy nchout

K5

Cac tin hieu dieu kien

omega_n

indq_ist

undq_ist

theta_n

udc_ist

IF

Tabc

DC Check

Bo dieu khien phia luoi

Sy nch

IF

udc_ist

theta_n

undq_ist

omega_n

irdq_ist

isdq_ist

usdq_ist

theta_s

omega_s

omega_m

Tabc

theta_r

ird*

irq*1

Bo dieu khien MF

By using the method mentioned above, we

have rotor current controller following 2

sections:

*

*

* * *

* *

1 1( )

1. ( ' ' )

1. ( ).( )

rdPBCrd r r rd

r s

r r rq r sd s sqs

r sd rd rdm

diu L L i

dt T T

L i L TT

L u D i iL

(6)

*

*

* * *

* *

1 1( )

1( ' ' )

1. ( ).( )

rq

rq rq

rd sq sd

sq

PBCr r

r s

r r r ss

r rq rqm

diu L L i

dt T T

L i L TT

L u D i iL

(7)

As the result of passive based current

controller, we see that it guaranteed the

chanel seperation using compensated cross-

linking by 2 components: r.ird* and r.irq*

as well as compensating others parameters

such as: grid voltage, stator flux, rotor speed

and involve integral composition to reduce

static errors. From (6), (7) and figure 4, we

determine by using general control structure

in generator side as figure 5 showed.

Design controller in grid side

Due to grid side requirement is stable control

the voltage uDC providing for middle DC

circuit. Therefore, this journal also gives a

simple design method called normally linear

Dead – Beat method [1, 3, 4].

Diagram and illustrative result using Matlab

– Simulink – Plecs

Illustrate the generator having parameter

below:

Pđm = 1,1 KW Uđmr = 345 V Rr = 3.7

Uđms =220/380(/) nđm =950 V/ph Ls = 0.013H

fđm = 50 Hz Rs =4.2 Ls = 0.0089H

zp = 3 Cosđm =0.657 Lm = 0,34H

J = 0.064Kgm2 Iđm = 3,5A Identification:

VM Vietnam

Figure 6. Illustrative diagram of wind power

generator system using DFIG

In case, voltage droping (symmetrics)

decreasing 10%, n = nđm =950 rpm; Applying

control step moment from m=-3Nm to 0Nm

and cos step down cos = 0.7 to 0.436 (sin

= 0.9) for grid tracking:

Figure 7. Grid voltage when drop out 10%

Figure 8. Moment when grid drops out 10%

Figure 9. Cos when grid drops out 10%


160

Figure 10. Rotor current when grid drops 10%

In case, voltage droping (symmetrics)

decreasing 50%, n = nđm =950rpm; Applying

control step moment from m=-5Nm to 0Nm

and cos step down cos = 0.7 to 0.436 (sin

= 0.9) for grid tracking:

Figure 11. Grid voltage when drop out 50%

Figure 12. Moment when grid drops out 50%

Figure 13. Cos when grid drops out 50%

Figure 14. Rotor current when grid drops 50%

CONCLUSION

- The paper has given a new control algorithm

adding to [3].

- Illustrative result showed that rotor current

controller had controlled sections: ird, irq

follow up set points ird*, irq

* when grid droped

out (symmetrics) leading to voltage drop out

from 10% to 50% of grid voltage and rotor

angle frequency when curent controller PBC

is fluctuative then working stability. When

the failure finished, system return to stable

(figure 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14). The illustrative

showed the stability of PBC controller when

error occurs. Addition, it identicates the

guaranteed control quality of system.

REFERENCES 1. Cao Xuân Tuyển: "Tổng hợp các thuật toán phi

tuyến trên cơ sở phương pháp backstepping để

điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ

thống máy phát điện sức gió", Luận án tiến sĩ kỹ

thuật, Đại học Bách khoa Hà nội, 2008.

2. Đặng Danh Hoằng: "Hoà đồng bộ máy phát

điện lên lưới bằng phương pháp điều khiển

passivity–based", Tạp chí KHCN đại học Thái

nguyên, 2010

3. Đặng Danh Hoằng, Nguyễn Phùng Quang,

"Thiết kế bộ điều khiển dựa trên thụ động

"Passivity - based" để điều khiển máy phát điện

không đồng bộ nguồn kép", Tạp chí KHCN các

trường đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010.

4. Ng.Ph.Quang, A. Dittrich (2008) Vector

Control of Three - Phase AC Machines - System

Development in the Practice. Springer Heidelberg

Berlin..

5. Ng.Ph.Quang: “Matlab Simulink dành cho kỹ

sư điều khiển tự động”. Nxb Khoa học và Kỹ thuật,

Hà nội, 2004.


161

6. Ng.Ph.Quang: “Điều khiển tự động truyền động

điện xoay chiều ba pha”. Nxb GD, Hà nội, 1996.

7. N.D.Phước, P.X.Minh, H.T.Trung: Lý thuyết

điều khiển phi tuyến. Nxb Khoa học và Kỹ thuật,

Hà nội, 2003.

8. Arnau D`oria-Cerezo, "Modeling, simulation

and control of a doubly-fed induction machine

controlled by a back-to-back converter" PhD

Thesis, 2006.

9. Lan, Ph.Ng: "Linear and nonlinear control

approach of doubly - fed induction generator in

wind power generation", P.h.D thesis, TU-

Dresden, 2006.

10. Levent U.gödere, Marwan A. Simaan, Charles

W. Brice: “Passivity – Based Control of Saturated

Induction Motors”, 1997, IEEE.

11. R.Ortega, A.Loria, P.J.Nicklasson, H.Sira-

Ramírez: “Passivity-based Control of Euler

Lagrange Systems: Mechanical, Electrical and

Electromechanical Applications”. Springer-

Verlay, London-Berlin-Heidelberg, 1998.

TÓM TẮT ĐIỀU KHIỂN BÁM LƯỚI HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

SỬ DỤNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỰA THEO THỤ ĐỘNG

Đặng Danh Hoằng* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

Việc khảo sát, đánh giá chất lượng phương pháp điều khiển cho hệ thống máy phát điện sức gió sử

dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép có một ý nghĩa hết sức quan trọng.

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tựa

theo thụ động (passivity – based) để điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, đảm bảo

bám lưới khi xảy ra lỗi lưới đối xứng ở xa gây sập một phần điện áp lưới.

Từ khoá: Điều khiển tựa theo thụ động, sức gió, lỗi lưới


Phản biện khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi – Đại học Thái Nguyên

* Tel: 0912 847588


162

ÔN ĐỊNH HÓA HỆ THỐNG HAI CÁNH QUẠT NHIỀU ĐẦU VÀO NHIỀU ĐẦU

RA DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG CỦA BELLMAN

Nguyễn Thị Mai Hương1, Mai Trung Thái1,

Lại Khắc Lãi2*, Đỗ Thị Tú Anh3 1Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên,

2Đại học Thái Nguyên, 3Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT Điều khiển dự báo theo mô hình trước đây hầu như ít quan tâm đến tính ổn định của hệ thống. Hệ

thống hai cánh quạt nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Twin Rotor MIMO system - TRMS) là một hệ

thống phi tuyến, có đặc tính động học khá phức tạp [11]. Các tác giả trong [10] đã xét tính ổn định

của hệ thống TRMS theo phương pháp ràng buộc điểm cuối. Bài báo này đưa ra kết quả áp dụng

điều khiển dự báo trực tiếp trên nền quy hoạch động cho hệ thống TRMS để xét tính ổn định của

hệ. Các kết quả mô phỏng khi cửa sổ dự báo tiến đến vô cùng cho thấy các tham số trạng thái của

đối tượng tiến về không (điểm cân bằng của hệ thống) chứng tỏ hệ thống ổn định toàn cục.

Từ khoá: Tham số trạng thái, hệ thống hai cánh quạt nhiều đầu vào nhiều đầu ra, sự ổn định, quy

hoạch động, điều khiển dự báo

GIỚI THIỆU CHUNG*

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. Từ

trước đến nay người ta chủ yếu sử dụng các

phương pháp tìm nghiệm có hướng trên cửa

sổ dự báo hữu hạn để tối ưu hóa trong điều

khiển dự báo như phương pháp gradient,

Newton – Raphson (Newton – Optimization,

Newton type), hay Gauss – Newton vì các

phương pháp này khá thuận lợi cho dạng các

bài toán tối ưu bị ràng buộc. Cũng đã có một

vài ứng dụng các phương pháp tối ưu hóa

khác không sử dụng hướng tìm như

Levenberg-Marquardt hay trust region, song

tất cả các phương pháp tối ưu hóa đa được sử

dụng đó đều chỉ có thể được cài đặt với cửa

sổ dự báo hữu hạn, do đó không đảm bảo

được tính toàn cục của nghiệm tối ưu tìm

được và dẫn đến việc khó đảm bảo được tính

ổn định trong hệ thống [2].

Phương pháp quy hoạch động là một công cụ

rất tốt cho việc giải bài toán tối ưu nhiều biến

và đảm bảo được tính toàn cục của nghiệm tối

ưu. Tuy nhiên hiện nay phương pháp này mới

được áp dụng để giải bài toán tối ưu cho hệ

* Tel:

tuyến tính có tham số là hằng số hoặc tham số

biến đổi theo thời gian. Bài báo này chúng tôi

áp dụng phương pháp quy hoạch động để giải

bài toán tối ưu cho hệ thống có tham số phụ

thuộc trạng thái TRMS.

MÔ HÌNH TRMS

Hình 1 là hệ thống TRMS

Rotor ®u«i

Hép b¶o vÖ

Rotor chÝnh

Hép b¶o vÖ

Chèt quay

§èi träng

Trô

TRMS 33-220

C¸nh tay ®ßn tù do

Hình 1. Hệ thống TRMS

Xét hệ thống TRMS có mô hình dự báo như sau:

ˆ ˆ ˆ( 1 ) ( ( )) ( ) ( ( )) ( )

ˆ ˆ( ) ( ( )) ( )

x k i k A x k i k x k i k B x k i k u k i k

y k i k C x k i k x k i k

(1)

0,1,..., 1pi N

Nguyễn Thị Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 161 - 165

163

Để xác định được tín hiệu điều khiển ku tại

cửa sổ dự báo hiện tại, sao cho sự ảnh hưởng

của sai lệch mô hình k tới chất lượng ổn

định 0kx là nhỏ nhất ứng với mô hình dự

báo (1), ta sẽ sử dụng hàm mục tiêu dạng toàn

phương [1]:

12 2

0

min

P

k k

N

k i k iQ Ri

J x u

(2)

trong đó:

2

k

Tkk i k i k iQ

x x Q x và

2 Tkk i k i k iR

u u R u

với , k kQ R là hai ma trận đối xứng xác định

dương tùy chọn. Để tăng tính mềm dẻo cho

bộ điều khiển sau này, ta có thể thay đổi

, k kQ R theo k , tức là thay đổi dọc theo trục

thời gian at kT .

Khi cửa sổ dự báo là vô hạn ( PN ) thì

việc tối ưu hóa được thực hiện như sau: hàm mục tiêu (2) sẽ viết lại được thành:

2 2

0

mink k

k i k iQ Ri

J x u

(3)

phương pháp quy hoạch động cho ra kết quả

sau [1]:

1T T

k k k k kk ku R B LB B LA x

(4)

trong đó L là nghiệm đối xứng của:

1T T T

k k k k k k k kL Q A L I B R B LB B L A

(5)

Các biến trạng thái, các đầu vào và các đầu ra

của TRMS như sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

ah h h h

T

av v v v

x k i k k S k k

i k k S k k

(6)

( ) ( ) ( )

T

h vu k U k U k

(7)

( ) ( ) ( )

T

h vy k k k (8)

Trong đó:

iah: dòng điện phần ứng của động cơ đuôi (A)

ωh: Vận tốc góc của cánh quạt đuôi (rad/s)

Sh: Vận tốc góc của cánh tay đòn TRMS

trong mặt phẳng ngang mà không bị ảnh

hưởng bởi cánh quạt chính (rad/s)

iav: Dòng điện phần ứng của động cơ đuôi (A)

ωv: Vận tốc góc của cánh quạt chính (rad/s)

Sv: Vận tốc góc của cánh tay đòn TRMS trong

mặt phẳng thẳng dọc mà không bị ảnh hưởng

của cánh quạt đuôi (rad/s)

v: Vị trí theo phương thẳng đứng (pitch

angle) của cánh tay đòn TRMS (rad)

Uh: Tín hiệu điện áp đầu vào của động cơ

đuôi (V)

Uv: Tín hiệu điện áp đầu vào của động cơ

chính (V)

Các phương trình không gian trạng thái liên

tục phi tuyến của TRMS được đưa ra trong

[10]:

6

1

2 7 3

2 2

2

1( )

( )

( ) cos ( ) ( )

cos sin

cos

cos

ah ah h

ah ah h h

ah ah ah

ah h tr h

ah hh

tr tr tr

t h v h h

h

v v

m v v

hh

av

v

v

v

R ki i f U

L L L

k B fi

J J J

l f f fS

D E F

kS

D

di

dt

S

2

8

4

5 9

2

sin

1( )

( )

( )( cos ) ( )

( ) cos sin 0.5 sin 2

v v

av av v

av v v

av av av

av v mr v

av v

mr mr mr

v m g h v v

v

v v h v

v

t

v h

v

E F

R ki f U

L L L

k B fi

J J J

f l k f

J

g A B C H

J

kS

J

(9)

trong đó , , , , , , , , , , , ,

, , , , , , , , , , ,

ah ah ah h tr tr t m av av

av v mr mr m g v t

R L k J B l D E F k R L

k J B l k g A B C H J k

là các hằng số dương, h và v được tính

như sau:


164

2 2

cos

cos sin

m v v

h h

v v

kS

D E F

(10)

t h

v v

v

kS

J

(11)

f1 đến f9 là các hàm phi tuyến.

Khi Lah<<Rah và Lav<<Rav mà không mất đi

tính chính xác, số bậc của hệ thống có thể

giảm xuống bậc 6 như sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )T

h h h v v vx k k S k k k S k k

(12)

2

1

6

2 7 3

2 2

2 2

2

( ) ( )( )

( ) cos ( ) ( )

cos sin

cos

cos sin

( )

ah h tr h ah h

h h hh

tr ah tr tr tr ah

t h v h h

h

v v

m v v

hh

v v

av v

v

mr mr

v

v

k B f kf U

J R J J J R

l f f fS

D E F

kS

D E F

kd

J Rdt

S

4

8

5 9

2

( )( )

( )( cos ) ( )

( ) cos sin 0.5 sin 2

mr v av v

v v v

mr mr mr av

v m g h v v

v

v v h v

v

t

v h

v

B f kf U

J J J R

f l k f

J

g A B C H

J

kS

J

(13) Mặc dù số bậc của mô hình giảm xuống nhưng không ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình, nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng tính toán do đó giảm tải cho bộ xử lý và tăng tốc độ của bài toán tối ưu. Phương trình không gian trạng thái phi tuyến của hệ thống TRMS có thể xấp xỉ và được biểu diễn như phương trình không gian trạng thái trạng thái phụ thuộc sau:

( ) ( ) dx

A x x B x udt

(14)

Trong đó:

2/

/ /

2

10 10 10 10

10

2/

/

2

( )0 0 0 0 0

cos cos0 0

( ) ( ) ( ) ( ( ))

cos0 1 0 0 0

( )( )

( )0 0 0 0 0

(0 0

thp nah h tr

tr ah tr tr

t fhp n h v vfh chp n vfh m v

v v v v

m v

v

tvp nav v mrv

mr av mr mr

vfv t fvp n v m g h

v

kk B

J R J J

l k k k k k

f f f f

k

fA x

kk B

J R J J

k k k l k

J

11

cos )( )

0 0 0 1 0

v vfv

v

v v

t

v

kf

J J

k

J

1

2

0

0 0

0 0( )

0

0 0

0 0

ah h

tr ah

av v

mr av

k k

J R

B xk k

J R

Ma trận ( )A x và ( )B x phụ thuộc vào các

tham số trạng thái.

1xk

Hình 2. Lưu đồ thuật toán phương pháp quy

hoạch động

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO

TRMS TRÊN NỀN QUY HOẠCH ĐỘNG

Xét phương trình không gian trạng thái phụ

thuộc của TRMS (14)

( ) ( ) dx

A x x B x udt

Sai

k := 0

Đo xk

Xác định Ak , Bk

Tính L

ku

k := k+1

TRMS

k ≥ N

Dừng

Đúng


165

Tại t = k.Ts

Trong đó Ts: là chu kì trích mẫu (đủ nhỏ)

( ) kx t x với ( 1) s sk T t kT

( ) ku t u với ( 1) sk T t kTs

Suy ra

( ) ( ) k kdx

A x x B x udt

với

s( 1) sk T t kT

Thay 1 k k

s

x xdx

dt T ta được:

1 ( ) ( )

[I+ ( )] ( )

ˆ ˆ( ) ( )

k k s k k s k k

s k k s k k

k k k k

k k k k

x x T A x x T B x u

T A x x T B x u

A x x B x u

A x B u

(15)

Lưu đồ thuật toán của phương pháp quy

hoạch động được biểu diễn trong Hình 2.


Đáp ứng thời gian của các biến trạng thái của

TRMS được đưa ra trong các hình vẽ từ Hình

3 đến Hình 8

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5

-4

-3

-2

-1

0

1

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

1)

Hình 3. Đáp ứng thời gian

của biến trạng thái thứ nhất

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

2)


của biến trạng thái thứ hai

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

3)


của biến trạng thái thứ ba

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5

-4

-3

-2

-1

0

1

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

4)

Hinh 6. Đáp ứng thời gian của biến trạng thái thứ tư

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

5)

Hinh 7. Đáp ứng thời gian

của biến trạng thái thứ năm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-15

-10

-5

0

5

10

Thoi gian (s)

Tra

ng t

hai (x

6)


của biến trạng thái thứ sáu

Với thời gian mô phỏng là 200s, các kết quả

mô phỏng cho thấy: biến trạng thái thứ nhất

(ωh) và biến trạng thái thứ tư (ωv) tiến về

không ngay ở những giây đầu tiên của quá

trình mô phỏng, biến trạng thái thứ hai và thứ

ba (Sh, αh) tiến về không ở thời điểm khoảng

giây thứ 30 và 2 biến trạng thái thứ năm và


166

thứ sáu (Sv, αv) cũng tiến về 0 ở thời gian mô

phỏng khoảng giây thứ 100. Vậy khi cửa sổ dự

báo (Np) tiến ra vô cùng, cả 6 tham số trạng thái

của hệ thống TRMS đều tiến dần về 0, điều đó

chứng tỏ hệ thống ổn định toàn cục.

KẾT LUẬN

Bằng phương pháp quy hoạch động của

Bellman, chúng tôi đã xây dựng bộ điều khiển

dự báo cho hệ thống TRMS để xét tính ổn

định của hệ thống khi cửa sổ dự báo là vô

hạn. Kết quả mô phỏng trên Matlab chứng tỏ

hệ thống ổn định toàn cục, kết quả này cũng

chứng minh tính đúng đắn của phương pháp

luận đã được xây dựng trong tài liệu [1]. Các

nghiên cứu tiếp theo có thể xét đến tính bền

vững của hệ thống TRMS.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đỗ Thị Tú Anh, Nguyễn Doãn Phước, Ổn định

hóa hệ song tuyến liên tục với bộ điều khiển dự

báo, tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái

Nguyên, 2014, số 06, Tập 120, trang 73 – 79.

2. Grüne, L. and Pannek, J. (2010): Nonlinear model

predictive control. Theory and Algorithms. Springer.

3 Twin Rotor MIMO System 33-220 User

Manual, 1998 (Feedback Instruments Limited,

Crowborough, UK).

4 A. Rahideh, M.H. Shaheed, Mathematical

dynamic modelling of a twin rotor multiple input–

multiple output system, Proceedings of the

IMechE, Part I. Journal of Systems and Control

Engineering 221 (2007) 89–101.

5. Ahmad, S. M., Shaheed, M. H., Chipperfield,

A. J., and Tokhi, M. O. Nonlinear modelling of a

twin rotor MIMO system using radial basis

function networks. IEEE National Aerospace and

Electronics Conference, 2000, pp. 313–320.

6. Ahmad, S. M., Chipperfield, A. J., and Tokhi, M.

O. Dynamic modelling and optimal control of a twin

rotor MIMO system. IEEE National Aerospace and

Electronics Conference, 2000, pp. 391–398.

7. Shaheed, M. H. Performance analysis of 4 types

of conjugate gradient algorithm in the nonlinear

dynamic modelling of a TRMS using feedforward

neural networks. IEEE International Conference on

Systems, man and cybernetics, 2004, pp. 5985–5990.

8. Islam, B. U., Ahmed, N., Bhatti, D. L., and

Khan, S. Controller design using fuzzy logic for a

twin rotor MIMO system. IEEE International

Multi Topic on Conference, 2003, pp. 264–268.

9. A. Rahideh, M.H. Shaheed, state model

pridictive control for a nonlinear system, Journal

of the Franklin Institute 348 (2011) 1983-2004.

10. A. Rahideh, M.H. Shaheed, constrained output

feedback model predictive control for nonlinear

systems, Control Engineering Practive 20 (2012)

431-443.

11. Nguyễn Thị Mai Hương, Mai Trung Thái,

Nguyễn Hữu Chinh, Lại Khắc Lãi. Nghiên cứu

ảnh hưởng của các tham số trạng thái trong hệ

thống hai cánh quạt nhiều đầu vào nhiều đầu ra.

Tạp chí Khoa học Công nghệ – Đại học Thái

Nguyên, 2014, số 06, tập 120, trang 87 – 92

SUMMARY

STABILIZATION FOR TWIN ROTOR MIMO SYSTEM BASED

ON BELLMAN’S DYNAMIC PROGRAMMING METHOD

Nguyen Thi Mai Huong1, Mai Trung Thai1,

Lai Khac Lai2*, Do Thi Tu Anh3 1College of Technology - TNU, 2Thai Nguyen University,

3Hanoi University of Science and Technology

Before Model Predictive Control was rarely interested in the stability of the systems. The Twin

Rotor MIMO system (TRMS) is a nonlinear object, having a complex dynamic [11]. The authors

of [10] have considered the stability of the TRMS with the method of terminal equality constraints.

This paper indicates the survey results apply Model Predictive Control for the TRMS based on

Bellman’s dynamic programming method in order to consider the stability of this system. All of

the state parameters reach to zero (the equation point of the system) prove the stable global of the

system when the predictive window (NP) goes to infinity with simulation results.

Keywords: State parametters, Twin rotor MIMO system (TRMS), stable, dynamic programming,

model predictive control



* Tel:


167


168

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG Cd VÀ Pb TRONG CHÈ XANH THÁI NGUYÊN

Nguyễn Đăng Đức*, Nguyễn Như Lâm Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Hiện nay việc xác định hàm lượng các ion kim loại nặng trong chè xanh ở Thái Nguyên còn ít

được nghiên cứu. Nhu cầu kiểm tra mức độ ô nhiễm chè xanh bởi các kim loại nặng là rất cần

thiết. Vì vậy việc nghiên cứu xác định hàm lượng Cd và Pb trong chè xanh đã được tiến hành nhờ

phân tích phổ hấp thụ nguyên tử. Từ kết quả thực nghiệm chúng tôi thấy mức độ ô nhiễm của Cd

và Pb đều dưới giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Từ khoá: Cd, Pb, xác định, kim loại nặng, ô nhiễm, tiêu chuẩn Việt Nam

ĐẶT VẤN ĐỀ*

Thái Nguyên là khu vực sản xuất chè và có

nhiều khu công nghiệp, khai thác khoáng sản,

do đó nguồn đất, nước sản xuất nông nghiệp

gần khu công nghiệp, khai thác khoáng sản

thường bị ô nhiễm kim loại nặng. [1] Hiện

nay việc xác định hàm lượng các ion kim loại

nặng trong chè xanh ở Thái Nguyên còn ít

được nghiên cứu. Nhu cầu kiểm tra mức độ ô

nhiễm chè xanh bởi các kim loại nặng là rất

cần thiết.

Vì vậy, để sản xuất chè an toàn cần khảo sát

đánh giá hiện trạng một số chỉ tiêu về kim

loại nặng trong chè trên khu vực này, chúng

tôi đã nghiên cứu ‘‘Phương pháp phổ hấp

thụ nguyên tử xác định hàm lượng Cadimi

và Chì trong chè xanh ở Thái Nguyên’’.

Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu các kết

quả xác định Cd, Pb trong chè xanh thuộc 23

xã của 7 khu vực ở tỉnh Thái Nguyên.

THỰC NGHIỆM

Hóa chất

- Dung dịch chuẩn Cd2+, Pb2+, K+, Na+, Ca2+,

Mg2+, Ba2+, Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+,

Mn2+, Cu2+, Zn2+…dùng cho AAS (1000ppm,

Merck )

- Axit đặc HCl 36%, HNO3 65%, H2O2 30%

(Merck).

- Nước cất hai lần, các dung dịch nền và các

muối: NH4Ac, NaAc, LaCl3, Mg(NO3)2,

Pb(NO3)2, NH4H2PO4 tinh khiết loại PA.


Thiết bị

- Máy xay, tủ xấy, máy quang phổ hấp thụ

nguyên tử SHIMADZU – 6300 Nhật Bản.

- Cốc thủy tinh loại 50, 100, 150, 500 ml,

bình định mức 10, 25, 50, 100, 250, 500,

1000 ml, pipet 1, 2, 5, 10 ml, Pipetman 100-

5000 l, bình kendal, lọ đựng mẫu 25ml.

- Cân phân tích chính xác 10- 4 g (0, 1 mg).

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

1. Từ nghiên cứu các thông số máy, điều kiện

nguyên tử hoá mẫu, các điều kiện đo, các yếu

tố ảnh hưởng (cation, anion), các điều kiện thí

nghiệm phù hợp để xác định Cd và Pb trong

các mẫu chè xanh, ta thu được bảng 1.

2. Để có cơ sở xác định hàm lượng Cd và Pb,

chúng tôi khảo sát sơ bộ thành phần với 3

mẫu chè xanh đại diện 8 nguyên tố bằng

phương pháp ICP-MS , ta thấy hàm lượng

thấp nhất của Hg là 0,217 ppb (Hồng Thái -

Tân Cương) và cao nhất của Mn là 8282.198

ppb (Hồng Thái - Tân Cương), còn Cd dao

động từ 2,410 ppb (Nam Thái – Tân Cương)

đến 4,56 ppb (Hồng Thái - Tân Cương; của

Pb dao động từ 28,55 ppb đến 41,053 ppb

(Hồng Thái – Tân Cương) [2].

3. Qua kết quả khảo sát ảnh hưởng của tổng

cation va anion đế phép đo phổ hấp thụ của

Cd và Pb chúng tôi nhận thấy rằng theo các

điều kiện đã chọn, có thể tiến hành đo phổ GF

- AAS để xác định Cd và Pb trong sự có mặt

của các ion lạ như: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+,

Nguyễn Đăng Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 167 - 173

169

Al3+, Sn2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, Mn2+, Cu2+,

Zn2+, NO3- , Cl- với nồng độ khá lớn mà

không ảnh hưởng đến phép đo GF - AAS của

Cd và Pb.

4. Khảo sát khoảng tuyến tính của Cd và Pb.

xét nồng độ của Cd từ 1 ppb - 12 ppb và của

Pb từ 10 ppb đến 80 ppb, thu được ở bảng (2,

3) và hình 1,2.

Bảng 1. Tổng kết các điều kiện đo phổ GF-AAS của Cd và Pb

Nguyên tố

Các yếu tố Cd Pb

Thông số máy

Vạch phổ hấp thụ (nm) 228,8 217,0

Khe đo (nm) 0,5 0,5

Cường độ dòng đèn (mA) 8(65%Imax) 10 (75% Imax)

Khí môi trường Argon Argon

Chiều cao của burner Auto Auto

Thành phần Nồng độ HNO3 (%) 2 2

Nền mẫu (Modiffy) Mg(NO3)2 0,01% Mg(NO3)2 0,01%

Lượng mẫu nạp (l) 20 20

Giới hạn phát hiện (ppb) 0,0921 0,1324

Giới hạn định lượng (ppb) 0,3071 0,4415

Vùng tuyến tính (ppb) 0,3071-10 0,4415-60

Chương trình nguyên tử hóa T(0C) T(s) T(0C) T(s)

1. Sấy mẫu 120

250

20

10

120

250

20

10

2. Tro hóa có RAMP 400 22

10

500 22

10

3. Nguyên tử hóa đo phổ 1900 3 1700 3

4. Làm sạch cuvet 2400 2 2400 2

Bảng 2. Khảo sát khoảng tuyến tính của Cd

Nồng độ

(ppb)

Abs – Cd

Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB %RSD

1 0,1557 0,1560 0,1555 0,1557 0,2390

2 0,2295 0,2301 0,2326 0,2307 1,0089

3 0,3072 0,3056 0,3051 0,3060 0,5068

4 0,3840 0,3815 0,3825 0,3827 0,4650

5 0,4579 0,4563 0,4582 0,4574 0,3166

6 0,5306 0,5315 0,5340 0,5320 0,4683

7 0,6072 0,6071 0,6051 0,6065 0,2765

8 0,6826 0,6820 0,6795 0,6813 0,3408

9 0,7582 0,7570 0,7565 0,7572 0,1636

10 0,8364 0,8325 0,8308 0,8332 0,4872

11 0,8440 0,8430 0,8435 0,8435 0,0838

12 0,8420 0,8395 0,8460 0,8425 0,5504

Bảng 3. Kết quả khảo sát tuyến tính của Pb

Nồng độ (ppb)

Kết quả

10 20 30 40 50 60 70 80

Abs - Lần 1 0,1521 0,2787 0,4116 0,5382 0,6691 0,7980 0,7995 0,8095

Abs - Lần 2 0,1503 0,2799 0,4095 0,5391 0,6687 0,7983 0,8023 0,8110

Abs - Lần 3 0,1516 0,2820 0,4108 0,5402 0,6645 0,7968 0,8012 0,8101

Abs - TB 0,1513 0,2802 0,4106 0,5339 0,6674 0,7977 0,8010 0,8102

%RSD 0,8680 0,8430 0,3651 0,2632 0,5402 0,1407 0,2490 0,1317


170

Đồ thị khoảng tuyến tính Cd

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 2 4 6 8 10 12 14

Nồng độ (ppb)

Độ

hấ

p t

hụ

- A

bs

Hình 1. Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của Cd

Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính Pb

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Nồng độ (ppb)

Độ

hấ

p t

hụ

- A

bs

Hình 2. Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của Pb

Như vậy, khoảng tuyến tính của Cd từ 1ppb -

10ppb và của Pb từ 10ppb đến 60ppb.

5. Xây dựng đường chuẩn của Cd và Pb,

chúng tôi thu được hình 3 và hình 4.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Abs

Conc (ppb)

Abs=0.075237Conc+0.080133

r=1.0000

Hình 3. Đồ thị đường chuẩn của Cd

0 10 20 30 40 50 60

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Abs

Conc (ppb)

Abs=0.012961Conc+0.020660

r=0.9999

Hình 4. Đồ thị đường chuẩn của Pb

6. Để đánh giá sai số, giới hạn phát hiện, giới

hạn định lượng và lặp lại của phép đo, chúng

tôi tiến hành pha 3 mẫu có nồng độ điểm đầu,

điểm giũa và điểm cuối của đường chuẩn trong

các điều kiện và thành phần giống như mẫu

chuẩn thực hiện đo mỗi mẫu 7 lần, chúng tôi thu

được kết quả dẫn ra ở bảng 4 và bảng 5.

Bảng 5. Kết quả sai số và độ lăp lại của phép đo Cd

CCd(ppb) 1 4 8

At(Abs) 0,1553 0,3811 0,6820

Lần đo Ai %Xi Ai %Xi Ai %Xi

Lần 1 0,1568 0.966 0,3890 2,073 0,6925 1,540

Lần 2 0,1588 2,254 0,3726 2,230 0,6834 0,205

Lần 3 0,1624 4,572 0,3835 0,621 0,7002 2,668

Lần 4 0,1525 1,803 0,3926 3,018 0,7084 3,871

Lần 5 0,1541 0,772 0,4005 5,091 0,7122 4,428

Lần 6 0,1658 6,761 0,4102 7,636 0,7218 5,836

Lần 7 0,1550 0,193 0,3795 0,420 0,7084 3,871

Atb(Abs) 0,1579 2,475 0,3897 3,013 0,7038 3,203

SD 0,00477 0,0129 0,0129

%RSD 3,023 3,280 1,828


171

Bảng 6. Kết quả sai số và độ lăp lại của phép đo Pb

CPb(ppb) 5 20 60

At(Abs) 0,0854 0,2800 0,7983

Lần đo Ai %Xi Ai %Xi Ai %Xi

Lần1 0,0925 7,675 0,2787 0,466 0,7975 0,100

Lần 2 0,0880 2,955 0,2815 0,533 0,7989 0,075

Lần 3 0,0850 0,471 0,2799 0,036 0,7991 0,100

Lần 4 0,0892 4,260 0,2767 1,193 0,7980 0,038

Lần 5 0,0837 2,031 0,2778 0,792 0,7975 0,100

Lần 6 0,0941 9,245 0,2767 0,193 0,7967 0,201

Lần 7 0,0904 5,530 0,2795 0,179 0,7972 0,138

Atb(Abs) 0,0890 4,595 0,2787 0,485 0,7977 0,107

SD 0,00377 0,004328 0,001928

%RSD 4,238 1,553 0,2417

Kết quả khảo sát cho thấy sai số và hệ số biến động của phép đo Cd và Pb đều nhỏ và nằm trong

giới hạn cho phép (25%), cụ thể sai số lớn nhất của Cd là 3,28%, của Pb lớn nhất là 4,238%.

7. Xác định Cd và Pb trong chè xanh.

Địa điểm, thời gian lấy mẫu và ký hiệu mẫu

Các mẫu chè xanh được lấy tại 23 khu vực thuộc 7 huyện trong tỉnh Thái Nguyên.

Bảng 6: Địa điểm và thời gian lấy mẫu chè

TT Địa điểm lấy mẫu Ký hiệu Thời gian

lấy mẫu

1 Nhà ông: Phạm Văn Xuất, xóm Hồng Thái 2 – xã Tân Cương HT – TC 22/11/2010

2 Nhà ông: Nguyễn Văn Tình, xóm Nam Thái – Tân Cương NTh – TC 22/11/2010

3 Nhà bà: Hoàng Thị Nguyên, xóm Nam Tân – Tân Cương NT – TC 22/11/2010

4 Nhà ông: Lương Văn Hoà, xã Phúc Trìu – TP Thái Nguyên PT – TN 22/11/2010

5 Nhà bà: Phạm Thị Nguyên, xóm Tân Sơn, xã Vịnh Sơn – Sông Công VS – SC 5/12/2010

6 Nhà bà: Hà Thị Xuân, xóm Trung Tâm, xã Bình Sơn – T.X.Sông Công BS – SC 5/12/2010

7 Nhà ông: Đinh Trung Nghĩa, xóm Thuận Đức, xã Minh Đức – Phổ Yên MĐ - PY 5/12/2010

8 Nhà ông: Hứa Văn Dụ, xóm An Bình, xã Thành Công – Phổ Yên TC – PY 5/12/2010

9 Nhà ông: Đoàn Trung, xóm Yên Mễ, xã Hồng Tiến – Phổ Yên HT – PY 5/12/2010

10 Nhà bà: Đặng Thị Thu, xóm Chòi, xã Mỹ Yên – Đại Từ MY - ĐT 15/12/2010

11 Nhà ông: Lê Hiền, xóm Cả, xã Ký Phú – Đại Từ KP – ĐT 15/12/2010

12 Nhà bà: Đinh Thị Nhàn, xóm Hiên Bình, xã La Hiên – Võ Nhai LH - VN 15/12/2010

13 Nhà ông: Nguyễn Chí Dũng, xóm Cao Biền, xã Phú Thượng – Võ Nhai PT - VN 15/12/2010

14 Nhà ông: Vũ Thuận, xóm Bà Đanh I, xã Minh Lập – Đồng Hỷ ML – ĐH 20/11/2010

15 Nhà bà: Trương Minh Hiền, xóm Tam Thái, xã Hoá Thượng – Đồng Hỷ HT – ĐH 20/11/2010

16 Nhà ông: Nguyễn Văn Tiến, xóm Đồng Tâm, xã Đồng Bẩm –Đồng Hỷ ĐB – ĐH 20/11/2010

17 Nhà bà: Hồ Vân, xóm Văn Lương 1, xã Trung Lương – Định Hoá TL – ĐH 18/12/2010

18 Nhà bà: Triệu Thị Chiên, xóm Sơn Thắng, xã Sơn Phú – Định Hoá SP – ĐH 18/12/2010

19 Nhà ông: Đỗ Huy Bình, xã Xuân Trường, xã Ôn Lương – Phú Lương OL – PL 18/12/2010

20 Nhà ông: Lê Xuân Hải, xóm Đồng Sang, xã Cổ Lũng – Phú Lương CL – PL 18/12/2010

21 Nhà ông: Hầu Văn Tài xóm Tiến Thành, xã Yên Lạc – Phú Lương YL - PL 23/12/2010

22 Nhà ông: Nguyễn Văn Điểm xóm Nam Mạc, xã Yên Lạc – Phú Lương YL – PL 23/12/2010

23 Nhà bà: Nguyễn Thị Lan, xóm Khe Thượng, xã Yên Đổ - Phú Lương YĐ - PL 23/12/2010


172

Chuẩn bị mẫu phân tích [3]

Chè xanh được lấy ở 23 khu vực khác nhau

của tỉnh Thái Nguyên. Lá chè xanh tươi rửa

sạch, được phơi dưới ánh sáng mặt trời và sau

đó sấy khô ở 400C, xay nhỏ thu được bột lá

chè xanh khô.

Cân chính xác 2,000 gam mẫu chè khô đã xay

nhỏ cho vào bình Kendan đậy bình bằng phễu

lọc có đuôi dài, thêm 15ml HNO3 đặc đun sôi

nhẹ để phân huỷ mẫu trong vòng hai giờ.

Thêm tiếp 10 ml HNO3 đặc và 5ml H2O2 30%

và đun sôi hai giờ nữa. Sau đó thêm H2O2

30% để đuổi HNO3 dư, thêm từ từ 15 ml nước

cất hai lần và đun sôi cho đến khi dung dịch

trong suốt, chuyển toàn bộ dung dịch vào cốc

50ml, thêm 15 ml nước cất hai lần đun nóng

bay hơi đến còn muối ẩm. Chuyển vào bình

định mức 25ml và định mức bằng HNO3 2%.

Sau đó đem đo phổ hấp thụ nguyên tử của Cd

ở bước sóng 228,8 nm và Pb ở bước sóng

217,0 nm.

Kết quả phân tích các mẫu chè xanh theo GF-

AAS[4]

Sau khi xử lý mẫu chè xanh của 23 xã thuộc 7

khu vực, các vị trí lấy mẫu. Chúng tôi tiến

hành xác định hàm lượng của Cd và Pb theo

phương pháp đường chuẩn đã được nêu ở trên

bảng 7.

Từ kết quả trên so với QĐ46/2007/BYT hàm

lượng Cd và Pb trong chè xanh ở các mẫu

nghiên cứu đều không ảnh hưởng đến sức khỏe

con người khi dùng chè xanh Thái Nguyên.

8. Để so sánh kết quả phân tích các nguyên tố

khi tiến hành bằng phương pháp đường

chuẩn, chúng tôi chọn 2 mẫu chè ở 2 địa điểm

khác nhau để xác định Cd và Pb theo phương

pháp thêm chuẩn. Ở mỗi mẫu thêm chuẩn

chúng tôi thêm vào những lượng Cd và Pb ở

điểm nhất định sao cho tổng nồng độ trong

mẫu thêm chuẩn đem đo vẫn nằm trong

đường chuẩn. Chúng tôi thêm 1 ppb và 4 ppb

với nguyên tố Cd; 2 ppb và 5 ppb với nguyên

tố Pb. Kết quả đưa ra ở bảng 8 và bảng 9.

Bảng 7. Hàm lượng kim loại Cd, Pb tính theo mg/kg

TT Mẫu

chè xanh

Độ hấp thu Nồng độ (ppb) Hàm lượng (mg/kg)

Cd Pb Cd Pb Cd Pb

1 HT-TC 0,2368 0,1391 0,290 0,354 0,8003 2,0978

2 NTh-TC 0,2310 0,1167 0,525 0,499 0,7671 1,7523

3 NT - TC 0,2105 0,0997 0,701 0,599 0,7652 1,2050

4 PT-TN 0,1442 0,1104 0,245 0,299 0,4830 1,6006

5 VS-SC 0,1245 0,1065 0,182 0,254 0,4155 1,5947

6 BS-SC 0,1531 0,1216 0,253 0,288 0,5020 1,7668

7 MĐ-PY 0,1359 0,0886 0,532 0,250 0,4842 0,9857

8 TC-PY 0,1428 0,1307 0,212 0,309 0,4857 2,0021

9 HT-PY 0,1298 0,1482 0,175 0,211 0,4377 2,3145

10 MY-ĐT 0,1762 0,1269 0,105 0,064 0,6012 1,8142

11 KP-ĐT 0,1773 0,0739 0,144 0,180 0,6219 0,8683

12 LH-VN 0,2450 0,0956 0,102 0,200 0,8120 1,0052

13 PT-VN 0,2331 0,1168 0,265 0,344 0,7956 1,6380

14 ML-ĐH 0,1536 0,1460 0,472 0,652 0,4978 2,2251

15 HT-ĐH 0,2408 0,1328 0,135 0,166 0,9021 2,0046

16 ĐB-ĐH 0,1543 0,0792 0,635 0,140 0,5209 0,8795

17 TL-ĐH 0,2333 0,0985 0,283 0,159 0,7883 1,1036

18 SP-ĐH 0,1069 0,1290 0,462 0,382 0,3552 1,8423

19 OL-PL 0,1967 0,1373 0,115 0,254 0,7053 2,0878

20 CL-PL 0,2038 0,1232 0,116 0,220 0,7107 1,8283

21 YL - PL 0,235 0,120 0,176 0,306 0,110 1,220

22 YL – PL 0,215 0,215 0,245 0,452 0,175 2,065

23 YĐ - PL 0,185 0,130 0,125 0,265 0,246 2,452


173

Bảng 8: Kết quả phân tích mẫu thêm chuẩn của Cd

TT Mẫu chè

Nồng độ theo

PP đường

chuẩn (ppb)

Nồng độ

chuẩn thêm

vào (ppb)

Nồng độ

thêm vào thu

được (ppb)

Nồng độ thu

được theo PP

thêm chuẩn (ppb)

Sai số (%)

giữa hai

PP

1 Nth- TC 0,6750 1 1,2886 0,7886 1,4619

4 2,7912 0,7912 1,1371

2 ĐB - ĐH 0,5250 1 0,9535 0,4535 6,3404

4 2,4671 0,4671 3,5316

Bảng 9: Kết quả phân tích mẫu thêm chuẩn của Pb

TT Mẫu chè

Nồng độ theo

PP đường

chuẩn (ppb)

Nồng độ

chuẩn thêm

vào (ppb)

Nồng độ

thêm vào thu

được (ppb)

Nồng độ thu được

theo PP thêm

chuẩn (ppb)

Sai số (%)

giữa hai

PP

1 NT-TC 1,699 2 2,0520 1,5520 3,0364

5 3,4983 1,4983 6,3914

2 ML-ĐH 1,475 2 1,4302 0,9302 7,4612

5 2,9720 0,9720 3,3028

Nhận xét: Qua kết quả thu được ở bảng 8 và bảng 9 cho thấy hiệu suất thu hồi Cd và Pb đều lớn

hơn 90% và sai số giữa hai phép đo xác định Cd và Pb nhỏ hơn 10%.

Bảng 10: Khảo sát hàm lượng Pb của mẫu chè an toàn

TT Mẫu chè xanh Độ hấp thu Nồng độ ppb Hàm lượng (mg/kg)

1 Hồng Thái – Tân Cương 0,1406 0,360 2,121

2 Nam Thái – Tân Cương 0,1203 0,502 1,809

9. So sánh với mẫu chè an toàn tại 2 địa điểm

- Xóm Hồng Thái xã Tân Cương

- Xóm Nam Thái xã Tân Cương

Là những địa điểm đầu tiên của cả

nước được tổ chức IFOAM (International

Federation of Organic Agriculture

Movements) cấp giấy chứng nhận “Sản phẩm

chè sạch theo tiêu chuẩn Châu âu”. Kết quả

dẫn ra ở bảng 10.ết quả 2 mẫu chè an toàn có

hàm lượng Pb là 2,121 và 1,809 (mg/kg) đều

nhỏ hơn so với mẫu chè an toàn.

KẾT LUẬN

Bằng việc lựa chọn phương pháp phổ hấp thụ

nguyên tử kĩ thuật không ngọn lửa nghiên cứu

xác định hàm lượng các kim loại nặng trong

chè xanh, chúng tôi đã ứng dụng để xác định

Cd và Pb trong chè xanh trong 23 mẫu chè

xanh trên 7 khu vực của tỉnh Thái Nguyên và

đi đến kết luận hàm lượng Cd và Pb trong các

mẫu chè xanh đều thấp hơn giới hạn cho phép.

Do đó khi dùng chè xanh Thái Nguyên không

gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Như vậy, phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

GF – AAS là kỹ thuật phù hợp để xác định

Cd và Pb lượng nhỏ hoặc lượng vết trong

mẫu chè xanh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trịnh Thị Thanh (2003). Độc học môi trường và

sức khỏe con người Nxb – ĐHQG Hà Nội

2. Đặng Quốc Trung (2011), Luận văn thạc sĩ, Xác

đinh Asen trong chè xanh ở Thái Nguyên bằng

phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, Trường Đại

học Sư phạm – ĐHTN

3. Phạm Luận (1988/1990), Tuyển tập: Quy trình

xác định các nguyên tố kim loại trong lá cây và

cây thuốc Đông y ở Việt Nam, Đại học Tổng hợp

Hà Nội.

4. Phạm Luận (1994). Cơ sở lý thuyết của phép đo

phổ hấp thụ phân tử UV-VIS, Đại học Tổng hợp

Hà Nội.


174

SUMMARY

DETERMINATION CD AND PB CONTENTS

IN GREEN TEA IN THAI NGUYEN

Nguyen Dang Duc*, Nguyen Nhu Lam

College of Science - TNU

At present, the determination of heavy metal ions in green tea in Thai Nguyen has not been studied

much. The demand for cheking pollution level made by above heavy metals in green tea was very

necessary, so the study of the determination of Cd and Pb in green tea has been conducted by

analyzing atomic absorption spectrometry. From the result of experiment, we realized that the

pollution of Cd and Pb was lowed when compared with Vietnam Standards.

Key words: Cd, Pb, determination, heavy metal, pollution, Vietnam Standards


Phản biện khoa học: PGS.TS Nguyễn Duy Lương – LHH KHKT tỉnh Thái Nguyên



175

Đồng Thị Hồng Ngọc Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 175 - 181

176

ĐỒNG THỊ HỒNG NGỌC (7 TRANG)

175 - 181


177


178


179


180


181


182


Phản biện khoa học: TS. Phạm Hồng Trường – Trường Đại học Kinh tế & Quản trị kinh doanh - ĐHTN


183

Ngô Mạnh Tưởng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 183 - 188

184

NGÔ MẠNH TƯỞNG (6 TRANG)

183 - 188


185


186


187


188


189


Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo – Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN

Hà Trần Phương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 189 - 197

190

HÀ TRẦN PHƯƠNG (9 TRANG)

189 – 197


191


192


193


194


195


196


197


198


Phản biện khoa học: PGS.TS Phạm Việt Đức – Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN


199


200

PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VA CHẠM DỰA TRÊN CẤU TRÚC CÂY PHÂN

CẤP GIỚI HẠN BIÊN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỘP BAO THEO HƯỚNG

Nông Minh Ngọc1*, Phạm Đình Lâm1, Đỗ Năng Toàn2 1Đại học Thái Nguyên, 2Viện Công nghệ thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội.

TÓM TẮT Tính toán và phát hiện va chạm giữa các đối tượng đang là một trong nhiệm vụ rất quan trọng của

mỗi hệ thống thực tại ảo. Các đối tượng trong mỗi hệ thống đồ hoạ có những chuyển động riêng

của nó, trong khi chuyển động đó có thể va chạm với đối tượng khác, hoặc có thể va chạm với môi

trường, chướng ngại vật.

Bài báo trình bày về một phương pháp phát hiện va chạm dựa trên cấu trúc cây phân cấp giới hạn

biên (BVHs) ứng dụng kỹ thuật hộp bao theo hướng nhằm phát hiện va chạm giữa các đối tượng

trong thực tại ảo. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính chính xác, giảm thiểu độ phức tạp

thuật toán, thời gian tính toán đối với các phương pháp đã được giới thiệu

Từ khóa: Bounding volume hierarchies, BVHs, Collision Detection, OBBs, AABB, Thực tại ảo.

GIỚI THIỆU*

Việc mô hình hóa các đối tượng ở thế giới

thực vào không gian kiến trúc ở thực tại ảo

như mô phỏng đường đi của hệ Robot, ánh xạ

và mô phỏng các đối tượng vật lý trên hệ

thống thực tại ảo đã và đang được ứng dụng

rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống

xã hội: Giáo dục và đào tạo, quân sự, y học…

Phương pháp phát hiện va chạm dựa trên cấu

trúc cây phân cấp giới hạn biên (bounding

volume hierarchy - BVHs) đã và đang được

sử dụng phổ biến với việc sử dụng các giới

hạn bao quanh các đối tượng dạng hình cầu

(spheres), đạng hộp bao theo các cạnh song

song với các trục tọa độ (axis-aligned

bounding boxes - AABBs), hộp bao theo

hướng của đối tượng (Oriented Bounding

Boxe - OBBs), dời dạc theo k hướng của đa

giác (k-discrete oriented polytopes- kDOP)...

Các phương pháp này dựa trên giới hạn bao

quanh đối tượng được định nghĩa một cách rõ

ràng trong các không gian chứa đối tượng đó.

Bài báo này tập trung kiểm thử và đánh giá

thuật toán phát hiện va chạm giữa các đối

tượng dựa trên cấu trúc cây phân cấp giới hạn

biên với kỹ thuật sử dụng hộp bao theo hướng

OBBs. Các kết quả đánh giá sẽ được nêu ra,

đáp ứng các yêu cầu bài toán.

* Tel: 0968 595888

PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VA CHẠM

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỘP BAO

THEO HƯỚNG

Định nghĩa hộp bao theo hướng (Oriented

Bounding Boxes-OBBs)

Định nghĩa: hộp bao theo hướng OBB là hộp

bao dạng đặc biệt của hộp bao AABB nhưng

có hướng bất kỳ mà không phải hướng trùng

với hướng của trục tọa độ. Một hình bao OBB

được định nghĩa thông qua một tâm C, ba

vector chỉ hướng của hình hộp 210 ,, AAA

, ba

độ dài tương là kích thước của hình hộp a0 >0,

a1>0, a2>0.

Khi đó, 8 đỉnh của hình hộp sẽ được xác định

như sau:

2

0

.2,1,0,1||*i

iiii isAasC

(1)

Việc kiểm tra hai khối đa diện lồi không

giao nhau nếu có thể cô lập được chúng

bằng một mặt phẳng P thoả mãn một trong

hai điều kiện sau:

- P song song với một mặt nào đó của một

trong hai khối đa diện.

- Hoặc là P chứa một cạnh thuộc đa diện thứ

nhất và một đỉnh thuộc đa diện thứ hai.

Từ nhận xét trên, ta thấy rằng để kiểm tra

nhanh sự giao nhau của hai hai khối đa diện

lồi: Điều kiện cần và đủ để kiểm tra hai khối

Nông Minh Ngọc và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 199 - 204

201

đa diện lồi có giao nhau hay không là kiểm tra

giao nhau giữa các hình chiếu của chúng lên

đường thẳng vuông góc với mặt phẳng P ở

trên, đường thẳng này được gọi là trục cô lập.

Ta thấy rằng các hộp bao OBBs là những khối

đa diện lồi, bởi vậy ta hoàn toàn có thể áp dụng

định lý trên để kiểm tra va chạm giữa chúng.

Hình 1. Trục cô lập (Separating Axis) để kiểm tra

sự va chạm của OBB1 và OBB2

Phương pháp kiểm tra va chạm giữa hai

hộp bao OBBs

Cho hai hình bao OBBs xác định bởi các

thông số OBB1: [C0,A0,A1,A2,a0,a1,a2] và

OBB2: [C1,B0,B1,B2,b0,b1,b2]. Ta thấy rằng

các tình huống mà hai OBBs tiếp xúc với

nhau (không cắt nhau) chỉ có thể là một trong

6 trường hợp sau đây: mặt - mặt, mặt - cạnh,

mặt - đỉnh, cạnh - cạnh, cạnh - đỉnh, đỉnh -

đỉnh. Do vậy, tập ứng cử viên các trục cô lập

chỉ tối đa là 15 trục sau:

- 3 trục chỉ hướng của hộp bao thứ nhất ( iA

)

- 3 trục chỉ hướng của hộp bao thứ hai ( jB

)

- 9 trục tạo bởi tích có hướng của một trục

thuộc hộp bao thứ nhất và một trục thuộc hộp

bao thứ hai ( ji BA

).

Mặt khác, ta biết rằng nếu một trục là trục cô

lập thì khi tịnh tiến đến vị trí nào, nó vẫn là

trục cô lập. Bởi vậy, không mất tính tổng quát

ta sẽ gọi trục cô lập có vector chỉ phương là V

và đi qua tâm C0 của hộp bao thứ nhất, do

vậy nó có phương trình như sau:

d = 0C

+ t*V

(2)

Trong đó: t là tham số. V

là iA

hoặc jB

hoặc ji BA

với i, j = 0,1,2.

Theo [xxx] ta có bảng tính toán làm căn cứ

kiểm tra va chạm giữa hai hộp bao OBB1 và

OBB2 như ở bảng 1.

CẤU TRÚC CÂY PHÂN CẤP GIỚI HẠN

BIÊN (BOUNDING VOLUME

HIERARCHIES -BVHS)

Cây phân cấp giới hạn (bounding volume

hierarchies-BVHs)

Cây phân lớp giới hạn (bounding volume

hierarchies-BVHs) là một cấu trúc cây đối với

1 nhóm các đối tượng hình học. Các đối

tượng hình học được bao trong các hình bao

(bounding volumes). Các hình bao này các

Node lá của cây. Các Node sau đó được gom

thành các nhóm nhỏ và được đóng kín trong

các hình bao lớn hơn. Tuần tự như vậy, chúng

cũng lại được gom lại và đóng kín trong các

hình bao lớn hơn nữa theo kiểu lặp lại. Cuối

cùng sẽ tạo nên một cấu trúc cây với một hình

bao đơn tại đỉnh của cây. Cấu trúc hình bao

tuần tự được dùng để hộ trợ một vài phép

toán lên tập hợp các hình khối một cách hiệu

quả tiêu biểu như giải quyết bài toán phát

hiện va chạm (collision detection).

Xây dựng cây phân lớp giới hạn

Để xây dựng cây phân lớp giới hạn, nhiều

nhóm tác giả đã đề xuất các phương pháp tính

toán như: Chia cắt ở giữa các trục dài nhất,

Chia cắt ở giá trị trung bình, Chia cắt dựa trên

thuật toán SAH (Surface Area Heuristic).

Trong bài báo này, phương pháp xây dựng

cây phân lớp giới hạn dựa trên thuật toán chia

cắt Node gốc thành các Node (trái/phải) căn

cứ vào giá trị trung bình của khối bao

(Median-Cut):

Ý tưởng của phương pháp được nêu ra như

sau: Các đối tượng được sắp xếp dọc theo

một trong ba trục tọa độ x,y,z. Khi đó, xác

định được giá trị trung bình tọa độ của các đối

tượng trên trục tọa độ đã lựa chọn, đồng thời

tiến hành cắt đối tượng đó thành hai Node

tương ứng là Node trái và Node phải thông

qua giá trị trung bình đã được tính toán, xác

định ở trên.


202

Bảng 1. Các giá trị R, R0, R1 cho thấy việc có va chạm giữa 2 OBBs xảy ra khi: R> R0+R1

Hình 2. Cây phân lớp giới hạn sử dụng phương pháp khối bao chữ nhật

Hình 3. Cây phân lớp sử dụng phương pháp hình bao dạng

Sphere, AABB, OBB, kDOP, Sweep Sphere, Convex Hull


203

Thuật toán xây dựng cây phân lớp giới hạn được mô tả:

Algorithm 1 (Median-Cut)

1. Create Bounding box for current Node

2. Decide which axis you want to sort along

3. Loop over all objects in the current node and update the min/max values of your

bounding box. Saving all the values for the relevant axis.

4. Find the Median (Total Value/Total objects)

5. Divide the objects into two nodes based on the Median.

Mô tả thuật toán

a. Node gốc của đối tượng trước khi xây dựng cây

phân lớp

b. Cây phân lớp sau khi được xây dựng

Hình 4. Xây dựng cây phân lớp giới hạn BVHs sử dụng phương pháp Median-Cut

THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN VA CHẠM SỬ

DỤNG CÂY PHÂN CẤP GIỚI HẠN

Việc kiểm tra thuần túy va chạm của hai khối

OBBs đã được nêu ở phần 2, tuy nhiên bài

toán đặt ra là khi hai khối OBBs đó có thể

phân tách và xây dựng thành cấu trúc cây

phân cấp giới hạn biên thì việc kiểm tra sẽ

giảm thiểu được độ phức tạp thuật toán, đem

lại độ chính xác cao hơn.

Giả thiết rằng việc phân tách hai khối OBBs

thành hai cấu trúc cây phân cấp giới hạn biên

B1, B2 đã được thực hiện. Khi đó, để phát hiện

va chạm của hai cấu trúc B1, B2 này ta có thể

kiểm thử sự va chạm trước hết tại Node gốc của

hai cấu trúc này. Nếu kết quả kiểm tra va chạm

ở hai Node gốc là không có nghĩa là không xảy

ra va chạm giữa hai khối OBBs đã cho.

Ngược lại, nếu hai khối ở Node gốc của B1,

B2 có va chạm, hẳn nhiên sự va chạm đó sẽ

được xảy ra đối với một trong những Node

(trái/phải) của B1 với B2 hoặc ngược lại.

Trong trường hợp đó, chúng ta có thể tinh

chỉnh một trong cấu trúc phân cấp, thay thế

các Node con (trái/phải) để xây dựng cấu

trúc phân cấp mới. Quá trình đó được đệ quy

để kiểm tra va chạm.

Thuật toán đề xuất

Algorithm 2 (Detect collision between BVHs

B1 and B2)

1: B1 ← root (OBB1)

2: B2 ← root (OBB2)

3: if B1does not intersects B2 then

4: RETURN FALSE

5: else

6: if B1 is bigger than B2 then

7: SWAP B1 and B2 Ensure B2

is bigger than B1

8: end if

9: Refine the big bounding volume

hierarchy B2

10: for all child C of B2 do

11: if Detect collision between C and

B1 then


204

12: RETURN TRUE

13: end if

14: end for

15: RETURN FALSE

16: end if

Như vậy, với việc đệ quy và lựa chọn các

Node con (trái/phải), một dạng duyệt cây nhị

phân đối với việc phát hiện va chạm của hai

cấu trúc cây phân cấp giới hạn biên B1, B2 độ

phức tạp giảm đi đáng kể. Trong trường hợp

xấu nhất, giả thiết rằng N1, N2 là chiều cao

tương ứng của cấu trúc B1, B2, thì để đánh giá

độ phức tạp của thuật toán này ta có thể nhận

thấy được rằng:

Nếu giả thiết

N=Max(N1,N2) (3)

Thì độ phức tạp tìm kiếm trong trường hợp

tốt nhất của việc kiểm tra va chạm của 2 cấu

trúc B1, B2 tương đương với việc tìm kiếm

trên cây nhị phân tìm kiếm và được tính là

O(Log(N)). Do đó, thuật toán bảo đảm cho

việc giảm thiểu thời gian tính toán và đem lại

hiệu quả phát hiện va chạm trong thực tế.

KẾT LUẬN

Việc phát hiện va chạm dựa trên kỹ thuật hộp

bao theo hướng (OBBs) đã khẳng định rõ hơn

tính chính xác, sai số nhỏ hơn nhiều so với kỹ

thuật phát hiện va chạm theo các hộp bao

AABB. Tuy nhiên, với việc xây dựng các cấu

trúc phân cấp giới hạn (BVHs), việc thực hiện

tìm kiếm, phát hiện va chạm giữa các đối

tượng còn bảo đảm tính chính xác hơn, cũng

như tốc độ tính toán, độ phức tạp tính toán

giảm đi đáng kể. Bài báo đã trình bày về

phương pháp phát hiện va chạm dựa trên cấu

trúc cây phân cấp giới hạn biên ứng dụng kỹ

thuật hộp bao theo hướng. Các kết quả và

diễn giải đã chứng minh được điều đó.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đỗ Năng Toàn, Nông Minh Ngọc, “Tính toán

va chạm sử dụng kỹ thuật hộp bao theo hướng và

ứng dụng trong tuyên truyền giao thông”, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số

06/2014, pp 161-169.

2. David Eberly, “Dynamic Collision Detection

using Oriented Bounding Boxes”, Geometric

Tools, Inc, 1999.

3. Devid Eberly, “Dynamic Collision Detection

using Oriented Bounding Boxes”,

http://www.geometrictools.com ,1999

4. Eugene Laptev, “Collision Detection - Fastcar”,

Oxford Dynamics”, www.oxforddynamics.co.uk,

2002.

5. Diego Ruspini, Oussama Khatib, “A Framework

for Multi-Contact Multi-Body Dynamic Simulation

and Haptic Display”, Proceedings of the 2000

IEEE/RSj International Conference on Intelligent

Robots and Systems, 2000.

6. Nick Bobic,”Advanced Collision Detection

Techniques”, http://www.gamasutra.com, 2000.

7. Russell Smith, “Open Dynamics Engine”,

http://www.ode.org, 2006.

8. WANG Xiao-rong, WANG Meng, Li Chun-gui,

“Research on Collision Detection Algorithm Based

on AABB”, 2009 Fifth International Conference on

Natural Computation, pp 422-424, 2009.

9. Hu Songhua, Yu Lizhen, “Optimization of

Collision Detection Algorithm based on OBB”,

International Conference on Measuring

Technology and Mechatronics Automation,

pp853-855, 2010.

10. S. Gottschalk, M. C. Lin, and D. Manocha.

OBB-tree: A hierarchical structure for rapid

interference detection. Comput. Graph. 30:171–

180, 1996. Proc. SIGGRAPH ’96.


205

SUMMARY

COLLISION DETECTION BASED ON THE BOUNDING VOLUME

HIERARCHIES (BVH) APPLIED BY OBBS TECHNIQUE

Nong Minh Ngoc1*, Pham Dinh Lam1, Do Nang Toan2

1Thai Nguyen University, 2Information Technology Institute - Vietnam National University

Calculation and collision detection between objects in every virtual reality system is a very

important task. Object has its own movement in each graphical system, while moving, it can be

collide with other objects, collide with the environment, obstacles.

This paper presents a method of collision detection based on a bounding volume hierarchies

(BVHs) technical application oriented bounding box for collision detection of objects in virtual

reality. The research results have demonstrated the accuracy and reduce the algorithm complexity,

computation time.

Keywords: Bounding Volume Hierarchies, BVHs, Collision detection, OBBs, AABB, VR


Phản biện khoa học: TS. Vũ Vinh Quang – Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN

* Tel: 0968 595888

oµ soT Tạp chí Khoa học và Công nghệ

NATURAL SCIENCE - TECHNOLOGY

Content Page

Vu Van Thang, Dang Quoc Thong, Bach Quoc Khanh - The distribution system planning intergrated gas

tuarbine or diesel generator 3

Nguyen Thi Thu Hien, Bui Tuan Anh - Control system research and monitoring in steel company officers and

personnel 11

Do Duc Trung, Ngo Cuong, Phan Bui Khoi, Phan Thanh Chuong, Nguyen Thanh Chung - Influence of the

plunge feed -rate on quality of workpiece surface when grind 20x – carbon infiltration steel using plunge

centerless grinding process 17

Lai Ngoc Hung - Assessment of methods applying to determine the load capacity of bored piles using results

from CPT and SPT tests 23

Tran Khai Hoan, Lai Ngoc Hung - Study on effects of negative friction on pile bearing capacity and measures to minimize negative friction 29

Nguyen Thi Viet Huong, Nguyen Doan Phuoc, Vu Thi Thuy Nga, Do Trung Hai - Control overhead crane

3D high quality using sustainable adaptive controller

35

Pham Thi Hong Anh - Improving power grid method distribution network restructuring 43

Vu Hong Vinh, Dinh Thi Nhung, Vuong Hoang Nam, Nguyen Van Son, Dao Huy Du - Detection of

activated brain regions from fMRI data based on Independent Component Analysis 49

Tran Van Thang - Conjuagate duality for optimization problems and applications 55

Duong Nghia Bang, Nguyen Dang Duc, Hoang Lam, Yu. A. Sayapin, V. N. Komissarov, V.N. Minkin -

Synthesis of some derivatives of quinoline from 2-chloro-2-methylaniline 61

Tran Hai Dang, Khorokhordina E.A, Rudakov O.B. - Detamintation of phenols in solution by method extract

- chromatography 65

Tran Thi Pha, Vu Van Bien, Nguyen Thi Hao, Vuong Van Anh, Hua Van Dao - Study on usage of essential

oil of orange and grapefruit for dealing styrofoam waste 71

Vu Thi Hau - Research on the adsorbability of Cr (VI) and Ni (II) on Cao Bang manganese ore 77

Bui Quang Hung - Protecting and improving the landscape struture along the banks of Cau river, the case of river section in Thai Nguyen city 85

Phan Dinh Binh - Assessing the current water environment for new rural building criteria in Nha Long

commune, Phu Binh district, Thai Nguyen province 93

Nguyen Xuan Thanh - A landscapes planning model of local architecture combine with tourist services for the ATK Dinh Hoa 101

Le Thu Trang, Le Bich Lien, Nguyen Tuan Anh - Fragmentation and allocation in distributed object -oriented

database 107

Nguyen Van Can - Vehicle category based video featured in shape 113

Le Hoang Hiep - Research for service adaptation in next generation networks 119

Nguyen Thi Ngoc Anh - Instructing good and excellent students of high schools in applying the bijective

method to solve some counting problems 127

Pham Duc Thoan, Pham Hoang Ha, Tran Hue Minh - An estimate for holomorphic map ramificated over hyperplanes in subgeneral position 133

Le Thi Thu Ha, Do Thi Tu Anh - Tracking control of gearing transmission systems via constrained model

predictive controller 139

Le Thi Huyen Linh, Lai Khac Lai - Controller on based model predictive control for a class system with delay 149

Journal of Science and Technology

128 (14)

2014

Dang Danh Hoang - Grid retaining control of wind power plants system using doubly -fed induction generators

by passivity -based method 155

Nguyen Thi Mai Huong, Mai Trung Thai, Lai Khac Lai, Do Thi Tu Anh - Stabilization for twin rotor mimo

system based on Bellman’s dynamic programming method 161

Nguyen Dang Duc, Nguyen Nhu Lam - Determination cd and pb contents in green tea in Thai Nguyen 167

Dong Thi Hong Ngoc - On global solution of nonlinear Volterra – Fredholm equation on Banach space 175

Ngo Manh Tuong, Dam Thanh Phuong - Some numerical methods for solving least squares problems 181

Ha Tran Phuong, Le Quang Ninh - A note of uniqueness theorem for holomorphic curves sharing many hypersurfaces 189

Nong Minh Ngoc, Pham Dinh Lam, Do Nang Toan - Collision detection based on the bounding volume

hierarchies (BVH) applied by obbs technique 199

tập 128, số 14, 2014

Documents