Lời nói đầu ----

Căn cứ vào quy hoạch báo chí đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, theo văn bản đề nghị của Bộ Giáo dục và Đào tạo, ngày 25 tháng 11 năm 2002, Bộ Văn hoá - Thông tin đã ra Quyết định số 510/GP-BVHTT, cấp giấy phép hoạt động báo chí cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng.

Ngày 10 tháng 8 năm 2006, Cục Báo chí Bộ Văn hoá - Thông tin đã có Công văn số 816/BC đồng ý cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ xuất bản từ 03 tháng/kỳ lên thành 02 tháng/kỳ.

Ngày 6 tháng 2 năm 2007, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã có Công văn số 44/TTKHCN-ISSN đồng ý cấp mã chuẩn quốc tế: ISSN 1859-1531 cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ”, Đại học Đà Nẵng.

Ngày 5 tháng 3 năm 2008, Cục Báo chí, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Công văn số 210/CBC cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng, ngoài ngôn ngữ được thể hiện là tiếng Việt, được bổ sung thêm ngôn ngữ thể hiện bằng tiếng Anh và tiếng Pháp.

Ngày 15 tháng 9 năm 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 1487/GP-BTTTT cấp Giấy phép sửa đổi, bổ sung cho phép Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ hạn xuất bản từ 02 tháng/kỳ lên 01 tháng/kỳ và tăng số trang từ 80 trang lên 150 trang.

Ngày 07 tháng 01 năm 2016, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 07/GP-BTTTT cấp Giấy phép hoạt động báo chí in cho Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được xuất bản 15 kỳ/01 năm (trong đó, có 03 kỳ xuất bản bằng ngôn ngữ tiếng Anh).

Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời với mục đích:

Công bố, giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực giảng dạy và đào tạo;

Thông tin các kết quả nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho công tác đào tạo của nhà trường;

Tuyên truyền, phổ biến đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo và nghiên cứu khoa học, công nghệ.

Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời là sự kế thừa và phát huy truyền thống các tập san, thông báo, thông tin, kỷ yếu Hội thảo của Đại học Đà Nẵng và các trường thành viên trong gần 40 năm qua.

Ban Biên tập rất mong sự phối hợp cộng tác của đông đảo các nhà khoa học, nhà giáo, các cán bộ nghiên cứu trong và ngoài nhà trường, trong nước và ngoài nước để Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” của Đại học Đà Nẵng ngày càng có chất lượng tốt hơn.

BAN BIÊN TẬP

MỤC LỤC ISSN 1859-1531 - Tạp chí KHCN ĐHĐN, Số 1(98).2016

KHOA HỌC KỸ THUẬT

Nhận dạng vật liệu từ ảnh viễn thám siêu phổ Material identification in hyperspectral remote sensing image Huỳnh Thị Ngọc An, Hồ Phước Tiến 1

Thiết kế tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời và bộ dự trữ có kết nối với lưới Optimal design of grid-connected photovoltaic - battery energy storage system Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung 6

Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng - kích thước mũ cột đến sự làm việc và khả năng chịu lực của sàn phẳng bê tông ứng lực trước Research on influence of forms - dimensions of head columns on the work and bearing capacity of prestressed concrete flat slabs Trương Hoài Chính 11

Nghiên cứu ảnh hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông Investigation into relative sliding effect between steel tube and concrete core on eccentric compression resistance of concrete filled steel tube columns Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ 15

Ảnh hưởng của nhiên liệu, tỷ số nén và góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy hỗn hợp xăng -ethanol trong động cơ Daewoo Effects of fuel components, compression ratio and advance ignition timing to combustion of gasoline - ethanol blended fuel in Daewoo engine Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông 22

Cơ sở chọn chiều cao ống khói đạt tiêu chuẩn môi trường theo điều kiện Việt Nam Basis for determination of stack height in accordance with environmental standards in Vietnam Nguyễn Đình Huấn, Trần Thị Minh Phương 27

Nghiên cứu điều chế xúc tác tổng hợp dimethyl ether một giai đoạn từ khí tổng hợp A stydy of making up catalysts for direct synthesis of dimethyl ether from synthesis gas Ngô Xuân Hưng, Lê Thế Duy, Nguyễn Huỳnh Đông 32

Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt thủy hóa và cường độ nén của vữa Studying the effects of fly-ash on heat of hydration and compressive strength of mortar Đoàn Viết Long, Nguyễn Văn Hướng, Võ Thị Thu Hiền 37

Phân tích ảnh hưởng các thông số biến đổi trong chuyển động tĩnh của robot bay quadcopter Analysis of influence of change variables in static movement of quadcopter robots Nguyễn Hoàng Mai 41

Ảnh hưởng thành phần đứng của những trận động đất mạnh đến phản ứng của kết cấu cách chấn bằng gối TFP Effects of vertical components of strong earthquakes on the response of base-isolated structure with TFP bearing Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa 46

Tận dụng nhiệt thải từ máy điều hòa không khí để gia nhiệt nước nóng nhằm tiết kiệm năng lượng Using waste heat from air conditioners to heat water to save energy Hồ Trần Anh Ngọc, Nguyễn Công Vinh 50

Nghiên cứu thực nghiệm và động học quá trình khử oxit nitơ bằng công nghệ đốt cháy lại Experimental and kinetic study of nitric oxide reduction by gas reburning technique Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông 54

Khảo sát vùng đo mức bão hòa oxy trong máu động mạch theo nhịp đập (SpO2) tốt nhất trên cổ tay, và ảnh hưởng của sắc tố da - kích thước cổ tay - giới tính đến kết quả đo, sử dụng đầu đo phản xạ A survey on the best areas for measuring arterial blood oxygenation level (SpO2) on wrist, and influence of parameters such as skin color, wrist size, and sex on received signal quality, using reflectance pulse oximeter probe Lại Phước Sơn, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Trung Kiên 59

Nghiên cứu hệ thống báo cháy ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại và camera A study of fire alarm system in applying infrared thermometer sensors and cameras Vũ Vân Thanh 65

Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và đề xuất biện pháp bảo vệ môi trường cho làng nghề gốm Thanh Hà, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam Assessing environmental status and proposing measures for environmental protection for Thanh Ha pottery village in Hoi An city, Quang Nam province Phan Như Thúc, Phạm Thị Nhã Yên 69

Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược để chế tạo các chi tiết có biên dạng đặc biệt Research on counter - designing technology to manufacture special profile parts Trần Xuân Tùy, Trần Nhật Thư 75

Khôi phục dạng sóng khi biến dòng điện bị bão hòa ứng dụng định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện Restoration of waveform when current transformer is saturated, applying fault location on a transmission line Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy, Nguyễn Xuân Tùng 80

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nghiên cứu tổng hợp coban(II) stearat A study of synthesizing cobalt(II) stearate Trương Văn Cương, Trần Mạnh Lục 84

Sự phân hủy chloroaniline bởi vi khuẩn acinetobecter baumannii GFJ1 trong môi trường nhiễm mặn Degradation of chloroaniline by acinetobecter baumannii GFJ1 in saline medium Hà Danh Đức 89

Áp dụng học máy dựa trên lập trình di truyền trong tìm kiếm web xuyên ngữ Learning to rank based on genetic programming for cross-language web search Lâm Tùng Giang, Võ Trung Hùng, Huỳnh Công Pháp 93

Nghiên cứu ứng dụng thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu trong tối ưu tiến độ và chi phí cho dự án Researching on application of multiple objective differential evolution algorithm to solve time-cost trade off problems in construction projects Trần Đức Học, Nguyễn Quang Trung, Phạm Anh Đức, Mai Anh Đức 98

Một kỹ thuật giấu tin trong âm thanh sử dụng phép biến đổi wavelet A method for hiding data in audio using wavelet transformation Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu 103

Xác định thành phần hóa học của thân rễ nghệ đen Champasak - Lào và Gia Lai - Việt Nam Determination of chemical constituents of curcuma zedoaria rhizomes in Champasak - Laos and Gialai - Vietnam Sesavanh Menvilay, Võ Thị Thanh Bình, Daosadet Sythongbay, Lê Thị Tuyết Anh, Nguyễn Minh Nguyệt, Đào Hùng Cường 107

Một phương pháp chọn điểm khởi đầu trong giải thuật điểm trong cho bài toán quy hoạch tuyến tính A method of choosing starting point in interior point algrithms for linear programming Phạm Quý Mười, Phan Thị Như Quỳnh 112

Nhận dạng khuôn mặt trên máy tính nhúng raspberry Pi Face recognition application based on raspberry Pi Trương Văn Trương, Huỳnh Việt Thắng 117

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 1

NHẬN DẠNG VẬT LIỆU TỪ ẢNH VIỄN THÁM SIÊU PHỔ MATERIAL IDENTIFICATION IN HYPERSPECTRAL REMOTE SENSING IMAGE

Huỳnh Thị Ngọc An1, Hồ Phước Tiến2 1Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Quảng Nam; ngocandtvt@gmail.com 2Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; tien.hophuoc@dut.udn.vn

Tóm tắt - Ảnh siêu phổ chứa một lượng thông tin rất lớn, ở hàngtrăm tần số khác nhau, và mở ra những ứng dụng quan trọngtrong việc nghiên cứu trái đất và bảo vệ môi trường. Một vấn đềquan trọng đối với ảnh siêu phổ – và chi phối nhiều bài toán kháctrong lĩnh vực này – đó là nhận dạng các thành phần vật chất hayvật liệu có mặt tại một vùng nào đó trên bề mặt đất thu nhậnđược bởi ảnh siêu phổ. Bài báo này sẽ xem xét việc nhận dạngcác phổ, và từ đó là vật liệu, tại mỗi pixel trong một ảnh siêu phổ.Vai trò của ràng buộc không gian giữa các pixel lân cận sẽ đượcphân tích một cách chi tiết để nâng cao khả năng nhận dạng phổ.Phương pháp này, khi được thử nghiệm với tập dữ liệu nhân tạovà dữ liệu thật thu được từ vệ tinh, đã cho thấy những kết quảhứa hẹn.

Abstract - A hyperspectral image contains a very large quantityof information measured at a geographic region and overhundreds of frequencies. Such images can lead to interestingapplications in earth and environment protection research. Anessential topic in hyperspectral imaging is how to identifymaterials, or their spectra, which are present in a region of theearth’s surface. In this paper, this topic will be considered throughthe “unmixing” problem in which spectrum or materialidentification from a mixture of spectra is carried out at each pixelin a hyperspectral image. The spatial constraint amongneighboring pixels will be analysed to improve the performance ofspectrum identification. The method tested with artificial and realdata has shown promising results.

Từ khóa - viễn thám; ảnh siêu phổ; nhận dạng phổ; ràng buộckhông gian; tỉ lệ đóng góp

Key words - remote sensing, hyperspectral imaging, sprectrumidentification, spatial constraint, contribution ratio

1. Giới thiệu chung

Gần đây, việc ứng dụng ảnh viễn thám siêu phổ trong quản lý tài nguyên, giám sát môi trường đã thu hút nhiều sự quan tâm. Dữ liệu ảnh viễn thám siêu phổ có băng tần lớn, được đo đạc tại hàng trăm tần số hay bước sóng khác nhau, và có thể bao phủ một vùng diện tích rộng. Do đó, ảnh siêu phổ chứa đựng rất nhiều thông tin và có thể được khai thác một cách hiệu quả cho nhiều ứng dụng [8]. Ví dụ, ảnh siêu phổ có thể giúp phân loại và xác định sự thay đổi của bề mặt đất, đồng thời cho phép thực hiện các nghiên cứu này một cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm được thời gian và công sức. Thực tế, ảnh viễn thám siêu phổ có những ưu điểm mà những ảnh thông thường chụp trên mặt đất không có được.

Các bước đột phá lớn gần đây trong lĩnh vực viễn thám đi kèm với sự phát triển của các bộ cảm biến siêu phổ và khả năng tính toán mạnh của máy tính. Trong thập kỷ qua, phân tích ảnh siêu phổ đã trở thành một trong những kĩ thuật phát triển mạnh nhất trong lĩnh vực viễn thám. Hình 1 minh họa một ảnh siêu phổ, bao gồm rất nhiều lớp ứng với hình ảnh thu được tại các bước sóng khác nhau. Phía bên phải của Hình 1 thể hiện phổ thu được tại một pixel, đây chính là giá trị cường độ sáng đo được tại pixel đó nhưng tại các bước sóng khác nhau.

Một vấn đề quan trọng của lĩnh vực ảnh siêu phổ, thu hút nhiều sự quan tâm nhưng vẫn còn nhiều thử thách, là bài toán nhận dạng phổ [1, 4, 7]. Cụ thể, từ phổ đo đạc được tại mỗi pixel – ứng với một vùng/diện tích cụ thể trên bề mặt đất – ta sẽ phân tích để xác định phổ này được cấu thành từ những vật liệu nào. Về bản chất, nhận dạng phổ là một bài toán ngược; vấn đề này càng trở nên phức tạp hơn khi dữ liệu của ảnh siêu phổ thường rất lớn. Nhiều tác giả đã đề xuất các phương pháp để giải bài toán nhận dạng phổ một cách hiệu quả và đã đạt được những kết quả tích cực [4, 5]. Trong khi ở Việt Nam còn chưa có

nhiều nghiên cứu về vấn đề nhận dạng của ảnh siêu phổ, bài báo này trình bày một cách cô đọng bài toán nhận dạng phổ và phương pháp giải để từ đó có thể xây dựng nền tảng cho các ứng dụng liên quan. Bài báo cũng sẽ tập trung phân tích một cách chi tiết ảnh hưởng của ràng buộc không gian, đặc biệt là phương pháp Total Variation, đến chất lượng của việc nhận dạng phổ, giúp cho việc nhận biết các loại vật liệu trong thực tế sẽ hiệu quả hơn.

Hình 1. Ảnh siêu phổ (trích từ [9])

Phần tiếp theo của bài báo được trình bày như sau. Mục 2 sẽ giới thiệu một cách chi tiết bài toán nhận dạng phổ. Mục 3 trình bày phương pháp giải bài toán này cho một ảnh siêu phổ. Phần thử nghiệm và kết quả được thể hiện trong Mục 4. Và cuối cùng, Mục 5 tóm tắt một số nội dung chính của bài báo và hướng phát triển.

2. Bài toán nhận dạng phổ

2.1. Mô tả bài toán

Bài toán nhận dạng phổ có thể mô tả một cách ngắn gọn như sau. Từ hình ảnh thu được của một vùng hay khu vực nào đó, ta sẽ xác định vùng này chứa những loại vật liệu nào. Hình ảnh thu được thực chất là ảnh siêu phổ

2 Huỳnh Thị Ngọc An, Hồ Phước Tiến

(bao gồm hàng trăm lớp) chứa thông tin tại rất nhiều tần số khác nhau. Và việc xác định vật liệu có thể được thực hiện tại từng pixel.

Giả sử rằng, tại mỗi pixel phổ quan sát được là kết quả sự pha trộn của nhiều phổ ứng với các loại vật liệu khác nhau. Giả sử sự pha trộn này là tuyến tính – như trong phần lớn các nghiên cứu hiện nay về nhận dạng phổ – khi đó, phổ quan sát được tại mỗi pixel và tại mỗi tần số là tổ hợp tuyến tính từ m loại vật liệu khác nhau; phổ của mỗi loại vật liệu được gọi là endmember:

m

i ij j ij=1

y = a x + v (1)

Trong đó, yi là giá trị của độ phản xạ đo được ở bước sóng thứ I; ija là độ phản xạ của endmember thứ j ở bước

sóng thứ I; jx là tỉ lệ đóng góp (abundance) của

endmember thứ j; iv là nhiễu trong quá trình đo đạc.

Nếu cảm biến siêu phổ thu thập dữ liệu tại L tần số khác nhau, (1) có thể viết gọn lại:

y = A x + v (2)

Trong đó y là một vector cột Lx1 (phổ đo được tại một pixel), A là ma trận Lxm gồm có mendmember, x là một vector mx1 gồm các tỉ lệ đóng góp của các endmember tại pixel đó, v là vector Lx1 thể hiện sai số khi đo đạc tại tất cả các bước sóng. Điều kiện ràng buộc của các tỉ lệ đóng góp có thể là không âm (ANC): xj≥ 0, j = 1,.., m hoặc

tổng bằng một (ASC): m

jj=1x = 1 [4].

Trong bài toán nhận dạng phổ điển hình, ta được cho một tập L

iY y R ; i = 1,...,n ứng với n pixel của một

bức ảnh, và mục tiêu là sẽ ước lượng endmember (ma trận A) và tỉ lệ đóng góp (vector x) của các endmember cho mỗi điểm ảnh trong bức ảnh đó.

Trên thực tế, việc giải đồng thời ma trận A và vectơ x là rất khó khăn. Thay vào đó, ta giả sử rằng phổ thu được là sự kết hợp từ một số lượng phổ ứng với những loại vật liệu đã đo đạc được. Những phổ này được thu thập thông qua một quá trình đo đạc công phu tại một khu vực địa lý nào đó và được lưu lại dưới dạng ma trận A, còn gọi là thư viện. Thư viện này được kì vọng là chứa đầy đủ phổ của tất cả các loại vật liệu có thể có trong vùng đó. Như vậy, ta sẽ dùng thư viện A – đã biết – để tìm tỉ lệ đóng góp của các endmember trong thư viện này.

Thực tế, chỉ có một số ít các phổ chứa trong A có khả năng đóng góp vào phổ quan sát được tại mỗi pixel. Lí do là tại mỗi pixel (ứng với một diện tích nào đó, ví dụ 25m x 25m) chỉ chứa một số ít các loại vật liệu khác nhau. Do đó, trong phương trình (2), x chứa nhiều giá trị zero, và từ đó có tên gọi là “thưa” (sparse).

Với những nhận xét này, bài toán nhận dạng phổ có thể được xây dựng như một bài toán tối ưu dùng chuẩn L2 và L0 [4, 5], trong đó phổ quan sát được bị ảnh hưởng bởi nhiễu và với điều kiện là các hệ số đóng góp phải không âm (ANC).

22 0

x

1min || Ax- y || + || x ||

2 với x ≥ 0 (3)

Trong đó, 0|| x || biểu diễn cho chuẩn L0 của vector x, mà chỉ đơn giản là đếm các thành phần khác không của x,

vàlà một tham số. Chúng ta sẽ tìm x không âm và thưa, để kết hợp các phổ trong thư viện A nhằm có thể giải thích một cách tốt nhất dữ liệu y thu được. Trên thực tế, ta có thể thay chuẩn L0 bài toán ở (3) bằng chuẩn L1 để có bài toán tương đương mà cách giải lại dễ dàng hơn.

22 1

x

1min || Ax- y || + || x ||

2 vớix ≥ 0 (4)

Khi đó, tìm x trong bài toán (4) chính là lời giải của bài toán có tên gọi là sparse unmixing.

2.2. Ràng buộc không gian

Bài toán (4) tập trung chủ yếu vào khai thác các thông tin về phổ có được từ thư viện phổ. Vectorx thể hiện sự đóng góp của các endmember tại mỗi pixel được tìm một cách độc lập giữa các pixel. Trong khi đó, trên thực tế sự đóng góp tại các pixel lân cận nhau trong miền không gian thường tương tự như nhau.

Để kết hợp với ràng buộc không gian như vậy cho lời giải trong bài toán (4), nhiều phương pháp đã được đề ra với mục đích là nghiệm x phải mượt trong miền không gian. Ở [2], toán tử Laplacian được sử dụng để thể hiện ràng buộc về sự tương tự nhau giữa các pixel lân cận. Trong bài báo này, chúng ta sẽ xem xét ràng buộc trên thông qua phép toán TV (Total Variation) [4], vốn thường thể hiện sự hiệu quả cao hơn Laplacian.

3. Phương pháp thực hiện

3.1. Phương pháp

Sau đây ta sẽ trình bày bài toán phân loại phổ cho cả một ảnh siêu phổ, thực chất ta chỉ cần ghép các pixel y ở phương trình (2) lại với nhau. Khi đó, gọi L×nY R là ma trận dữ liệu được quan sát, trong đó mỗi cột sẽ chứa phổ quan sát được của một pixel, n chính là số lượng pixel của ảnh siêu phổ. m×nX R là ma trận tỉ lệ đóng góp của các endmember: một cách tương tự, mỗi cột ứng với một pixel. Như vậy, bài toán sparse unmixing được viết lại như sau:

2F 1,1 TV

X

1min || AX- Y || + || X || + TV(X)

2 với X ≥ 0 (5)

Trong đó:

i j 1i, j

TV(X) || x - x ||

(6)

biểu thị miền lân cận (ngang và dọc) tại mỗi pixel. Thực sự, TV thể hiện sự biến thiên của các pixel lân cận nhau. Do đó, việc tối thiểu hóa biểu thức TV này dẫn đến tỉ lệ đóng góp (của các endmember) sẽ tương tự nhau tại những pixel kề nhau.

TF|| X || trace XX tính tổng bình phương của các

phần tử của X; n

1,1 i 1i =1|| X || || x || (với xi là cột thứ i của

X). TV0, 0 là các hằng số lần lượt thể hiện sự đóng góp của các điều kiện thưa (sparse) và ràng buộc không gian TV trong bài toán (5).

Chú ý rằng hàm mục tiêu ở bài toán (5) là một hàm lồi nên ta có thể giải bằng phương pháp đạo hàm, cụ thể là sử dụng phương pháp gradient descent. Tuy nhiên, trên thực tế, cách giải như vậy lại không khả thi với bài toán ở đây bởi số lượng biến quá lớn. Do đó, một phương pháp khác hiệu quả hơn đã được đề xuất: Lời giải của bài toán (5)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 3

Ti le dong gop cua endmember 1

Pixels

Pix

els

20 40 60

10

20

30

40

50

60

70

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Ti le dong gop cua endmember 2

Pixels

Pix

els

20 40 60

10

20

30

40

50

60

70

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ti le dong gop cua endmember 3

Pixels

Pix

els

20 40 60

10

20

30

40

50

60

70

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pixels

Pix

els

20 40 60

10

20

30

40

50

60

701

2

3

4

5

6

7

8

9

10

được tìm thông qua việc giải một chuỗi các bài toán tối ưu đơn giản hơn rất nhiều sau khi cẩn thận lựa chọn cách đặt biến [4]. Trong bài báo này, nghiệm của bài toán (5) sẽ theo cách như vậy.

Để hiểu rõ hơn sự tác động của các ràng buộc về điều kiện thưa và sự tương tự lẫn nhau của các pixel lân cận (TV), ta sẽ xem xét các giá trị và TV như sau. Cụ thể, bài toán (5) có thể phân tích thành các bài toán có độ phức tạp khác nhau, tương ứng với việc sử dụng các ràng buộc khác nhau. Ta có thể chia thành 3 giải thuật có độ phức tạp tăng dần như sau:

- Thuật toán 1: TV 0 . Đây có thể xem là bài toán bình phương tối thiểu khi không xem xét điều kiện thưa và mối liên hệ không gian.

- Thuật toán 2: TV0, 0 . Ở đây, ta xét điều kiện thưa (sparse) của nghiệm X, nhưng không xét đến mối liên hệ không gian.

- Thuật toán 3: TV0, 0 . Đây là trường hợp đầy đủ của bài toán (5): Ta xét cả điều kiện thưa của nghiệm X và sự tương tự nhau của các pixel lân cận khi xét đến sự đóng góp tại các pixel này.

Ý nghĩa của các ràng buộc này sẽ được minh họa thông qua các kết quả ở Mục 4. Bên cạnh đó, ta cũng sẽ xem xét một cách cụ thể hơn ảnh hưởng của ràng buộc không gian thông qua phép toán Total Variation đến kết quả nhận dạng phổ.

3.2. Thư viện phổ

Trên đây ta giả sử thư viện phổ A đã có sẵn và ta dùng nó để giải bài toán nhận dạng phổ ở trên. Bây giờ ta sẽ mô tả cụ thể hơn về thư viện phổ này. Thực tế, xây dựng một thư viện phổ là một công việc phức tạp và đòi hỏi nhiều công sức. Hiện tại, chỉ có một số rất ít các thư viện có sẵn để có thể khai thác cho bài toán nhận dạng phổ. Trong đó, thư viện USGS là một cơ sở dữ liệu rất nổi tiếng và thường xuyên được sử dụng trong các nghiên cứu của lĩnh vực này. Thư viện USGS được cung cấp bởi cơ quan địa chất Hoa Kỳ USGS, và điều này giải thích tên gọi của thư viện này.

Thư viện USGS được tạo từ 498 vật liệu (các loại khoáng vật, quặng). Nó bao gồm phổ của các vật liệu ứng với 224 bước sóng, rải đều trong khoảng 0,4 – 2,5 µm. Thư viện này thể hiện bằng một ma trận 224×501A R . Chú ý rằng 3 cột đầu tiên dùng để thể hiện thông tin chung về thư viện này như bước sóng, độ phân giải, số kênh. Trong 498 cột tiếp theo của ma trận, mỗi cột thể hiện độ phản xạ của một loại vật liệu tại 224 bước sóng khác nhau. Chi tiết về các loại vật liệu có thể tham khảo ở tài liệu [3].

4. Thực nghiệm và kết quả

4.1. Dữ liệu nhân tạo

Để đánh giá khả năng nhận dạng phổ của phương pháp trên, ta sẽ lần lượt thử nghiệm với dữ liệu nhân tạo và dữ liệu thật (thu được từ vệ tinh). Để tạo ra dữ liệu nhân tạo, ta dùng một tập con của thư viện phổ USGS như ở [4]. Tập con này bao gồm phổ của 240 vật liệu (các loại khoáng vật, quặng khác nhau) từ thư viện USGS. Phổ của mỗi vật liệu được đo tại 224 bước sóng, rải đều trong khoảng 0,4 – 2,5 µm.

(a) (b)

(c) (d)

Hình 2. Sự đóng góp của các endmember trong dữ liệu nhân tạo: (a) Đóng góp của endmember 1; (b) Đóng góp của

endmember 2; (c) Đóng góp của endmember 3; (d) Dữ liệu mô phỏng

Dữ liệu này có kích cỡ là 75x75 pixel trải dài trên 224 bước sóng (cụ thể, mỗi bước sóng cung cấp một ảnh kích thước 75x75 pixel). Dữ liệu nhân tạo được tạo ra từ tổ hợp tuyến tính của 3 endmember được chọn lựa ngẫu nhiên từ tập con nói trên, và phải chịu điều kiện ASC (tổng bằng một) tại mỗi pixel. Hình 2d minh họa dữ liệu này. Mỗi hình vuông của hàng thứ nhất chứa một endmember (vật liệu), mỗi hình vuông của hàng thứ hai chứa hai endmember, và hàng thứ ba chứa ba endmember. Sự đóng góp của các endmember này thể hiện trong các hình 2a, b, c. Ví dụ, ô vuông thứ hai của hàng thứ nhất trong Hình 2d do endmember 2 tạo ra, do đó, ô vuông tại vị trí này trong Hình 2b có giá trị lớn (màu đỏ), trong khi đó vị trí này trong Hình 2a và 2c có giá trị nhỏ. Tương tự, ô vuông thứ hai ở hàng thứ hai trong Hình 2d được tạo nên từ endmember 2 và 3, do đó, vị trí này trong Hình 2b và 2c có giá trị lớn.

Dữ liệu nhân tạo ở trên được cộng thêm nhiễu trắng ở ba cấp độ, với tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR lần lượt là 20dB, 30dB, 40dB. Áp dụng ba thuật toán mô tả ở mục 3.1 với dữ liệu nhân tạo, ta thu được kết quả trong Bảng 1. Chất lượng của giải thuật được đánh giá thông qua tiêu chí SRE – giá trị SRE càng lớn thì càng tốt và thể hiện chất lượng của tổ hợp phổ được phục hồi càng cao [6].

Từ kết quả này ta dễ dàng thấy được sự hiệu quả của ràng buộc thưa (tham số λ), và đặc biệt là sự kết hợp với ràng buộc không gian (λTV). Tỉ số SRE tăng dần từ thuật toán 1, đến thuật toán 2 và đến thuật toán 3, và điều này đúng với các trường hợp SNR khác nhau. Tất nhiên, ta cũng dễ dàng nhận thấy từ Bảng 1 là tỉ số SNR càng lớn (nhiễu nhỏ) thì chất lượng phục hồi càng cao.

Total Variation là một phương pháp được dùng khá phổ biến trong các bài toán xử lý ảnh, đặc biệt liên quan đến bài toán khử nhiễu, nội suy, và siêu phân giải. Mục đích chính của Total Variation trong các bài toán này là khôi phục được ảnh ít bị nhiễu nhưng đồng thời giữ được độ nét tại vùng biên. Trong bài toán nhận dạng phổ hiện tại, ràng

4 Huỳnh Thị Ngọc An, Hồ Phước Tiến

1 2 3 4 5-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Vat lieu

Ti l

e d

on

g g

op

1 2 3 4 5-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Vat lieu

Ti l

e d

on

g g

op

1 2 3 4 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Vat lieu

Ti l

e d

on

g g

op

1 2 3 4 5-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Vat lieu

Ti l

e d

ong

go

p

Pixels

Pix

els

Thuat toan 3 - Ti le dong gop cua Kaolin/Smect

20 40 60

10

20

30

40

50

60

70

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Pixels

Pix

els

Ti le dong gop cua Dry Long Grass

20 40 60

10

20

30

40

50

60

700.115

0.12

0.125

0.13

0.135

0.14

0.145

Thuat toan 3 - Ti le dong gop cua Alunite

Pixels

Pix

els

20 40 60

10

20

30

40

50

60

700

0.05

0.1

0.15

0.2

Pixels

Pix

els

Thuat toan 3 - Ti le dong gop cua Alunite

20 40 60

10

20

30

40

50

60

700

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Pixels

Pix

els

Thuat toan 3 - Ti le dong gop cua Chalcedony

20 40 60

10

20

30

40

50

60

700

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Pixels

Pix

els

Ti le dong gop cua Montmorillonite+Illi CM42

20 40 60

10

20

30

40

50

60

70 0

0.005

0.01

0.015

0.02

buộc Total Variation được dùng để đảm bảo các pixel lân cận sẽ có các tỉ lệ đóng góp tương tự nhau. Điều này cũng phù hợp với thực tế là các vị trí gần nhau trên mặt đất được cấu tạo từ những vật liệu giống nhau. Kết quả từ Bảng 1 đã thể hiện được vai trò của ràng buộc Total Variation.

Bảng 1. Giá trị SRE(dB) đạt được sau khi thực hiện các thuật toán 1,2,3 khi có sự tác động của nhiễu trắng ở các

mức độ khác nhau

SNR (dB)

Thuật toán

1λ=0;λTV=0

Thuật toán

2λ=0,01;λTV=0

Thuật toán

3λ=10-3;λTV=3.10-3

20dB -6,604 0,568 1,339

30dB -0,524 4,302 9,476

40dB 4,702 15,333 26,680

Bên cạnh đó, giá trị tối ưu của λTV bằng bao nhiêu là một câu hỏi thú vị. Chú ý rằng λTV thể hiện mức độ ảnh hưởng của ràng buộc về không gian đến bài toán tối ưu (5). Lời giải chặt chẽ để tìm λTV tối ưu chắc chắn thu hút mối quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Tuy nhiên, đây là một vấn đề phức tạp và đi ra ngoài phạm vi của bài báo này. Ở đây, chúng tôi chỉ cố gắng chỉ ra sự tồn tại của một giá trị λTV tối ưu cho bài toán nhận dạng phổ. Bằng cách thay đổi λTV, trong khi cố định λ= 10-3 và SNR=30 dB, ta thấy SRE tốt nhất là 15,152dB ứng với λTV=7.10-3

(Hình 3).

Hình 3. Giá trị SRE thay đổi theo λTV

Để kiểm tra sự đóng góp của các endmember tìm được sau khi thực hiện phương pháp nhận dạng phổ, ta hiển thị tỉ lệ đóng góp tại từng pixel. Hình 4 minh họa bốn vị trí đặc biệt trong dữ liệu nhân tạo trên đây với giải thuật 3. Hình 4a thể hiện sự đóng góp tại pixel(13,13), thuộc khối vuông đầu tiên hàng thứ nhất. Ở đây chỉ có sự đóng góp chủ yếu của một vật liệu, đó là endmember1 với tỉ lệ 0,9884. Hình 4b thể hiện sự đóng góp tại pixel(63,39), thuộc khối vuông thứ 3 của hàng thứ hai. Ở đây chỉ có sự đóng góp chủ yếu của hai vật liệu, đó là endmember1 và endmember3 với tỉ lệ là (0,4789; 0,4559). Hình 4c thể hiện sự đóng góp tại pixel(63,63), thuộc khối vuông cuối cùng của hàng thứ 3, ta có sự đóng góp của cả 3 endmember với tỉ lệ (0,3642; 0,2967; 0,3201). Hình 4d thể hiện tỉ lệ đóng góp tại pixel(30,30), đây là pixel nền với sự trộn lẫn của 3 endmember theo tỉ lệ ngẫu nhiên. Những kết quả này phù hợp với dữ liệu mô phỏng ban đầu và từ đó cho thấy hiệu quả của ràng buộc Total Variation trong nhận dạng phổ, ngay cả khi có nhiễu.

(a) (b)

(c) (d)

Hình 4. Tỉ lệ đóng góp của các vật liệu tại các pixel khác nhau (thuật toán 3): (a) pixel(13,13); (b) pixel(63,39); (c)

pixel(63,63); (d) pixel(30,30)

4.2. Dữ liệu vệ tinh

Ảnh siêu phổ được sử dụng trong phần thực nghiệm với dữ liệu thật là tập dữ liệu AVIRIS Cuprite, miễn phí tại: http://aviris.jpl.nasa.gov/data/free_data.html. Ta trích một vùng có kích thước là 75x75 pixel, trải dài trên 188 tần số (một số băng tần bị nhiễu đã được loại bỏ) để phân tích. Theo đo đạc, người ta đã biết là vùng này được cấu tạo từ các vật liệu Alunite, Montmorillonite, Chalcedony… Sau đây, ta sẽ thử dùng thuật toán 3 để nhận ra các vật liệu này. Thông số được sử dụng như sau:

3 3TV10 , 7.10 , thư viện USGS với 498 loại vật liệu.

(a) Alunite GDS84 Na03 (b) Alunite HS295.3B

(c)Montmorillonite+Illi (d) Chalcedony CU91-6A

(e) Kaolin/Smect KLF508 (f) Dry_Long_Grass AV87

Hình 5. Bản đồ ước lượng tỉ lệ của các vật liệu (màu đỏ thể hiện giá trị lớn)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.052

4

6

8

10

12

14

16

LambdaTV

SR

E

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 5

Hình 5 thể hiện vị trí và tỉ lệ đóng góp của các loại vật liệu. Từ kết quả này, ta thấy thuật toán 3 đã chỉ ra được một số vật liệu chính có trong vùng đã chọn như Alunite, Montmorillonite, Chalcedony. Ta cũng chú ý rằng với dữ liệu thật từ vệ tinh, ta mới dừng lại ở mức độ đánh giá định tính, nghĩa là chỉ xác định sự hiện diện của các vật liệu trong vùng đã chọn, chứ chưa thể đánh giá định lượng do thiếu dữ liệu tham khảo (ground truth) của hỗn hợp phổ ở từng pixel. Ngoài ra, quá trình nhận dạng phổ với dữ liệu thật phức tạp hơn nhiều so với dữ liệu nhân tạo do dữ liệu quan sát được (từ vệ tinh), ngoài phổ của các vật liệu trên mặt đất, còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như cây cỏ, không khí…

5. Kết luận

Bài báo này đã tập trung vào việc nhận dạng phổ trong ảnh viễn thám siêu phổ. Loại ảnh này chứa một lượng thông tin phong phú tại hàng trăm tần số khác nhau, nhưng việc xử lý cần một phương pháp thích hợp do dữ liệu lớn của ảnh siêu phổ. Bài báo đã phân tích và từ đó thể hiện được vai trò của ràng buộc không gian, cụ thể là phương pháp Total Variation, trong vấn đề nhận dạng phổ. Kết quả thực nghiệm cho thấy tham số thể hiện ảnh hưởng của Total Variation cần được lựa chọn một cách cẩn thận để có thể cho kết quả tốt nhất.

Phương pháp nhận dạng trên đã thể hiện được sự hiệu quả với dữ liệu nhân tạo và đồng thời cũng cho thấy những kết quả hứa hẹn với dữ liệu thật. Đây có thể là cơ sở để tiếp tục được phát triển cho bài toán nhận dạng các vùng địa chất khác nhau sử dụng ảnh vệ tinh siêu phổ.

Vấn đề này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ tài nguyên và môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bioucas-Dias J., Plaza A., Dobigeon N., Parente M., QianDu, Gader P., Chanussot J., “Hyperspectral Unmixing Overview: Geometrical, Statistical, and Sparse Regression-Based Approaches”, IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens, pp. 354—379, 2012.

[2] Chen Y., Nasrabadi N. M., and Tran T., “Hyperspectral Image Classification Using Dictionary-Based Sparse Representation”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 49, no. 10, pp. 3973 – 3985, 2011.

[3] Clark, R.N., Swayze, G.A., Wise, R., Livo, E., Hoefen, T., Kokaly, R., Sutley, S.J., “USGS Digital Spectral Library splib06a”, 2007.

[4] Iordache D., Bioucas-Dias J., Plaza A, “Total Variation Spatial Regularization for Sparse Hyperspectral Unmixing”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 50, no. 11, pp. 4484 – 4502, 2013.

[5] Iordache D., Bioucas-Dias J., and Plaza A., “Collaborative Sparse Regression for Hyperspectral Unmixing”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 52, no. 1, pp. 341 – 354, 2013.

[6] Iordache D., Bioucas-Dias J., and Plaza A., “Sparse unmixing of hyperspectral data”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 49, no. 6, pp. 2014– 2039, 2011.

[7] Plaza A., Martín G., Plaza J., Zortea M. and Sánchez S., “Recent Developments in Endmember Extraction and Spectral Unmixing”, Optical Remote Sensing, Series Augmented Vision and Reality, vol.3, pp. 235-267, 2011.

[8] Ramakrishnan D. and Bharti R., “Hyperspectral remote sensing and geological applications”, Current Science, vol. 108, no. 5, pp. 879-891, 2015.

[9] Randall B. Smith, “Introduction to Hyperspectral Imaging”, MicroImages, Inc.,2012.

(BBT nhận bài: 30/11/2015, phản biện xong: 22/12/2015)

6 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ BỘ DỰ TRỮ CÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI

OPTIMAL DESIGN OF GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC – BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM

Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lnan@dut.udn.vn

Tóm tắt - Trong bài báo này, một phương pháp mới để thiết kế tốiưu hệ thống năng lượng mặt trời (Photovoltaic -PV) kết hợp với bộdữ trữ (battery energy storage system-BESS) có kết lưới. Phươngpháp tối ưu được sử dụng là tối ưu có ràng buộc. Trong đó, hàmmục tiêu được xác định là tổng chi phí nhỏ nhất của hệ thống(annual cost of the system-ACS) mà đáp ứng đầy đủ công suất chotải trong một năm cũng như sử dụng tối đa công suất phát ra củahệ thống năng lượng mặt trời thỏa mãn điều kiện vận hành, ổn địnhvà an toàn của hệ thống. Giá trị tối ưu của dung lượng của BESSvà số lượng các bản pin mặt trời cũng như công suất cưc đại củahệ thống năng lượng mặt trời sẽ được xác định bằng kết quả môphỏng và tính toán bằng phần mềm MATLAB.

Abstract - In this paper, a novel method to determine the optimaldesign of a connected- grid Photovoltaic (PV) - battery energystorage system (BESS) is proposed. The method is used as aconstrained optimization. In particular, the objectives are tominimize the annual cost of the system (ACS) with zero unmetloads as well as to maximize the usage of the PV system withrespect to the system operations, reliability and safety. Theoptimal values of the BESS capacity, the number of PV panel andthe maximum power of PV system are estimated by thesimulation and calculation results with MATLAB.

Từ khóa - hệ thống năng lượng mặt trời; bộ dự trữ năng lượng;lưới điện; chi phí hằng năm; thiết kế tối ưu

Key words - PV system; battery energy storage system;grid;annual cost of the system; optimal design

1. Đặt vấn đề Ngày này, với sự nóng lên của khí hậu toàn cầu gây ra

bởi hiệu ứng nhà kính cùng với sản lượng nhiên liệu hóa thạch ngày càng giảm và giá thành ngày càng tăng, việc sử dụng năng lượng thay thế, tái tạo như là một giải pháp được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với bộ lưu trữ có thể kết nối với lưới đang được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Trong hệ thống này, nếu điện năng được phát ra bởi hệ thống mặt trời không đủ để cung cấp cho phụ tải thì sản lượng điện thiếu hụt sẽ được cung cấp bởi lưới điện. Ngược lại, nếu lượng điện năng được tạo ra bởi hệ thống mặt trời lớn hơn giá trị yêu cầu của phụ tải thì lượng điện năng thừa sẽ được bán cho lưới điện với giá đã được định trước.

Tối ưu thiết kế cho một hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với bộ dự trữ được kết nối với lưới đã được nghiên cứu trong thời gian gần đây. Chẳng hạn, trong [1], một phương pháp cho việc tối ưu thiết kế và phân tích kinh tế cho hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới được đưa ra. Trong đó, giá trị tối ưu được đưa ra là số lượng, kiểu của các panel mặt trời và các bộ chuyển đổi. Một phương pháp tối ưu thiết kế cho một hệ thống PV-BESS cho một lưới điện cô lập được giới thiệu trong [2]. Kết quả được ghi nhận là giá trị tối ưu của công suất định mức của PV và dung lượng của BESS.

Phương pháp trí tuệ nhân tạo (artificial intelligent_ AI) được sử dụng để tối ưu cấu trúc trong hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới. Trong [3], tác giả sử dụng thuật toán di truyền để xác định tối ưu vị trí và dung lượng của hệ thống năng lượng mặt trời có kết nối với lưới. Bên cạnh đó, thuật toán bầy đàn (PSO) cũng được sử dụng để tối ưu thiết kế hệ thống hybrid của năng lượng

mặt trời có kết lưới [4]. So sánh giữa 2 phương pháp PSO và GA để đề ra phương pháp hiệu quả.

Phương pháp lặp cũng được sử dụng để tìm tối ưu thiết kế cho hệ thống năng lượng măt trời. Trong [5], tác giả sử dụng phương pháp lặp để tính tối ưu thiết kế cho một hệ thống hybrid năng lượng gió và mặt trời (HPWS) với bộ dự trữ. Một giải pháp tối ưu bằng phương pháp lặp khác được đề cập trong [6], [7]. Trong đó, dung lượng của hệ thống HPWS được tính toán tối ưu đảm bảo được những yêu cầu về tính ổn định của hệ thống. Trong [8], tác giả đưa ra một phương pháp lặp để tối ưu dung lượng của các thành phần của hệ thống HPWS kết hợp với bộ dự trữ.

Trong bài báo này, thiết kế tối ưu cho một hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới được giới thiệu. Trong đó, tác giả sử dụng phương pháp lặp để tìm tối ưu của hệ thống trên với hàm mục tiêu là chi tiêu hàng năm của hệ thống (annual cost of system- ACS) và thỏa mãn các điều kiện về tỉ số sử dụng năng lượng mặt trời, tỉ số công suất thừa trong hệ thống và các ràng buộc về điều kiện vận hành cũng như giới hạn về dung lượng của các thành phần trong hệ thống. Quá trình tính toán thiết kế tối ưu hệ thống được thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, bằng phương pháp lặp, chúng ta tìm được những thiết kế của hệ thống mà đảm bảo điều kiện đáp ứng đủ cho yêu cầu của phụ tải và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật. Sau đó, những thiết kế này được đánh giá dựa vào hàm chi tiêu hàng năm và các ràng buộc khác để tìm ra thiết kế tối ưu. Kết quả đạt được sẽ đánh giá tính hiệu quả của phương pháp đưa ra.

2. Cấu trúc của hệ thống

Trong phần này, một hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới được thể hiện trong Hình 1.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 7

2.1. Nguồn mặt trời (PV)

Trong phần này, công suất ra của nguồn năng lượng mặt trời được biểu diễn là hàm của diện tích, bức xạ và hiệu suất của nó. Công thức biểu diễn như sau:

PPV(t)=.Ap.NPV.E(t) (1)

Trong đó:

: hiệu suất chuyển đổi năng lượng (%);

Ap: diện tích của mỗi tấm pin;

NPV: số lượng tấm pin mặt trời;

E(t): bức xạ của mặt trời.

Ở đây, các tấm PV được sử dụng là loại Photowatt PW230-235 (235W). Các bức xạ mặt trời của ngày mùa hè và mùa đông được hiển thị trong Hình 2 (dữ liệu được thu thập ở vùng Alpes-Pháp vào ngày 10/1/2014 và ngày 10/7/2014).

Hình 2. Bức xạ mặt trời trong một ngày mùa hè và một ngày mùa đông

2.2. Lưới điện (grid)

Điện năng có thể được cung cấp bởi lưới hệ thống, nếu tổng năng lượng các nguồn từ PV và bộ dự trữ là không đủ cung cấp cho tải. Ngược lại, nếu tổng năng lượng từ PV lớn hơn yêu cầu từ tải thì lượng điện năng thừa sẽ được bán cho lưới (khi giá thành cao) hoặc nạp cho bộ dữ trữ (khi giá thành thấp).

Công suất trao đổi với lưới hệ thống (Pgrid(t)) phải được giới hạn như sau:

- Pgrid (t) > 0: Công suất được cấp từ lưới hệ thống và có ràng buộc như sau:

Pgrid (t) ≤ Pgrid max (2)

- Pgrid (t) < 0: Công suất được bán cho hệ thống và có ràng buộc như sau:

Pgrid (t) ≥ Pgrid min (3)

Giá thành mua bán điện hàng ngày được sử dụng để tính toán trong bài báo này (lấy ở vùng Alpes-Pháp ngày 10/1/2014 và ngày 10/7/2014) được thể hiện trong Hình 3

Hình 3. Giá thành mua điện trong ngày mùa hè và mùa đông

2.3. Bộ dự trữ (BESS)

Trạng thái nạp/xả của bộ dự trữ phụ thuộc vào chiến lược vận hành của hệ thống. BESS sẽ được nạp khi tổng nguồn từ PV và từ nguồn hệ thống về lớn hơn tải hoặc khi giá thành thấp. Ngược lại, nếu tổng nguồn PV là không đủ thì BESS sẽ được xả để cung cấp cho tải

Trạng thái nạp/xả của BESS được tính như sau:

SOC= C(t)

Cref (4)

Trong đó:

C(t) và Cref: Dung lượng BESS tại thời điểm t và dung lượng tham chiếu.

Trạng thái nạp xả SOC (t) được đánh giá bằng giá trị SOC thời điểm trước đó (t-1) và lượng công suất thêm vào hay bớt đi trong khoảng thời gian từ t-∆t đến t. Trạng thái nạp xả vào thời gian được tính theo công thức:

SOC t =SOC t-1 + PPV t + Pgrid t –PL t

Cref.∆t (5)

Trong đó:

∆t: một khoảng thời gian đơn vị, ∆t = 1 (1 giờ)

Hàm ràng buộc liên quan SOC được thể hiện:

SOCmin ≤ SOC(t) ≤ SOCmax (6)

2.4. Phụ tải

Trong bài báo này, tác giả sử dụng đặc tính phụ tải ngày của một ngày mùa hè và mùa đông như trong Hình 4 (số liệu phụ tải của vùng Alpes-Pháp ngày 10/1/2014 và ngày 10/7/2014)

Hình 4. Công suất của phụ tải trong một ngày mùa hè và một ngày mùa đông

3. Tối ưu thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới

3.1. Hàm mục tiêu

Hàm mục tiêu là hàm chi phí hàng năm của hệ thống (ACS). Hàm chi phí này bao gồm các vốn đầu tư ban đầu và chi phí hoạt động trong suốt thời gian của dự án và lợi nhuận từ việc bán điện lại cho lưới điện. Trong bài báo này, tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống được coi là

Lưới điện

Nguồn Mặt trời

Bộ dữ trữ

Phụ tải

DC AC

DC AC

AC

BUS

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

Time (h)

So

lar

rad

iatio

n (

W/m

2)

Summer day

0 5 10 15 20 250

200

400

600

800

Time (h)

Sol

ar r

adia

tion

(W/m

2)

Winter day

0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Time(h)

Tar

if ($

US

/kW

h)

Winter day

0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Time(h)

Tar

if($U

S/k

Wh)

Summer day

0 5 10 15 20 2510

15

20

25

30

35

40

45

50

Time(h)

Pow

er (

kW)

Summer day

0 5 10 15 20 2510

15

20

25

30

35

40

45

50

Time(h)

Pow

er(k

W)

Winter day

Hình 1. Hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới

8 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung

như nhau, ngoại trừ bộ dự trữ năng lượng BESS (vì nó sẽ được thay thế trong thời gian dự án).

Các chi phí hàng năm của hệ thống bao gồm:

- Chi phí lắp đặt hệ thống PV, BESS, và inverter;

- Chi phí thay thế thiết bị trong suốt thời gian vận hành của hệ thống;

- Chi phí bảo trì hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống dự trữ năng lượng;

- Chi phí mua điện từ lưới;

- Lợi nhuận từ việc bán điện cho lưới.

Chi phí hàng năm của hệ thống (annual cost of system -ACS) bao gồm các vốn đầu tư quy đổi hàng năm (annual capital cost-ACC), chi phí bảo dưỡng hàng năm (annual operation maintenance -AOM), chi phí thay thế hàng năm (annual replacement cost-ARC), chi phí mua điện hàng năm (annual buying cost-ABC) và lợi nhuận thu được hàng năm do bán điện (annual selling cost-ASC). ACS được tính như sau:

ACS = ACC+AOM+ARC+ABC-ASC (7)

- Chi phí vốn hàng năm của hệ thống PV, BESS và inverter được tính theo công thức sau:

ACC = Ccap. CRF(i,y) (8)

Trong đó: CRF = i.(1+i)y

(1+i)y-1 (9)

Ccap: giá thành vốn đầu tư (US $)

CRF: hệ số thu hồi vốn

y: thời gian dự án

i: lãi suất thực hàng năm

Lãi suất thực hàng năm có thể được tính như sau:

i =i'-f

1+f (10)

i ': lãi suất cho vay (%)

f: tỷ lệ lạm phát hàng năm (%)

- Chi phí vận hành hàng năm:

AOM = Ccap (11)

λ: độ tin cậy của các thành phần

- Chi phí thay thế hàng năm:

ARC = Crep.SFF (i,yrep) (12)

Trong đó: Chi phí thay thế của hệ thống dự trữ: Crep

SFF: hệ số vốn đầu tư chìm (quỹ hoàn trái), nó có thể được tính như sau:

SFF =i

1+i y-1 (13)

- Chi phí mua điện hàng năm (∆t=1h):

ABC= ∑ tariff. Pgridsupply8760

t=1 (14)

- Lợi nhuận thu được từ bán điện (∆t=1h):

ASCfeed-in= ∑ ratefeed-in. Pgridfeed-in8760

t=1 (15)

Trong đó: ratefeed-in: tỉ giá bán điện

Pgridfeed-in

: công suất thừa bán lại cho lưới

3.2. Hàm ràng buộc

* Điều kiện ràng buộc về số lượng và dung lượng

- Số lượng tấm pin mặt trời PV (NPV): Số lượng pin mặt trời PV có thể được giới hạn trong khoảng từ 0 đến số lượng lớn nhất của các tấm pin PV cần thiết tương ứng với hệ thống các tấm pin PV hoạt động độc lập, có thể đáp ứng đủ cho nhu cầu phụ tải. Vì vậy, số lượng NPV phải thỏa điều kiện sau:

0 ≤ NPV ≤EL-ngày

η.W.Giờgiờ nắng/ngày

(16)

η: hiệu suất tổn hao chuyển đổi

W: công suất đầu ra kì vọng của PV

Giờ nắng/ngày: Số giờ nắng trung bình mỗi ngày

- Dung lượng BESS (Cb): Dung lượng của BESS (kWh) được tính bằng phương trình như sau:

Cb =EL-ngày.D

DOD.ηb (17)

D: số ngày BESS vận hành độc lập

DOD: độ sâu phóng điện %

Công suất của BESS được giới hạn từ 0 (không dùng BESS) đến giá trị sao cho BESS vận hành độc lập cũng cung cấp đủ nhu cầu phụ tải trong 5 ngày. Giá trị này có nghĩa là trong suốt thời gian này, BESS đủ công suất để cung cấp đủ nhu cầu của phụ tải mà không có PV và lưới. Do vậy, dung lượng của BESS phải thỏa điều kiện sau:

0≤Cb ≤5.EL-ngày

DOD.ηb (18)

* Ràng buộc trong vận hành

Các ràng buộc trong vận hành được tóm tắt như sau

PL(t)= PPV(t)+PB(t)+Pgrid(t) (19)

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax (20)

PBmin≤PB(t)≤PBmax (21)

Pgridmin≤Pgrid(t)≤ Pgrid

max (22)

Các ràng buộc 19, 20, 21 có thể được thể hiện qua một chiến lược vận hành với mục tiêu:

+ Sử dụng tối đa công suất từ các nguồn năng lượng tái tạo;

+ Hạn chế công suất trao đổi với lưới;

+ Tối ưu lợi nhuận mua bán với lưới.

Chiến lược vận hành được thể hiện như sau:

* PPV(t)>PL(t):

Lượng điện năng dư thừa PPV(t)-PL(t) (do ∆t=1h) sẽ được nạp cho BESS hoặc bán lại cho lưới như sau:

- Nếu PPV(t)-PL(t)>PB-ch(t) = (CB_max - CB(t))/t, bộ dự trữ sẽ được nạp đầy, và thừa sẽ bán cho lưới (Pgrid< 0)

Pgrid(t)= -PPV(t)+PL(t)+ PB-ch(t) (23)

- Nếu PPV(t)-PL(t) <PB-ch(t), bộ dự trữ BESS sẽ được nạp (PB< 0) với giá trị:

PB(t) = -PPV(t)+PL(t) (24)

* PPV(t)<PL(t):

Lưới hoặc BESS sẽ cung cấp lượng điện năng còn thiếu:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 9

- Nếu lượng điện năng còn thiếu PL(t)-PPV(t) là nhỏ hơn năng lượng còn lại của BESS

(PB-disch(t) = (CB(t)-CB_min)/ t);

+ Nếu giá thành nhỏ hơn giá trung bình ngày (Tarif< average tarif), BESS sẽ xả để đáp ứng lượng điện năng còn thiếu;

PB(t) = PL(t)-PPV(t) (25)

+ Nếu giá thành lớn hơn giá trung bình ngày (Tarif >average tarif), BESS sẽ xả để đáp ứng lượng điện năng còn thiếu và bán điện năng còn thừa cho lưới cho đến khi SOC = SOCmin.

Pgrid(t)= -PB-disch(t) + PL(t)-PPV (t) (26)

- Nếu PL(t)-PPV(t) >PB-disch(t), BESS sẽ xả với một lượng PB-disch(t) và điện năng còn thiếu sẽ được cung cấp từ lưới điện.

Pgrid(t)=PL(t)-PPV(t)-PB(t) (27)

* Các điều kiện ràng buộc khác

Để sử dụng tối đa lợi ích năng lượng tái tạo mang lại, tỉ lệ năng lượng tái tạo và tỷ lệ công suất dư thừa được xem xét trong quá trình tối ưu.

- Tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo (Renewable energy fractions-FR)

Tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng tái tạo và tổng năng lượng của hệ thống.

FR= ERE

ERE+PGrid=

Esolar

Esolar+EGrid (28)

Trong đó 0 ≤ FR ≤ 1, nếu FR=0 có nghĩa là phụ tải được cung cấp điện chỉ bằng lưới điện và nếu FR=1 nghĩa là phụ tải được cung cấp hoàn toàn bởi nguồn năng lượng tái tạo.

FRdesign ≤ FR ≤ 1 (29)

- Tỉ lệ năng lượng dư thừa (Excess energy ratio-EER): Tỷ lệ năng lượng dư thừa là tỉ số giữa năng lượng thừa (hiệu số của năng lượng tái tạo với giá trị yêu cầu của phụ tải) và tổng năng lượng của các nguồn trong hệ thống.

EER= Eexcess

ERE+Egrid=

Eexcess

Esolar+EGrid (30)

Tỷ lệ năng lượng dư thừa phải nhỏ hơn giá trị thiết kế.

0 ≤ EER ≤ EERdesign (31)

4. Kết quả tính toán và mô phỏng

Một chương trình dựa trên phần mềm MATLAB được xây dựng để tính toán thiết kế tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới. Các dữ liệu về bức xạ của mặt trời, giá thành mua bán điện và thông số của phụ tải được thể hiện ở các Hình 2, 3, 4 và các thông số về kinh tế được thể trên Bảng 1 (các dữ liệu được lấy từ vùng Alpes-Pháp). Tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo (FRdesign) trên tổng các nguồn cung cấp được đặt ở mức 0,5 và 0,25 tương ứng cho ngày mùa hè và ngày mùa đông. Tỷ lệ năng lượng dư thừa (EERdesign) trong tất cả các ngày được chọn là 0,01. Các tấm pin mặt trời PV được sử dụng là loại Photowatt PW230-235 (235W).

Bảng 1. Dữ liệu về kinh tế

Thời gian dự án (năm) 20

Lãi suất i '(%) 3

Tỷ lệ lạm phát (%) 1,6

Tuổi thọ PV (năm) 20

Tuổi thọ inverter (năm) 20

Tuổi thọ Pin (năm) 10

Giá thành của panel PV (US $ / W) 0,92

Giá thành của bộ dự trữ (US $ / kWh) 200

Giá thành của inverter (US $ / kW) 1000

Thiết kế tối ưu của hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới cùng với so sánh khi chỉ dùng lưới điện hệ thống được thể hiện trong Bảng 2. Hệ thống tối ưu bao gồm 440 tấm pin mặt trời loại PW230-235 (công suất phát cực đại của hệ thống năng lượng mặt trời là 103,4kW), bộ dự trữ BESS có dung lượng 295kWh. Dựa vào bảng chúng ta cũng nhận thấy rằng tổng chi phí trong một năm được xác định là 36.558($US). Trong khi đó, nếu mua điện trực tiếp từ lưới thì giá trị này là 46.084 ($US). Do vậy, từ đây chúng ta cũng có thể kết luận rằng về mặt kinh tế hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới kinh tế hơn (giá điện trung bình năm 0,145$US so với 0,183 $US).

Bảng 2. Kết quả tính toán

Hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới Lưới điện

Công suất cực đại của hệ thốngnăng lượng mặt trời (kW)

103.4 (440x235)

Dung lượng BESS (kWh) 295

SOCmin (%) 20

SOCmax (%) 90

Điện năng của phụ tải trong 1 năm (kWh) 250960 250960

Tổng chi phí 1 năm (US$) 36558 46084

Giá điện trung bình năm (US$/kW) 0,145 0,183

Phân bố công suất của hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới và phụ tải trong một ngày mùa hè và ngày mùa đông được thể hiện tương ứng trong Hình 5, 6. Chúng ta cũng có thể thấy rằng, phụ tải luôn được cấp đầy đủ và không có tải nào bị sa thải khi sử dụng hệ thống được thiết kế tối ưu. Từ Hình 5, trong nhưng giờ đầu tiên của ngày, phụ tải được cung cấp bởi lưới điện; sau đó, khi năng lượng mặt trời đủ cung cấp cho tải thì hệ thống không nhận công suất từ lưới, và công suất thừa sẽ được nạp cho bộ dự trữ. Tiếp theo, công suất thừa sẽ được bán cho lưới tại những giờ cao điểm. Và cuối cùng, phụ tải được cấp bởi bộ dự trữ cho đến 10h đêm, và nhận từ lưới và BESS trong thời gian cuối ngày. Trong khi đó, trong một ngày mùa đông khi thời lượng có nắng ít hay công suất phát ra từ hệ thống năng lượng mặt trời không cao, phụ tải chủ yếu nhận điện từ lưới. Tuy nhiên, bộ dự trữ cũng được nạp trong 3h từ 11am-2pm và xả 3pm-5pm, trong khi đó phụ tải không nhận điện từ lưới trong 5 giờ từ 11am-4pm.

10 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung

Hình 5. Phân bố công suất tối ưu trong một ngày hè

Hình 6. Phân bố công suất tối ưu trong một ngày đông

Trạng thái hoạt động nạp xả của bộ dự trữ được thể hiện rõ trong Hình 7.

Hình 7. Trạng thái nạp xả của bộ dự trữ trong ngày hè và ngày đông

Chúng ta có thể nhận thấy rằng giá trị SOC luôn nằm trong giới hạn cho phép, do vậy bộ dự trữ được điều khiển và vận hành tốt sẽ giúp tăng tuổi thọ hoạt động của nó.

5. Kết luận

Bài báo đã trình bày một phương pháp để tính toán thiết kế tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới. Phương pháp tối ưu có ràng buộc được sử dụng và xây dựng trên phần mềm Matlab để tìm ra dung lượng tối ưu của bộ dự trữ, số lượng pin mặt trời cũng như công suất cực đại lớn nhất của hệ thống năng lượng mặt trời. Kết quả mô phỏng phân bố công suất của hệ thống trong một ngày cũng thể hiện được hệ thống vận hành ổn định, an toàn, tận dụng được tối đa công suất từ nguồn tái tạo và hạn chế lượng công suất lấy từ lưới. Từ những kết quả đạt được đã chứng tỏ rằng, một hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới là kinh tế và hiệu quả hơn so với việc chỉ nhận điện từ lưới. Từ đây, đề xuất được một giải pháp sử dụng năng lượng tái tạo cho hệ thống điện Việt Nam phù hợp với xu thế của toàn cầu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Kornelakis, A., and E. Koutroulis. "Methodology for the design optimisation and the economic analysis of grid-connected photovoltaic systems", IET Renewable Power Generation, vol. 3, no 4, p. 476-492, 2009.

[2] Kaldellis, J. K., D. Zafirakis, and E. Kondili. "Optimum sizing of photovoltaic-energy storage systems for autonomous small islands", International journal of electrical power & energy systems vol. 32, no 1, p. 24-36, 2010.

[3] Hernández, J. C., A. Medina, and F. Jurado. "Optimal allocation and sizing for profitability and voltage enhancement of PV systems on feeders", Renewable Energy 32.10 (2007): 1768-1789.

[4] Kornelakis, Aris, and Yannis Marinakis. "Contribution for optimal sizing of grid-connected PV-systems using PSO", vol. 35, no 6, p. 1333-1341, 2010.

[5] S. Diaf, M. Belhamelb, M. Haddadic, A. Louchea, “Technical and economic assessment of hybrid photovoltaic/wind system with battery storage in Corsica Island”, Energy Policy, 36 (2) (2008), pp. 743–754.

[6] H.X. Yang, J. Burnett, L. Lu, “Weather data and probability analysis of hybrid photovoltaic/wind power generation systems in Hong Kong”, Renewable Energy, 28 (2003), pp. 1813–1824.

[7] H.X. Yang, L. Lu, W. Zhou, "A novel optimization sizing model for hybrid solar–wind power generation system”, Solar Energy, 81 (1) (2007), pp. 76–84.

[8] A. Kaabeche, M. Belhamel, R. Ibtiouen, “Sizing optimization of grid-independent hybrid photovoltaic/ wind power generation system”, Energy, 36 (2011), pp. 1214–1222.

(BBT nhận bài: 20/12/2015, phản biện xong: 25/12/2015)

0 5 10 15 20 25

-50

0

50

100Ngày mùa dong

Thoi gian (h)

Con

g su

at (

kW)

LoadsGridBESSPV

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1Ngày mùa hè

Thoi gian (h)

SO

C

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1Ngày mùa dong

Thoi gian (h)

SO

C

0 5 10 15 20 25-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100Ngày mùa hè

Thoi gian (h)

Con

g su

at (

kW)

Loads

GridBESS

PV

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 11

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG - KÍCH THƯỚC MŨ CỘT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA SÀN PHẲNG

BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC RESEARCH ON INFLUENCE OF FORMS – DIMENSIONS OF HEAD COLUMNS

ON THE WORK AND BEARING CAPACITY OF PRESTRESSED CONCRETE FLAT SLABS

Trương Hoài Chính

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; thchinh@dut.udn.vn

Tóm tắt - Sàn bê tông ứng lực trước căng sau là giải pháp kếtcấu được ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng. Tuynhiên với giải pháp sàn phẳng, các vị trí liên kết giữa cột và bảnsàn với kích thước bề dày của bản sàn khá nhỏ dẫn đến sàn sẽdể bị phá hoại do chọc thủng. Để tăng cường khả năng chốngchọc thủng sàn, có thể tạo ra mũ cột hoặc tạo bản đầu cột (tăngchiều dày cục bộ tại vị trí các đầu cột). Các hình dạng mũ cột đềucó những ưu nhược, tính toán tiết diện tháp chọc thủng cũngkhác nhau, ảnh hưởng đến độ võng và khả năng chịu lực củabản sàn. Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng các loại mũ cột, cụthể là mũ cột dạng chóp cụt và dạng bản đầu cột, dùng Tiêuchuẩn ACI 318-2008 tính toán sàn phẳng ứng lực trước và xemxét, so sánh khả năng chống chọc thủng với việc chọn cố định bềdày sàn đảm bảo độ võng và khả năng chống cắt, mang lại hiệuquả sử dụng cao cho kết cấu.

Abstract - Pre-stressed concrete floor is one of the structuralsolutions which are increasingly popular in the construction ofbuildings. However with flat slabs, at the connection between thecolumn and the floor, the small thickness of slabs will lead to theirbeing easily destroyed by punching shear. To strengthen floorpuncture resistance floor, we can make a head column or droppanel (to the larger thickness at the location of the head column).The form structure of head columns has its different strengths andlimitations; calculations of section of tower punche are alsovarious, which affects the deflection and the bearing capacity ofthe floor. This article studies and compares the influence of headcolumn forms. The ACI 318-2008 standard is used to calculate apre-stressed flat slab structure, consider, and compare punctureresistance corresponding to the fixed selection of floor thicknessto ensure deflection and cutting resistance of the floor, providinghigh efficiency of the structure.

Từ khóa - sàn phẳng bê tông ứng lực trước; lực chọc thủng; độvõng; mũ cột; bản đầu cột.

Key words - pre-stressed concrete flat slab; punching shear;deflection; head column; drop panels.

1. Đặt vấn đề

Sàn bê tông ứng lực trước căng sau là một trong những giải pháp kết cấu được ứng dụng ngày càng phổ biến trong các công trình xây dựng. Để thỏa mãn được các yêu cầu về công năng và thẫm mỹ của không gian kiến trúc thì các yêu cầu về cấu tạo trong kết cấu cũng phải được quan tâm. Tuy nhiên với giải pháp sàn phẳng, tại các vị trí liên kết giữa cột và bản sàn, kích thước bề dày của bản sàn khá nhỏ dẫn đến sàn sẽ dể bị phá hoại do chọc thủng.

Có nhiều giải pháp kết cấu để tăng cường khả năng chống cắt của sàn, trong đó việc sử dụng các dạng cấu tạo mũ cột khác nhau (cột có mũ cột, bản đầu cột...) sẽ làm thay đổi các giá trị kích thước của sàn phẳng, đặc biệt là bề dày sàn. Do vậy, vấn đề cần đặt ra đối với các kỹ sư kết cấu công trình xây dựng là chọn giải pháp cấu tạo mũ cột (ngoài việc thỏa mãn yêu cầu kiến trúc hợp lý về giải pháp kết cấu trong thực tế thiết kế), đặc biệt với những công trình xây dựng có nhịp lớn sử dụng phương án sàn phẳng bê tông ứng lực trước.

2. Cơ sở tính toán khả năng chống chọc thủng bản sàn bê tông ứng lực trước

2.1. Xác định tiết diện tới hạn [1, 3, 5]

Theo Tiêu chuẩn ACI 318–2008, khi tính toán thiết kế sàn phẳng cần chú ý kiểm tra khả năng chịu cắt tại hai vị trí:

- Sàn một phương (Wide-beam action): Diện tích sàn làm việc như dầm rộng (bẹt), hay truyền lực cắt theo 1 phương.

- Sàn hai phương (Two-way action): Diện tích sàn làm việc theo hai phương.

Với loại “wide-beam action” thì coi sàn làm việc như một dầm rộng có bề rộng là khoảng giữa các cột. Tiết diện tới hạn kéo dài trong một mặt phẳng ngang qua toàn bộ bề rộng của sàn và cách bề mặt gối tựa một đoạn là d, với d là chiều cao hiệu dụng của sàn.

Với loại “two-way shear” (lực cắt chọc thủng) nói chung là nguy hiểm hơn “wide-beam action”. Tùy thuộc vào vị trí của cột, tải trọng tập trung, phản lực mà phá hoại có thể xảy ra theo 2, 3 hoặc 4 phía của hình nón cụt hoặc tháp cụt. Mặt phá hoại kéo dài từ phía dưới sàn chỗ biên gối tựa cột đến mặt trên với góc nghiêng so với phương mặt phẳng sàn là , phụ thuộc vào bản chất và số lượng cốt thép trong bản sàn và nằm trong khoảng = 20° ÷ 45°.

Hình 1. Tháp chọc thủng theo Tiêu chuẩn ACI 318-2008

2.2. Cường độ chịu cắt yêu cầu khi tính toán chọc thủng (two-way action) [1, 4, 5]

Theo Tiêu chuẩn ACI 318-2008 sàn phẳng cần được tính toán chống nén thủng theo điều kiện:

Vc ≥Vu

Trong đó:

- Vu: là lực cắt đã nhân hệ số tại tiết diện được xét

12 Trương Hoài Chính

do tải trọng ngoài tác dụng.

-: hệ số giảm cường độ. =0,75; giá trị này được quy định trong mục 9.3.2.3 của Tiêu chuẩn ACI 318-2008.

2.3. Kiểm tra độ võng sàn [1, 5]

2.3.1. Độ võng ngắn hạn

Đối với sàn hai phương, độ võng tại điểm giữa của tấm có thể được tính toán tổng cộng độ võng của hai dải dầm trực giao. Để tính toán độ võng ngắn hạn của dải dầm này, có thể sử dụng các công thức như trong Hình 2. a, b, c, d.

Hình 2. Sơ đồ xác định độ võng

(a) (b)

(c) (d)

Trong đó:

- ∆ là độ võng;

- w là tải trọng tác dụng;

- l là nhịp dầm;

- EI là độ cứng dầm.

2.3.2. Độ võng dài hạn

Độ võng do tải trọng dài hạn gây ra được tính toán bằng cách nhân độ võng ngắn hạn do tải trọng này gây ra với hệ số từ biến Cc.

501

cC

trong đó:

- là hệ số phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải

trọng và được tra bảng.

- ρ là hàm lượng cốt thép chịu nén.

2.3.3. Độ võng tổng cộng

(2.28)

Trong đó:

- e là độ võng ngắn hạn do toàn bộ tải trọng dài hạn gây ra.

- suse, là độ võng ngắn hạn do tải trọng dài hạn gây ra.

3. Ví dụ tính toán

Xét một mặt bằng sàn như Hình 3. Theo phương X gồm 3 nhịp, mỗi nhịp 11m. Phương Y gồm 3 nhịp, mỗi nhịp 11m. Chiều cao tầng hc = 3,3m. Tiêu chuẩn áp dụng để tính toán: Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2008.

Hình 3. Sơ đồ mặt bằng

3.1. Các thông số đầu vào

-Bê tông có f’c = 26MPa.

-Cường độ bê tông tại thời điểm căng cáp tạo ứng lực trước: f’

ci = 0,75f’c = 19,5MPa.

-Cáp T15 không dính kết có các đặc trưng sau:

+ Diện tích danh định Aps = 140mm2 = 1,4cm2

+ Giới hạn bền của thép fpu = 1860MPa

+ Giới hạn chảy fpy = 1690MPa

+ Mô đun đàn hồi của thép: Eps = 2,0.105 MPa

-Thiết bị tạo ứng lực trước với độ chuyển dịch neo cho phép là 6mm.

-Chọn ứng suất căng trước fpi = 0,75fpu = 1395Mpa.

Thỏa mãn theo yêu cầu của Tiêu chuẩn ACI là không được lớn hơn 0,94fpy và 0,8fpu

-Thép thường có cường độ: fy = 400Mpa.

3.2. Chọn bề dày bản

Đối với bản sàn phẳng có cốt thép chịu ứng lực trước có bản đầu cột được tính theo công thức:

3/1

1

1

2

2

1.

65

qk

l

l

h

l

b

Tính toán hb = 0,23m, Chọn hb = 0,24m.

3.3. Kiểm tra khả năng chịu cắt và độ võng theo Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2008 [5]

3.3.1. Đối với mũ cột dạng bản đầu cột

- Bề dày của bản đầu cột d2 được tăng thêm ít nhất bằng ¼ chiều dài bản ở giữa ô được xác định theo công thức:

22 4

2 4 3 04 4

dd d c m

1. Chọn d2 = 30cm.

- Kích thước của bản đầu cột theo Tiêu chuẩn không nhỏ hơn 1/3 cạnh nhỏ của ô bản, sơ bộ chọn:

mLbb 7,33

11

3

121

2. Chọn b1 x b2 = 3,7 x 3,7m.

l l l

w

w

w

(a)

(b)

(c)

(d)

EI

wl 4

.384

1

EI

wl 4

.384

65,2

EI

wl 4

.384

8,3

EI

wl 4

.384

6,2

1100

01

1000

1100

0

11000 11000 11000

3300

0

33000

susecet c ,

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 13

Hình 4. Mặt cắt 2 đáy của tháp chọc thủng

theo Tiêu chuẩn ACI 318-2008

a. Tính toán chống nén thủng

Theo Tiêu chuẩn ACI 318-2008 sàn phẳng cần được tính toán chống nén thủng theo điều kiện:

cu VV

Kết quả tính toán với: Vu = 1516,45 KN;

Vc = min (Vc1,Vc2,Vc3) = 3668,35 KN;

Vu =1516,450 < ϕVc = 0,75.3668,35=2751,26 KN;

Vậy điều kiện chống nén thủng được đảm bảo.

b. Tính toán độ võng sàn

Độ võng tổng cộng được tính theo công thức:

susecet c ,

1. Độ võng tổng cộng tại giữa ô bản là:

mc susecet33

, 10.57,710).66,491,2(

2. Thỏa mãn yêu cầu về độ võng.

3.3.2. Đối với mũ cột dạng chóp cụt

Hình 5. Mặt cắt 2 đáy của tháp chọc thủng

theo Tiêu chuẩn ACI 318-2008

- Bề dày của mũ cột d2 được tăng thêm ít nhất bằng ¼ chiều dài bản ở giữa ô được xác định theo công thức:

cmd

dd 304

2424

42

1. Chọn d2 = 30 cm

- Kích thước của mũ cột sơ bộ chọn dựa trên góc nghiêng 45o so với phương ngang (Hình 5):

mmmbb 2,11200300.260021 2. Chọn b1 x b2 =1,2 x 1,2 m

a. Tính toán chống nén thủng

Kết quả tính toán tương tự:

Vu = 1583,45 KN

Vc =min (Vc1,Vc2,Vc3) = 1832,10 KN

Vu =1583,450 > ϕVc = 0,75.1832,10=1374,32 KN

Vậy điều kiện chống nén thủng không được đảm bảo.

b. Tính toán độ võng sàn

Độ võng tổng cộng tại giữa ô bản là:

mc susecet23

, 10.46,210).1,1546,9(

480

110.23,2

11

10.46,2 32

LLt

1. Điều kiện về độ võng không được thỏa mãn.

3.4. So sánh kết quả tính toán và nhận xét

Trong bài báo này, tác giả tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng hình dáng, kích thước của mũ cột đến khả năng chịu lực và làm việc của sàn phẳng bê tông ứng lực trước, qua kết quả của ví dụ tính toán xây dựng các biểu đồ quan hệ giữa các đại lượng như bề dày bản mũ cột, kích thước mũ cột với độ võng và lực cắt tới hạn nhằm đảm bảo sự làm việc và khả năng chịu lực của bản sàn phẳng bê tông ứng lực trước có mũ cột. Ví dụ chỉ xét đến sự thay đổi kích thước của bản đầu cột và của mũ cột.

- Xây dựng được biểu đồ quan hệ trên Hình 6; 7; 8; 9.

Hình 6. Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt với kích thước mũ cột dạng bản đầu cột

20-45

ddd

20-45

ddd

Vùng mất an toàn về độ võng [Δ]=22,8

1575,4

1572,7 1570,1 1567,4 1564,71539,7

1594,8

1649,9

1704,9

1760

1400

1450

1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

Lực

cắt

(KN

)

Kích thước bản đầu cột (m)Lực cắt do tải trọng

ngoài

480

110.06,4

11

10.47,4 54

LLt

Hình 7. Biểu đồ quan hệ giữa độ võng với kích thước mũ cột dạng bản đầu cột

14 Trương Hoài Chính

Hình 8. Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt với kích thước mũ cột dạng chóp cụt

Hình 9. Biểu đồ quan hệ giữa độ võng với kích thước mũ cột dạng chóp cụt

4. Kết luận

Dựa vào các nghiên cứu trên, có thể kết luận như sau:

- Cùng một mặt bằng sàn với số nhịp giống nhau, khi sử dụng các dạng mũ cột khác nhau sẽ ảnh hưởng đến khả năng chọc thủng khác nhau, tiết diện tính toán tháp chọc thủng cũng khác nhau, dẫn đến sự làm việc và khả năng chịu lực của mỗi dạng sẽ khác nhau.

- Căn cứ vào giá trị trên các biểu đồ, với cùng bề dày sàn và tải trọng tác dụng, mũ cột dạng bản đầu cột đảm bảo về khả năng chống chọc thủng và có độ võng nhỏ hơn so với mũ cột dạng chóp cụt.

- Như vậy có thể kết luận trong phạm vi bài toán đang xét (cùng hệ lưới cột, bề dày sàn và tải trọng tác dụng), với sự khảo sát trên biểu đồ có thể tìm ra giá trị kích thước mũ cột hợp lý để đảm bảo khả năng chống chọc thủng và thỏa mãn yêu cầu về độ võng, dễ dàng nhận thấy khi kích thước của bản mũ cột b ≥ 1,56 m thì khả năng chịu lực được đảm bảo. Từ đó tìm ra quan hệ giữa kích thước b của bản đầu cột và mũ cột với nhịp sàn L, sao cho đảm bảo khả năng chống chọc thủng và thỏa mãn yêu cầu về độ võng, như vậy cạnh nhỏ của mũ cột phải không nhỏ hơn 1/5 lần cạnh lớn của ô bản.

Trong sàn phẳng BT ƯLT có sử dụng mũ cột, mũ cột dạng bản đầu cột đảm bảo khả năng chống chọc thủng và độ võng bé hơn so với mũ cột dạng chóp cụt khi có cùng bề dày sàn và tải trọng tác dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS. TS. Phan Quang Minh (2010), Sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[2] Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam (TCVN 5574: 2012), Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[3] Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2737 – 1995), Tải trọng và tác động tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[4] PGS. TS. Lê Thanh Huấn, TS. Nguyễn Hữu Việt, ThS. Nguyễn Tất Tâm (2010), Kết cấu bê tông ứng lực trước căng sau trong nhà nhiều tầng, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[5] ACI Committee 318. Building Code Requirement for Structural Concrecte (ACI 318-2008) and Commentary (ACI 318R-02), American Concrecte Institute, Farmington Hills.

(BBT nhận bài: 20/10/2015, phản biện xong: 30/11/2015)

1583,4 1580,8 1578,1 1575,4

1572,7

1374,5

1429,6

1484,7

1539,9

1594,8

1250

1300

1350

1400

1450

1500

1550

1600

1650

1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Lực

cắt

( K

N)

Kích thước mũ cột (m) Lực cắt do tải

trọng ngoài

Vùng mất an toàn về độ võng [Δ]=22,8

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 15

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TRƯỢT TƯƠNG ĐỐI GIỮA ỐNG THÉP VÀ LÕI BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN LỆCH TÂM

CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG INVESTIGATION INTO RELATIVE SLIDING EFFECT BETWEEN STEEL TUBE

AND CONCRETE CORE ON ECCENTRIC COMPRESSION RESISTANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS

Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lexuandungbk@gmail.com; mypham.qn@gmail.com

Tóm tắt - Trong thực tế, hầu hết các cấu kiện cột làm việc trongđiều kiện chịu nén lệch tâm do tải trọng không thể đặt một cách lýtưởng tại trọng tâm của tiết diện cột; việc chế tạo cột bao giờcũng có sai số nhất định. Cột làm việc dưới tải trọng nén lệchtâm, ngoài việc chịu nén, cột còn làm việc trong điều kiện chịuuốn, đặc biệt chịu ảnh hưởng của hiệu ứng , gây cho cộtnhiều ứng xử phức tạp, nhất là đối với loại cột ống thép nhồi bêtông. Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của sự trượt tương đối giữaống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm củacột ống thép nhồi bê tông bằng thực nghiệm. Kết quả được sosánh với kết quả giải tích nhận được từ sự phân tích số. Phươngpháp số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) thiết lậpđược mối quan hệ giữa độ trượt tương đối và ứng suất tiếp xúckết; tải trọng nén lệch tâm và độ lệch ngang cột, và nhiều quanhệ khác giữa ống thép và lõi bê tông.

Abstract - In reality, most structural columns work in conditions undereccentric compression load because the loads can not be ideally placedin the center of the cross-section and the column fabrication always hasa certain tolerance. Columns work under eccentric compression load,besides under subjected compression states.The columns also work inbending conditions, particularly influenced by P-δ effect,causing manycomplicated behavior in columns, particularly for categories of concrete-filled steel tube columns. This paper investigates the effects of therelative sliding effect between steel tube and concrete core resistant oneccentric compression force of concrete filled steel tube columns byexperiment. These results are compared with analytical results obtainedfrom a numerical analysis. The numerical analysis uses the finiteelement method (FEM) to establish the relationship between the relativeslip and bonding stress; eccentric compression load and the deflectionand many other relations between the steel tube and concrete core.

Từ khóa - cột ống thép nhồi bê tông; hiệu ứng trượt tương đối;khả năng chịu lực nén lệch tâm; ứng suất tiếp xúc kết; mô hìnhphần tử hữu hạn.

Key words - concrete-filled steel tube columns; relative slidingeffect; eccentric compression resistance; bonding stress; finiteelement modeling.

1. Đặt vấn đề

Những năm gần đây, nhu cầu sử dụng cột ống thép nhồi bê tông ngày càng tăng, cột ống thép nhồi bê tông có xu hướng tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống và chúng được sử dụng rộng rãi trong nhà ở, nhà nhiều tầng và trong kết cấu cầu [1]. Cột ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm vượt trội: về mặt kỹ thuật có độ cứng lớn [2], độ chống cháy cao [3-5], về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công hơn, không cần hệ thống hệ thống ván khuôn [6]. Đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top-down, hoặc các mố trụ cầu, cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Ngoài ra, khi thi công cột ống thép nhồi bê tông sẽ làm giảm giá thành xây dựng và rút ngắn thời gian thi công của công trình [2, 7]. Vì vậy, hiện nay có nhiều nghiên cứu tập trung vào khảo sát đặc điểm, tính chất và những công nghệ tiên tiến để phát triển loại kết cấu này. Bài báo này sơ lược tóm tắt một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến những vấn đề mà nghiên cứu đang tập trung khảo sát. Điển hình là nghiên cứu của G. Giakoumelis [8] về ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông với sự thay đổi cường độ bê tông dưới tác động của lực dọc trục. Trong nghiên cứu này, Giakoumelis đã khảo sát ảnh hưởng bề dày của ống thép, cường độ liên kết giữa bê tông và ống thép đến hiệu quả làm việc của cột, kết quả được so sánh với tiêu chuẩn Eurocode 4, tiêu chuẩn Úc và tiêu chuẩn Mỹ. Một nghiên cứu khác khảo sát sự ảnh hưởng thanh gia cường dọc cột đến tính hiệu quả làm việc của cột [9]. Nghiên cứu này tập trung thiết kế những thanh gia cường trên cơ sở phân tích phi tuyến về sự làm việc của nó. Một nghiên cứu khác được

tiếp cận theo hướng kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, khảo sát ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông dạng ngắn [10, 11], trong mô hình của Schneider đã khảo sát trên 14 mẫu và tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng mặt cắt ngang của cột và bề dày của ống thép đến cường độ tới hạn của cột ống thép nhồi bê tông. Vấn đề cuối cùng được đề cập trong bài báo này là sự bất ổn định cục bộ và tổng thể của cột ống thép nhồi bê tông, trong đó Russell Q. Bridge [12] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm khảo sát về ảnh hưởng chiều dài cột, tỷ lệ bề rộng/đường kính cột đối với chiều dày ống thép đến bất ổn định cục bộ của cột. Brian Uy [13] tiến hành khảo sát cột ống thép nhồi bê tông với ống thép cường độ cao. Trong quá trình khảo sát đã xây dựng được những chỉ dẫn thiết kế cho những cột có độ mảnh lớn nhằm loại bỏ sự bất ổn định cục bộ và tổng thể của cột.

Hiện nay loại kết cấu ống thép nhồi bê tông đã bắt đầu triển khai phổ biến tại Việt Nam, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về loại kết cấu này để có thể ứng dụng phù hợp với điều kiện xây dựng tại Việt Nam. Một trong số các tài liệu nghiên cứu về kết cấu ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam hiện nay là cuốn sách về “Kết cấu Ống thép nhồi bê tông” của GS. TS. Nguyễn Viết Trung [14]. Nội dung của cuốn sách giới thiệu tổng quan về loại kết cấu ống thép nhồi bê tông, nhằm giúp người đọc có kiến thức cơ bản về kết cấu này. Các tài liệu nghiên cứu chuyên sâu vẫn còn rất ít. Một trong những nghiên cứu chuyên sâu được tác giả xem xét là nghiên cứu của TS. Chu Thị Bình về ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện chịu cháy [15]. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu chuyên

16 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ

sâu nhằm giúp cho người thiết kế tại Việt Nam có hiểu biết nhiều hơn về loại kết cấu này. Đây cũng chính là lý do tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông”.

2. Khảo sát bài toán bằng lý thuyết và thực nghiệm

2.1. Phân tích phần tử hữu hạn đối với cột ống thép nhồi bê tông

2.1.1. Phương trình chủ đạo/phương trình cân bằng của bài toán

Phương pháp PTHH nhằm tìm kiếm trường chuyển vị của một kết cấu, u, như vậy: lời giải phải liên tục qua các biên của phần tử; sự cân bằng phải đạt được, và điều kiện biên được áp đặt phải được thỏa mãn. Đây là bài toán tĩnh, vì vậy giới hạn của lời giải trong nghiên cứu chỉ xét sự cân bằng tĩnh của kết cấu. Phát biểu cơ bản về sự cân bằng tĩnh là nội lực áp đặt lên nút, I, là kết quả từ ứng suất trên phần tử và ngoại lực, P, yếu tố mà lực tác động lên các nút trên vật thể phải cân bằng, nghĩa là:

0 (1)

Phương trình (1) là phương trình tổng quát và không có giả thiết nào cho dạng của P(u) và I(u). Trong bài toán này, chúng ta sử dụng lời giải phi tuyến để giải quyết bài toán nhằm xác định được sự bất ổn định trong cột ống thép nhồi bê tông.

2.1.2. Giải phương trình chủ đạo/phương trình cân bằng phi tuyến

Phương trình cân bằng tĩnh (1) được viết lại như sau,

(2)

Tuy nhiên P và K phụ thuộc vào trường chuyển vị . Vì vậy, chúng ta không thể giải bài toán để xác định trường chuyển vị u một cách trực tiếp. Bài toán phi tuyến được giải một cách tổng quát bằng cách sử dụng kỹ thuật gia số và lặp. Kỹ thuật gia số là các cấp lực được gia tăng trong một quy trình được lặp đi lặp lại cho đến khi tải trọng ở cấp lực cuối cùng được áp dụng.

Để giải phương trình cân bằng trong bài toán phi tuyến hình học, thông thường sử dụng lời giải gia số-lặp dựa trên kỹ thuật Newton-Raphson. Phương pháp giải này giả sử rằng lời giải đối với gia số lực ở bước trước đó là

được biết. Giả sử rằng sau một bước lặp, , một trường chuyển vị xấp xỉ, , của lời giải nhận được. Đặt là sự khác nhau giữa lời giải này với lời giải chính xác trong hệ phương trình cân bằng (1) để:

0 (3)

Khai triển vế trái phương trình (3) trong chuỗi Taylor đối với lời giải xấp xỉ, , chúng ta có:

⋯ 0 (4)

Bằng cách bỏ qua các số hạng bậc cao, phương trình (4) được viết lại như sau:

(5)

trong đó, (6)

là ma trận độ cứng tiếp tuyến. Bước xấp xỉ kế tiếp lời giải của nó là:

(7)

Chú ý rằng, nếu tải trọng phụ thuộc vào chuyển vị (ví dụ áp lực trên bề mặt xoay), ma trận độ cứng bao gồm một sự đóng góp độ cứng tải trọng. Sau đó dạng và tính toán dựa vào trạng thái cập nhật của mô hình, .

Sự khác nhau giữa tổng tải trọng tác dụng, và nội lực, được gọi là số dư lực, , và nó được tính như:

(8)

Nếu là rất nhỏ trong dung sai giới hạn cho phép tại mọi bậc tự do trong mô hình, thì kết cấu là cân bằng. Dung sai này phải nhỏ hơn 0,5% lực tác dụng trung bình theo thời gian trong cấu trúc. Chúng ta đánh giá độ hội tụ cân bằng dựa vào hai điều kiện sau:

nằm trong dung sai cho phép;

≪ ∑# .

2.1.3. Xây dựng ma trận độ cứng.

Trong mô hình 3D của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông, ống thép và bê tông sử dụng phần tử khối 3 chiều 8 nút để rời rạc mô hình trong phương pháp PTHH. Đây là loại phần tử đẳng tham số, khi nó có hàm dạng cụ thể của một phần tử thì hình học của một phần tử khối đẳng tham số có thể viết:

(9)

trong đó,

0 0 0 0 ⋯ 00 0 0 0 0 ⋯ 00 0 0 0 0 ⋯

(10)

Còn , , là các toạ độ của nút trong hệ tọa độ tổng thể vuông góc. Và các hàm chuyển vị theo các phương , , của hệ trục tọa độ tổng thể vuông góc cũng có thể được biểu diễn cùng các hàm dạng trên, nghĩa là:

(11)

trong đó, , , là các bậc tự do của nút sử dụng phương trình (11), biến dạng của phần tử có thể được tính thông qua véc tơ chuyển vị nút của phần tử như sau:

(12)

trong đó, (13)

và ma trận biến dạng là:

⋯ (14)

Để chuyển đổi các hàm dạng trong các biến tọa độ tự nhiên ,, sang hệ tọa độ tổng thể vuông góc x, y, z , phương trình (15) sử dụng ma trận Jacobian được định nghĩa như trong phương trình (16):

(15)

với:

, , ,

, , ,

, , ,

, , ,

, , ,

, , ,

(16)

và hàm dạng của phần tử khối tuyến tính đẳng tham số được cho như sau:

1

81 1 1 (17)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 17

Trong đó, chạy trên toàn bộ số nút trong phần tử. Hàm dạng là hàm của các tọa độ đẳng tham số, , và . Các mặt của phần tử nằm tại các tọa độ 1, 1 và 1. Sử dụng phương pháp PTHH, ma trận độ cứng phần tử được cho như sau:

| | (18)

Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể thông qua ma trận kết nối phần tử , như:

(19)

trong đó là số lượng phần tử trong kết cấu.

2.1.4. Xây dựng véc tơ tải phần tử

Một cách tổng quát theo phương pháp PTHH, véc tơ tải phần tử được xây dựng như sau:

1

2

1

2

(20)

Bằng cách tương tự, véc tơ tải phần tử tổng thể được tính như sau:

(21)

2.1.5. Phân tích mặt tiếp xúc giữa ống thép và bê tông

Tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông được mô hình bởi phần tử tiếp xúc. Phần tử tiếp xúc bao gồm hai mặt tiếp xúc ghép chung của phần tử ống thép và phần tử lõi bê tông. Mặt cơ sở tương tác với mô hình tiếp xúc cứng theo phương pháp tuyến, và một mô hình bù trong phương pháp tuyến đối với mặt tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Ma sát giữa hai mặt tiếp xúc được duy trì cho đến khi những mặt này vẫn còn tiếp xúc. Phần tử tiếp xúc cho phép những mặt này tách ra dưới tác động của lực kéo. Ngược lại, hai phần tử tiếp xúc không cho phép thâm nhập vào lẫn nhau.

Để đánh giá lực tiếp xúc, chúng ta dựa vào mô hình tiếp xúc của Hertz [16] như:

(22)

trong đó, là lực pháp tuyến, tốc độ thâm nhập, và là các hệ số hằng của độ cứng và cản nhớt tương ứng.

Để đánh giá lực ma sát trượt, tron bài báo này sử dụng mô hình của Coulomb như:

(23)

trong đó, là hệ số ma sát tham khảo trong nhiên cứu Hallquist [17].

2.1.6. Mô hình vật liệu bê tông

Vật liệu bê tông trong nghiên cứu này sử dụng mô hình phá hoại dẻo. Dưới áp lực hãm bê tông thấp, bê tông ứng xử như một vật liệu giòn, cơ chế phá hoại của nó là nứt dưới lực kéo, và vỡ dưới tác động của lực nén. Ứng xử giòn của vật liệu bê tông không xuất hiện áp lực hãm đủ lớn để ngăn chặn vết nứt lan tỏa. Mô hình vật liệu bê

tông sử dụng trong bài báo này có tham khảo các nghiên cứu của Lee and Fenves, 1998 [18], Lubliner, 1989 [19], cụ thể được tóm tắt dưới đây.

Đáp ứng đàn hồi-đàn dẻo đối với mô hình phá hoại dẻo của bê tông được mô tả trong số hạng của ứng suất hiệu dụng và biến hóa cứng.

≝ : ∈ | , 0

(24) , ∙

Trong đó và tuân theo điều kiện kuhn-Tucker: 0; 0; 0. Ứng suất Cauchy được tính trong số hạng của biến suy giảm độ cứng, , và ứng suất hiệu dụng. Quan hệ vật liệu đối với đáp ứng đàn hồi-đàn dẻo, phương trình (24) tạo ra mô hình rất thuận lợi trong lời giải số.

2.1.7. Mô phỏng

Quy trình khảo sát ứng xử phi tuyến của cột CFST được trình bày trong các mục 2.1.1 - 2.1.5. Trong mô hình này, cả hai vật liệu thép và bê tông đều sử dụng phần tử khối 8 nút đã được trình bày trong Mục 2.1.3 để phát sinh lưới cho cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông được mô tả trong Hình 1. Kích thước của phần tử được chọn một cách tối ưu giữa độ chính xác về lời giải của bài toán và tốc độ tính toán. Phần tử này còn có khả năng cho phép sử dụng kỹ thuật giảm tối thiểu số điểm tích phân Gauss trong phần tử, cùng với kỹ thuật điều khiển dạng hourglass trong phần tử để xây dựng phần tử mô phỏng nhanh hơn, tin cậy hơn. Phần tử này có rất nhiều các ưu điểm, ví dụ cho phép giảm thời gian tính toán, tăng độ tin cậy trong trường hợp biến dạng lớn.

Mô hình vật liệu sử dụng trong mô phỏng đặc biệt là mô hình vật liệu của bê tông được mô tả trong Mục 2.1.6, thuộc tính vật liệu sử dụng trong mô phỏng được lấy từ kết quả thí nghiệm trong Mục 2.2.1-b.

Chia lưới cột không có

liên kết chịu cắt Chia lưới cột có liên

kết chịu cắt Chia lưới cột có liên kết

chịu cắt

Hình 1. Mô hình chia lưới cột CFST

2.2. Khảo sát cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng nén lệch tâm bằng thực nghiệm

2.2.1. Quy trình thí nghiệm

a) Chế tạo mẫu

Mẫu cột được chế tạo từ ống thép đường kính 141mm, có độ dày 0,396 mm, cao 2.25m. Trên thân ống được khoét 1 cửa có kích thước 100 (mm) x 50 (mm) là nơi sau này thao tác dán các strain gauges đo chuyển vị của thép, các vị trí khoét có kích thước 10 (mm) x 90 (mm) để dán các strain gauges đo chuyển vị bê tông sau khi bê tông được nhồi vào ống thép. Hai đầu ống thép được cắt một cách chính xác bằng máy phay tại xưởng cơ khí để đảm bảo rằng mặt phẳng hai đầu ống là song song với nhau.

18 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ

Phía trong lòng ống được vệ sinh sạch sẽ để đảm bảo kết dính tốt giữa lõi bê tông và ống thép.

Sau khi gia công vỏ thép, tiến hành gia công chân và đầu cột. Chân cột được chế tạo là tấm thép dày 40mm, được hàn chắc chắn vào thân cột với các sườn đứng gia cường, đảm bảo khi làm việc như là một liên kết ngàm cứng tại vị trí chân cột. Đối với cột có liên kết chịu cắt, trước khi đổ bê tông sẽ khoan thủng thành ống thép và tạo ren cho lỗ khoan để lắp đặt những bu lông chịu cắt. Bu lông M16 mác 5.6 chiều dài 50 mm được sử dụng như những liên kết chịu cắt/bu lông chịu cắt của những mẫu thí nghiêm này. Ống thép được đổ đầy bê tông theo phương đứng, lõi bê tông được nén chặt bằng cách sử dụng bê tông tự lèn và được đầm với loại đầm tần số cao, nhằm mục đích loại bỏ bọt khí bên trong để lõi bê tông đồng nhất. Tất cả các mẫu thí nghiệm đều được kiểm tra cường độ ở tuổi 28 ngày tính từ ngày đổ bê tông.

Bê tông đạt được cường độ sau 28 ngày. Đầu cột được chế tạo là tấm thép hình chữ nhật dày 40mm, kích thước 350x550 mm, là nơi sẽ đặt lực lệch tâm trong quá trình thí nghiệm.

b) Vật liệu

Trước khi làm thí nghiệm khảo sát về khả năng chịu lực của cột ống thép nhồi bê tông, tiến hành lấy các mẫu vật liệu: ống thép, cát, đá, xi măng v.v. Thực hiện các thí nghiệm vật liệu đầu vào, kiểm tra cường độ chịu kéo của thép, thiết kế thành phần cấp phối bê tông.

- Ống thép: Mẫu thép được lấy kích thước dài 30 cm, bề rộng khảo sát từ 3-4 cm được cắt ra từ ống thép mẫu làm cột thí nghiệm. Các mẫu thép được kiểm tra kích thước hình học một cách cẩn thận về chiều rộng, chiều dài và chiều dày ống thép. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 1 và Hình 3.

Hình 2. Lấy mẫu thép thành ống cột CFST

Hình 3. Biều đồ đường cong kéo thép

Bảng 1. Kết quả kéo mẫu thép

Tham số

Elastic YS1

Force YS1

Stress Lực kéo Ứng suất

10,30 kN 0,20% 0,20% (lớn nhất) (lớn nhất)

Đơn vị N/mm2 kN N/mm2 kN N/mm2

1-1 1682,94 44,0078 347,284 44,4141 366,273

1-2 1743,02 42,0625 331,933 45,0391 355,422

Sau khi hoàn tất quá trình chuẩn bị, mẫu thép được đưa vào máy để kiểm tra cường độ chịu kéo. Theo dõi quá trình kéo thép, đọc các số liệu ghi trên máy và vẽ biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và biến dạng.

- Lõi bê tông: Đối với lõi bê tông, tiến hành lấy mẫu thí nghiệm hình trụ theo tiêu chuẩn (xem Hình 4).

Hình 4. Công tác thí nghiệm nén mẫu bê tông

Kết quả thí nghiệm được sử dụng trong các tính toán và mô phỏng.

c) Thiết bị thí nghiệm

- Strain gauges được sử dụng trong thí nghiệm là loại Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.,Ltd do Nhật Bản sản xuất, với những tính năng cơ lý và độ chính xác cao (xem Hình 5-a).

- Data logger TDS-303 với 30 kênh thu dữ liệu do hãng Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.,Ltd, Nhật Bản sản xuất. Thiết bị này dùng để thu thập tín hiệu biến dạng từ strain gauges với độ ổn định và chính xác rất cao, khoảng đo 64000.010-6 strain và độ phân giải 1.610-6 strain (Hình 5-b).

- Load cell là loại BL-100TE do hãng A&D, Nhật Bản sản xuất, với công suất danh nghĩa 1MN và tỷ lệ đầu ra 1mV/V (2000m/m) hoặc lớn hơn, đảm bảo độ chính xác cho thí nghiệm.

- LVDT (Linear Variable Displacement Transducer), cảm biến do chuyển vị, trong thí nghiệm này sử dụng DCTH10000C với khoảng đo 250 mm, sai số <0.5/0.25 (xem Hình 5-c).

a) b) c) d)

Hình 5. Thiết bị thí nghiệm

d) Quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện với lực nén lệch tâm tăng dần đến giá trị 380 kN, lực nén lệch tâm được tạo ra bằng cách hàn một bản thép vào đỉnh ống thép của mẫu thí nghiệm. Quá trình gia tải được khống chế với tốc độ gia tải không lớn hơn 2.5 kN/sec. Các strain gauges, load cell và LVDT được kết nối thông qua TDS-303. Tất cả các thiết bị này được kết nối vào máy tính và tất cả chúng làm việc đồng bộ (xem Hình 6). Tất cả các tín hiệu từ load-cells, strain gauges, LVDTs ở từng cấp gia tải đều được ghi lại trong máy tính. Dựa vào kết quả mô phỏng, chúng ta có thể dự đoán cấp gia cực hạn, tại cấp gia tải này, chúng ta giảm tốc độ gia tải khoảng 1kN/sec để ghi lại ứng xử bất ổn định của cột CFST một cách chính xác.

Tất cả các mẫu sau khi thí nghiệm xong được tháo dỡ ra khỏi giàn tải một cách cẩn thận, kiểm tra mẫu sau khi thí nghiệm, đồng thời các mẫu này được cưa tách mẫu cẩn thận để khảo sát cơ chế phá hoại của ống thép, lõi bê tông và bu lông chịu cắt, từ đó có những đánh giá với kết quả mô phỏng được chính xác hơn. Các kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng và được trình bày trong phần triếp theo.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 19

a) b)

Hình 6. Thiết bị thí nghiệm

3. Kết quả và thảo luận

Kết quả được trình bày dưới dạng biểu đồ. Trong đó, kết quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng được biểu diễn trên cùng một hệ tọa độ để cho thấy sự sai khác của hai phương pháp khảo sát. Phần sai khác đó được hiểu như là sai số do nhiều nguyên nhân ảnh hưởng khác nhau. Sau đây, chúng ta sẽ phân tích các kết quả thí nghiệm và mô phỏng của nhiều thông số để thấy rõ bản chất vật lý về ảnh hưởng của sự trượt đến khả năng chịu nén lệch tâm của cột CFST thông qua việc so sánh đối với hai loại cột có và không có bu lông chịu cắt.

a) b)

Hình 7. a) Quan hệ giữa lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông; b) Quan hệ giữa ứng suất và

biến dạng trong ống vỏ trụ

Đầu tiên, chúng ta phân tích giữa lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông qua kết quả thể hiện trên Hình 7-a. Đối với cột không sử dụng bu lông chịu cắt, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khi lực nén lệch tâm bắt đầu tăng từ 0 đến 186.3 kN, tương ứng với kết quả mô phỏng là 202.5 kN thì ứng xử của quan hệ lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối là tuyến tính. Khi lực nén lệch tâm vượt quá hai ngưỡng trên một cách tương ứng thì độ trượt tương đối bắt đầu xuất hiện. Kết quả làm giảm độ cứng của cột, cột bắt đầu biến dạng lớn làm giảm thế năng của lực nén lệch tâm. Do đó trong lúc này, lực nén lệch tâm bị giảm đến giá trị 155.94 kN (kết quả thí nghiệm) và 172.5 kN (kết quả mô phỏng), tương ứng với độ trượt 2.325mm và 2.4mm. Tại trạng thái này, cấu kiện đạt đến trạng thái cân bằng mới, ở trạng thái này, độ cứng cột được củng cố và có khả năng tiếp tục chịu lực đến giá trị cực hạn 255.3 kN (giá trị thí nghiệm) và 277.5 kN (giá trị mô phỏng). Tại trạng thái này, cột bắt đầu bị phá hoại và mất khả năng chịu lực, độ trượt tiếp tục tăng, lực nén lệch tâm suy giảm.

Khi so sánh giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm ở trạng thái đầu tiên, sai số khoảng 8%, trạng thái thứ nhì sai số khoảng 9,6% và trạng thái cuối cùng là 8%.

So sánh kết quả giữa cột không sử dụng bu lông và cột sử dụng bu lông chịu cắt. Đối với kết quả mô phỏng, ở

trạng thái thứ nhất là 19,3%, ở trạng thái thứ nhì 32,4%, trạng thái cuối 28,8%. Đối với kết quả thí nghiệm, ở trạng thái thứ nhất 19,5%, ở trạng thái thứ nhì 33,4% và trạng thái cuối cùng là 28,9%. Như vậy, cũng cùng một cấu tạo cột, nhưng khi đặt thêm các bu lông chịu cắt thì khả năng chịu nén lệch tâm của cột tăng đáng kể, tùy thuộc vào từng giai đoạn mà khả năng này thay đổi. Cụ thể, trong giai đoạn thứ nhất khả năng này tăng khoảng 19%, ở trạng thái thứ hai tăng khoảng 32,5%, và giai đoạn cuối là khoảng 29%. Bởi vì bu lông chịu cắt làm tăng khả năng liên kết giữa bê tông và ống thép, khi bê tông có xu hướng tách khỏi ống thép thì được các bu lông chịu cắt kháng lại, các bu lông này đồng thời chống sự trượt xảy ra giữa ống thép và lõi bê tông. Do vậy, ở trạng thái thứ hai, sự trượt xuất hiện rất bé, mà nguyên nhân do liên kết bu lông chịu cắt lúc này bị biến dạng uốn nhỏ. Vì vậy, kết quả cho thấy, trong giai đoạn thứ nhì, cột được bố trí bu lông chịu cắt làm việc hiệu quả nhất. Khi lực nén lệch tâm tiếp tục tăng đến khi cường độ ứng suất tập trung xung quanh liên kết quá lớn, làm vùng bê tông xung quanh nó bị phá hoại cục bộ, lúc này sự trượt bắt đầu phát triển với tốc độ khá nhanh cho đến khi cột bị phá hoại.

Hình 7-b mô tả quan hệ giữa ứng xuất và biến dạng của ống trụ thép trong cột CFST. Về mặt vật lý của ứng xử, trong quan hệ này hoàn toàn tương tự như trong quan hệ giữa lực nén lệch tâm và độ trượt, chỉ khác trong trạng thái thứ nhì, khi sự trượt bắt đầu phát triển làm mất lực liên kết giữa ông thép và lõi bê tông. Lúc này biến dạng trong ống thép bắt đầu phát triển, làm xuất hiện thềm chảy ngang trong trạng thái thứ hai này, Hình 7-b, cho đến khi thế năng của lực nén lệch tâm giảm tạm thời, làm giảm ứng suất trong vỏ ống, sau đó nó được củng cố và tiếp tục phát triển cho đến khi kết cấu bị phá hoại.

a) b)

Hình 8. Biến dạng trong ống thép đối với tải trọng lệch tâm (0-150) kN trong trường hợp cột không có (a) và có bu lông chịu cắt (b)

Hình 9. Ứng xử của cột giữa mô phỏng và thực nghiệm

Tiếp theo, chúng ta khảo sát ứng xử của sự trượt giữa ống thép và lõi bê tông thông qua biến dạng phân bố dọc theo chiều cao của cột. Đầu tiên, chúng ta phân tích kết quả thu được trong Hình 8. Đây là biến dạng trong ống thép ở hai trường hợp: cột được bố trí và không được bố trí các bu lông chịu cắt. Trong cả hai trường hợp, biến dạng phân bố lớn nhất ở khoảng 2/3 chiều cao cột. Vì cột chịu nén lệch tâm, chân cột liên kết ngàm, nên chuyển vị

20 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ

gần chân cột bị hạn chế do hiệu ứng ngàm. Vì vậy, cột bị uốn nhiều nhất tại khu vực 2/3 chiều cao cột là hợp lý. Hình 9 cho thấy kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng cũng đã thống nhất, biến dạng đạt giá trị lớn nhất tại khoảng 2/3 chiều cao cột. Biến dạng cột theo chiều cao cũng tương tự, biểu diễn trên Hình 9 đến Hình 14.

Kết quả từ Hình 8 đến Hình 14 có chung quy luật, khi tải trong còn bé (dưới 150 kN), sai số và độ lệch giữa kết quả thí nghiệm bé. Nhưng khi tải trọng lớn (trên 150 kN), sai số và độ lệch giữa kết quả đo lớn do dung sai và nhiễu do dao động của các thiết bị đo lớn.

Khi tải trọng dưới 150 kN, biến dạng giữa cột được và không được gia cố bằng các bu lông chịu cắt chênh lệch nhau không lớn. Phần chênh lệch này là do cột được gia cố bu lông chịu cắt chia sẻ biến dạng cùng với lõi bê tông. Do đó, biến dạng này bé hơn so với cột không được gia cố bu lông chịu cắt và phân bố xuống gần chân cột hơn.

a) b)

Hình 10. Biến dạng trong ống thép đối với tải trọng lệch tâm (200-300) kN, trường hợp cột không có (a) và có bu lông chịu cắt (b)

Sai số và độ lệch của kết quả đo trong cột không được gia cố bu lông chịu cắt lớn hơn trong cột được gia cố bu lông chịu cắt vì khi sự trượt xuất hiện sẽ xuất hiện những chấn động gây nhiễu các strain gauges đặt trọng cấu kiện. Ngoài ra, trạng thái làm việc và ứng xử của cột CFST phức tạp, vì vậy kết quả trong Hình 10 là hợp lý.

a) b)

Hình 11. So sánh biến dạng trong ống thép giữa cột có và không có bu lông chịu cắt

Khi tải trọng lớn hơn 200 kN thì sự chênh lệch biến dạng giữa cột được gia cố và không được gia cố bu lông chịu cắt lớn đến 28% vì ảnh hưởng của sự trượt diễn ra khác nhau như đã phân tích như trong kết quả Hình 7. Ngoài ra, biến dạng trong cột không được gia cố bu lông chịu cắt tập trung lớn tại một mặt cắt ngang. Trong khi đó, cột được gia cố bằng bu lông chịu cắt biến dạng phân bố ra cho nhiều mặt cắt. Đây chính là nguyên nhân làm giảm giới hạn chảy của thép, dẫn đến hiệu quả làm việc cột này cao hơn, đồng thời biến dạng này phân bố xuống gần chân cột lớn hơn.

Hình 12 mô tả biến dạng của lõi bê tông trong hai loại cột được mô tả trên. Khi cấp lực nhỏ hơn 150 kN thì biến dạng trong lõi bê tông của hai loại cột không chênh lệch nhau lớn, vì lúc này sự trượt chưa diễn ra, ống thép và lõi bê tông làm việc đồng thời với nhau tốt. Sự phân bố biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông cũng chênh lệch nhau rất nhỏ.

a) b)

Hình 12. Biến dạng lõi bê tông đối với tải trọng lệch tâm từ (50-150) kN, trường hợp cột không có (a) và có liên kết chịu cắt (b)

a) b)

Hình 13. Biến dạng lõi bê tông đối với tải trọng lệch tâm từ (200-300)kN, trường hợp cột không có (a) và có liên kết

chịu lực cắt (b)

Khi tải trọng lớn hơn 200 kN thì biến dạng trong lõi bê tông của cột không được gia cố bu lông chịu cắt tăng đến khoảng 1400x10-6 và không tăng được nữa do lúc này sự trượt xuất hiện lớn phá hủy lực liên kết giữa ống thép và lõi bê tông, cho nên ống thép không truyền lực liên kết sang lõi bê tông. Trong khi đó, trong cột được gia cố liên kết bu lông chịu cắt thì biến dạng của lõi bê tông tăng cho đến khi bê tông trong lõi bị phá hoại cục bộ tại các bu lông chịu cắt (xem Hình 13).

a) b) Hình 14. Sự so sánh biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông

Hình 14 so sánh biến dạng của ống thép và lõi bê tông trong cả hai loại cột ở hai cấp lực 100 kN, 250 kN. Kết quả trong hình cho cho thấy rằng: Đối với cấp lực 100 kN thì biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông gần như nhau, trong cả hai loại cột biến dạng này cũng tương đương với nhau. Khi tăng cấp lực lên 250 kN thì đối với cột không gia cố bu lông chịu cắt, biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông tại cấp lực này chênh lệch nhau lớn khoảng 36%. Trong khi đó, đối với cột có gia cố bu lông chịu cắt, độ chênh lệch biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông tương ứng với cấp lực 250 kN là 8%. Kết quả này cũng được so sánh với kết quả mô phỏng, sự sai lệch này khoảng dưới 12%. Kết quả so sánh ở mọi phương diện đều cho thấy sự hợp lý cả về mặt đo đạc, tính toán và bản chất vật lý về ứng xử của các loại cột này.

Hình 15 so sánh đường cong quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng của ống thép tại tiết diện đầu cột. Quy luật biến dạng trong cả hai loại cột tương tự nhau, chỉ khác đối với cột được gia cố bu lông chịu cắt, biến dạng này bé hơn đến 30%. Cùng với các kết quả trên, khi so sánh tất cả các tham số thì cột được gia cố bu lông chịu cắt làm việc hiệu quả hơn từ (15-30)%. Quan hệ này cũng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 21

cho thấy: khi lực tác dụng bắt đầu 200 kN thì cả hai loại cột ứng xử theo quy luật phi tuyến.

a) b) Hình 15. Quan hệ giữa tải trọng nén lệch tâm đối với biến dạng ống thép tại tiết diện 1-1

a) b)

Hình 16. Quan hệ lực liên kết đối với độ trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông

Một yếu tố quan trọng khác cần khảo sát là ảnh hưởng của ứng suất tiếp xúc kết đối với sự trượt giữa ống thép và lõi bê tông. Chúng ta nhận thấy rằng: Ứng suất tiếp xúc kết tăng khi độ trượt tăng từ 0 đến 1mm, và sẽ giảm đi khi độ trượt vượt quá 1mm, vì lúc này, liên kết giữa ống thép và lõi bê tông bị phá hủy. Trong quan hệ này, chúng ta chỉ khảo sát bằng mô phỏng. Trên thực tế, việc đo đạc quan hệ ứng xử này trong cột ống thép nhồi bê tông, dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm khá phức tạp và bị hạn chế bởi thiết bị đo. Đối với cột được gia cố bu lông chịu cắt thì ứng suất tiếp xúc lớn hơn 28,6%. Điều này đánh giá khả năng chịu lực của cột loại này cao hơn rất nhiều so với cột không được gia cố bu lông chịu cắt khoảng 28,6%.

a) b)

Hình 17. Quan hệ giữa tải trọng nén lệch tâm đối với độ lệch ngang đầu cột

Cuối cùng, chúng ta so sánh khả năng chịu lực lệch tâm của hai loại cột này thông qua quan hệ giữa lực tác dụng và độ lệch ngang của đầu cột. Cột nào chịu được lực nén lệch tâm lớn hơn mà chuyển vị ngang bé hơn thì khả năng làm việc trong điều kiện lệch tâm sẽ lớn hơn. Quan hệ này còn cho thấy khả năng chịu lực của cấu kiện một cách trực tiếp và chính xác vì thông qua kết quả đo đạc một cách trực tiếp. Kết quả được so sánh với kết quả mô phỏng cho thấy rằng: Giữa lý thuyết và mô phỏng tương đối thống nhất. Điều này chứng tỏ kết quả khảo sát có độ tin cậy cao.

4. Kết luận

Bài báo đã tiến hành nghiên cứu khảo sát sự trượt tương đối giữa ống thép và bê tông trên cả hai mô hình lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy cơ chế ảnh hưởng của độ trượt đến khả năng làm việc của cột ống thép nhồi bê tông trong cả hai trường hợp có và không có bu lông chịu

cắt. Qua nghiên cứu, chúng ta khẳng định một số kết quả đạt được, giúp cho chúng ta có cái nhìn chính xác hơn về ứng xử của loại kết cấu này và đúc kết được một số vấn đề sau:

- Xác định một cách định lượng sự trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện chịu nén lệch tâm.

- Kết quả cho thấy sự trượt đóng một vai trò hết sức quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng nén lệch tâm.

- Cho thấy quá trình phân phối lại ứng suất và biến dạng của cả hai trường hợp cột có và không có các bu lông chịu cắt.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tao, Z., L.-H. Han, and D.-Y. Wang, Strength and ductility of stiffened thin-walled hollow steel structural stub columns filled with concrete. Thin-Walled Structures, 2008. 46(10): p. 1113-1128.

[2] Roeder, C.W., Overview of hybrid and composite systems for seismic design in the United States. Engineering Structures, 1998. 20(4–6): p. 355-363.

[3] Al-Khaleefi, A.M., et al., Prediction of fire resistance of concrete filled tubular steel columns using neural networks. Fire Safety Journal, 2002. 37(4): p. 339-352.

[4] Chung, K., S. Park, and S. Choi, Fire resistance of concrete filled square steel tube columns subjected to eccentric axial load. International Journal of Steel Structures, 2009. 9(1): p. 69-76.

[5] Kodur, V., J.M. Franssen, and M.S. University, Structures in Fire: Proceedings of the Sixth International Conference. 2010: DEStech Publications.

[6] Hajjar, J.F., Composite steel and concrete structural systems for seismic engineering. Journal of Constructional Steel Research, 2002. 58(5–8): p. 703-723.

[7] Varma, A.H., et al., Experimental behavior of high strength square concrete-filled steel tube beam-columns. Journal of Structural Engineering, 2002. 128(3): p. 309-318.

[8] Giakoumelis, G. and D. Lam, Axial capacity of circular concrete-filled tube columns. Journal of Constructional Steel Research, 2004. 60(7): p. 1049-1068.

[9] Tao, Z., et al., Analysis and design of concrete-filled stiffened thin-walled steel tubular columns under axial compression. Thin-Walled Structures, 2009. 47(12): p. 1544-1556.

[10] Sakino, K., et al., Behavior of centrally loaded concrete-filled steel-tube short columns. Journal of Structural Engineering, 2004. 130(2): p. 180-188.

[11] Schneider, S.P., Axially loaded concrete-filled steel tubes. Journal of Structural Engineering, 1998. 124(10): p. 1125-1138.

[12] Bridge, R.Q. and M.D. O'Shea, Behaviour of thin-walled steel box sections with or without internal restraint. Journal of Constructional Steel Research, 1998. 47(1–2): p. 73-91.

[13] Uy, B. and S.B. Patil, Concrete filled high strength steel box columns for tall buildings: Behaviour and design. The Structural Design of Tall Buildings, 1996. 5(2): p. 75-94.

[14] Nguyễn Tiến Trung, Kết cấu ống thép nhồi bê tông, NXB. Xây dựng, 2006.

[15] Bình, C.T., Nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy, Đại học kiến trúc Hà Nội.

[16] Rothbart, H.A., Mechanical design and systems handbook. 1964: McGraw-Hill Companies.

[17] Hallquist, J.O., LS-DYNA theory manual. Livermore Software Technology Corporation, 2006. 3.

[18] Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures. Journal of Engineering Mechanics, 1998. 124(8): p. 892-900.

[19] Lubliner, J., et al., A plastic-damage model for concrete. International Journal of Solids and Structures, 1989. 25(3): p. 299-326.

(BBT nhận bài: 15/12/2015, phản biện xong: 28/12/2015)

22 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU, TỶ SỐ NÉN VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG - ETHANOL TRONG ĐỘNG CƠ DAEWOO

EFFECTS OF FUEL COMPONENTS, COMPRESSION RATIO AND ADVANCE IGNITION TIMING TO COMBUSTION OF GASOLINE - ETHANOL BLENDED FUEL

IN DAEWOO ENGINE

Bùi Văn Ga1, Bùi Văn Tấn2, Nguyễn Văn Đông3

1Bộ Giáo dục và Đào tạo; buivanga@dongcobiogas.com 2Trường Cao đẳng Công nghiệp Thừa Thiên Huế

3Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng củathành phần nhiên liệu, các thông số kết cấu, vận hành đến quátrình cháy và tính năng của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụngxăng pha ethanol. Khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ10% lên 20%, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm nhẹ khoảng1% nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm. Khi hàm lượng cồn trongxăng tăng thì có thể tăng tỷ số nén động cơ. Với động cơ Daewoosử dụng xăng E15, khi tăng tỉ số nén từ 9,5 lên 10,3 thì công chỉthị chu trình tăng khoảng 12%. Góc đánh lửa sớm tối ưu của độngcơ với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 thay đổi từ 25 đến 32 trongphạm vi tốc độ động cơ từ 1500 vòng/phút đến 4000 vòng/phút.Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm khi tăng tỷ số nén động cơ nhưngtăng nhẹ theo hàm lượng cồn trong xăng. Khi tăng hàm lượng cồntrong xăng từ 10% lên 20% thì góc đánh lửa sớm tối ưu tăngkhoảng 2-3 ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút.

Abtract - The paper presents the research results of effects of fuelcomponents, structural and operational parameters on the combustion inspark ignition engines using gasoline-ethanol blended fuel. The resultshave shown that while increasing ethanol content in fuel mixture from 10%to 20%, indicated engine cycle work slightly decreases about 1% ifadvanced ignition is kept constant. Compression ratio of the engine can beincreased with increasing methanol component in fuel mixture. Indicatedengine cycle work of Daewoo engines using E15 gasoline-ethanolblended fuel increases about 12% as compression ratio increases from9.5 to 10.3. Optimal advanced ignition angle of Daewoo engines fueledwith E15 with original compression ratio of 9.5 increases from 25 to 32as engine speed increases from 1500rpm to 4000rpm. Optimal advancedignition angle decreases with increasing compression ratio but slightlyincreases with ethanol content in fuel mixture. As ethanol content in fuelmixture increases from 10% to 20%, the optimal advanced ignition angleincreases approximately 2-3 at the engine speed of 1500rpm.

Từ khóa – năng lượng tái tại; nhiên liệu thay thế, bộ hòa trộnxăng-ethanol; mô phỏng; Ansys Fluent.

Key words - Renewable energy; alternative fuel; gasoline-ethanolblended fuel combustion; modeling; Ansys Fluent.

1. Giới thiệu

Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày 1-12-2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong động cơ đốt trong [1].

Mustafa Koc nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol E50 và E85 đến tính năng động cơ và mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút. Kết quả cho thấy khi pha ethanol vào xăng, momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng, nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm [2]. Nghiên cứu này cũng cho thấy xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ sử dụng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm của động cơ theo hàm lượng ethanol. Richie Daniel nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ sử dụng xăng pha ethanol [3]. Kết quả cho thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ sử dụng xăng khoảng 7-8, trong khi đó góc đánh lửa sớm của ethanol khoảng 22 [3]. Phuangwongtrakul thử nghiệm xăng pha cồn với thành

phần khác nhau. Kết quả cho thấy momen lớn nhất khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa sớm là 30, 35 và 40 ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].

Hình 1. Chia lưới xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo

Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát quá trình cháy và tính năng động cơ khi sử dụng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau. Ảnh hướng của góc đánh lửa sớm và tỷ số nén động cơ cũng được khảo sát, đánh giá.

Thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm động cơ-ô tô, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Hệ thống thí nghiệm được trang bị đồng bộ của hãng AVL. Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm động cơ được trình bày trong [5]. Động cơ Daewoo A16DMS được cải tạo để thí nghiệm sử dụng hỗn hợp xăng pha ethanol. Đó là động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh, đường kính xi lanh 79mm, hành trình

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2015 23

piston 81,5mm, thể tích tổng cộng xi lanh 1598cm3, tỉ số nén động cơ 9,5. Công suất cực đại của động cơ khi sử dụng xăng là 78kW ở 5800 vòng/phút.

Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm chính là E15 được pha trộn 15% thể tích ethanol và 85% thể tích xăng thương mại RON92.

2. Tính toán mô phỏng quá trình cháy

Hình 1 giới thiệu xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo và chia lưới để tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS

FLUENT. Trong tính toán chúng tôi sử dụng mô hình chảy rối k-, mô hình cháy hòa trộn trước cục bộ. Qui trình xây dựng mô hình tính toán và thiết lập lưới động khi piston dịch chuyển trong xi lanh động cơ được trình bày trong [6]. Thành phần nhiên liệu được điều chỉnh và các đặc trưng nhiệt động hóa học của hỗn hợp cháy được thiết lập trong bảng pdf để truy suất nhanh chóng trong quá trình giải hệ phương trình mô tả diễn biến lưu cháy trong xi lanh.

Hình 2. Diễn biến quá trình cháy trong buồng cháy động cơ Daewoo tại mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm

(xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 2000 vòng/phút, đánh lửa tại=335)

Hình 3. Biến thiên áp suất và nhiệt độ; (a) biến thiên áp suất, nồng độ oxy và nhiên liệu;

(b) trong buồng cháy động cơ Daewoo sử dụng xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 2000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm 25

Hình 2 biểu diễn phát triển khu vực cháy của động cơ trên mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm. Trên mặt cắt ngang này ta thấy màng lửa hình tròn với bán kính tăng dần theo góc quay trục khuỷu. Hình 3a biểu diễn biến thiên áp suất và nhiệt độ trong xi lanh động cơ; Hình 3b biểu diễn biến thiên áp suất và nồng độ O2, xăng và ethanol theo góc quay trục khuỷu. Khi

bắt đầu cháy, nồng độ các chất giảm dần, đồng thời nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng nhanh. Điểm cực đại của nhiệt độ trễ hơn điểm cực đại của áp suất khoảng 20.

3. Kết quả và bình luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cồn trong xăng

Hình 4. So sánh đồ thị công (a) và biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (b) khi động cơ Daewoo sử dụng xăng

pha ethanol với hàm lượng khác nhau, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, hệ số tương đương =1,1

340

346

350

354

358

362

366

T(K

)

()

p(b

ar)

p(b

ar)

Xi(k

g/kg

)

O2

Xăng

Ethanol ()

s()

Wi(J

)

E10

E20

V(lít)

p(b

ar)

E15

E10

E20

a. b.

a. b.

24 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông

Hình 4a biểu diễn đồ thị công của động cơ Daewoo giữ nguyên tỷ số nén nguyên thủy, góc đánh lửa sớm 20 sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20. Công chỉ thị tương ứng là 522J, 520J và 517J. Điều này cho thấy khi tăng hàm lượng cồn trong xăng nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm thì công chỉ thị của động cơ có giảm nhưng rất nhẹ. Khi tăng thể tích cồn pha vào xăng từ 10% thể tích lên 20% thể tích thì công chỉ thị động cơ giảm chưa đến 1%.

Hình 4b biểu diễn biến thiên của Wi theo góc đánh lửa sớm khi động cơ sử dụng nhiên liệu E10 và E20 ở tốc độ 1500 vòng/phút. Ta thấy, khi góc đánh lửa sớm tăng thì đỉnh đường cong áp suất dịch chuyển về gần ĐCT và áp suất cực đại tăng. Tuy nhiên phân tích đồ thị công cho thấy, công chỉ thị của động cơ không tăng theo áp suất cực đại mà tăng theo diện tích đồ thị công. Biến thiên công chỉ thị

theo góc đánh lửa sớm được trình bày trên Hình 4b. Kết quả cho thấy trong trường hợp này góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ 25-27.

3.2. Ảnh hưởng của tỷ số nén động cơ

Do xăng E15 có chỉ số octan cao hơn xăng A92 nên nếu động cơ được cải tạo để sử dụng nhiên liệu này thì ta có thể tăng tỉ số nén để tăng hiệu quả công tác của động cơ. Hình 5a và Hình 5b so sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ khi sử dụng xăng E15, khi giữ nguyên tỉ số nén ban đầu 9,5 và khi tăng tỉ số nén động cơ lên 10,3 ở tốc độ 3000 vòng/phút và 4000 vòng/phút. Tính toán công chỉ thị cho thấy ở tốc độ 4000 vòng/phút, công chỉ thị của động cơ có tỉ số nén 10,3 là 504J, tăng so với động cơ có tỉ số nén 9,5 (463J). Ở tốc độ 3000 vòng/phút, giá trị công chỉ thị là 458J và 421J tương ứng với tỉ số nén động cơ là 9,5 và 10,3.

Hình 5. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến đồ thị công chỉ thị khi động cơ Daewoo sử dụng xăng E15,

góc đánh lửa sớm 25 ở tốc độ 3000 vòng/phút (a) và 4000 vòng/phút (b), hệ số tương đương =1,1

Hình 6. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công chỉ thị khi động cơ Daewoo sử dụng xăng E15, góc đánh lửa sớm 25 Hình 6 so sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc

độ động cơ sử dụng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 và 10,3 và góc đánh lửa sớm được giữ cố định 25 trước ĐCT. Chúng ta thấy khi tốc độ động cơ tăng, mà không thay đổi góc đánh lửa sớm thì công chu trình giảm. Chênh lệch công chỉ thị chu trình khi động cơ có tỉ số nén 9,5 và 10,3 hầu như ít thay đổi theo tốc độ động cơ. Ở tốc độ 1500 vòng/phút, mức chênh lệch này là 30J/chu trình và ở tốc độ 4000 vòng/phút, mức chênh lệch này là 32J/chu trình.

3.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Hình 7a giới thiệu đồ thị áp suất trong xi lanh động cơ và Hình 7b giới thiệu đồ thị công của động cơ khi sử dụng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20, 23, 25, 27 và 30 ở 1500 vòng/phút. Chúng ta thấy khi góc đánh lửa sớm tăng thì đỉnh đồ thị áp suất cũng tăng và dịch về phía ĐCT. Tuy nhiên, khi tăng góc đánh lửa sớm thì phần công âm trước khi piston đến ĐCT cũng tăng làm giảm công chung của chu trình. Khi giảm góc đánh lửa sớm, áp suất cực đại giảm dẫn đến giảm công chỉ thị của động cơ.

Trên thực tế, trong các điều kiện như nhau thì khi tốc độ động cơ tăng, thời gian dành cho quá trình cháy giảm. Để cho đỉnh đường cong áp suất nằm ở vị trí tối ưu (thường khoảng 16 sau ĐCT), ta phải tăng góc đánh lửa sớm. Mặt khác do khi tăng tốc độ động cơ cường độ cháy rối do đó góc đánh lửa sớm tối ưu không tăng tuyến tính theo tốc độ động cơ.

Hình 8a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi động cơ giữ nguyên tỷ số nén 9,5 ban đầu và sử dụng xăng E15 ở tốc độ 1500 vòng/phút và 3000 vòng/phút. Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ tốc độ này theo thứ tự là 26 và 32. Tương tự như vậy, Hình 8b giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi động cơ được nâng tỷ số nén lên 10,3 sử dụng xăng E15 ở 2 chế độ tốc độ như trường hợp đầu. Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ

a. b. 0

10

20

30

40

0 0.1 0.2 0.3 0.4

0

10

20

30

40

0 0.1 0.2 0.3 0.4

V(lít)

p(b

ar)

=10,3

=9,5

V(lít)

=10,3p(b

ar)

=9,5

400

440

480

520

560

600

1500 2000 2500 3000 3500 4000

n(vòng/phút)

Wi(J

)

=9,5

=10,3

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2015 25

tốc độ này theo thứ tự là 23 và 30, nhỏ hơn từ 2-3 so với trường hợp tỷ số nén động cơ 9,5.

Hình 7. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất (a) và đồ thị công chỉ thị

(b) khi động cơ Daewoo sử dụng xăng E15, ở tốc độ 1500 vòng/phút

Hình 8. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm

khi động cơ Daewoo sử dụng xăng E15, với tỉ số nén 9,5 (a) và 10,3 (b)

3.4. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành đầu tiên để so sánh đường đặc tính cục bộ của động cơ khi sử dụng xăng và sử dụng xăng pha ethanol. Hình 9 so sánh biến thiên công suất của động cơ ở độ mở bướm ga 30% khi sử dụng xăng RON92 và bằng xăng E15 với góc đánh lửa sớm giữ cố định ở 25. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm như động cơ xăng thì công suất của động cơ khi sử dụng E15 thấp hơn công suất khi sử dụng xăng. Tốc độ càng cao thì khoảng chênh lệch càng lớn. Như đã trình bày ở các phần trên, để nâng cao tính năng công tác của động cơ, khi chuyển sang sử dụng xăng pha ethanol chúng ta cần điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm.

Hình 10 so sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm đường đặc tính ngoài của động cơ Daewoo khi sử dụng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20 và 25. Công suất có ích của động cơ được tính toán dựa trên công chỉ thị chu trình và hiệu suất cơ giới. Ở đây hiệu suất cơ giới được chọn m=0,8. Kết quả cho thấy đường đặc tính ngoài cho bởi mô phỏng phù hợp với đường đặc tính ngoài thực

nghiệm. Khi đánh lửa muộn (20), công suất ngoài của động cơ hơi thấp hơn công suất khi đánh lửa sớm (25).

Hình 9. So sánh được đặc tính cục bộ của động cơ Daewoo khi sử dụng xăng RON92 và xăng E15 (30% tải, với tỉ số nén 9,5)

0

10

20

30

40

50

0 60 120 180 240 300 360

0

10

20

30

40

50

0 0.1 0.2 0.3 0.4a. b. s()

p(b

ar)

s=30 s=27 s=25 s=23 s=20

V(lít)

p(b

ar)

s=30 s=27 s=25 s=23 s=20

400

420

440

460

480

500

520

540

560

20 22 24 26 28 30 32 34 36

450

490

530

570

610

650

20 22 24 26 28 30 32 34

Wi(J

)

s()

n=1500(vòng/phút)

n=3000(vòng/phút)

s()

n=1500(vòng/phút)

n=3000(vòng/phút)

Wi(J

)

a. b.

6

8

10

12

14

16

18

20

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Xăng RON92

E15

n(vòng/phút)

Pe(

kW)

26 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông

Hình 10. So sánh đường đặc tính ngoài của động cơ Daewoo

khi sử dụng xăng E15 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20 và 25

4. Kết luận

- Cùng một chế độ vận hành của động cơ, khi thay đổi hàm lượng ethanol trong xăng, công suất động cơ thay đổi rất nhẹ. Khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công suất động cơ giảm khoảng 1% nếu không điều chỉnh góc đánh lửa sớm.

- Khi tăng tỉ số nén động cơ từ 9,5 lên 10,3, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng khoảng 12%. Mức tăng này không thay đổi nhiều khi thay đổi tốc độ động cơ.

- Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 sử dụng xăng pha cồn thay đổi từ 26 đến 32 khi tốc độ động cơ biến thiên từ 1500 vòng/phút lên

4000 vòng/phút. Khi nâng tỉ số nén lên 10,3, góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi từ 23 đến 30 trong cùng khoảng thay đổi tốc độ động cơ.

- Góc đánh lửa sớm tối ưu tăng nhẹ theo hàm lượng cồn trong xăng. Khi tăng hàm lượng ethanol trong xăng từ 10% lên 20% thì góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2 ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Huseyin Serdar Yucesu, Tolga Topgul, Can Cinat, Melih Okur: Effect of ethanol–gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios. Applied Thermal Engineering, Volume 26, Issues 17-18, December 2006, Pages 2272–2278.

[2] Mustafa Koc, Yakup Sekmen, Tolga Topgül, Hüseyin Serdar Yücesu: The effects of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine. Renewable Energy, Volume 34, Issue 10, October 2009, Pages 2101–2106.

[3] Richie Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Shijin Shuai: Ignition tiiming sensivities of oxygenated biofuels compared to gasoline in direct-injection SI engine. Fuel 99 (2012), pp. 72-82.

[4] S. Phuangwongtrakul, K.Wannatong, T. Laungnarutai and W. Wechsatol: Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal Combustion Engine. Proc. of the Intl. Conf. on Future Trends in Structural, Civil, Environmental and Mechanical Engineering, FTSCEM 2013, ISBN: 978-981-07-7021-1, pp. 39-42.

[5] Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng: Phân tích biến thiên áp suất trong động cơ dual fuel biogas-diesel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm. Tạp chí Khoa học-Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 01(86), 2015, pp.24-29.

[6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled With Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, Issue 5, Sep-Oct 2013, pp.516-523 (Impact Factor 1,69).

(BBT nhận bài: 10/01/2016, phản biện xong: 25/01/2016)

Pe(

kW)

n(vòng/phút)

s=20

s=25

Mô phỏng

Thực nghiệm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 27

CƠ SỞ CHỌN CHIỀU CAO ỐNG KHÓI ĐẠT TIÊU CHUẨN MÔI TRƯỜNG THEO ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

BASIS FOR DETERMINATION OF STACK HEIGHT IN ACCORDANCE WITH ENVIRONMENTAL STANDARDS IN VIETNAM

Nguyễn Đình Huấn, Trần Thị Minh Phương

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ndhuan@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bài báo nghiên cứu các lý thuyết liên quan đến chiềucao và đường kính ống khói nhằm đạt các tiêu chuẩn xả thảikhông gây ô nhiễm môi trường theo điều kiện Việt Nam. Cácthông số liên quan đến ống khói trong quá trình tính toán đượclựa chọn từ nhiều nguồn tài liệu đáng tin cậy trên thế giới cũngnhư ở Việt Nam. Trên cơ sở các tiêu chuẩn liên quan đến ốngkhói, tác giả đã lập chương trình tính toán xác định các thông sốống khói để đạt tiêu chuẩn xả thải phù hợp với nguồn nhiên liệuvà điều kiện khí tượng của Việt Nam hiện nay. Các kết quả tínhtoán được lập thành bảng hoặc đồ thị để các cơ sở sản xuất dễdàng tra cứu khi cần xây dựng ống khói cho phù hợp với đặc thùsản xuất của nhà máy. Kết quả nghiên cứu cũng có thể được sửdụng để làm tài liệu tham khảo cho các cơ quan quản lý làm căncứ để xây dựng tiêu chuẩn Việt Nam liên quan đến ống khói thải.

Abstract - This paper studies the theory related to stack heightand diameter in accordance with environmental standards inVietnam to prevent and reduce air pollution. Based on theprevious reliable literature in the world as well as in Vietnam, theauthors have developed simulation programs for determiningstack parameters in accordance with the environmental criteria,types of fuel and meteorological conditions in Vietnam. It isexpected that the present results in the forms of tables or graphscan be used to facilitate the design of stacks of productionfacilities as well as can be used as reference for the authorities toestablish stack building regulations.

Từ khóa - chiều cao ống khói; đường kính ống khói; khuếch tánô nhiễm; ô nhiễm không khí; thông số ông khói.

Key words - stack height; stack diameter; pollution dispersion; airpollution; stack parameters.

1. Đặt vấn đề

Công nghiệp phát triển mang lại sự tăng trưởng kinh tế, nhưng cũng gây ra không ít các vấn đề suy thoái môi trường trên toàn cầu, đặc biệt là ở những nước đang phát triển. Ống khói từ các khu công nghiệp (KCN) thường phát thải bụi và các loại hơi khí độc gây ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người. Chính vì vậy, việc kiểm soát ô nhiễm từ các ống khói là một vấn đề cần được quan tâm giải quyết.

Phần lớn các loại hình sản xuất đều phát sinh ra chất thải, trong đó các chất thải liên quan đến môi trường không khí rất khó kiểm soát. Việc thu hồi các khí ô nhiễm và thải ra ngoài bằng ống khói là một trong những biện pháp khá hữu hiệu để kiểm soát vấn đề ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay chưa có một quy định rõ ràng nào về ống khói, các lý thuyết liên quan đến ống khói cũng rất hạn chế. Điều này gây không ít khó khăn cho các cơ sở sản xuất khi cần tham khảo tính toán để xây dựng ống khói cho công ty mình. Thông thường các cơ sở sản xuất tham khảo kinh nghiệm lẫn nhau dựa theo đặc thù ngành nghề tương tự để chọn chiều cao và đường kính ống khói, mà không chắc chắn rằng các thông số đó là phù hợp. Bên cạnh đó, các cơ sở sản xuất cũng chưa nắm rõ vai trò của ống khói trong các hoạt động sản xuất [2], nên dẫn đến tình trạng xây dựng ống khói ở các KCN hiện nay đang còn nhiều bất cập, không phù hợp với điều kiện xả thải, ô nhiễm môi trường vẫn cứ xảy ra.

Thông thường, khi sản xuất gây ra nhiều chất ô nhiễm, có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe công nhân thì buộc phải thu hồi những chất ô nhiễm này và giải phóng nhanh ra khỏi không gian làm việc để đảm bảo nồng độ cho phép trong môi trường lao động nằm trong giới hạn quy định tại

QĐ 3733-02/BYT[15]. Nhưng các chất thải này khi đưa ra bên ngoài sẽ có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường không khí, ảnh hưởng đến dân cư xung quanh. Vì vậy, buộc phải xây dựng ống khói để pha loãng các chất ô nhiễm vào môi trường không khí, sao cho khi chúng lan truyền đến khu dân cư sẽ không vượt quá nồng độ cho phép theo QCVN 05:2013 [13]. Tuy nhiên, việc thải chất ô nhiễm qua ống khói sẽ làm tăng tải lượng chất ô nhiễm trong môi trường, vì thế QCVN 19: 2009 [11] được đưa ra để khống chế tải lượng chất thải này của các cơ sở sản xuất.

Qua đó ta thấy, việc xây dựng ống khói nhằm đạt tiêu chuẩn môi trường phải tuân thủ 3 điều kiện chính:

Đảm bảo môi trường lao động bên trong nhà: QĐ 3733-02/BYT.

Đảm bảo không làm tăng chất thải vào môi trường: QCVN 19:2009.

Đảm bảo không ảnh hưởng đến dân cư xung quanh: QCVN 05:2013.

Hiện nay các cơ sở sản xuất tại các KCN không dựa theo 3 tiêu chí trên để xây dựng ống khói. Việc xây dựng thường tham khảo kinh nghiệm lẫn nhau, nên khi đạt được quy định này lại vi phạm quy định khác. Cụ thể:

Không hút triệt để các chất ô nhiễm trong cơ sở sản xuất, làm nồng độ ô nhiễm tại nơi sản xuất tăng lên => không thỏa mãn QĐ 3733-02/BYT.

Trước khi thải ra ống khói không lắp đặt thiết bị xử lý để giảm bớt tải lượng khí thải => gây vượt QCVN 19:2009.

Đường kính và độ cao ống khói không phù hợp, làm khuếch tán ô nhiễm đến khu dân cư, vượt quá quy định cho phép => không thỏa mãn QCVN 05:2013.

28 Nguyễn Đình Huấn, Trần Thị Minh Phương

Hiện nay chưa có tài liệu nào đề cập đầy đủ đồng thời đến các thông số ống khói để thỏa mãn cả 3 yếu tố nêu trên. Chính vì lý do đó, bài báo muốn dựa trên những lý thuyết liên quan đến ống khói và các căn cứ QCVN để lập trình phần mềm tính toán, đưa ra các thông số rõ ràng để các doanh nghiệp sản xuất tham khảo, lựa chọn thông số ống khói cho phù hợp với đặc thù sản xuất của công ty.

2. Giải quyết vấn đề

Căn cứ vào tải lượng các chất ô nhiễm phát sinh, các cơ sở sản xuất cần xác định hiệu suất xử lý của thiết bị để thỏa mãn điều kiện xả thải theo QCVN 19:2009. Khí thải đi ra khỏi thiết bị xử lý sẽ được chuyển đến ống khói và phát thải ra ngoài môi trường. Ống khói có nhiệm vụ pha loãng và khuếch tán các chất ô nhiễm này vào môi trường không khí, để nồng độ của chúng đến các khu dân cư không vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Thông thường để kiểm tra nồng độ khuếch tán của ống khói đến khu dân cư, các cơ quan quản lý đo đạc và đối chiếu với QCVN 05:2013. Điều này có nhiều bất cập, hay nói cách khác là phương pháp này không thuyết phục, vì:

Khó lựa chọn được điểm đo phù hợp do không thể xác định được vị trí ô nhiễm nhất của ống khói gây ra.

Hướng và vận tốc gió ngoài trời thay đổi liên tục, nên kết quả đo không đáng tin cậy.

Có nhiều nguồn thải (nhiều ống khói) cùng đưa chất ô nhiễm đến điểm đo, nên kết quả đo không phản ánh đúng ống khói đang khảo sát.

Chính vì vậy, cần có một công cụ khác đáng tin cậy hơn để giải quyết bất cập này. Mô hình khuếch tán ô nhiễm là một trong những công cụ được sử dụng khá phổ biến hiện nay để đánh giá mức độ ô nhiễm của ống khói gây ra đối với môi trường không khí xung quanh. Việc lập trình mô hình tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ ống khói dựa trên các điều kiện phát thải, điều kiện khí tượng và các thông số của ống khói là cần thiết.

Có nhiều thông số liên quan đến ống khói, tuy nhiên có hai thông số chính cần phải xác định là chiều cao (h) và đường kính ống khói (D). Các cơ sở sản xuất chỉ cần dựa vào hai thông số này là có thể xây dựng ống khói đạt tiêu chuẩn môi trường.

2.1. Chiều cao ống khói

Cơ sở lý thuyết chứng minh rằng ống khói càng cao thì nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm trên mặt đất càng giảm [3]. Bởi vì lượng chất ô nhiễm khuếch tán vào môi trường là không đổi, khi ống khói cao chất ô nhiễm được khuếch tán vào không khí thay vì phân bổ trên mặt đất [1]. Tuy nhiên, ống khói chỉ cần đủ cao với một mức độ nào đó để nồng độ trên mặt đất không vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Nếu xây ống khói cao quá sẽ ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật cũng như vấn đề kinh tế của doanh nghiệp.

Theo kinh nghiệm của các nước, việc lựa chọn chiều cao ống khói được xác định dựa vào hai cơ sở sau:

Cơ sở 1: Chiều cao tối thiểu của ống khói phải cao hơn mặt đất từ 8 đến 10m, và phải cao hơn mái nhà (nhà có ống khói) là 3m [5].

Hình 1. Mối quan hệ giữa ống khói và mái nhà

Cơ sở 2: Để không ảnh hưởng đến ngôi nhà liền kề (Hình 2), ống khói phải đạt được giá trị tính toán theo công thức sau [4,5]:

h = Hct + 1,5×Lct (1)

Trong đó:

h: chiều cao ống khói, tính từ mặt đất đến đỉnh ống khói, (m).

Hct: chiều cao của công trình liền kề, (m).

Lct: kích thước ngắn nhất (chọn giữa chiều cao – Hct và chiều rộng - Wct) của công trình liền kề, (m).

Ghi chú: “Công trình liền kề” là công trình nằm trong phạm vi bán kính 5Lct, nhưng nhỏ hơn 800 m.

Hình 2. Mối liên quan ống khói với công trình liền kề

Ống khói phải chọn theo giá trị lớn nhất của hai cơ sở tính toán nêu trên. Cách xác định này thường nhanh gọn nhưng không chặt chẽ. Vì chưa đề cập đến điều kiện khí tượng của địa phương cũng như lượng phát thải của ống khói, nên nồng độ phát tán đến các khu dân cư có thể vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Do vậy, để chính xác hơn, bài báo này đề xuất thêm 1 cơ sở để tính chiều cao ống khói như phần đặt vấn đề đã nêu, đó là:

Cơ sở 3: Dựa vào mô hình khuếch tán để xác định độ cao ống khói (h), sao cho nồng độ phát tán trên mặt đất không vượt quá tiêu chuẩn cho phép.

Cơ sở 3 này tính toán chủ yếu dựa trên khía cạnh công nghệ, nên kết quả đạt được đáng tin cậy hơn. Có nhiều mô hình khuếch tán được áp dụng hiện nay. Hai mô hình khá nổi tiếng thường hay áp dụng là Gauss và Berliand, kết quả sai khác giữa hai mô hình này không nhiều. Đối với Việt Nam, sử dụng mô hình Gaus sẽ phù hợp hơn. Bởi theo khuyến nghị của nhiều tác giả, mô hình này phù hợp với những ống khói có chiều cao ở mức trung bình [10], vốn rất phổ biến ở nước ta.

Các lý thuyết liên quan đến mô hình Gauss [3] được diễn giải như sau:

Nồng độ chất ô nhiễm tại điểm có toạ độ x,y,z theo mô hình Gauss:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 29

2

2

2 2

2 2

exp2 2

exp exp2 2

y z y

z z

M yC

u

z H z H

x,y,z

(2)

Trong đó:

C: nồng độ chất ô nhiễm tại vị trí có tọa độ x, y, z (g/m3);

M: lưu lượng chất ô nhiễm phát ra từ nguồn, (mg/s);

u: vận tốc gió, (m/s);

σy,σz - hệ số khuếch tán rối theo các phương y, z;

H: chiều cao hiệu quả của ống khói, (m).

Nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất (khi z = 0): 2 2

2 2

1exp

2y z y z

M y HC

u

x,y (3)

Nồng độ ô nhiễm do ống khói gây ra theo trục gió đi qua ống khói trên mặt đất:

2

2exp

2x

y z z

M HC

u

(4)

Giá trị nồng độ cực đại do ống khói gây ra trên mặt đất:

max 0,1656x

y

MC

u H

(5)

Với max)(

2z C

H (6)

Chiều cao hiệu quả của ống khói được tính bằng công thức:

H = h + h (7)

Trong đó:

h: chiều cao hình học của ống thải, (m);

h: độ nâng cao của dòng khí thải, (m). Đó là độ chênh của trục luồng khí thải so với đỉnh ống khói.

Theo khuyến cáo của các nhà khoa học Việt Nam, nên sử dụng công thức của Davidson W.F để xác định độ nâng cao của dòng khí thải như sau [3, 9]:

)1()( 4.1

khóiT

T

uDh

(8)

Trong đó:

Tkhói = tkhói + 273

∆T = tkhói – txq

D: đường kính của miệng ống khói, (m);

ω: vận tốc phụt của luồng khói tại miệng ống khói, (m/s);

tkhói: nhiệt độ của khói thải, (oC);

txq: nhiệt độ môi trường không khí xung quanh, (oC).

2.2. Đường kính ống khói

Việc lựa chọn đường kính ống khói (D) phải căn cứ theo 3 tiêu chí chính sau:

Kinh tế: Để giảm chi phí xây dựng thì các doanh nghiệp thường lựa chọn đường kính ống khói nhỏ. Tuy nhiên, khi đường kính nhỏ vận tốc trong ống khói sẽ tăng lên, làm tăng tổn thất của dòng không khí chuyển động trong đó, điều này sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc của quạt.

Môi trường: Nếu ống khói nhỏ thì vận tốc đi trong ống lớn, làm tăng khả năng phát tán khói tốt hơn, sự ô nhiễm đến khu dân cư xung quanh sẽ giảm. Ống khói lớn tốc độ phụt nhỏ, khó khuếch tán, gây ô nhiễm.

Kỹ thuật: Khi lượng thải cố định, nếu ống khói nhỏ sẽ khó phát thải kịp, cần có quạt với công suất lớn để tăng cường việc thải. Điều này nhiều lúc không đạt được vì sự tổn thất trên đường ống cũng như khả năng hoạt động của quạt [2].

Với 3 tiêu chí nêu trên ta không thể chọn được ống khói quá nhỏ hay quá lớn, mà cần phải chọn ống khói có đường kính phù hợp. Mối liên hệ giữa đường kính ống khói với lưu lượng phát thải (L, m3/s) như sau:

4

2DFL

(9)

L

D4 (10)

Trong đó:

F: tiết diện của ống khói, (m2).

Theo kinh nghiệm một số nước: Trong điều kiện bình thường vận tốc phụt ít nhất là 8m/s, khi có sương hoặc mưa ẩm thì lấy khoảng 9m/s [5]. Khoảng lựa chọn thích hợp được đề xuất là 15-16m/s [2].

Bên cạnh đó, cần lưu ý đến sự ảnh hưởng của gió ngoài trời (u) đến sự phát tán luồng khí thải vào môi trường xung quanh. Để đảm bảo quá trình khuếch tán diễn ra được tốt hơn thì phải chọn vận tốc phụt () đủ lớn so với vận tốc gió theo công thức [5]:

5,1u

(11)

2.3. Phương pháp xác định chiều cao ống khói đạt TCVN

Trong thực tế, các cơ sở sản xuất chỉ biết được lượng nhiên liệu đốt sử dụng, mà không có đủ cơ sở để xác định đúng hiệu suất cần xử lý của thiết bị đạt QCVN 19:2009 cũng như ống khói phải thiết kế thế nào để đạt QCVN 05:2013. Vì lý do đó, tác giả sẽ thực hiện tính toán hiệu suất cần xử lý của thiết bị cũng như thông số ống khói cần xây dựng dựa trên lượng nhiên liệu mà nhà máy đang sử dụng.

Phương pháp thực hiện được mô tả như Hình 3.

Hình 3. Mô tả phương pháp tính toán

Theo như mô tả ở Hình 3, ở đây sẽ thực hiện tính toán cho 3 công đoạn:

(1): Khi biết lượng nhiên liệu tiêu thụ B(kg/h), sẽ xác định lượng khói thải theo phương pháp Sản phẩm cháy [8] để tìm ra 3 thông số chính: Lưu lượng khói thải L(m3/s),

30 Nguyễn Đình Huấn, Trần Thị Minh Phương

Nồng độ khói thải C(mg/m3), Tải lượng khói thải M(mg/s).

(2): Từ nồng độ C(mg/m3), so sánh với QCVN 19:2009 sẽ xác định được hiệu suất xử lý của thiết bị (η) theo công thức:

C

CC QCVN19 (12)

(3): Căn cứ vào lưu lượng thải L(m3/s) và cơ sở lựa chọn đường kính ống khói như trình bày trong mục 2.2, ở đây sẽ xác định chiều ống khói (h) sao cho nồng độ cực đại trên trục gió qua ống khói (Cmax) nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép QCVN 05:2013 theo thuật toán như Hình 4.

Hình 4. Sơ đồ thuật toán xác định chiều cao ống khói

Chương trình tính toán được thiết lập để xác định cho 3 công đoạn tính toán nêu trên thể hiện như Hình 5.

Hình 5. Chương trình tính hiệu suất xử lý và chiều cao ống khói

đạt tiêu chuẩn môi trường theo điều kiện Việt Nam

Kết quả tính toán được kiểm tra theo chương trình mô phỏng khuếch tán ô nhiễm như Hình 6.

Hình 6. Chương trình mô phỏng khuếch tán

3. Kết quả tính toán

Các cơ sở sản xuất hiện nay sử dụng nhiên liệu chính là dầu FO, DO, than và gas. Trong đó có 2 loại nhiên liệu gây ô nhiễm nhất là: dầu FO (ô nhiễm SO2) và than (ô nhiễm bụi), còn dầu DO và gas gây ô nhiễm không đáng kể. Chương trình tính ở Hình 5 có thể xác định được cho tất cả các loại nhiên liệu, tuy nhiên trong phạm vi bài báo chỉ đưa ra kết quả tính toán cho 2 loại nhiên liệu gây nhiều ô nhiễm như đã nêu.

3.1. Nhiên liệu dầu FO

Theo kết quả tính toán, với lượng FO tiêu thụ dưới 400 kg/h thì không cần tính toán xác định chiều cao ống khói theo QCVN 05:2013, mà chỉ cần thiết kế, xây dựng ống khói vượt qua mái nhà 3m như mô tả Hình 1.

Khi nhiên liệu sử dụng trên 400kg/h thì cần căn cứ theo kết quả tính toán mà chương trình tính được như Bảng 1, rồi so sánh với Cơ sở 1 và Cơ sở 2 đã nêu trên để chọn giá trị lớn nhất làm chiều cao ống khói.

Bảng 1. Kết quả tính toán chiều cao và đường kính ống khói với nhiên liệu là dầu FO

B (kg/h) L (m3/s) h (m) D (mm)

400 2,9 7 399

600 4,4 9,3 554

800 5,9 11,5 683

1.000 7,4 14,1 791

2.000 14,9 22,4 1.257

3.000 22,4 27,4 1.542

Dữ liệu trong Bảng 1 có thể lập thành đồ thị như Hình 7. Khi biết lượng nhiên liệu B (kg/h), có thể tra ra đường kính D (mm) và chiều cao ống khói h (m).

Hình 7. Tra đường kính và chiều cao ống khói (dầu FO)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 31

Lưu ý: Kết quả ở đây chỉ sử dụng để xác định thông số ống khói khi các cơ sở sản xuất đã lắp đặt thiết bị xử lý đạt QCVN 19:2009. Theo kết quả chương trình tính toán, khuyến nghị cần xử lý SO2 với hiệu suất 77%.

3.2. Nhiên liệu Than

Theo kết quả tính toán, với lượng than tiêu thụ dưới 500 kg/h thì chỉ cần làm ống khói vượt qua mái nhà 3m như mô tả Hình 1. Với lượng than lớn hơn kết quả tính toán thể hiện trong Hình 8.

Hình 8. Tra đường kính và chiều cao ống khói (Than)

Kết quả cho thấy mối liên hệ giữa lượng nhiên liệu và chiều cao ống khói phụ thuộc tuyến tính. Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế.

4. Kết luận

Các lập luận để xác định các thông số ống khói trình bày ở trên là có cơ sở rõ ràng và đáng tin cậy. Các tính toán áp dụng đã cập nhật điều kiện khí tượng cũng như loại nhiên liệu sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Kết quả tính toán có thể giúp các cơ sở sản xuất tham khảo dễ dàng khi muốn xây dựng ống khói cho phù hợp với tình hình sản xuất. Tuy nhiên, để áp dụng, các nhà máy cần nội suy thông số ống khói theo kết quả trình bày ở bảng hoặc đồ thị tùy theo lượng nhiên liệu sử dụng thực tế.

Điều cần lưu ý là kết quả các thông số ống khói mà tính toán đưa ra trên đây để đạt QCVN 05:2013 chỉ áp dụng cho các cơ sở sản xuất đã lắp đặt thiết bị xử lý đạt QCVN 19:2009 (điều kiện mà tất cả các cơ sở sản xuất hiện nay phải thực hiện). Tuy nhiên, trong trường hợp khí thải vượt QCVN 19:2009 không nhiều lắm thì cần nâng chiều cao ống khói so với tính toán ở trên khi nhà máy không lắp đặt thiết bị xử lý.

Kết quả tính toán cho thấy, cùng lượng nhiên liệu đốt

như nhau, nhưng nếu sử dụng dầu FO sẽ gây ô nhiễm vượt tiêu chuẩn nhiều hơn so với dùng than. Do vậy, nếu không có tính toán cụ thể, khi sử dụng lượng nhiên liệu đốt bằng nhau thì cần xây dựng ống khói để thải khí thải của dầu FO cao hơn của than nhằm tránh ô nhiễm vượt QCVN 05:2013 (khuyến nghị cao hơn khoảng 16%).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Charles W. Steese, “Good Engineering Practice and the Tall Stack Rules: Judicial Disregard of the EPA's Delegated Duties”, 36 Wash. U. J.Urb. & Contemp. L, 1989, 213-246.

[2] F. W. Thomas, S. B. Carpenter & F. E. Gartrell, “Stacks—How High?”, Journal of the Air Pollution Control Association, 1963, 13:5, 198-204.

[3] GS. TS. Trần Ngọc Chấn, Ô nhiễm không khí & xử lý khí thải tập 1 – Ô nhiễm không khí và tính toán khuếch tán chất ô nhiễm, NXB KHKT Hà Nội, 2000.

[4] U.S. Environmental Protection Agency, “Guideline for Determination of Good Engineering Practice Stack Height (Technical Support Document for the Stack Height Regulations)”, EPA Publication No. EPA–450/4–80–023R, (NTIS No. PB 85–225241)), 1985.

[5] “Requirements for the Discharge of Waste Gases, Fumes and Particulates to the Atmosphere - Technical Guideline number 8”, Environmental Planning and Studies Section (EPSS), Environment Department, Government of Dubai, 2011.

[6] Ted Stathopoulos, Louis Lazure, Patrick Saathoff, Amit Gupta, “The effect of stack height, stack location and rooftop structures on air intakecontamination - A laboratory and full-scale study”, Studies and Research Projects report, 2004.

[7] Georgakis, K., Smith, J., Goodfellow, H. and Pye, J., “Review and evaluation of modelsestimating the minimum atmospheric dilution of gases exhausted near buildings”, Journal of the Air & Waste Management Assoc., Vol. 45, 1995, pp. 722-729.

[8] Saathoff P., Stathopoulos T., Lazure L, Peperkamp H, “The influence of roof top structure on the dispersion of exhaust from a rooftop stack”,ASHRAE Transactions, 2002, 108.

[9] “Xác định chiều cao hiệu quả của ống khói khi tính khuếch tán ô nhiễm không khí”, TC Xây dựng, số 7/2008.

[10] Lê Văn Nãi, Nghiên cứu ứng dụng mô hình khuyếch tán ô nhiễm để đánh giá hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí do các ống khói công nghiệp gây ra, Luận án Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 1993.

[11] QCVN 19: 2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải CN đối với bụi và các chất vô cơ.

[12] QCVN 20: 2009/BTNMT– Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải CN đối với một số chất hữu cơ.

[13] QCVN 05:2013/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

[14] QCVN 06:2013/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất độc hại trong không khí xung quanh.

[15] QĐ 3733:2002/BYT – 21 Tiêu chuẩn vệ sinh lao động, 05 nguyên tắc và 07 thông số vệ sinh lao động.

(BBT nhận bài: 18/12/2015, phản biện xong: 06/01/2016)

32 Ngô Xuân Hưng, Lê Thế Duy, Nguyễn Huỳnh Đông

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC TỔNG HỢP DIMETHYL ETHER MỘT GIAI ĐOẠN TỪ KHÍ TỔNG HỢP

A STYDY OF MAKING UP CATALYSTS FOR DIRECT SYNTHESIS OF DIMETHYL ETHER FROM SYNTHESIS GAS

Ngô Xuân Hưng, Lê Thế Duy, Nguyễn Huỳnh Đông

Trường Cao đẳng Nghề Dầu khí, Vũng Tàu; dongnh@pvmtc.com.vn

Tóm tắt - Bài báo này tiến hành nghiên cứu xúc tác tổng hợpDME một giai đoạn từ khí tổng hợp, trên các hệ xúc tác kim loạiCuZnO kết hợp với các loại axit rắn làm chất mang bao gồmZSM-5, γ-Al2O3. Hơn 40 mẫu xúc tác đã được tổng hợp phục vụcông tác so sánh hoạt tính tổng hợp DME để tìm mẫu xúc tác tốiưu, ở điều kiện phản ứng từ 250-300oC và áp suất 100 psi. Trong2 hệ xúc tác nghiên cứu, hệ xúc tác với axit γ-Al2O3 cho kết quảvượt trội, độ chuyển hóa CO tạo thành DME cực đại với mẫu xúctác có thành phần 20% khối lượng CuZn-O trên chất mangγ-Al2O3, tỷ lệ Cu/Zn=70/30, tại nhiệt độ phản ứng 275oC, mẫu xúctác này cũng cho độ chọn lọc và tốc độ phản ứng hình thànhDME tốt nhất.

Abstract - This paper studies the catalysts for the direct synthesis ofDME from syngas, using a mixture of metallic oxides (CuZnO) and solidacidic components including ZSM-5 and γ-Al2O3. In order to find out theoptimal sample, more than 40 catalyst samples were synthesized, thecatalyst’s activities were measured using a catalytic fixed bed reactor,the operating temperature range was 250-300oC and the pressure wasfixed at 100psi. Between 2 studied catalyst systems, the catalystsample with γ-Al2O3 as support has shown superior results.The bestcatalyst sample is the 20% of CuZn-O weight supported on γ-Al2O3 withthe molar ratio of Cu/Zn=70/30, which gives the maximum COconversion into DME at the reaction temperature of 275oC, This is alsothe sample having the highest selectivity and DME formation rate.

Từ khóa - DME; xúc tác lưỡng chức; khí tổng hợp; một giai đoạn;nhiệt độ phản ứng.

Key words - Dimethylether; bifunctional catalysts; synthesis gas;direct synthesis; reaction temperature.

1. Đặt vấn đề

Nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là một trong những chủ đề nghiên cứu nhận được nhiều quan tâm của các nhà khoa học và ngành công nghiệp [1]. Dimethyl ether (DME) là một trong các nhiên liệu thay thế có tiềm năng nhất, với nhiều ưu điểm hứa hẹn trên phương diện thân thiện môi trường và tính khả khả thi công nghiệp [2].

Phản ứng tổng hợp DME được nghiên cứu trên nhiều loại xúc tác axít rắn, ô-xít kim loại khác nhau, bao gồm trên nền chất mang Al2O3 [3, 4], zeolites [5, 6] và hỗn hợp ôxít kim loại [7]. Theo các kết quả nghiên cứu, chất mang thường được sử dụng nhất là trên nền -Al2O3, vì -Al2O3 có bề mặt riêng cao, ổn định nhiệt tốt, bền cơ khí và có độ axít phù hợp cho phản ứng chuyển hóa methanol và cho độ chọn lọc tạo DME cao. Xúc tác sử dụng cho công nghệ tổng hợp 1 giai đoạn là loại xúc tác hiệu quả đồng thời cho phản ứng tạo methanol và DME. Thông thường xúc tác bao gồm 2 tâm hoạt tính: tâm xúc tác cho phản ứng tổng hợp methanol từ khí tổng hợp; thông thường thành phần xúc tác được tổng hợp trên cơ sở tổ hợp ô-xít kim loại CuO-ZnO [8]. Công nghệ tổng hợp DME trực tiếp từ khí tổng hợp được rất nhiều nhóm tác giả trên thế giới nghiên cứu, vì đặc tính nhiệt động học và tối ưu kinh tế của quá trình tổng hợp. Các phản ứng chính xảy ra trong quá trình như sau:

3CO + 3H2 ↔ CH3OCH3+ CO2+ 246.2 kJ / DME-mol (1)

2CO + 4H2 ↔ CH3OCH3+ H2O + 205.0 kJ / DME-mol (2)

2CO + 4H2 ↔2CH3OH +181.6 kJ / DME-mol (3)

CO + H2O ↔ CO2+ H2+ 41.0 kJ / DME-mol (4)

2CH3OH ↔ CH3OCH3+ H2O + 23.4 kJ / DME-mol (5)

Với mục tiêu nghiên cứu điều chế loại xúc tác tối ưu để tổng hợp DME trực tiếp từ khí tổng hợp, bài báo này tóm tắt những kết quả thu được khi tiến hành thực nghiệm

so sánh hoạt tính của nhiều hệ xúc tác khác nhau.

2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Phản ứng tổng hợp DME là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, khi bắt đầu phản ứng, tốc độ hình thành DME tăng theo nhiệt độ phản ứng [9]. Thực tế cho thấy, phản ứng hydro-cracking xảy ra đáng kể khi nhiệt độ phản ứng cao hơn 300oC, làm giảm độ chọn lọc DME, hơn nữa nhiệt độ hình thành methanol và DME trên các nền xúc tác khác nằm trong khoảng 250–300oC [4, 10]. Mặc dù áp suất tăng sẽ làm tăng độ chuyển hóa CO, tuy nhiên, áp suất là thông số làm tăng chi phí vận hành [11], do đó, trong đề tài này chúng tôi chọn phạm vi áp suất thấp trong khoảng giới hạn 100 psi. Với điều kiện áp suất và nhiệt độ như trên, thành phần khí tổng hợp sử dụng trong nghiên cứu này được chọn là H2:CO=2:1 để đảm bảo đồng thời độ chọn lọc của DME và độ chuyển hóa CO [12].

2.1. Tổng hợp xúc tác

Các hệ xúc tác điều chế trong nghiên cứu này được thực hiện theo qui trình đã được thực hiện thành công và kiểm chứng [13]. Có thể tóm tắt các công đoạn như sau:

B1. Chuẩn bị huyền phù -Al2O3, ZSM-5 với khối lượng cân chính xác theo từng mẫu xúc tác;

B2. Chuẩn bị 1 lít dung dịch Na2CO3 1M;

B3. Chuẩn bị 1 lít dung dịch Cu(NO3)2 1M và 1 lít dung dịch Zn(NO3)2 1M;

B4. Chuẩn bị dung dịch hỗn hợp của Cu(NO3)2, Zn(NO3)2 với các tỷ lệ mol của Cu/Zn theo tính toán, tỷ lệ này tương đương với tỷ lệ thể tích của dung dịch Cu(NO3)2 1M và dung dịch Zn(NO3)2 1M;

B5. Đồng kết tủa dung dịch của đồng, kẽm và các kim loại bằng cách cho thêm dung dịch Na2CO3 1 M, duy trì pH: 7.5;

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 33

B6. Rửa và lọc qua 5 lần;

B7. Khuấy kết tủa sau khi lọc trong huyền phù của -Al2O3, ZSM-5;

B8. Lọc rửa, làm khô ở nhiệt độ 120oC trong 12h, nung 350oC trong 3 giờ;

B9. Làm khô và nung.

Hình 1. Sơ đồ tổng hợp xúc tác

2.2. Phương pháp khảo sát đặc tính xúc tác

Đề tài sử dụng nhiều phương pháp phân tích khác nhau để xác định tính chất hóa lý của mẫu xúc tác. Trong phạm vi đề tài, các phương pháp sau được sử dụng:

Phổ nhiễu xạ tia X XRD (X-ray diffraction Detector),

Phương pháp hấp phụ vật lý BET (Brunauer, Emmett và Teller),

Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscopy),

Phương pháp sắc ký khí GC (Gas Chromotography).

2.3. Phương pháp khảo sát hoạt tính xúc tác

Hoạt tính của xúc tác được xác định trên sơ đồ phản ứng vi dòng trình bày ở Hình 2. Thông số hoạt động của sơ đồ phản ứng vi dòng như Bảng 1.

Bảng 1. Thông số vận hành sơ đồ phản ứng vi dòng

Thông số Khử hóa Phản ứng

Nhiệt độ làm việc (oC) 250 250; 275; 300

Lưu lượng khí (ml/phút) 40 (5%H2 /N2)20 (10%CO/ 20%H2/N2)

Thời gian (giờ) 12 -

Áp suất làm việc (psi) 100 100

Khối lượng xúc tác (g) 0,5 0,5

Kích thước hạt xúc tác (mm) 0,3÷0,6 0,3÷0,6

Sơ đồ phản ứng vi dòng được thực hiện trên 02 thiết bị phản ứng, trong đó khi một thiết bị ở chế độ hoạt hóa xúc tác (khử xúc tác mới bằng dòng H2) và một thiết bị thực hiện phản ứng trên hệ xúc tác sau khi đã hoạt hóa.

Hình 2. Sơ đồ phản ứng vi dòng xác định hoạt tính xúc tác

REACTOR: Thiết bị phản ứng; FM: Điều chỉnh lưu lượng dòng khí; BK: Đo lưu lượng bằng bọt khí; AK: Áp kế đo áp suất hệ thống; RG: Điều áp hệ thống phản ứng; GC: Máy sắc ký khí chạy 02 đầu dò song song (FID và TCD); N2: Dòng khí N2 thổi sạch đường ống; H2: Khí khử hóa (5% H2 trong N2); CO: Khí phản ứng (10% CO; 20% H2 trong N2).

2.4. Phương pháp phân tích sản phẩm

Khí sản phẩm sau khi đi qua lò phản ứng được đi vào máy sắc ký phân tích thành phần trực tiếp, máy cho các kết quả phân tích thành phần khí thông qua sắc ký đồ. Sắc ký đồ cho biết được diện tích pick của từng sản phẩm và thời gian lưu của chúng. Do đó, độ chuyển hóa, độ chọn lọc, hiệu suất phản ứng và vận tốc phản ứng được xác định một cách dễ dàng thông qua diện tích của các pick thu được của các chất trên sắc ký đồ.

Bảng 2. Thời gian lưu của một số chất phân tích bởi đầu dò FID và TCD

Chất tlưu TCD (phút) tlưu FID (phút) N2 3,55 CO 4,39 CH4 2,84 DME 3,34

CH3OH 3,86 C2H5OH 4,90 Axeton 5,54 C3H8 3,08 C4H9 3,60

Các thông số đánh giá được xác định như sau:

Độ chuyển hóa (conv.):

COtruoc pu COsau pu

COtruoc pu

A AConv

A

Trong đó:

Conv: là độ chuyển hóa

ACO truoc pu: Diện tích pick CO trước phản ứng

ACO sau pu: Diện tích pick CO sau phản ứng

Độ chọn lọc (Sel):

( )

DME

spp DME

ASel

A A

34 Ngô Xuân Hưng, Lê Thế Duy, Nguyễn Huỳnh Đông

Trong đó:

Sel: Độ chọn lọc

ADME : Diện tích pick Demethyl ethel (DME)

Aspp : Diện tích pick của sản phẩm phụ

Vận tốc phản ứng:

cat

totalDMEDME m

FxYwr ,

Trong đó:

r,wDME: Vận tốc phản ứng (mol/g*s)

YDME: Số mol DME tính:

chuanDME

chuanDMEDME

DME A

YxAY

Ftotal: Tổng lưu lượng nguyên liệu (mol/s).

Ftotal=100.10-6 (mol/s)

mcat: khối lượng xúc tác sử dụng, mcat= 0,5g

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Kết quả phân tích XRD

Hình 3. Kết quả phân tích XRD của mẫu xúc tác (chú thích: đường (1) ứng với mẫu 20%w CuZn-O/ ZSM5, Cu/Zn=70/30; đường (2) ứng với mẫu 20%w CuZn-O/-Al2O3, Cu/Zn=7030; đường (3) ứng với mẫu 100%w CuZn-O, Cu/Zn=70/30)

Kết quả phân tích phổ XRD ở Hình 3 cho thấy rằng phổ nhiễm xạ tia X của hỗn hợp ô-xit CuZn-O, đường (3) chỉ xuất hiện các pick đặc trưng của các ô-xít tương ứng. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu xúc tác 20%w CuZn-O mang trên chất mang ZSM-5, đường (1) và -Al2O3, ngoài các pick của chất mang còn xuất hiện pick đặc trưng của CuO và ZnO, tuy nhiên đỉnh pick không cao. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp tổng hợp sử dụng cho phép phân tán rất tốt hỗn hợp ô-xit CuZn-O trên chất mang. Đây chính là lý do các xúc tác này có hiệu cao.

3.2. Kết quả đo diện tích bề mặt BET

Từ kết quả đo diện tích hấp phụ đơn lớp BET của các mẫu xúc tác (Bảng 3), có thể kết luận, khi chế tạo các mẫu xúc tác khác nhau bằng việc đưa oxit của Cu và Zn lên trên các chất mang khác nhau như γ-Al2O3, ZSM-5 thì diện tích bề mặt của chúng giảm so với khi không mang lên. Điều này chứng minh được rằng, đã có một lớp các oxit của Cu và Zn được bao phủ lên trên bề mặt của các chất mang γ-Al2O3, ZSM-5.

Bảng 3. Kết quả đo diện tích hấp phụ đơn lớp BET của các mẫu xúc tác

Mẫu xúc tác Sad BET (m2/g)

V mao quản (m3/g)

100% γ-Al2O3 300 24

100% ZSM-5 820 3

100% CuZn-O Cu/Zn=7030 33 7,8

20% w CuZn-O, (Cu/Zn=70/30)/ ZSM-5 439 0,64

20% w CuZn-O, (Cu/Zn=70/30)/ γ-Al2O3 108 24

3.3. Kết quả chụp ảnh SEM

Với đa số các mẫu xúc tác tổng hợp, kết quả nghiên cứu bằng SEM cho thấy rằng các hạt vi cầu của ZnO và CuO được phân tán khá đồng đều trên bề mặt của γ-Al2O3 và ZSM-5. Mặc dù vẫn xuất hiện tình trạng vón cục của CuO và ZnO ở một số điểm trên bề mặt của chất mang, nhưng tỷ lệ này không đáng kể. Kết quả chụp đơn cử cho một mẫu xúc tác được trình bày ở Hình 4.

Hình 4. Kết quả chụp ảnh SEM của mẫu 20% w CuZn-O/ γ-

Al2O3 (CuZn-O=7030). Các hạt vi cầu của CuO và ZnO đan sen lẫn nhau, có kích thước trùng bình khoảng 15 nm

3.4. Kết quả nghiên cứu trên hệ xúc tác CuZn-O/ZSM-5

Từ kết quả xác định hoạt tính xúc tác của các mẫu khác nhau trong hệ xúc tác CuZn-O/ZSM-5, nhóm nghiên cứu đều thấy rằng, những mẫu xúc tác với 20% khối lượng CuZn-O trên chất mang ZSM-5 đều cho hoạt tính xúc tác tốt nhất. Vì vậy chúng tôi đã tiến hành so sánh hoạt tính xúc tác thuộc nhóm này, và kết quả so sánh được thể hiện như Bảng 4a.

Thông qua kết quả so sánh hoạt tính của các mẫu xúc tác có thành phần khối lượng 20% hỗn hợp ô-xit đồng và kẽm mang trên ZSM-5, chúng tôi đi đến kết luận rằng: Hoạt tính của mẫu có tỷ lệ Cu/Zn=70/30 đều cho hoạt tính tốt hơn hai mẫu còn lại và nhiệt độ phản ứng tối ưu ở 275oC. Như vậy, đối với hệ xúc tác CuZn-O/ZSM-5, mẫu xúc tác với 20% khối lượng CuZn-O trên chất mang ZSM-5, với tỷ lệ Cu/Zn: 70/30 cho hoạt tính tốt nhất so với các mẫu còn lại ở nhiệt độ phản ứng là 275oC. Kết quả nghiên cứu xúc tác CuZn-O mang trên ZSM-5 được trình bày trong Bảng 4a và 4b.

ZnO

CuO

CuO

0

100

200

300

400

500

600

700

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

(3)

(2)

(1)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 35

Bảng 4a. Kết quả xác định hoạt tính của các mẫu xúc tác có tỷ lệ mol Cu/Zn=70/30 hệ CuZn-O/ZSM-5

Mẫu Nhiệt độ phản ứng

(oC)

Độ chuyểnhóa (C%)

Độ chọn lọc (S%)

Tốc độ phản ứng tạo thành DME (mol/g.s)

E-06

20% w CuZn-O/ZSM-5

250 25,3 17 0,45

275 39,94 11 0,54

300 42,55 8 0,17

40% w CuZn-O/ZSM-5

250 22,1 18 0,33

275 37,76 13 0,45

300 41,2 7 0,18

60% w CuZn-O/ZSM-5

250 18,02 20 0,31

275 33,23 18,5 0,39

300 34,33 12,5 0,13

80% w CuZn-O/ZSM-5

250 18,53 21 0,27

275 28,43 19,3 0,35

300 30,23 12,8 0,14

Bảng 4b. So sánh hoạt tính của các mẫu xúc tác trong hệ CuZn-O/ZSM-5

Nhiệt độ

phản ứng (oC)

Vận tốc phản ứng tạo thành DME (mol/g*s) *E-06

20% w CuZn-O/ ZSM-5

Cu/Zn=50/50

20% w CuZn-O/ ZSM5Cu/Zn=70/3

0

20% w CuZn-O/ ZSM-5

Cu/Zn=80/20

250 0,41 0,45 0,4

275 0,44 0,54 0,42

300 0,16 0,17 0,17

3.5. Kết quả nghiên cứu trên hệ xúc tác CuZn-O/ γ-Al2O3

Tương tự như hệ xúc tác trên, chúng tôi cũng nhận thấy hoạt tính xúc tác của các mẫu xúc tác với 20% khối lượng CuZn-O trên chất mang γ-Al2O3 đều cho hoạt tính xúc tác tốt nhất, vì vậy chúng tôi đã tiến hành so sánh hoạt tính xúc tác của những mẫu xúc tác 20%CuZn-O/γ-Al2O3 là 80%. Kết quả cụ thể trình bày trong Bảng 5a và 5b.

Bảng 5a. Kết quả xác định hoạt tính hoạt tính của các mẫu xúc tác có tỷ lệ mol Cu/Zn=70/30 hệ CuZn-O/ γ-Al2O3

Mẫu Nhiệt độ phản ứng

(oC)

Độ chuyển

hóa (C%)

Độ chọn lọc (S%)

Tốc độ phản ứngtạo DME

(mol/g*s) *E-06

20% w CuZn-O/γ-Al2O3

250 25,3 13,6 5

275 47,37 66,1 35,8

300 42,55 2,2 2,2

40% w CuZn-O/γ-Al2O3

250 23,1 18 6,3

275 44,05 43,13 13,12

300 38,2 7 5,1

60% w CuZn-O/γ-Al2O3

250 18,02 20 0,5

275 33,69 9,7 1,1

300 34,33 8,2 0,33

80% wCuZn-O/γ-Al2O3

250 18,53 3,8 0,2

275 31,94 2 0,19

300 30,23 0,9 0,14

Bảng 5b. So sánh hoạt tính của các mẫu xúc tác trong hệ CuZn-O/γ-Al2O3

Nhiệt độphản ứng (oC)

Vận tốc phản ứng tạo thành DME (mol/g*s) *E-06

20% w CuZn-O, 80% w γ-Al2O3

Cu/Zn=50/50

20% w CuZn-O, 80% w γ-Al2O3 Cu/Zn=70/30

20% w CuZn-O, 80% wγ-Al2O3

Cu/Zn=80/20

250 0,02 5 0,8

275 3,96 35,8 1,8

300 1,76 2,2 0,6

Từ số liệu thực nghiệm thu được, có thể kết luận rằng, hoạt tính của mẫu có tỷ lệ Cu/Zn=70/30 đều cho hoạt tính tốt hơn hai mẫu còn lại và tốt nhất ở 275oC.

Như vậy, đối với hệ xúc tác CuZn-O/γ-Al2O3, chúng tôi đã xác định được mẫu xúc tác có thành phần 20% khối lượng CuZn-O mang trên chất mang γ-Al2O3 với tỷ lệ Cu/Zn= 70/30 là mẫu xúc tác cho hoạt tính tốt nhất so với các mẫu còn lại ở nhiệt độ phản ứng là 275 oC.

4. Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu đối với hệ xúc tác CuZn-O/ZSM-5 và CuZn-O/ γ-Al2O3 ta nhận thấy rằng, ở điều kiện thực nghiệm nghiên cứu, dù ở bất cứ tỷ lệ Cu/Zn nào thì ở nhiệt độ phản ứng 275oC đều cho hoạt tính của xúc tác là tốt nhất và:

1) Mẫu xúc tác 20%w CuZn-O mang trên chất mang γ-Al2O3 (20%w CuZn-O/γ-Al2O3) với tỷ lệ mol Cu/Zn = 70/30 là xúc tác cho kết quả tốt nhất cả về độ chọn lọc (66,1%), tốc độ phản ứng (35,8 E-06 mol/g.s) và độ chuyển hóa (47,37%).

2) Đối với các mẫu xúc tác CuZn-O/ZSM-5 đều cho tốc độ phản ứng thấp và độ chọn lọc thấp, mặc dù xác định được mẫu xúc tác cho độ chuyển hóa CO tương đối cao. Do đó, hệ xúc tác này sẽ không được tiến hành sử dụng so sánh hoạt tính đối với các mẫu xúc tác trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Các hệ xúc tác trên nền chất mang khác và biến tính với các kim loại khác nhau đang được nghiên cứu và sẽ được so sánh với hoạt tính xúc tác của mẫu 20%w CuZn-O/γ-Al2O3, Cu/Zn=70/30 để tìm ra mẫu xúc tác tối ưu. Các kết quả này sẽ được công bố trong thời gian đến.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trippe, F., M. Fröhling, F. Schultmann, R. Stahl, E. Henrich, and A. Dalai, Comprehensive techno-economic assessment of dimethyl ether (DME) synthesis and Fischer–Tropsch synthesis as alternative process steps within biomass-to-liquid production. Fuel Processing Technology, 2013. 106: p. 577-586.

[2] Atabani, A.E., A.S. Silitonga, I.A. Badruddin, T. Mahlia, H. Masjuki, and S. Mekhilef, A comprehensive review on biodiesel as an alternative energy resource and its characteristics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. 16(4): p. 2070-2093.

[3] Hosseini, Z., M. Taghizadeh and F. Yaripour, Synthesis of nanocrystalline γ-Al2O3 by sol-gel and precipitation methods for methanol dehydration to dimethyl ether. Journal of Natural Gas Chemistry, 2011. 20(2): p. 128-134.

[4] Raoof, F., M. Taghizadeh, A. Eliassi and F. Yaripour, Effects of temperature and feed composition on catalytic dehydration of methanol to dimethyl ether over γ-alumina. Fuel, 2008. 87(13–14): p. 2967-2971.

36 Ngô Xuân Hưng, Lê Thế Duy, Nguyễn Huỳnh Đông

[5] Travalloni, L., A.C.L. Gomes, A.B. Gaspar and M.A.P. da Silva, Methanol conversion over acid solid catalysts. Catalysis Today, 2008. 133–135: p. 406-412.

[6] Tang, Q., H. Xu, Y. Zheng, J. Wang, H. Li, and J. Zhang, Catalytic dehydration of methanol to dimethyl ether over micro–mesoporous ZSM-5/MCM-41 composite molecular sieves. Applied Catalysis A: General, 2012. 413–414: p. 36-42.

[7] Ladera, R., E. Finocchio, S. Rojas, J.L.G. Fierro and M. Ojeda, Supported niobium catalysts for methanol dehydration to dimethyl ether: FTIR studies of acid properties. Catalysis Today, 2012. 192(1): p. 136-143.

[8] Mao, D., W. Yang, J. Xia, B. Zhang and G. Lu, The direct synthesis of dimethyl ether from syngas over hybrid catalysts with sulfate-modified γ-alumina as methanol dehydration components. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2006. 250(1–2): p. 138-144.

[9] Ereña, J., I. Sierra, A.T. Aguayo, A. Ateka, M. Olazar, and J.

Bilbao, Kinetic modelling of dimethyl ether synthesis from (H2+ CO2) by considering catalyst deactivation. Chemical Engineering Journal, 2011. 174(2): p. 660-667.

[10] Ereña, J., R. Garoña, J.M. Arandes, A.T. Aguayo and J. Bilbao, Effect of operating conditions on the synthesis of dimethyl ether over a CuO-ZnO-Al 2 O 3/NaHZSM-5 bifunctional catalyst. Catalysis today, 2005. 107: p. 467-473.

[11] Moradi, G., F. Yaripour and P. Vale-Sheyda, Catalytic dehydration of methanol to dimethyl ether over mordenite catalysts. Fuel Processing Technology, 2010. 91(5): p. 461-468.

[12] Chen, W.-H., B.-J. Lin, H.-M. Lee and M.-H. Huang, One-step synthesis of dimethyl ether from the gas mixture containing CO2 with high space velocity. Applied Energy, 2012. 98: p. 92-101.

[13] Ge, Q., Y. Huang, F. Qiu and S. Li, Bifunctional catalysts for conversion of synthesis gas to dimethyl ether. Applied Catalysis A: General, 1998. 167(1): p. 23-30.

(BBT nhận bài: 16/11/2015, phản biện xong: 08/12/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 37

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN NHIỆT THỦY HÓA VÀ CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA VỮA

STUDYING THE EFFECTS OF FLY-ASH ON HEAT OF HYDRATION AND COMPRESSIVE STRENGTH OF MORTAR

Đoàn Viết Long, Nguyễn Văn Hướng, Võ Thị Thu Hiền

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; dvlong@dut.udn.vn

Tóm tắt - Tro bay được tạo ra do quá trình đốt cháy than của cácnhà máy nhiệt điện, là phế phẩm công nghiệp gây ô nhiễm môitrường. Việc sử dụng tro bay để thay thế cho một phần xi măngsẽ góp phần tiêu tán phế phẩm này đồng thời cải thiện tính chấtcủa bê tông và mang lại hiệu quả kinh tế. Nhằm nghiên cứu ảnhhưởng của tro bay đến đến lượng nhiệt sinh ra trong quá trìnhthủy hóa xi măng và cường độ, nghiên cứu đã thay thế một phầnxi măng (10%, 20% và 30%) bằng tro bay. Các thí nghiệm đonhiệt thủy hóa và xác định cường độ nén của mẫu vữa được thựchiện ở các thời điểm 3, 7 và 28 ngày. Kết quả đạt được chỉ rarằng: với tỷ lệ thay thế 10% lượng nhiệt sinh ra do thủy hóa giảmnhẹ và cường độ ở thời điểm 28 ngày phát triển cao hơn so vớimẫu chỉ chứa xi măng; với lượng thay thế 30% lượng nhiệt sinhra giảm đáng kể, tuy nhiên cường độ cũng giảm nhiều so với mẫuđối chứng.

Abstract - Fly ash, generated during the combustion of coal inelectric power generation plants, is an industrial by-product which isrecognized as an environmental pollutant. The use of fly ash toreplace a partial cement will contribute to dissipating this waste,simultaneously improving the properties of concrete and economicefficiency. In order to study the effects of fly ash on the strength andheat of cement hydration, the author replaced a partial cement of10%, 20% and 30% with fly ash. The experiments measuring the heatof hydration and determining the compressive strength of the mortarsamples were carried out at the time of 3, 7 and 28 days. The resultsshow that with the replacement rate of 10%, the heat of hydrationdecreases slightly and the compressive strength on 28 days is higherthan that of the plain cement samples; with the replacement rate of30%, the generated heat and the compressive strength decreasedramatically compared with that of the reference samples.

Từ khóa - Tro bay; xi măng; phụ gia khoáng; nhiệt thủy hóa;cường độ nén; CMH-062.

Key words - fly ash; cement; mineral admixture; heat ofhydration; compressive strength; CMH-062.

1. Đặt vấn đề

Bản chất thủy hóa của xi măng thực chất là một chuỗi các phản ứng hóa học tỏa nhiệt. Xi măng có chứa các thành phần chính là C2S, C3S, C3A, C4AF và CaSO4.2H2O khi tiếp xúc với nước trong quá trình chế tạo bê tông gây nên các phản ứng hóa học sinh ra nhiệt lượng. Nhiệt thủy hóa của xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần hóa học, độ mịn, tỷ lệ nước/xi măng, nhiệt độ môi trường thủy hóa, phụ gia hóa học, phụ gia khoáng,… [1]. Nhiệt sinh ra do hyđrát xi măng là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt do nhiệt hay tấn công nội sun phát trong bê tông, đặc biệt là kết cấu bê tông khối lớn [2, 3]. Trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, việc nghiên cứu ra loại xi măng sinh ra nhiệt thủy hóa thấp, tạo ra bê tông cường độ cao luôn được chú trọng đầu tư. Một giải pháp nhằm giảm lượng nhiệt thủy hóa của xi măng là thay thế một phần xi măng bằng cốt liệu mịn khác ít tỏa nhiệt trong thành phần của bê tông đã được nghiên cứu áp dụng. Tro bay và puzơlan là hai vật liệu ít tỏa nhiệt và thường được sử dụng như phụ gia khoáng hoạt tính thay thế một phần xi măng trong cấp phối bê tông. Các nghiên cứu [4-9] đã chỉ ra rằng việc dùng các vật liệu thay thế này có thể mang lại các hiệu ích:

- Giảm ô nhiễm môi trường, giảm nhiên liệu (năng lượng) tiêu thụ;

- Có thể cải thiện đáng kể một số tính chất cơ bản của hỗn hợp vữa và bê tông. Cụ thể: cải thiện khả năng thi công, giảm phân tầng, giảm tách nước; có khả năng ức chế tác hại do phản ứng kiềm cốt liệu, tấn công sun-phát và tấn công axít; giảm nhiệt do hyđrat xi măng (rất có ý nghĩa đối với bê tông khối lớn hay bê tông thi công trong

điều kiện môi trường nhiệt độ cao);

- Giảm giá thành bê tông.

Tro bay được tạo ra do quá trình đốt cháy than để sản xuất năng lượng của các nhà máy nhiệt điện. Nó được xem là phế phẩm công nghiệp gây ô nhiễm môi trường. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng loại phế thải công nghiệp này để thay thế một phần xi măng sẽ mang lại nhiều lợi ích (môi trường, kỹ thuật và kinh tế). Tuy nhiên, chính sự thay thế xi măng bởi tro bay với lượng không phù hợp là nguyên nhân gây nên hiện tượng suy giảm cường độ và tốc độ phát triển cường độ của bê tông. Vấn đề đặt ra là cần phải xác định được cấp phối phù hợp để vừa thỏa mãn yêu cầu về an toàn nhiệt, vừa đáp ứng được yêu cầu về cường độ.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến sự tỏa nhiệt do quá trình thủy hóa và cường độ, chúng tôi đã sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng ở các mức 10%, 20% và 30%. Các thí nghiệm xác định nhiệt lượng, cường độ nén tiến hành trong thời đoạn 28 ngày (ở các thời điểm 3, 7, 28 ngày) đã được thực hiện.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

2.1. Vật liệu thí nghiệm

- Xi măng (PC): Sử dụng xi măng Vicem Hải Vân PC40, sản xuất tại thành phố Đà Nẵng, tính chất hóa - lý của nó phù hợp với TCVN 2682:2009.

- Nước (N): Nước dùng để trộn vữa và hồ xi măng là nước thủy cục, loại nước này phù hợp với TCVN 4506: 2012.

- Cát (C): Sử dụng cát sông Túy Loan tại Hòa Phong – Đà Nẵng. Các chỉ tiêu cốt liệu xác định theo TCVN 7572:2006, đường thành phần hạt của nó tương ứng như ở Hình 1. Loại cát này phù hợp với TCVN 7570:2006.

38 Đoàn Viết Long, Nguyễn Văn Hướng, Võ Thị Thu Hiền

Hình 1. Đường thành phần hạt của cát

- Phụ gia tro bay (FA): Sử dụng tro bay Formosa được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Đầu tư và Tiếp vận Mê Kông.

Bảng 1. Thành phần hóa của tro bay Mê Kông

STT Tên chỉ tiêu Hàm lượng

(% theo khối lượng)

1 SiO2 52.6

2 Al2O3 26.5

3 Fe2O3 3.78

4 CaO 0.28

5 Na2O 0.21

6 K2O 2.84

2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Bao gồm các thiết bị đo nhiệt thủy hóa của xi măng và thiết bị xác định cường độ nén mẫu vữa.

- Thiết bị đo nhiệt thủy hóa

Các thiết bị và dụng cụ chính phục vụ cho thí nghiệm gồm:

+ Máy đo nhiệt thủy hóa CMH-062, xuất xứ: UK, gồm các bộ chính (Hình 2): hộp cách nhiệt (đảm bảo cách nhiệt bên trong bình téc mốt và môi trường bên ngoài), bình téc mốt, máy khuấy, nhiệt kế Beckmann có độ chính xác đến 0.01oC và các dụng cụ khác phù hợp với TCVN 6070:2005.

Hình 2. Máy đo nhiệt thủy hóa xi măng CMH-062

+ Hóa chất thí nghiệm: kẽm oxit (ZnO), axit nitric (HNO3) nồng độ 2N, dung dịch axit flohydric (HF) nồng độ 38%÷40%, parafin, axêtôn và nước tinh khiết.

- Thiết bị xác định cường độ mẫu vữa

+ Máy trộn vữa dung tích 5 lít;

+ Khuôn đúc vữa 4x4x16 cm3;

+ Máy thử nén uốn vữa loại Matest E160-01D, thí nghiệm phù hợp với TCVN 3121:2003.

2.3. Nội dung thí nghiệm

- Thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa

Thực hiện thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa đối với hồ xi măng (PC) và hồ của các hỗn hợp chất kết dính (90PC-10FA: 90% xi măng và 10% tro bay, 80PC-20FA: 80% xi măng và 20% tro bay và 70PC-30FA: 70% xi măng và 30% tro bay), với tỷ lệ nước /chất kết dính không đổi 0.4. Nhiệt thủy hóa được đo ở các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày.

Nhiệt hòa tan của chất kết dính được xác định thông qua thí nghiệm phù hợp với TCVN 6070:2005 [10] và tiêu chuẩn ASTM C168 [11]. Nguyên tắc của phương pháp là đo nhiệt hòa tan của xi măng khô (Q0) được xác định theo công thức (1) và của xi măng thủy hóa sau n ngày (Qn) được xác định theo công thức (2), hiệu số Q0 – Qn (3) là nhiệt thủy hóa của xi măng sau thời gian thủy hóa n ngày (Hình 3) [10, 11].

dcdck T

M

TCQ

8,0

0

0

(1)

dc

n

dckn T

M

TCQ

7,1 (2)

Với: Ck- nhiệt dung riêng của nhiệt lượng kế (kJ/kgoC); Tdc- mức tăng nhiệt của giai đoạn hòa tan (oC); M0, Mn - là khối lượng mẫu chất kết dính sau nung (kg).

Hình 3. Nguyên tắc xác định nhiệt thủy hóa

Các bước tiến hành [10]:

- Bước 1: Chuẩn bị mẫu hồ xi măng (PC) và hồ chất kết dính (90PC-10FA, 80PC-20FA và 70PC-30FA);

- Bước 2: Kiểm tra khả năng cách nhiệt của bình téc mốt và xác định nhiệt dung riêng Ck (hằng số máy) của nhiệt lượng kế;

- Bước 3: Xác định nhiệt hòa tan của chất kết dính ứng với từng trường hợp thí nghiệm.

Các thông số thí nghiệm được thống kê xử lý và kiểm tra, đảm báo các yêu cầu về sai số cho phép được nêu trong TCVN 6070:2005.

- Thí nghiệm đo cường độ vữa

Thí nghiệm xác định cường độ nén mẫu vữa tuân theo TCVN 3121:2003 [12]. Nghiên cứu này đã thực hiện trên bốn cấp phối với thành phần như ở Bảng 2. Kết quả nén được thực hiện ở các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày.

Bảng 2. Các thành phần cấp phối vữa

Thành phần

Ký hiệu cấp phối

PC 90PC-10FA 80PC-20FA 70PC-30FA

XM (g) 500 450 400 350

FA (kg) 0 50 100 150

Cát (g) 1375 1375 1375 1375

N (g) 250 250 250 250

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 39

3. Kết quả và bàn luận

Kết quả xác định nhiệt thủy hóa ở các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày cho các mẫu hồ xi măng (PC) và hồ của chất kết dính (90PC-10FA, 80PC-20FA và 70PC-30FA) được thống kê như ở Bảng 2. Để thấy rõ được xu hướng của quá trình sinh nhiệt do thủy hóa chất kết dính theo thời gian cũng như so sánh nhiệt sinh ra của các cấp phối ở các thời điểm, kết quả được chúng tôi thể hiện tương ứng trên các Hình 4 và Hình 5.

Bảng 3. Nhiệt thủy hóa của chất kết dính tại các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày

STT Chất kết dính Tổng lượng nhiệt thủy hóa (kJ/kg)

3 ngày 7 ngày 28 ngày

1 PC 362.0 394.6 418.1

2 90PC-10FA 335.1 375.3 409.1

3 80PC-20FA 328.4 357.5 381.1

4 70PC-30FA 275.1 308.0 330.1

Hình 4. Quá trình sinh nhiệt thủy hóa theo thời gian

Mỗi giá trị cường độ nén là trị số trung bình của sáu mẫu nén (ba mẫu 4x4x16 cm3) của bốn cấp phối vữa, được thực hiện ở các thời đoạn, ở các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày, được thể hiện như ở Hình 6. Ngoài ra, để thấy được mối liên hệ giữa tỷ lệ thay thế tro bay cho xi măng ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ nén, kết quả còn được thể hiện như ở Bảng 5.

Hình 5. So sánh nhiệt thủy hóa ở các thời điểm

Bảng 4. So sánh trị số giảm tuyệt đối và tương đối nhiệt thủy hóa của mẫu chất kết dính PC+FA so với mẫu PC

STT Trị số giảm tuyệt đối và

tương đối ở các thời điểm

Loại mẫu

90PC-10FA

80PC-20FA

70PC-30FA

1 3 ngày kJ/kg -26.9 -33.6 -86.9

Tỷ lệ (%) -7.4 -9.3 -24.0

2 7 ngày kJ/kg -19.3 -37.1 -86.6

Tỷ lệ (%) -4.9 -9.4 -21.9

3 28 ngày kJ/kg -9.0 -37.0 -88.0

Tỷ lệ (%) -2.2 -8.8 -21.0

Hình 6. So sánh phát triển cường độ nén của các mẫu

Bảng 5. So sánh trị số thay đổi tuyệt đối và tương đối cường độ nén của mẫu vữa chất kết dính PC+FA so với mẫu PC

STT Trị số thay đổi tuyệt đối và tương đối ở các thời

điểm

Loại mẫu

90PC-10FA

80PC-20FA

70PC-30FA

1 3 ngày Mpa -1.4 -2.1 -3.3

Tỷ lệ (%) -15.2 -23.4 -36.9

2 7 ngày Mpa -0.2 -2.3 -3.8

Tỷ lệ (%) -2.1 -21.7 -36.1

3 28 ngày Mpa +1.2 -3.3 -6.0

Tỷ lệ (%) +6.9 -19.2 -35.2

Các kết quả thí nghiệm như đã trình bày trên đây chỉ ra rằng: Trong thời đoạn ba ngày, nhiệt thủy hóa của mẫu chứa 100% phát triển nhanh hơn so với các mẫu thay thế một phần xi măng bởi tro bay, hơn nữa tốc độ tỏa nhiệt trong thời thời đoạn này giảm dần khi tăng mức độ thay thế từ 10% đến 30%. Thật vậy, nhiệt thủy hóa ở thời điểm 3 ngày của các mẫu 90PC-10FA, 80PC-20FA và 70PC-30FA so với mẫu đối chứng PC giảm đi các lượng tương ứng là 7,4%, 9,3% và 24% (Bảng 4). Tuy nhiên, sau thời đoạn này (kết quả đo ở 7 ngày và 28 ngày) mẫu 90PC-10FA nhiệt thủy hóa sinh ra với tốc độ nhanh hơn, thậm chí ở thời điểm 28 ngày giá trị nhiệt thủy hóa của mẫu thay thế 10% tro bay gần như tương tương (chỉ nhỏ hơn 2,2%) so với mẫu chỉ chứa xi măng. Điều này có nghĩa là khi tỷ lệ thay thế 10% xi măng bởi tro bay thì nhiệt thủy hóa sinh ra giảm không đáng kể. Còn đối với các mẫu 80PC-20FA và 70PC-30FA nhiệt thủy hóa sinh ra ở thời điểm 28 ngày tương ứng là 8,8% và 21% so với mẫu PC. Kết quả trên có thể được lý giải như sau: Nhiệt thủy hóa của hỗn hợp chất kết dính là cộng tác dụng của các phương trình hóa học tỏa nhiệt của các thành phần của xi măng (C3S, C2S, C3A, C4AF, CaSO4.2H2O,...) với nước và phản ứng pu-zơ-lan-nic của SiO2 hoạt tính (chiếm tỷ tệ lớn trong tro bay) với sản phẩm hyđrát của xi măng Ca(OH)2, giải thích này phù hợp với các nghiên cứu trước đây [1, 3, 4, 5]. Đối với trường hợp thay thế xi măng bởi tro bay với lượng lớn (trong nghiên cứu này là 30%) thì lượng nhiệt sinh ra do phản ứng pu-zơ-lan-nic không bù đắp được lượng nhiệt giảm đi ra do lượng xi măng bị thay

40 Đoàn Viết Long, Nguyễn Văn Hướng, Võ Thị Thu Hiền

thế, thậm chí lượng tro bay thừa đóng vai trò như chất trơ làm giảm nhiệt thủy hóa, điều này có khả năng dẫn đến sự giảm cường độ của cấp phối vữa hay bê tông.

Kết quả thí nghiệm về cường độ nén cho thấy: Đối với các mẫu có hàm lượng thay thế xi măng bởi tro bay từ 20% trở lên thì cường độ nén càng giảm khi tỷ lệ thay thế càng tăng. Kết quả này phù hợp với nhận định của chúng tôi ở phần trên. Đối với mẫu 90PC-10FA: Ở thời điểm 3 ngày cường độ nén nhỏ hơn 15,2%, ở thời điểm 7 ngày cường độ nén chỉ nhỏ hơn 2,1%, trong khi đó ở 28 ngày cường độ nén vượt 6,9% so với mẫu chứa 100% xi măng. Điều này có nghĩa là tỷ lệ thay thế 10% tro bay cho xi măng có dẫn đến sự tăng cường độ nén của mẫu vữa ở thời đoạn sau 7 ngày. Kết quả này có thể giải thích như sau: Với tỷ lệ thay thế hợp lý (trong trường hợp nghiên cứu này là 10%) thì hiệu quả của phản ứng pu-zơ-lan-nic (giữa SiO2 hoạt tính và portlandite sinh ra trong quá trình thủy hóa C2S và C3S) tạo ra các gen C-S-H thứ cấp (giống như C-S-H tạo ra do thủy hóa C2S và C3S) làm tăng mật độ C-S-H (làm mịn hóa cấu trúc lỗ rỗng) góp phần làm tăng cường độ mẫu vữa hoặc bê tông. Ngoài ra, tro bay chứa một lượng lớn các hạt siêu mịn hình cầu đóng vai trò như cốt liệu nhỏ sẽ góp phần cải thiện độ rỗng của vữa hoặc bê tông theo hiệu ứng lấp đầy sẽ góp phần cải thiện cường độ của bê tông.

4. Kết luận

Bằng thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa của hồ xi măng và cường độ nén của mẫu vữa với tỷ lệ thay thế 0%, 10%, 20% và 30% xi măng bởi tro bay ở các thời điểm 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày, bài báo đưa ra một số kết luận như sau:

- Vật liệu tro bay Formosa phù hợp để thay thế xi măng trong thành phần chất kết dính của cấp phối bê tông, góp phần giảm lượng nhiệt thủy hóa, qua đó giảm được nguy cơ gây nứt nẻ do nhiệt của kết cấu bê tông.

- Vật liệu tro bay là sản phẩm phế thải của các nhà máy nhiệt điện, việc tận dụng nguồn nguyên liệu phục vụ trong ngành xây dựng giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.

- Với tỷ lệ thay thế 10% xi măng bởi tro bay, tạo ra chất dính kết có cường độ tương đương ở thời đoạn sau

7 ngày, thậm chí tăng hơn ở thời đoạn sau, tuy nhiên nhiệt thủy hóa giảm đi không đáng kể so với chất dính kết 100% xi măng; với tỷ lệ thay thế từ 20% xi măng bởi tro bay thì nhiệt thủy hóa giảm đáng kể, tuy nhiên kéo theo nó là sự giảm đáng kể về cường độ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hewlett P.C., 2004. Lea’s chemistry of cement and concrete. Elsevier Science & Technology Books, Fourth Edition, 1056p.

[2] Soroka I., 2004. Concrete in hot environments. Taylor & Francis e-Library, 250p.

[3] Huong N.V, Leklou N., Aubert J.E., Mounanga P., 2013. The effect of natural pozzolan on delayed ettringite formation of the heat-cured mortars. Construction and Building Materials, vol. 48, p. 479-484.

[4] Nguyễn Văn Hướng, Nguyễn Thị Lộc, Nguyễn Văn Tươi, Phạm Cường, 2015, “Nghiên cứu dùng phụ gia khoáng puzơlan Quảng Ngãi để thay thế cho một phần xi măng trong bê tông”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số: 07(92),), trang: 11-15.

[5] Usón AA., López-Sabirón AM., Ferreira G., Sastresa EL., Uses of alternative fuels and raw materials in the cement industry as sustainable waste management options, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, Vol 23, p.242–260.

[6] Nguyễn Quang Phú, Nguyễn Đức Nam, Nguyễn Thành Lệ, “Ảnh hưởng của phụ gia khoáng tro bay nhiệt điện và puzơlan thiên nhiên đến một số tính chất của bê tông đầm lăn (RCC)”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 2011, Số 33, p.94-101.

[7] Đinh Xuân Anh, Nguyễn Như Oanh. Nghiên cứu đề xuất sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông đầm lăn đập Tân Mỹ tỉnh Ninh Thuận trên khía cạnh kinh tế và kỹ thuật, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 2012, Số 36, p.24-31.

[8] Trần Ngọc Tuyền, Nguyễn Đăng Tư, Nghiên cứu sử dụng puzơlan Khe Mạ - Thừa Thiên Huế làm phụ gia hoạt tính cho xi măng Portland. Tạp chí Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2010, Số 5A(48), p.213-219.

[9] Meddah MS., Tagnit-Hamou A., Pore structure of concrete with mineral admixtures and its effect on self-desiccation shrinkage, ACI Material Journal, 2009, Vol 106(3), p.241-250.

[10] Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng, 2005, Xi măng – Phương pháp xác định nhiệt thủy hóa TCVN 6070:2005, Tiêu chuẩn Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ, 7 trang.

[11] ASTM International, 2015. Standard Test Method for Heat of Hydration of Hydraulic Cement ASTM C186 –15a. West Conshohocken, 7 pages.

[12] Viện Khoa học Công nghệ Vật liệu xây dựng – Bộ Xây dựng, 2003, Vữa xây dựng – Phương pháp thử TCVN 3121-2003, Tiêu chuẩn Việt Nam, 36 trang.

(BBT nhận bài: 18/12/2015, phản biện xong: 05/01/2016)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 41

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ BIẾN ĐỔI TRONG CHUYỂN ĐỘNG TĨNH CỦA ROBOT BAY QUADCOPTER

ANALYSIS OF INFLUENCE OF CHANGE VARIABLES IN STATIC MOVEMENT OF QUADCOPTER ROBOTS

Nguyễn Hoàng Mai

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nhmai@dut.udn.vn

Tóm tắt - Hiện nay, robot quadcopter đang chủ yếu dùng để giảitrí. Tuy nhiên, một số công ty đã hướng đến sản xuất robot lớn đểchở hàng và người, ứng dụng trong công việc phục vụ sản xuất,cứu hộ, đời sống, an ninh quốc phòng… Đây là một hướngnghiên cứu phát triển ứng dụng có triển vọng cho tương lai gần.Trong đó, vấn đề chuyển động tĩnh, là trạng thái treo lơ lửng củarobot trong môi trường nhiễu khí động, rất khó thực hiện và hiệnnay cũng chưa được nghiên cứu nhiều vì đó là bài toán phi tuyếnmạnh và nhiều biến. Vì vậy, bài báo này đi sâu phân tích một sốvấn đề tác động lên robot quadcopter trong trạng thái treo, lànhiễu khí động ngang và xoáy, để làm nền tảng cho việc pháttriển ứng dụng cao hơn trong những nghiên cứu tiếp theo. Nhữngkết quả đưa ra đã giải thích rõ tính phù hợp của lý thuyết, đócũng là nền tảng để xây dựng các bộ điều khiển cho đối tượngphi tuyến mạnh chuyển động trong không khí.

Abstract - Nowadays, quadcopter robots are used primarily forentertainment. However, some companies have been thinking ofproducing large robots for carrying cargo and people to beapplied in production work, life, rescue, security and defense...This is a development-oriented research that can be applied inthe near future. In particular, the static movement is the state inwhich the robot is hung in aerodynamic noise environments isvery difficult to implement and has not been widely studiedbecause it is the strongest non-linear problem with manyvariables. Therefore, this paper deeply analyzes some impact onthe state of quadcopter robots hung in a horizontal and rotationalaerodynamic noise environment to create a basis for developingmore applications in the next studies. The obtained resultsexplain the relevance of the theory, that is also the foundation tobuild the controllers for nonlinear strong movement in the air.

Từ khóa - robot quadcopter; khí động học; khung tọa độ quántính; khung tọa độ thân; bay; xoáy; trạng thái treo.

Key words - quadcopter robot; aerodynamics; inertial frame;body frame; fly; rotational; hanging status

1. Đặt vấn đề

Mô hình quadcopter

Để phân tích mô hình của quadcopter, đầu tiên ta xét cho một cánh quạt. Trong hệ thống 4 cánh quạt, nếu các cánh xa nhau thì có thể xem ảnh hưởng của chúng lên robot là độc lập. Khi đó ta sẽ có các phương trình cơ bản của robot bao gồm:

- Phương trình tổng hợp lực;

- 3 phương trình quan hệ động học;

- Phương trình động lượng;

- 4 phương trình cân bằng mômen quay xung quanh thân tự do;

- 4 phương trình của động cơ, có thể là động cơ điện d.c hoặc động cơ turbine chạy bằng khí gas.

Như vậy, qua đó có thể thấy khi đã đơn giản hóa mô hình thì hệ thống các phương trình điều khiển quadcopter vẫn rất nhiều. Sau đây sẽ lần lượt phân tích và đưa ra các phương trình trên.

Sơ đồ minh họa mô hình quadcopter như Hình 1. Trong đó xuất hiện 2 hệ tọa độ, đó là:

- Hệ tọa độ thể hiện chuyển động quay Roll-Pitch-Yaw (RPY);

- Hệ tọa độ thể hiện chuyển động tịnh tiến theo các phương XYZ.

Các thông số mô tả chuyển động và lực bao gồm:

- 1, 2, 3, 4 là các vận tốc góc của cánh quạt, cũng đồng thời là vận tốc góc của động cơ.

- T1, T2, T3, T4 là các lực nâng lên của cánh quạt tạo ra.

- mg là tổng trọng lực của cơ hệ, lý tưởng thì trọng

tâm của cơ hệ nằm ở tâm khối hệ thống. Tuy nhiên, tọa độ trọng tâm có thể thay đổi nếu cánh quạt sử dụng loại có thể điều chỉnh hướng và góc phương vị cánh.

- , , là các góc định hướng RPY.

Hình 1. Mô tả các hệ tọa độ chuyển động của robot

1.1. Các phương trình động học

Nếu coi cả cơ hệ robot là hệ liên kết cứng với trọng tâm tập trung, thì chuyển động của cả hệ sẽ gắn liền với chuyển động các phần tử. Trong đó sử dụng một số hệ toạ độ:

- Hệ tọa độ quán tính (inertial frame) CSi= [xi yi zi]: gắn liền với mặt đất cố định tại một vị trí nào đó. Thường để thống nhất, ta chọn trục x hướng về phía bắc, trục y hướng về phía đông và trục z hướng về tâm trái đất.

- Hệ tọa độ thân robot (body frame) CSb= [xb yb zb], trong đó trục xb hướng về motor phía trước, trục y hướng về motor bên phải và trục zb = xbyb, tâm hệ là trọng tâm của robot.

42 Nguyễn Hoàng Mai

- Hệ tọa độ chỉnh (vehicle frame) CSv= [xv yv zv]: là hệ tọa độ có gốc trùng trọng tâm của robot, các trục tương ứng với trục của hệ tọa độ quán tính khi chỉnh, nghĩa là hệ quay quanh trục zv để sao cho hai trục xv,yv trùng phương với xi,yi và hướng quay quanh trục yv sao cho hai trục xv,zv trùng phương với xi,zi.

Sử dụng các biến sau đây để mô tả động học của quadcopter [5]:

1 [ ]Txyz là vector mô tả vị trí gốc tọa độ của hệ CSb nhìn về CSi;

2 [ ]T là vector mô tả góc quay trong hệ RPY của CSv so với CSi;

1 [u w]Tv là vận tốc dài của hệ CSb so với CSi;

2 [p ]Tqr là vận tốc góc của thân từ hệ CSb so với CSi;

[x ]TG G G Gr y z là khoảng cách từ gốc của CSb đến trọng tâm của thân.

Ma trận biến đổi giữa hai hệ tọa độ được thực hiện thông qua phép nhân với ma trận quay theo 3 trục cơ bản

i

b

CSCS R(.)như sau:

i

b

CS1 CS 2 1R ( ) (1)

Vận tốc của thân robot được xác định:

2 2 2 2

1 s t c t

Q( ). , Q( ) 0 c s

s c0

c c

(2)

Từ đó ta có phương trình mô tả động học của đối tượng như sau:

i

b

CSCS 21 1

2

2 22

R( ) 0J( ).

0 Q( )

(3)

1.2. Động lực học

Ta gọi tensor quán tính của robot là IA và kí hiệu [1]:

xx

TA yy A A

zz

I 0 0

I 0 I 0 I I 0

0 0 I

(4)

Trong đó, Ixx, Iyy, Izz là mô men quán tính của robot theo các trục x, y, z trong hệ tọa độ CSb. Vì các trục của hệ thẳng hàng với các trục của robot, nên Ixy = Ixz = Iyx = Iyz = Izx = Izy = 0. Từ các định nghĩa trên, ta viết được các phương trình lực theo các tọa độ và mô men bao gồm 6 thang phần , , , , ,x y zF F F T T T như [5].

Sáu thành phần lực và mô men này có thể được viết thành dạng phương trình động lực tổng quát của cơ hệ theo dạng:

iMv C(v)v Dv g ( ) (5)

Ở đây: T1 2 là vector vị trí và hướng;

T1 2v v v là vector vận tốc dài và vận tốc góc. M là ma trận quán tính của robot. Ma trận C(v) đặc trưng cho mô tả lực Coriolis và lực ly tâm các chuyển động quay của thân robot và cánh quạt [5]. Ma trận D đặc trưng cho lực ma sát động của hệ.

1.3. Xác định lực nâng cánh quạt

Gọi vi là vận tốc đi lên của cánh quạt, Vc là vận tốc dòng khí di chuyển coi là thẳng góc vào cánh quạt, thì vận tốc tổng hợp tại một điểm trên bề mặt cánh cách tâm trục một khoảng y được xác định [2]:

1/ 22 2

c iU V v y (6)

Tuy vậy, do vận tốc góc của cánh quạt rất lớn, nên trong (6) ta có thể lấy gần đúng:

U y (7)

Từ đó ta xác định được góc tới của vận tốc:

1tan / /c i c iV v y V v y (8)

Lực nâng lên dL và lực đẩy tới dD cho một vi phần cánh có chiều rộng c và chiều dài dy được xác định theo:

21dy

2 LdL U c C (9)

21dy

2 DdD U c C (10)

Trong đó: ρ là mật độ không khí, giả thiết là không khí không bị nén thì ρ được coi là không đổi trong vùng chuyển động; c là phần diện tích cánh tính từ tâm quay ra đến vi phần dy, CL và CD là các hệ số thể hiện lực nâng và lực đẩy, phụ thuộc vào từng loại cánh khác nhau.

Hình 2. Mô tả cánh quạt và các tham số

chuyển động cánh 2

4 hD

c

vC

V

; h c i iv V v v (11)

Vh được gọi là vận tốc liệng của cánh quạt ngay tại bề mặt trên của cánh.

.LC a (12)

Với a là hệ số được xác định bằng thực nghiệm.

Thực tế, CD và CL là những đại lượng phi tuyến, vì dòng khí bị xoáy ở các đầu cánh và trượt hỗn loạn trên hai bề mặt cánh quạt, nên các công thức (11), (12) chỉ là tuyến tính hóa gần đúng.

Lực nâng thẳng góc của một vi phần cánh quạt sẽ là:

T L cos D sind d d (13)

Từ (10) và (13) ta xác định được lực đẩy và lực nâng của một cánh quạt:

2

0

1D y

2

R

DU cC d (14)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 43

0

T L cos D sinR

d d (15)

2. Xây dựng mô hình điều khiển

2.1. Mô hình điều khiển tổng quát

Hệ thống điều khiển của robot quadcopter bao gồm 4 kênh song song, mỗi kênh điều khiển một động cơ. Với robot loại nhỏ, do cánh cứng nên tất cả mọi tham số điều khiển được qui về một đại lượng duy nhất là tốc độ cánh quạt. Tuy nhiên, khi kích thước robot tăng, mang tải trọng lớn thì có thể điều khiển thêm một số bậc tự do của cánh quạt. Vấn đề điều khiển góc cánh quạt sẽ được giới thiệu ở những bài báo khác.

Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trong Hình 3, các tín hiệu đặt bao gồm thông số di chuyển theo 3 tọa độ thân X,Y,Z. Các tọa độ góc quay để định hưởng trong không gian R,P,Y và các thông số định vị cuối cùng là thông số tham chiếu của 6 tọa độ trên. Từ các thông số đặt đó, bộ nội suy sẽ tính toán các giá trị chuyển động cho các biến tọa độ tương ứng, gọi là biến khớp qi, i =1…6. Sau đó đưa đến bộ điều khiển gồm 4 kênh điều khiển tốc độ của 4 động cơ robot.

Kết hợp (6) với (9), (10) và (14), (15), ta nhận được quan hệ giữa lực nâng của cánh quạt với tốc độ quay của cánh quạt tương ứng là:

2 2

0

D y2

R

Dn

cC y d (16)

2 2

0

T C cos sin2

R

L Dn

c C y dy (17)

Trong đó, n là số cánh quạt của một rotor, thông thường là 2 hoặc 4. Các tham số CL và là những lượng không cố định theo bề mặt cánh và biến thiên phi tuyến theo lực cản tác động lên cánh quạt tương tác với mô men xoắn của cánh trên bề mặt không đồng đều. Lưu ý rằng D và T là lực cho mỗi cánh quạt (14), (15). Công thức (16), (17) cho thấy lực đẩy tỉ lệ với bình phương tốc độ quay cánh quạt, nhưng thành phần tích phân phía sau lại là phi tuyến, nên kết quả D và T là những lượng phi tuyến theo tốc độ .

Công thức (16), (17) dùng khi các lực nâng T và lực đẩy D của các cánh quạt cân bằng, còn trong chế độ điều khiển vị trí và hướng liên tục thì được viết lại như sau:

1 2 3 4T T T T T (18)

1 2 3 4D D D D D (19)

2.2. Mô tả lớp không khí ảnh hưởng đến chuyển động

Thành phần trong (21), (22) quyết định lực nâng của cánh quạt. Điều đó có nghĩa là, nếu mật độ không khí thay đổi thì phải điều chỉnh tốc độ cánh quạt tương ứng để giữ vị trí cho robot. Nếu muốn tăng độ cao của robot thì cần tăng tốc độ cánh quạt để đưa robot lên đến độ cao xác

định, sau đó điều khiển T để cân bằng với trọng lực tại đó. Lớp đệm khí được mô tả với giả thiết:

- Môi trường không khí không chịu ảnh hưởng của gió và hơi nước;

- Không khí chuyển động tự do và không bị nén.

Khi đó, ở mặt trên của cánh quạt, vận tốc luồng khí vào sẽ tác động lên mặt trên cánh với vận tốc v1 và chui ra khỏi đĩa cánh với vận tốc v2;

Lực đẩy cung cấp bởi cánh quạt được tạo ra tỷ lệ với hiệu của 2 áp lực trên và dưới đĩa (p1 và p2).

TMT=A(p1-p2) (20)

MT A A 1T m (v v ) Av (v v ) (21)

Hình 4. Mô tả lớp đệm khí

Trong đó: A[m2] là diện tích của đĩa cánh quạt.

Am [kg / s] là độ thay đổi của khối lượng không khí qua đĩa. Các quan hệ giữa vận tốc và áp suất dòng khí tuân theo phương trình Bernoulli [11]:

2 2A 1 A 1

1 1p v p v

2 2 (22)

2 22 A 2 A

1 1p v p v

2 2 (23)

Vì vận tốc vô cùng ở trên và dưới cánh quạt của luồng khí là như nhau, nên trong (22), (23) ta có vận tốc dòng khí ngay tại mặt trên đĩa:

1 / 2v v (24)

Từ (21), ta có: 212 . .MTT A v (25)

3. Phân tích ảnh hưởng tham số môi trường lên hệ thống quadcopter

Dựa vào các phương trình mô tả ở trên, tác giả bài báo đưa một số phân tích và nhận xét ảnh hưởng tác động của môi trường là lớp đệm khí lên các tham số của hệ thống. Từ đó đề xuất những biện pháp để điều khiển robot đảm bảo chuyển động treo trong môi trường không tĩnh như sau:

3.1. Khi có dòng không khí chuyển động ngang

Gọi vận tốc dòng không khí chuyển động ngang là vh, thì từ Hình 4, ta có thể vẽ lại các vector vận tốc luồng không khí như Hình 5, với giả thiết là robot còn thăng bằng, với vận tốc 4 cánh như nhau, đồng thời giả thiết thêm là dòng không khí chuyển động ngang đi qua toàn bộ thân robot từ phải qua trái.

Gọi vận tốc dòng khí đập vào mặt trên cánh là v1a và mặt dưới cánh là v2a, ta thấy:

44 Nguyễn Hoàng Mai

1 1 2 2sin ; sina av v v v (26)

Từ đó ta thấy, nếu vh càng lớn thì v1 và v2 càng nhỏ. Kết hợp (26) với (6), (14), (15) cho thấy, nếu nhỏ thì 5 lực nâng T và lực đẩy D do cánh quạt sinh ra càng nhỏ. Giá trị phụ thuộc vào độ lớn vh, khi vh tiến đến vô cùng thì 0. Do đó trong trường hợp này, nếu muốn giữ nguyên được trạng thái vị trí thì biện pháp sử dụng có thể dùng:

Hình 5. Chuyển động có dòng khí ngang

- Tăng vận tốc quay cánh quạt, theo (46), tức là tăng để tăng góc .

- Vì hai lực nâng ở hai cánh đối xứng luôn cùng hướng, nên sử dụng các tính toán (8), (9), (10), (11), (12) để điều chỉnh thân robot tạo thành góc nghiêng -, khi đó các vận tốc của hai cánh đối diện sẽ khác nhau.

3.2. Khi có dòng khí chuyển động thẳng đứng

Trường hợp dòng khí tự nhiên chuyển động thẳng đứng, hoặc từ dưới lên hoặc từ trên xuống thì vận tốc v2

hoặc v1 sẽ bị thay đổi. Cụ thể:

- Nếu dòng khí chuyển động lên với vận tốc va thì vận tốc dòng khí ngay dưới cánh sẽ có dạng:

2 2a av v v (27)

Với v2 là vận tốc không khí tĩnh. Thực tế va< v2 nên v2a< v2. Từ công thức (23) cho thấy áp suất p2 lúc này sẽ tăng lên để đảm bảo cân bằng với áp suất p+. Vì p1 không thay đổi, nên chênh lệch áp suất p giảm, dẫn đến theo (20) thì lực nâng tại bề mặt trên đĩa sẽ giảm xuống. Robot có xu hướng đi lên [5].

Hình 6. Mô tả chênh lệch áp suất

- Nếu dòng khí chuyển động đi xuống với vận tốc va, thì khi đó, vận tốc dòng khí ngay trên bề mặt cánh sẽ là:

1 1a av v v (28)

Theo (22), do vận tốc tăng nên áp suất p1 sẽ giảm, đồng thời p2 lại có xu hướng tăng, nên lực nâng tại bề mặt cánh dưới giảm xuống. Robot có xu hướng đi xuống.

3.3. Khi có dòng không khí xoáy cả hai mặt trên và dưới của cánh quạt

Trong trường hợp này, chiều của dòng xoáy ảnh hưởng rất lớn đến chênh lệch áp suất, dẫn đến thay đổi lực nâng. Bản chất dòng xoáy có chiều không xác định. Theo (18) ta thấy vận tốc luồng khí không đồng đều nhau tại mọi điểm trên bề mặt cánh. Căn cứ theo (6) và (7) ta vẽ được biểu đồ vận tốc sản sinh luồng khí đi xuống như Hình 7.

Hình 7. Mô tả vận tốc theo chiều dài cánh

Từ đó, nếu xuất hiện dòng khí xoáy thì vector vận tốc sẽ đổi hướng và cả độ lớn. Ở đây, cần lưu ý là dòng khí xoáy quanh toàn bộ thân quadcopter, chứ không phải chỉ riêng một cánh quạt.

Gọi vận tốc dài của luồng khí xoáy là vair, vận tốc này độc lập với chuyển động của robot, nên ta có vận tốc tổng tại một điểm i bất kì trên cánh:

iri av U v

(29)

Công thức (29) mô tả vector vận tốc. Nếu giả thiết dòng khí chuyển động vuông góc với hướng thẳng đứng thì (29) sẽ trở thành:

ir

ir

i a

i a

v U v

v U v

(30)

Trong đó, dấu cộng nếu U và vair cùng chiều, và dấu (-) nếu hai vận tốc ngược chiều. Kết quả ta được mô tả vận tốc như Hình 8. Dựa vào Hình 1 và công thức (30), cho thấy khi dòng khí chuyển động xoáy đều quanh robot thì robot sẽ bị quay theo chiều dòng khí xoáy với vận tốc bằng vận tốc chênh lệch như Hình 8. Độ lớn chênh lệch này là 2vair.

Hình 8. Mô tả độ lớn vận tốc khi có gió xoáy

Phân tích này cho thấy khi có gió xoáy, để giữ thăng bằng tĩnh thì phải thay đổi tốc độ cánh quạt để giảm vận tốc quay robot xuống. Cụ thể như Hình 1, nếu gió xoáy theo chiều kim đồng hồ thì phải giảm 1 và 2 đi một lượng 2vair và giữ nguyên 3 và 4 do ở đây ta đang xét hướng chuyển động là 1 - 2.

4. Kết luận và thảo luận

Bài báo đã nêu lên những ảnh hưởng của các thông số môi trường tác động lên chuyển động của robot quadcopter. Môi trường chính ở đây là lớp đệm khí hữu hạn trên và dưới cánh quạt. Các kết quả phân tích ở trong bài là nền tảng để xây dựng các bộ điều khiển cho các

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 45

động cơ bằng các kiểu thuật toán khác nhau. Đây là bài viết phân tích nguyên nhân, do đó chưa thực hiện các hoạt động của một loại hình điều khiển cụ thể. Những kết quả đưa ra ở đây chủ yếu gồm:

- Coi cánh quạt là một đối tượng điều khiển được cả hai phương: phương ngang và phương thẳng đứng. Những nghiên cứu về quadcopter nhỏ trước đây chỉ tập trung vào lực nâng, chứ chưa quan tâm đến lực đẩy D, vì vậy khó giữ cho quadcopter ở trạng thái tĩnh khí kích thước và tải trọng của quadcopter lớn.

- Đã xét ảnh hưởng của lớp đệm khí và đưa mô hình lớp đệm vào tích hợp với đối tượng điều khiển. Đây là điều mà các nghiên cứu trước đến nay chưa đề cập.

- Đã đưa ra được những kiến nghị của chiến lược điều khiển khi xét đến chuyển động riêng của lớp đệm khí.

- Phân tích được ảnh hưởng của mật độ không khí đến độ cao hoạt động của thiết bị.

Trên cơ sở đó, các phân tích trong bài báo sẽ tạo định hướng phát triển các nghiên cứu tiếp theo, cụ thể:

- Nghiên cứu về các bộ điều khiển tuyến tính hóa hoặc phi tuyến cho hệ quadcopter.

- Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển bền vững để điều khiển quadcopter ở chế độ treo đối với các loại quadcopter có tải trọng lớn và thời gian bay lâu trong các môi trường khắc nghiệt như mưa gió, gió xoáy, áp suất,

nhiệt độ thay đổi lớn.

Việc nghiên cứu chế độ treo của quadcopter hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích như mang thả hàng hóa, tìm kiếm mục tiêu, cứu nạn trên rừng, trên biển… Nếu biết vận dụng khai thác, quadcopter sẽ là một phương tiện vận tải có hiệu quả trong đời sống và nhiều lĩnh vực khác.

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tiếp tục đi sâu vào các thuật toán điều khiển treo cho quadcopter, mô phỏng, thực nghiệm và đánh giá cụ thể, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển loại hình robot di động này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Wayne Johnson, 1977, Calculated Hovering Helicopter Flight Dynamics with a Circulation-Controlled Rotor, Ames research center NASA.

[2] Maria Ribera and Roberto Celi, 2007, Helicopter Flight Dynamics Simulation, Doctor of Philosophy, Department of Aerospace Engineering-University of Maryland.

[3] Houghton, 2003, Aerodynamics for engineering students, ISBN 0750651113, 5th published by Buttrworth-Heinemann, England.

[4] H. S. M. M. Caldera and B. W. S. Anuradha, 2014, A Self-Balancing Quadcopter Design with Autonomous, SAITM Research Symposium on Engineering Advancements 2014 (SAITM – RSEA 2014).

[5] Teppo Luukkonen, 2011, Modelling and control of quadcopter, Aalto University School of Science, Mat-2.4108, Independent research project in applied mathematics Espoo, August 22, 2011.

(BBT nhận bài: 13/05/2015, phản biện xong: 21/12/2015)

46 Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa

ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN ĐỨNG CỦA NHỮNG TRẬN ĐỘNG ĐẤT MẠNH ĐẾN PHẢN ỨNG CỦA KẾT CẤU CÁCH CHẤN BẰNG GỐI TFP EFFECTS OF VERTICAL COMPONENTS OF STRONG EARTHQUAKES

ON THE RESPONSE OF BASE-ISOLATED STRUCTURE WITH TFP BEARING

Nguyễn Văn Nam1, Hoàng Phương Hoa2, Phạm Duy Hòa3 1Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM; nvnam.qtu@gmail.com

2Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; hphoa@dut.udn.vn 3Trường Đại học Xây dựng Hà Nội; phamduyhoa@nuce.edu.vn

Tóm tắt - Gối Triple Friction Pendulum Bearing (TFP) là một thiếtbị cách chấn rất hiệu quả. Nó được lắp đặt vào kết cấu để cách lychuyển động đất nền, làm giảm thiệt hại của kết cấu do động đất.Trong các nghiên cứu trước [7, 8] cho rằng thành phần đứng củacác trận động đất không ảnh hưởng nhiều đến ứng xử của kếtcấu và gối TFP. Tuy nhiên, dưới những trận động đất mạnh, gầnvùng đứt gãy, thành phần đứng của các trận động đất lớn sẽ cóảnh hưởng đáng kể đến phản ứng của kết cấu cô lập bằng gốiTFP. Bài báo này sẽ phân tích và đánh giá sai số khi bỏ quathành phần đứng của những trận động đất mạnh. Kết quả đượcminh chứng thông qua phân tích ví dụ số nhà thép 5 tầng gắn gốiTFP chịu các trận động đất mạnh xét cả ba thành phần X, Y vàthành phần đứng theo phương Z.

Abstract - TFP bearing is a seismic base isolation device It isinstalled beneath the base of the structure to isolate the groundmotions, reducing the structural damage due to earthquakes. Theprevious studies show that the vertical components of theearthquake do not affect the behavior of structures and TFPbearings. However, in strong earthquakes near the fault zone,vertical components significantly influence the response ofisolated structures by TFP bearings. This paper will analyze andevaluate errors while ignoring vertical components of strongearthquakes. The result is demonstrated by the analysis ofexamples of the a 5-story steel building using the TFP bearingssubjected to three components of earthquakes X, Y and the Zvertical component.

Từ khóa - gối TFP; thành phần đứng của động đất; cách chấnđáy; phản ứng động đất; phay đứt gẫy.

Key words - TFP bearing; vertical component of earthquakes;base isolation; earthquake responses; milling fault.

1. Đặt vấn đề

Động đất được biết đến như một thảm họa rất lớn đối với con người và làm hư hỏng kết cấu công trình. Chúng ta không thể dự báo được thời điểm và cường độ của các trận động đất. Chính vì vậy, thiết kế công trình chịu động đất luôn đặt lên hàng đầu với người kỹ sư thiết kế. Có rất nhiều giải pháp kháng chấn được nghiên cứu và áp dụng trong công nghệ thiết kế công trình chịu động đất, trong đó nổi bật là giải pháp thiết kế cách chấn đáy. Thiết bị gối con lắc ba mặt trượt TFP là loại thiết bị được sử dụng nhiều trong thiết kế cách chấn và đem lại hiệu quả cao [1, 2 và 6].

Cấu tạo các thành phần gối TFP được thể hiện trong Hình 1, mặt cắt ngang như Hình 2, gồm 4 mặt cong có bán kính R2=R3<<R1=R4 và 3 con lắc trượt trên 4 mặt cong có hệ số ma sát 2=3<1≤4.

Hình 1. Gối TFP

Gối TFP được đặt ở giữa phần móng và kết cấu bên trên. Với cấu tạo như trên, độ cứng dịch chuyển ngang của gối sẽ nhỏ hơn nhiều so với kết cấu. Kết cấu được gắn gối TFP sẽ có chu kỳ cơ bản tăng lên (kết cấu mềm đi), từ đó tránh xa vùng chu kỳ trội của các trận động đất và sẽ

cách ly được chuyển động của đất nền.

Hình 2. Mặt cắt gối TFP

Chuyển động của gối khi chịu động đất sẽ gồm 5 giai đoạn, được mô phỏng trong nghiên cứu của Fenz và cộng sự [7]. Mô hình tính toán và hiệu quả giảm chấn của thiết bị này đã được nghiên cứu, đánh giá là rất tốt. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chưa xem xét kỹ thành phần kích động đứng của những trận động đất, và xem như là ảnh hưởng rất nhỏ có thể bỏ qua. Điều này chỉ đúng với những trận động đất có cường độ nhỏ. Với những trận động đất mạnh, tại gần phay đứt gẫy, thành phần đứng sẽ lớn và nó ảnh hưởng đến phản ứng của kết cấu và gối TFP. Chính vì vậy, thành phần đứng của những trận động đất mạnh cần được xem xét vào trong mô hình tính toán và đánh giá ảnh hưởng của thành phần lực đứng này đối với kết cấu.

2. Mô hình tính toán (hệ 1 bậc tự do)

Chuyển động 5 giai đoạn của gối TFP được thể hiện bằng mô hình nối tiếp như Hình 3 [6]. Chuyển động theo hướng X của kết cấu gắn gối TFP được mô hình hóa như

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 47

Hình 4. Phương trình vi phân chuyển động theo phương X của kết cấu gắn gối TFP chịu tác động của gia tốc nền [2, 3] được viết như phương trình (1).

Hình 3. Mô hình nối tiếp gối TFP

Hình 4. Mô hình tính toán theo phương X của kết cấu gắn gối TFP chịu chuyển động nền

1 1 1 1 11

2 2 1 2 12

2 2 2 2 1 22

3 3 2 3 23

3 3 3 3 2 33

3 4 3 4 3

...

...

...

... ( )

( )

... ( )

( )

... ( ) ( )

x e x r xf x

gxr x e x xf x

x e x x r xf x

gxr x e x xf x

x e x x r xf x

sx sxx x x x

m u k u F F

F F k u u m a

m u k u u F F

F F k u u m a

m u k u u F F

c u u k u u m

4 4 4 3 4 3 4( ) ( )gx

sx sx gxx x x x x

a

m u c u u k u u m a

(1)

Tương tự như chuyển động theo phương X, mô hình chuyển động theo phương Y được thiết lập và phương trình vi phân được thiết lập tương tự.

Thành phần lực ma sát trong các phương trình vi phân chuyển động theo 2 phương X và Y được xác định theo mô hình dẻo (Viscoplasticity model, mô hình Bouc - Wen hiệu chỉnh) như sau:

(2)

Trong đó: W là tổng trọng lượng bên trên kết cấu.

Hệ số ma sát ei được xác định theo [5]:

(3)

Trong công thức (3), hằng số a(s/m) được xác định theo thực nghiệm [5], phụ thuộc vào vật liệu và áp lực bề mặt. Vận tốc trượt được tổng hợp từ 2 phương X và Y

và được xác định như sau [9]:

Hàm Biến trễ Z mô tả hệ số ma sát thay đổi khi vận tốc trượt chậm dần về 0 và đổi chiều trượt trong con lắc có giá trị -1 đến +1 và được xác định theo công thức (4) [9, 10]:

Thành phần lực va chạm Fri khi tại những mặt trượt đạt dịch chuyển giới hạn, được xác định theo (5):

(4)

(5)

Trong đó: H là hàm Heaviside, kr là độ cứng va chạm khi chuyển vị con lắc đạt giới hạn dịch chuyển. Dịch chuyển trên các mặt cong ui được tổng hợp theo 2 phương

X và Y và được tính theo [9] như sau: .

Ảnh hưởng kích động đứng: Khi xét thêm thành phần kích động đứng, tổng trọng lượng bên trên gối W sẽ thay đổi (W bằng hằng số nếu ta bỏ qua kích động đứng). Thông thường, kết cấu có độ cứng dao động đứng lớn hơn rất nhiều so với dao động theo phương ngang. Khi xét kích động đứng [4], người ta xem toàn bộ kết cấu bên trên như một khối cứng có trọng lượng N(t) thay đổi và được xác định như sau:

(6)

Các phương trình vi phân chuyển động (1) và (2) được giải bằng phương pháp số Runge-Kutta dùng phần mềm Matlab, sử dụng hàm ode15s [11] để tìm ra đáp ứng kết cấu tại từng thời điểm.

3. Phân tích ví dụ số

Phân tích mô hình nhà bằng thép 5 tầng gắn gối TFP như [6], mô hình có 8 bậc tự do. Thông số kết cấu như sau:

Độ cứng của kết cấu theo 2 phương của các tầng được tính trong Bảng 1. Tỷ số cản tới hạn lấy theo vật liệu thép: Trọng lượng các tầng giới thiệu trong Bảng 2.

Bảng 1. Độ cứng kết cấu

Tầng 1 2 3 4 5

Phương X, KX (kN/mm) 131 105 93,3 76,2 61,1

Phương Y, KY (kN/mm) 129 100 91,5 75,1 60,5

Bảng 2. Trọng lượng các tầng

Tầng 1 2 3 4 5

Trọng lượng, W (kN)

808 798 796 786 1176

Thông số kỹ thuật gối TFP cho trong Bảng 3:

Bảng 3. Chi tiết các thông số gối TFP trong mô hình

1 =0,0992 R1 = 3962 h1 = 114 d1 = 514 Reff1 = 3848

R2 = 457 h2 = 38 d2 = 51 Reff2 = 419

R3 = 457 h3 = 38 d3 = 51 Reff3 = 419

R4 = 3962 h4 = 114 d4 = 514 Reff4 = 3848

Thông số tính toán biến trễ Z như sau: Y=0,25mm, A=1, và Hằng số a=0,02(s/mm). Hệ số ma sát bên trong các mặt trượt lấy bằng nhau tại vận tốc trượt lớn nhất và nhỏ nhất (max=min=).

ei

ei

F WZfix ix

F WZfiy iy

max max min( ) a u

i e

u2 2

i ix iyu u u

2

2

( ( ) )......

( ( ) )...

... ( ( ) )...

... ( ( ) )

ix ix ix ix ix

iy ix iy ix ixiy

ix iy iy iy ix

iyiy iy iy

Z Y Au Z sign u Z

Au Z Z sign u ZZ Y

Z Z sign u Z u

uZ sign u Z

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

rix r i ei ix i ei

riy r i ei iy i ei

F k u d sign u H u d

F k u d sign u H u d

2 2i ix iyu u u

( ) (1 )gzaN t W

g

x

z

Y

ksx

csx

u4xke3

e3

de3

u3x

m3 m4

agx

ke2

e2

de2

ke1

e1

de1

u2x

m2

u1x

m1

x

z

Y

1/Re1

e1

de1

1/Re2

e2

de2

1/Re3

e3

de3

F/W F/W

48 Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa

3.1. Kiểm chứng mô hình

Trong nghiên cứu của Dao [6], mô hình nhà thép 5 tầng trên được phân tích với tải hình Sin theo 2 phương X và Z như Hình 5. Trong nghiên cứu này, ta lấy thông số mô hình thực của Dao để mô phỏng trong chương trình xây dựng bằng Matlab với mô hình lý thuyết được lập. Tính đúng đắn của mô hình sẽ được kiểm chứng với kết quả đã được công bố của Dao [6], thể hiện trong các Hình 6 và 7.

Hình 5. Gia tốc hình Sin [6]

Hình 6. Gia tốc tầng 5 (kết quả nghiên cứu)

Hình 7. Gia tốc tầng 5 (kết quả của Dao [6])

Bảng 4. Thông số gia tốc nền [12]

Trận động đất Vị trí Thành phần Gia tốc đỉnh

Northridge (17/01/1994)

Rinaldi Receiving Sta

228 (X) 318 (Y) UP (Z)

0,874g 0,472g 0,958g

Hình 8. Gia tốc nền trận động đất Northridge

3.2. Phân tích với gia tốc nền

Dữ liệu gia tốc nền phân tích là trận động đất Northridge, được lấy từ trung tâm nghiên cứu động đất của Đại học Berkeley (Mỹ) [12], được tổng hợp ở Bảng 4, gia tốc đồ như Hình 8.

Kết quả phân tích được thể hiện từ Hình 9 đến 14:

Hình 9. Chuyển vị gối theo phương X

Hình 10. Chuyển vị gối theo phương Y

Hình 11. Lực cắt trong gối theo phương X

Hình 12. Lực cắt trong gối theo phương Y

Hình 13. Gia tốc tuyệt đối tầng 5 theo phương X

Hình 14. Gia tốc tuyệt đối tầng 5 theo phương Y

3.3. Phân tích với kết cấu có độ cứng khác nhau

Với kết cấu như trên, ta thay đổi độ cứng khác nhau, (ứng với chu kỳ cơ bản T1 thay đổi từ 0,2s đến 1,5s) tăng

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

0

0.2

GIA

TO

C, A

x (g

)

THOI GIAN, t (s)

PHUONG X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

GIA

TO

C, A

z (g

)

THOI GIAN, t (s)

PHUONG Z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

GA

I T

OC

, A

x (g

)

THOI GIAN, t (s)

XX+Z

0,258

1,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

GIA

TO

C, A

x (g

)

THOI GIAN, t (s)

PHUONG X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

GIA

TO

C, A

y (

g)

THOI GIAN, t (s)

PHUONG Y

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

GIA

TO

C, A

z (g

)

THOI GIAN, t (s)

PHUONG Z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-40

-20

0

20

40

CH

UY

EN

VI,

Ux

(cm

)

THOI GIAN, t (s)

XY+ZXY

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-50

0

50

CH

UY

EN

VI,

Uy

(cm

)THOI GIAN, t (s)

XY+ZXY

0 5 10 15 20-1000

0

1000

LU

C C

AT

, F

x (k

N)

THOI GIAN, t (s)

XYXY+Z

0 5 10 15 20-1000

0

1000

LU

C C

AT

, Fy

(kN

)

THOI GIAN, t (s)

XYXY+Z

0 5 10 15 20-0.5

0

0.5

GIA

TO

C, A

x (g

)

THOI GIAN, t (s)

XY+ZXY

0 5 10 15 20-0.5

0

0.5

GIA

TO

C, A

y (g

)

THOI GIAN, t (s)

XY+ZXY

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 49

độ cứng đều ở các tầng để chu kỳ cơ bản T1 thay đổi từ 0,2s đến 1,5s. Mục đích là tìm ra ảnh hưởng của thành phần kích động đứng đến các dạng kết cấu có độ cứng khác nhau. Sai số (%) tăng thêm khi xét thêm thành phần kích động đứng thể hiện trong các Hình từ 15 đến 17.

Hình 15. Sai số chuyển vị lớn nhất của gối

Hình 16. Sai số lực cắt lớn nhất của gối

Hình 17. Sai số gia tốc tuyệt đối lớn nhất của tầng 5

4. Kết luận Với những kết quả nghiên cứu trên, một số kết luận

được rút ra như sau: 1. Mô hình tính toán và phương trình vi phân chuyển

động của kết cấu gắn gối TFP chịu tải trọng động đất được thiết lập, tính chính xác của mô hình được kiểm chứng với những kết quả được công bố như kết quả ở các Hình 6 và 7.

2. Khi kết cấu gắn gối TFP chịu những trận động đất mạnh, gần phay đứt gẫy, thành phần gia tốc nền theo phương đứng là lớn. Nếu ta bỏ qua thành phần này thì sẽ

có sai số trong phân tích ứng xử của kết cấu và gối TFP, đặc biệt là lực cắt trong gối và gia tốc tuyệt đối ở các tầng của kết cấu. Cụ thể: trong Mục 3.2, sai số về chuyển vị của gối không đáng kể (Hình 9 và 10), nhưng sai số về lực cắt lớn nhất bên trong gối (Hình 11 và 12) vào khoảng trên 30%, sai số về gia tốc tuyệt đối lớn nhất của tầng 5 (Hình 13 và 14) khoảng trên 50%.

3. Trong phân tích ở Mục 3.3, với những kết cấu cứng (có chu kỳ cơ bản nhỏ), ảnh hưởng thành phần kích động đứng của động đất đến gia tốc tuyệt đối các tầng là rất lớn. Tuy nhiên, chuyển vị và lực cắt lớn nhất bên trong gối thì không có sự thay đổi nhiều.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa (2013), “Hiệu quả giảm chấn của thiết bị gối cô lập trượt ma sát TFP, so với gối SFP”, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX, Hà Nội, 8-9/12/2012, ISBN: 978-604-911-435-9, trang 397-405.

[2] Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa (2015), “Mô hình các dạng gối trượt ma sát trong kết cấu chịu động đất: Gối DFP và TFP”, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng, 3-5/8/2015.

[3] Nam V.Nguyen, Hoa P.Hoang and Hoa D.Pham (2016), “Predicting the responses of triple friction pendulum bearings using an improved model with variant friction coefficient”, EASEC-14 January 6-8/01, 2016, Ho Chi Minh City, Vietnam (accept Published).

[4] Almazan, J. L., De la llera, J. C., Inaudi, J. A. (1998). “Modeling aspects of structures isolated with the frictional pendulum system”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics; Vol. 27, pp. 845-867.

[5] Constantinou, M.C., Mokha, A., Reinhorn, A.M. (1990). “Teflon bearings in base isolation II: Modeling”, J. Struct. Eng. 116, pp.455–474.

[6] Dao, N.D. (2012). “Seismic Response of a Full-scale 5-story Steel Frame Building Isolated by Triple Pendulum Bearings under 3D Excitations”, Dissertation, University of Nevada – Reno.

[7] Fenz, D.M. and Constantinou, M.C. (2008). “Development, Implementation and Verification of Dynamic Analysis Models for Multi-Spherical Sliding Bearings”. Technical Report MCEER-08-0018.

[8] Mosqueda, G., Whittaker, A.S., Fenves, G.L. (2004). “Characterization and modeling of friction pendulum bearings subjected to multiple components of excitation”, Journal of Structural Engineering (ASCE), 130(3), pp. 433-442.

[9] Nagarajaiah, S., Reinhorn, A.M. and Constantinou, M.C. (1991). “Nonlinear dynamic analysis of 3D-base-isolated structures”, J. Struc. Eng. 117(7) pp. 2035-2054.

[10] Park, Y.J., Wen, Y.K., Ang, A.H.S,. (1986). “Random vibration of hysteretic systems underbidirectional ground motions”, Earthq. Eng. Struct. Dyn. 14(4), pp 543-557.

[11] Shampine, L. F., and Reichelt, M. W., (1997). “The MATLAB ODE suite”, SIAM J. Sci. Comput. (USA) 18, pp.1-22.

[12] http://ngawest2.berkeley.edu/

(BBT nhận bài: 01/11/2015, phản biện xong: 03/12/2015)

-4-3-2-1012

0,22 0,29 0,68 0,96 1,52

SA

I SỐ

(%

)

CHU KỲ CƠ BẢN, T(s)

PHƯƠNG X PHƯƠNG Y

15

20

25

30

35

40

0,22 0,29 0,68 0,96 1,52

SA

I SỐ

(%

)

CHU KỲ CƠ BẢN, T(s)

PHƯƠNG X PHƯƠNG Y

-15

60

135

210

285

360

0,22 0,29 0,68 0,96 1,52

SA

I SỐ

(%

)

CHU KỲ CƠ BẢN, T(s)

PHƯƠNG X PHƯƠNG Y

50 Hồ Trần Anh Ngọc, Nguyễn Công Vinh

TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ MÁY ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ ĐỂ GIA NHIỆT NƯỚC NÓNG NHẰM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

USING WASTE HEAT FROM AIR CONDITIONERS TO HEAT WATER TO SAVE ENERGY

Hồ Trần Anh Ngọc, Nguyễn Công Vinh

Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; anhngoctr@yahoo.com; vinh240480@gmail.com

Tóm tắt - Từ trước đến nay, đa phần lượng nhiệt thừa từ các dànngưng tụ của máy điều không khí cục bộ sử dụng trong các hộ giađình đều thải ra môi trường. Một nguồn nhiệt lượng lớn thải ra môitrường như vậy là rất lãng phí. Trong khi đó, nhu cầu sử dụngnước nóng phục vụ cho sinh hoạt của con người như tắm rửa, nấuăn, giặt giũ... lại khá lớn. Để tiết kiệm năng lượng, bài báo đưa ramột phương án thu hồi nhiệt thải từ các loại máy điều hòa khôngkhí cục bộ để gia nhiệt cho nước nóng. Với quá trình nghiên cứu lýthuyết kết hợp với chế tạo mô hình thực nghiệm, hệ thống có thểđáp ứng đầy đủ lượng nước nóng phù hợp, phục vụ cho quá trìnhsinh hoạt của người dân, mà không làm ảnh hưởng đến sự hoạtđộng bình thường của hệ thống máy điều hòa không khí.

Abstract - Until now, most excess heat from condensing unit airconditioners used in local households are discharged into theenvironment.It is quite wasteful not to make use of such a largewaste heat source in the environment while the demand for hotwater for human activities such as bathing, cooking, washing... isquite large. To save energy, the paper offers a plan for wasteheat recovery from other types of air conditioners to heat waterlocally. With the research process combined between theory andempirical model fabrication, the system can meet the demand forhot water to serve the people’s living activities without affectingthe normal operation system of air conditioning.

Từ khóa - nước nóng; dàn ngưng tụ; tiết kiệm năng lượng; nhiệtthải; điều hòa không khí.

Key words - hot water; condenser unit; save energy; waste heat;air conditioning.

1. Đặt vấn đề

Trong hoạt động của máy điều hòa không khí, nhiệt thải từ dàn ngưng tụ được xem là nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp, tuy nhiên nhiệt độ này vẫn cao hơn so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Trên thực tế, lượng nhiệt thừa này sẽ thải vào môi trường, nó làm nóng xung quanh khu vực được trang bị điều hòa và điều này không có lợi. Đã có nhiều phương án thu hồi lượng nhiệt thừa này, tuy nhiên phổ biến nhất hiện nay là sử dụng nguồn nhiệt này để gia nhiệt cho nước nóng phục vụ nhu cầu sinh hoạt. Đồng thời biện pháp này được xem như việc giải nhiệt dàn ngưng tụ bằng nước, dẫn đến nhiệt độ và áp suất ngưng tụ giảm, giúp cho hiệu quả làm việc của hệ thống tăng lên, tuổi thọ của máy cũng tăng theo đáng kể. Đây là phương án khá hiệu quả. Việc sử dụng máy điều hòa không khí trong các hộ gia đình hiện chưa có nghiên cứu cụ thể về lượng điện năng tiêu thụ hằng tháng, nhưng trong thực tế có thể thấy rằng điện năng tiêu thụ cho máy điều hòa và máy nước nóng lớn hơn rất nhiều so với các máy móc, thiết bị khác.

Để tiết kiệm điện năng sử dụng điều hòa không khí và cung cấp nước nóng sinh hoạt, bài báo trình bày nghiên cứu lý thuyết cũng như chế tạo mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn ngưng tụ của máy điều hòa công suất nhỏ ở các hộ gia đình để gia nhiệt cho nước mà không làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc bình thường của máy điều hòa.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Sơ đồ khối và đồ thị [1]

Ta xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí, từ đó tận dụng nguồn nhiệt thải ra từ dàn ngưng tụ để làm nóng nước lạnh qua việc trao đổi nhiệt với dàn ngưng. Đồng thời xây dựng đồ thị hoạt động của máy điều hòa không khí như Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa nhiệt độ

Xây dựng đồ thị hoạt động của máy điều hòa không khí như Hình 2 [1], [2]:

Hình 2. Đồ thị T-s của máy điều hòa nhiệt độ

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu hồi nhiệt thải

2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ

Theo Định luật nhiệt động 2 ta có:

Qk = L + Q0 (kW) (1)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 51

Trong đó: Qk – nhiệt tỏa ra từ thiết bị ngưng tụ;

Q0 – nhiệt thu vào từ thiết bị bay hơi;

L – là công tiêu thụ cho máy nén.

Nhìn vào biểu thức trên, ta nhận thấy lượng nhiệt tỏa ra từ thiết bị ngưng tụ là rất lớn (bằng nhiệt lượng thu vào từ dàn lạnh cộng với công tiêu thụ cho máy nén). Trong đề tài, tác giả tận dụng lượng nhiệt thừa này để gia nhiệt cho nước nhằm tiết kiệm năng lượng, nhưng đảm bảo hệ thống điều hòa vẫn hoạt động bình thường.

Quan sát trên đồ thị T-s, nhận thấy có thể thu thồi toàn bộ lượng nhiệt ngưng tụ qk nếu nhiệt độ nước nóng sử dụng có giá trị nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ của hệ thống máy điều hòa giải nhiệt bằng nước. Nếu toàn bộ nhiệt thải từ dàn ngưng tụ được thu hồi, chúng ta có hệ số thu hồi nhiệt thải lý thuyết (φ) như sau [1]:

'12

32

0

k

ii

ii

l

q

(2)

Bảng 1. Thông số trạng thái các điểm nút trên đồ thị T – s sử dụng môi chất lạnh R22

Điểm 1 1’ 2 2’ 3 4

Nhiệt độ (0C) 5 10 68 45 45 5

Áp suất (bar) 4,9 4,9 16,7 16,7 16,7 4,9

Entanpi (kJ/kg) 694 711 731 715 523 523

Entropi (J/kg.K) 1615 1653 1653 1534 1204 1212

Với máy điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh R22, R134a và R404a giá trị φ lý thuyết được tính theo công thức (2) và cho ở bảng sau:

Bảng 2. Chỉ số (φ) theo nhiệt độ ngưng tụ

T0 ngưng tụ tk (0C)

Môi chất 40 45 50

R22 5,65 5,22 4,65

R134a 6,20 5,70 5,31

R404a 6,15 5,84 5,43

Qua nghiên cứu khảo sát các loại môi chất lạnh, nhận thấy giá trị φ của môi chất lạnh càng cao khi nhiệt độ ngưng tụ càng thấp.

2.2.2. Ảnh hưởng của môi chất lạnh và nhiệt độ cuối tầm nén

Hiện nay, các máy điều hòa không khí đang được sử dụng với nhiều loại môi chất lạnh khác nhau, trong đó chủ yếu vẫn là R22, R134a, R404a. Dựa vào thông số trạng thái của các điểm nút trên chu trình hệ thống, ta nhận thấy nhiệt độ của hơi cao áp sau khi nén nằm dao động phổ biến trong khoảng (70-80)0C. Với môi chất lạnh R22, khi nhiệt độ ngưng tụ thay đổi trong khoảng (40-50)0C thì nhiệt độ sau máy nén thay đổi trong khoảng (65-80)0C. Tuy nhiên, trên thực tế khi máy nén hoạt động đều có các tổn thất áp suất, quá trình nén không thuận nghịch… Vì thế hệ số thu hồi nhiệt thải thực tế có thể được tính trên cơ sở lượng nhiệt mà nước nóng trong bình nhận được so với lượng điện năng tiêu thụ của máy điều hòa nhiệt độ.

2.2.3. Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt

Trên thực tế có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) khác nhau như dạng ống lồng ống, kiểu tấm

bản, dàn ống có cánh… theo kiểu truyền nhiệt và có thể phân thành kiểu đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức. Về tăng cường tối đa gia nhiệt cho nước nóng từ việc thu hồi nhiệt thải của máy điều hòa nhiệt độ có công suất nhỏ, mô hình thực nghiệm cho thấy: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn lò xo đối lưu cưỡng bức đặt trong bình chứa là hiệu quả nhất.

2.3. Mô hình thực nghiệm [3]

Mô hình thực nghiệm được thiết kế để thu hồi nhiệt thải từ một máy điều hòa không khí cục bộ có công suất 9.000 Btu/h, sử dụng môi chất lạnh R22. Máy điều hòa đang được sử dụng để làm lạnh cho phòng có diện tích 15m2 với 4 nhân viên làm việc và các thiết bị trong văn phòng. Để thu hồi nhiệt thải, hệ thống thực nghiệm bao gồm các thiết bị sau:

- Bình ngưng tụ có dung tích 25 lít;

- Bơm nước tuần hoàn 45 W;

- Hệ thống đường ống nước;

- Thiết bị đo nhiệt độ nước, cường độ dòng điện và áp suất ngưng tụ của môi chất;

- Thùng nước nóng 50 lít được bọc cách nhiệt;

- Một van by-pass được lắp đặt để mô hình có thể hoạt động hai chế độ có thu hồi và không thu hồi nhiệt thải.

Khi nước lạnh trong bình ngưng tụ nhận nhiệt của môi chất lạnh sau khi nóng lên đến nhiệt độ yêu cầu sẽ được đưa sang bình chứa và van điện từ mở ra để sử dụng.

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của mô hình thực nghiệm

Với máy điều hòa không khí có công suất lạnh 12.000 Btu/h, thay các giá trị của môi chất lạnh R22 vào các công thức [4], [5]:

t.k

QF

k

k

k và

d.

Fl k

. (3)

Kết quả tính toán được: diện tích của bộ trao đổi nhiệt là 0,55 m2, chiều dài đường ống 17,5 m.

Với: Δt - độ chênh nhiệt độ trung bình;

Qk - năng suất nhiệt ngưng tụ, W;

k - hệ số truyền nhiệt,W/m2.K;

Ống trao đổi nhiệt có đường kính d = 10mm.

52 Hồ Trần Anh Ngọc, Nguyễn Công Vinh

Các thông số về áp suất ngưng tụ, nhiệt độ nước nóng và cường độ dòng điện sẽ được đo đạc trong suốt quá trình thí nghiệm.

Hình 4. Mô hình thực nghiệm

2.4. Kết quả thực nghiệm và bàn luận

Kết quả đo đạc thực nghiệm được ghi nhận đồng thời theo thời gian tại nhiều thời điểm khác nhau trong ngày để đảm bảo thể hiện tính thực tế cho sự hoạt động của một máy điều hòa và được thể hiện bằng các bảng số liệu sau.

2.4.1. Sự thay đổi nhiệt độ của nước nóng theo thời gian

a. Kết quả đo đạc

Đo đạc thực nghiệm theo thời gian, ta có được kết quả thực tế và xây dựng được biểu đồ như sau:

Bảng 3. Bảng tổng hợp các kết quả thể hiện thay đổi nhiệt độ của nước nóng theo thời gian

Thời gian (phút) Nhiệt độ nước (0C)

0 28

20 29,6

40 33,7

60 35,5

80 38,3

100 41,5

120 44,2

Hình 5. Biểu đồ thể hiện thay đổi nhiệt độ của nước nóng trong bình theo thời gian

b. Bàn luận

Lúc đầu nhiệt độ của nước tăng nhanh do nước trong bình có nhiệt độ thấp (280C), nên phần lớn lượng nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ của máy điều hòa được nước hấp thụ và có thể xem đây là máy điều hòa giải nhiệt bằng nước. Khi nhiệt độ nước tăng, nhiệt độ và áp suất ngưng tụ của môi chất tăng theo. Khi áp suất ngưng tụ tăng đến bằng giá trị của hệ thống giải nhiệt bằng không khí thì lượng nhiệt mà nước trong bình nhận được bắt đầu giảm. Lúc này nhiệt độ của nước trong bình tăng chậm lại và khi nhiệt độ của nước cao hơn nhiệt độ ngưng tụ thì nước chỉ còn nhận được phần lượng quá nhiệt của môi chất lạnh (từ điểm 2 đến 2’ thể hiện trên đồ thị T-s) và cuối cùng sẽ đạt giá trị lớn nhất, phụ thuộc vào nhiệt độ cuối tầm nén của môi chất lạnh. Và giá trị này đo được trong suốt quá trình thực nghiệm.

2.4.2. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ của môi chất theo nhiệt độ nước nóng

a. Kết quả đo đạc

Sử dụng các thiết bị đo (đồng hồ áp suất và đồng hồ nhiệt độ), ta đo được các kết quả sau:

Bảng 4. Bảng tổng hợp các kết quả thể hiện thay đổi áp suất ngưng tụ của môi chất theo nhiệt độ nước nóng

Áp suất ngưng tụ (bar) Nhiệt độ nước (0C)

11,5 28

14,3 29,6

15,6 33,7

15,8 35,5

15,2 38,3

15,1 41,5

15,0 44,2

Xây dựng biểu đồ thể hiện sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo nhiệt độ của nước nóng như sau:

Hình 6. Biểu đồ thay đổi của áp suất ngưng tụ theo nhiệt độ

của nước nóng trong bình

b. Bàn luận

Khi nhiệt độ nước trong bình chứa càng tăng thí áp suất ngưng tụ môi chất càng tăng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nước lớn hơn 400C thì áp suất không tăng nữa và giữ ổn định ở giá trị gần bằng với giá trị áp suất của hệ thống khi chạy bình thường (không thu hồi nhiệt thải). Điều này là do bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt thải mắc nối tiếp với dàn

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 53

ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí, do đó khi nhiệt độ nước nóng trong bình tăng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ tương ứng với áp suất ngưng tụ của máy điều hòa giải nhiệt bằng không khí thì môi chất lạnh bắt đầu ngưng tụ trong dàn ngưng của máy điều hòa và lúc này hệ thống hoạt động ở áp suất ngưng tụ ổn định tương ứng với giá trị của máy điều hòa giải nhiệt bằng không khí.

Trên thực tế, phụ tải nhiệt trong phòng và nhiệt độ môi trường bên ngoài luôn thay đổi, nên áp suất ngưng tụ thiết bi ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí cũng thay đổi theo. Các thông số này thay đổi sẽ kéo theo áp suất ngưng tụ cũng tăng giảm theo, thể hiện trên Hình 6.

2.4.3. Sự thay đổi cường độ dòng điện theo thời gian

a. Kết quả đo đạc

Sử dụng thiết bị đo điện ta xác định được cường độ dòng điện phụ thuộc thời gian và thiết bị như sau:

Bảng 5. Bảng tổng hợp các kết quả thể hiện thay đổi của cường độ dòng điện theo thời gian và thiết bị

Thời gian (Phút)

Cường độ dòng điện (Ampe)

Có thu hồi nhiệt thải

Không thu hồi nhiệt thải

0 3.41 4.12

20 3.94 4.00

40 4.25 3.96

60 4.12 3.96

80 3.91 3.97

100 3.87 4.02

120 3.76 4.08

Xây dựng biểu đồ thể hiện sự thay đổi của cường độ dòng điện theo thời gian chạy máy như sau:

Hình 7. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của cường độ dòng điện theo thời gian chạy máy

b. Bàn luận

Đối với trường hợp không thu hồi nhiệt thải thì cường độ dòng điện tương đối ổn định trong suốt thời gian máy điều hòa hoạt động. Đối với trường hợp có thu hồi nhiệt thải, khi hệ thống mới bắt đầu hoạt động, cường độ dòng điện có giá trị nhỏ hơn giá trị định mức (vì nhiệt độ của nước trong bình lúc này còn thấp). Khi nhiệt độ nước tăng

dần thì cường độ dòng điện tăng, nhưng không vượt quá giá trị hoạt động của máy điều hòa khi không thu hồi nhiệt thải. Điều này có thể khẳng định rằng, khi máy điều hòa có thu hồi nhiệt thải, có thể tiết kiệm được một phần điện năng khi nhiệt độ nước trong bình dự trữ có giá trị nhỏ hơn 400C.

Qua kết quả đo đạc các thông số từ thực nghiệm, ta nhận thấy trong trường hợp có thu hồi nhiệt thải thì cường độ dòng điện không ổn định so với chế độ hoạt động bình thường. Điều này được giải thích là trong trường hợp có thu hồi nhiệt thải, do mắc nối tiếp thêm bộ trao đổi nhiệt nên trở lực đường ống tăng, do đó nhiệt độ sau máy nén cũng tăng cao hơn so với trường hợp không có thu hồi. Tuy nhiên, do dòng hơi cao áp sau khi ra khỏi máy nén thải nhiệt cho nước trong bộ trao đổi nhiệt, vì vậy nhiệt độ của máy nén vẫn không vượt quá mức cho phép.

3. Kết luận

Qua quá trình thực nghiệm trên mô hình máy điều hòa không khí cục bộ, ta nhận thấy khi nhiệt độ nước nóng trong bình nhỏ hơn 400C thì lượng nhiệt thải thực tế thu hồi nhiệt (φ) được khoảng 50% so với nghiên cứu lý thuyết. Khi nhiệt độ nước nóng trong bình tăng lên đến 450C thì quá trình thu hồi nhiệt thải càng giảm và lượng nhiệt thu hồi sẽ giảm dần khi nhiệt độ nước trong bình càng tăng. Điều này có nghĩa là hệ thống máy điều hòa chỉ hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ nước nóng cần sử dụng có giá trị nhỏ hơn 400C.

Ngoài ra, khi nhiệt độ nước nóng tăng thì lượng nhiệt thu hồi giảm, quá trình hoạt động của máy điều hòa không khí vẫn không ảnh hưởng gì đáng kể do trong mô hình thực nghiệm đã được thiết kế có bộ trao đổi nhiệt thu hồi nối tiếp với dàn ngưng tụ. Nghĩa là trong trường hợp nhiệt độ nước nóng tăng quá cao, đến gần bằng giá trị của nhiệt độ môi chất lạnh sau máy nén thì toàn bộ môi chất lạnh vẫn có thể ngưng tụ trong dàn ngưng của máy điều hòa không khí. Do đó, hệ thống có thu hồi nhiệt thải vẫn không làm ảnh hưởng đến quá trình hoạt động bình thường của máy điều hòa không khí. Hơn nữa, khi triển khai ứng dụng mô hình này vào thực tế sẽ mang lại hiệu quả kinh tế khá đáng kể từ việc tiết kiệm điện năng. Khi phương án giải nhiệt bằng nước được áp dụng, nhiệt độ và áp suất ngưng tụ giảm đi rõ rệt, giúp máy điều hòa làm việc nhẹ nhàng hơn, đồng thời cũng mang lại nguồn nước nóng phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong sinh hoạt.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J.P. Holman, Heat Transfer. Tenth Edition, McGraw–Hill International Edition, 2009.

[2] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh cơ sở, Nhà xuất bản Giáo dục, 2007.

[3] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật lạnh ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, 2009.

[4] Lê Nguyên Minh, Giáo trình nhiệt động kỹ thuật. Nhà xuất bản Giáo dục, 2009.

[5] Võ Chí Chính, Giáo trình Điều hòa không khí, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2005.

(BBT nhận bài: 01/11/2015, phản biện xong: 10/11/2015)

54 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KHỬ OXIT NITƠ BẰNG CÔNG NGHỆ ĐỐT CHÁY LẠI

EXPERIMENTAL AND KINETIC STUDY OF NITRIC OXIDE REDUCTION BY GAS REBURNING TECHNIQUE

Đào Duy Quang1, Nguyễn Phan Trúc Xuyên1, Nguyễn Minh Thông2 1Trường Đại học Duy Tân; daoduyquang@gmail.com; trucxuyen.mt1503@gmail.com

2Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum, Đại học Đà Nẵng; thongsphoa @gmail.com

Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả thực nghiệm và động họcquá trình khử oxit nitơ (NO) bằng công nghệ đốt cháy lại. Thínghiệm được tiến hành trên thiết bị phản ứng dạng ống kết hợpbéc đốt Mc Kenna cho phép tạo ngọn lửa phẳng. Sự ảnh hưởngcủa các thông số động học chính của quá trình như thời gian lưukhói thải và độ giàu vùng đốt cháy lại đến hiệu suất khử NO đãđược khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất khử NOgiảm đáng kể khi tăng các thông số động học, và hiệu suất khửcực đại đạt được lên đến 90%. Bốn mô hình động học gồmGDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, and Konnov đã đượcdùng để mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu. Phântích động học tốc độ các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NObằng cơ chế Glarbog đã chỉ ra rằng trong một vài điều kiện củađộ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh tranh động họcgiữa quá trình khử NO bằng các phản ứng đốt cháy lại(Reburning) và hình thành NO thông qua mô hình Prompt-NO.

Abstract - In this article, an experimental and chemical kinetic studyof the nitric oxide reduction by methane gas reburning process ispresented. Experiments are performed on a lab-scale reactor thatconsists of a Mc Kenna premixed plat flame burner connected with aplug flow reactor. The influence of main kinetic parameters such asflue gas residence time, reburning zone stoichiometry on the NOreduction efficiency has been evaluated. The experimental resultsshow that NO reduction performance decreases sharply when allthese important parameters increase, and maximal reductionefficiency up to 90% is obtained. Four detailed chemical kineticmechanisms including GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg, andKonnov have been tested to model our experimental results. Thekinetic analysis of NO consumption and formation by Glarborgmechanism confirms that there exists a kinetic competition betweenthe NO reduction by reburning mechanism and the NO formation byPrompt-NO one in certain conditions of reburning zone stoichiometry.

Từ khóa - Nitric oxide; đốt cháy lại; NOx; mô hình động họcCHEMKIN; FTIR.

; Key words - Nitric oxide; reburning; NOx; kinetic modelling;CHEMKIN; FTIR.

1. Đặt vấn đề

Oxit nitơ (NOx) bao gồm NO, N2O và NO2 được hình thành chủ yếu từ các quá trình cháy, đặc biệt là trong các loại động cơ ô tô, các ngành công nghiệp và khu dân cư. Sự phát thải NOx là một trong các nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng, vì nó gắn liền với nhiều hiện tượng ô nhiễm như: sương mù quang hóa, mưa axit, sự nóng lên toàn cầu, … Vì vậy việc giảm lượng phát thải NOx là một trong những mục tiêu hàng đầu của các qui chuẩn môi trường của Việt Nam cũng như quốc tế.

Để đáp ứng các yêu cầu môi trường ngày càng nghiêm ngặt, nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp để giảm phát thải NOx. Công nghệ xử lý NOx có thể chia làm hai nhóm. Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp xử lý sơ cấp nhằm hạn chế sự hình thành NOx ngay tại nguồn như: tối ưu hóa hình dạng béc đốt, khống chế các thông số cháy, hồi lưu dòng khói thải, và phân tầng phun không khí/ hoặc nhiên liệu. Nhóm thứ hai gồm các phương pháp thứ cấp nhằm chuyển hóa NOx đã hình thành trong khói thải như: đốt cháy lại (Reburning), khử chọn lọc không xúc tác (Selective Noncatalytic Reduction-SNCR), khử chọn lọc có xúc tác (Selective Catalytic Reduction-SCR), và đốt cháy lại cải tiến (Advanced Reburning). Trong các phương pháp xử lý NOx thứ cấp, đốt cháy lại là một trong những biện pháp hiệu quả với hiệu suất khử cao, có thể áp dụng tương đối dễ dàng, không cần thay đổi dây chuyền công nghệ lẫn cấu hình lò đốt và chi phí đầu tư thấp.

Về nguyên tắc, kỹ thuật đốt cháy lại chia thành ba vùng khác nhau: vùng cháy sơ cấp, vùng đốt cháy lại và

vùng cháy thứ cấp [1]. Trong vùng cháy sơ cấp, nhiên liệu bị oxy hóa trong điều kiện dư không khí. Các sản phẩm cháy, trong đó có các oxit nitơ, chủ yếu được hình thành trong vùng này. Nhiên liệu đốt cháy lại (như khí tự nhiên, biomass hoặc than bột) được phun vào ngay trên vùng cháy sơ cấp của lò đốt [2]. Trong vùng giàu nhiên liệu này (được gọi là vùng đốt cháy lại), NOx thoát ra từ vùng cháy sơ cấp sẽ bị khử thành nitơ tự do thông qua phản ứng với các gốc hydrocarbon ở vùng đốt cháy lại. Nhiệt độ khói thải tối ưu của quá trình này thường từ 1173 đến 1573 K [3]. Trước khi thải ra môi trường, không khí được phun thêm vào vùng cháy thứ cấp để oxy hóa hoàn toàn các chất chưa cháy còn sót lại trong khói thải.

Hiệu suất khử NOx của quá trình đốt cháy lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ của khói thải trong vùng đốt cháy lại, thời gian lưu khói thải, hệ số tỉ lượng (hay độ giàu) của nhiên liệu trong vùng đốt cháy lại, nồng độ ban đầu của NOx trong khói thải, cũng như điều kiện hòa trộn của khói thải với nhiên liệu khử. Kỹ thuật đốt cháy lại cho hiệu suất khử NOx từ 50 đến 70% trong các lò đốt ở qui mô công nghiệp, còn ở qui mô phòng thí nghiệm có thể đạt được hiệu suất lên đến hơn 90%.

Mục đích của nghiên cứu này nhằm khảo sát một cách hệ thống sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động chính (thời gian lưu khói thải, độ giàu nhiên liệu trong vùng đốt cháy lại) lên hiệu suất khử NO bằng mêtan (CH4) trên một thiết bị phản ứng ở qui mô pilot trong phòng thí nghiệm. Tiếp theo động học phản ứng của quá trình đốt cháy lại sẽ được phân tích chi tiết bằng phần mềm mô phỏng Senkin - Chemkin II với các mô hình hóa học chi tiết có sẵn trong

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 55

lý thuyết. Nghiên cứu động học phản ứng sẽ cho phép giải thích sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng lên mô hình động học phản ứng xảy ra trong quá trình.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên một thiết bị phản ứng dạng ống cao 1,1 m và có đường kính 8 cm. Thông tin chi tiết về thiết bị có thể tìm thấy ở nhiều công bố của chúng tôi trước đây [4].

Thiết bị đốt dạng Mc Kenna với ngọn lửa phẳng của mêtan/không khí đã được dùng để tạo ra khói thải có thành phần và tính chất xác định. Vì ngọn lửa của mêtan và không khí tạo ra rất ít NO, nên một lượng xác định (1370 ppm) NO được thêm vào ngọn lửa để khống chế chính xác nồng độ ban đầu NO trong khói thải. Hỗn hợp chất khử (CH4/N2) được phun vào trong khói thải nhờ thiết bị phun đặt ở độ cao 10 cm trên béc đốt. Dọc theo thân thiết bị phản ứng có mười ba lỗ lấy mẫu khí và đo nhiệt độ khói thải ở các độ cao khác nhau. Nhiệt độ của thiết bị phản ứng có thể được nâng lên đến 1200 K nhờ năm dây điện trở quấn quanh thân thiết bị phản ứng. Ngoài ra dọc theo vách ngoài của thiết bị phản ứng còn có bốn mươi cặp nhiệt điện loại K để điều khiển nhiệt độ. Mẫu khói thải được lấy nhờ vào một dụng cụ lấy mẫu có đường kính đầu mút 2 mm hướng xuống dưới. Ống trích mẫu khí được nối với thiết bị Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR). FTIR cho phép đo online nồng độ của tất cả các cấu tử hóa học đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử NO như: NO, CH4, CO, CO2, H2O, v.v… Bảng 1 trình bày các điều kiện thực nghiệm điển hình trong nghiên cứu quá trình khử NO bằng CH4. Quá trình này được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ 973 đến 1173 K. Hỗn hợp chất khử (CH4/N2) có lưu lượng tổng bằng 60 L/h tương ứng với hệ số độ giàu nhiên liệu () lên đến 10 được phun vào khói thải ở độ cao 10 cm trên béc đốt để tái lập quá trình đốt cháy lại. Hệ số độ giàu được định nghĩa bằng tỉ số nồng độ CH4 trong vùng đốt cháy lại trên nồng độ O2 trong khói thải so với cùng tỉ lệ tính được ở điều kiện tỉ lượng.

Bảng 1. Điều kiện thực nghiệm của quá trình đốt cháy lại khử NO bằng CH4

Hỗn hợp khử CH4/N2

Nhiệt độ khói thải (K) 973 – 1173

BÉC ĐỐT

Lưu lượng không khí (L/h) 672

Lưu lượng CH4 (L/h) 65

Lưu lượng NO (L/h) 1,1

Lưu lượng tổng 738

Độ giàu nhiên liệu ở béc đốt () 0,9

THIẾT BỊ PHUN

Lưu lượng CH4 (L/h) 0 – 60

Lưu lượng N2 (L/h) cân bằng

Lưu lượng tổng (L/h) 60

Độ giàu vùng đốt cháy lại () 0 – 10

[CH4]/[NO]0 0 – 54,5

Nồng độ NO ban đầu [NO]0 (ppm) 1370

Nồng độ O2 ban đầu (%vol) 1,5

Thời gian lưu trung bình (s) 2,4 – 6,2

Áp suất (Pa) 1,013×105

2.2. Mô phỏng động học

Nghiên cứu mô phỏng động học phản ứng được thực hiện nhờ gói code CHEMKIN II [5]. Trong gói code này, chúng tôi sử dụng hai chương trình PREMIX và SENKIN để mô phỏng tương ứng béc đốt Mc Kenna tạo ngọn lửa phẳng sinh ra khói thải với thành phần cố định, và thiết bị phản ứng dạng ống diễn ra quá trình khử NO. Bốn cơ chế động học chi tiết có trong lý thuyết sẽ được thử nghiệm để mô phỏng lại kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này: GDF-Kin®3.0 [6], GRI3.0 [7], Glarborg [8] và Konnov [9].

3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

3.1. Kết quả thực nghiệm

Hình 1 giới thiệu biến thiên nồng độ của NO và hiệu suất khử NO theo thời gian lưu trung bình và theo lượng mêtan phun vào vùng đốt cháy lại ở 1173 K. Ta có thể thấy ở cả bốn thời gian lưu khói thải khảo sát, trên đường cong hiệu suất khử NO xuất hiện một pic ở độ giàu () gần 1,7. Hiệu suất quá trình khử NO tăng đáng kể trong khoảng giá trị từ 0 đến 1,7 và đạt giá trị tối đa lên đến 60% khi thời gian lưu khói thải bằng 6,2 s (Hình 1-d). Kết quả này giống với những quan sát thực nghiệm khác trong lý thuyết [10]. Chẳng hạn Dagaut et al (1998) đã đạt được hiệu suất khử NO gần 70% với độ giàu bằng 1,5 và nhiệt độ khói thải trong khoảng từ 1350 và 1500 K trên thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn (perfectly stirred reactor – PSR) với hỗn hợp chất khử gồm mêtan và êtan với tỉ lệ 10/1 [10]. Ngược lại, trong khoảng giá trị độ giàu từ 1,7 đến 3,3 hiệu suất khử NO lại giảm. Và khi độ giàu vùng đốt cháy lại tiếp tục tăng từ 3,3 đến 10 thì hiệu suất khử NO lại tăng mạnh trở lại, đạt đến hiệu suất khử tối đa gần bằng 80% ở bằng 10 và thời gian lưu bằng 6,2 s (Hình 1-d).

Hình 1. Biến thiên nồng độ NO trong khói thải ở 1173 K (a) thời gian lưu =2,4 s; (b)=3,7 s; (c)=5,0 s; (d)=6,2 s.

([NO]0 = 1370 ppm)

56 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông

Việc xuất hiện pic khử NO ở một vài giá trị độ giàu của vùng đốt cháy lại rất ít khi được nhắc đến trong lý thuyết. Dagaut et al. (1998) là một trong rất ít tác giả đã quan sát thấy hiện tượng này trong thiết bị phản ứng PSR khi dùng hỗn hợp chất khử là CH4/C2H6 [10]. Các tác giả đã giải thích hiện tượng này bằng sự hình thành các cân bằng riêng phần giữa các cấu tử như NO/NO2, NO/HNO và NO/HCNO trong môi trường phản ứng và gây ức chế quá trình khử NO.

3.2. Kết quả mô phỏng động học

Hình 2 so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng biến thiên nồng độ NO theo độ giàu vùng đốt cháy lại và ở các thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2 s. Ở thời gian lưu từ 2,4 đến 6,2 s, kết quả mô phỏng bằng cơ chế Glarborg tương thích tốt nhất với thực nghiệm về mặt định tính lẫn định lượng. Đặc biệt, cơ chế này còn tái lập được pic nồng độ NO tại độ giàu gần bằng 1 như đã quan sát trên thực nghiệm. Tuy nhiên, sự tương thích này chỉ thỏa mãn ở các độ giàu từ 0 đến 5. Khi độ giàu vượt quá 5, kết quả mô phỏng với cơ chế Glarborg có xu hướng vượt quá kết quả thực nghiệm. Còn hai cơ chế GDF_Kin®3.0_NCN và Konnov cho kết quả sai lệch lớn. Cuối cùng, mặc dù cơ chế GRI3.0 cho kết quả mô phỏng cao hơn nhiều so với thực nghiệm, nhưng nó có thể tái lập định tính pic nồng độ NO như đã quan sát được trong thực nghiệm ở giá trị độ giàu gần bằng 2. Tóm lại, cơ chế Glarborg tái lập tốt nhất kết quả thực nghiệm trong nghiên cứu này. Vì vậy, trong phần tiếp theo mô hình này sẽ được sử dụng để phân thích vận tốc của các phản ứng chủ đạo tham gia vào quá trình khử NO và hình thành NO.

Hình 2. So sánh kết quả thực nghiệm (kí hiệu) và mô phỏng (đường cong) của nồng độ NO theo độ giàu () ở các thời gian

lưu khác nhau (): (a) = 2,4 s; (b) = 3,7 s; (c) = 5,0 s; (d) = 6,2 s. ([NO]0 = 1370 ppm; Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K)

3.3. Mô hình quá trình hình thành và khử NO

Hình 3-5 so sánh vận tốc thực của các phản ứng quan trọng nhất trong quá trình hình thành NO và tiêu thụ NO. Vận tốc phản ứng được tính ở ba độ giàu khác nhau ( = 0,8; 1,7; 3,3), ở nhiệt độ khói thải bằng 1173 K và thời gian lưu khói thải bằng 6,2 s. Ba giá trị độ giàu này

được chọn vì chúng đặc trưng cho các điều kiện hoạt động của pic NO trên Hình 1. Trong mỗi phản ứng, vận tốc thực () được tính bằng hiệu số giữa vận tốc phản ứng thuận (D) và vận tốc phản ứng nghịch (I), = D - I.

Ở độ giàu bằng 0,8 (Hình 3) đặc trưng cho vùng đốt cháy lại nghèo nhiên liệu khử, NO chủ yếu bị tiêu thụ bằng các phản ứng với gốc O, OH, H và NCO theo các phản ứng từ (r1) đến (r7). Trong điều kiện này, các gốc CHi không tham gia vào bất cứ phản ứng khử NO nào. Trong khi đó, quá trình khử NO lại dẫn đến việc hình thành các cấu tử NO2, N2O, N2, HONO và HNO. Trong đó chỉ khoảng gần 20% NO bị khử là chuyển hóa trực tiếp thành N2. Tiếp theo, các cấu tử NO2 và HNO phản ứng với các gốc H, O và OH để hình thành lại NO theo các phản ứng từ (-r8) đến (r11).

Cấu tử HONO tạo thành từ phản ứng (r4) phản ứng tiếp với gốc OH để tạo thành NO2:

HONO + OH = H2O + NO2 (r12)

Nitơ protoxit (N2O) hình thành từ phản ứng (r2) và (r6) sẽ nhanh chóng tự phân hủy để tạo thành N2:

N2O + M = N2 + O + M (r13) Một cách tổng quát, các cân bằng riêng phần giữa NO

và NO2, và NO với HNO chiếm ưu thế ở điều kiện = 0,8. Kết quả là các cân bằng động học này đã hạn chế quá trình khử NO. Vì vậy, hiện tượng nồng độ NO trong khói thải giảm chủ yếu là do hai phản ứng (r2) và (r3), và một phần nhờ phản ứng (r6). Gốc isocyanat (NCO) tham gia trong phản ứng (r2) và (r3) được hình thành chủ yếu từ HCN thông qua chuỗi phản ứng:

HCN HNCO / HOCN / CN NCO

Hình 3. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình khử và tạo

thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K; = 6,2 s; = 0,8)

Hơn nữa, ta thấy tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO bằng gần 1,5 lần vận tốc các phản ứng tạo thành NO (Hình 3). Sự chênh lệch này cho phép giải thích nồng độ NO trong khói thải giảm gần 10% ở điều kiện phản ứng đang xét (Hình 2-d). Ta cũng thấy trong các phản ứng tiêu thụ NO không hiện diện bất kì phản ứng nào đặc trưng cho quá trình đốt cháy lại. Các phân tích động học đã chỉ ra rằng các phản ứng đốt cháy lại chỉ đóng góp ít hơn 1% tổng lượng tiêu thụ NO.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 57

Khi độ giàu vùng đốt cháy lại () bằng 1,7 (Hình 4), ta cũng quan sát được các cân bằng riêng phần của NO/HNO và NO/NO2. Gần 6% NO phản ứng với H và HO2 để tạo thành HNO và NO2 theo phản ứng (r5) và (r8). Và như trong trường hợp = 0,8, HNO và NO2 sau đó sẽ phản ứng với các gốc H và OH để hình thành lại NO theo phản ứng (r21), (r11) và (r9).

Hình 4. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình tiêu thụ và tạo thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K; = 6,2 s; = 1,7)

Phản ứng quan trọng nhất trong quá trình tiêu thụ NO là phản ứng với các cấu tử như C2H2, NH2, HCCO (gốc ketenyl) và CH3 theo các phản ứng (r14), (r15), (r16), (r17) và (r20). Các phản ứng với C2H2 (r14) và NH2 (r16) đóng góp hơn 75% lượng tiêu thụ NO. Các phản ứng (r15) và (r16) liên quan đến cấu tử NH2 là hai phản ứng đặc trưng của quá trình khử chọn lọc không xúc tác (SNCR) đã đóng góp một phần quan trọng vào việc tiêu thụ NO (40,7%). Trong đó, gốc NH2 được hình thành thông qua chuỗi phản ứng HCN HNCO NH2. Cấu tử NNH hình thành từ phản ứng (r16) được chuyển hóa thành N2 bởi phản ứng với O2 và NH2 cũng như bởi phản ứng tự phân hủy. Cấu tử HCNO hình thành từ phản ứng (r20) tham gia vào quá trình tạo thành NO thông qua phản ứng với gốc OH, để sau đó tạo thành một cân bằng động học riêng phần NO/HCNO nhờ phản ứng (r22). Quan sát Hình 4, ta thấy sự xuất hiện của các phản ứng khơi mào đặc trưng của quá trình đốt cháy lại (r18) và (r19) tham gia vào sự tiêu thụ NO, mặc dù với tỉ lệ đóng góp vẫn còn thấp, khoảng 6,2%.

Mặt khác, ở độ giàu = 1,7, tổng vận tốc của các phản ứng tiêu thụ NO lớn hơn 4,5 lần tổng vận tốc các phản ứng tạo thành NO (Hình 4). Điều này giúp giải thích cho kết quả nồng độ NO giảm gần 60% so với nồng độ ban đầu trong khói thải (Hình 2-d). Ta nhớ rằng trong trường hợp = 0,8, độ chênh lệch giữa tổng vận tốc tiêu thụ NO và hình thành NO chỉ là 1,5 lần.

Trong điều kiện vùng đốt cháy lại giàu nhiên liệu hơn ( = 3,3) (Hình 5), NO chủ yếu bị chuyển hóa thành NO2 bằng phản ứng với các gốc HO2 theo phản ứng (r8).

Giống như ở = 1,7, các phản ứng khơi mào cho quá trình đốt cháy lại (r18 và r19) cũng đóng góp một phần đáng kể cho sự khử NO. Ngoài ra, NO cũng bị khử nhờ phản ứng với C2H2 và HCO (r23 và r14) với khoảng 4,8% NO bị tiêu thụ. Các cấu tử hình thành từ năm phản ứng

khử NO kể trên sẽ tiếp tục tham gia phản ứng tạo ngược thành NO. Chẳng hạn, NO2 và HNO hình thành sẽ tiếp tục phản ứng với H, CO hoặc tự phân hủy để tạo ngược lại NO thông qua các phản ứng (r9), (r24), (-r5) và (-r1). Ở đây ta cũng nhận thấy sự hiện diện của các cân bằng động học riêng phần của NO/NO2 và NO/HNO. Các cân bằng này khiến cho sự khử NO trong khói thải diễn ra chủ yếu nhờ các phản ứng đốt cháy lại với gốc CH3 (r18 và r19) và C2H2 (r14). Mặt khác, tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO chỉ cao hơn một chút (khoảng 30%) so các phản ứng tạo thành NO (Hình 5). Vì thế hiệu suất quá trình khử NO kém hơn nhiều so với kết quả ở = 1,7.

Hình 5. Vận tốc các phản ứng chủ đạo trong quá trình tiêu thụ và tạo thành NO (Nhiệt độ khói thải bằng 1173 K; = 6,2 s; = 3,3)

4. Thảo luận

Các phân tích sơ bộ trên cho phép giải thích sự hình thành pic nồng độ NO khi độ giàu vùng đốt cháy lại thay đổi từ 0,8 đến 3,3. So sánh vận tốc của các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO, ta có thể thấy rõ sự tiêu thụ NO tăng giữa = 0,8 và 1,7, nhưng ngược lại giữa = 1,7 và 3,3 thì quá trình hình thành NO lại tăng mạnh. Trong phần tiếp theo, ta sẽ so sánh tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO với tổng vận tốc các phản ứng hình thành NO trong khoảng giá trị độ giàu đang xét để hoàn thành phân tích mô hình động học (Bảng 2).

Tổng vận tốc các phản ứng tiêu thụ và tạo thành NO đều tăng với . Khi tăng từ 0,8 đến 1,7, vận tốc các phản ứng hình thành NO tăng 1700 lần, trong khi vận tốc phản ứng khử NO tăng đến 5300 lần. Và tỉ lệ của vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO tăng từ 1,5 đến 4,5 lần. Sự chiếm ưu thế của phản ứng tiêu thụ NO cho phép giải thích sự tăng hiệu suất khử NO trong điều kiện này.

Hiện tượng quan sát được khi độ giàu tăng từ khoảng 1,7 đến 3,3 hoàn toàn ngược lại. Thật vậy, trong khoảng giá trị này, vận tốc tương đối của các phản ứng hình thành NO tăng khoảng 70 lần, trong lúc đó vận tốc quá trình khử NO tăng chỉ khoảng 20 lần. Và tỉ số vận tốc giữa quá trình tiêu thụ và hình thành NO giảm từ 4,5 xuống 1,3 khi độ giàu tăng từ 1,7 lên 3,3. Việc giảm tỉ số này giúp giải thích hiện tượng nồng độ NO trong khói thải tăng lại. Nhìn chung, ta có thể thấy kết quả thực nghiệm đã được mô phỏng lại rất tốt với mô hình Glarborg.

58 Đào Duy Quang, Nguyễn Phan Trúc Xuyên, Nguyễn Minh Thông

Bảng 2. So sánh tổng vận tốc các phản ứng hình thành và tiêu thụ NO theo độ giàu vùng đốt cháy lại theo mô hình Glarborg; nhiệt độ khói thải bằng 1173 K; = 6,2 s

Độ giàu () = 0,8

([CH4]/[NO]0 = 4,5)

= 1,7

([CH4]/[NO]0 = 9,1)

= 3,3

([CH4]/[NO]0 = 18,2)

vận tốc hình thành NO

(mole/cm3.s)

4,83 × 10-14 8,24 × 10-11 5,84 × 10-09

× 1700 × 70

vận tốc tiêu thụ NO

(mole/cm3.s)

7,07 × 10-14 3,72 × 10-10 7,65 × 10-09

× 5300 × 20

∑VậntốctiêuthụNO∑VậntốchìnhthànhNO

1,5 4,5 1,3

Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng việc dung hòa một cách hợp lý giữa lượng chất khử phun vào khói thải với hiệu suất quá trình khử mong muốn, và tất nhiên điều này còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khói thải và thời gian lưu khói thải đặc trưng cho từng thiết bị cần khảo sát.

5. Kết luận

Nghiên cứu này đã khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động chính lên hiệu suất của quá trình đốt cháy lại khử NO bằng CH4. Nhìn chung, hiệu suất quá trình tăng cùng với nhiệt độ khói thải, với độ giàu trong vùng đốt cháy lại. Để cân đối giữa lượng chất khử phun vào ở mức thấp và hiệu suất khử NO cao, chúng tôi khuyến nghị điều kiện tối ưu về nhiệt độ khói thải bẳng 1173 K, ở độ giàu vùng đốt cháy lại () bằng 1,7 và thời gian lưu bằng 6,2 s. Ở điều kiện tối ưu này, hiệu suất khử NO đạt được khoảng 60%. Kết quả thực nghiệm thu được trong quá trình đốt cháy lại được so sánh với kết quả mô phỏng bởi bốn mô hình động học chi tiết: GDF-Kin®3.0_NCN, GRI3.0, Glarborg và Konnov. Trong điều kiện thực nghiệm của nghiên cứu này, mô hình Glarborg cho kết quả mô phỏng tương thích cao nhất. Phân tích vận tốc các phản ứng tiêu thụ NO và hình thành NO đã chỉ ra rằng trong một vài điều kiện của độ giàu vùng đốt cháy lại có thể tồn tại sự cạnh tranh động học giữa quá trình khử NO bằng các phản ứng đốt cháy lại và hình thành NO thông qua mô hình Prompt-NO và gây ra kết quả giảm mạnh hiệu suất khử NO.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] R. Bilbao, A. Millera, M. U. Alzueta, Influence of the Temperature

and Oxygen Concentration on NOx Reduction In The Natural Gas Reburning Process, Ind. Eng. Chem. Res. 33, 2846-2852 (1994).

[2] F. Liesa, M. U. Alzueta, A. Millera, R. Bilbao, Influence of Reactant Mixing in a Laminar Flow Reactor: The Case of Gas Reburning. 1. Experimental Study, Ind. Eng. Chem. Res. 46, 3520-3527 (2007).

[3] E. Hampartsoumian, O. Folayan, W. Nimmo, B. Gibbs, Optimisation of NOx reduction in advanced coal reburning systems and the effect of coal type, Fuel 82, 373-384 (2003).

[4] L. Gasnot, D. Quang Dao, J.F. Pauwels, Experimental and Kinetic Study of the Effect of Additives on the Ammonia Based SNCR Process in Low Temperature Conditions, Ener. Fuels 26, 2837 – 2849 (2012).

[5] R. Kee, J. Warnatz, J. Miller, Chemkin II: A Fortran chemical kinetics package for the analysis of gas phase chemical kinetics. SANDIA National Laboratories Report, SAND89-8009D, UC-706, (1989).

[6] A. El Bakali, L. Pillier, P. Desgroux, B. Lefort, L. Gasnot, J. F. Pauwels, I. da Costa, NO prediction in natural gas flames using GDF-Kin®3.0 mechanism NCN and HCN contribution to prompt-NO formation, Fuel 85, 896-909 (2006).

[7] G. P. Smith, D. M. Golden, M. Frenklach, N. W. Moriarty, B. Eiteneer, M. Goldenberg, C. T. Bowman, R. K. Hanson, S. Song, W. C. J. Gardiner, V. V. Lissianski, Z. Qin, GRI-Mech 3.0, (1999). at <http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/>

[8] P. Glarborg, M. U. Alzueta, K. Dam-Johansen, J. A. Miller, Kinetic Modeling of Hydrocarbon/Nitric Oxide Interactions in a Flow Reactor, Combust. Flame 115, 1-27 (1998).

[9] A. Konnov, F. Barnes, J. Bromly, J. Zhu, D. Zhang, The pseudo-catalytic promotion of nitric oxide oxidation by ethane at low temperatures, Combust. Flame 141, 191-199 (2005).

[10] P. Dagaut, F. Lecomte, S. Chevailler, M. Cathonet, Experimental and Detailed Kinetic Modeling of Nitric Oxide Reduction by a Natural Gas Blend in Simulated Reburning Conditions, Combust. Sci. Technol. 139, 329-363 (1998).

(BBT nhận bài: 12/09/2015, phản biện xong: 26/10/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 59

KHẢO SÁT VÙNG ĐO MỨC BÃO HÒA OXY TRONG MÁU ĐỘNG MẠCH THEO NHỊP ĐẬP (SpO2) TỐT NHẤT TRÊN CỔ TAY, VÀ ẢNH HƯỞNG

CỦA SẮC TỐ DA - KÍCH THƯỚC CỔ TAY - GIỚI TÍNH ĐẾN KẾT QUẢ ĐO, SỬ DỤNG ĐẦU ĐO PHẢN XẠ

A SURVEY ON THE BEST AREAS FOR MEASURING ARTERIAL BLOOD OXYGENATION LEVEL (SpO2) ON WRIST, AND INFLUENCE OF PARAMETERS SUCH AS SKIN COLOR,

WRIST SIZE, AND SEX ON RECEIVED SIGNAL QUALITY, USING REFLECTANCE PULSE OXIMETER PROBE

Lại Phước Sơn1, Nguyễn Thị Anh Thư2, Nguyễn Trung Kiên2 1Học viên cao học khóa 28, ngành Kỹ thuật Điện tử; lpson.tth@gmail.com

2Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng: ntathu2, ntkien3@dut.udn.vn

Tóm tắt - Việc đo mức bão hòa oxy trong máu động mạch theonhịp đập (SpO2) tại cổ tay là phương pháp khá mới hiện nay, vàviệc xác định vùng đo SpO2 tốt nhất trên cổ tay gần như là yêucầu cấp bách cho vấn đề mới này. Bài báo này sẽ cung cấp cáckết quả khảo sát thực nghiệm có được về việc xác định vùng đoSpO2 tốt nhất trên cổ tay cũng như xem xét sự ảnh hưởng củasắc tố da tại cổ tay, kích thước cổ tay và giới tính đến biên độ tínhiệu thu được từ cảm biến. Bo mạch đo SpO2 chuẩn của hãngTexas Instruments và cảm biến phản xạ đo SpO2 chuẩn của hãngCovidien được sử dụng cho tất cả các cuộc khảo sát này. Kếtquả khảo sát cho thấy rằng: Vùng cổ tay có đường động mạchquay nằm gần khớp cổ tay - đốt bàn tay ngón cái cho tín hiệu thuđược với biên độ lớn nhất; Cổ tay có kích thước nhỏ và có sắc tốda sáng sẽ cho tín hiệu thu được với biên độ lớn hơn.

Abstract - Measuring arterial blood oxygenation level (SpO2) onwrist is a novel method so far, and finding the best measuringareas on wrist of Vietnamese people is an imperative requirementof this research. Therefore, this paper presents an experimentalsurvey on best areas of wrist for measuring SpO2, and influenceof parameters such as skin color, wrist size and sex on theaccuracy of measurements. An experimental system with astandard pulse oximeter of Texas Instruments and a standardreflectance pulse oximeter probe of Covidien are used in theseexperiments. Results of SpO2 measurements show that the areaof wrist which has radial artery nearing articulatiocarpometacarpal pollicis gives the largest amplitude signal; andsmaller size and brighter skin wrists have measurement signal inhigher amplitude.

Từ khóa - đo SpO2; phản xạ; SpO2 tại cổ tay; sắc tố da; kíchthước cổ tay; giới tính; động mạch quay.

Key words - Measuring SpO2; Reflectance; SpO2 on Wrist; Skincolor; Wrist size; Sex; Radial artery.

1. Đặt vấn đề

Mức bão hòa oxy trong máu được xem là một trong năm dấu hiệu sinh tồn của con người (các thông số còn lại là mạch, nhiệt độ, huyết áp, nhịp thở) [1]. Vì tầm quan trọng của nó mà trên thị trường đã có nhiều thiết bị theo dõi thông số này, từ các thiết bị để bàn như: Máy đo Avant 9700 của hãng Nonin, Máy đo GE TruSat, Máy đo Avant 400 của hãng Nonin, Nellcor N-600x của hãng Covidien, ... cho đến các thiết bị có thể đeo được trên người như: Máy đo 3100 WristOx của hãng Nonin, WristOx2 3150 của hãng Nonin, v.v. Các thiết bị kể trên sử dụng cảm biến đo tại đầu ngón tay, đầu ngón chân, trán, dái tai, mũi và chưa thấy đo tại cổ tay [2], [3].

Hình 1. Một số vị trí đo mức độ bão hòa oxy trong máu động

mạch dựa theo nhịp đập (SpO2) thường thấy [3]

Năm 1988, Mendelson và Ochs đã tiến hành khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu được khi sử dụng cảm biến để đo SpO2 [4], tuy nhiên mới chỉ có bốn thông số là nhiệt độ bề mặt da, ảnh hưởng của điện áp xung của LED (Light Emitting Diode) phát, khoảng cách giữa các LED phát với photodiode, độ dịch phổ của LED phát. Cảm biến họ sử dụng bao gồm hai LED phát ra hai ánh sáng có bước sóng lần lượt là 660nm và 940nm, một photodiode bán dẫn loại Silic (Si) cho hệ số chuyển đổi quang điện cao trong dải bước sóng từ 400nm đến 1100nm.

Hình 2. Một trong bốn kết quả khảo sát mà Mendelson và Ochs đã thực hiện được: Ảnh hưởng của các thành phần DC và AC theo khoảng cách giữa LED và photodiode. Hình vuông, hình tròn lần lượt biễu diễn cho thành phần DC và AC. Khảo sát

được tiến hành ở nhiệt độ bề mặt da là 43oC [4]

60 Lại Phước Sơn, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Trung Kiên

Các vị trí đo như đã đề cập ở trên khiến cho người sử dụng cảm thấy bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày như cầm nắm (khi đo ở tay), đi lại (khi đo ở chân), nói chuyện với người khác (khi đo ở mũi), vướng víu (khi đo ở tai). Chúng tôi đề xuất một vị mới sẽ giúp người dùng cảm thấy thuận tiện hơn khi đeo cảm biến đo SpO2, đó là đo tại cổ tay. Tuy nhiên vấn đề đặt ra là đo tại cổ tay có thể đem lại kết quả tốt như khi đo tại các vị trí khác hay không? Và vị trí nào trên cổ tay cho kết quả tốt nhất? Đồng thời, khi đeo tại cổ tay thì các yếu tố như sắc tố da tại cổ tay, kích thước cổ tay, giới tính có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng của tín hiệu thu được từ cảm biến?

Công trình nghiên cứu này ra đời nhằm giải quyết các vấn đề trên. Các kết quả được công bố trong bài báo này sẽ hữu ích cho những công trình khác có liên quan đến việc đo SpO2 tại cổ tay.

2. Giải quyết vấn đề

Để tìm kiếm vùng đo SpO2 tốt nhất và xác định sự ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến kết quả thu được từ cảm biến, chúng tôi tiến hành các cuộc khảo sát thực nghiệm nhằm quan sát dạng sóng tín hiệu thu được, tổng hợp số liệu, so sánh đánh giá và rút ra các kết luận cần thiết.

Để đảm bảo cho các cuộc khảo sát có tính chính xác cao, bo mạch Pulse Oximeter chuẩn của hãng Texas Instruments và đầu đo SpO2 phản xạ của hãng Covidien được sử dụng trong tất cả các cuộc khảo sát này. Tốc độ lấy mẫu từ cảm biến là 500 mẫu/1s, tổng số mẫu lấy được trong mỗi lần đo là 4096 mẫu. Dòng cấp cho các LED của cảm biến là 20mA. Bo mạch có sử dụng bộ lọc Notch tại 50Hz để loại bỏ nhiễu do bóng đèn neon tạo ra.

Hình 3. Bo mạch Pulse Oximeter chuẩn và cảm biến chuẩn

phục vụ cho các cuộc khảo sát

Nội dung thứ nhất của cuộc khảo sát hướng đến là tìm kiếm vùng đo tốt nhất trên cổ tay. Để tiến hành khảo sát vùng đo tốt nhất, chúng tôi dựa vào bản chất của phương pháp đo SpO2, đó là dựa trên sự hấp thụ khác nhau của hemoglobin có gắn oxy và không gắn oxy trong động mạch theo 2 bước sóng ánh sáng 660nm (ánh sáng đỏ) và 940nm (ánh sáng hồng ngoại) của cảm biến. Do vậy các đường động mạch đi qua cổ tay sẽ là đối tượng được khảo sát đến. Theo như mô tả trong Hình 4, các đường động mạch đi qua cổ tay được phân bố tập trung tại hai rìa của cổ tay và nằm phía mặt dưới cổ tay. Vì phương pháp đo mức bão hòa oxy trong máu động mạch liên quan trực tiếp đến đường động mạch cần đo, nên nếu cảm biến đặt gần các đường động mạch này thì sẽ cho kết quả tốt hơn. Tuy nhiên, vị trí nào trên các đường động mạch này cho kết quả tốt nhất thì cần được khảo sát. Do vậy, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát tại 4 vị trí đo là B1, B2, B3, B4 như được chỉ ra trong hình sau.

Hình 4. Mô tả các vùng đo dựa trên

các đường động mạch trên cổ tay

Quá trình khảo sát được thực hiện trên cùng một cổ tay của một người, trong cùng một điều kiện môi trường ngoại cảnh giống nhau. Tại mỗi vùng đo, chúng tôi tiến hành 10 lần đo và lấy giá trị biên độ điện áp đỉnh đỉnh trung bình của tín hiệu thu được.

Nội dung thứ hai mà các cuộc khảo sát hướng tới là sự ảnh hưởng của các nhân tố như sắc tố da, kích thước cổ tay, giới tính đến biên độ tín hiệu thu được. Để thực hiện được nội dung này, nhóm tác giả đã nhờ sự giúp đỡ của 30 tình nguyện viên với đầy đủ các đặc điểm khác nhau về các đối tượng cần khảo sát. Trong đó, số lượng tình nguyện viên nam là 22 người chiếm 73%, tình nguyện viên nữ là 8 người chiếm 27%, kích thước cổ tay nhỏ nhất được khảo sát là 14cm và lớn nhất là 17,7cm. Tỷ lệ cổ tay có kích thước từ 15cm đến 16cm đạt nhiều nhất với 15 người chiếm 50%, và ít nhất là nhóm nhỏ hơn 15cm có 5 người chiếm 17%. Số tình nguyện viên có nhóm sắc tố da từ 1 đến 15 (gọi chung là nhóm 1) là 6 người chiếm 20%, nhóm từ 16 đến 19 (gọi chung là nhóm 2) là 20 người chiếm 67%, nhóm từ 20 đến 25 (gọi chung là nhóm 3) là 4 người chiếm 13%, không có người nào trong nhóm từ 26 đến 36. Tất cả 30 tình nguyện viên được đo trong một môi trường ngoại cảnh giống nhau, mỗi tình nguyện viên được đo một lần.

Hình 5. Bảng tra màu da từ Wiki. Bảng tra này được phân

thành bốn nhóm màu da bao gồm: nhóm 1 (1 đến 15), nhóm 2 (16 đến 19), nhóm 3 (20 đến 25), nhóm 4 (26 đến 36)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 61

3. Kết quả nghiên cứu và bình luận

3.1. Xác định vùng đo tốt nhất trên cổ tay

Sau đây là các kết quả của cuộc khảo sát nhằm tìm kiếm vùng đo tốt nhất trên cổ tay. Bảng 1 và Bảng 2 thể hiện các giá trị biên độ đỉnh đỉnh trung bình của tín hiệu thu được trong mỗi lần đo tương ứng với các thời điểm khi chỉ bật LED đỏ và khi chỉ bật LED hồng ngoại. Khi LED đỏ bật và LED hồng ngoại tắt, giá trị trung bình của 10 phép đo lần lượt cho mỗi vùng B1, B2, B3, B4 là 0,79mV, 0,8mV, 4,31mV, 0,47mV. Và trong chu kỳ LED đỏ tắt, LED hồng ngoại sáng thì kết quả lần lượt tương ứng là 0,96mV, 0,93mV, 5mV, 0,44mV. Kết quả này cho thấy sự chênh lệch về biên độ tín hiệu rõ rệt (hơn 5 lần) giữa vùng B3 với các vùng còn lại.

Bảng 1. Biên độ tín hiệu đỉnh đỉnh thu được (mV) trong mỗi lần đo tại các vùng đo B1, B2, B3, B4 khi chỉ bật LED đỏ

L”: Lần đo. “TB”: Giá trị trung bình

Bảng 2. Biên độ tín hiệu đỉnh đỉnh thu được (mV) trong mỗi lần đo tại các vùng đo B1, B2, B3, B4 khi chỉ bật LED hồng ngoại

L”: Lần đo. “TB”: Giá trị trung bình

Như vậy, vùng B3 là vùng đo tốt nhất, trong khi đó vùng đo xấu nhất là vùng B4. Đồng thời hai vùng này lại nằm liền kề nhau, do vậy sẽ là cần thiết khi thiết kế dây đeo thiết bị chứa cảm biến không được quá lỏng, tránh trường hợp cảm biến xê dịch qua vùng lân cận. Kết quả trên được thể hiện rõ hơn tại Hình 6 và Hình 7.

Hình 6. Biểu đồ hình cột thể hiện biên độ tín hiệu thu được

khi chỉ bật LED đỏ

Hình 7. Biểu đồ hình cột thể hiện biên độ tín hiệu thu được

khi chỉ bật LED hồng ngoại

Hình 8 đến Hình 11 là trích dẫn kết quả đo được đại diện chung nhất cho 10 lần đo lần lượt tại các vùng B1, B2, B3, B4.

Hình 8. Kết quả của một lần đo tại vị trí B1 khi LED hồng

ngoại bật (hình trên) và khi LED đỏ bật (hình dưới)

Hình 9. Kết quả của một lần đo tại vị trí B2 khi LED hồng

ngoại bật (hình trên) và khi LED đỏ bật (hình dưới)

Hình 10. Kết quả của một lần đo tại vị trí B3 khi LED hồng

ngoại bật (hình trên) và khi LED đỏ bật (hình dưới)

Hình 11. Kết quả của một lần đo tại vị trí B4 khi LED hồng

ngoại bật (hình trên) và khi LED đỏ bật (hình dưới)

62 Lại Phước Sơn, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Trung Kiên

Qua cuộc khảo sát này, chúng tôi đã xác định được vùng đo SpO2 tốt nhất trên cổ tay là vùng B3, với biên độ tín hiệu đỉnh đỉnh trung bình thu được là 4,3mV đối với LED đỏ và 5mV đối với LED hồng ngoại, các giá trị này hơn gấp 5 lần so với các vùng còn lại. Dạng sóng tín hiệu thu được tại vùng này (Hình 10) khá đều đặn và ổn định.

3.2. Sự ảnh hưởng của sắc tố da, kích thước cổ tay và giới tính đến biên độ tín hiệu thu được

Các Hình 12 đến Hình 14 sau đây là các kết quả khảo sát có được với mục đích tìm hiểu sự ảnh hưởng của ba yếu tố, đó là: sắc tố da cổ tay, kích thước cổ tay và giới tính.

Hình 12. Biểu đồ ảnh hưởng theo nhóm sắc tố da của LED đỏ

(màu xanh) và hồng ngoại (màu cam)

Theo kết quả của hình trên, nhóm màu da sáng (nhóm 1) cho tỷ lệ thu được tín hiệu có mức trung bình biên độ cao nhất, tiếp đến là nhóm 2 và sau cùng là nhóm 3. Và màu sắc của da có ảnh hưởng đến LED đỏ nhiều hơn là LED hồng ngoại.

Hình 13. Biểu đồ ảnh hưởng theo nhóm cổ tay của LED đỏ

(màu xanh) và hồng ngoại (màu cam)

Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước cổ tay đến chất lượng tín hiệu thu được thể hiện như trên Hình 13. Theo như kết quả khảo sát thì nhóm cổ tay có kích thước bé (nhóm dưới 15,3cm) cho tỷ lệ thu được tín hiệu có mức trung bình cao nhất. Các nhóm kích thước cổ tay còn lại gần như và như nhau và đều thấp hơn rất nhiều so với nhóm dưới 15,3cm.

Hình 14. Biểu đồ ảnh hưởng theo giới tính của LED đỏ (màu

xanh) và hồng ngoại (màu cam)

Về vấn đề ảnh hưởng của giới tính đến kết quả đo, hình trên cho thấy được vấn đề này. Theo như Hình 14 , các kết quả đo có biên độ tín hiệu lớn hầu như tập trung về phía giới tính là “Nữ”. Có thể vì các tình nguyện viên nữ đều có sắc tố da sáng hồng và kích thước cổ tay nhỏ, mà cả hai yếu tố này đều cho kết quả thu chất lượng tốt như đã được phân tích ở trên.

Không chỉ có thể đánh giá riêng cho từng nhân tố ảnh hưởng, tổ hợp 3 biểu đồ trên có thể kết hợp với nhau để đưa ra những đánh giá phức hợp mới. Ví dụ, dựa vào 3 biểu đồ trên, có thể biết được chất lượng tín hiệu tốt nhất đã khảo sát được thuộc về một bạn nữ có kích thước cổ tay 14cm, sắc tố da thuộc nhóm 1.

3.3. So sánh kết quả khi đo tại cổ tay với các vị trí khác

Để đánh giá chất lượng tín hiệu thu được tại cổ tay so với các vị trí truyền thống khác, chúng tôi cũng đã tiến hành đo tại các vị trí trên. Dạng sóng tín hiệu thu được tại các vị trí này được thể hiện trong Hình 15 đến Hình 18.

Hình 15. Kết quả đo được tại đầu ngón tay trỏ phải

Hình 16. Kết quả đo được tại lòng bàn chân phải

Hình 17. Kết quả đo được tại mép mũi phải

Với các kết quả đo được ở trên, biên độ tín hiệu trung bình của mỗi tín hiệu sẽ được tìm ra. Các giá trị trung bình này sẽ cho biết thứ hạng của các vị trị đo dựa trên tiêu chí độ lớn của biên độ tín hiệu thu được, Bảng 3.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 63

Hình 18. Kết quả đo được tại dái tai trái

Bảng 3. Xếp hạng vị trí đo tốt dựa trên việc so sánh biên độ tín hiệu thu được từ cảm biến tại các vị trí đo khác nhau

Vị trí đo Biên độ trungbình LED đỏ

(mV)

Biên độ trung bình LED hồng

ngoại (mV)

Biên độ trung bình

Vị thứ

Cổ tay 1,1 2,3 1,7 3

Ngón tay 5,3 6,9 6,1 1

Bàn chân 0,5 0,8 0,65 6

Mũi 0,8 2,2 1,5 5

Dái tai 1,7 2 1,85 2

Trán 0,9 2,2 1,55 4

Theo dữ liệu của Bảng 3, việc đo SpO2 tại cổ tay thu được tín hiệu có độ lớn biên độ đứng vị trí thứ 3 sau ngón tay và dái tái. Tín hiệu thu được khi đo tại cổ tay đạt 1,7mV, chỉ bằng 27,9% so với khi đo tại đầu ngón tay. Tuy nhiên, nhờ vào khối mạch khuếch đại và sử dụng một bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 12 bit để lấy mẫu với điện áp tham chiếu nội là 2,5V có sai số lượng tử là 2,5/4096/2 = 0,3mV, chúng ta có thể lấy mẫu tín hiệu thu được khi đo tại cổ tay tương đối chính xác.

4. Kiểm chứng đo SpO2 tại cổ tay trên bo mạch tự thiết kế sử dụng cảm biến phản xạ của hãng Covidien

Để kiểm chứng vùng đo tốt nhất tại cổ tay, chúng tôi đã thiết kế và thi công bo mạch đo SpO2 sử dụng cảm biến phản xạ ánh sáng của hãng Covidien.

Hình 19. Kiểm chứng đo SpO2 tại cổ tay với bo mạch tự thiết kế

Hình 20 thể hiện kết quả đo được tại ngõ ra cuối sau khi tín hiệu từ cảm biến đã đi qua hết các bộ lọc và khuếch đại, tại thời điểm chỉ có LED đỏ sáng. Kết quả đo có được như sau:

Mức điện áp DC: Dao động xung quanh mức điện áp 1,65V;

Mức điện áp AC: Xấp xỉ 220mV;

Tần số tín hiệu: 0,8Hz;

Nhiễu tín hiệu: Rất ít.

Hình 20. Kết quả thu được tại ngõ ra cuối khi LED đỏ sáng

Hình 21 thể hiện kết quả đo được tại ngõ ra cuối sau khi tín hiệu từ cảm biến đã đi qua hết các bộ lọc và khuếch đại, tại thời điểm chỉ có LED hồng ngoại sáng. Kết quả đo có được như sau:

Mức điện áp DC: Dao động xung quanh mức điện áp 1,65V;

Mức điện áp AC: Xấp xỉ 250mV;

Tần số tín hiệu: 0,8Hz;

Nhiễu tín hiệu: Còn gợn nhỏ nhiễu.

Hình 21. Kết quả thu được tại ngõ ra cuối khi LED

hồng ngoại sáng

Kết quả thực nghiệm cho thấy biên độ tín hiệu trung bình đỉnh đỉnh của LED đỏ và hồng ngoại thu được sau khi qua các bộ lọc thông thấp 5Hz, thông cao 0,48Hz lần lượt là 220mV và 250mV. Dạng sóng tín hiệu ở ngõ ra cuối rất rõ nét, đều đặn và hoàn toàn có thể lấy mẫu bởi bộ ADC 12bit.

5. Kết luận

Thông qua các kết quả khảo sát thực nghiệm được đưa ra trong bài báo, vùng đo SpO2 tốt nhất tại vùng cổ

64 Lại Phước Sơn, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Trung Kiên

tay đã được xác định đó là vùng B3 (Vùng cổ tay có đường động mạch quay nằm gần khớp cổ tay - đốt bàn tay ngón cái). Đây là cơ sở cho những thiết kế thiết bị tích hợp cảm biến đeo cổ tay có chức năng đo SpO2 ra đời. Việc đặt cảm biến tại cổ tay giúp người dùng tránh sự bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày khi đeo tại các vị trí đầu ngón tay, đầu ngón chân, mũi, ... Bên cạnh đó, bài báo cũng cho thấy sự ảnh hưởng của sắc tố da tại cổ tay, kích thước cổ tay và giới tính đến biên độ tín hiệu thu được. Theo kết quả này thì người có cổ bé, da sáng sẽ cho kết quả tốt nhất, và giới tính nữ cho kết quả biên độ trung bình thu được từ cảm biến lớn hơn so với giới tính nam.

Sau khi có được những kết quả này, nhiệm vụ tiếp theo của nhóm tác giả là thiết kế thiết bị đeo cổ tay có tích hợp cảm biến phản xạ đo SpO2 tại cổ tay với vị trí đặt cảm biến tại vùng đo tốt nhất đã xác định được. Trong quá trình thiết kế sẽ chú ý đến sự ảnh hưởng của các nhân

tố đã khảo sát trong bài báo này.

Lời cảm ơn

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ bởi các thành viên của Trung tâm Xuất Sắc – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng về những chỉ dẫn tận tình cũng như sự hỗ trợ tối đa trang thiết bị, cơ sở vật chất, phòng thí nghiệm để nhóm có thể thực hiện được nghiên cứu này!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] BS. Trần Hiếu (2008), “SpO2, Dấu hiệu sinh tồn thứ 5”, Khoa hồi sức tích cực và chống độc – Bệnh viện Đa Khoa Đồng Tháp.

[2] A.H. Kendrick (2007), “Pulse Oximetry”, Bristol.

[3] Sensor and sampling line guide, “Nellcor with OxiMax technology product guide a full line of oximetry sensors”, Covidien.

[4] J.G. Webster (1997), Book “Design of Pulse Oximeters”, ISBN 07503 046677.

(BBT nhận bài: 29/10/2015, phản biện xong: 24/11/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 65

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BÁO CHÁY ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT HỒNG NGOẠI VÀ CAMERA

A STUDY OF FIRE ALARM SYSTEM IN APPLYING INFRARED THERMOMETER SENSORS AND CAMERAS

Vũ Vân Thanh

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; vuvanthanh85@gmail.com

Tóm tắt - Bài báo này sẽ trình bày hướng nghiên cứu thiết kế hệthống báo cháy từ xa ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại vàcamera. Nhiệm vụ chính của hệ thống là ứng dụng cảm biếnnhiệt hồng ngoại kết hợp camera quan sát để tiến hành xác địnhsự thay đổi của nhiệt độ của môi trường xung quanh, kết quả thuđược là hình ảnh quang phổ nhiệt trên máy tính. Từ kết quả đóhệ thống sẽ phân tích và đưa ra cảnh báo sớm để phát hiệnnhững khả năng hỏa hoạn đe dọa cuộc sống, xuất hiện trước khicác thiết bị báo cháy truyền thống đưa ra cảnh báo và tránh cácbáo động giả không đáng có do các nguyên nhân như hút thuốc,quẹt lửa… Hệ thống có thể ứng dụng cho những nơi có nguy cơhỏa hoạn cao. Không những vậy, hệ thống còn có thể đo nhiệt từxa ứng dụng trong an ninh cũng như trong y tế... Kết quả bài báođưa ra đánh giá khả năng cảnh báo sớm cũng như độ tin cậy củahệ thống này so với hệ thống báo cháy truyền thống.

Abstract - This paper will present the research on designing aremote fire alarm system in applying infrared thermometer sensorsand cameras. The main task of this system is the application ofinfrared temperature sensors combined with surveillance camerasto determine the change in temperature of the surroundingenvironment. Result obtained is a heat spectral image on thecomputer. From these results, the system will analyze and offerearly warning to detect the possibility of life-threatening fires beforethe traditional fire alarm equipment gives warnings, and avoid thefake unnecessary alarms like smoking, lighters or matches... Thesystem can be applied to places with high fire danger. Furthermore,this system can also measure the temperatures remotely forapplications in security as well as in healthcare... The article resultspresent an evaluation of early warning ability and reliability of thissystem compared with that of a traditional fire alarm system.

Từ khóa - Cảm biến nhiệt hồng ngoại; PIC16F877A; báo cháy;lập trình Java; động cơ Servo.

Key words - FIR sensor; PIC16F877A; Fire alarm; Java program;Servo motor.

1. Đặt vấn đề

Ngày nay, việc chống cháy, bảo quản tài sản và tính mạng cho con người là một vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu giải quyết. Tuy nhiên, với các hệ thống báo cháy truyền thống thì các ngõ vào chỉ đơn thuần là lấy các tín hiệu từ cảm biến nhiệt, cảm biến khói [1], việc cảnh báo cháy chỉ xảy ra khi các giá trị của cảm biến này phải đạt tới một ngưỡng nhất định mới đưa ra cảnh báo. Điều này có một khuyết điểm là việc đưa ra cảnh báo chậm và rất dễ xuất hiện các cảnh báo giả do các nguyên nhân như hút thuốc hay thử cảm biến bằng quẹt lửa… [2]. Sẽ rất nguy hiểm nếu là những nơi chứa nhiều vật liệu dễ cháy như giấy, nhựa… thì khả năng can thiệp cứu chữa kịp thời rất khó khăn. Do đó, vấn đề đặt ra đối với những nơi này là cần kiểm soát chặt chẽ và kịp thời các khả năng cháy có thể xảy ra, mà không có các báo động giả. Một giải pháp phát hiện đám cháy là thông qua hệ thống camera quan sát, kết hợp cảm biến nhiệt hồng ngoại để xác định nhiệt độ từ xa [3], kết quả được quan sát bằng quang phổ nhiệt trên giao diện màn hình máy tính, từ đó phân tích đưa ra các kết quả và cảnh báo cháy. Hệ thống có thể cảnh báo cháy trực tiếp bằng các chuông báo, còi hú hay cảnh báo thông qua internet, điện thoại di động. Camera có thể mở rộng góc quan sát lên đến gần 3600 bằng các động cơ Servo để tăng cường phạm vi giám sát cho hệ thống báo cháy.

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614 giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao thức điều khiển SMbus thay vì chuẩn I2C truyền thống, với ưu điểm công suất tiêu thụ thấp, có tính năng time out, tức là khả năng reset thiết bị slave nếu thời gian giao tiếp mất nhiều thời gian, có khả năng kiểm tra lỗi của gói tin.

Hệ thống sử dụng camera 2.0 Megafixel giao tiếp máy tính thông qua chuẩn USB dùng giao diện viết bằng ngôn ngữ lập trình Java nhằm xác định quang phổ nhiệt của bức ảnh khi camera chụp, nhờ hệ thống động cơ giúp cho cảm biến nhiệt quét toàn bộ khung cảnh mà camera đã chụp, đồng thời trả về giá trị nhiệt độ theo tọa độ đã quét qua, từ đó phần mềm sẽ phân tích đưa ra phổ màu tương ứng với các giá trị nhiệt độ mà cảm biến nhiệt đo được. Phần mềm sẽ căn cứ phổ màu này, nếu dải nhiệt của phổ màu lớn trên một phạm vi rộng sẽ ngay lập tức đưa ra cảnh báo đám cháy, mà có thể tránh được các cảnh báo giả như các hệ thống cảnh báo cháy truyền thống.

Hình 1. Quang phổ nhiệt của đám cháy quan sát

trên giao diện phần mềm máy tính

2. Thiết kế hệ thống phần cứng

Hệ thống bao gồm vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614, 2 động cơ servo, camera 2 megafixel và module sim900A GSM/GPRS.

66 Vũ Vân Thanh

Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống

2.1. Cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614

Đây là cảm biến nhiệt hồng ngoại đo nhiệt độ không cần tiếp xúc. Nó được tích hợp gồm cảm biến đo nhiệt bằng hồng ngoại, bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ chuyển đổi ADC 17 bit, nên sẽ cho kết quả có độ phân giải và chính xác cao (0.02oC), cho phép giao tiếp theo chuẩn SMbus, tín hiệu ngõ ra được cấu hình theo 10 bit PWM, dải nhiệt độ có thể đo được từ -20 đến 1200C [4].

Hình 3. Góc nhìn của cảm biến a. lỗi và b. thiết lập góc đo đúng

Hình 4. Sơ đồ kết nối hệ thống mạch điều khiển và đo nhiệt

Để thực hiên phép đo chính xác ta dựa vào công thức:

S 2 ∗ D. tan α (1)

Với α là góc nhìn của cảm biến.

Bài báo khảo sát hệ thống với khoảng cách D=1m- 3m, tức khoảng cách đặt hệ thống báo cháy cách xa đối tượng quan sát là 1m đến 3m, khoảng cách này đủ với kích thước những trần nhà ở hoặc trần của các cơ quan, xí nghiệp.

Cảm biến kết nối với vi điều khiển thông qua 2 chân SCL, chân 18 của vi điều khiển và SDA chân 23 của vi điều khiển (Xem hình 4), sử dụng 2 điện trở 4.7KΩ kết nối giữa SDA với 5V và SCL với 5V, một tụ 0.1uF kết nối giữa 5V và Mass để lọc các nhiễu ở tần số cao.

Kết nối thực tế mạch cảm biến MLX96014 lên testboard như Hình 5.

Hình 5. Mạch cảm biến MLX90614

2.2. Động cơ Servo

Mục đích giúp cho cảm biến nhiệt có thể quét toàn bộ khung hình mà camera đang giám sát. Bao gồm 3 dây kết nối 1 kết nối với nguồn 5V, 1 nối với mass, 1 nối với chân của vi điều khiển để điều khiển góc quay theo chế độ PWM (điều chế độ rộng xung) với chu kỳ T=20ms(50Hz).

Ví dụ để quay động cơ về vị trí 00, ta điều chế độ rộng xung TON =1.5ms, 900 là TON =2ms, -900 là TON =1ms.

Hình 6. Động cơ Servo

2.3. Module sim 900A

Mục đích là truyền dữ liệu cảnh báo đám cháy thông qua tin nhắn SMS hay GPRS lên webserver, modun giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn truyền thông nối

PIC16F877A

CẢM BIẾN MLX90614

ĐỘNG CƠ SERVO

PC

SIM900 GSM

CAMERA

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 67

tiếp RS232 ở tốc độ baud 9600, chân TXD của modun kết nối với chân RXD của vi điều khiển và ngược lại. Modun sim được thực thi nhờ tập lênh AT [5]

2.4. Máy tính

Phần mềm lập trình giao diện trên máy tính được viết bằng ngôn ngữ Java, nhằm mục đích cho người sử dụng có thể dễ dàng quan sát quang phổ đám cháy, đồng thời có thể xử lý đưa ra các cảnh báo sớm của đám cháy và tránh các cảnh báo giả…

2.5. Vi điều khiển PIC16F877A

Đây là vi điều khiển của hãng Philip, mục đích là thu nhận dữ liệu nhiệt độ từ cảm biến nhiệt sử dụng giao thức truyền thông SMbus thông qua 2 chân Serial data (SDA) và chân Serial Clock (SCL). Trong phần lập trình, về cơ bản ta đọc dữ liệu từ bộ nhớ RAM nội, nơi lưu trữ nhiệt độ môi trường (Ambient temperature TA) tại địa chỉ 0x006 và nơi lưu trữ nhiệt độ đối tượng (Object temperature TO) tại địa chỉ 0x007. Độ phân giải phép đo là 0.020C trên LSB, ta sử dụng công thức 2, 3, 4, 5 như một phần của đoạn mã lập trình để tính toán nhiệt độ:

tempData=(double)(((data_high&0x007)<<8)+data_low);

(2)

TempData là dữ liệu tại địa chỉ 0x007 của RAM chính, là nhiệt độ của đối tượng TO.

tempData=(TempData* tempPactor)-0.01; (3)

tempPactor chính là độ nhạy của cảm biến MLX90614, 0.02oC.

Xác định nhiệt độ:

Độ C=tempData-273.15 (4)

Độ F=(Độ C*1.8)+32 (5)

Ngoài ra, vi điều khiển còn điều khiển tọa độ hay vị trí đo nhiệt cho cảm biến, thông qua điều khiển góc quay cho 2 động cơ servo và truyền dữ liệu nhiệt độ tương ứng với từng tọa độ lên máy tính. Nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và xuất thông tin cảnh báo qua modun GSM bằng tin nhắn và GPRS.

3. Thiết kế phần mềm

3.1. Chương trình chính được viết cho PIC16F877A

Nhiệm vụ chờ nhận các lệnh điều khiển từ máy tính, lệnh điều khiển là các ký tự được lập trình sẵn, tương ứng mỗi lệnh vi điều khiển sẽ gọi các chương trình con khác nhau.

Chương trình đo nhiệt kết hợp giữa tự động quét các vị trí tọa độ x,y khác nhau của khung ảnh, mỗi giá trị x,y sẽ gọi hàm đọc nhiệt độ từ cảm biến MLX96014 một lần và truyền kết quả lên máy tính (printValues(rawValues, lines);), trong đó rawValues là giá trị nhiệt độ, line là giá trị x,y.

Nếu kết quả thỏa mãn có cháy xảy ra, máy tính truyền lệnh ‘f’, vi điều khiến sẽ ngay lập tức gọi hàm cảnh báo. Nhiệm vụ hàm này là điều khiển loa/chuông cảnh báo hoạt động, đồng thời khởi động modun sim nhắn tin SMS đến thuê bao chủ và gửi thông báo đến Webserver.

Hình 7. Lưu đồ giải thuật chương trình chính thực hiện trên vi điều khiển

3.2. Thiết kế giao diện chương trình trên máy tính

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java. Nhiệm vụ là truyền các lệnh điều khiển cho vi điều khiển thực thi các nhiệm vụ như quét tọa độ cảm biến, đo và đọc giá trị nhiệt độ từ cảm biến nhiệt, nhận dữ liệu từ vi điều khiển, sau đó tính toán xác định kết quả, nếu thỏa mãn sẽ xuất lệnh cho vi điều khiển để cảnh báo cháy.

Phần Setting trên giao diện dùng lựa chọn và đóng mở cổng COM giao tiếp. Kết quả hình ảnh và phổ màu nhiệt được hiển thị phần bên phải của giao diện, các nút nhấn gồm Start và 4 nút mũi tên với các mã lệnh tương ứng là (a, b, c, d, e) và khi phát hiện đám cháy, phần mềm sẽ tự động truyền mã lệnh ‘f’ cho vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ) để vi điều khiển đưa ra cảnh báo.

Đúng

Đúng

Đúng

Đúng

Đúng

Đúng

Sai

Sai

Sai

Sai

Sai

Sai

Đúng

Bắt đầu

Khởi tạo, khai báo các biến Xác định vi trí ban đầu cho 2 động cơ servo Định tốc độ baud là 9600 Khởi tạo hàm SMbus_init()

Có dữ liệu truyền từ máy tính ?

Serial_read=’b’? Quét cảm biến

lên trên.

Serial_read=’c’? Quét cảm biến

xuống dưới

Serial_read=’d’? Quét cảm biến

qua trái

Serial_read=’e’? Quét cảm biến

qua phải

Serial_read=’a’?

Đo nhiệt độ. Truyền dữ liệu

nhiệt độ lên máy tính.

Serial_read=’f’? Cảnh báo cháy

cho chuông báo, modun sim

Sai

68 Vũ Vân Thanh

Hình 8. Giao diện phần mềm điều khiển trên máy tính

4. Kết quả nghiên cứu và khảo sát

Hệ thống được thử nghiệm ở những nơi khác nhau, với các loại vật liệu như giấy, nhựa, bao nilong... Hệ thống phát hiện cảnh báo nhiều nhất 38s, tùy theo khoảng cách giữa đám cháy và cảm biến nhiệt MLX90614 mà thời gian phát hiện có thể thay đổi. Kết quả được thể hiện qua Bảng 1.

Bảng 1. Kết quả của hệ thống được kiểm thử ở các nơi khác nhau

Nơi kiểm thử

Khoảng cách với đám cháy

(m)

Thời gian quét và đo nhiệt của

cảm biến (s)

Thời gian xử lý kết quả trên

máy tính (s)

Tổng thời gian (s)

Phòng 1m 20-23 8 28-31

Ngoài trời 1-2m 20-30 8 28-38

Nhà kho 1-3m 20-30 8 28-38

Thư viện 1m 20-23 8 28-31

Bảng 1 đã cho thấy kết quả thời gian trung bình cho hệ thống xử lý phát hiện đám cháy.

Trong khoảng 30 lần kiểm thử, trong đó có 18 lần phát hiện chính xác đám cháy, còn 2 lần không chính xác do nguyên nhân trời lúc đó khá nắng nóng. Tuy nhiên, nếu hệ thống triển khai trong phòng hay tòa nhà không phải ngoài trời thì kết quả chính xác 100%, kết quả được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2. Kết quả kiểm tra của hệ thống tại các nơi khác nhau

Quá trình thử

có lửa Quá trình thử không có lửa

Số lần cảnh báo đúng 28 30

Số lần cảnh báo sai 2 0

Hệ thống sẽ đưa ra tín hiệu cảnh báo khi lửa được phát hiện trong phạm vi của camera và tọa độ quét của cảm biến nhiệt hồng ngoại.

Các kết quả khi được quan sát qua phần mềm giao diện trên máy tính, Hình 9.

Kết quả Hình 9 cho thấy, nếu trong vùng quét có người, cho kết quả dải nhiệt cao nhất là 32.530C, nhiệt độ trung bình trong của toàn bộ khung ảnh là 28.110C. Trong giải thuật của chương trình, nếu nhiệt độ trung bình lớn hơn 360C và nhiệt độ lớn nhất đạt 400C, sẽ xuất lệnh báo cháy. Do vậy, với kết quả ở trên sẽ không có lệnh báo cháy xảy ra. Giá trị đặt ngưỡng để báo cháy có thể điều chỉnh theo

mùa, theo từng không gian hay cần độ nhạy khác nhau, mà người sử dụng có thể điều chỉnh cho phù hợp.

Hình 9. Kết quả đo nhiệt trong phòng nếu có người với

khoảng cách 1,5m

Hình 10. Kết quả đo nhiệt do đốt lửa ngoài trời ban đêm với

khoảng cách 1.5m

Kết quả Hình 10 cho thấy giá trị nhiệt độ trung bình 39.310C và nhiệt độ cực đại đạt 73.590C. Giá trị này vượt qua giá trị đặt của chương trình, nên cảnh báo cháy sẽ kích hoạt. Máy tính sẽ truyền lênh “f” xuống để vi điều khiển khởi động hệ thống cảnh báo cháy.

5. Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu đã được thực hiện, ta có thể xây dựng một hệ thống phát hiện cháy dựa trên xử lý kết quả từ cảm biến nhiệt hồng ngoại kết hợp hình ảnh từ camera, cho kết quả hiệu suất chính xác cao. Một trong những lợi thế của dự án này là với cách kiểm tra nhiệt độ hay khói như các hệ thống báo cháy truyền thống, hệ thống sẽ không kích hoạt báo động giả. Kết quả cho thấy rằng, sự kết hợp hai phương pháp này không có rủi ro cho nhà và 97% an toàn cho ngoài trời. Đây là một hệ thống tốt với chi phí thấp, mà lại hiệu quả cao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Chen Xiaojuan, Bu Leping "Research of Fire detection Method Based on Multi-sensor Data Fusion" 2010, IEEE.

[2] Jimin Cheon, Jeonghwan Lee, Inhee Lee, Youngcheol Chae, Youngsin Yoo, and Gunhee Han "A Single-Chip CMOS Smoke and Temperature Sensor for an Intelligent Fire Detector" in IEEE sensors journal, VOL. 9, NO. 8, AUGUST 2009.

[3] FLUKE. IR Thermometers. [Online] Cited 2012-05-08. Available at: http://www.fluke.com/fluke/czcs/products/Teplomery.htm.

[4] MLX90614 family datasheet, Melexis Co. 3901090614, Rev 006, September 30 2010.

[5] http://www.simcom.us/act_admin/supportfile/SIM900_ATC_V1.00.pdf

(BBT nhận bài: 11/11/2015, phản biện xong: 03/12/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 69

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CHO LÀNG NGHỀ GỐM THANH HÀ, THÀNH PHỐ HỘI AN,

TỈNH QUẢNG NAM ASSESSING ENVIRONMENTAL STATUS AND PROPOSING MEASURES FOR

ENVIRONMENTAL PROTECTION FOR THANH HA POTTERY VILLAGE IN HOI AN CITY, QUANG NAM PROVINCE

Phan Như Thúc1, Phạm Thị Nhã Yên2

1Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; pnthuc@dut.udn.vn 2Học viên Cao học ngành Kỹ thuật môi trường, K27, Đại học Đà Nẵng; yenpham.trangtron@gmail.com

Tóm tắt - Hiện nay có rất nhiều làng nghề ở Việt Nam nói chungvà ở miền Trung nói riêng. Các làng nghề này đã xuất hiện cáchđây vài trăm năm và vẫn còn tồn tại đến hôm nay. Nhưng cáclàng nghề thường có đặc điểm chung là phương thức sản xuấtcòn lạc hậu, nên ít nhiều có ảnh hưởng đến môi trường. Bài báonày trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá hiện trạng môi trườngở làng gốm Thanh Hà. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi ápdụng mô hình kết hợp che bạt và phun sương, hàm lượng bụigiảm đáng kể so với khi chưa áp dụng mô hình: tại vị trí bốc dỡsản phẩm gốm, hiệu suất giảm bụi đạt 99%; tại vị trí cuối hướnggió, cách lò nung gốm 4m, hiệu suất giảm bụi đạt 98%. Bên cạnhđó, bài báo cũng đề xuất một số biện pháp bảo vệ môi trườngcho làng nghề gốm Thanh Hà, Thành phố Hội An, Tỉnh QuảngNam.

Abstract - Currently there are many handicraft villages inVietnam in general and in the Central region of Vietnam inparticular. These handicraft villages were formed hundreds ofyears ago and have existed until now. However, their productionmethods are outdated, resulting in environmental pollution. Thispaper presents the results of assessing the environmental statusin Thanh Ha pottery village. The results showed that usingintegrated model of canvas shield and water spray resulted insuspended particulates decreasing significantly: the removalefficiency of suspended particulates at the position of unloadingceramic products and at the position of 4m downwind away frompottery kiln was 99% and 98% respectively. In addition, this paperalso proposes the measures for environmental protection forThanh Ha pottery village, Hoi An city, Quang Nam province.

Từ khóa - làng nghề; gốm; Thanh Hà; Hội An; môi trường. Key words - craft village; pottery; Thanh Ha; Hoi An; environment.

1. Đặt vấn đề

Làng nghề gốm Thanh Hà, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam là một trong những làng nghề truyền thống khá độc đáo và nổi tiếng, được hình thành cách đây 500 năm [1]. Ngày nay hoạt động của làng nghề gốm Thanh Hà không chỉ có ý nghĩa giữ gìn nét văn hóa truyền thống dân tộc, mà còn là một địa điểm du lịch nổi tiếng cho du khách trong và ngoài nước trong hành trình về với Hội An - Di sản văn hóa Thế giới, đây cũng là một trong những hoạt động đóng góp cho phát triển kinh tế địa phương.

Tuy nhiên, việc phát triển làng nghề gốm Thanh Hà trong những năm gần đây còn một số hạn chế như: quy mô sản xuất còn nhỏ, phân tán, năng suất lao động thấp, ý thức bảo vệ môi trường sinh thái và bảo vệ chính gia đình của người lao động còn hạn chế. Nguyên liệu dùng cho sản xuất ở làng nghề gốm Thanh Hà chủ yếu là than và củi, khí thải từ lò nung gốm chưa qua xử lý được xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm môi trường. Việc đầu tư xây dựng các hệ thống bảo vệ môi trường rất ít được quan tâm.

Nhằm mục đích bảo vệ môi trường cho làng nghề gốm Thanh Hà trong quá trình sản xuất, qua đó thu hút khách du lịch đến tham quan làng nghề, cần có các khảo sát và đánh giá hiện trạng môi trường, từ đó đề ra các phương pháp kiểm soát ô nhiễm đạt hiệu quả cao mà giá thành lại hợp lý.

Từ những vấn đề thực tế trên, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá hiện trạng và đề xuất biện pháp bảo vệ môi trường cho làng nghề gốm Thanh Hà, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam.

2. Đối tượng và phương pháp

2.1. Đối tượng

Môi trường không khí, nước của khu vực làng nghề gốm Thanh Hà.

Các biện pháp bảo vệ môi trường cho làng nghề gốm Thanh Hà.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu

Hình 1. Vị trí các điểm khảo sát môi trường nước

Thu thập các số liệu về chất lượng môi trường nước từ Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Hội An. Vị trí các điểm khảo sát môi trường nước được trình bày ở Hình 1.

2.2.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích

Lấy mẫu và phân tích mẫu không khí một số điểm tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà (Hình 2 và 3).

Để đánh giá hiện trạng môi trường không khí tại khu

CHÔÏTHANH HAØTRÖÔØNG

HOÏC

VÓNH ÑIEÄN 10KMHOÄI AN3KM

ÑA

Ø NA

ÜNG

30K

M

SOÂNG THU BOÀN

LAØNG GOÁMTHANH HAØ

NHAØVAÊN HOÙA

HOÀ LA NGHI

DUY TAÂN

Ghi ChuùÙVò trí laáy maãu nöôùc ngaàm G1

Vò trí laáy maãu nöôùc soâng S

Vò trí laáy maãu nöôùc hoà H

B

Vò trí laáy maãu nöôùc ngaàm G2Vò trí laáy maãu nöôùc ngaàm G3

G1ÙG2ÙG3Ù SÙ HÙ

G1Ù

G2Ù

G3Ù

SÙ

HÙ

70 Phan Như Thúc, Phạm Thị Nhã Yên

vực nghiên cứu, chúng tôi đã tiến hành lấy mẫu như sau:

- Môi trường không khí xung quanh lúc lò nung không có ống khói hoạt động: Tiến hành lấy mẫu và phân tích mẫu khí trong 2 đợt, đợt 1 ngày 16/3/2015 và đợt 2 ngày 17/3/2015, thời gian lấy mẫu lúc 14 giờ.

+ Đợt 1 được lấy tại các vị trí K1 (cuối hướng gió, cách lò nung nhỏ hộ Ông Nguyễn Ngữ 1m), K2 (cuối hướng gió, cách lò nung nhỏ hộ Ông Nguyễn Ngữ 20m).

+ Đợt 2 được lấy tại các vị trí K3 (cuối hướng gió, cách lò nung nhỏ hộ Ông Lê Văn Xê 1m), K4 (cuối hướng gió, cách lò nung nhỏ hộ Ông Lê Văn Xê 20m).

- Môi trường không khí lúc lò nung có ống khói hoạt động: Tiến hành lấy mẫu và phân tích tại các vị trí K5 (tại ống khói lò nung gốm hộ Ông Nguyễn Lành), K6 (cuối hướng gió, cách lò nung gốm hộ Ông Nguyễn Lành 20m). Thời gian lấy mẫu ngày 17/4/2015 lúc 12 giờ.

Hình 2. Vị trí các điểm khảo sát môi trường không khí

khi lò nung gốm hoạt động

- Môi trường không khí trong quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm: Tiến hành lấy mẫu và phân tích mẫu khí trong 2 đợt, đợt 1 ngày 14/5/2015, đợt 2 ngày 21/5/2015, thời gian lấy mẫu lúc 13 giờ.

+ Đợt 1 được lấy tại các vị trí K7 (mẫu trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ, hộ Ông Lê Văn Xê đợt 1), K8 (mẫu trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ, hộ Ông Lê Văn Xê, cuối hướng gió 4m đợt 1),

+ Đợt 2 được lấy tại các vị trí K9 (mẫu trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ, hộ Ông Lê Văn Xê đợt 2), K10 (mẫu trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ, hộ Ông Lê Văn Xê, cuối hướng gió 4m đợt 2).

Hình 3. Vị trí khảo sát môi trường không khí trong quá trình

bốc dỡ sản phẩm gốm

2.2.3. Phương pháp mô hình thực nghiệm

Tiến hành che bạt khu vực bốc dỡ, đồng thời kết hợp biện pháp phun sương nhằm hạn chế bụi trong quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm [2].

Mục tiêu thực hiện mô hình:

+ Xử lý bụi nhằm cải thiện môi trường làm việc, sức khỏe của người lao động.

+ Hạn chế bụi phát sinh từ quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm đến sức khỏe người lao động, các hộ gia đình và môi trường không khí xung quanh.

Mô hình được thực hiện vào ngày 21/5/2015, với các thiết bị và dụng cụ trình bày ở Bảng 1.

Thực hiện mô hình thực nghiệm:

+ Đo hàm lượng bụi trước khi tiến hành lắp đặt mô hình thực nghiệm tại vị trí K9, K10.

+ Tiến hành che bạt phía khu vực lò nung cuối hướng gió và lắp đặt hệ thống phun sương theo như Hình 4.

+ Khi bốc dỡ sản phẩm gốm, tiến hành phun sương giảm bụi.

+ Đo hàm lượng bụi sau khi tiến hành lắp đặt mô hình thực nghiệm ở vị trí K11 (mẫu khí trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ hộ Ông Lê Văn Xê, khi áp dụng mô hình), K12 (mẫu khí trong quá trình bốc dỡ sản phẩm lò nung nhỏ hộ Ông Lê Văn Xê, cuối hướng gió 4m, khi áp dụng mô hình).

+ So sánh hàm lượng bụi trước và sau khi áp dụng mô hình.

Hình 4. Sơ đồ lắp đặt mô hình kết hợp che bạt và phun sương

trong quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm

B

B

MAËT CAÉT B-B

A A

MAËT CAÉT A-A

BAÏT NHÖÏA CHÒU NHIEÄT1MX2M

GIAØN OÁNG PHUN

MAÙY PHUN SÖÔNG

KHUNG ÑÔÕ BAÏT BAÈNGTHEÙP OÁNG CHÒU NHIEÄT

PEÙC PHUNGIAØN OÁNG PHUN

MAÙY PHUN SÖÔNG

PEÙC PHUN

KHUNG ÑÔÕ BAÏT BAÈNGTHEÙP OÁNG CHÒU NHIEÄT

GIAØN OÁNG PHUN

MAÙY PHUN SÖÔNG

MAËT BAÈNG

19951995570 855 570

345 450 405 450 345

205

5

430

162

5

2580540 2040540 700 640 700

199

5

300

139

530

0

2580540 1020 1020

700 640 700

2055

515

154

0

2000

700 700

700 700

100

0

700 700

630

630

630

630

400

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 71

Bảng 1. Thiết bị cần chuẩn bị thực hiện mô hình

STT Thiết bị Đơn vị

Số lượng

Chi phí (đồng)

1

Máy nén áp lực (A60) (Lưu lượng: 1LPm Công suất: 30W Áp lực: 130psi)

Cái 1 800.000

2 Dây dẫn chịu nhiệt M 15 120.000

3 Đầu phun (péc loại 2) Cái 12 240.000

4 Lọc nước Cái 1 100.000

5 Bạt che Cái 1 100.000

Tổng cộng 1.360.000

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Hiện trạng môi trường nước tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà

3.1.1. Môi trường nước ngầm

Kết quả phân tích mẫu nước ngầm G1 năm 2014 (Bảng 2) cho thấy các chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho phép, riêng NH4

+ - N cao gấp 5,8 lần. Ngoài ra, còn phân tích 2 mẫu nước ngầm G2, G3 (16/05/2015), về chỉ tiêu NH4

+ - N có hàm lượng lần lượt là 0,77 mg/l, và 4 mg/l, cao gấp 7,7 lần, và 40 lần so với quy chuẩn cho phép. Nguyên nhân có thể là do trong làng chưa có hệ thống thoát nước sinh hoạt, các bể tự hoại đã được sử dụng lâu năm, nên nước thải sinh hoạt từ bể tự hoại ngấm vào đất, dẫn đến nồng độ NH4

+ - N trong nước ngầm khá cao.

Bảng 2. Chất lượng nước ngầm tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà

STT Chỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí QCVN

09:2008/BTNMT G1

1 Độ mặn % 0,01 -

2 TSS mg/l 10 -

3 COD mgl 2,1 4

4 NO3- - N mg/l 0,8 15

5 NH4+ - N mg/l 0,58 0,1

6 Fe mg/l 0,07 5

7 Cd mg/l < 0,0005 0,005

8 Cu mg/l 0,0038 1,0

9 Pb mg/l 0,0018 0,01

10 Zn mg/l 0,0042 3,0

11 Hg mg/l < 0,0001 0,001

12 As mg/l 0,0014 0,05

13 Coliform MPN/100ml 0 3

(Nguồn: [3])

QCVN 09:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm.

3.1.2. Môi trường nước mặt

a. Môi trường nước hồ

Kết quả phân tích nước hồ khu vực làng nghề năm 2014 (Bảng 3) cho thấy các chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho phép, chỉ có nồng độ amoni chớm vượt quy chuẩn.

Bảng 3. Chất lượng nước hồ tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà [3]

S T T

Chỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí QCVN 08:2008/

BTNMT (cột B1) H

1 Nhiệt độ 0C 26,3 - 2 pH - 7,0 5,5 - 9 3 Oxy hòa tan mg/l 4,1 ≥ 4 4 EC S/m 0,1 - 5 Độ mặn % 0,04 - 6 COD mg/l 29 30 7 BOD5 (20oC) mg/l 13 15 8 TSS mg/l 33 50 9 NO3

- - N mg/l 0,8 10 10 NH4

+ - N mg/l 0,6 0,5 11 PO4

3- - P mg/l 0,11 0,3 12 Coliforms MPN/100 ml 2.400 7.500 13 Dầu mỡ mg/l KPH 0,1 14 Fe mg/l 0,05 1,5 15 CN- mg/l < 0,002 0,02 16 Cu mg/l 0,0112 0,5 17 Zn mg/l 0,0114 1,5 18 Cd mg/l 0,0016 0,01 19 Pb mg/l 0,0089 0,05 20 Phenol mg/l < 0,005 0,01 21 Hg mg/l < 0,0001 0,001 22 As mg/l < 0,0001 0,05

Ghi chú: KPH - Không phát hiện.

QCVN 08:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt. Cột B1 áp dụng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự, hoặc các mục đích sử dụng như loại B2.

b. Môi trường nước sông

Kết quả phân tích nước sông khu vực làng nghề năm 2014 (Bảng 4) cho thấy các chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho phép.

Bảng 4. Chất lượng nước sông tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà [3]

STTChỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí QCVN 08:2008/

BTNMT (cột B2)S

1 Nhiệt độ 0C 27,2 -

2 pH - 6,95 5,5-9

3 Oxy hòa tan mg/l 5,7 ≥ 2

4 EC S/m 0,21 -

5 Độ mặn % 0,11 -

6 COD mg/l 7 50

7 BOD5 (20oC) mg/l 2,55 25

8 TSS mg/l 23 100

9 NO3- - N mg/l 1,3 15

10 NH4+ - N mg/l 0,10 1

11 PO43- - P mg/l 0,26 0,5

12 Coliforms MPN/100 ml 40 10.000

13 Dầu mỡ mg/l KPH 0,3

14 Fe mg/l 0,06 2

72 Phan Như Thúc, Phạm Thị Nhã Yên

15 CN- mg/l <0,002 0,02

16 Cu mg/l 0,0048 1

17 Zn mg/l 0,0062 2

18 Cd mg/l 0,0011 0,01

19 Pb mg/l 0,0052 0,05

20 Phenol mg/l 0,005 0,02

21 Hg mg/l <0,0001 0,002

22 As mg/l 0,0018 0,1

Ghi chú: KPH - Không phát hiện.

QCVN 08:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt. Cột B2 áp dụng cho mục đích giao thông thủy và các mục đích khác với yêu cầu chất lượng nước thấp.

3.2. Hiện trạng môi trường không khí tại khu vực làng nghề gốm Thanh Hà

3.2.1. Môi trường không khí xung quanh lúc lò nung không có ống khói hoạt động

Kết quả phân tích so với quy chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT (Bảng 5) cho thấy các chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho phép, riêng SO2 và bụi tại một số điểm vượt quy chuẩn, cụ thể:

Tại K1 SO2 cao gấp 2,07 lần, bụi cao gấp 6,67 lần.

Tại K2 bụi cao gấp 1,27 lần.

Tại K3 SO2 cao gấp 1,38 lần, bụi cao gấp 7 lần.

Tại K4 bụi cao gấp 1,2 lần.

Bảng 5. Chất lượng MTKK xung quanh lúc lò nung không có ống khói hoạt động

STTChỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí

QCVN K1 K2 K3 K4

1 Nhiệt độ oC 34 34 33 33 -

2 Độ ẩm % 70 70 71 71 -

3 Tốc độ gió

m/s 0,44 0,46 0,48 0,5 -

4 NO2 mg/m3 0,151 0,067 0,101 0,050 0,20 (*)

5 SO2 mg/m3 0,723 0,220 0,482 0,120 0,35 (*)

6 CO mg/m3 5,48 2,41 6,14 2,15 30 (*)

7 Bụi tổng mg/m3 2,00 0,38 2,10 0,36 0,30 (*)

8 Tiếng ồn dBA 56 54 57 54 70 (**)

(*): QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

(**): QCVN 26:2010/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiếng ồn, tại khu vực thông thường, cột từ 6 giờ đến 21 giờ.

3.2.2. Môi trường không khí lúc lò nung có ống khói hoạt động

Kết quả phân tích (Bảng 6) cho thấy các chỉ tiêu đo đạc đều nằm trong giới hạn cho phép.

Bảng 6. Chất lượng MTKK tại ống khói lò nung

STT Chỉ tiêu khảo sát ĐVT Vị trí QCVN 19:2009/

BTNMT K5

1 Nhiệt độ oC 500 -

2 Độ ẩm % 50 -

3 Vận tốc dòng khí m/s 0,72 -

4 NO2 mg/Nm3 3,75 850

5 SO2 mg/Nm3 9,14 500

6 CO mg/Nm3 12,6 1.000

7 Bụi tổng mg/Nm3 18,4 200

QCVN 19:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ.

Kết quả phân tích mẫu khí xung quanh (Bảng 7) cho thấy các chỉ tiêu đo đạc đều nằm trong giới hạn cho phép.

Bảng 7. Chất lượng MTKK xung quanh lúc lò nung có ống khói hoạt động

STT Chỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí

QCVN K6

1 Nhiệt độ oC 30 -

2 Độ ẩm % 62 -

3 Tốc độ gió m/s 0,74 -

4 NO2 mg/m3 0,065 0,20 (*)

5 SO2 mg/m3 0,226 0,35 (*)

6 CO mg/m3 <5 30 (*)

7 Bụi tổng mg/m3 0,13 0,30 (*)

8 Tiếng ồn dBA 54 70 (**)

(*): QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

(**): QCVN 26:2010/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiếng ồn, tại khu vực thông thường, cột từ 6 giờ đến 21 giờ.

3.2.3. Môi trường không khí trong quá trình bốc dỡ sản phẩm

Kết quả phân tích (Bảng 8) cho thấy các chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho phép, riêng bụi cao hơn quy chuẩn, cụ thể: tại K7 bụi cao gấp 70 lần, tại K8 bụi cao gấp 26,3 lần, tại K9 bụi cao gấp 67,3 lần, tại K10 bụi cao gấp 25,3 lần.

Bảng 8. Chất lượng MTKK trong quá trình bốc dỡ sản phẩm

STTChỉ tiêu khảo sát

ĐVT Vị trí

QCVN K7 K8 K9 K10

1 Nhiệt độ oC 31 30,5 32 31 -

2 Độ ẩm % 60 61 59 60 -

3 Tốc độ gió

m/s 0,57 0,57 0,47 0,47 -

4 Bụi tổng mg/m3 21 7,9 20,2 7,6 0,30 (*)

5 Tiếng ồn dBA 55 50 55 51 70 (**)

(*): QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

(**): QCVN 26:2010/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiếng ồn, tại khu vực thông thường, cột từ 6 giờ đến 21 giờ.

3.3. Đề xuất biện pháp bảo vệ môi trường làng nghề gốm Thanh Hà

3.3.1. Các biện pháp kỹ thuật xử lý chất ô nhiễm tại làng nghề

a. Cải tiến lò nung

Các biện pháp kỹ thuật xử lý chất ô nhiễm tại làng nghề được thiết kế áp dụng đối với hộ ông Lê Văn Xê. Từ đó có thể triển khai áp dụng đối với các hộ làm gốm tương tự trong Làng nghề gốm Thanh Hà, TP. Hội An.

Thiết kế chụp hút khí tự nhiên ở nóc lò:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 73

Do lò nung nhỏ không có ống khói, nên lượng khói và khí thoát ra xung quanh nóc lò gây ô nhiễm cục bộ, ảnh hưởng đến người lao động và môi trường xung quanh.

Mục đích lắp đặt chụp hút khí [4] ở nóc lò nhằm hút khí nóng, giảm lượng khói phát tán ra môi trường xung quanh, giúp tăng hiệu suất đốt cháy sản phẩm.

Hình 5. Chụp hút khí trên nguồn tỏa nhiệt nóc lò

Với Z: khoảng cách đứng từ bề mặt nguồn nhiệt đến miệng chụp, Z = 1,5 m. Đường kính ống hút là: d = 500 mm (Hình 5).

b. Áp dụng mô hình kết hợp che bạt và phun sương nhằm giảm bụi trong quá trình bốc dỡ sản phẩm

Mô hình đã được thử nghiệm áp dụng tại hộ sản xuất gốm Lê Văn Xê, kết quả được trình bày ở Hình 6.

Hình 6. Hàm lượng bụi trong quá trình bốc dỡ sản phẩm trước và sau khi áp dụng mô hình

QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh.

Kết quả đo đạc cho thấy, khi áp dụng mô hình kết hợp che bạt và phun sương, hàm lượng bụi phát sinh trong quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm giảm đáng kể so với khi chưa áp dụng mô hình: Tại vị trí bốc dỡ sản phẩm gốm, hiệu suất giảm bụi đạt được 99%; tại vị trí cuối hướng gió, cách lò nung 4m, hiệu suất giảm bụi đạt được 98%.

Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, khi chưa áp dụng mô hình kết hợp che bạt và phun sương, hàm lượng bụi trong quá trình bốc dỡ sản phẩm gốm cao hơn quy chuẩn cho phép (Bảng 8), gây ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động và ảnh hưởng đến môi trường không khí xung quanh khu vực. Lợi ích đem lại khi áp dụng mô hình, hàm lượng bụi nằm trong giới hạn cho phép, môi trường làm việc của người lao động được cải thiện hơn và môi trường không khí xung quanh cũng tốt hơn.

3.3.2. Các biện pháp quản lý

a. Quy hoạch không gian làng nghề gắn với bảo vệ môi

trường

Đặc điểm của mô hình sản xuất gốm tại làng gốm Thanh Hà đó là nơi sản xuất, sinh hoạt cũng là điểm tham quan du lịch. Do đó, để hạn chế tác động xấu của môi trường đến sức khỏe con người, cần phải quy hoạch hộ sản xuất, cụ thể là quy hoạch lò nung, quy hoạch nơi chứa than (Hình 7).

Hộ sản xuất nên:

+ Bố trí tường bao xung quanh, hạn chế phát thải bụi trong quá trình nung gốm ra môi trường xung quanh khu vực.

+ Xây hộc chứa than, không cho bụi than phát thải ra xung quanh.

+ Có tường ngăn giữa nơi sản xuất và nơi nung gốm, nhằm giảm nhiệt trong quá trình nung, hạn chế ảnh hưởng đến người lao động.

+ Xung quanh tường bao có thể bố trí trồng các loại cây xanh như cây liễu, cây phượng, cây sồi [6]. Cây xanh có thể làm giảm nồng độ bụi trong không khí từ 20-65%, giảm ô nhiễm chất khí độc hại trong môi trường 10-35%. Các dãy cây xanh trồng dày đặc rộng 10-15m có thể giảm tiếng ồn 15-18dB [6].

Hình 7. Quy hoạch không gian sản xuất 1 hộ điển hình

b. Biện pháp giáo dục môi trường

Công tác truyền thông bảo vệ môi trường giúp nâng cao dân trí, bởi khi người dân hiểu được những tác hại của việc suy giảm chất lượng môi trường sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tuổi thọ của chính bản thân và gia đình, họ sẽ ý thức việc bảo vệ môi trường sinh thái.

c. Biện pháp quản lý môi trường

Cơ cấu hệ thống quản lý môi trường tại các làng nghề: Đối với làng nghề gốm Thanh Hà, nên lấy quản lý cấp phường làm nòng cốt trong hệ thống quản lý môi trường, vì ở cấp phường các cán bộ quản lý có thể sâu sát hoạt động của từng hộ gia đình để thực hiện có hiệu quả các biện pháp quản lý.

Quản lý môi trường trong thôn xóm (thu gom rác thải, thiết kế hệ thống thoát nước).

Quản lý môi trường đối với từng hộ sản xuất (trang bị dụng cụ bảo hộ lao động).

Xây dựng các chính sách khuyến khích hỗ trợ tại các làng nghề (giảm thuế, phí, khuyến khích áp dụng sản xuất sạch hơn).

4. Kết luận

Hoạt động sản xuất của làng nghề gốm Thanh Hà đã có những tác động đến môi trường không khí trong khu vực sản xuất cũng như gây ảnh hưởng đến các hộ dân xung quanh gần nơi sản xuất. Hàm lượng bụi trong quá

K9 K10 K11 K12

Bụi 20,2 7,6 0,22 0,18

QCVN 05:2013/BTNMT (Trung bình 1 giờ)

0,3 0,3 0,3 0,3

0

5

10

15

20

25

Nồn

g độ

(mg/

m3 )

Vịtrí

Kho

chøa than

Kho chøa nguyªn

liÖu ®Êt sÐt

Lß nung

Kho

chøa cñi

Kho thµnh phÈm

Giã §«ng

Lèi vµo

N¬i

s¶n

xuÊt

74 Phan Như Thúc, Phạm Thị Nhã Yên

trình bốc dỡ sản phẩm là vấn đề đáng quan tâm nhất tại khu vực làng nghề.

Môi trường khu vực làng nghề đang bị ô nhiễm amoni nguồn nước ngầm và nước hồ, do đó cần có các biện pháp bảo vệ các nguồn nước. Các hộ dân cần ưu tiên chuyển đổi sang sử dụng nước thủy cục của thành phố nhằm bảo vệ sức khỏe người dân tại khu vực làng nghề.

Nghiên cứu đã đề xuất một số biện pháp kỹ thuật và quản lý nhằm bảo vệ môi trường cho khu vực làng nghề gốm Thanh Hà.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://hoian.gov.vn/CMSPages/BaiViet/Default.aspx?IDBaiViet=12827 (Truy cập ngày18/09/2015).

[2] Đặng Kim Chi, Nguyễn Ngọc Lân, Trần Lệ Minh (2012), Làng nghề Việt Nam và Môi trường, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

[3] Phòng Tài nguyên - Môi trường TP. Hội An (2014), Chương trình quan trắc môi trường TP. Hội An năm 2014.

[4] Trần Ngọc Chấn (1998), Kĩ thuật thông gió, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[5] Hoàng Thị Hiền (2001), Thiết kế Thông gió công nghiệp, NXB Xây dựng Hà Nội.

[6] Phạm Ngọc Đăng (2003), Môi trường không khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

(BBT nhận bài: 11/10/2015, phản biện xong: 23/11/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 75

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT CÓ BIÊN DẠNG ĐẶC BIỆT

RESEARCH ON COUNTER - DESIGNING TECHNOLOGY TO MANUFACTURE SPECIAL PROFILE PARTS

Trần Xuân Tùy1, Trần Nhật Thư2

1Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; tranxuantuy@yahoo.fr 2Học viên CH K28, ngành Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Đà Nẵng; crystallight.bk@gmail.com

Tóm tắt - Thiết kế và chế tạo theo phương pháp truyền thống làxuất phát từ nhu cầu tới ý tưởng, từ đó phác thảo bản vẽ, sau đógia công thử nghiệm và kiểm tra. Đây là quy trình thiết kế thuận.Quy trình thiết kế thuận phù hợp đối với chi tiết hoàn toàn mới. Cònđối với việc thiết kế lại chi tiết đã có sẵn độ phức tạp thì thiết kếthuận tốn nhiều thời gian với độ chính xác không cao. Để khắcphục hạn chế này của thiết kế thuận, công nghệ thiết kế ngược đãmang lại kết quả tốt hơn. Bài báo này trình bày về công nghệ thiếtkế ngược, cùng với sự hỗ trợ của các thiết bị số, các công cụCAD/CAM/CNC, công nghệ thiết kế ngược được thực hiện hoànchỉnh và cho kết quả với độ chính xác biên dạng cao, đáp ứng nhucầu thực tế về thiết kế, chế tạo và phát triển sản phẩm tại các nhàmáy, doanh nghiệp ở khu vực miền Trung – Tây Nguyên.

Abstract - Traditional designing and manufacturing derives fromneeds to ideas based on which drawings are sketched, tried outand looked over. This is called forward designing procedure,which is suitable for completely new details. This procedure whenapplied for available complicated details wastes a lot of time withlow accuracy. To solve this problem, counter-designingtechnology brings about better results. This article representscounter-designing technology with the support of digital devicesand CAD/CAM/CNC tools. The technology is performedcompletely with a high profile accuracy, meeting the practicalneeds of designing, manufacturing and developing products atfactories and enterprises in the Central Region-Highlands.

Từ khóa - Thiết kế ngược; thiết kế ngược chi tiết có biên dạngphức tạp; ứng dụng CAD/CAM trong thiết kế ngược; quy trìnhthiết kế ngược; phần mềm thiết kế ngược.

Key words - Counter designing procedure; complicated profiledetails; the application of CAD/CAM/CNC tools for counter-designing procedure; Counter designing procedure; counterdesigning softwares.

1. Đặt vấn đề

Trên thế giới, thiết kế ngược đã ra đời từ những năm 90 và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất hiện đại. Công nghệ thiết kế ngược ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế: Chúng ta cần thiết kế và chế tạo lại sản phẩm có sẵn, mà chưa hoặc không có mô hình CAD (Computer Adied Design) tương ứng. Thiết kế ngược được ứng dụng khá rộng rãi trong các ngành nghề khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chế tạo. Sản phẩm được tạo ra dựa trên cơ sở khôi phục lại nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu. Với sự trợ giúp của các công cụ CAD/CAM/CNC [1], thiết kế ngược là lựa chọn tối ưu cho lĩnh vực thiết kế lại và phát triển sản phẩm (Hình 1).

Hình 1. Quá trình thiết kế ngược [4]

Trong nước, thiết kế ngược đã được ứng dụng những

năm gần đây. Tuy nhiên, lĩnh vực thiết kế ngược hầu như vẫn còn khá mới mẻ đối với kỹ thuật cơ khí. Công nghệ thiết kế ngược đã được nghiên cứu nhiều ở khu vực phía nam (TP Hồ Chí Minh), phía bắc (Hà Nội). Nhưng ở khu vực Miền Trung – Tây Nguyên thì đến nay chưa thấy có nghiên cứu nào nói về công nghệ này.

Để đáp ứng nhu cầu tại khu vực Miền Trung – Tây Nguyên, bài báo đề cập về công nghệ thiết kế ngược, ứng dụng thiết kế và chế tạo thử nghiệm thành công sản phẩm khuôn vỉ thuốc nhập ngoại (Panadol) và chai tương ớt Chin-Su, mà những quy trình thiết kế truyền thống không thể đáp ứng yêu cầu về độ chính xác biên dạng, … Từ đó, có thể ứng dụng rộng rãi cho các chi tiết khác có độ phức tạp tương tự và cao hơn.

2. Giải quyết vấn đề

2.1. Quy trình công nghệ thiết kế ngược

Quy trình công nghệ thiết kế ngược được thể hiện cụ thể trong sơ đồ Hình 2.a.

Đối với sơ đồ này, sự khác biệt so với quy trình thiết kế khác là ở giai đoạn số hóa, xử lý dữ liệu số hóa và xây dựng lại mô hình CAD. Các giai đoạn còn lại tương tự như các quy trình thiết kế thông thường (Hình 2.b)

2.2. Thiết kế và chế tạo thử nghiệm 2 sản phẩm minh họa theo công nghệ thiết kế ngược

2.2.1. Sản phẩm minh họa

Ta lựa chọn sản phẩm vỉ thuốc Panadol và chai tương ớt Chin-Su làm ví dụ minh họa để tiến hành thiết kế khuôn cho 2 sản phẩm này theo quy trình công nghệ thiết kế ngược như Hình 3.

76 Trần Xuân Tùy, Trần Nhật Thư

a) b)

Hình 2. Quy trình công nghệ thiết kế ngược và thuận

2.2.2. Số hóa sản phẩm và xử lý dữ liệu số hóa

Hình 3. Sản phẩm vỉ thuốc và chai tương ớt

Hình 4. Máy quét ATOS I

Sử dụng máy quét ánh sáng trắng ATOS I như Hình 4 để số hóa sản phẩm.

Bước 1: Chuẩn hệ thống quét (lắp ráp máy quét, bàn quét, hệ thống đường cáp truyền, khởi động máy tính).

Bước 2: Phủ nhẹ lên bề mặt chi tiết một lớp sơn màu trắng (Hình 5), dán lên trên các bề mặt tạo nên chi tiết các điểm tham chiếu (hình tròn), và đặt chi tiết lên bàn quét (bàn quét này có thể xoay tròn và di chuyển được).

Hình 5. Quá trình phủ lớp sơn lên bề mặt sản phẩm

Bước 3: Tiến hành quét sản phẩm.

Quá trình quét và hiển thị dữ liệu số hóa trên màn hình máy tính được thể hiện trong Hình 6.

Hình 6. Quá trình quét và xử lý số hóa

Kết quả sau khi quét sản phẩm ta được tệp tin định dạng *.stl và được mở bởi một phần mềm CAD chuyên dùng như Hình 7.

2.2.3. Thiết kế lại trên cơ sở dữ liệu số hóa

Sử dụng phần mềm thiết kế ngược Rapidform XOR3 [5] để hỗ trợ xây dựng thành dữ liệu CAD bằng các công cụ hỗ trợ tối ưu của phần mềm. Kết quả sau khi thiết kế lại thành tệp tin CAD như Hình 8.

2.2.4. Thiết kế khuôn cho sản phẩm

Dữ liệu CAD sau khi được thiết kế lại từ phần mềm hỗ trợ thiết kế ngược Rapidform XOR3 được đưa sang phần mềm Creo 3.0 để thiết kế khuôn cho sản phẩm.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 77

Hình 7. Sản phẩm sau khi Scan và xử lý

Hình 8. Sản phẩm sau khi mô hình CAD

Hình 9. Khuôn vỉ thuốc Panadol sau khi thiết kế

với phần mềm Creo 3.0

Hình 10. Khuôn chai tương ớt sau khi thiết kế

Với những tính năng mạnh mẽ của phần mềm Creo 3.0, quá trình thiết kế khuôn được thực hiện dễ dàng với các công cụ có sẵn trong phần mềm. Kết quả sau khi thiết kế khuôn được thể hiện trong Hình 9 và Hình 10.

2.2.5. Lập trình gia công và chế tạo thử nghiệm

Để có chiến lược chạy dao gia công tối ưu, chúng ta sử dụng phần mềm hỗ trợ lập trình gia công MasterCam X7 [2]. Tiến hành thiết lập gốc tọa độ, phôi, lựa chọn dao và các thông số cắt gọt như thực tế gia công cùng với chiến lược chạy dao tối ưu của phần mềm. Bảng 1, 2, 3, 4 là các thông số cắt gọt gia công khuôn chai tương ớt Chin-Su được tra trong phần mềm tính toán chế độ cắt theo kích thước và vật liệu dao SecoCut.

Bảng 1. Thông số gia công phay mặt đầu

Dao phay mặt đầu FaceMill 50mm

S (Vg/phút) 1452

F (mm/phút) 613

Plunge Rate (mm/phút) 50

Step down (mm) 2

Step over (mm) 45

Retract Rate (mm/phút) 1000

Depth (mm) -2

Bảng 2. Thông số gia công biên dạng ngoài

Dao phay ngón EndMill 10mm

S (Vg/phút) 2500

F (mm/phút) 300

Plunge Rate (mm/phút) 50

Step down (mm) 5

Step over (mm) 3

Retract Rate (mm/phút) 1000

Depth (mm) -35

Bảng 3. Thông số gia công thô lòng khuôn

Dao phay ngón EndMill 4mm

S (Vg/phút) 3500

F (mm/phút) 294

Plunge Rate (mm/phút) 35

Step down (mm) 2.8

Step over (mm) 1.2

Retract Rate (mm/phút) 4000

Depth (mm) -

78 Trần Xuân Tùy, Trần Nhật Thư

Bảng 4. Thông số gia công tinh lòng khuôn

Dao phay cầu BallMill 2mm

S (Vg/phút) 16500

F (mm/phút) 613

Plunge Rate (mm/phút) 50

Step down (mm) 2

Step over (mm) 45

Retract Rate (mm/phút) 1000

Depth (mm) -2

Kết quả mô phỏng gia công sau khi lập trình trên phần mềm MasterCam X7 được thể hiện trong Hình 11 và Hình 12.

Hình 11. Kết quả mô phỏng gia công khuôn

Sau khi gá đặt phôi, khai báo dao, thiết lập hệ trục tọa độ, … (Hình 15), ta tiến hành cho máy chạy với mã lệnh xuất từ phần mềm MasterCam X7.

Hình 12. Kết quả mô phỏng gia công khuôn vỉ thuốc Panadol

Hình 13. Xuất mã lệnh G để đưa vào máy CNC

Sau khi thấy kết quả mô phỏng an toàn, chính xác, ta tiến hành xuất mã lệnh G (Hình 13), kết hợp với chỉnh

sửa mã G [3] nếu cần thiết, để đưa vào máy CNC Emco Concept Mill 155 để tiến hành gia công thử nghiệm.

Máy CNC Emco Concept Mill 155 là máy gia công điều khiển số 3 trục, với hành trình X, Y, Z thể hiện trong Hình 14 [6].

3. Kết quả nghiên cứu và bình luận

3.1. Kết quả

Sau khi gia công thử nghiệm, kết quả chi tiết hoàn thiện thể hiện trong Hình 16. Ta tiến hành kiểm tra biên dạng của chi tiết so với thiết kế: Hoàn toàn đạt yêu cầu.

3.2. Bình luận

Thiết kế ngược đối với lĩnh vực thiết kế lại hoặc phát triển sản phẩm đã có có ưu điểm hơn hẳn so với các phương pháp thiết kế truyền thống. Chúng ta có thể áp dụng thiết kế ngược để thiết kế, chế tạo các chi tiết tương tự và có độ phức tạp cao hơn.

Hình 14. Hành trình lớn nhất của các trục X, Y, Z trong máy

CNC EMCO CONCEPT MILL 155 [6]

Hình 15. Điểm gốc tọa độ gia công

Hình 16. Kết quả gia công thử nghiệm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 79

4. Kết luận

Chúng ta đã ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để giải quyết vấn đề và có được kết quả đạt yêu cầu về độ chính xác biên dạng.

Phương pháp sử dụng linh động các công cụ CAD/CAM/CNC để hỗ trợ thiết kế và chế tạo các chi tiết theo quy trình công nghệ thiết kế ngược đạt kết quả nhanh và chính xác.

Có thể dùng thiết kế ngược đối với tất cả các chi tiết tương tự và có độ phức tạp cao hơn để đáp ứng nhu cầu cấp thiết về thiết kế và chế tạo các sản phẩm tương tự, phức tạp hơn ở khu vực Miền Trung – Tây Nguyên.

Ở bài báo này, chúng ta chỉ dừng lại ở việc đánh giá độ chính xác về biên dạng. Công nghệ này cần được nghiên cứu, ứng dụng để thiết kế và chế tạo chi tiết đạt độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết. Cần tiếp

cận công nghệ in 3D khi nghiên cứu về công nghệ thiết kế ngược.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lưu Quang Huy (2006), Cơ sở CAD/CAM trong thiết kế và chế tạo, NXB Hà Nội.

[2] Trần Vĩnh Hưng, Trần Ngọc Hiền (2006), Mastercam - phần mềm thiết kế công nghệ cad/cam điều khiển các máy cnc, NXB KH&KT.

[3] Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương (2006), Sổ tay lập trình CNC, NXB Đà Nẵng.

[4] Eldad Eilam (2005), Reversing: Secrets of Reverse Engineering, Published simultaneously in Canada.

[5] Rapidform (2007), Rapidform tutorials, INUS Technology, Inc in 601-20 Yeoksamdong Gangnamgu Seoul 135-080 Korea.

[6] Emco Maier (2003), PC-controlled milling machine for training, Gesellschaft m. b. H. Abteilung Technische Dokumentation A-5400 Hallein, Austria.

(BBT nhận bài: 18/11/2015, phản biện xong: 04/12/2015)

80 Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy, Nguyễn Xuân Tùng

KHÔI PHỤC DẠNG SÓNG KHI BIẾN DÒNG ĐIỆN BỊ BÃO HÒA ỨNG DỤNG ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

RESTORATION OF WAVEFORM WHEN CURRENT TRANSFORMER IS SATURATED, APPLYING FAULT LOCATION ON A TRANSMISSION LINE

Nguyễn Xuân Vinh1, Nguyễn Đức Huy2, Nguyễn Xuân Tùng2 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long; vinhnx@vlute.edu.vn

2Đại học Bách khoa Hà Nội; huy.nguyenduc1@hust.edu.vn, tung.nguyenxuan@hust.edu.vn

Tóm tắt - Bài báo này trình bày thuật toán cải tiến xác định vị trísự cố xảy ra trên đường dây truyền tải điện khi máy biến dòngđiện đo lường ở một đầu đường dây bị bão hòa. Thuật toán chỉsử dụng tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đườngdây. Thuật toán bao gồm hai bước: áp dụng thuật toán hồi quyFourier rời rạc (DFT) để khôi phục lại dạng sóng tín hiệu dòngđiện do máy biến dòng điện bị bão hòa; xác định vị trí sự cố sửdụng tín hiệu điện áp đo lường từ hai đầu, dòng điện đo lường từđầu đường dây không bị bão hòa và dòng điện bão hòa sau khiđược khôi phục dạng sóng. Tính chính xác và hiệu quả của thuậttoán được mô phỏng và kiểm chứng sử dụng môi trườngSimulink của phần mềm Matlab.

Abstract - This paper presents an improved algorithm tolocate the fault that occurs on the power transmission linewhen current transformer at one end is saturated. Thealgorithm uses only the voltage signals and measurementcurrents from two-ends. The algorithm consists of two steps:applying the regression discrete Fourier transformation (DFT)to restore electrical current signal waveform due to saturatedcurrent transformer; locating the fault using voltagemeasurement signals from two-ends, unsaturatedmeasurement currents from one end and saturated currentsignals from the other end after waveform being restored. Theaccuracy and efficiency of the algorithm is modeled andverified using Simulink environment of Matlab software.

Từ khóa - bão hòa máy biến dòng; định vị sự cố; đường dâytruyền tải; lọc thành phần một chiều; biến đổi Fourier rời rạc.

Key words - saturated current transformer; fault location;transmission line; DC filter; DFT.

1. Đặt vấn đề

Bài toán xác định chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện mang một ý nghĩa quan trọng đối với hệ thống truyền tải điện và công ty điện lực. Định vị chính xác điểm sự cố sẽ làm giảm thời gian ngừng cấp điện, giảm nhân công huy động, nâng cao độ tin cậy của lưới điện truyền tải, giảm sự than phiền của khách hàng và góp phần tăng lợi nhuận của các công ty điện lực. Bài toán định vị sự cố có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác định vị sự cố: đường dây không đồng nhất, dòng tải trước sự cố, điện trở sự cố, sai số thiết bị đo lường... và hiện tượng bão hòa của máy biến dòng đo lường do thành phầnDC có trong dòng điện quá độ dẫn đến kết quả đo lường và định vị sự cố bị sai số.

Tài liệu [1] trình bày thuật toán phát hiện và phục hồi dạng sóng khi máy biến dòng điện bị bão hòa. Thuật toán phân tích thành phầnDC trong tín hiệu dòng điện sự cố, từ đó phát hiện máy biến dòng bị bão hòa. Sau đó thuật toán áp dụng thuật toán hồi quyDFTvà sử dụng chu kỳ dòng điện chưa bị bão hòa để phục hồi dạng sóng dòng điện bị bão hòa. Nhưng thuật toán [1] chưa đề cập đến bài toán định vị sự cố.

Tài liệu [2] trình bày thuật toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải, sử dụng tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây, từ đó thành lập phân bố điện áp tại điểm sự cố xác định từ tín hiệu hai đầu đường dây và giao điểm của hai phân bố điện áp là vị trí xảy ra sự cố trên đường dây. Thuật toán chỉ sử dụng biên độ của điện áp tại điểm sự cố, vì vậy thuật toán không yêu cầu tín hiệu điện áp và dòng điện phải đo lường đồng bộ, nhưng tài liệu [2] không đề cập đến vấn đề khôi phục dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa.

Tài liệu [3], [4] trình bày thuật toán định sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải. Thuật toán yêu cầu dữ liệu đầu vào là thông số đường dây, tổng trở nguồn ở hai đầu đường dây và tín hiệu điện áp đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây, mà không yêu cầu tín hiệu dòng điện. Vì vậy, thuật toán định vị sự cố không bị ảnh hưởng bởi bão hòa của máy biến dòng điện đo lường, nhưng thuật toán định vị sự cố chỉ sử dụng tín hiệu điện áp. Vì thế, tài liệu [3], [4] chưa quan tâm đến vấn đề khôi phục dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa.

Thuật toán [1-4] chỉ dừng lại ở định vị sự cố trên đường dây truyền tải hoặc định vị sự cố chỉ sử dụng tín hiệu điện áp. Vì vậy, thuật toán không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bão hòa biến dòng, nhưng thuật toán yêu cầu phải biết thông số đường dây và thông số tổng trở của nguồn phát ở hai đầu đường dây, và chưa quan tâm đến vấn đề khôi phục dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa hoặc chỉ quan tâm đến vấn đề khôi phục dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa mà không quan tâm đến bài toán định vị sự cố. Do vậy, bài báo này đề xuất thuật toán cải tiến trên cơ sở tổng hợp ưu điểm của các thuật toán nêu trên. Thuật toán có hai bước: phục hồi dạng sóng dòng điện do máy biến dòng điện bị bão hòa; xác định vị trí sự cố sử dụng phân bố điện áp tính từ hai đầu đường dây. Thuật toán chỉ sử dụng biên độ của điện áp tại điểm sự cố, vì vậy thuật toán không bị sai số trong trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ chính xác. Thuật toán sử dụng thành phần thứ tự thuận của tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây. Thành phần này có mặt trong tất cả các kiểu sự cố, vì thế giải thuật trình bày trong bài báo này có thể áp dụng định vị sự cố cho tất cả các loại sự cố, đồng thời không yêu cầu phân loại sự cố.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 81

2. Thuật toán

2.1. Xác định phasor tín hiệu đo lường

Áp dụng thuật toán phân tích Fourier rời rạc kết hợp thuật toán hồi quy [5] xác định phasor của tín hiệu đo lường, xét tín hiệu đo lường có biểu thức sau:

( ) ( )cosmx t X tw j= + (1)

Trong đó: mX : Biên độ thành phần xoay chiều;

j : Góc pha ban đầurad ;

f : Tần số lưới điện50Hz ; w: Tần số góc 2 ( / )f rad sw p= .

Biểu diễn (1) ở dạng véctơ (phasor) X

:

( ) ( )

j.

cos j. sin2 2

re im

m m

X X X

X Xj j

= +

= +

(2)

Trong đó: reX : Phần thực của X

; imX : Phần ảo của X

Nếu tín hiệu (1) được lấy mẫu với tần số sf thì số mẫu tín hiệu

thu được trong một chu kỳ / 50sN f= . Áp dụng thuật toán bình phương cực tiểu xác định phasor của tín hiệu đo lường:

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

( )( ) ( )( )

0

1

2

1

cos 0 sin 0

cos sin

cos 2. sin 2.2

. . .

cos 1 . sin 1 .

re

im

N

x

xX

xX

x N N

q q

q q

q q-

-

-

-=

- - -

(3)

Trong đó: 2 / Nq p=

2.2. Lọc DC và phục hồi dạng sóng dòng điện bị bão hòa

Áp dụng thuật toán [1], xét dòng điện quá độ (4) bao gồm thành phần xoay chiều tần số f 50Hz= và thành phần một chiều tắt dầnDC :

( ) ( ) /cos tdci t I t I e tw j -= + +

(4)

Trong đó:

I : Biên độ thành phần xoay chiều(A);

j : Góc pha ban đầu(rad); w: Tần số góc 2 ( / )f rad sw p= ;

dcI : Biên độ thành phần một chiều(A);

t: Thời hằng.

Nếu dòng điện được lấy mẫu với tần số sf thì số mẫu tín

hiệu thu được trong một chu kỳ / 50sN f= , mẫu thứ m của dòng điện có thể được biểu diễn như sau:

( ) ( ) ( )cos . mdci m i m t I m Iq j k= D = + + (5)

Trong đó: /te tk -D=

Áp dụng công thức (5), ta được biểu diễn của mẫu thứ 1, 2, 3 như sau:

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

1

2

3

1 1. cos 1. .

2 2. cos 2. .

3 3. cos 3. .

dc

dc

dc

i i t I I

i i t I I

i i t I I

q j k

q j k

q j k

ìï = D = + +ïïïï = D = + +íïïï = D = + +ïïî

(6)

Trong đó: ( )1 / 50.t ND =

Áp dụng phân tích Fourier rời rạc kết hợp thuật toán hồi quy [5] xác định phasorước lượng (vì vẫn còn thành phần DC ) của ( )i m :

- Sử dụng giá trị của mẫu 0i và mẫu 1i xác định phasor

ước lượng của ( )1i :

( ) ( )( ) ( )

0 1

1 1

cos 0 sin 0

cos sinre

im

i I

i Iq q

-=

- (7)

- Sử dụng giá trị của mẫu 1i và mẫu 2i xác định phasor

ước lượng của ( )2i :

( ) ( )( ) ( )

1 2

2 2

cos sin

cos 2. sin 2.re

im

i I

i I

q q

q q

-=

- (8)

- Sử dụng giá trị của mẫu 2i và mẫu 3i xác định phasor

ước lượng của ( )3i :

( ) ( )( ) ( )

2 3

3 3

cos 2. sin 2.

cos 3. sin 3.re

im

i I

i I

q q

q q

-=

- (9)

Trong đó, 0 1 2 1, , , ..., Ni i i i - : Giá trị của dòng điện ở từng

thời điểm lấy mẫu. reI : Phần thực ước lượng của dòng điện ( )i m ;

imI : Phần ảo ước lượng của dòng điện ( )i m .

( )( )( )

1 1

2 2

3 3

1

2

3

i AC DC

i AC DC

i AC DC

ìï = +ïïï = +íïïï = +ïî

(10)

So sánh phasor của các ( )i m , từ đó xác định mối liên

hệ giữa ( )1i , ( )2i và ( )3i :

1 2 3

2 12

3 1 2

.

. .

AC AC AC

DC DC

DC DC DC

k

k k

ìï = =ïïïï =íïïï = =ïïî

(11)

Xác định thành phầnk:

( ) ( )( ) ( )

3 2 3 2

2 1 2 1

3 2

2 1

i i AC AC DC DC

i i AC AC DC DC

- - + -=

- - + - (12)

Kết hợp (11) và (12) được kết quả như sau:

( ) ( )( ) ( )

( )( )

23 211 1

211 1

3 2 . 1 .. .

2 1 . 1 .. .

i i DCDC DC

i i DCDC DC

k kk k

k kk k

- --= =

- --

( ) ( )( ) ( )

/3 2

2 1t

i ie

i itk -D

- = =

- (13)

Khi đã xác định được thành phần /te t-D trong thành phần DC tắt dần, áp dụng thuật toán [5] để xác định phasor và biên độ dcI của thành phần DC tắt dần trong tín

hiệu dòng điện đo lường:

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

0. /0

1. /1

2. /2

3. /3

cos 0 sin 0

cos sin

cos 2. sin 2.

cos 2. sin 2.

t

t re

imt

dct

eiI

i eI

i eI

i e

t

t

t

t

q q

q q

q q

- D

- D

- D

- D

-

-=

-

-

(14)

82 Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy, Nguyễn Xuân Tùng

Thời gian

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

Dòng điện bão hòaDòng điện điều chỉnh

Dòng điện lý tưởng

Biên

độBi

ên độ

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22-4

-2

0

2

4

6

8

Dòng điện bão hòaĐiều chỉnh kết hợp lọc DC

Thời gian

Hình 1 thể hiện kết quả khi áp dụng thuật toán phục hồi dạng sóng dòng điện bị bão hòa. Hình vẽ cho thấy dạng sóng dòng điện sau khi phục hồi hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng lý tưởng.

Hình 2 thể hiện kết quả khi áp dụng thuật toán phục hồi dạng sóng bão hòa kết hợp lọc thành phần DC .

Hình 1. Phục hồi dạng sóng dòng điện bị bão hòa

Hinh 2. Phục hồi dạng sóng dòng điện bị bão hòa kết hợp lọcDC

2.3. Thuật toán định vị sự cố

Trong Hình 3, đường dây truyền tải được sử dụng để minh họa cho thuật toán định vị sự cố.

d

IRIS

l - d

F

lS R

Vs Vr

Hình 3. Mô hình đường dây truyền tải bị sự cố

Ký hiệu:

, , ,s r s rV V I I : Điện áp và dòng điện trước sự cố;

, , ,sf rf sf rfV V I I : Điện áp và dòng điện trong sự cố;

, , , , , , ,si ri si ri sfi rfi sfi rfiV V I I V V I I : Điện áp và dòng điện

thành phần đối xứng trước và trong sự cố;

0,1,2i = : Thành phần thứ tự không, thuận, nghịch;

d : Khoảng từ đầu S đến điểm sự cốF ;

l : Chiều dài đường dây.

Áp dụng thuật toán [2], xác định điện áp tại điểm sự cố F sử dụng tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ đầu S :

( ) ( )11 1 11 1.. .sf cfs sfV cosh d V Z sinh d Ig g= + (15)

Xác định điện áp tại điểm sự cố F sử dụng tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ đầu R:

( ) ( )1 1 11 1 1.. .rf c fr rfV cosh l d V Z sinh l d Ig gé ù é ù= - + -ë û ë û (16)

Điện áp tại điểm sư cốFxác định sử dụng tín hiệu đầu S phải bằng với điện áp tại điểm sự cố xác định sử dụng tín hiệu đầuR:

11fs frV V= (17)

( ) ( )( ) ( )

1 1 1

1 1 1

1 1

1 1

. .

0. .

.

.sf c sf

rf c rf

cosh d V Z sinh d I

cosh l d V Z sinh l d I

g g

g g

+é ù é ù- +ë û- -ë =û

(18)

Hàm mục tiêu (18) là hàm phi tuyến một biếnd , sử dụng lệnh minf bndtrong phần mềm Matlab với ràng buộc biến 0 d l£ £ , từ đó xác định khoảng cách từ đầu S đến điểm sự cố F là d .

3. Kết quả mô phỏng

Hình 4 thể hiện đường dây truyền tải điện được mô phỏng sử dụng môi trường Simulink của phần mềm Matlab. Mô hình này được sử dụng để kiểm chứng tính chính xác, hiệu quả của thuật toán được đề xuất. Để trích xuất được tín hiệu điện áp và dòng điện từ hai đầu đường dây thì thông số của các phần tử của mô hình phải được cung cấp: thông số đường dây được cho ở Bảng 1, thông số nguồn được trình bày ở Bảng 2.

Hình 4. Mô hình mô phỏng đường dây truyền tải

Bảng 1. Thông số đường dây Line 1,2l = 100km

Thông số Thứ tự thuận Thứ tự không

R (/km) 0.01143 0.24665

L (H/km) 0.00086839 0.0030886

C (F/km) 1.3426e-008 8.5885e-009

Bảng 2. Thông số nguồn

Nguồn Điện áp (KV) X/R Góc pha

S 230 10 5

R 235 10 0

Để trích xuất tín hiệu điện áp và dòng điện sử dụng khối đo lường B1,B2 (Three-PhaseV-IMeasurement trong SimPowerSystems\Measurements); tín hiệu dòng điện của B1,B2 được đưa qua máy biến dòng điện để tạo ra dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa.

Sau đó, sử dụng thuật toán được trình bày ở Phần 2.2 phục hồi dạng sóng dòng điện bị méo dạng, và sử dụng thuật toán ở Phần 2.3 với tín hiệu điện áp đo lường từ hai đầu đường dây và tín hiệu dòng điện được đo lường từ hai đầu đường dây sau khi đã được khôi phục dạng sóng để định vị sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải, kết quả định vị sự cố ở Bảng 3.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 83

Bảng 3. Kết quả của thuật toán

Thứ tự

d thực tế (km)

d kết quả thuật toán (km)

Sai số (%)

1 5 5.0540 0.0540

2 15 15.2937 0.2937

3 30 29.2882 0.7118

4 35 35.7966 0.7966

5 50 50.5284 0.5284

6 60 58.4080 1.5920

7 70 69.9791 0.0209

8 80 79.6778 0.3222

9 85 83.7415 1.2585

10 95 94.1614 0.8386

4. Kết luận

Bài báo này trình bày thuật toán cải tiến trên cơ sở tổng hợp các thuật toán [1-4]. Thuật toán được áp dụng để định vị sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải khi máy biến dòng điện một đầu bị bão hòa:

Thuật toán có hai bước: khôi phục dạng sóng dòng điện bị méo dạng do máy biến dòng điện bị bão hòa sử dụng thuật toán hồi quyDFT ; định vị sự cố sử dụng phân bố điện áp tại điểm sự cố xác định từ tín liệu đo

lường từ hai đầu đường dây.

Định vị sự cố chỉ sử dụng biên độ điện áp, nên thuật toán tránh được sai số khi tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây không được đồng bộ chính xác.

Kết quả mô phỏng rất khả quan với sai số định vị sự cố lớn nhất khoảng1.59%, qua đó thể hiện tính chính xác, hiệu quả và khả năng ứng dụng thuật toán cho định vị sự cố xảy ra trên đường dây của lưới truyền tải cũng như của lưới phân phối.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] C. Yu, “Detection and Correction of Saturated Current Transformer Measurements Using Decaying DC Components”, IEEE Trans. POWER Deliv. VOL. 25, NO. 3, JULY 2010, vol. 25, no. 3, pp. 1340–1347, 2010.

[2] E. G. Silveira and C. Pereira, “Transmission Line Fault Location Using Two-Terminal Data Without Time Synchronization”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 22, no. 1, pp. 498–499, Feb. 2007.

[3] S. M. Brahma and a. a. Girgis, “Fault Location on a Transmission Line Using Synchronized Voltage Measurements”, IEEE Trans. Power Deliv., vol. 19, no. 4, pp. 1619–1622, Oct. 2004.

[4] S. M. Brahma, “Fault Location Scheme for a Multi-Terminal Transmission Line Using Synchronized Voltage Measurements”, IEEE Trans. Power Deliv., vol. 20, no. 2, pp. 1325–1331, Apr. 2005.

A. G. Phadke and J. S. Thorp, Synchronized Phasor Measurements and Their Applications. Springer International Publishing, 2008.

(BBT nhận bài: 09/06/2015, phản biện xong: 07/12/2015)

84 Trương Văn Cương, Trần Mạnh Lục

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP COBAN(II) STEARAT A STUDY OF SYNTHESIZING COBALT(II) STEARATE

Trương Văn Cương1, Trần Mạnh Lục2 1HVCH-K28, Chuyên ngành Hóa Hữu cơ, Đại học Đà Nẵng; vancuong10111990@gmail.com

2Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; tranmanhluc56@gmail.com

Tóm tắt - Đã tìm được điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợpcoban(II) stearat là: coban(II) stearat được tổng hợp qua 2 giaiđoạn. Giai đoạn một: Cho 2,84g (0,01mol) axit stearic phản ứngvới 30ml dung dịch NaOH 0,5M và 120ml nước cất được sảnphẩm natri stearat. Phản ứng tiến hành trong pha lỏng ở nhiệt độ800C, có khuấy trong thời gian 30 phút. Sản phẩm rắn của giaiđoạn này được lọc và rửa bằng nóng để loại bỏ NaOH dư. Giaiđoạn hai: stearat natri phản ứng với 15ml dung dịch coban(II)clorua 0,5M và 135ml nước cất. Nhiệt độ tiến hành phản ứng là900C trong thời gian 40 phút. Sản phẩm coban(II) stearat của giaiđoạn hai được lọc rửa bằng nóng để loại bỏ NaCl. Sau cùng, sảnphẩm rắn được làm khô ở 600C trong thời gian 2 giờ. Đặc tínhcủa coban(II) stearat được đánh giá qua phổ hồng ngoại (IR),ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), phô EDX và phổ phân tíchnhiệt vi phân (DTA/TGA).

Abstract - The optimal condition for synthesizing cobalt(II)stearate from stearic acid and coban(II) salt with the highest yieldis found to go through 2 steps of reactions: In the first step: 2.84g(0.01mol) stearic acid reacts with 30 ml solution of sodiumhydroxide 0.5 M and 120ml still water to produce sodium stearate.The reaction takes place in liquid phase at 80°C under agitationfor 30 minutes. The solid product is then filtered and washed withhot water to separate sodium hydroxide. In the second steps: Thesodium stearate reacts with 15ml solution of cobalt(II) chloride0.5M and 120ml still water to produce cobalt(II) stearate. Thereaction temperature is maintained at 90°C with continuousstirring for 40 minutes. The solid product in the second step isfiltered and washed with hot water to separate sodium chloride.The solid is then dried at 60°C for 2 hours. Characteristics ofcobalt(II) stearate are evaluated by IR, SEM/EDX and DTA/TGA.

Từ khóa - phức chất; axit stearic; coban(II) clorua; stearat natri;coban(II) stearat.

Key words - complex; stearic acid; cobalt(II) chloride; sodiumstearate; cobalt(II) stearate.

1. Đặt vấn đề

Túi nilon được làm từ những chất khó phân hủy, khi thải ra môi trường phải mất từ hàng chục năm cho tới vài trăm năm mới phân hủy hoàn toàn trong tự nhiên. Sự tồn tại của nó trong môi trường sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới đất và nước [1]. Ở Việt Nam hiện đã có những nghiên cứu khá bài bản về vật liệu polyme phân huỷ sinh học đi theo hướng tổng hợp polyme blend giữa màng polyetylen tỉ trọng thấp với một polyme tự nhiên dễ phân huỷ sinh học là tinh bột [2]. Tuy nhiên, loại vật liệu dạng này chưa đáp ứng được tiêu chuẩn để sản xuất bao bì tự hủy theo những tiêu chuẩn rất ngặt nghèo của EU, Hoa Kỳ cũng như của Bộ Tài nguyên và Môi trường [3]. Một giải pháp khả thi để chuyển các bao bì chất dẻo thành các vật liệu có khả năng phân hủy sinh học trong thời gian ngắn là sử dụng các phụ gia có khả năng tăng tốc phản ứng của chất dẻo với oxy không khí và đưa nguyên tử oxy vào trong mạch polymer [4].

Muối và phức chất của kim loại chuyển tiếp hiện nay được sử dụng khá phổ biến làm chất xúc tiến phân hủy nhờ khả năng xúc tác cho quá trình phân huỷ hydropeoxit thành các gốc tự do. Các kim loại chuyển tiếp được sử dụng nhiều nhất bao gồm Fe, Co và Mn [5]. Việc nghiên cứu để tự tổng hợp các phụ gia xúc tiến phân hủy, từ đó tạo tiền đề cho việc chế tạo hạt nhựa tự hủy trên cơ sở các loại nhựa polyolefin là một là hướng đi đang thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học và là hướng đi rất có ý nghĩa trong điều kiện ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sinh thái ở Việt Nam hiện nay.

2. Phương pháp tiến hành

Về nguyên tắc thì coban(II) stearat được tổng hợp bằng phản ứng chuyển hoán giữa dung dịch muối tan của kim loại chuyển tiếp với muối tan của axit béo tạo

thành cacboxylat của kim loại chuyển tiếp khó tan trong nước. Quá trình phản ứng được biểu diễn bằng các phương trình sau:

C17H35COOH + NaOH C17H35COONa + H2O

2C17H35COONa + CoCl2 (C17H35COO)2Co + 2NaCl

Ban đầu axit stearic được xà phòng hoá trong dung môi ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó (gia nhiệt ở 850C). Sản phẩm xà phòng hoá tiếp tục phản ứng với muối coban(II) clorua ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 600C). Quá trình phản ứng được tiến hành trong cốc thủy tinh, gia nhiệt bằng nồi cách thủy, khuấy trộn bằng máy khuấy đũa. Kết thúc phản ứng, axit béo và muối NaCl được loại bỏ bằng cách rửa sản phẩm kết tủa với nước nóng và bằng dung môi tetrahydrofuran (THF). Lọc sản phẩm bằng phễu Bucher rồi đem sấy ở 600C trong 2 giờ.

Các yếu tố ảnh hưởng quá trình phản ứng cần khảo sát là: tỷ lệ tác nhân, nhiệt độ, thời gian. Đặc tính của sản phẩm được xác định bởi các phương pháp phân tích hoá lý như: phổ IR, phổ DTA/TGA, ảnh SEM và phổ EDX.

Hóa chất sử dụng: CoCl2.6H2O (Merck), axit stearic (Trung Quốc), NaOH, THF (Trung Quốc).

Phổ IR được ghi trên máy FTIR Affinity - 1S, Shimadzu, Nhật Bản tại Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Ảnh SEM và phổ EDX được ghi trên máy EDS ISIS 300 (Oxford, England) gắn kèm máy hiển vi điện tử JEOL JEM 5410LV, Nhật Bản, tại Khoa Hoá học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Phổ DTA/TG được ghi trên máy Labsys TGDSC 1600, Setaram, Pháp tại Khoa Hoá học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 85

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo coban(II) stearat

3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng NaOH

Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0.5M thay đổi 10ml, 20ml, 30ml, 40ml, 50ml, 60ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian phản ứng 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho 10ml dung dịch Co2+ 0,5M vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích là 150ml, rồi tiến hành phản ứng ở 700C trong thời gian 60 phút. Lọc, rửa và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 2 giờ.

Kết quả được thể hiện trên Bảng 1 và Hình 1.

Bảng 1. Ảnh hưởng của NaOH đến hiệu suất tạo coban (II) stearat

Thể tích(ml) dung dịch NaOH 0.5M

mthực tế (g)

mlí thuyết (g)

Hiệu suất (%)

10 2,204 3,125 70,53

20 2,525 3,125 80,80

30 2,538 3,125 81,24

40 2,521 3,125 80,67

50 2,466 3,125 79,92

Hình 1. Sản phẩm coban(II) stearat khi thay đổi thể tích NaOH

3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ

Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0,5M 30ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian phản ứng 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho 10ml dung dịch Co2+ 0,5M vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích là 150ml, rồi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thay đổi là 500C, 600C, 700C, 800C, 900C, 1000C trong thời gian 60 phút. Lọc, rửa và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 2 giờ.

Kết quả thu được thể hiện trên Bảng 2 và Hình 2.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tạo coban(II) stearat

Nhiệt độ (˚C) mthực tế (g) mlí thuyết (g) Hiệu suất (%)

50 2,038 3,125 65,23

60 2,261 3,125 72,39

70 2,576 3,125 82,44

80 2,686 3,125 85,95

90 2,868 3,125 91,77

Hình 2. Sản phẩm coban(II) stearat ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau

Nhiệt độ quá trình phản ứng càng tăng thì khối lượng sản phẩm càng tăng và không thay đổi nhiều khi chuyển từ 90oC lên 100oC. Nhiệt độ thích hợp cho phản ứng là 90oC.

3.1.3. Ảnh hưởng của thể tích đến quá trình phản ứng * Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit

stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0,5M 30ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian phản ứng 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

* Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho 10ml dung dịch Co2+ 0,5M vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích thay đổi từ 100ml, 125ml, 150ml, 175ml, 200ml rồi tiến hành phản ứng ở 90˚C trong thời gian 60 phút. Lọc, rửa và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 2 giờ.

Kết quả thu được thể hiện trên Bảng 3.

Bảng 3. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến hiệu suất tạo coban(II) stearat

Thể tích mthực tế (g) mlí thuyết (g) Hiệu suất (%)

100 2,709 3,125 86,70

125 2,734 3,125 87,50

150 2,829 3,125 90,55

175 2,826 3,125 90,44

200 2,803 3,125 89,70

Khi thay đổi thể tích nước trong hệ phản ứng thì lượng sản phẩm thu được nhiều nhất ở 150ml, nên chúng tôi chọn thể tích hệ phản ứng là 150ml để khảo sát các ảnh hưởng tiếp theo.

3.1.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

* Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0,5M 30ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian xà phòng hóa 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

* Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho 10ml dung dịch Co2+ 0,5M vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích 150ml, rồi tiến hành phản ứng ở 90˚C trong thời gian thay đổi là 20 phút, 40 phút, 60 phút, 80 phút, 100 phút, 120 phút. Lọc, rửa và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 2 giờ.

Kết quả thu được thể hiện trên Bảng 4 và Hình 3.

86 Trương Văn Cương, Trần Mạnh Lục

Bảng 4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tạo coban(II) stearat

Thời gian (phút) mthực tế (g) mlí thuyết (g) Hiệu suất (%)

20 2,772 3,125 88,69

40 2,839 3,125 90,85

60 2,832 3,125 90,61

80 2,824 3,125 90,36

100 2,833 3,125 90,66

Hình 3. Sản phẩm coban(II) stearat

khi thay đổi thời gian phản ứng

Thời gian phản ứng tăng từ 40 phút lên 120 phút thì khối lượng sản phẩm không thay đổi đáng kể, nên chúng tôi lựa chọn thời gian phản ứng là 40 phút để khảo sát ảnh hưởng tiếp theo.

3.1.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng lượng Co2+

* Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0,5M 30ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian xà phòng hóa 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

* Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho dung dịch Co2+ 0,5M với thể tích thay đổi 5ml, 10ml, 15ml, 20ml, 25ml, 30ml vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích 150ml rồi tiến hành phản ứng ở 90˚C trong thời gian 40 phút. Lọc, rửa và sấy khô sản phẩm ở 600C trong 2 giờ.

Kết quả thu được thể hiện trên Bảng 5 và Hình 4.

Hình 4. Sản coban(II) stearat khi thay đổi lượng Co2+

Bảng 5. Ảnh hưởng của thể tích Co2+ đến hiệu suất tạo coban(II) stearat

Thể tích Co2+ (ml) mthực tế (g) mlí thuyết (g) Hiệu suất (%)

5 2,652 3,125 x

10 2,830 3,125 90,56

15 2,970 3,125 95,65

20 2,964 3,125 95,46

25 2,976 3,125 95,85

Theo đánh giá cảm quan, ở trường hợp thể tích Co2+ là 5ml thì thu được sản phẩm có màu sắc khác với sản phẩm thu được ở các mẫu còn lại. Xảy ra hiện tượng như vậy có thể là do khi lượng Co2+ không đủ thì sẽ có một lượng xà phòng không phản ứng hết, nên lượng xà phòng dư có thể chưa được rửa hết, làm cho sản phẩm bị đổi màu và vì vậy lượng chất trong mẫu 5ml có khối lượng sai khác rất nhiều, nên chúng tôi không tính hiệu suất mẫu 5ml. Ở các trường hợp còn lại, màu sắc sản phẩm thu được là giống nhau và với thể tích dung dịch Co2+ 0,5M từ 15ml đến 30ml khối lượng sản phẩm thay đổi không đáng kể. Do vậy, thể tích dung dịch Co2+ 15ml là thích hợp.

Tóm lại, quá trình phản ứng của coban với axit stearic đạt hiệu suất cao nhất ở các điều kiện sau:

Điều kiện tiến hành phản ứng xà phòng hóa: axit stearic 2,84g (0,01mol), Vdung dịch NaOH 0,5M 30ml (thêm nước để tổng thể tích là 150ml), nhiệt độ 80oC, thời gian xà phòng hóa 30 phút, lọc rửa 3 lần bằng nước cất để loại NaOH dư.

Điều kiện tiến hành phản ứng tạo coban(II) stearat: Cho 15ml dung dịch Co2+ 0,5M vào sản phẩm sau xà phòng hóa (dạng rắn), thêm nước để tổng thể tích 150ml, rồi tiến hành phản ứng ở 90˚C trong thời gian 40 phút. Lọc, rửa sản phẩm bằng nước nóng đến hết NaCl và làm khô ở 600C trong thời gian 2 giờ.

3.2. Đặc tính hoá lí của sản phẩm coban(II) stearat

Tiến hành tổng hợp coban(II) stearat, điều kiện thu được ở trên, ta được sản phẩm thể hiện ở Hình 5.

Hình 5. Sản phẩm phức coban(II) stearat

Đặc tính của coban(II) stearat được đánh giá qua phổ hồng ngoại (IR), ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), phô EDX và phổ phân tích nhiệt vi phân (DTA/TGA).

a. Phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại của sản phẩm coban(II) stearat được ghi trong vùng 4000 – 400 cm-1. Kết quả thu được trên Hình 6.

Bảng 6. Các dao động đặc trưng của coban(II) stearat

Tần số dao động (cm-1) Dao động

3645,46 – 3601,10 Hoá trị của O-H (trong H2O)

2956,87 – 2850,79 Hoá trị của C-H

1712,79 Hoá trị của C=O

1467,83 – 1411,89 Hoá trị của C-H (no)

1188,15 Hoá trị của C-O

1112,93 Hoá trị của C-C

1012,63 – 846,75 Biến dạng của C-H

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 87

Hình 6. Phổ phân tích nhiệt của coban (II) stearat

Kết quả phân tích hồng ngoại cho thấy có một số dải hấp thụ chính đại diện cho các liên kết và các nhóm chức năng của của phối tử và phức tạo thành. Mức độ hấp thụ tăng hay giảm và sự xê dịch của chúng là tùy thuộc vào điều kiện hình thành và độ tinh khiết của sản phẩm.

b. Phổ phân tích nhiệt vi phân (DTA/TGA)

Mẫu coban(II) stearat được tiến hành phân tích DTA/TGA trong các môi trường không khí và môi trường trơ, tốc độ gia nhiệt 100C/phút từ nhiệt độ phòng đến 8000C. Kết quả đưa ra trên Hình 7.

Hình 7. Phổ phân tích nhiệt của coban(II) stearat

Trên giản đồ phân tích nhiệt, thấy có hiệu ứng thu nhiệt ở khoảng 90,43oC đến 112,57oC (ứng với độ giảm khối lượng không đáng kể), đó có thể là do quá trình mất nước. Hiệu ứng thu nhiệt ở khoảng 162oC ứng với sự chuyển pha từ rắn sang lỏng (nóng chảy) của phức. Các hiệu ứng ở vùng 355,43oC – 532,40oC ứng với quá trình phân hủy/đốt cháy phân tử (khối lượng giảm 78.48%). Dựa vào đường TGA ta thấy sau nhiệt độ này toàn bộ phức đã bị phân huỷ/đốt cháy hoàn toàn khi đạt đến 6000C.

c. Ảnh SEM và phổ EDX

Ảnh SEM và phổ EDX của coban(II) stearat được thể hiện ở các Hình 8, 9, 10, 11, 12, 13.

Hình 8. Ảnh SEM của coban(II) stearat ở độ phân giải 800

Hình 9. Ảnh SEM của coban(II) stearat ở độ phân giải 2500

Hình 10. Ảnh SEM của coban(II) stearat ở độ phân giải 60.000

Hình 11. Vùng ảnh SEM để xác định phổ EDX

của coban(II) stearat

Hình 12. Phổ EDX của phức coban (II) stearat

Ảnh SEM và phổ EDX chứng tỏ ngoài thành phần chính của coban(II) stearat có C, O, Co còn xuất hiện thêm thêm các nguyên tố với hàm lượng nhỏ như Si, Al, có thể là những tạp chất có trong các hóa chất ban đầu đưa vào tổng hợp. Riêng Na, Cl có thể do NaCl còn lại sau phản ứng xà phòng hóa dạng tạp chất, chúng mất đi khi tinh chế sản phẩm nhiều lần bằng THF.

Furnace temperature /°C0 100 200 300 400 500 600 700

TG/%

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

HeatFlow/µV

-40

-20

0

20

dTG/%/min

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Mass variation: -78.48 %

Peak 1 :90.43 °CPeak 2 :112.57 °C

Peak :397.71 °C

Peak :355.43 °C

Peak :394.87 °C

Peak :532.40 °C

Peak :215.67 °C

Figure:

26/10/2015 Mass (mg): 14.79

Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment:Mau 1

Procedure: RT ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG

Exo

00100120 µm20 µm20 µm20 µm20 µm

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

001

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Cou

nts

CK

aO

Ka

NaK

aM

gKa

AlK

a

AlK

sum

ClL

l

ClK

esc

ClK

aC

lKb

CoL

a

CoK

a

CoK

b

88 Trương Văn Cương, Trần Mạnh Lục

Hình 13. Phổ EDX của phức coban(II) stearat

qua tinh chế bằng THF

4. Kết luận

Đã nghiên cứu và tổng hợp coban(II) stearat đạt hiệu suất cao nhất là: quá trình phản ứng được tiến hành qua 2 giai đoạn:

Giai đoạn một: axit stearic 2,84g (0,01mol), 30ml dung dịch NaOH 0,5M, 120ml nước cất. Phản ứng tiến hành trong pha lỏng, nhiệt độ 80oC, thời gian 30 phút. Sản phẩm stearat natri rắn của giai đoạn một được lọc rửa bằng nóng để loại bỏ NaOH dư.

Giai đoạn hai: stearat natri của giai đoạn 1, 15ml dung dịch coban(II) clorua 0,5M, 135ml nước cất. Nhiệt độ tiến

hành phản ứng là 90˚C trong thời gian 40 phút. Sản phẩm coban(II) stearat của giai đoạn hai được lọc rửa bằng nóng để loại bỏ NaCl. Sau cùng, sản phẩm rắn được làm khô ở 600C trong thời gian 2 giờ.

Đặc tính của coban(II) stearat được đánh giá qua phổ hồng ngoại (IR), ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), phô EDX và phổ phân tích nhiệt vi phân (DTA/TGA).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Mai Ngọc Tâm, “Điều tra, khảo sát và đề xuất công nghệ sử dụng nhựa phế thải để sản xuất VLXD”, Báo cáo tổng kết dự án sự nghiệp kinh tế, Bộ Xây dựng, 2003.

[2] Viện Hóa học - Viện KH&CN Việt Nam, Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị sản xuất màng polyme hấp thụ UV, lọc bức xạ, bền thời tiết ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp”, mã số KC07.23/06-10, Hà Nội, 2010.

[3] Plastics Europe, EuPC, EuPR, EPRO and Consultic, "The Compelling Facts about Plastics-An analysis of European plastics production, demand and recovery for 2008" (2009).

[4] Chiellini E., Corti A., D’Antone S., Baciu R., "Oxo-biodegradable carbon backbone polymers – oxidative degradation of polyethylene under accelerated test conditions", Polym. Degrad. Stab., Vol 91, p. 2739-2747, 2006.

[5] Osawa Z., "Role of metals and metal- deactivators in polymer degradation", Polym. Degrad. Stab., Vol 20, p. 203-236, 1988.

(BBT nhận bài: 02/12/2015, phản biện xong: 14/12/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 89

SỰ PHÂN HỦY CHLOROANILINE BỞI VI KHUẨN ACINETOBECTER BAUMANNII GFJ1 TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỄM MẶN

DEGRADATION OF CHLOROANILINE BY ACINETOBECTER BAUMANNII GFJ1 IN SALINE MEDIUM

Hà Danh Đức

Trường Đại học Đồng Tháp; hadanhduc@gmail.com

Tóm tắt - Chloroaniline là sản phẩm phân hủy từ một số loạithuốc trừ cỏ và nhiều chất hóa học khác.Chloroaniline là nhữnghợp chất hữu cơ độc hại gây ô nhiễm môi trường, nhất là nguồnnước. Acinetobecter baumannii GFJ1 là dòng vi khuẩn có thể sửdụng một số loại chloroaniline như nguồn dinh dưỡng duy nhất.Trong môi trường lỏng, GFJ1 có thể sinh trưởng ở nồng độ 3,6mM 4-chloroaniline và 1,0 mM 3,4-chloroaniline. Nghiên cứu ảnhhưởng của NaCl đối với sự sinh trưởng của vi khuẩn trong môitrường có bổ sung chloroaniline thấy rằng, sự sinh trưởng tỷ lệnghịch với nồng độ muối. A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởngtrong môi trường lỏng có chứa 0,1 mM 4-chloroaniline và 4,5%NaCl, hay0,1 mM 3,4-dichloroaniline và 3,5% NaCl. Tốc độ phânhủy các chất này giảm xuống khi tăng nồng độ NaCl.

Abstract - Chloroanilines are intermediates of decomposition ofsome herbicides and other chemicals. Chloroanilines are toxicorganic compounds which pollute the environment, especially thewater source. Acinetobacter baumannii GFJ1 could use severalchloroanilines as the sources of carbon, nitrogen and energy. Inliquid medium, GFJ1 could grow at the concentrations of 3.6 mM4-chloroaniline and 1.0 mM 3,4-chloroaniline. A study of effects ofNaCl concentrations on the growth of bacteria in the chloroanilineshows that cell growth is inversely proportional to theconcentrations of salt. A. baumannii GFJ1 could grow in the liquidmineral medium containing 0.1 mM 4-chloroaniline and 4.5%NaCl, or 0.1 mM 3,4-dichloroaniline and 3.5% NaCl. Similarly, thebiodegradation rates of these compounds decrease when NaClconcentrations increase.

Từ khóa - Acinetobecter baumannii GFJ1; chloroaniline; sinhtrưởng; phân hủy; NaCl.

Key words - Acinetobecter baumannii GFJ1; chloroaniline;growth; biodegradation; NaCl.

1. Đặt vấn đề

Thuốc diệt cỏ là hóa chất độc hại, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người cũng như nhiều sinh vật khác. Ngày nay, thuốc diệt cỏ hóa học được sử dụng phổ biến ở nước ta cũng như nhiều nước khác trên thế giới. Các loại thuốc diệt cỏ phổ biến có thành phần chứa propanil hay diuron và chúng thường biến đổi thành các sản phẩm trung gian, nhất là 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline [1, 2]. Chẳng hạn 3,4-dichloroaniline được phát hiện trong nước ở ruộng lúa sau khi sử dụng thuốc trừ sâu có thành phần propanil với nồng độ từ 1,0 đến 567,5 µg/l [3].

Ngoài ra, chloroaniline là nguyên liệu chính để sản xuất phẩm nhuộm azo, sử dụng trong công nghiệp chế biến cao su, sản xuất vecni, thuốc chữa bệnh và các sản phẩm khác [4]. Các loại chloroaniline đều có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người dù với nồng độ thấp, chúng gây ung thư và các bệnh khác. Vì độc tính cao và khó phân hủy, chloroaniline được liệt kê trong nhóm các hợp chất độc hại ở châu Âu và trong danh sách các chất gây ô nhiễm quan trọng của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ [5]. Sự tồn dư của các chất này làm ô nhiễm nguồn nước nuôi thủy sản, có thể làm chết cá, tôm và các loài thủy sinh khác. Các nghiên cứu về tồn dư các chất này và sử dụng vi sinh vật để loại bỏ các hợp chất này đã được tiến hành trên thế giới, nhưng chưa được nghiên cứu ở nước ta.

Chloroaniline có thể tồn tại trong nước ngọt, nước lợ và nước mặn. Trong bài này, chúng tôi khảo sát khả năng phân hủy của vi khuẩn A. baumannii GFJ1 đối với 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline, là sản phẩm phân giải chủ yếu từ thuốc trừ cỏ propanil hay diuron trong các môi trường có độ mặn khác nhau.

2. Phương tiện và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vi khuẩn phân hủy chloroaniline

Acinetobecter baumannii GFJ1 là vi khuẩn Gram âm, hiếu khí, có khả năng phân hủy nhiều loại chloroaniline và sử dụng chúng như là nguồn dinh dưỡng hữu cơ duy nhất. A. baumannii GFJ1 là vi khuẩn được phân lập từ đất có tiền sử sử dụng nhiều thuốc diệt cỏ (đất có thể đã bị nhiễm chloroaniline – là sản phẩm phân hủy từ thuốc diệt cỏ), tại phòng thí nghiệm vi sinh Trường Đại học Chulalongkorn (Băng Cốc, Thái Lan).

2.2. Môi trường nuôi vi khuẩn

Vi khuẩn được nuôi cấy trong dung dịch khoáng chất có các thành phần như sau: 1.419,6 mg/l Na2HPO4, 1.360,9 mg/l KH2PO4, 98,5 mg/l MgSO4, 5,88 mg/l CaCl2. 2H2O, 1,16 mg/l H3BO4, 2,78 mg/l FeSO4.7H2O, 1,15 mg/l ZnSO4.7H2O, 1,69 mg/l MnSO4.H2O, 0,38 mg/l CuSO4.5H2O, 0,24 mg/l CoCl2.6H2O và 0,10 mg/l MoO3

[6]. pH được điều chỉnh trong khoảng 7,0 ± 0,1. Môi trường được khử trùng ở nhiệt độ 121oC trong thời gian 15 phút, được để nguội đến nhiệt độ phòng trước khi nuôi cấy vi khuẩn.

2.3. Kiểm tra khả năng sinh trưởng và phân hủy aniline chloroaniline của vi khuẩn

Sự sinh trưởng của vi khuẩn được thực hiện trong môi trường khoáng được bổ sung chất chiết nấm men, (NH4)2SO4 và axit succinic (1,0 g/l mỗi loại). 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline được sử dụng ở các nồng độ khác nhau.

Vi khuẩn được nuôi trong 1,0l môi trường khoáng, được bổ sung thêm chất dinh dưỡng nói trên để kích thích sự sinh trưởng của chúng. Sau 10 giờ, vi khuẩn được ly tâm

90 Hà Danh Đức

5.000 vòng/phút trong thời gian 20 phút. Mẫu vi khuẩn được rửa lại 2 lần bằng nước chưng cất đã khử trùng, sau đó chuyển vào môi trường nuôi cấy mới ở mức độ cô đặc vi khuẩn (3,5x109 vi khuẩn/ml) và sử dụng để phân hủy 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline ở nồng độ 0,1 mM. Tất cả các thí nghiệm được tiến hành với tốc độ lắc 150 vòng/phút và ở nhiệt độ phòng. Mẫu được lấy theo chu kì 3 giờ 1 lần (mỗi lần 1,0 ml) và được bảo quản ở 4oC cho đến khi phân tích. Các thí nghiệm được tiến hành ít nhất 3 lần lặp lại, tại Trường Đại học Chulalongkorn (Thái Lan).

2.4. Phương pháp phân tích

Nồng độ chloroaniline trong dung dịch được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC - High Performance Liquid Chromatography), với cột (5 μm, 250 mm×4,6 mm; Hyperclone, Phenomenex, USA) và đầu dò quang phổ tử ngoại 240 nm. Pha động là hỗn hợp acetonitrile (70%) và nước tinh khiết (30%).

Sự sinh trưởng của vi khuẩn trong môi trường lỏng được thực hiện bằng cách đo độ đục tán xạ ánh sáng quang phổ kế (spectrophotometer) ở bước sóng 600 nm. Sự sinh trưởng thập phân của vi khuẩn được tính theo phương pháp của Zeyer [7]. Hàm lượng protein trích chiết từ vi khuẩn được xác định theo phương pháp Lowry [8], dùng albumin huyết thanh bò (BSA) làm chất chuẩn và được đo ở bước sóng 730 nm.

Sự ức chế phân hủy chloroaniline của vi khuẩn được tính toán dựa trên phương pháp Amor [9]. Tốc độ phân hủy chroaniline (r) phụ thuộc vào nồng độ muối (S). Hệ số ức chế (Ki) được tính toán dựa trên phương trình:

max max i

1 1 S

r r r k

Trong đó rmax là nồng độ muối tối đa.

3. Kết quả và bình luận

3.1. Ảnh hưởng của nồng độ 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline đến sự sinh trưởng của vi khuẩn

Thí nghiệm đánh giá khả năng sinh trưởng của vi khuẩn trong môi trường lỏng được thực hiện nhằm xác định khả năng ứng dụng của vi khuẩn trong với nồng độ 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline khác nhau. Thí nghiệm cho thấy rằng, A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởng ở nồng độ cao nhất là 3,6 mM 4-chloroaniline và 1,0 mM 3,4-dichloroaniline (Hình 1). 34DCA có độc tính cao hơn nên vi khuẩn có khả năng sinh trưởng ở nồng độ thấp hơn. Nghiên cứu trước đây cho thấy, A. baumannii CA2, P. putida CA16 và Klebsiella sp. CA17 có thể sinh trưởng trong môi trường có nồng độ 4-chloroaniline cao nhất là 1,2 mM [10]. Điều này cho thấy A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởng trong môi trường có nồng độ chloroaniline cao. Trong môi trường nuôi vi khuẩn, sự sinh trưởng của chúng có nồng độ 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline từ 0,05 đến 0,4 mM, cao hơn trong môi trường không có chloroaniline, bởi vì chloroaniline là nguồn thức ăn giúp vi khuẩn sinh trưởng tốt hơn. Sự sinh trưởng nhanh nhất trong môi trường có nồng độ 0,1 mM chloroaniline, tức là nồng độ thích hợp nhất đối với vi khuẩn. Tuy nhiên, khi nồng độ chloroaniline cao, sự sinh trưởng của vi khuẩn thấp hơn do độc tính của chúng. Ngoài 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline, sự sinh trưởng của vi khuẩn với sự có mặt của các chloroaniline khác cũng được thực hiện. Chẳng hạn, A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởng trong môi trường chứa tối đa 2,8 mM 3-chloroaniline, nhưng chỉ sinh trưởng trong môi trường có tối đa 0,3 mM 2,4,6-trichloroaniline. 2,4,6-trichloroaniline có độc tính cao hơn các loại chloroaniline kể trên, nên chúng ức chế sự sinh trưởng vi khuẩn ở nồng độ thấp hơn.

Hình 1. Sự sinh trưởng của vi khuẩn ở môi trường không có chloroaniline và có các nồng độ 4-chloroaniline

và 3,4-dichloroaniline khác nhau

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến phân hủy 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline

Chloroaniline có thể tồn tại trong vùng nước lợ hay nước mặn, ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh nuôi trong ao như tôm hay ảnh hưởng đến hệ sinh thái của môi trường biển hay ven biển. Ngoài ra, trong nước thải công nghiệp chứa chloroaniline có thể chứa nồng độ muối cao. Sự

khảo sát khả năng phân hủy chloroaniline ở các nồng độ muối khác nhau có vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng ứng dụng của A. baumannii GFJ1.

Trong môi trường lỏng có nồng độ 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline là 0,1 mM, A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởng ở nồng độ muối tương ứng là 4,5% và 3,5% NaCl (Hình 2). Ở nồng độ 0,5% NaCl, tốc độ sinh trưởng

0,00

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

0 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3 3,4 3,6Sin

h t

rưở

ng

của

vi k

huẩn

th

eo g

iờ

Nồng độ (mM)

Môi trường không có chloroaniline Môi trường bổ sung 4-chloroanilineMôi trường bổ sung 3,4-dichloroaniline

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 91

của vi khuẩn trong môi trường có 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline chênh lệch không đáng kể, nhưng khi nồng độ muối càng cao thì sự sinh trưởng trong môi trường có 4-chloroaniline cao hơn. 3,4-dichloroaniline độc hơn nên vi khuẩn có thể sinh trưởng ở nồng độ muối thấp hơn.

Hình 2. Sự sinh trưởng của vi khuẩn trong môi trường có các

nồng độ 0,1 mM 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline và các nồng độ muối khác nhau

Khảo sát quá trình phân hủy 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline thấy rằng, nồng độ muối càng cao thì sự phân hủy càng chậm lại (Hình 3). Ở nồng độ muối cao, sự chênh lệch áp suất thẩm thấu tăng lên đã ức chế sự hoạt động của vi khuẩn. Ở nồng độ 0,5% NaCl, vi khuẩn gần như phân hủy toàn bộ 4-chloroaniline trong vòng 30 giờ, và 3,4-dichloroaniline trong vòng 24 giờ. Ở các nồng độ 0,5%, 1,5% và 2,5% NaCl, vi khuẩn phân hủy chloroaniline mà không có pha lag. Trong lúc đó, ở nồng độ 3,5% NaCl, chúng cần 6 giờ pha lag và tốc độ phân hủy chậm hơn. Với nồng độ muối cao, vi khuẩn cần có thời gian để thích nghi trước khi sử dụng chloroaniline như là nguồn thức ăn.

Tốc độ phân hủy cụ thể của vi khuẩn đối với 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline (tính theo μM/hr và µM/(mg protein.giờ)) là tương đương nhau và tỷ lệ nghịch với nồng độ muối (Bảng 1). Hàm lượng protein trong các nghiệm thức gần như bằng nhau, nhưng khi tốc độ phân hủy chậm hơn, dẫn đến tốc độ phân hủy tính theo đơn vị protein thấp hơn. Nghiên cứu trước đây thấy rằng,

Myroides odoratimimus LWD09 có thể phân hủy 3,4-dichloroaniline ở nồng độ muối cao nhất là 5%, nhưng không có báo cáo về sự ảnh hưởng của NaCl đến sự phân hủy 4-chloroaniline [10]. Hai dòng vi khuẩn phân hủy 4-chloroaniline là A. denitrificans PA2 và Cellulomonas sp. PA1 có thể sinh trưởng cao nhất là 5% NaCl, nhưng không có báo cáo về ảnh hưởng của muối đến sự phân hủy chloroaniline [11]. Những số trên đây cho thấy A. baumannii GFJ1 có thể chịu đựng được nồng độ muối vừa phải, và có thể ứng dụng để làm sạch nước lợ hay nước mặn. Trong các thí ngiệm trên đây, các đối chứng không có vi khuẩn, không có sự phân hủy chloroaniline nào xảy ra.

Hình 3. Sự phân hủy 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline

trong môi trường có các nồng độ 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline là 0,1 mM và các nồng độ muối khác nhau

Bảng 1. Tốc độ phân hủy thể của 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline trong môi trường có nồng độ muối khác nhau

Nồng độ muối NaCl (%)

3,4-dichloroaniline 4-chloroaniline

Khả năng phân hủy cơ chất (μM/giờ)

Khả năng phân hủy cơ chất [µM/(mg protein.giờ)]

Khả năng phân hủy cơ chất (μM/giờ)

Khả năng phân hủy cơ chất [µM/(mg protein.giờ)]

0 6,65 ± 0,67 0,037 ± 0,007 7,40 ± 0,40 0,042 ± 0,003

0,5 5,37 ± 0,23 0,026 ± 0,002 4,03 ± 0,32 0,020 ± 0,001

1,5 3,40 ± 0,05 0,017 ± 0,001 2,61 ± 0,51 0,014 ± 0,002

2,5 2,91 ± 0,09 0,015 ± 0,001 2,59 ± 0,04 0,012 ± 0,000

3,5 2,53 ± 0,25 0,013 ± 0,001 2,12 ± 0,22 0,010 ± 0,001

Sự ức chế của muối được tính toán để phân tích ảnh hưởng của môi trường nhiễm mặn đến khả năng phân hủy chloroaniline. Kết quả cho thấy, hệ số ức chế của NaCl là 2,66% và 2,76%. Hệ số này thể hiện ngưỡng nồng độ muối mà chúng ức chế sự phân hủy, là mức 1/2 của nồng độ muối ức chế hoàn toàn sự phân hủy cơ chất.

4. Kết luận

A. baumannii GFJ1 có thể sinh trưởng trong môi trường có nồng độ chloroaniline khác nhau, phụ thuộc vào độc tính của chúng. Vi khuẩn có thể sinh trưởng ở nồng độ 3,6 mM 4- chloroaniline, 1,0 mM 3,4-dichloroaniline. Sự phân hủy chloroaniline và sự sinh

0,00

0,04

0,09

0,13

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5

Sự

sin

h t

rưở

ng

của

vi

kh

uẩn

th

eo g

iờ

Nồng độ NaCl (%)

Môi trường bổ sung 4-chloroanilineMôi trường bổ sung 3,4-dichloroaniline

0

20

40

60

80

100

0 12 24 36 48

4-ch

loro

anil

ine

còn

lại (

%)

Thời gian (giờ)

A

0.5% NaCl 1.5% NaCl2.5% NaCl 3.5% NaCl

0

20

40

60

80

100

0 12 24 36 483,4-

dic

hlo

roan

ilin

e cò

n lạ

i (%

)

Thời gian (giờ)

B

0.5% NaCl 1.5% NaCl2.5% NaCl 3.5% NaCl

92 Hà Danh Đức

trưởng của vi khuẩn phụ thuộc vào nồng độ muối trong môi trường. Vi khuẩn có thể sinh trưởng tối đa 4,5% và 3,5% NaCl trong trong môi trường tương ứng có chứa 0,1 mM 4-chloroaniline và 0,1 mM 3,4-dichloroaniline. Ở cùng nồng độ muối, tốc độ phân giải 4-chloroaniline và 3,4-dichloroaniline tương tự nhau. Sự khảo sát khả năng phân hủy chloroaniline ở các nồng độ muối khác nhau cho thấy A. baumannii GFJ1 có tiềm năng ứng dụng để xử lý các nguồn nước khác nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A. Dahchour, G. Bitton, C.M. Coste, J. Bastide, “Degradation of the herbicide propanil in distilled water”, Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 36 (1), 1986, 556-562.

[2] V.E. Herrera-Gonzalez, N. Ruiz-Ordaz, J. Galindez-Mayer, C. Juarez-Ramirez, F. Santoyo-Tepole, E.M. Montiel, “Biodegradation of the herbicide propanil, and its 3,4-dichloroaniline by-product in a continuously operated biofilm reactor”, World Journal of Microbiology and Biotechnology, 29 (3), 2013, 467-474.

[3] Ednei, G.P., Renato, Z., Márcia, H.S., Fábio, F.G., Manoel, L.M., Sérgio, L.O.M., and Enio, M. "Risk assessment of surface water contamination by herbicide residues: monitoring of propanil degradation in irrigated rice field waters using HPLC-UV and confirmation by GC-MS", Journal of the Brazilian Chemical

Society18, 2007, 585-589.

[4] N. Boon, J. Goris, P. De Vos, W. Verstraete, E.M. Top, “Genetic diversity among 3-chloroaniline- and aniline-degrading strains of the Comamonadaceae”, Applied and Environmental Microbiology, 67(3), 2001, 1107-1115.

[5] F. Register, Priority Pollutant List (promulgated by the U.S. Environmental Protection Agency under authority of the Clean Water Act of 1977), Federal Register, 44, 1979, 233.

[6] W. Dejonghe, E. Berteloot, J. Goris, N, Boon, K. Crul, S. Maertens, M. Hofte, P. De Vos, W. Verstraete, E.M. “Top, Synergistic degradation of linuron by a bacterial consortium and isolation of a single linuron-degrading Variovorax”, Applied and Environmental Microbiology, 69 (3), 2003, 1532-1541.

[7] J. Zeyer, A. Wasserfallen, K.N. Timmis, “Microbial mineralization of ring-substituted anilines through an ortho-cleavage pathway”, Applied and Environmental Microbiology, 50 (2), 447-453 (1985).

[8] O.H. Lowry, N.J Rosebrough, A.L. Farr, R.J. Randall, “Protein Measurement with the Folin Phenol Reagent”, Journal of Biological Chemistry, 193 (1), 265-275 (1951).

[9] Amor, L., Kennes, C., and Veiga, M.C. "Kinetics of inhibition in the biodegradation of monoaromatic hydrocarbons in presence of heavy metals", Bioresource technology 78, 2001, 181-185.

[10] Vangnai, A.S., and Petchkroh, W. "Biodegradation of 4-chloroaniline by bacteria enriched from soil", FEMS microbiology letters 268, 2007, 209-216.

(BBT nhận bài: 16/12/2015, phản biện xong: 13/01/2016)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 93

ÁP DỤNG HỌC MÁY DỰA TRÊN LẬP TRÌNH DI TRUYỀN TRONG TÌM KIẾM WEB XUYÊN NGỮ

LEARNING TO RANK BASED ON GENETIC PROGRAMMING FOR CROSS-LANGUAGE WEB SEARCH

Lâm Tùng Giang1, Võ Trung Hùng2, Huỳnh Công Pháp3 1Văn phòng UBND thành phố Đà Nẵng; gianglt@gmail.com

2Đại học Đà Nẵng; vthung@dut.udn.vn 3Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin, Đại học Đà Nẵng; phaphc@gmail.com

Tóm tắt - Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực truy vấn thôngtin xuyên ngữ giới hạn xem xét các tài liệu văn bản và chú trọngxử lý vấn đề dịch thuật. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất ápdụng học xếp hạng dựa trên kỹ thuật lập trình di truyền nhằmtăng hiệu quả của hệ thống tìm kiếm web xuyên ngữ. Cụ thể,chúng tôi đề xuất 2 phương pháp xây dựng các hàm xếp hạngmới dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm xếp hạng cơ sở.Đồng thời, chúng tôi cũng đề xuất 2 mô hình xếp hạng lân cận,ứng dụng trong truy vấn xuyên ngữ. Trong thí nghiệm với một hệthống tìm kiếm web xuyên ngữ Việt-Anh, điểm số MAP trung bìnhsử dụng phương pháp kiểm định 5-thư mục của các mô hình đềxuất là 0,4640 và 0,4585, vượt trội so với điểm MAP 0,3742 củacấu hình cơ sở - sử dụng bản dịch thủ công.

Abstract - Most studies in the field of Cross-Language InformationRetrieval consider the documents as plain texts and mainly focus ontranslation problems. In this article, we follow the learning to rankapproach based on Genetic Programming to improve rankingperformance of a cross-language web search system. We alsointroduce 2 proximity models, applied in cross-language informationretrieval. We propose linear combinations of weak rankers for re-ranking the retrieved documents. In our experiment with aVietnamese - English cross-language web search system, theperformance measured by the MAP score and reported by a 5-foldcross validation of proposed models is 0.4640 and 0.4585. Theseresults outperform the MAP score of 0.3742 given by the baselineconfiguration, using the manual translation.

Từ khóa - tìm kiếm xuyên ngữ; lân cận; xếp hạng lại; học xếphạng; lập trình di truyền; tìm kiếm web.

Key words - Cross Language Information Retrieval (CLIR);proximity; re-ranking; learning to rank; Genetic Programming; websearch.

1. Đặt vấn đề

Với khối lượng khổng lồ các tài liệu trực tuyến trên World Wide Web và số lượng ngày càng tăng người sử dụng từ các quốc gia khác nhau, truy vấn thông tin xuyên ngữ (Cross-Language Information Retrieval hay CLIR) trở thành một công cụ hữu hiệu với vai trò giúp người sử dụng vượt qua các rào cản ngôn ngữ để truy cập thông tin được viết bằng các ngôn ngữ khác nhau. Trọng tâm nghiên cứu trong lĩnh vực CLIR là vấn đề dịch thuật [1]. Cách tiếp cận phổ biến trong CLIR là dịch câu truy vấn từ ngôn ngữ nguồn (ngôn ngữ câu truy vấn) sang ngôn ngữ đích (ngôn ngữ tài liệu) bằng các kỹ thuật khác nhau như sử dụng từ điển, kho ngữ liệu song song, sử dụng máy dịch hay dựa trên ontology. Bản dịch câu truy vấn sau đó được sử dụng để tìm kiếm các văn bản ở ngôn ngữ đích.

Do sự hạn chế của các kho ngữ liệu song song và các ontology, phương pháp sử dụng từ điển là cách tiếp cận phổ biến nhằm xây dựng các hệ thống truy vấn CLIR có liên quan tiếng Việt [2]. Phân tích các kết quả tại các nghiên cứu cho thấy một số vấn đề. Thứ nhất, mô-đun dịch thuật độc lập với hệ thống truy vấn. Thứ hai, các nghiên cứu giới hạn xem xét các tài liệu văn bản (plain text). Điều này không phản ánh thực tế là người sử dụng thường tìm kiếm các tài liệu web với cấu trúc HTML.

Trong bài này, chúng tôi đề xuất một cách tiếp cận mới nhằm tăng hiệu năng của các hệ thống tìm kiếm Web xuyên ngữ. Chúng tôi sử dụng các thông tin kết xuất trong quá trình dịch cũng như khai thác cấu trúc của các tài liệu Web để định nghĩa các hàm xếp hạng cơ sở. Trong số này, 2 hàm xếp hạng xấp xỉ lần đầu tiên được giới thiệu và áp dụng cho truy vấn thông tin xuyên ngữ. Chúng tôi

đề xuất 2 mô hình học máy dựa trên lập trình di truyền nhằm xây dựng hàm xếp hạng kết quả tìm kiếm dưới dạng một tổ hợp tuyến tính của các hàm xếp hạng cơ sở.

Bài báo được tổ chức như sau: phần 2 trình bày cơ sở lý thuyết. Trong phần 3, chúng tôi trình bày cách xây dựng các hàm xếp hạng lân cận, 2 phương án học xếp hạng và thiết kế hệ thống tìm kiếm web xuyên ngữ. Phần 4 trình bày nội dung thử nghiệm và phần 5 tổng kết, đánh giá kết quả nghiên cứu.

2. Cơ sở lý thuyết

Trong phần này, chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết liên quan mô hình xếp hạng OKAPI BM25, lĩnh vực học máy, giới thiệu các kết quả nghiên cứu về mô hình xếp hạng lân cận và xếp hạng trang Web.

2.1. Mô hình xếp hạng OKAPI BM25

OKAPI BM25 là một mô hình truy vấn xác suất dựa trên mô hình nhị phân độc lập. Mô hình này sử dụng lần xuất hiện của từ khóa trong tài liệu, độ dài tài liệu để tính trọng số các từ khóa trong tài liệu và trong câu truy vấn. Với một từ khóa ti trong tài liệu d, trọng số wi tương ứng với ti có thể được tính như sau [3]:

i

ii tf+K

tf)+(k=w 11

(1)

trong đó:

)1((avdl

lb+b)k=K

với l là độ dài tài liệu, avdl là độ dài trung bình của các tài liệu, b là hằng số (gán giá trị 0.9), k là hằng số (được gán

94 Lâm Tùng Giang, Võ Trung Hùng, Huỳnh Công Pháp

giá trị 2), k1 là hằng số (được gán giá trị 1.2) và tfi là tần suất xuất hiện của từ khóa ti trong tài liệu d.

Với từ khóa ti trong câu truy vấn q, một hàm khác được áp dụng:

)df

dfn(

qtf+k

qtf=qw

i

i

i

ii

log

3 (2)

trong đó qtfi là tần suất xuất hiện của từ khóa ti trong câu truy vấn, dfi là số tài liệu chứa từ khóa ti, n là số tài liệu trong kho tài liệu và k3 là hằng số (được gán giá trị 1000). Điểm số của tài liệu d đối với câu truy vấn q khi đó được tính bằng công thức sau:

i

iiokapi qww=qdscore ),( (3)

2.2. Học máy

Các hàm xếp hạng đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống truy vấn thông tin và chịu trách nhiệm gán điểm cho các tài liệu trong kho tài liệu, sau đó sắp xếp các tài liệu theo thứ tự giảm dần của điểm. Các mô hình xếp hạng phổ biến bao gồm TF-IDF, BM25, LSI. Cho trước một danh sách các mô hình xếp hạng cơ sở, xếp hạng tổng hợp là quá trình kết hợp các hàm xếp hạng cơ sở để xây dựng một hàm xếp hạng mới, cho kết quả xếp hạng tốt hơn. Các phương pháp truyền thống như phương pháp Borda hay CombMNZ kết hợp thứ tự xếp hạng của các hàm xếp hạng cơ sở [4].

Gần đây, xu hướng học xếp hạng (Learning-to-Rank hay L2R) xuất hiện, kết nối các kết quả nghiên cứu trong các lĩnh vực học máy, truy vấn thông tin và xử lý ngôn ngữ tự nhiên. Các phương pháp học máy sử dụng dữ liệu huấn luyện và xây dựng mô hình xếp hạng mới dựa trên dữ liệu huấn luyện. Một số thuật toán học xếp hạng có giám sát bao gồm PRank, Rank SVM, RankNet, LamdaRank, LamdaMart, ListNet với chi tiết có thể xem tại [5].

Lập trình di truyền, được giới thiệu tại [6], là một kỹ thuật tính toán dựa trên thuyết tiến hóa, cho phép tìm thấy chương trình máy tính tối ưu được tạo để giúp con người giải quyết một vấn đề cụ thể. Trong lập trình di truyền, mỗi giải pháp tiềm năng (ví dụ một hàm xếp hạng) là một cá thể trong một quần thể các giải pháp. Các phương pháp tái sinh, lai ghép, đột biến được áp dụng qua một số thế hệ tiến hóa. Quá trình tiến hóa sẽ giúp xác định cá thể với độ thích nghi cao nhất, được coi là giải pháp tối ưu. Một số nghiên cứu cho thấy lập trình di truyền có thể được áp dụng đối với bài toán học xếp hạng [7], [8].

2.3. Mô hình xếp hạng lân cận

Trong các mô hình truy vấn thông tin truyền thống, các tài liệu được biểu diễn như “túi từ” (bags of words) và được tính điểm dựa trên các chỉ số thống kê như: tần suất từ, tần suất nghịch đảo của tài liệu, độ dài tài liệu. Một hạn chế của các mô hình này là chúng không khai thác mối liên hệ giữa các từ khóa cùng xuất hiện trong câu truy vấn. Một cách cảm quan, nếu một tài liệu chứa các thuật ngữ truy vấn đứng gần nhau, tài liệu đó được xếp hạng trên một tài liệu khác cũng chứa các thuật ngữ này, nhưng với khoảng cách xa hơn.

Mô hình hóa xếp hạng lân cận là một xu hướng nghiên cứu trong truy vấn thông tin, tích hợp yếu tố lân cận của

các từ khóa trong hàm xếp hạng. Hai xu hướng phổ biến bao gồm dựa trên đoạn (span-based) và dựa trên cặp từ (pair-based). Trong xu hướng thứ nhất, span được định nghĩa như một đoạn văn bản chứa tất cả các từ khóa truy vấn trong tài liệu. Điểm lân cận của một tài liệu tương ứng với một câu truy vấn tỷ lệ thuận với số span và tỷ lệ nghịch với độ dài của span [9]. Trong xu hướng thứ hai, các tác giả đưa ra các công thức khác nhau để tính điểm lân cận cho từng cặp từ trong tài liệu, sau đó tính điểm lân cận của tài liệu bằng cách cộng dồn các điểm lân cận của tất cả các cặp từ khóa truy vấn xuất hiện trong tài liệu [3]. Một mô hình lân cận có thể được áp dụng để xếp hạng lại các tài liệu truy vấn sau lần tìm đầu tiên, hoặc có thể được xây dựng trong quá trình chỉ mục hóa văn bản.

Các hàm xếp hạng lân cận đóng vai trò hỗ trợ, cho phép tăng thứ hạng của các tài liệu phù hợp, nếu trong nội dung chứa các từ khóa truy vấn có khoảng cách gần nhau. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 hàm xếp hạng lân cận ứng dụng cho truy vấn xuyên ngữ và sử dụng như các hàm xếp hạng cơ sở để học hàm xếp hạng mới.

2.4. Xếp hạng trang Web

Truy vấn thông tin trên Web có sự khác biệt so với truy vấn thông tin truyền thống, sử dụng chủ yếu cho các hệ thống thư viện. Một tài liệu HTML chứa các thành phần khác nhau như tiêu đề, tóm tắt, nội dung. Nó cũng thường chứa các thành phần đặc biệt như liên kết, neo, thẻ meta. Các thành phần có ảnh hưởng khác nhau trong tìm kiếm. Ví dụ, tài liệu với từ khóa tìm kiếm xuất hiện trong tiêu đề thường được giả định là phù hợp hơn so với tài liệu có từ khóa chứa trong thân bài. Tại [10], các tác giả đã phân tích cấu trúc tài liệu HTML để xây dựng các chỉ mục riêng cho các thành phần tiêu đề, thân bài, neo. Tại [11], các thành phần khác nhau của một tài liệu HTML được định nghĩa dựa trên cách xuất hiện, nội dung và đề xuất một số tổ hợp tuyến tính của các điểm số. Tại [12], các tác giả định nghĩa các đặc tính của trang web, đồng thời đưa ra khái niệm Class Importance Vector để gán mức độ quan trọng đối với mỗi đặc tính và áp dụng phương pháp heuristic để kết hợp các hàm xếp hạng. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất sử dụng phương pháp học máy nhằm “học” tổ hợp tuyến tính kết hợp các hàm xếp hạng cơ sở.

3. Giải pháp đề xuất

Trong phần này, chúng tôi trình bày thiết kế của một hệ thống tìm kiếm web xuyên ngữ cho cặp ngôn ngữ tiếng Việt và tiếng Anh. Tại bài báo này, chúng tôi định nghĩa các hàm xếp hạng cơ sở và áp dụng kỹ thuật học xếp hạng để xây dựng một hàm xếp hạng mới.

3.1. Mô hình học xếp hạng

Trong bài báo, 2 mô hình học xếp hạng dựa trên lập trình di truyền được đề xuất nhằm “học” hàm xếp hạng dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm xếp hạng cơ sở. Mô hình thứ nhất sử dụng dữ liệu huấn luyện chứa điểm số gán cho các thành phần trong các tài liệu HTML và nhãn xác định tài liệu có phù hợp hay không so với câu truy vấn. Mô hình thứ hai chỉ sử dụng điểm số gán cho các thành phần trong các tài liệu HTML, sau đó so sánh thứ tự xếp hạng của các hàm ứng viên so với các hàm xếp

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 95

hạng cơ sở. Nội dung tiếp theo mô tả các thành phần của các mô hình học máy dựa trên lập trình di truyền.

3.1.1. Cá thể

Với một tập n hàm xếp hạng cơ sở F0, F1,…, Fn, mỗi cá thể được xem xét có dạng một hàm tuyến tính f kết hợp các hàm xếp hạng cơ sở:

(4)

Với là các số thực, d là tài liệu cần gán điểm. Mục đích của chúng ta là xác định hàm f cho kết quả xếp hạng tốt nhất.

3.1.2. Hàm phù hợp

Hàm phù hợp (fitness function) xác định mức độ thích nghi của mỗi cá thể. Hàm phù hợp được sử dụng trong mô hình học xếp hạng có giám sát được đề xuất là giá trị MAP (Mean Average Precision) và được tính toán bằng thuật toán 1:

Thuật toán 1: tính độ phù hợp (có giám sát)

Input: Hàm ứng viên f, tập các câu truy vấn Q

Output: mức độ phù hợp của hàm f

n = 0; sap = 0;

for each câu truy vấn q do

n+=1;

tính điểm mỗi tài liệu bởi hàm xếp hạng f;

ap = độ chính xác trung bình cho hàm xếp hạng f;

sap += ap;

end

map = sap/n

return map

Hàm phù hợp được sử dụng trong mô hình học xếp hạng không giám sát được xây dựng dựa trên ý tưởng được trình bày tại [13] về sự thống nhất giữa các hàm xếp hạng. Gọi r(i,d,q) là thứ hạng của tài liệu d trong danh sách kết quả tìm kiếm bằng câu truy vấn q, sử dụng hàm xếp hạng Fi, rf(d,q) là thứ hạng của tài liệu d trong danh sách kết quả tìm kiếm bằng câu truy vấn q, sử dụng hàm xếp hạng f, thuật toán được trình bày như sau:

Thuật toán 2: tính độ phù hợp (không giám sát)

Input: Hàm ứng viên f, tập các câu truy vấn Q

Output: mức độ phù hợp của hàm f

s_fit = 0;

for each câu truy vấn q do

tính điểm mỗi tài liệu bởi hàm xếp hạng f;

D = tập hợp 200 tài liệu đứng đầu;

for each tài liệu d in D do

k+=1;d_fit = 0;

for i=0 to n do

d_fit +=distance(i,k,q)

end

s_fit += d_fit

end

end

return s_fit

Chúng tôi thử nghiệm 3 phương án của hàm distance(i,k,q) được sử dụng trong thuật toán 2 như sau:

Bảng 1. Các phương án hàm distance

distance(i,k,q)

1 abs(r(i,d,q)-rf(d,q))

2 abs(r(i,d,q)-rf(d,q))/log(k+1)

3 (r(i,d,q)-rf(d,q))/ k

3.1.3. Quá trình huấn luyện

Quá trình huấn luyện được thực hiện như sau:

Thuật toán 3: Học xếp hạng

Input: Ng = số thế hệ, Np: kích thước quần thể, Nc:tốc độ lai ghép, Nm: tốc độ đột biến

Output:

Tạo lập quần thể đầu tiên, mỗi cá thể có dạng hàmtuyến tính của các hàm F0, F1,…,Fn

Thực hiện những tác vụ sau Ng thế hệ:

Với mỗi cá thể tính giá trị hàm phù hợp;

Chọn cá thể có giá trị hàm phù hợp tốt nhất;

Tạo quần thể mới bằng cách thực hiện các hàm táisinh, lai ghép, đột biến với tốc độ tương ứng;

F_best = cá thể tốt nhất;

return f_best

Với mô hình học máy giám sát, cá thể tốt nhất có giá trị map trả về cao nhất; với mô hình học máy không giám sát, đó là cá thể có giá trị trả về s_fit nhỏ nhất.

3.2. Hàm xếp hạng lân cận

Chúng tôi định nghĩa hai hàm xếp hạng lân cận áp dụng cho truy vấn thông tin xuyên ngữ, được sử dụng như các hàm xếp hạng cơ sở phục vụ trong quá trình học xếp hạng mô tả tại mục 3.1.

3.2.1. Hàm xếp hạng CL-Rasolofo

Hàm xếp hạng lân cận CL-Rasolofo được đề xuất dựa trên ý tưởng trình bày tại [3]. Trong bài báo này, chúng tôi phát triển phiên bản hàm xếp hạng lân cận áp dụng cho truy vấn thông tin xuyên ngữ. Với một đoạn văn bản s và một cặp từ khóa (ti,tj), hàm khoảng cách cặp từ tpi được định nghĩa như sau:

, ,1

, , (5)

Ở đây, , , là khoảng cách giữa 2 từ khóa ti và tj trong đoạn văn bản s. Từ đây, với cặp từ v1, v2 trong câu truy vấn ở ngôn ngữ nguồn và đoạn văn bản s ở ngôn ngữ đích, chúng tôi đề xuất phiên bản xuyên ngữ của hàm khoảng cách cặp từ như sau:

96 Lâm Tùng Giang, Võ Trung Hùng, Huỳnh Công Pháp

, , , ,∈ , ∈

(6)

Ở đây, T(vi) là tập hợp các phương án dịch của vi.

Với tập hợp Sents bao gồm tất cả các câu trong tài liệu d, hàm lân cận của 2 từ khóa v1 và v2 được định nghĩa:

, , ,∈

(7)

Đối với tập T(w) chứa tất cả các bản dịch ứng viên của thuật ngữ w, hàm idf(T(w)) được định nghĩa như sau:

log0.5

0.5 (8)

trong đó N là tổng số tài liệu, n(T(w)) là số tài liệu chứa ít nhất một từ trong tập hợp T(w).

Cuối cùng, với câu truy vấn q ở ngôn ngữ nguồn và tài liệu d ở ngôn ngữ đích, hàm xếp hạng lân cận xuyên ngữ CL-Rasolofo được định nghĩa bằng công thức:

,, 1 1

,, ∈ ;

(9)

Ở đây, m(i,j) là giá trị nhỏ nhất giữa hai giá trị idf(T(vi)) và idf(T(vj)). Các giá trị k1 và K có được tính toán tương tự như tại mục 2.1 của bài báo.

3.2.2. Hàm xếp hạng CL-HighDensity

Hàm xếp hạng lân cận CL-HighDensity được định nghĩa dựa trên việc xem xét các câu trong tài liệu chứa nhiều từ khóa truy vấn. Cụ thể, ký hiệu S(text) là tập hợp các câu trong văn bản text, Sdensity(text) là tập con của S(text), bao gồm các câu chứa bản dịch của ít nhất 2 từ khóa truy vấn. textdensity là văn bản mới tạo bằng cách nối các câu trong Sdensity(text). Hàm xếp hạng lân cận được định nghĩa bằng công thức:

q)(textscore=qdscore densityokapiyHighDensitCL ,),( (10)

trong đó, scoreokapi được tính dựa trên mô hình xếp hạng OKAPI BM25 như ở công thức (3).

3.3. Thiết kế hệ thống

Hệ thống tìm kiếm web xuyên ngữ sử dụng kết quả trình bày tại [14]. Từ câu truy vấn tiếng Việt qv, mô-đun dịch thuật tạo câu truy vấn tiếng Anh dưới dạng:

, , … , , …

, , … , , … (11)

Ở đây, với mỗi giá trị i, T(vi) = ei,1, …, ei,ni là tập hợp các phương án dịch của từ khóa vi, được gán với trọng số wi,1,…,wi,ni; t1,…,tm là tập hợp các từ khóa mở rộng với các trọng số w1,..wm.

Chúng tôi sử dụng máy tìm kiếm đơn ngữ tiếng Anh trên nền tảng công cụ mã nguồn mở Solr, sử dụng mô hình xếp hạng TF-IDF và cho phép đánh chỉ mục trên nhiều trường. Mỗi tài liệu web trong kho tài liệu được bóc tách các thành phần tiêu đề (tương ứng thẻ <TITLE>) và nội dung (tương ứng thẻ <BODY>) của mỗi tài liệu. Thành

phần tóm tắt của mỗi tài liệu được định nghĩa như phần văn bản tương ứng thẻ <H2>. Nếu không có thẻ này, 200 ký tự đầu tiên của nội dung được coi như phần tóm tắt.

Có 4 hàm xếp hạng cơ sở F0, F1, F2, F3 được tạo, gán điểm cho các tài liệu tương ứng với điểm của máy tìm kiếm đơn ngữ tiếng Anh cho các tài liệu khi thực hiện tìm kiếm giới hạn theo các trường khác nhau của trang web: toàn văn, tiêu đề, tóm tắt và nội dung. Bên cạnh đó, 3 mô hình xếp hạng khác cũng được áp dụng, bao gồm mô hình BM25, các mô hình xếp hạng lân cận CL-Rasolofo và CL-HighDensity được định nghĩa tại mục 3.1, áp dụng cho các thành phần của trang Web. Cụ thể, ta có các hàm F4, F5 và F6 gán điểm cho tài liệu tương ứng điểm tìm kiếm theo tiêu đề, tóm tắt và nội dung sử dụng mô hình xếp hạng BM25; các hàm F7, F8, F9 sử dụng điểm xếp hạng lân cận CL-Rasolofo và các hàm F10, F11, F12 sử dụng điểm xếp hạng lân cận CL-HighDensity. Tổng cộng, ta thu được 12 hàm xếp hạng cơ sở F0,…, F12.

Với câu truy vấn có cấu trúc được tạo bởi mô-đun dịch, mô-đun Querying-By-Fields được thực hiện để tính toán giá trị các hàm F0, F1, F2, F3 và tải về danh sách 200 tài liệu xếp hạng cao nhất tương ứng là L0, L1, L2, L3. Một danh sách tài liệu Lm được tạo từ tất các danh sách này. Với các tài liệu trong Lm, mô-đun Additional-Ranking gán điểm cho các tài liệu, sử dụng mô hình BM25 và các mô hình xếp hạng lân cận CL-Rasolofo và CL-HighDensity. Mô-đun Learning-To-Rank học các tham số để tạo tổ hợp tuyến tính của các hàm xếp hạng cơ sở, từ đó tạo hàm xếp hạng cuối cùng, được sử dụng bởi mô-đun Joint-Ranking để sắp xếp lại các tài liệu.

4. Kết quả thử nghiệm

4.1. Cấu hình thử nghiệm

Thí nghiệm sau được triển khai nhằm đánh giá các mô hình học xếp hạng đề xuất. Đầu tiên, 24000 tài liệu tiếng Anh được thu thập từ Web. Các tài liệu được đánh chỉ mục như mô tả tại mục 3.3. Tổng cộng 50 câu truy vấn tiếng Việt với độ dài 8,73 từ được sử dụng để kiểm tra hiệu năng của hệ thống. Phương pháp pooling [15] được sử dụng để xây dựng bộ dữ liệu kiểm thử. Thuật toán học xếp hạng đề xuất được kiểm tra với các cấu hình sau:

Cấu hình baseline: các câu truy vấn được dịch thủ công, điểm xếp hạng tương ứng với điểm xếp hạng khi tìm kiếm toàn văn.

Cấu hình google: các câu truy vấn được dịch bằng cách sử dụng máy dịch Google, điểm xếp hạng tương ứng với điểm xếp hạng khi tìm kiếm toàn văn.

Cấu hình SQ: sử dụng bản dịch có cấu trúc.

Cấu hình SC: kết quả học xếp hạng có giám sát.

Các cấu hình UC1, UC2, UC3: kết quả học xếp hạng không giám sát, tương ứng với 3 cấu hình hàm phù hợp định nghĩa tại Bảng 1.

4.2. Kết quả thử nghiệm

Bảng 2 mô tả kết quả thử nghiệm, trong đó cột 2 thể hiện trung bình điểm số MAP (Mean Average Prevision), sử dụng phương pháp kiểm định 5 thư mục (5-fold validation).

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 97

Bảng 2. Kết quả thử nghiệm

Cấu hình Giá trị MAP

Baseline 0.3742

Google 0.3548

SQ 0.4307

SC 0.4640

UC1 0.4284

UC2 0.4394

UC3 0.4585

Cấu hình SC cho điểm MAP cao nhất 0.4640, bằng 124% so với cấu hình cơ sở. Tuy áp dụng phương pháp học máy không giám sát, cấu hình UC3 cũng cho kết quả điểm MAP là 0,4585; cao hơn cấu hình SQ 6,4% và cấu hình baseline 17,4%.

5. Kết luận

Trong bài báo, chúng tôi đề xuất 2 mô hình học xếp hạng dựa trên lập trình di truyền nhằm xếp hạng lại kết quả tìm kiếm các trang Web trong hệ thống tìm kiếm Web xuyên ngữ. Đóng góp của bài báo là việc đề xuất 2 mô hình xếp hạng lân cận CL-Rasolofo và CL-HighDensity áp dụng trong tìm kiếm xuyên ngữ. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng đề xuất bóc tách và đánh chỉ mục các thành phần nội dung trong trang web trong máy tìm kiếm nhằm định nghĩa tập hợp các hàm xếp hạng cơ sở, được sử dụng trong quá trình học xếp hạng dựa trên lập trình di truyền phục vụ tìm kiếm hàm xếp hạng mới dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm xếp hạng cơ sở.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Dong Zhou, Mark Truran, Tim Brailsford, Vincent Wade, and Helen Ashman, "Translation techniques in cross-language information retrieval", ACM Computing Surveys, 45(1), 2012, pp. 1–44.

[2] Nguyen Han Doan, "Vietnamese-English Cross-language information retrieval (CLIR) using bilingual dictionary",

International Workshop on Advanced Computing and Applications Ho Chi Minh City, 2007.

[3] Yves Rasolofo and Jacques Savoy, "Term Proximity Scoring for Keyword-Based Retrieval Systems", Lecture Notes in Computer Science, 2003, pp. 207–218.

[4] Sibel Adali, Brandeis Hill, and Malik Magdon-Ismail, "Information vs. Robustness in rank aggregation: Models, algorithms and a statistical framework for evaluation", Journal of Digital Information Management, 5(5), 2007, pp. 292–308.

[5] T. Y. Liu, Learning to rank for information retrieval. Springer, 2011.

[6] John R. Koza, "The genetic programming paradigm: Genetically breeding populations of computer programs to solve problems", Dynamic, Genetic, and Chaotic Programming, 1992, pp. 203–321.

[7] Li Wang, Weiguo Fan, Rui Yang, Wensi Xi, Ming Luo, Ye Zhou, and Edward a Fox, "Ranking Function Discovery by Genetic Programming for Robust Retrieval", NIST Special Publication 500-255: The Twelfth Text REtrieval Conference (TREC 2003), 2003, pp. 828–836.

[8] Weiguo Fan Weiguo Fan, M. D. Gordon, P. Pathak, Wensi Xi Wensi Xi, and E. a. Fox, "Ranking function optimization for effective Web search by genetic programming: an empirical study", 37th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, 2004. Proceedings of the, 2004, pp. 105–112.

[9] K. M. Svore, P. H. Kanani, and N. Khan, "How Good is a Span of Terms? Exploiting Proximity to Improve Web Retrieval", Proceedings of the 33rd international ACM SIGIR conference on Research and development in information retrieval, 2010, pp. 154–161.

[10] M. Cutler, Y. Shi, and W. Meng, "Using the Structure of HTML Documents to Improve Retrieval", Proceedings of the USENIX Symposium on Internet Technologies and Systems: December 8--11, 1997, Monterey, California, 1997, pp. 241–252.

[11] H. Yunhua, H. Yunhua, X. Guomao, X. Guomao, S. Ruihua, S. Ruihua, H. Guoping, and H. Guoping, "Title Extraction from Bodies of HTML Documents and its Application to Web Page Retrieval", on Research and Development in Information Retrieval, 2005, pp. 250–257.

[12] Manjit Singh, Dheerendra Singh, and Surender Singh, "Use of HTML Tags in Web Search", 8(2), 2015, pp. 8–14.

[13] Alexandre Klementiev, Dan Roth, and Kevin Small, "An Unsupervised Learning Algorithm for Rank Aggregation", Proceedings of European Conference on Machine Learning, 2007.

[14] Lam Tung Giang, Vo Trung Hung, and Huynh Cong Phap, "Improve Cross Language Information Retrieval with Pseudo-Relevance Feedback", FAIR, 2015, pp. 315–320.

[15] K. Sparck Jones and C. J. Van Rijsbergen, "Information retrieval test collections", Journal of Documentation, 32(1), 1976, pp. 59–75.

(BBT nhận bài: 09/12/2015, phản biện xong: 25/12/2015)

98 Trần Đức Học, Nguyễn Quang Trung, Phạm Anh Đức, Mai Anh Đức

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HÓA VI PHÂN ĐA MỤC TIÊU TRONG TỐI ƯU TIẾN ĐỘ VÀ CHI PHÍ CHO DỰ ÁN

RESEARCHING ON APPLICATION OF MULTIPLE OBJECTIVE DIFFERENTIAL EVOLUTION ALGORITHM TO SOLVE TIME-COST TRADE OFF PROBLEMS

IN CONSTRUCTION PROJECTS

Trần Đức Học, Nguyễn Quang Trung, Phạm Anh Đức, Mai Anh Đức

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng tdhoc@dut.udn.vn; nqtrung@dut.udn.vn; paduc@dut.udn.vn; maduc@dut.udn.vn

Tóm tắt - Bên cạnh tiêu chí chất lượng, thời gian và chi phí là haiyếu tố tiên quyết trong việc xác định sự thành công của một dựán xây dựng. Tuy nhiên, hầu hết các dự án xây dựng gắn liền vớinguồn vốn đầu tư hay chi phí bị giới hạn. Thực tế cho thấy rằng,rút ngắn thời gian thực hiện dự án với chi phí xác định ban đầusẽ mang lại hiệu quả cao. Vì vậy, tối ưu hóa tiến độ và chi phíđóng vai trò vô cùng quan trọng đối với thành công của một dựán xây dựng. Bài báo này đề xuất mô hình tối ưu hóa dựa trênthuật toán tiến hóa vi phân để giải quyết bài toán tối ưu thời gianvà chi phí. Mô hình đề xuất được kiểm chứng thông qua một dựán nhà dân dụng. Kết quả tính toán là các giải pháp tối ưu giúpcác nhà quản lý có các giải pháp phù hợp. Bên cạnh đó, kết quảtính toán thể hiện được hiệu quả của thuật toán di truyền khi sosánh với các giải thuật khác NSGA-II và MOPSO.

Abstract - Along with quality criteria, time and cost are two crucial factorsplaying an important role in the success of a construction project.However, a number of current construction projects are related with thelimitation of the budget or financial source. In construction industry,reducing the implementation time of the project without increasing thebudget will be considerably beneficial for the owners. Therefore, trade-offoptimization between time and cost is essential for the improvement ofbenefit of construction projects. This study presents a novel optimizationmodel named Multiple Objective Differential Evolution (MODE) algorithmto deal with the time-cost trade-off problems. A numerical case study of anapartment project is used to illustrate the application of MODE. Theresearch result shows that non-dominated solutions generated by MODEassist project managers in choosing appropriate plans. In addition, thesufficiency of the proposed optimization algorithm, MODE, is verified bycomparing the solutions of this model with those of other commonly-usedoptimization algorithm including Non-dominated Sorting Genetic Algorithm(NSGA-II), Multiple Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO).

Từ khóa - quản lý xây dựng; tiến độ; thời gian; chi phí; vi phântiến hóa.

Key words - construction management; scheduling; time; cost;differential evolution.

1. Đặt vấn đề

Thời gian và chi phí gắn bó chặt chẽ và tương hỗ với nhau trong các dự án xây dựng. Thông thường, rút ngắn thời gian thi công đi liền với việc tăng chi phí thực hiện của dự án. Do đó, khả năng tối ưu đồng thời hai yếu tố thời gian và chi phí sẽ quyết định sự thành công của các công ty xây dựng trong sự cạnh tranh khốc liệt với các đối thủ. Vì vậy, tối ưu việc cân bằng hai yếu tố này là vấn đề cực kỳ quan trọng đối với với các nhà quản lý xây dựng. Trong thời gian qua, nhiều phương pháp đã được đề xuất để tối ưu bài toán thời gian và chi phí bằng cách chọn các tổ hợp các phương án thi công tối ưu cho các công việc. Các phương pháp này bao gồm: Phương pháp tìm kiếm (Heuristic-based approaches) [1]; Phương pháp quy hoạch toán học sử dụng các chương trình như quy hoạch tuyến tính (linear programming) [2]. Nhiều năm qua, các nhà khoa học trong nước và quốc tế đã sử dụng các thuật toán dựa trên nền tảng tiến hóa (evolutionary-based optimization algorithm). Trong đó, Luan and Nhan [3] nghiên cứu ứng dụng thuật toán thuật toán đàn kiến – Ant Colony Algorithm nhằm tối ưu thời gian và chi phí cho dự án xây dựng. Trang [4] xây dựng phần mềm WinQSB tối ưu thời gian và chi phí của phầm ngầm dự án Nhà điều hành Điện lực Đà Nẵng. Feng và các đồng nghiệp [5], Li và các cộng sự [6] đề xuất ứng dụng thuật toán di truyền và phương pháp miền tối ưu để giải quyết bài toán thời gian chi phí. Yang [7] phát triển thuật toán bầy đàn tối ưu đa mục tiêu. Ng and Zhang [8], Afsh và các cộng sự [9] đưa ra thuật toán đa mục tiêu dựa vào thuật toán đàn kiến để tối ưu bài toán thời gian chi phí.

Thuật toán tiến hóa vi phân – Differental Evolution

(THVP) là thuật toán tiến hóa rất hữu hiệu cho việc giải các bài toán tối ưu toàn cục. THVP đã được chứng minh là hiệu quả và hội tụ nhanh trong việc giải bài toán đơn mục tiêu [10]. Những điểm mạnh của thuật toán THVP đã được nhiều nhà nghiên cứu áp dụng để giải bài toán đa mục tiêu, với nhiều công bố minh chứng sự vượt trội của thuật toán THVP [11]. Đó là động lực để các tác giả phát triển thuật toán tối ưu đa mục tiêu trong nghiên cứu này và áp dụng giải bài toán tối ưu thời gian và chi phí.

2. Bài toán cân bằng yếu tố thời gian và chi phí

Một dự án được thể hiện ở sơ đồ mạng ( )G A , trong đó các công việc được thể hiện ở trên các nút của sơ đồ mạng. Các công việc được đánh số từ 1 đến N. P là tập hợp tất cả các công việc trong dự án. Mỗi công việc ∈ có nhiều phương án thi công. Mỗi phương án thi công đều có thời gian thi công là Ti và chi phí Ci. Vấn đề đặt ra cho bài toán cân bằng thời gian và chi phí của dự án là lựa chọn các phương án thi công để đưa ra một tổ hợp phương án thi công của các công việc đơn lẻ, nhằm rút ngắn thời gian và chi phí cho toàn dự án hiệu quả nhất. Yếu tố thời gian và chi phí được tính toán như sau:

a. Tính thời gian hoàn thành

Mục tiêu đầu tiên là rút ngắn thời gian dự án được thể hiện theo công thức (1):

1

( )l

n n n nn

T T Max ES d

(1)

all predecessors m of n( )n m mES Maximum ES d

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 99

Trong đó, nT là thời gian thực hiện của các công việc 1, 2,..., n n l trên đường Găng; l là tổng số các công việc

trên đường Grantt; iES là thời gian khởi sớm của công việc n;

nd là thời gian thực hiện của công việc n. Một cách tổng quát, tổng thời gian của dự án được tính dựa trên mối quan hệ công việc và thời gian của các công việc. Thông tin dự án xác định mối quan hệ công việc và sự lựa chọn phương án thi công xác định thời gian thực hiện của công việc.

b. Tính toán chi phí của dự án

Tổng chi phí của một dự án bao gồm chi phí trực tiếp, chi phí gián tiếp và chi phí do sự chậm trễ. Chi phí gián tiếp tính theo thời gian hoàn thành dự án. Theo yêu cầu của hợp đồng, các nhà thầu sẽ chịu một phần chi phí do chậm trễ thời gian hoàn thành.

Mục tiêu thứ hai là giảm thiểu chi phí công trình:

1

C ( )i i i

NS S Si i i

i

DC IC TC

(2)

Trong đó, , ,i i iDC IC TC lần lượt là chi phí trực tiếp, chi phí gián tiếp và chi phí chậm trễ của từng công việc, N là tổng số công việc trong dự án.

3. Thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu cho bài toán thời gian và chi phí (THVPĐMT-TC)

Trong mục này, thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu (THVPĐMT) được trình bày một cách chi tiết. THVPĐMT là thuật toán tối ưu cốt lõi trong mô hình tối ưu thời gian và chi phí. THVPĐMT được phát triển dựa trên thuật toán vi phân mà được đề xuất bởi Storn and Price [11]. Mô hình tối ưu hóa thời gian và chi phí được trình bày ở Hình 1.

3.1. Khai báo thông số và khởi tạo quần thể

Nghiên cứu này cân nhắc hai yếu tố thời gian và chi phí trong một dự án được tối ưu đồng thời. Do đó, thông số đầu vào của mô hình cần thiết đó là thông tin dự án, bao gồm mối quan hệ các công việc, thời gian thi công một công việc, chi phí thực hiện từng công việc và các phương án thi công cho mỗi công việc. Hơn nữa, chúng ta cần cung cấp các thông số của thuật toán tối ưu như số quần thể NP, biến thiết kế D, số lượng hàm mục tiêu M, biên độ đột biến F, xác suất lai ghép Cr, số thế hệ tối đa Gmax, giá trị nhỏ nhất LB và giá trị lớn nhất UB của các biến. Với các thông số đầu vào như trên, thuật toán tối ưu sẽ tiến hành tính toán tự động để tìm ra các tổ hợp phương án thi công của các công việc trong dự án nhằm tối ưu hai yếu tố tiến độ và chi phí.

Khởi tạo quần thể ban đầu là công việc quan trọng đối với bất kỳ thuật toán tiến hóa nào. Quần thể trong thuật toán THVPĐMT được khởi tạo một cách ngẫu nhiên theo công thức (3):

, [0,1] ( );

( 1, ..., ; 1, ..., )

i j j j jX LB rand UB LB

j D i NP

(3)

Trong đó LBj và UBj là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của biến thứ jth; rand[0,1] là hàm phân bố chuẩn trong khoảng 0 và 1; Xi,j phần tử thứ ith và jth trong quần thể ban đầu.

Một giải pháp tiềm năng của bài toán thời gian - chi phí được trình bày theo một vector biểu diễn trong (4):

,1 , 2 , ,[ , , ..., , ..., ]i i i j i DX X X X X (4)

Trong đó D là số biến thiết kế của bài toàn đang tối ưu, số biến này trùng với số lượng công việc trong một dự án. Tham số i ký hiệu là thành phần thứ i trong quần thể. Véc tơ Xij cho biết sự lựa chọn một phương án thi công của công việc j. Xij là một số nguyên trong khoảng [1, Mj] (j=1 đến D), cho biết một phương án thi công trong tổng số phương án Mj. Vì thuật toán THVP hoạt động với số thực, cần một hàm để chuyển đổi từ biến thực sang biến nguyên trong miền khả thi như phương trình (5).

, ( [0,1] ( ))i jX C eil rand U B j (5)

Ceil là hàm để làm tròn số thực về số nguyên lớn hơn hoặc bằng chính nó.

Tập hợp các quần thể NP[X1, 1, X1, 2,…, X1, D ]

...[XNP, 1, XNP, 2,…, XNP, D ]

ĐúngKiểm tra ĐK dừng

Sai

Thông số đầu vào của dự án và thuật toán THVP

Bắt Đầu

Tập hợp các giải pháp

Dừng

Đột biến

Lai ghép

Chọn lọc

Thuật toán tối ưuTập tối ưu

Chi phí

Thời gian

Hình 1. Mô hình tối ưu thời gian và chi phí bằng THVPĐMT

3.2. Đột biến

Sau khi khởi tạo quần thể ban đầu, tại mỗi vòng lặp thuật toán THVP áp dụng quá trình đột biến để khai phá không gian tìm kiếm, làm rộng vùng tìm kiếm. Mỗi véc tơ

GiX ở thế hệ hiện tại G được gọi là một “véc tơ mẹ”. Đối

với mỗi “véc tơ mẹ”, một “véc tơ đột biến” được xác định theo công thức (6):

11 2 3( )G G G G

i r r rV X F X X (6)

Trong đó, 1 2 3, , 1, 2,..., r r r NP là ba số nguyên được tạo ngẫu nhiên khác nhau và khác i nằm trong khoảng [1;NP]; F là biên đột biến được lựa chọn trong khoảng [0,1]F .

3.3. Lai ghép

Tiếp theo quá trình đột biến, quá trình lai ghép được áp dụng nhằm làm đa dạng quần thể bằng cách trao đổi các thành phần của “véc tơ mẹ” và “véc tơ đột biến”. Quá trình lai ghép sinh ra “véc tơ con”

1 1 1,1 ,2 , , ,..., G G G G

i i i i DU u u u , trong đó các thành phần véc tơ con được xác định theo công thức (7):

1,1

,

,

( [0,1)Gi j j randG

i j Gi j

v if rand CR or

k

j j

háu

x c

(7)

[0,1]CR là xác suất lai ghép; randj là số nguyên dương trong khoảng [1; D].

3.4. Chọn lọc

Thay thế quá trình chọn lọc là một trong những việc quan trọng nhất trong thuật toán đa mục tiêu, bởi vì chọn lọc cẩn thận sẽ cho ra những thế hệ tốt. Nghiên cứu này sử

100 Trần Đức Học, Nguyễn Quang Trung, Phạm Anh Đức, Mai Anh Đức

dụng quá trình chọn lọc đề xuất bởi Ali và các cộng sự [22]. Trong quá trình này, đầu tiên đánh giá cá thể “véc tơ con” 1G

iU , sau đó so sánh với cá thể “véc tơ mẹ” GiX . Nếu

cá thể “véc tơ con” vượt trội cá thể “véc tơ mẹ”, nó sẽ thay thế lập tức cá thể “véc tơ mẹ” trong quần thể hiện tại, và cá thể “véc tơ mẹ” sẽ đưa vào quần thể ngoài. Ngược lại cá thể “véc tơ con” sẽ được đưa vào quần thể ngoài. Hai quần thể hiện tại và quần thể ngoài được gộp với nhau sau mỗi vòng lặp. Tổng số cá thể trong quần thể tổng là 2NP.

Trong suốt quá trình tối ưu hóa, số lượng cá thể trong quần thể là không đổi - là NP. Do đó, NP cá thể sẽ được chọn lọc từ tổ hợp cá thể. Đối với thuật toán tối ưu đơn mục tiêu, giải pháp tối ưu là giải pháp cho hàm mục tiêu đạt giá trị tốt nhất. Tuy nhiên, trong thuật toán đa mục tiêu phương pháp hai giải pháp không vượt trội (a two-solutions dominance approach) được sử dụng [13]. Vì vậy, nghiên cứu này sử dụng phương pháp sắp xếp giải pháp không vượt trội [14] và phương pháp đám đông entropi. Hình 2 mô tả quá trình chọn lọc.

Quần thể hiện

tại

Quần thể

ngoài

Quần thểTổng hợp

Lớp 1

Lớp 2

Lớp 3

Lớp 4

Lớp 5

...

Lớp n

Lớp 1

Lớp 2

Lớp 3

Lớp 4

Lớp 4

Phương pháp sắp xếp

Phương pháp đám đông entropi

Quần thể

Loại

Hình 2. Quá trình chọn lọc

3.5. Điều kiện dừng

Quá trình tối ưu hóa kết thúc khi mà điều kiện dừng được thỏa mãn. Điều kiện dừng thường được sử dụng là số vòng lặp tối đa hoặc là số lần đánh giá hàm mục tiêu. Trong mô hình đề xuất, chúng tôi sử dụng số vòng lặp tối đa. Khi điều kiện dừng của thuật toán thỏa mãn thì các giải pháp tối ưu sẽ được đưa ra.

Hình 3. Sơ đồ mạng của dự án

Bảng 1. Thông số của dự án

TT Tên công việc Bình thường Khẩn trương T C T C

1 Công tác chuẩn bị 2 10 1 15 2 Lắp đặt ván khuôn 3 50 2 70 3 Kéo hệ thống nước 3 2 2 3 4 Kéo điện 2 5 1 7 5 Hệ thống cống rãnh 3 20 2 25 6 San mặt bằng 1 40 1 40 7 Lớp chống thấm 1 50 1 50 8 Công tác cốt thép 3 150 2 190 9 Đổ bê tông 2 50 1 75

10 Tháo ván khuôn 1 10 1 10 11 Khung tầng 1 5 500 3 580 12 Hệ thống nước tầng 1 3 55 2 65 13 Dầm tầng 2 2 120 1 135 14 Sàn tầng 2 1 80 1 80 15 Khung tầng 2 5 500 3 580 16 Hệ thống nước tầng 2 3 30 2 35 17 Đổ bê tông liên kết tầng 2 3 40 2 50 18 Điện tầng 1 3 55 2 65 19 Hệ thống thông gió tầng 1 3 30 2 40 20 Hệ kết cấu mái 3 300 2 330 21 Tường thu hồi 2 40 2 40 22 Trần treo mái 3 60 2 70 23 Hệ thống cứu hỏa 2 130 1 150 24 Lắp tấm che bao tầng 1 2 70 1 90 25 Lắp tấm che bao tầng 2 3 70 2 85 26 Điện tầng 2 3 55 2 68

27 Hệ thống thông gió tầng 2 3 30 2 37 28 Hệ thống TV và điện thoại 2 70 1 84 29 Xây cầu thang 3 30 2 41 30 Khung cửa 4 50 3 59 31 Lắp cửa sổ 5 10 4 14 32 Lợp tấm che mái 4 70 2 100 33 Nội thất 4 400 3 435 34 Hoàn thiện ngoài nhà 2 100 1 121 35 Lắp cửa ngoài 2 70 1 80 36 Trần treo hành lang 2 20 1 22 37 Lan can 3 30 2 39 38 Vịn cầu thang 3 20 2 25 39 Hệ thống cách nhiệt 3 60 2 70 40 Tường phân cách 8 50 5 70 41 Trải thảm và cách âm 4 80 2 100 42 Kiểm tra và bàn giao 2 15 1 20

Ghi chú: T: Thời gian (Ngày); C: Chi phí (Triệu đồng)

4. Trường hợp nghiên cứu

Mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu ở trên được áp dụng để tối ưu tiến độ và chi phí của một dự án nhà dân dụng thực tế. Kết quả tính toán tối ưu sẽ được so sánh với thuật toán di truyền và thuật toán bầy đàn đa mục tiêu. Dự án này gồm 42 công việc, mỗi công việc sẽ có hai sự lựa chọn trong phương án thi công là theo chế độ bình thường hoặc chế độ khẩn trương. Sơ đồ mạng của dự án được thể hiện ở Hình 3. Phương án thi công, cùng với các giá trị về thời gian thi công và chi phí của các công tác được thể

S¥ §å M¹NG Dù ¸n nhμ d©n dông

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 101

hiện ở Bảng 1. Với hai phương án thi công cho mỗi công tác trên tổng số 42, có thể tạo ra hàng triệu tổ hợp (2^42). Điều này là không thể giải bằng phương pháp liệt kê. Thuật toán THVP được đề xuất để áp dụng để giải quyết bài toán này. 4.1. Kết quả tối ưu của thuật toán THVPĐMT-TC

Thông số đầu cho thuật toán THVPĐMT-TC được lựa chọn dựa vào phương pháp thử và các đề xuất từ các nghiên cứu trước [11]. Số lượng cá thể trong quần thể là NP = 100, xác suất lai ghép là Cr = 0.9 và biên độ đột biến F = 0.5. Để tránh sự ngẫu nhiên trong kết quả, thuật toán tối ưu hóa được chạy với 10 lần. Một tập tối ưu điển hình được biểu diễn ở Hình 4. Hình 4 thể hiện rõ mối quan hệ thời gian và chi phí và nó giúp người ra quyết định đánh giá được một cách hiệu quả từng giải pháp tối ưu. Bảng 2 tổng hợp một số giải pháp điển hình được lấy ra từ tập tối ưu. Giải pháp 1 đưa ra thời gian hoàn thành dự án là sớm nhất, giải pháp 3 đưa ra chi phí thấp nhất để hoàn thành dự án, trong khi giải pháp 2 đưa ra giải pháp cân bằng giữa hai mục tiêu là thời gian và chi phí. Người quản lý có thể dựa vào tình hình thực tế, tài chính và các vấn đề liên quan để đưa ra sự lựa chọn phù hợp nhất. Nếu người quản lý cần hoàn thành dự án sớm, thì giải pháp 1 là tối ưu. Nếu người quản lý cân nhắc về tài chính thì giải pháp 3 là tối ưu.

Hình 4. Tập tối ưu của thuật toán THVPĐMT

Bảng 2. Các giải pháp tối ưu điển hình

GP T C Phương án thi công của các công việc

1 36 4067 [2.1.2.1.2.1.1.2.2.2.2.2.1.1.2.2.2.2.1.2.1.2.

1.2.1.1.1.1.1.2.1.2.2.1.1.1.1.1.2.1.2.2]

2 46 3695 [2.1.2.2.2.1.2.1.1.2.1.2.1.2.1.1.1.1.1.1.2.2.

1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.2.1.2.2]

3 55 3627 [1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.

1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1]

4.2. So sánh kết quả và phân tích

Kết quả tối ưu từ thuật toán THVPĐMT được so sánh với thuật toán sắp xếp không vượt trội di truyền II [13] và thuật toán bầy đàn đa mục tiêu [7]. Để so sánh được cân bằng, tất cả các thuật toán đều sử dụng số cá thể là 100 và số vòng lặp tối đa là 200. Các thông số đầu vào cho các thuật toán được đặt như sau: Đối với giải thuật sắp xếp không vượt trội di truyền II (SXKVTDT-II), xác suất lai ghép là pc = 0.9 và xác xuất biến đổi là pm = 0.02 (1/n), trong đó n là số biến [13]; đối với thuật toán bầy đàn đa mục tiêu (BĐĐMT), hai hệ số học tập c1, c2 đều chọn là 2 và hệ số quán tính w được chọn trong khoảng 0.3 đến 0.7. Tất cả các thuật toán đều được chạy 10 lần để so sánh kết quả.

Hình 5. Tập tối ưu của các thuật toán so sánh

Hình 5 trình bày các tập tối ưu mà các thuật toán so sánh đạt được. Từ Hình 5 cho thấy rằng thuật toán THVPĐMT vượt trội hơn các thuật toán so sánh thông qua số lượng các giải pháp tối ưu đạt được và các giải pháp được phân bố đều và rộng hơn. Để đánh giá thêm hiệu quả của thuật toán đề xuất, một vài chỉ số đánh giá định lượng của các thuật toán tối ưu đa mục tiêu được áp dụng.

Cách đánh giá đối với các thuật toán đa mục tiêu là phức tạp hơn nhiều so với các thuật toán đơn mục tiêu. Có ba vấn đề cần được cân nhắc: (1) sự hội tụ về tập tối ưu; (2) bảo đảm sự đa dạng trong tập tối ưu; (3) sự phân bố rộng miền biên của tập tối ưu. Có nhiều đánh giá được đề xuất trong các nghiên cứu trước và được phân ra thành ba tiêu chí cơ bản là sự chính xác, đa dạng và phân bố rộng [14]. Trong nghiên cứu này, ba tiêu chí cơ bản được áp dụng để so sánh.

1. C-metric (C): Thông số này được sử dụng để kiểm tra khi mà chúng ta không biết tập tối ưu tốt nhất.

1 2,S S S là hai tập hợp các giải pháp tối ưu của hai thuật toán được so sánh.

2 2 1 1 1 2

1 2

2

; : ( , )

a S a S a aC S S

S

(8)

Tử số trong công thức (8) cho biết số lượng giải pháp trong S2 bị vượt trội bởi ít nhất một giải pháp trong S1, và mẫu số bằng tổng số giải pháp trong S2. Bảng 3 trình bày kết quả so sánh giữa các thuật toán theo chỉ số C-metric, trong đó A1, A2, A3 lần lượt là là THVPĐMT, BĐĐMT, SXKVTDT. Kết quả cho thấy thuật toán THVPĐMT vượt trội hơn 82% so với thuật toán BĐĐMT, 89% so với thuật toán SXKVTDT theo tiêu chuẩn trung bình.

Bảng 3. So sánh theo chỉ số C-metric của các thuật toán

Chỉ số C(A1,A2) C(A2,A1) C(A1,A3) C(A3,A1) Tốt nhất 1.000 0.579 1.000 0.263 Yếu nhất 0.389 0.000 0.429 0.000

Trung bình 0.818 0.163 0.891 0.070 Lệch chuẩn 0.251 0.226 0.198 0.114

2. Spread (SP): Chỉ số này đo sự phân bố rộng và đều của tập tối ưu mà thuật toán đạt được [14]. Công thức tính toán được thể hiện như trong (9):

1

1

( , ) ( , )

( , ) ( )

k

ii X

k

ii

d E d X dSP

d E k d

(9)

Trong đó là tập giải pháp, là số lượng giải pháp

trong tập Omega. 1( ,..., )kE E là các điểm biên trong tập tối ưu.

,( , ) min ( ) ( )

Y Y Xd X F X F Y

là khoảng cách nhỏ

nhất từ giải pháp X đến các giải pháp gần nó.

102 Trần Đức Học, Nguyễn Quang Trung, Phạm Anh Đức, Mai Anh Đức

1( , )

X

d d X

giá trị trung bình của tất cả các giá trị

( , )d X . Giá trị SP càng nhỏ chứng tỏ sự phân bố trong tập giải pháp là đều. Bảng 4 trình bày giá trị so sánh về chỉ số Spread đối với các thuật toán. Thuật toán THVPĐMT đạt kết quả tốt nhất.

Bảng 4. So sánh theo chỉ số Spread của các thuật toán

Chỉ số A1 A2 A3

Tốt nhất 0.481 0.604 0.642

Yếu nhất 0.848 1.077 1.931

Trung bình 0.672 0.803 1.470

Lệch chuẩn 0.131 0.153 0.574

3. Hyper-volume (HV): Chỉ số này tính thể tích của hình bao bởi các giải pháp không vượt trong tập. Về mặt toán học, mỗi giải pháp iX là một hình lập phương iv được xây dựng dựa vào véc tơ tham thảo W và Xi là ở một đỉnh của hình lập phương. Công thức toán học sau dùng để tính HV:

1i

i

HV v

(10)

Bảng 5. So sánh theo chỉ số HV của các thuật toán

Chỉ số A1 A2 A3

Tốt nhất 1.000 0.714 0.364

Yếu nhất 0.449 0.303 0.149

Trung bình 0.810 0.551 0.214

Lệch chuẩn 0.113 0.047 0.120

Sau khi tiêu chuẩn hóa, các giá trị HV sẽ thuộc khoảng [0,1]. Bảng 5 trình bày giá trị so sánh về chỉ số Hyper-volume đối với các thuật toán. Thuật toán THVPĐMT đạt kết quả tốt nhất.

5. Kết luận

Tối ưu hóa thời gian và chi phí là một vấn đề rất quan trọng trong xây dựng, giữa thời gian hoàn thành xây dựng công trình và chi phí toàn bộ có mối quan hệ chặt chẽ. Hoàn thành dự án đúng thời hạn với chi phí thấp nhất sẽ mang lại những kết quả to lớn về kinh tế và chính trị. Nghiên cứu này đề xuất thuật toán vi phân tiến hóa đa mục tiêu để giải quyết bài toán thời gian và chi phí trong các dự án xây dựng. Dựa vào kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, các tác giả đưa ra các kết luận sau:

Mô hình tính toán dựa trên thuật toán THVPĐMT là một công cụ hiệu quả để giải quyết bài toán thời gian và chi phí trong các dự án xây dựng.

Thuật toán THVPĐMT tạo ra các giải pháp không vượt trội tốt hơn so với các lời giải của các thuật toán được sử dụng để so sánh. Tập tối ưu tạo ra bởi thuật toán đề xuất cung cấp những thông tin hữu ích, giúp cho các

nhà quản lý dự án đưa ra các quyết định nhằm tối ưu hóa thời gian và chi phí của dự án xây dựng.

Thuật toán đề xuất hội tụ nhanh, phân bố đều và đa dạng các giải pháp không vượt trội khi so sánh với các thuật toán SXKVTDT-II và BĐĐMT.

Thuật toán đề xuất là đơn giản, dễ sử dụng và không giới hạn về số lượng biến và số lượng hàm mục tiêu. Do vậy, trong các nghiên cứu tiếp theo chúng ta có thể áp dụng thuật toán này để giải quyết các bài toán tối ưu trong lĩnh vực xây dựng như bài toán điều hòa nguồn nhân lực, bài toán rút ngắn thời gian hoàn thành công trình có cân nhắc nguồn lực bị giới hạn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] N. Siemens, "A simple CPM time-cost tradeoff algorithm”, Management Science 17(6): 354–363., 1971.

[2] S. A. Burns, L. Liu, and C.-W. Feng, "The LP/IP hybrid method for construction time-cost trade-off analysis", Construction Management and Economics, vol. 14, pp. 265-276, 1996/05/01 1996.

[3] P. H. Luan and D. T. Nhan, "Nghiên cứu ứng dụng thuật toán ACO (Ant colony optimization) tối ưu thời gian và chi phí cho dự án xây dựng", Tạp chí Phát triển KH&CN, vol. 13, 2010.

[4] P. T. Trang, "Xây dựng chương trình tối ưu hoá theo chỉ tiêu thời gian và chi phí trên sơ đồ mạng", Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, vol. 30, 2009.

[5] Feng, L. Liu, and Burns, "Using Genetic Algorithms to Solve Construction Time-Cost Trade-Off Problems", Journal of Computing in Civil Engineering, vol. 11, pp. 184-189, 1997.

[6] H. Li, J. Cao, and P. Love, "Using Machine Learning and GA to Solve Time-Cost Trade-Off Problems”, Journal of Construction Engineering and Management, vol. 125, pp. 347-353, 1999.

[7] I. Yang, "Using Elitist Particle Swarm Optimization to Facilitate Bicriterion Time-Cost Trade-Off Analysis”, Journal of Construction Engineering and Management, vol. 133, pp. 498-505, 2007.

[8] S. Ng and Y. Zhang, "Optimizing Construction Time and Cost Using Ant Colony Optimization Approach”, Journal of Construction Engineering and Management, vol. 134, pp. 721-728, 2008.

[9] A. Afshar, A. Ziaraty, A. Kaveh, and F. Sharifi, "Nondominated Archiving Multicolony Ant Algorithm in Time–Cost Trade-Off Optimization”, Journal of Construction Engineering and Management, vol. 135, pp. 668-674, 2009.

[10] R. M. Storn and K. Price, "Differential Evolution - A Simple and Efficient Heuristic for Global Optimization over Continuous Spaces”, Journal of Global Optimization, vol. 11, pp. 341–359, 1997.

[11] S. Das and P. N. Suganthan, "Differential Evolution: A Survey of the State-of-the-Art”, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 15, pp. 4-31, 2011.

[12] M. Ali, P. Siarry, and M. Pant, "An efficient Differential Evolution based algorithm for solving multi-objective optimization problems”, European Journal of Operational Research, vol. 217, pp. 404-416, 2012.

[13] K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, and T. Meyarivan, "A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II”, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 6, pp. 182-197, 2002.

[14] E. Zitzler, L. Thiele, M. Laumanns, C. M. Fonseca, and V. G. d. Fonseca, "Performance assessment of multiobjective optimizers: an analysis and review”, Trans. Evol. Comp, vol. 7, pp. 117-132, 2003.

(BBT nhận bài: 15/12/2015, phản biện xong: 29/12/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 103

MỘT KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ÂM THANH SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET

A METHOD FOR HIDING DATA IN AUDIO USING WAVELET TRANSFORMATION

Nguyễn Xuân Huy1, Huỳnh Bá Diệu2 1Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; nxhuy64@gmail.com

2Trường Đại học Duy Tân; dieuhb@gmail.com

Tóm tắt - Bài báo này trình bày một thuật toán giấu tin mật trongâm thanh. Dữ liệu âm thanh được chuyển sang miền tần số bằngphép biến đổi wavelet. Chuỗi tin mật được giấu lần lượt vào cácđoạn dữ liệu âm thanh, bằng cách điều chỉnh các hệ số trên miềntần số cao của mỗi đoạn, kết hợp với các giá trị chuỗi ngẫu nhiên.Thuật toán đề xuất có thể giấu tin và giải tin chính xác. Quá trìnhgiải tin không cần sử dụng dữ liệu gốc ban đầu và chất lượng âmthanh được đảm bảo.Tin giấu được rút trích chính xác khi thựchiện tấn công giảm số bit biễu diễn mẫu dữ liệu từ 16 bit xuống 8bit. Ngoài ra thuật toán còn bền vững trước tấn công thêm nhiễutrắng ở mức thấp. Kết quả thử nghiệm chứng tỏ thuật toán đềxuất có thể sử dụng để giấu tin mật trong tệp âm thanh.

Abstract - This paper presents a new algorithm for hiding data intodigital audio signals. Audio data is transferred to the frequency domainusing wavelet transformation. The secret message is hidden in theaudio data segments, by adjusting the coefficients on high-frequencydomain of each segment, combined with the random number value.The proposed algorithm can hide and extract secret messageaccurately when attacks reduce the bit number of data sample to 8from 16. The extraction process does not need host signal and soundquality is ensured. Experimental results show that the stego audio hasgood imperceptibility and is robust against different kinds of attacks,such as noise adding, re-sampling. The proposed algorithm can beused to hide secret messages in an audio file.

Từ khóa - giấu tin; lượng tử hoá; tỉ lệ dữ liệu; tính bền vững; biếnđổi wavelet.

Key words - data hiding; quantization; data rate; robustness;transform wavelet.

1. Đặt vấn đề

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số và nhu cầu trao đổi thông tin thông qua các hệ thống được kết nối mạng đòi hỏi chúng ta cần phải có các giải pháp để bảo vệ thông tin. Các vi phạm liên quan đến thông tin thường gặp là xâm nhập trái phép, lấy cắp, thay đổi nội dung hay vi phạm bản quyền. Ngoài việc thiết lập các cơ chế bảo vệ như phân quyền truy cập, mã hoá thông tin, chúng ta còn có một cách khác là thực hiện các giao dịch ngầm bên trong các giao dịch công khai, đó là giấu thông tin.

Giấu thông tin số là kỹ thuật nhúng một lượng dữ liệu vào trong đối tượng chứa số khác. Nhiều kiểu dữ liệu số có thể được chọn làm dữ liệu chứa cho bài toán giấu tin như ảnh, video, âm thanh. Các nghiên cứu về giấu tin trong ảnh, video đã có nhiều kết quả và ứng dụng quan trọng. So với giấu tin trong ảnh và video, giấu tin trong âm thanh được nghiên cứu sau và có ít kết quả hơn. Giấu tin trong âm thanh dựa vào hệ thống thính giác. So với hệ thống thị giác thì hệ thống thính giác của con người khá nhạy và phức tạp. Hai thuộc tính của hệ thống thính giác của con người được khai thác để giấu tin là dựa vào hiện tượng che khuất trong miền thời gian (temporal masking) và che khuất trong miền tần số (frequency masking). Các phương pháp giấu tin trong âm thanh thực hiện điều chỉnh các mẫu dữ liệu âm thanh để giấu tin, nhưng chúng ta không thể phân biệt được có sự sai khác giữa âm thanh ban đầu và âm thanh sau khi điều chỉnh khi nghe.

Giấu tin có thể dùng để bảo vệ tin giấu (steganography) hoặc bảo vệ cho đối tượng chứa tin giấu (watermarking). Các phương pháp giấu tin có thể thực hiện trên miền thời gian hoặc trên miền biến đổi. Đối với các phương pháp trên miền thời gian, các bit tin mật sẽ được giấu trực tiếp vào các mẫu dữ liệu. Các phương pháp trên miền biến đổi sẽ thực hiện biến đổi dữ liệu âm thanh từ miền thời gian sang

miền biến đổi, thực hiện điều chỉnh các giá trị trên miền biến đổi để giấu tin, sau đó các giá trị trên miền biến đổi sẽ được biến đổi ngược lại miền thời gian. Các phương pháp giấu trên miền thời gian có ưu điểm là dễ cài đặt và tỉ lệ dữ liệu giấu cao, nhưng có hạn chế là không bền vững trước các tấn công dạng xử lý số thông thường. Các phương pháp điều chỉnh LSB (Least Significant Bit), lượng tử hoá, mã hoá tiếng vọng là thuộc loại này. Các phương pháp giấu tin trên miền biến đổi làm cho tin giấu bền vững hơn trước các tấn công, nhưng lại làm tăng chi phí tính toán, do phải thực hiện các lần biến đổi. Các phép biến đổi hay được dùng là biến đổi Fourier, biến đổi wavelet.

Trong [4], [12] sử dụng kỹ thuật điều chỉnh tiếng vọng để giấu tin. Thuật toán trong [4] dùng cách thêm tiếng vọng sau và sao chép dữ liệu để giấu tin, trong khi đó thuật toán trong [12] thêm hai tiếng vọng (trước và sau) để giấu tin. Công thức thêm tiếng vọng để giấu tin trong [12] như sau:

∓ ∓

(1)

Một số thuật toán liên quan đến kỹ thuật giấu tin trong âm thanh bằng cách điều chỉnh LSB được trình bày trong [1], [3], [5], [8]. Các thuật toán giấu có thể thực hiện trên các mẫu dữ liệu âm thanh đơn lẻ hoặc dựa vào nhóm các mẫu dữ liệu của đoạn âm thanh. Các thuật toán giấu dùng phương pháp điều chỉnh LSB có thể giấu với tỉ lệ dữ liệu cao. Trong [2] đề xuất một thuật toán giấu sử dụng phổ (spectrum) của hai đoạn âm thanh kề nhau. Trong [6], [11] trình bày hai thuật toán trên miền biến đổi Fourier. Thuật toán đề xuất trong [6] có thể bền vững trước các tấn công như thêm nhiễu trắng, lấy lại mẫu. Thuật toán trong [11] thực hiện điều chỉnh pha của tín hiệu gốc để giấu tin. Đây là kỹ thuật không gây nhiễu cho tín hiệu chứa, nhưng có tỉ lệ dữ liệu thấp. Trong [7], [9], [10] đề xuất các thuật toán giấu trên miền biến đổi wavelet. Thuật toán đề xuất trong

104 Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu

[9] có thể tự đồng bộ dữ liệu bằng cách thêm mã đồng bộ vào tin giấu. Phương pháp này có thể chống các tấn công dạng cắt xén, dịch chuyển tệp chứa. Thuật toán trong [10] là thuật toán bền vững trước tấn công chuyển định dạng.

Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một thuật toán giấu tin trong âm thanh trên miền biến đổi, sử dụng phương pháp điều chỉnh giá trị trung bình của hai đoạn con trong một đoạn dữ liệu để giấu tin. Phép biến đổi được sử dụng là phép biến đổi wavelet.

2. Thuật toán đề xuất

Trong thuật toán đề xuất, chúng tôi sử dụng phương pháp lượng tử hoá giá trị trung bình các hệ số của phép biến đổi wavelet để giấu tin. Dữ liệu âm thanh sẽ được đọc vào từ tệp âm thanh, dùng phép biến đổi wavelet để chuyển sang miền tần số, thực hiện giấu tin trên miền tần số, sau đó chuyển ngược lại từ miền tần số sang miền thời gian.

Dữ liệu âm thanh ở miền tần số sẽ được chia thành các đoạn bằng nhau và mỗi một bit mật sẽ được giấu vào trong mỗi đoạn, do đó dữ liệu âm thanh được chọn phải đủ dài để có thể chứa hết tin giấu. Cụ thể, để giấu n bit thì số đoạn ít nhất cần phải có là n. Ngoài ra, để tránh tin giấu không bị phát hiện thì dữ liệu âm thanh được chọn phải bao gồm các mẫu có khác nhau (tương tự như ta không chọn ảnh chỉ có một màu để giấu tin).

Để tăng tính mật, thuật toán đề xuất sử dụng khóa mật. Khóa mật K là bộ gồm 3 giá trị (seed, a, m), là các tham số để sinh chuỗi ngẫu nhiên. Chuỗi ngẫu nhiên được sinh theo phương pháp đồng dư tuyến tính [13] với giá trị c= 2*a.

2.1. Phép biến đổi wavelet

Phép biến đổi wavelet được đưa ra đầu tiên bởi Alfréd Haar. Phép biến đổi này sẽ phân tích tín hiệu thành hai thành phần là thành phần xấp xỉ A (Approximation) và thành phần chi tiết D (Detail). Thành phần xấp xỉ A tương ứng với thành phần tần số thấp và thành phần chi tiết D tương ứng với thành phần tần số cao. Hình 1 minh hoạ cho việc phân giải tín hiệu thành hai thành phần.

Hình 1. Thành phần xấp xỉ và chi tiết của tín hiệu

Trong hai thành phần A và D, thành phần D là không quan trọng và những thay đổi trên thành phần này ít ảnh hưởng đến tín hiệu gốc khi ta biến đổi ngược lại. Ví dụ, nếu thay đổi thành phần D=0 và thực hiện biến đổi ngược lại, ta sẽ có dãy tín hiệu như Hình 2. Đây là đặc điểm của phép biến đổi wavelet. Nếu chỉ có những điều chỉnh nhỏ trên thành phần D thì nó gần như không ảnh hưởng đến dữ liệu gốc khi khôi phục lại và chúng ta không thể phân biệt được có sự điều chỉnh khi nghe bằng tai thường. Dựa vào đặc tính này, chúng tôi đề xuất cách điều chỉnh trên các giá trị trên thành phần này để giấu tin.

Hình 2. Tín hiệu gốc và tín hiệu sau khi bỏ thành phần D

2.2. Sự lượng tử hoá (quantization)

Để giấu một bit dữ liệu mật vào trong dữ liệu chứa, chúng ta cần điều chỉnh dữ liệu chứa. Các cách thay đổi giá trị một mẫu dữ liệu gốc x thành mẫu y để giấu tin được gọi là lượng tử hoá. Có nhiều phương pháp để thay đổi, như phương pháp dựa vào bước lượng tử, phương pháp dùng phép chia lấy dư (mod).

Trong bài báo này chúng tôi dùng phương pháp điều chỉnh dựa vào phép chia lấy dư. Để giấu bit mật vào trong mẫu x, trước tiên tính giá trị k= x mod d, trong đó d là một số thực dương. Ta qui ước sẽ điều chỉnh để giá trị k>d/2 khi muốn giấu bit 1 và k<=d/2 khi muốn giấu bit 0.

Trong thuật toán đề xuất, thay vì lượng tử cho các mẫu riêng lẻ, chúng tôi thực hiện lượng tử cho giá trị trung bình các mẫu. Mỗi một bit sẽ được giấu vào đoạn gồm fw mẫu được đánh số từ 1 đến fw. Chi tiết về phép điều chỉnh sẽ được trình bày ở phần sau.

Chuỗi ngẫu nhiên được sinh ra từ khóa mật được dùng để xáo trộn chuỗi bit mật trước khi giấu. Mục đích của việc xáo trộn này là làm cho người thám tin khó khôi lại chuỗi tin mật nếu như biết cách giấu. Trong trường hợp người thám tin biết cách điều chỉnh mỗi đoạn, các tham số để điều chỉnh mỗi đoạn, họ có thể rút trích chuỗi bit giấu trong dữ liệu âm thanh. Tuy nhiên, nếu không có khóa thì khả năng khôi phục lại chuỗi bit mật từ chuỗi bit nhận được cũng là bài toán khó. Cách biến đổi bit mật dựa vào chuỗi ngẫu nhiên sẽ được trình bày ở mục sau.

2.3. Thuật toán giấu tin và giải tin

2.3.1. Thuật toán giấu 1 bit

Đầu vào: - Dãy D gồm fw phần tử D[1..fw], bit cần giấu b, số thực d.

Đầu ra: - Dãy D đã được điều chỉnh để chứa bit mật b.

Phương pháp

Bước 1: Tính giá trị trung bình của nửa đoạn trước và nửa đoạn sau của D theo công thức (2).

∑ / /2 (2)

∑ /

Bước 2: Tính giá trị lệch giá trị trung bình giữa hai đoạn, theo modulo d:

1 2

Bước 3: Điều chỉnh giá trị để giấu bit b:

Nếu b=1 và k> d/2 hoặc b=0 và k<= d/2 thì return;

Ngược lại: Nếu b=1 thì cộng d/2 cho nửa đoạn trước:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 105

D[i]= D[i] + d/2, với i= 1 đến fw/2.

Ngược lại thì cộng d/2 cho nửa đoạn sau:

D[i]= D[i] + d/2, với i= fw +1 đến fw.

2.3.2. Thuật toán trích 1 bit

Đầu vào: - Dãy D gồm fw phần tử D[1..fw], số thực d.

Đầu ra: - Bit mật b.

Phương pháp

Bước 1: Tính giá trị trung bình của nửa đoạn trước và nửa đoạn sau của D theo công thức (2)

Bước 2: Tính giá trị lệch giá trị trung bình giữa hai đoạn, theo modulo d:

1 2

Bước 3: Trích bit b: Nếu k> d/2 thì b=1, ngược lại b=0.

2.3.3. Thuật toán giấu tin

Dưới đây là thuật toán giấu chuỗi bit mật M gồm n phần tử và tệp âm thanh H.

Đầu vào: - Khoá K, tệp gốc H, chuỗi bit mật M.

Đầu ra: - Tệp chứa tin mật S.

Phương pháp

Bước 1: Dùng khoá K để sinh ra chuỗi ngẫu nhiên R.

Bước 2: Biến đổi chuỗi bit mật M thành M’ dựa vào R, trong đó:

ế ẻ

ế ẵ (3)

Bước 3: Đọc dữ liệu các mẫu từ tệp âm thanh H vào mảng y. Thực hiện biến đổi wavelet cho dãy y.

,

Bước 4: Chia dãy D thành các đoạn có cùng kích thước fw, điều chỉnh các đoạn để giấu lần lượt từng phần tử vào các đoạn , ta được .

Bước 5: Biến đổi wavelet ngược [A, D’] để có được y’ và ghi y’ ra tệp kết quả S.

2.3.4. Thuật toán giải tin

Đầu vào: - Khoá K, tệp chứa tin S.

Đầu ra: - Chuỗi bit mật M.

Phương pháp

Bước 1: Đọc dữ liệu các mẫu từ tệp âm thanh S vào mảng y. Thực hiện biến đổi wavelet cho dãy y.

,

Bước 2: Chia dãy D thành các đoạn có cùng kích thước fw và trích lấy lần lượt từng phần tử từ các đoạn theo thuật toán trích bit.

Bước 3: Dùng khoá K để sinh ra chuỗi ngẫu nhiên R.

Bước 4: Biến đổi chuỗi M’ thành M dựa vào R theo công thức (4):

′ ế ẻ

′ ế ẵ (4)

3. Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Để đánh giá kỹ thuật đề xuất, chúng tôi dựa vào 3 độ đo là SRN (Signal – to – Noise Ratio), BER (Bit Error Rate) và

NCC (Normalized Cross Correlation). Giá trị của SNR chỉ số lượng thay đổi trên dữ liệu gốc do chèn chuỗi tin mật vào, giá trị BER dùng để đo sự khác nhau giữa chuỗi tin khi giấu và chuỗi tin nhận được và giá trị NCC chỉ độ tương quan giữa hai chuỗi số, có thể dùng để đo độ tương quan giữa âm thanh gốc và âm thanh có chứa tin, hoặc chuỗi bit giấu đem giấu và chuỗi bit nhận được khi bị các tấn công.

Độ đo SNR được tính như sau:

10 log∑

∑ (5)

trong đó x (n) thể hiện âm thanh gốc và y(n) thể hiện âm thanh chứa tin giấu.

Các kỹ thuật giấu tin trong âm thanh phải đảm bảo giá trị SRN>=20 vì giá trị SRN dưới 20 dB được xem là nhiễu.

Công thức để tính BER như sau:

1 ∑ (6)

trong đó là chuỗi tin giấu và là chuỗi tin nhận được.

Công thức để tính NCC như sau:

∗ ∑∗

(7)

trong đó là chuỗi số gốc và y là chuỗi nhận được khi thực hiện biến đổi.

Giá trị của NCC nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Nếu giá trị này càng gần 1 chứng tỏ hai chuỗi càng giống nhau.

Hình 3. Tín hiệu âm thanh gốc và âm thanh có chứa tin mật

Trong phần thử nghiệm, chúng tôi chọn các tệp âm thanh mono lượng tử 16 bit, để giấu các chuỗi bit. Các tệp âm thanh được chọn ở nhiều thể loại khác nhau, như bản hòa tấu, thông báo, hay âm thanh hỗn hợp. Độ dài các chuỗi bit được giấu được thử nghiệm tuỳ thuộc vào tệp âm thanh chứa. Giá trị d được chọn là 0.1 và kích thước mỗi đoạn để giấu 1 bit là 200. Hình 3 minh họa cho giấu 2000 bit vào trong tệp âm thanh, là bản hòa tấu nhiều nhạc cụ.

Bảng 1. Giá trị SRN và NCC sau khi giấu tin

Tên tệpDạng âm

thanh Kích

thước tệp Số bit giấu

SRN NCC

S.wav Bài nói 6.5 Mb 2000 22.18 0.9989 B.wav Đoạn nhạc 1.14 Mb 1400 21.67 0.9965 C.wav Tiếng cười 104 Kb 100 25.74 0.9987 E.wav Thông báo 2.71 Mb 2000 20.55 0.9955

Bảng 1 thể hiện độ đo SRN và độ đo NCC khi tiến hành giấu các chuỗi bit vào các tệp âm thanh. Các giá trị của hệ số SRN trong Bảng 1 chứng tỏ kỹ thuật đề xuất đạt được tiêu chuẩn về tỉ lệ nhiễu khi giấu tin. Các giá trị của hệ số NCC khi giấu vào các tệp đều đạt lớn hơn 99%, thể hiện sự tương đối giống nhau giữa tệp âm thanh gốc và

106 Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu

tệp âm thanh có chứa tin mật.

Các thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất rút trích tin giấu chính xác, nếu như tệp âm thanh chứa tin mật không bị các tấn công. Chúng tôi cũng thử nghiệm giảm số bit lượng tử các mẫu dữ liệu âm thanh từ 16 bit xuống 8 bit, kết quả cho thấy tấn công này không làm sai chuỗi bit trong quá trình giải tin.

Để kiểm tra tính bền vững của kỹ thuật đề xuất, chúng tôi cũng thực hiện tấn công thêm nhiễu vào tệp chứa tin giấu bằng các hàm thêm nhiễu trong Matlab. Kết quả thực nghiệm cho thấy kỹ thuật đề xuất bền vững với tấn công thêm nhiễu trắng (White Gaussian Noise) khi hệ số gây nhiễu (SRN) lớn hơn 15. Đối với hệ số gây nhiễu nhỏ hơn 10, làm thay đổi rõ rệt dữ liệu chứa, có làm ảnh hưởng đến tin giấu. Kết quả thử nghiệm thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2. Giá trị BER và NCC khi thêm nhiễu trắng

Tên tệp Tỉ lệ bit sai / Độ tương quan

SRN= 7 SRN= 10 SRN>=15 S1.wav 0.005/ 0.9989 0/1 0/ 1 B1.wav 0.044/ 0.9148 0.057/ 0.9987 0/1 C1.wav 0.12/ 0.7648 0.04/ 0.9202 0/1 E1.wav 0.002/ 0.9950 0/1 0/1

Đối với tấn công thêm nhiễu hạt tiêu (pepper) và nhiễu đốm (speckle), tin giấu trong dữ liệu chứa không bền vững. Chúng tôi thực hiện giấu 1444 bit, là dữ liệu ảnh của ảnh đen trắng như Hình 4(a) vào tệp S1.wav. Hình 4.b và 4.c là quả ảnh rút trích từ tệp âm thanh sau khi thực hiện thêm nhiễu hạt tiêu với hệ số d= 0.001 (imnoise(y1,'salt & pepper', 0.001)) và nhiễu đốm với hệ số v=0.001 (imnoise(y1,'speckle', 0.001)). Các thông số cụ thể khác được thể hiện trong Bảng 3.

(a) (b) (c)

Hình 4. Ảnh gốc (a) và ảnh nhận được khi tệp âm thanh chứa tin bị thêm nhiễu hạt tiêu (b) và nhiễu đốm (c)

Bảng 3. Giá trị BER và NCC khi thêm nhiễu hạt tiêu và nhiễu đốm

Thêm nhiễu hạt tiêu Thêm nhiễu đốm

Số bit sai khác 383 389

BER 0.26523 0.26939 NCC 0.56568 0.55967

Độ tương quan trong Bảng 2 và Bảng 3 là so sánh giữa chuỗi tin giấu và chuỗi tin nhận được khi chịu các tấn công.

Kỹ thuật đề xuất hướng đến mục tiêu dùng để giấu tin mật, nên chọn miền điều chỉnh ít ảnh hưởng đến nội dung tệp dữ liệu chứa, là vùng tần số cao. Các nghiên cứu [7], [9], [10] thực hiện giấu trên miền tần số thấp, được thực hiện cho mục đích thủy vân số.

Độ an toàn của sơ đồ giấu phụ thuộc vào khóa K, dùng để sinh chuỗi ngẫu nhiên. Từ chuỗi ngẫu nhiên này ta sẽ xác định được các bit cần lấy là 0 hay 1. Nếu không có chuỗi ngẫu nhiên này, người thám tin sẽ không biết được là lấy bit nào, dù biết cách trích tin ra từ tệp âm thanh. Ngoài

ra ta có thể điều chỉnh chiều dài của mỗi đoạn fw và giá trị của ngưỡng d để tăng độ mật cho kỹ thuật giấu.

4. Kết luận

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một kỹ thuật giấu tin mật trong âm thanh sử dụng phép biến đổi wavelet. Dữ liệu âm thanh gốc và âm thanh chứa tin mật tương tự với nhau, thỏa mãn yêu cầu về tỉ lệ nhiễu và độ tương quan. Thuật toán đề xuất cũng bền vững trước các tấn công như giảm số bit lượng tử, thêm nhiễu trắng, nhưng chưa bền vững trước tấn công thêm nhiễu hạt tiêu và nhiễu đốm. Để tăng tỉ lệ dữ liệu giấu và tính bền vững của tin giấu, trong tương lai chúng tôi dự kiến cải tiến cách giấu bằng cách kết hợp giấu trên cả hai thành phần xấp xỉ và thành phần chi tiết của phép biến đổi wavelet.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Cvejic, N.; Seppanen, T., "Increasing robustness of LSB audio steganography using a novel embedding method", Proceeding of the International Conference on Information Technology: Coding and Computing, 2004, vol.2, pp. 533-537.

[2] Dymarski, P.; Markiewicz, R., "Time and sampling frequency offset correction in audio watermarking", Proceeding of the 18th International Conference on Systems, Signals and Image Processing , 2011, pp.1-4.

[3] Ghobadi, A.; Boroujerdizadeh, A.; Yaribakht, A.H.; Karimi, R., "Blind audio watermarking for tamper detection based on LSB", Proceeding of the 15th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), 2013, pp.1077-1082.

[4] H. Dieu, “An Improvement for Hiding Data in Audio Using Echo Modulation”, Proceeding of the Second International Conference on Informatics and Engineering and Information Science, 2013, pp. 127-132.

[5] Huynh Ba Dieu; Nguyen Xuan Huy, "Hiding data in audio using modified CPT scheme", Proceeding of the International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition (SoCPaR), 2013, pp. 396-400.

[6] Liting Gao; Wei Zhao; Xiumei Wen; Lixia Wang, "An audio zero-watermarking algorithm based on FFT”, Proceeding of the 2nd International Conference on Networking and Digital Society (ICNDS), 2010, vol.1, pp.274-277.

[7] Liu Tianchi; Yang Guangming; Wang Qi, "A multiple audio watermarking algorithm based on shear resisting DWT and LSB", Proceeding of the 7th International Conference on Networked Computing (INC), 2011, pp.78-83.

[8] Nguyen Xuan Huy; Huynh Ba Dieu, "An efficient method for hiding data in audio", Proceeding of the International Conference Advanced Technologies for Communications (ATC), 2014, pp.167-171.

[9] Shaoquan Wu; Jiwu Huang; Daren Huang; Shi, Y.Q., "Self-synchronized audio watermark in DWT domain", Proceeding of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems, 2004, vol.5, pp.712-715.

[10] Vongpraphip, S.; Ketcham, M., "An Intelligence Audio Watermarking Based on DWT- SVD Using ATS", Global Congress on Intelligent Systems, 2009, vol.3, pp.150-154.

[11] Xiumei Wen; Xuejun Ding; Jianhua Li; Liting Gao; Haoyue Sun, "An Audio Watermarking Algorithm Based on Fast Fourier Transform", Proceeding of the 2009 International Conference on Information Management, Innovation Management and Industrial Engineering,2009, vol.1, pp.363-366.

[12] Xulai Cao; Linghua Zhang, "Researches on echo kernels of audio digital watermarking technology based on echo hiding", Proceeding of the International Conference on Wireless Communications and Signal Processing, 2011pp.1-5, 2011.

[13] http://www.eternallyconfuzzled.com/tuts/algorithms/jsw_tut_rand.aspx (truy cập ngày 15 tháng 8 năm 2015).

(BBT nhận bài: 06/11/2015, phản biện xong: 19/12/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 107

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THÂN RỄ NGHỆ ĐEN CHAMPASAK - LÀO VÀ GIA LAI - VIỆT NAM

DETERMINATION OF CHEMICAL CONSTITUENTS OF CURCUMA ZEDOARIA RHIZOMES IN CHAMPASAK - LAOS AND GIALAI - VIETNAM

Sesavanh Menvilay, Võ Thị Thanh Bình, Daosadet Sythongbay, Lê Thị Tuyết Anh, Nguyễn Minh Nguyệt, Đào Hùng Cường

Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; sesavanh@gmail.com

Tóm tắt - Kết quả phân tích bằng phương pháp GC-MS cho thấycó sự khác biệt cả về số lượng và loại hợp chất được định danhcủa thân rễ củ nghệ đen Champasak (Lào) và Gia Lai (Việt Nam).Tổng số cấu tử đã được định danh của thân rễ củ nghệ đenChampasak là 36, trong đó số cấu tử trong tinh dầu là 25, trongdịch chiết là 27, có 16 cấu tử đồng thời có mặt trong cả tinh dầu vàdịch chiết. Cấu tử có hàm lượng định danh cao nhất là Benzofuran,6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- với44,02% trong dịch chiết hexan. Tổng số cấu tử đã được định danhcủa thân rễ củ nghệ đen Gia Lai là 31, trong đó số cấu tử trong tinhdầu là 17, trong dịch chiết là 18, có 4 cấu tử đồng thời có mặt trongcả tinh dầu và dịch chiết. Cấu tử có hàm lượng định danh cao nhấtlà Curdion với 26,30% trong tinh dầu. Vậy thành phần và số lượngcấu tử của các hợp chất trong nghệ đen phụ thuộc vào điều kiệnkhí hậu và địa hình nơi cây sinh tồn và phát triển.

Abstract - Analysis results obtained by using GC-MS method show thatthere are differences in both the number and types of compoundsidentified of curcuma zedoaria rhizomes in Champasak (Laos) and Gia-Lai (Vietnam). The total number of constituents identified of curcumazedoaria rhizomes in Champasak is 36, in which the constituents of theessential oil and of the extract are 25 and 27 respectively.There are 16constituents that are present in both the essential oil and the extract.Theconstituent with the highest designation content is Benzofuran, 6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- with 44.02% in thehexane extract. Meanwhile, the total number of constituents identified ofcurcuma zedoaria rhizomes in Gia-Lai is 31, in which the constituents ofthe essential oil and of the extract are 17 and 18 respectively.There are 4constituents that are present in both the essential oil and the extract. Theconstituent with the highest designation content is Curdion with 26.30% inthe essential oil. This demonstrates that the composition and quantity ofthe constituent chemical compounds in curcuma zedoaria depend onclimatic conditions and terrain where the plants survive and grow.

Từ khóa - Củ nghệ đen; tinh dầu; dịch chiết; định danh; cấu tử. Key words - Curcuma zedoaria; oil; extracts; identify; constituents.

1. Đặt vấn đề

Nghệ đen hay còn có tên gọi khác là nga truật, ngải tím, tam nại (Curcumazedoaria) là l o ạ i cây thân thảo, thuộc họ Gừng, phân bố ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Lào và Việt Nam. Trong dân gian, nghệ đen là loài thảo dược lành tính, có hương vị độc đáo nên đã trở thành cây trồng phổ biến dùng làm thuốc cũng như gia vị trong chế biến thực phẩm. Hiện nay, với các trang thiết bị nghiên cứu hiện đại, các nhà khoa học đã xác định được thành phần hóa học của thân rễ nghệ đen, bao gồm: tinh bột (82,6%), tinh dầu (1-1,5%), các sesquiterpene và một số khoáng vi lượng. Theo y học cổ truyền, nghệ đen vị cay, đắng, tính ôn, có tác dụng hành khí, phá huyết, thông kinh, tiêu tích, hóa thực. Nó thường được dùng chữa đau bụng, ăn không tiêu, đầy hơi, bế kinh, tích huyết, hành kinh không thông, nhiều máu cục (huyết khối), tăng cường sự bài tiết mật, kích thích tiêu hóa, tăng trương lực ống tiêu hóa, kháng khuẩn. Kết quả nghiên cứu của các công trình hiện đại còn cho thấy dịch chiết thân rễ nghệ đen có hoạt tính chống ung thư, kháng viêm, kháng oxy hóa. Tinh dầu thân rễ nghệ đen chống lại di căn của các tế bào khối u ác tính B16 [3], quét gốc tự do 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl; Dịch chiết chloroform đã ức chế sinh trưởng tế bào myeloma và tế bào carcinoma; Dịch chiết ethanol ức chế sinh trưởng tế bào myeloma và tế bào carcinoma [5], quét gốc tự do; Các curcuminoid có hoạt tính chống các tế bào ung thư buồng trứng OVCAR-3, t ế bào ung thư ruột kết và ung thư biểu mô gan [2], xơ gan mãn tính [3]. Các sesquiterpene ức chế mạnh hoạt tính các enzyme: cyclooxygenase và nitricoxide synthase [4].

Cây nghệ đen là loại cây phát triển tốt ở địa bàn các tỉnh Tây nguyên, trong đó có Gia Lai. Việc sử dụng nghệ đen Gia Lai làm thuốc chữa bệnh dưới dạng các sản phẩm thân rễ nghệ đen hoặc tinh nghệ đen rất được phổ biến trên cả nước. Tuy nhiên, việc nghiên cứu xác định thành phần, công thức cấu tạo của các hợp chất hóa học chứa trong thân rễ nghệ đen Gia Lai còn ít được công bố. Nhằm góp phần cung cấp thêm các thông tin khoa học về thành phần hóa học, mở rộng phạm vi và hiệu quả ứng dụng của thân rễ nghệ đen Gia Lai là vấn đề chúng tôi quan tâm nghiên cứu. Mặt khác, chúng tôi cùng tiến hành song song nghiên cứu thân rễ nghệ đen Champasak - Lào để có thông tin so sánh về thành phần hóa học của loại cây này khi phát triển trên địa hình ở Việt Nam và Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Phương pháp nghiên cứu tinh dầu

Tinh dầu nghệ đen Gia Lai và Champasak Lào được thu nhận bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước với 500g thân rễ nghệ đen dạng tươi trong thời gian 5 giờ. Thông số hóa lý của tinh dầu được xác định theo các phương pháp của TCVN như: tỷ trọng (TCVN 4188-86), chỉ số khúc xạ (TCVN 8445-2010), chỉ số axit (TCVN 8450-2010), chỉ số este (TCVN 8451-2010).

2.2. Phương pháp nghiên cứu dịch chiết

Dịch chiết nghệ đen Gia Lai và Champasak Lào được thu nhận bằng phương pháp chiết soxhlet với 10g thân rễ nghệ đen dạng bột trong các dung môi: hexan (8 giờ), diclometan (8 giờ), etylaxetat (10 giờ), metanol (10 giờ).

108 Sesavanh Menvilay, Võ Thị Thanh Bình, Daosadet Sythongbay, Lê Thị Tuyết Anh, Nguyễn Minh Nguyệt, Đào Hùng Cường

2.3. Phương pháp sắc ký

Thành phần hóa học của tinh dầu và các dịch chiết được xác định bằng phương pháp sắc ký GC-MS, sử dụng cột tách mao quản DB-5MS, khí mang He với áp suất 10psi, thể tích tiêm mẫu 1l (split 10:1), và theo chương trình gradient nhiệt độ từ 500C đến 3000C (5 phút),

injector 2500C và detector 500, chế độ quét Fullscan, kèm theo ngân hàng dữ liệu để định danh các chất.

2.4. Sơ đồ nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu thu nhận tinh dầu và dịch chiết một số dung môi của thân rễ nghệ đen Gia Lai và Champasak được thực hiện theo sơ đồ Hình 1.

3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

3.1. Tinh dầu nghệ đen Champasak và Gia Lai

Tinh dầu là một trong những sản phẩm để đánh giá về giá trị ứng dụng và thương mại hóa của một loài thực vật. Giá trị này được thể hiện qua hàm lượng phần trăm tinh

dầu chứa trong nguyên liệu thực vật và các thông số hóa lý của nó. Kết quả thực nghiệm thu nhận tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước từ mẫu nguyên liệu 500g thân rễ nghệ đen dạng tươi và xác định các thông số hóa lý được thể hiện trên Bảng 1.

Bảng 1. Thông số hóa lý của dịch chiết tinh dầu nghệ đen từ nguyên liệu tươi

Loại nghệ Tinh dầu (%) Tỷ trọng Chỉ số axit Chỉ số este Chỉ số xà phòng hóa Chỉ số khúc xạ

Gia Lai 0,53 0,975 0,39 16,73 17,12 1,5141

Champasak 0,38 0,963 2,42 26,61 29,08 1,5103

Kết quả trên Bảng 1 cho thấy, so với khoảng hàm lượng phần trăm tinh dầu trong thân rễ nghệ tươi (0,16%

1,94%) đã được công bố trên thế giới [1] thì hàm lượng tinh dầu chưng cất được trong thân rễ nghệ đen Gia Lai và Champasak là tương đối thấp, trong đó tinh dầu nghệ đen Champasak (0,38%) thấp hơn Gia Lai (0,53%), còn các thông số hóa lý khác gần như tương đương nhau.

Kết quả định danh thành phần hóa học của tinh dầu thân rễ nghệ đen Champasak và Gia Lai bằng GC-MS được thể hiện trên Bảng 2.

Kết quả trên Bảng 2 cho thấy trong tinh dầu thân rễ nghệ đen Champasak có 25 cấu tử đã được định danh, cao hơn so với 17 cấu tử trong nghệ đen Gia Lai, trong đó có 11 cấu tử đều có mặt ở cả 2 loại tinh dầu. Hàm lượng phần trăm định danh các cấu tử hóa học trong tinh dầu rễ củ nghệ đen Champasak và Gia Lai nhìn chung không khác nhau nhiều, trừ cấu tử Benzofuran, 6-ethenyl-

4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- trong nghệ đen Champasak (37,69%) lớn hơn gấp 10 lần so với nghệ đen Gia Lai (3,77%). Mặt khác, trong tinh dầu Gia Lai có cấu tử định danh Curdione chiếm 26,3%, còn trong tinh dầu Champasak không có mặt loại hợp chất này. Sự khác nhau về hàm lượng phần trăm, số lượng và hàm lượng định danh cấu tử tinh dầu thân rễ nghệ đen của Gia Lai và Champasak đã chứng minh rằng chất lượng của tinh dầu thực vật hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên mà ở đó loại cây sinh tồn và phát triển.

3.2. Dịch chiết thân rễ nghệ đen Gia Lai và Champasak

Dịch chiết thân rễ nghệ đen được thu nhận bằng phương pháp chiết soxhlet với các dung môi hữu cơ hexan, diclometan, etylaxetat và metanol. Hàm lượng phần trăm cao chiết thu được sau khi làm bay hơi dung môi so với khối lượng thân rễ nghệ tươi được thể hiện trên Bảng 3.

Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu

GC-MS GC-MSGC-MSGC-MS

Sấy khô, nghiền bột

GC-MS

Chưng cất lôi cuốn hơi nước Chiết soxhlet

Thân rễ nghệ đen Gia Lai và Champsak

Mẫu nghệ tươi

Tinh dầu

Thành phần hóa học

Mẫu nghệ khô

Dịch hexan Dịch etylaxetat Dịch Diclometan Dịch metanol

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học

Xử lý sơ bộ, làm sạch

Cắt lát, giã nhỏ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 109

Bảng 2. Thành phần hóa học của tinh dầu nghệ đen

TT TÊN GỌI Hàm lượng, %

Nghệ đen Champasak, Lào

1 alpha.-Pinene 0,28

2 Camphene 1,51

3 beta.Pheldrene 0,03

4 beta.-Pinene 0,26

5 beta.-Myrcene 0,73

6 alpha.-Phellandrene 0,03

7 Limonene 0,35

8 Eucalyptol 1,48

9 1,3,6-Octatriene, 3,7-dimethyl- 0,02

10 Cyclohexene, 1-methyl-4-(1-methylethylidene)- 0,21

11 Camphor 6,34

12 Isoborneol 1,26

13 Borneol 0,33

14 3-Cyclohexen-1-ol, 4-methyl-1-(1-methylethyl)- 0,07

15 3-Cyclohexene-1-methanol, .alpha.alpha.4-trimethyl-,(S) (alpha-Terpieol) 0,12

16 Cyclohexene, 4-ethenyl-4-methyl-3-(1-methylethenyl)- 1-(1-methylethyl)-, (3R-trans)- 2,23

17 Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl)-, [1S-(1.alpha.,2.beta.,4.beta. ) ]- 6,25

18 Caryophyllene 0,54

19 Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2-(1-methylethenyl)-4- (1-methylethylidene) 8,85

20 alpha.-Caryophyllene 1,36

21 1,6-Cyclodecadiene, 1-methyl-5-methylene- 8-(1-methylethyl)-, [s-(E,E)]- 1,98

22 Benzofuran, 6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- 37,69

23 1H-Cycloprop[e]azulene, decahydro-1,1,7-trimethyl-4-methylene-,[1aR-(la.alpha. ,4a.beta.,

7.alpha.,7a.beta.,7b.alpha.) ]-

0,24

24 gamma.-Elemene 13,45

25 Azulene, 1,2,3,5,6,7,8,8a-octahydro-1,4-dimethyl-7-(1-methylethenyl)-, [1S-(1.alpha.,7.alpha.,8a.beta.)] 0,28

Nghệ đen Gia Lai, Việt Nam

1 alpha.-Pinene 0,36

2 beta.-Myrcene 0,11

3 Limonene 0,04

4 Eucalyptol 0,55

5 Cyclohexene, 4-ethenyl-4-methyl-3-(1-methylethenyl)- 1-(1-methylethyl)-, (3R-trans)- 0,16

6 Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl)-, [1S-(1.alpha.,2.beta.,4.beta. ) ]- 3,00

7 Caryophyllene 1,13

8 alpha.-Caryophyllene 1,85

9 1,6-Cyclodecadiene,1-methyl-5-methylene-8-(1-methylethyl)-, [s-(E,E)]- 4,23

10 Benzofuran, 6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- 3,77

11 gamma.-Elemene 0,32

12 alpha-Elemene 0,15

13 beta-Elemmene 3,00

14 delta-Elemene 0,16

15 (E,Z)-alpha-Fanesene 0,11

16 beta-Panasinsene 0,95

17 Curdione 26,30

110 Sesavanh Menvilay, Võ Thị Thanh Bình, Daosadet Sythongbay, Lê Thị Tuyết Anh, Nguyễn Minh Nguyệt, Đào Hùng Cường

Bảng 3. Hàm lượng % cao chiết thân rễ nghệ tươi

TT Dung môi Gia Lai Champasak

Thời gian (h) Cao chiết (%) Thời gian (h) Cao chiết (%)

1 Hexan 8 8,59 10 10,33

2 Diclometan 8 5,75 10 5,62

3 Etylaxetat 10 8,68 8 4,19

4 Metanol 10 11,88 8 13,90

Kết quả trên Bảng 3 cho thấy hàm lượng trung bình cao chiết thu được so với khối lượng thân rễ nghệ đen tươi khoảng (7% ÷ 8%), trong đó dung môi metanol có

hiệu quả cao nhất. Kết quả định danh thành phần hóa học của dịch chiết thân rễ nghệ đen Champasak và Gia Lai bằng GC-MS được thể hiện trên Bảng 4.

Bảng 4. Thành phần định danh dịch chiết thân rễ nghệ đen

TT Tên gọi Hàm lượng % Hexan Diclometan Etylaxetat Metanol

I. Nghệ đen Champasak, Lào

1 2-Furanmethnol - - - 0,03

2 alpha.-Pinene 0,05 0,03 0,06 -

3 Camphene 0,28 0,19 0,28 0,04

4 beta.-Phellandrene 0,01 0,01 0,02 -

5 beta.-Pinene 0,04 0,04 0,04 -

6 apha.-Phellandrene 0,01 - - -

7 D-Limonene 0,08 0,07 0,09 0,04

8 Eucalyptol 0,15 0,17 0,31 0,23

9 1,4-Cyclohexadien, 1-methyl-4-(1-methylethyl)- 0,01 0,01 - -

10 Cyclohexene, 1-methyl-4-(1-methylethylidene)- 0,02 0,02 0,03

11 Camphor 1,50 1,50 1,37 2,29

12 Isoborneol 0,39 0,35 0,36 0,60

13 Borneol 0,13 0,12 0,13 0,21

14 3-Cyclohexen-1-ol, 4-methyl-1-(1-methylethyl)- 0,01 0,01 0,02 0,05

15 3-Cyclohexene-1-methanol, .alpha, alpha, 4-trimethyl 0,02 0,03 0,03 0,04

16 Cyclohexene, 4-ethenyl-4-methyl-3-(1-methylethenyl)- 1-

(1-methylethyl)-, (3R-trans)- 1,52 1,37 1,31 1,32

17 Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl)-

[1S-(1.alpha.,2.beta.,4.beta.) ]- 3,85 3,57 2,34 2,22

18 Caryophyllene 0,69 - 0,69 0,56

19 gamma-Elemene 15,47 15,37 13,18 14,03

20 Alpha-Caryophyllene 0,76 1,73 0,72 0,79

21 1H-Cyclopenta[1,3]cyclopropa[1,2]benzene 1,14 1,72 1,78 1,81

22 Naphtalene - - - 0,25

23 Benzofuran, 6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-

3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- 44,02 42,26 36,72 41,17

24 3,7-Cyclodecadien-1-one 2,17 0,62 2,41 -

25 Hecxadecane-1,2-diol - - - 0,05

26 Sigmasterol 0,04 0,01 - -

27 beta-Sitosterol 0,12 0,05 0,11

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 111

II. Nghệ đen Gia Lai, Việt Nam

1 Alpha-Pinene 0,17 - - -

2 Eucalyptol 0,14 0,37 0,29 0,81

3 Bicyclo[2.2.1]heptan-2- one, 1,7,7-trimethyl-, (1S)- 0,17 0,34 0,31

4 Endo-Borneol 0,15 0,20 - 0,35

5 Cyclohexane, 1- ethenyl-1 -methyl- 2,4bis(1-methylethylnyl)-1S- [(1O,2P,4P)]

0,32 1,85 2,27 1,03

6 Ar-curcumene 0,63 1,39 1,51 1,27

7 Beta-Bisabolene 0,17 0,67 0,74

8 Beta- Elemenone 3,16 5,86 7,16 3,11

9 2-Propenal, 3-(2- furanyl) 5,00 - - 4,88

10 Curdione 0,74 - - 0,59

11 1-cyclohexene-1- methanol, 4-(1- methylethenyl) 9.93 - - -

12 Campesterol 0,14 - - 0,12

13 Stigmasterol 0,33 - - 0,19

14 Beta-Sitosterol 1,06 - - 0,44

15 3,7 -Cyclodecadien -1-one, 10-(1- methylethenyl)-, (E,E) - - 3,51 -

16 Neocurdione - 0,93 - -

17 3,9-Dodecadiyne - 4,00 - -

18 Isoborneol - 0,20 - -

Kết quả trên Bảng 4 cho thấy số lượng các cấu tử được định danh trong dịch chiết Gia Lai (18 cấu tử) ít hơn so với dịch chiết Champasak (27 cấu tử), trong đó có 8 cấu tử (alpha-pinene, eucalyptol, borneol, stigmasterol, beta- sitosterol, 3,7-cyclodecadien-1-one, curdione) đều có mặt trong thành phần của cả 2 dịch chiết. Hàm lượng định danh của các cấu tử trong các dịch chiết đều không cao, trừ Benzofuran, 6-ethenyl-4,5,6,7-tetrahydro-3,6-dimethyl-5-isopropenyl-trans- trong nghệ đen Champasak có hàm lượng 44,02% (hợp chất này không có trong thành phần định danh của dịch chiết nghệ đen Gia Lai).

Kết quả tổng hợp trên Bảng 2 và Bảng 4 đã xác định được tổng số lượng cấu tử đã được định danh của thân rễ củ nghệ đen Champasak là 36, trong đó số cấu tử trong tinh dầu và trong dịch chiết lần lượt là 25 và 27, có 16 cấu tử đồng thời có mặt trong cả tinh dầu và dịch chiết; tổng số lượng cấu tử đã được định danh của thân rễ củ nghệ đen Gia Lai là 31, trong đó số cấu tử trong tinh dầu và trong dịch chiết lần lượt là 17 và 18, có 4 cấu tử đồng thời có mặt trong cả tinh dầu và dịch chiết. Điều này được giải thích dựa vào độ tan của từng cấu tử trong từng dung môi cụ thể. Đối với một cấu tử có thể tan được trong nhiều dung môi và ngược lại, đối với một loại dung môi cũng có thể hòa tan được nhiều cấu tử.

4. Kết luận

Trong thành phần hóa học của tinh dầu và dịch chiết thân rễ củ nghệ đen Gia Lai và Champasak đã được định

danh có 3 loại hợp chất chủ yếu là tecpen, ancol, xeton với hàm lượng phần trăm các cấu tử 0,01% 44,02%. Điểm khác biệt cơ bản giữa thành phần hóa học của 2 loại nghệ là cấu tử định danh có hàm lượng cao trong nghệ đen Gia Lai, Việt Nam là Curdione, còn trong nghệ đen Champasak, Lào là Benzofuran. Các hợp chất hóa học được định danh là những hợp chất có hoạt tính sinh học kháng viêm, kháng nấm, kháng khuẩn, kháng oxy hóa và chống ung thư. Đây chính là những hoạt tính đã tạo nên giá trị ứng dụng chữa bệnh của dược liệu nghệ đen trong cuộc sống.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S. N. Garg, R. P. Bansal,M. M. Gupta and Sushil Kumar, Variation in the rhizome essential oil and curcumin contents and oil quality in the land races of turmeric Curcuma longa of North Indian plains, Flavour and Fragrance Journal, 1999.

[2] Jang M.K, Sohn D.H, Ryu J.H.(2001), “A curcuminoid and sesquiterpenes as inhibitors of macrophage TNF-alpha release from Curcuma zedoaria”, PlantaMed67(6), pp. 550-552.

[3] Kim D.I, Lee T.K, Jang T.H, Kim C.H. (2005), “The inhibitory effect ofa Korean herbal medicine, Zedoariae rhizoma, on growth of cultured human hepatic myofibroblast cells”, Life Sci77(8), pp. 890906.

[4] Leonel M, Sarmento S.B.S, Cereda M.P. (2003), “New starches for the food industry: Curcuma longa and Curcuma zedoaria”, Carbohydrate Polymers 54, pp. 385-388.

[5] Priosoeryanto B.P, Sumarny R, Rahmadini Y, Nainggolan G.R.M,Andany S. (2001), “Growth inhibition effect of plants extract (Mussaenda pubescens and Curcuma zedoaria) on tumour cell lines in vitro”, Proceeding of the 2ndSEAG, South East Asian Germany AlumniNetwork, Los Barios, The Philippines on August, pp. 27-31.

(BBT nhận bài: 20/10/2015, phản biện xong: 30/11/2015)

112 Phạm Quý Mười, Phan Thị Như Quỳnh

MỘT PHƯƠNG PHÁP CHỌN ĐIỂM KHỞI ĐẦU TRONG GIẢI THUẬT ĐIỂM TRONG CHO BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH A METHOD OF CHOOSING STARTING POINT IN INTERIOR POINT ALGRITHMS

FOR LINEAR PROGRAMMING

Phạm Quý Mười1, Phan Thị Như Quỳnh2 1Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; pqmuoi@ud.edu.vn

2Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa; phanthinhuquynh@tic.edu.vn

Tóm tắt - Phương pháp điểm trong thường được dùng để giải bàitoán quy hoạch tuyến tính. Do tốc độ hội tụ nhanh, phương phápnày thường được dùng để giải các bài toán có kích thước lớn.Tuy nhiên, sự hội tụ của giải thuật lại phụ thuộc vào việc chọnđiểm khởi đầu. Vì thế, phương pháp chọn điểm khởi đầu có yếutố quyết định cho sự hoạt động của giải thuật và đã được quantâm nghiên cứu bởi nhiều tác giả khác nhau ở trong và ngoàinước. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một phương phápchọn điểm khởi đầu đảm bảo cho sự hội tụ của giải thuật điểmtrong cho bài toán quy hoạch tuyến tính. Phương pháp này dựatrên giải thuật Ellipsoid cải tiến tìm nghiệm của một bất đẳngtuyến tính. Các ví dụ số cụ thể sẽ minh họa tính hiệu quả củaphương pháp được nhóm tác giả đề xuất.Tất cả các mã Matlabcủa các giải thuật được trình bày chi tiết trong bài báo.

Abstract - The interior point Method is commonly used to solvelinear programming problems, especially those of large size dueto its fast convergence speed. However, the convergence of thealgorithm depends on the choice of starting point. Thus, themethod of selecting the starting point determines the operation ofthe algorithm and has attracted the interest of both domestic andinternatinal authors. In this paper, the authors propose a methodof selecting the starting point to ensure the convergence of theinterior point algorithm for linear programming. This method isbased on the Elliptic algorithm of solving linear inequalities.Specific examples will illustrate the effectiveness of the methodproposed by the authors. All Matlab codes of these algorithms arealso presented in detail in the article.

Từ khóa - bài toán quy hoạch tuyến tính; phương pháp chọnđiểm khởi đầu; phương pháp điểm trong; phương pháp Ellipsoid;phương án chấp nhận được khởi đầu; phương án tối ưu chấpnhận được.

Key words - Linear programming; Method of choosing startingpoint; Interior point method; Ellipsoid method; feasible solution;feasible optimal solution.

1. Đặt vấn đề

Xét bài toán quy hoạch tuyến tính ở dạng chính tắc:

min

, (1)

0

Tc x

A x b

x

trong đó , ,m n m nA R b R c R cho trước và nx R là vectơ cần tìm. Trong bài báo này, nhóm tác giả giả sử rằng tập các nghiệm chấp nhận được (tức là tập các phương án chấp nhận được) có phần trong khác rỗng.

Có nhiều phương pháp để giải Bài toán (1) như phương pháp hình học, phương pháp đơn hình, phương pháp đơn hình đối ngẫu [1,2]. Khi bài toán có kích thước lớn, người ta thường tìm nghiệm xấp xỉ của Bài toán (1)bằng phương pháp điểm trong. Phương pháp điểm trong cho Bài toán(1) rất dễ để lập trình trong các phần mềm toán học như Matlab, Maple,... Tuy nhiên, một nhược điểm của phương pháp này là vấn để tìm điểm khởi đầu đảm bảo cho sự hội tụ của giải thuật. Vấn đề này đã được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà toán học trong và ngoài nước [1, 2].

Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày một phương pháp có tính ứng dụng cao cho việc tìm điểm khởi đầu bảo đảm sự hội tụ của giải thuật điểm trong cho Bài toán (1). Phương pháp đưa ra ở đây dựa trên giải thuật Ellipsoid cải tiến tìm nghiệm của một bất đẳng thức tuyến tính được nghiên cứu trong [3].

Bài báo có bố cục như sau: Các kết quả chính của bài báo được trình bày trong Mục 2: Mục 2.1 trình bày tóm tắt giải thuật Ellipsoid và Ellipsoid cải tiến. Mục 2.2 trình

bày phương pháp điểm trong cho Bài toán (1). Mục 2.3 trình bày phương pháp chọn điểm khởi đầu cho phương pháp điểm trong. Đây là kết quả chính của bài báo. Trong Mục 3 nhóm tác giả áp dụng phương pháp điểm trong để giải một số ví dụ cụ thể và xem xét sự hoạt động của phương pháp điểm trong với điểm khởi đầu được chọn bởi phương pháp đưa ra trong Mục 2.3. Cuối cùng, trong Mục 4 nhóm tác giả trình bày mã Matlab cho các giải thuật và ví dụ được khảo sát trong bài báo này.

2. Kết quả nghiên cứu

2.1. Giải thuật Ellipsoid và sự hội tụ

Trong phần này nhóm tác giả trình bày tóm tắt giải thuật Ellipsoid cho bài toán: Tìm một điểm của tậpPđịnh nghĩa bởi:

: , (2)kP u R Bu d

trong đó l kB R và ld R là ma trận và vectơ cho trước.

Chú ý rằng, phương pháp Ellipsoid đã được nghiên cứu trong [1,3] và sự hội tụ của nó được chứng minh khi P là một tập bị chặn và đủ số chiều.

Định nghĩa 1. Tập kP R được gọi là đủ số chiều nếu tồn tại 0r sao cho P chứa quả cầu *( , )S y r với tâm tại *y và bán kính r .

Trước hết, chú ý rằng một Ellipsoid trong không giankR là tập

1, : : 1 ,TkE z D x R x z D x z

trong đó D là ma trận đối xứng, xác định dương cấp k k và kz R được gọi là tâm của Ellipsoid.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 113

Ý tưởng của phương pháp Ellipsoid là đi xây dựng một dãy Ellipsoid có thể tích giảm dần và chứa tập P sao cho dãy các điểm tâm của Ellipsoid hội tụ về một điểm nào đó của .P Cụ thể như sau:

Thuật toán Ellipsoid xây dựng ở mỗi bước lặp thứ t, một Ellipsoid tE có tâm tx và chứa tập lồi đa diện .P Nếu

tx P thì thuật toán kết thúc. Nếu tx P thì tx sẽ không thỏa mãn ít nhất một ràng buộc, tức là sẽ có một hàng ib

củaBvà thành phần id của d sao cho Ti t ib x d . Mọi x P

thỏa ràng buộc Bx d nên T Ti i tb x b x . Do đó P chứa trong

nửa không gian : : .k T Ti i tK x R b x b x Vậy, nếu

tx P thì P chứa trong .tE K Ta gọi tE K là nửa Ellipsoid (chú ý rằng siêu phẳng xác định nửa Ellipsoid đi qua tâm tx của Et). Tính chất hình học của Ellipsoid cho phép ta tìm được một Ellipsoid mới 1tE chứa nửa Ellipsoid của Et và có thể tích nhỏ hơn hẳn Et. Lặp lại quá trình trên ta sẽ thu được dãy điểm tx (hữu hạn hoặc vô hạn) sao cho tx P cho một giá trị t nào đó, hoặc

.tx x P

Cách xây dựng dãy Ellipsoid tE như được mô tả ở phần trên được trình bày chi tiết trong Giải thuật 1 dưới đây:

Giải thuật 1:

Phương pháp Ellipsoid cho Bài toán (2)

Đầu vào

Ma trận B và vectơ d ; Điểm 0x và 0r sao chohình cầu 2

0 0 ,E E x r I thỏa mãn 0P E , t =0;

Vòng lặp

WHILE tx P

1. Tìm hàng i sao cho: Ti t ib x d ( ib là hàng thứ i

của ma trận B).

2. 1

1. ,

1t i

t tTi t i

D bx x

k b D b

3. 2

1 2

2.

11

Tt i i t

t t Ti t i

D b b DkD D

kk b D b

,

4. 1 ,t t

END WHILE

Đầu ra

tx

Định lý 2. Giả sử P là tập bị chặn và đủ số chiều. Khi đó, Giải thuật 1 dừng sau hữu hạn bước.

Chứng minh: Chứng minh định lí này có thể tìm thấy ở [1, Định lí 1] (trang 117).

Chú ý 3. Điều kiện P là tập đủ số chiều là một điều kiện khá chặt và trong nhiều trường hợp, điều kiện này không thỏa mãn, ví dụ như tập nghiệm của bài toán quy hoạch tuyến tính. Hơn nữa, việc biểu diễn các số trong máy tính luôn chứa đựng sai số. Do đó, Giải thuật 1 thường có tính không ổn định. Vì thế, trong [3] nhóm tác giả đã đề xuất một giải thuật thay thế, được gọi là phương pháp Ellipsoid cải tiến. Phương pháp Ellipsoid cải tiến hội tụ chỉ dưới điều kiện tậpPkhác rỗng và bị chặn. Giải thuật cho phương pháp Ellipsoid cải tiến hoàn toàn giống Giải thuật 1 ngoại trừ điều kiện trong Bước 1 (nằm trong vòng lặp Giải thuật 1) được thay bởi điều kiện

2Ti t ib x d với 0 được chọn khá bé.

2.2. Giải thuật điểm trong và sự hội tụ

Xét bài toán quy hoạch tuyến tính ở dạng chính tắc đưa ra bởi Bài toán (1). Ý tưởng đầu tiên trong phương pháp điểm trong là thay vì trực tiếp giải Bài toán (1), thì sẽ đi giải một dãy bài toán xấp xỉ mà dãy nghiệm của nó hội tụ về một nghiệm của (1). Cụ thể là xét dãy bài toán tối ưu sau:

1

min ( ) : log, (3)

.

nT

jj

B x c x x

A x b

Ở đây 0 là tham số và nghiệm của bài toán ký hiệu là ( )x . Hàm ( )B x được gọi là hàm chắn (barrier

function). Hàm chắn này có một ưu việt là nó lồi chặt nên nghiệm ( )x của Bài toán (3) là duy nhất. Rõ ràng khi càng nhỏ (gần 0) thì ( )x càng gần đến nghiệm tối ưu của Bài toán (1).

Bài toán (3) là một bài toán phi tuyến và vì thế vẫn còn khó giải vì hàm mục tiêu tuy là lồi chặt nhưng không phải là hàm bậc hai. Ta lại xấp xỉ một lần nữa bài toán này bằng cách thay ( )B x bởi đa thức Taylor bậc hai của nó. Giả sử 0x là nghiệm xấp xỉ hiện hành, tính toán trực tiếp các đạo hàm riêng cấp một và cấp hai, ta có:

1 21( ) ( ) . (4)

2T T TB x d B x c e X d d X d

Ở đây ma trận chéoX là ma trận có đường chéo chính làvectơ x. Bây giờ, thay cho Bài toán (3) ta giải bài toán xấp xỉ với hàm mục tiêu ở bên vế phải của (4)theo .d Vì xcố định, bài toán xấp xỉ tương đương với:

1 21min ( )

20.

T T Tc e X d d X d

Ad

Điều kiện cần và đủ cho nghiệm tối ưu của bài toán

này là: 1 2 0

0.

Tc X e X d A y

Ad

Vì thế, phương pháp điểm trong cho Bài toán(1)được

trình bày ở Giải thuật 2.

Giải thuật 2: Phương pháp điểm trong cho Bài toán (3)

Đầu vào

- Tham số của bài toán: , , .A b c

- Điểm xuất phát: 0 0 0( , , ).x y s

- Tiêu chuẩn dừng: 0 .

- Giá trị tham số chắn: 0 và tham số (0,1).

Vòng lặp

WHILE( )k T ks x

1. 1k k ;

2. Giải hệ tuyến tính ra d và y: 1 2 1 1

0,

k T kk kX d A y X e c

Ad

3. Cập nhật: 1k kx x d

114 Phạm Quý Mười, Phan Thị Như Quỳnh

1ky y

1k Ts c A y

: 1k k END WHILE

Đầu ra kx

Chú ý rằng, kX là ma trận chéo mà đường chéo chính là

vectơ kx và ở mục đầu vào của giải thuật trên, 0 0x là nghiệm chấp nhận được của (3)và 0 0( , )y s , 0( 0)s là nghiệm chấp nhận được của bài toán đối ngẫu của nó.

Sự hội tụ của giải thuật này được đưa ra trong định lí sau:

Định lý 4. ([1], Định lý hội tụ)

Giả sử nghiệm gốc và đối ngẫu chấp nhận được xuất phát là 0 0 0, ( , )x y s , với 0 00, 0x s thỏa

0 00

11. (5)X S e e

Nếu tham số 1n

thì sau

0 0( ) (1 )

log(1 )

Tn s xK

bước lặp, Giải thuật 2 sẽ cho cặp nghiệm chấp nhận được gốc kx và đối ngẫu ( , )k ky s với lỗ hổng đối ngẫu thỏa( ) .k T ks x

2.3. Phương pháp chọn điểm khởi đầu

Từ Định lí 4 nhóm tác giả thấy rằng để Giải thuật 2 hội tụ thì điểm xuất phát cho giải thuật 0 0 0( , , )x y s phải thỏa mãn hai điều kiện:

(1) 0 00, 0x s và 0 0 0, ( , )x y s lần lượt là điểm chấp nhận được của Bài toán (3)và bài toán đối ngẫu của nó.

(2) 0 thỏa mãn điều kiện:

0 00

11.X S e e

Trong hai điều kiện này, thì điều kiện thứ nhất là quan

trọng nhất, có vai trò quyết định sự hội tụ của Giải thuật 2. Trong khi đó, thực tế cho thấy, Giải thuật 2 hội tụ với bất kỳ dãy k hội về 0 khi .k Điều này có nghĩa là nếu điểm khởi đầu thỏa mãn Điều kiện (1) thì Giải thuật 2 hội tụ cho bất kỳ giá trị 0 và tham số (0,1). Tuy nhiên, sự lựa chọn giá trị 0 và (0,1) ảnh hưởng đến tốc độ hội tụ của giải thuật. Điều kiện (2) cùng với giá trị cụ thể của trong Định lí 4 chỉ là điều kiện đủ để Giải thuật 2 hội tụ sau K bước lặp.

Do vai trò quan trọng của việc chọn các giá trị khởi tạo thỏa mãn Điều kiện (1), nhóm tác giả sẽ trình bày một phương pháp để chọn một điểm xuất phát 0 0 0( , , )x y s thỏa mãn Điều kiện (1).

Trước hết, chú ý rằng bài toán đối ngẫu của(1)là: m ax

0.

T

T T T

y b

y A s c

s

Do đó, 0 0 0, ( , )x y s lần lượt là điểm chấp nhận được của Bài toán (1) và bài toán đối ngẫu của nó nếu:

0

0 0

0 00, 0.

T

A x b

A y s c

x s

Để thỏa mãn điều kiện 0 00, 0,x s xét bài toán:

0

0 0

0

0

T

A x b

A y s c

x

s

0

0

0

0 0

0 0

0,

0

0 0

0 0

Tn

Tn

n

n

A b

A bx

A I cy

A I cs

I

I

(6)

trong đó, chọn 0 là một số dương khá bé, ví dụ 1010 .

Dễ thấy rằng Bài toán(6)là một trường hợp cụ thể của Bài toán(2)và vì thế nghiệm của nó có thể tìm được bằng Phương pháp Ellipsoid (Giải thuật 1) hoặc phương pháp Ellipsoid cải tiến (tức là Giải thuật 1 cùng với Chú ý 2).

Cuối cùng, xem xét cách chọn 0 . Chú ý rằng:

0 0 0 00 0

1 1X S e e X S I e

‖ ‖

0 0

1, , 0max 1 .i i

i nx s

n

∣ ∣

Do đó, điều kiện đủ cho 0 00

1X S e e

là:

0 0

1, , 0max 1 ,i i

i nx s

n

∣ ∣

hay (như đã giả sử 1 ): 0 0 0 0

0 , , ,i i i i

n n n

x s n x s n a n b

n

n

với mọi 1, , .i n Ở đây, ký hiệu 0 01, ,min i n i ia x s và

0 01, ,max .i n i ib x s

Điều này suy ra:

0 , .n n

b n a n

Do đó, Điều kiện (2) thỏa mãn khi và chỉ khi 1 và 0 tồn tại, tức là:

.

1

n

n

n

b a n

Điều này tương đương với:

1.b a

na b

Bất đẳng thức này chỉ thỏa mãn khi n khá bé hoặca bkhá bé (gần bằng không). Việc chọn các điểm khởi đầu 0x và

0s để thỏa mãn Điều kiện (1), đồng thời b a khá bé thường rất khó. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, Giải thuật 2 hội tụ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 115

với mọi 0 0 và tham số (0,1). Vì thế, có thể chọn:

0 , 0,5b n

n

và 0,5. Các ví dụ số ở phần

sau xác nhận rằng với các giá trị tham số này Giải thuật 2 hội tụ rất nhanh.

3. Ví dụ số

Trong phần này, nhóm tác giả xem xét hai ví dụ cụ thể và sẽ trình bày kết quả nghiệm số khi áp dụng Giải thuật 2 với điểm khởi tạo đưa ra trong Mục 2.3. Ở đây, nhóm tác giả chọn 42 10 cho giải thuật Ellipsoid cải tiến, chọn

1010 cho Giải thuật 2 và 1010 trong Bài toán (6). Các giải thuật và chương trình giải hai ví dụ ở đây được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab và được trình bày trong phần tiếp theo.

Ví dụ 1: Xét bài toán: Tìm 21 2

1 2( , )min 2 3

x x Rx x

với

điều kiện 1 2( , )x x thỏa mãn: 1 2 1x x và 1 2, 0.x x

Bài toán này có duy nhất một nghiệm tối ưu là (1,0).Áp dụng phương pháp Ellipsoid cải tiến, nhóm tác giả tìm được điểm khởi đầu cho Giải thuật 2:

0 (0,500, 0,500)x , 0 1, 667,y 0 (0,333, 1,333)s và 0 2, 030.

Giải thuật 2 cho ví dụ này dừng chỉ sau một vòng lặp. Kết quả được trình bày ở Bảng 1. Chú ý rằng, các giá trị ở đây được làm tròn đến ba chữ số thập phân sau dấu phẩy.

Bảng 1. Giải thuật 2 cho Ví dụ 1

t tx Ttc x

0 (0,500, 0,500) 2,500

1 (1,000, 2,092e-12) 2,000

Ví dụ 2: Xét bài toán: Tìm 1

min n

n

ix Ri

x

với điều

kiện 0 1ix với mọi 1, ,i n .

Phương án tối ưu chấp nhận được của bài toán là (1, ,1)x . Trước hết là viết lại bài toán dưới dạng (1).

Đặt 1 , 1, ,i n ix x i n , bài toán đã cho tương đương

với bài toán: Tìm 2

1

min n

n

ix Ri

x

với điều kiện

1, 1, ,i i nx x i n và 0, 1, , 2 .ix i n

Chọn 15n và áp dụng Giải thuật 2 với điểm khởi đầu nhận được như trong Mục 2.3, thì thu được kết quả ở Bảng 2. Một lần nữa, lại thấy rằng với điểm khởi tạo nhận được từ phương pháp mà nhóm tác giả đề xuất, thì Giải thuật 2 hội tụ chỉ sau 1 vòng lặp.

Bảng 2. Giải thuật 2 cho Ví dụ 2

t tx Ttc x

0 (0,500, …, 0,500) -7,500

1 (1,000,…,1,000) -15,000

4. Chương trình Matlab

Phần này nhóm tác giả đưa ra các chương trình Matlab của Giải thuật Ellipsoid cải tiến, Giải thuật 2 và hai ví dụ đã trình bày ở phần trước.

4.1. Chương trình Matlab cho giải thuật Ellipsoid cải tiến function [x0 i Ax0 Amin]=modified_ellipsoid_method(A,b,x0,R,Nmax) % Giải thuật 1 cùng với Chú ý 2 if nargin==3

R=1e2; Nmax=100;

end [m n]=size(A); D0=R^2*eye(n,n); m_min=min(A*x0-b); Ax0=[x0]; Amin=[m_min]; for i=0:Nmax

check=find(A*x0-b<-1e-4); if size(check,1)==0

break; else

k=check(1); ak=A(k,:)'; x1=x0+D0*ak/((1+n)*(sqrt(ak'*D0*ak))); x0=x1; tg1=n^2/(n^2-1); tg2=2/(n+1); D0=tg1*(D0-tg2*(D0*ak)*(ak'*D0)/(ak'*D0*ak)); m_min=min(A*x0-b); Ax0=[ Ax0 x0]; Amin=[ Amin m_min];

end end Amin=Amin'; Ax0=Ax0'; end

4.2. Chương trình Matlab cho Giải thuật 2

function [x0 fmin Ax0 Amin]=interior_point_method(A,b,c,epsilon) if nargin==3 epsilon=1e-10; end [m n]=size(A); %Choose starting point B1=[A zeros(m,m) zeros(m,n)]; B2=[-A zeros(m,m) zeros(m,n)]; B3=[zeros(n,n) A' eye(n)]; B4=[zeros(n,n) -A' -eye(n)]; B5=[eye(n) zeros(n,m) zeros(n,n)]; B6=[zeros(n,n) zeros(n,m) eye(n)]; B=[B1;B2;B3;B4;B5;B6]; u=[b;-b;c;-c;1e-10*ones(2*n,1)]; k=size(B,2); u0=zeros(k,1); [u0 i Au0 Aumin]=modified_ellipsoid_method(B,u,u0); %input x0=u0(1:n); s0=u0(n+m+1:end); e=ones(n,1); alpha=0.5; tg=x0.*s0; tg2=max(tg)

116 Phạm Quý Mười, Phan Thị Như Quỳnh

nu0=(2*sqrt(n)*tg2) /(2*sqrt(n)+1); Ax0=[x0]; fmin=c'*x0; Amin=[fmin]; while s0'*x0>=epsilon nu0=alpha*nu0; tg=1./(x0.^2); tg1=1./x0; BB=[nu0*diag(tg) -A';A zeros(m,m)]; R=nu0*diag(tg1)*e-c; R=[R;zeros(m,1)]; u=BB\R; d=u(1:n); y=u(n+1:end); % Update x0=x0+d; y0=y; s0=c-A'*y; end fmin=c'*x0; Ax0=[Ax0 x0]; Amin=[Amin fmin]; End

4.3. Chương trình Matlab cho Ví dụ 1

clear all %Ví dụ 1 A=[1 1]; b=[1]; c=[2 3]'; %Giai thuat 2 (PP diem trong) epsilon=1e-10; [u0 fmin Au0 Aumin]=interior_point_method(A,b,c,epsilon);

4.4. Chương trình Matlab cho Ví dụ 2 %EXAMPLE 2 n=15; X=eye(n); A=[X X]; b=ones(n,1); c=[-ones(n,1);zeros(n,1)]; %Giai thuat 2 (PP diem trong) epsilon=1e-10; [u0 fmin Au0 Aumin]=interior_point_method(A,b,c,epsilon);

5. Kết luận

Trong bài báo này, nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp mới cho việc chọn điểm khởi đầu trong phương pháp điểm trong để giải bài toán quy hoạch tuyến tính. Lý thuyết cũng như các ví dụ số cụ thể chứng tỏ rằng, phương pháp mà nhóm tác giả đã trình bày hoạt động tốt và đảm bảo sự hội tụ của phương pháp điểm trong. Hai ví dụ số cũng cho thấy rằng phương pháp điểm trong có tốc độ hội tụ rất nhanh với các giá trị khởi tạo nhận được từ phương pháp mà nhóm tác giả đã đề xuất trong bài báo này. Vì thế, phương pháp chọn điểm khởi đầu trong bài báo này có tính ứng dụng thực tế cao và có thể dùng kết hợp với phương pháp điểm trong cho bài toán quy hoạch tuyến tính có kích thước lớn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] D. G. Luenberger &Y. Ye, Linear and nonlinear programming, Springer Science & Business Media, 2008.

[2] Phan Quốc Khánh, Trần Huệ Nương, Quy hoạch tuyến tính, NXB Giáo dục, 1999.

Phạm Quý Mười, Phan Thị Như Quỳnh, “Phương pháp Ellipsoid cải tiến và ứng dụng giải bài toán quy hoạch tuyến tính”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 9(94).2015.

(BBT nhận bài: 23/10/2015, phản biện xong: 22/11/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 117

NHẬN DẠNG KHUÔN MẶT TRÊN MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI FACE RECOGNITION APPLICATION BASED ON RASPBERRY PI

Trương Văn Trương, Huỳnh Việt Thắng

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; thanghv@dut.udn.vn

Tóm tắt - Nhận dạng khuôn mặt người là một trong những lĩnh vựcmang tính thách thức trong thị giác máy tính và học máy. Hầu hếtcác hệ thống nhận dạng khuôn mặt hiện có đều sử dụng tài nguyêntính toán mạnh mẽ dựa trên DSP hoặc các máy tính đa mục đích,rất khó ứng dụng vào các dự án vừa và nhỏ như nhận dạng nhântrắc học cho hệ thống bảo mật gia đình, hệ thống chấm công vàquản lý nhân viên trong các công ty. Chúng tôi giới thiệu một nềntảng phần cứng nhúng mới dùng trong xử lý ảnh, đó là máy tínhnhúng Raspberry Pi lõi ARM11, sử dụng thư viện xử lý ảnh mãnguồn mở OpenCV của Intel. Chúng tôi sử dụng đặc trưng Haar-like cho phát hiện khuôn mặt và thuật toán phân tích thành phầnchính cho nhận dạng khuôn mặt, tất cả được thực thi trên boardmạch Raspberry Pi. Hệ thống được thiết kế với nguồn tài nguyênphần cứng giới hạn, giá thành thấp, tiêu tán năng lượng thấp, đảmbảo hiệu suất nhận dạng 93% và tốc độ nhận dạng tốt.

Abstract - Human face recognition is one of the very challengingproblems in computer vision and machine learning. Recentstudies have significantly increased the accuracy of recognitionsystems. But most systems are based on huge and strong DSPcores, and it is very difficult to apply them for small-scale projectssuch as anthropometry systems for household security, time –keeping systems for employee management in companies or low-cost face tracking systems in public places etc. In this paper, wepropose an alternative for DSP kits for face recognition by usingRaspberry Pi -a low cost embedded board with ARM11 as thecore where OpenCV is a computer vision library from Intel. In thissystem, we use Haar-like features for face detection and principalcomponent analysis for face recognition. The system has beendesigned on the criteria of resources optimization with low-cost,low power consumption and improved operating speed.

Từ khóa - Cascaded Classifier; vector riêng; Raspberry Pi; PCA;nhận dạng khuôn mặt

Key words - Cascaded Classifier, Eigenface, Raspberry Pi, PCA,Face recognition

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, vấn đề bảo mật là một trong những lĩnh vực công nghệ được quan tâm hàng đầu trên thế giới. Bảo mật ra đời từ rất lâu và dần hoàn thiện, xuất phát từ bảo mật cơ học, bảo mật điện tử học, và ngày nay là bảo mật sinh trắc học. Công nghệ phát triển nhanh vượt bậc đem lại những lợi ích khổng lồ cho con người, nhưng đồng thời tồn tại một bộ phận hacker âm thầm dựa vào các lỗ hổng bảo mật để trục lợi và gây ra những thiệt hại không nhỏ. Ở phạm vi cá nhân, người dùng có thể dễ dàng bị đánh cắp tài sản cá nhân, tài khoản mạng xã hội, hay mật khẩu e-bank, mật khẩu thương mại điện tử vì bảo mật kém. Với phạm vi doanh nghiệp, dù quy mô lớn nhỏ khác nhau, nhưng các doanh nghiệp đều có nhiều nhân tố cần được bảo vệ. Với quy mô quốc gia, công nghệ bảo mật lại càng được coi trọng hơn nữa, đặc biệt ở các lĩnh vực quân sự, an ninh và tài chính [1, 2]. Trong bài báo này chúng tôi hướng đến việc nghiên cứu một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực bảo mật, đó là bảo mật sinh trắc học: hệ thống bảo mật dựa trên nhận dạng mặt người.

Nhận diện khuôn mặt là bài toán kinh điển trong xử lý ảnh, đã ra đời và được giải quyết từ những năm 60, khi mà các phương pháp tính toán thủ công để xác định vị trí, khoảng cách và các bộ phận trên khuôn mặt được sử dụng. Đến cuối thập niên 80, kỹ thuật nhận diện khuôn mặt dần được cải thiện khi M. Kirby và L. Sirovich phát triển phương pháp tìm mặt riêng (eigenface) sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis - PCA) đã tạo nên một cột mốc mới trong kỹ thuật nhận diện khuôn mặt. Hiện nay, tất cả các thuật toán nhận diện khuôn mặt được phát triển phần lớn đều dựa trên nền tảng hệ thống xử lý số tín hiệu DSP (Digital Signal Processing) với lượng tài nguyên tính toán rất lớn và giá thành cao, vì vậy khó có thể tích hợp vào các hệ thống nhận dạng yêu cầu giá thành thấp. Để giải

quyết vấn đề này, bài báo hướng đến việc tối ưu hóa thiết kế trên phần cứng là máy tính nhúng Raspberry Pi, với đặc trưng là tài nguyên tính toán giới hạn nhỏ gọn, giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhận dạng.

Bài báo sẽ trình bày việc thực thi và đánh giá hệ thống nhận dạng khuôn mặt trên máy tính nhúng Raspberry Pi [3, 4] thông qua các bộ thư viện khác nhau, từ đó thu thập bộ thông số phù hợp nhất cho ứng dụng trên Raspberry Pi. Việc giải quyết bài toán này có thể mở ra một hướng mới trong ứng dụng công nghệ nhận diện khuôn mặt cho điều tra tội phạm, kiểm tra hành khách ở sân bay, điều khiển giao thông hay các hệ thống bảo mật khác, cho phép giảm giá thành, thời gian đáp ứng vừa phải, độ tin cậy cao.

Nội dung bài báo được sắp xếp theo trình tự sau: Phần 2 trình bày cơ sở lý thuyết của hệ thống nhận dạng khuôn mặt; Phần 3 trình bày quá trình thiết kế hệ thống; Phần 4 trình bày các kết quả đạt được của hệ thống nhận dạng khuôn mặt trên Raspberry Pi và cuối cùng, Phần 5 đưa ra các kết luận và các hướng nghiên cứu tiếp theo.

2. Cơ sở lý thuyết

Phần này tập trung trình bày các lý thuyết cơ sở về hệ thống nhận dạng khuôn mặt, cụ thể là các thuật toán phát hiện khuôn mặt, nhận dạng khuôn mặt, và sử dụng các kỹ thuật này với bộ thư viện mã nguồn mở OpenCV.

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống nhận dạng khuôn mặt được trình bày trên Hình 1. Trong sơ đồ này, quá trình huấn luyện hệ thống với dữ liệu huấn luyện và quá trình nhận dạng với dữ liệu kiểm tra được trình bày đồng thời, trong đó các công đoạn phát hiện khuôn mặt, tiền xử lý, trích chọn đặc trưng và đối sánh được thực hiện tương tự ở cả hai quá trình huấn luyện và kiểm tra. Trong quá trình huấn luyện, các đặc trưng được trích chọn sẽ được lưu vào cơ sở dữ liệu để thực hiện nhận dạng thông qua

118 Trương Văn Trương, Huỳnh Việt Thắng

đối sánh trong quá trình kiểm tra.

Các kỹ thuật tương ứng được chúng tôi sử dụng trong hệ thống nhận dạng khuôn mặt là: sử dụng đặc trưng Haar-like để phát hiện khuôn mặt, sử dụng kỹ thuật cân bằng histogram trong tiền xử lý ảnh khuôn mặt, phân tích thành phần chính PCA để trích rút đặc trưng, và kỹ thuật đối sánh mẫu sử dụng khoảng cách Euclidian [1, 2, 5, 6]. Trong các mục tiếp theo chúng tôi trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết các kỹ thuật này.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống nhận dạng khuôn mặt

2.1. Kỹ thuật phát hiện khuôn mặt với đặc trưng Haar-like

Mỗi đặc trưng Haar-like là các hình chữ nhật được phân thành các vùng trắng đen khác nhau, có thể chứa 2, 3 hoặc 4 miền hình học khác màu nhau. Viola và Jones dùng bốn loại đặc trưng Haar-like cơ bản để xác định khuôn mặt người. Để phát hiện khuôn mặt, việc đầu tiên là phải huấn luyện dựa vào các đặc trưng Haar-like. Ảnh đầu vào trước hết phải được xám hóa, sau đó cho một hoặc nhiều hình chữ nhật chứa đặc trưng Haar-like chạy khắp bức ảnh, những chỗ khác biệt sẽ được lưu trữ lại. Tập hợp hàng nghìn điểm khác biệt của hàng trăm khuôn mặt khác nhau sẽ cho ta một tập dữ liệu dùng cho việc phát hiện mặt người.

Trong quá trình huấn luyện, bộ phân loại phải duyệt qua tất cả các đặc trưng của các mẫu trong tập training, vì vậy sẽ tốn rất nhiều thời gian. Thực tế là trong các mẫu đưa vào, không phải mẫu nào cũng thuộc loại khó nhận dạng, có những mẫu background rất dễ nhận ra (ta gọi đây là những mẫu background đơn giản). Đối với những mẫu này, chỉ cần xét một hay vài đặc trưng đơn giản là có thể nhận diện được chứ không cần xét tất cả các đặc trưng. Một kỹ thuật được sử dụng để rút ngắn thời gian xử lý, giảm thiểu tỉ lệ sai nhầm là Cascade of Classifiers. Trong kỹ thuật này, Cascade tree gồm nhiều stage (hay còn gọi là layer), mỗi stage của cây sẽ là một stage classifier. Một mẫu để được phân loại là đối tượng thì nó cần phải đi qua hết tất cả các stages của cây. Các stage classifiers ở stage sau được huấn luyện bằng những mẫu negative mà stage classifier trước nó nhận dạng sai, tức là nó sẽ tập trung học từ các mẫu background khó hơn, do đó sự kết hợp các stage classifiers này lại sẽ giúp bộ phân loại có false alarm thấp. Với cấu trúc này, những mẫu background dễ nhận diện sẽ bị loại ngay từ những stages đầu tiên, giúp đáp ứng tốt nhất đối với độ phức tạp gia tăng của các mẫu đưa vào, đồng thời giúp rút ngắn thời gian xử lý.

2.2. Kỹ thuật cân bằng Histogram

Cân bằng Histogram (Histogram equalization) là phương pháp làm cho biểu đồ Histogram của ảnh được

phân bố một cách đồng đều. Đây là một biến đổi khá quan trọng giúp nâng cao chất lượng hình ảnh, thông thường đây là bước tiền xử lý của một ảnh đầu vào cho các bước tiếp theo.

2.3. Phương pháp phân tích thành phần chính PCA [1]

Phương pháp phân tích thành phần chính PCA thực chất là đi giải quyết bài toán tìm trị riêng và vector riêng cho ma trận. Phương pháp PCA sẽ giữ lại K thuộc tính “mới” từ M các thuộc tính ban đầu (K<M), và được tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Load ảnh trong file, sử dụng các ảnh khuôn mặt I1, I2, … In

Bước 2: Tương ứng mỗi ảnh Ii với một vector Γi

Bước 3: Tính vector khuôn mặt trung bình theo công thức:

= ∑

Bước 4: Sai số của các ảnh so với giá trị vector mặt trung bình được tính toán theo công thức Φi = Γi – Ψ

Bước 5: Tính ma trận hiệp phương sai (covariance) C:

C = ∑ ɸ ɸ = A.AT

Khi đó, C sẽ có kích thước N2xN2, và A = [Φ1 Φ2... ΦM]

Bước 6: Việc tính các Eigenvector ui của ma trận vuông A.AT (C có kích thước N2xN2) rất khó khăn. Vì vậy ta thực hiện bằng phương pháp tính vecto riêng của ma trận AT.A có kích thước M x M. Gọi vi và λi là các vecto riêng và trị riêng của ma trận AT.A. Tính các vector riêng vi (eigenvectors) của ma trận vuông AT.A này. Suy ra được các vector riêng ui (kích thước N2x1) mong muốn cần tìm và chuẩn hóa chúng, theo công thức:

ui = Avi

M trị riêng của ma trận AT.A (kèm với các vector riêng tương ứng), sẽ ứng với M trị riêng lớn nhất của A.AT, đây là các kết quả cho biết các hướng biến thiên quan trọng nhất. Tập hợp các vecto ban đầu được biểu diễn trong không gian tạo bởi các vecto u là:

Φi = Γi – Ψ = w1u1 + w2u2 + w3u3..... + wMuM = ∑

Bước 7: Giữ lại K vector riêng trong số các vector nói trên ứng với K trị riêng lớn nhất. Khi đó mỗi khuôn mặt

i trong tập huấn luyện có thể được biểu diễn lại là 1 tổ

hợp tuyến tính của K vector riêng lớn nhất:

Φi = Γi – Ψ = w1u1 + w2u2 + w3u3..... + wKuK = ∑

2.4. Đối sánh mẫu

Kỹ thuật đối sánh mẫu dùng PCA được sử dụng để nhận dạng khuôn mặt. Cho 1 ảnh khuôn mặt (chính diện và cùng kích thước) chưa biết là ai. Thực hiện các bước trên để tính vector mặt đặc trưng Ω. Tính khoảng cách Euclidian nhỏ nhất của Ω so với không gian mặt.

er = minl|| Ω - Ωl ||

So sánh với khoảng cách ngưỡng Tr. Nếu er < Tr tức ảnh khuôn mặt cần xác định “đủ gần” với ảnh của người thứ l trong tập mẫu. Khi đó, ta kết luận đó chính là khuôn mặt của người thứ l.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 119

3. Thiết kế hệ thống nhận dạng khuôn mặt trên máy tính nhúng Raspberry Pi

Sơ đồ khối phần cứng hệ thống nhận dạng khuôn mặt thực thi trên board mạch Raspberry Pi được cho trên Hình 2. Chúng tôi cài đặt hệ điều hành Raspbian [3] (dựa trên nền tảng Linux) trên board mạch Raspberry Pi, và tiếp đó cài đặt bộ thư viện OpenCV [7] tương thích với Raspberry Pi để thực thi hệ thống.

Hình 2. Sơ đồ khối phần cứng hệ thống

3.1. Module camera

Module camera thực hiện load ảnh và có chức năng sử dụng Pi camera hoặc USB webcam để thu thập dữ liệu các ảnh cho bộ dữ liệu negative image và positive image dùng cho nhận dạng online. Các ảnh được thu thập với cường độ ánh sáng và biểu cảm khác nhau, nhưng phải cùng định dạng PGM hoặc JPEG, kích thước ảnh có thể chênh lệch nhau và sẽ được chuẩn hóa ở module dò tìm khuôn mặt trong ảnh.

3.2. Phát hiện khuôn mặt

Hình 3. Lưu đồ quy trình xác định khuôn mặt

OpenCV nhận dạng khuôn mặt bằng phân lớp Haar Cascade. Với ảnh lưu sẵn hoặc cắt từ file video thì quy trình phát hiện phải phân loại chúng thành “mặt” và “không mặt”. Sau khi đã phân loại được, OpenCV trả về giá trị tọa độ khuôn mặt. Bài báo sử dụng tọa độ đó để cắt khuôn mặt ra khỏi phần hình nền dư thừa và lưu vào cở sở dữ liệu theo đúng định dạng (xem Hình 3). Với các thông số đã lựa chọn cho bước phát hiện khuôn mặt như trong Hình 3 (min_size, haar_scale, min_neighbors, haar_flags), trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi thấy rằng tỉ lệ phát hiện đúng khuôn mặt trong một khung hình đạt rất cao với độ chính xác phát hiện khuôn mặt gần như tuyệt đối.

3.3. Trích đặc trưng và nhận dạng khuôn mặt

Quá trình trích rút đặc trưng bằng kỹ thuật PCA được trình bày ở sơ đồ Hình 4, trong khi lưu đồ toàn bộ quy trình nhận dạng khuôn mặt được trình bày ở Hình 5.

Hình 4. Quy trình rút trích đặc trưng khuôn mặt

Hình 5. Quy trình nhận dạng khuôn mặt

Phương pháp nhận dạng được lựa chọn ở đây là so khớp mẫu (đối sánh - template matching). Tất cả các ảnh trong tập huấn luyện được chuyển sang không gian mặt k vector riêng để tạo bộ cơ sở dữ liệu. Phương pháp so khớp mẫu được sử dụng trong bài báo này dựa trên việc tính khoảng cách Euclidian bé nhất của khuôn mặt kiểm thử và các khuôn mặt trong tập cơ sở dữ liệu. Với bộ cơ sở dữ liệu nhỏ, tất cả các ảnh trong tập huấn luyện của một đối tượng đều được chuyển đổi và so khớp mẫu một cách độc lập, từ đó nâng cao xác suất nhận dạng đúng cho hệ thống. Với cơ sở dữ liệu quá lớn, phương pháp tính trung bình eigenface nên được sử dụng để tối ưu hóa tốc độ cho hệ thống.

4. Kết quả và đánh giá

Trong phần này chúng tôi trình bày các kết quả thực nghiệm của hệ thống nhận dạng mặt người được thực thi trên board mạch Raspberry Pi hoạt động ở tần số xung đồng hồ 700 MHz. Hình ảnh thực tế của hệ thống được biểu diễn trên Hình 6. Hai thông số sử dụng để đánh giá hiệu năng của hệ thống nhận dạng khuôn mặt được bài báo lựa chọn là: hiệu suất nhận dạng (tỉ lệ nhận dạng đúng), và thời gian nhận dạng.

Chúng tôi sử dụng bộ cơ sở dữ liệu AT&T [7] để đánh giá, và phân chia bộ cơ sở dữ liệu này thành các tập huấn

120 Trương Văn Trương, Huỳnh Việt Thắng

luyện và kiểm tra như trình bày trên Bảng 1. Cùng với bộ cơ sở dữ liệu AT&T, chúng tôi cũng sử dụng thêm các bộ cơ sở dữ liệu Grimace và Face96 [7] để khảo sát hiệu năng hệ thống.

Bảng 1. Phân chia các tập huấn luyện và kiểm tra với bộ dữ liệu AT&T

Tập dữ liệu

Số ảnh huấn luyện

Số ảnh kiểm tra

Hiệu suất nhận dạng

Tập 1 120 280 70%

Tập 2 200 200 80%

Tập 3 280 120 95%

Dựa trên kết quả khảo sát ở Bảng 1 đối với tập dữ liệu AT&T, chúng tôi lựa chọn số lượng ảnh huấn luyện cho mỗi đối tượng là 7 (tương ứng với hiệu suất nhận dạng đạt rất cao 95%) để khảo sát hiệu năng hệ thống. Bên cạnh đó, qua khảo sát với các tập dữ liệu đã lựa chọn, chúng tôi quan sát thấy rằng số lượng eigenface mang thông tin lớn nhất chỉ trong khoảng từ 1 đến 20 tương ứng với các trị riêng lớn nhất, phần còn lại góp phần không đáng kể cho việc tái cấu trúc để nhận dạng khuôn mặt. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn số lượng eigenface trong khoảng từ 20 trở xuống để đánh giá hệ thống.

Hình 6. Hình ảnh thực tế hệ thống

Chúng tôi khảo sát hai kịch bản. Kịch bản 1: khảo sát ảnh hưởng của số lượng ảnh sử dụng cho mỗi đối tượng trong quá trình huấn luyện hệ thống đến hiệu suất nhận dạng và thời gian nhận dạng. Kịch bản 2: khảo sát ảnh hưởng của số lượng eigenface sử dụng (cũng chính là số lượng thành phần chính lựa chọn sau trích thuộc tính) cho mỗi ảnh đến hiệu suất nhận dạng và thời gian nhận dạng.

Kết quả khảo sát của cả hai kịch bản được trình bày trên Hình 7. Đối với Kịch bản 1, kết quả ở Hình 7 cho thấy với số lượng ảnh sử dụng trong huấn luyện thay đổi từ 7 đến 10 ảnh cho mỗi đối tượng đáp ứng thời gian nhận dạng không quá chênh lệch, nhưng hiệu suất nhận dạng lại tăng rất cao, đạt từ 85% đến 100%. Đối với Kịch bản 2, khi xét đến số lượng eigenface trên mỗi ảnh sử dụng trong nhận dạng cho thấy thay đổi từ 6 đến 10 eigenface không gây ảnh hưởng nhiều đến thời gian và hiệu suất nhận dạng, nhưng nếu số lượng eigenface là 20 thì tốc độ nhận dạng suy giảm rất nhiều. Dựa trên các kết quả này, chúng tôi đề xuất lựa chọn khoảng 10 ảnh cho mỗi đối tượng trong tập huấn luyện, và chỉ cần sử dụng 10 eigenface để tính toán trong quá trình nhận dạng đối với các hệ thống nhận dạng khuôn mặt người sử dụng kỹ

thuật PCA khi thực thi trên board mạch Raspberry Pi.

Hình 7. Kết quả khảo sát đối với 2 kịch bản

Hình 7 cũng cho thấy bộ cơ sở dữ liệu AT&T cho kết quả nhận dạng rất tốt, trong khi bộ cơ sở dữ liệu Face96 thu được kết quả khá thấp. Điều này cho thấy ảnh trong tập huấn luyện cần được chuẩn bị tốt để phù hợp với hệ thống. Nghĩa là các đối tượng phải được thu thập ảnh với các điều kiện gần như nhau: cường độ sáng, biểu cảm khuôn mặt ở trạng thái trung lập, kích thước khuôn mặt trong ảnh như nhau và các nền ảnh đơn sắc như nhau.

Chúng tôi cũng tiến hành nhận dạng khuôn mặt online trên board mạch Raspberry Pi để phân tích chi tiết thời gian thực thi của mỗi giai đoạn, bao gồm: cấu hình hệ thống, nạp dữ liệu ảnh đã được huấn luyện, chụp ảnh

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 121

khuôn mặt đối tượng cần nhận dạng, phát hiện khuôn mặt và tách khuôn mặt ra khỏi khung hình, tiền xử lý với kỹ thuật cân bằng histogram, trích thuộc tính với kỹ thuật PCA và thực hiện nhận dạng bằng kỹ thuật đối sánh với dữ liệu đã được huấn luyện.

Hình 8. Phân tích chi tiết thời gian quá trình nhận dạng

khuôn mặt online trên Raspberry Pi

Hình 8 trình bày kết quả khảo sát chi tiết thời gian thực thi của các giai đoạn này. Tổng thời gian nhận dạng online của hệ thống là 11s. Thời gian thiết lập phần cứng chiếm 15ms, thời gian loading tập model cơ sở dữ liệu ảnh chiếm khoảng 2s, thời gian khởi tạo và truy nhập phần cứng camera chiếm 1.2s; đây là các thông số hoàn toàn phụ thuộc vào phần cứng và khó có thể tối ưu hơn nữa. Giai đoạn phát hiện khuôn mặt và tách khuôn mặt ra khỏi khung hình chiếm 4.5s, cũng là giai đoạn chiếm nhiều thời gian nhất (41%). Giai đoạn nhận dạng bằng kỹ thuật trích thuộc tính PCA và so khớp dữ liệu chiếm 3s (29%). Kết quả phân tích chi tiết ở Hình 8 cho thấy rằng, để nâng cao tốc độ nhận dạng của hệ thống, cần phải tối ưu thời gian xử lý của các giai đoạn phát hiện khuôn mặt, trích thuộc tính PCA và so khớp.

5. Kết luận

Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế và thực thi thành công một hệ thống nhận dạng mặt người trên board mạch nhúng Raspberry Pi. Các kết quả đã trình bày cho thấy hệ thống có thể đáp ứng được yêu cầu của bài toán nhận dạng mặt người ứng dụng trong bảo mật trên các hệ thống nhúng. Với nền tảng phần cứng Raspberry Pi, bài báo đã thực hiện được các thuật toán phát hiện và nhận dạng khuôn mặt người với độ chính xác cao hơn 90% cho cả 3 tập cơ sở dữ liệu (AT&T, Grimace, Face96) khi lựa chọn sử dụng 10 ảnh cho mỗi đối tượng và 10 eigenface cho mỗi ảnh (xem Hình 7); tỉ lệ nhận dạng đúng thậm chí còn cao hơn cho tập cơ sở dữ liệu AT&T (99%). So với giải pháp nhận dạng khuôn mặt trên máy tính đa mục đích, tỉ lệ nhận dạng đúng trên Raspberry Pi gần như

tương đương, ngoại trừ rằng tốc độ nhận dạng chậm hơn vì những giới hạn về phần cứng của Raspberry Pi (tốc độ vi xử lý, bộ nhớ). Việc xử lý các ảnh offline cho độ chính cao với thời gian nhận dạng đáp ứng thời gian thực (<1s cho bộ thư viện 400 ảnh huấn luyện). Kết quả nhận dạng khuôn mặt online cho thấy các cơ cấu điều khiển đã chấp hành tốt, thời gian mỗi lần nhận dạng trong khoảng 11s. Quan trọng hơn, chúng tôi đã trình bày những phân tích chi tiết về biểu đồ thời gian nhận dạng online trên board mạch Raspberry Pi, qua đó đã chỉ ra được các khối cần phải được tiến hành nghiên cứu sâu hơn để có thể cải thiện tốc độ nhận dạng online của hệ thống.

Việc xây dựng thành công mô hình nhận dạng khuôn mặt trên Raspberry Pi đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng vào thực tế. Các ví dụ bao gồm: hệ thống kiểm soát vào ra bằng nhận dạng khuôn mặt dùng cho các cơ quan công sở, khu chung cư cao cấp hoặc biệt thự để kiểm soát được đối tượng và thời điểm ra vào. Bên cạnh đó, hệ thống chấm công không cần dùng thẻ dùng trong hệ thống quản lý, chấm công và giám sát nhân lực lao động phù hợp cho các nhà máy, khu công nghệ cao, cơ quan, đơn vị quản lý nhân lực lao động. So với giải pháp dùng máy tính thông dụng, các sản phẩm xây dựng trên Raspberry Pi có thiết kế nhỏ gọn, giá thành thấp và tiêu thụ điện năng rất thấp.

Trong tương lai, chúng tôi dự định thực hiện các nghiên cứu sau đây: sử dụng phần cứng Raspberry Pi 2 với nhân lõi tứ có thể giúp tăng tốc độ xử lý lên từ 4 đến 12 lần; tối ưu hóa thời gian nhận dạng cho giai đoạn phát hiện khuôn mặt và khởi tạo/lưu trữ model, cũng như thử nghiệm các mô hình nhận dạng khác như mạng nơ-ron nhân tạo (neural network) hay máy hỗ trợ vector (support vector machine – SVM) để nâng cao hiệu suất nhận dạng của hệ thống.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Mạnh Hùng, Nhận dạng mặt người sử dụng đặc trưng PCA, Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà Nội, 2013.

[2] Nguyễn Thị Len, Đề xuất phương pháp nhận dạng mặt người và ứng dụng chống gian lận trong thi cử, Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính, Học viện CNBCVT, Hà Nội, 2014.

[3] Matt Richardson, Shawn Wallace (2012), Getting start with Raspberry Pi, Published by O’Reilly Media, United States of America, 2012.

[4] Medak Teena Ravali, Prof. Ranga Sai Komaragiri, “Image processing platform on RASPBERRY PI for face recognition”, Global Journal of Advanced Engineering Technologies, Vol3, Issue4, pg. 441-444, 2014.

[5] Yanbin Sun, Lun Xie, Zhiliang Wang, and Yi An, An Embedded System of Face Recognition Based on ARM and HMM, University of Science and Technology, Beijing, 2007.

[6] B. Koteswar rao, P. Rama Krishna, MA.Wajeed, “Real Time Embedded Face Recognition using ARM7”, International Journal of Research in Computer and Comunication Technology, 2013.

[7] Face recognition home page: http://www.face-rec.org/

(BBT nhận bài: 10/11/2015, phản biện xong: 28/11/2015)