Wed01162019

Last update06:09:01 AM GMT

Các hình thức khai thác, sử dụng nguồn nước vùng karst Đông Bắc

Hiện nay, việc khai thác, sử dụng nguồn nước vùng karst Đông Bắc có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu có các phương pháp sau:

Giếng đào: Cho đến nay giếng đào vẫn là biện pháp khai thác nước ngầm trong vùng karst một cách thủ công và phổ biến. Đối tượng khai thác thường là nước ngầm nằm nông trong các đới karst bề mặt bị phủ một phần hoặc toàn bộ. Các bề mặt này thường rộng, phẳng và nằm ở phần thấp của địa hình và thường là các cánh đồng hoặc thung lũng karst. Mực nước ngầm ở các khu vực như vậy thường nằm ở độ sâu 3 - 5m tới 20m.

Giếng khoan đứng: là biện pháp truyền thống và phổ biến nhất để khai thác nước ngầm ở vùng karst. Biện pháp này đã được áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới. Trong khai thác nước ở vùng đá vôi, nhiều nước đã áp dụng thêm các biện pháp nổ mìn và axit hoá để mở rộng phạm vi đới thu nước. Giếng khoan đứng là biện pháp dễ thi công, kinh tế, có thể cấp nước với khối lượng lớn cho các cụm dân cư lớn, các khu công nghiệp.

Giếng khoan nghiêng và khoan ngang

Khoan nghiêng và ngang là các cải tiến về công nghệ của khoan đứng. Nhiều nước, mà đặc biệt là các tổ hợp khai thác dầu khí đã sử dụng khoan nghiêng để tăng sản lượng khai thác. Trong lĩnh vực nước ngầm, khoan nghiêng - ngang cũng đã thể hiện các ưu thế vượt trội đối với khai thác nước trong các đới chứa nước hẹp, các tầng chứa nước mỏng, các điểm chứa nước cao ngang sườn đồi núi,… Ở một số trường hợp khó khăn về địa hình, địa vật (sông suối, công trình,…) không thể sử dụng khoan đứng thì vẫn có thể sử dụng khoan nghiêng để tiếp cận đới chứa nước. Tại Việt Nam, Trung tâm Ứng dụng và Chuyển giao công nghệ - Viện Cơ học đã phối hợp với một số công ty tiến hành khoan ngang để dẫn nước karst từ hang động sâu ra sườn núi thuộc khu vực Tạ Đú - Mèo Vạc. Lưu lượng nước từ hang sâu chảy ra đạt tới 1 - 3l/s. Đây là giải pháp rất hữu hiệu, có thể thay thế một phần giải pháp bơm hút vẫn dùng bấy lâu nay.

Vách nhả nước và hồ treo:

Mô hình này chỉ áp dụng tại các nơi có thể chứa nước khe nứt Epikarst phát triển mà điều kiện sử dụng các kỹ thuật khai thác cấp nước khác (khoan, bơm hút, dẫn từ nơi khác đến...) rất khó khăn. Trên các sườn núi đá vôi thì đây là biện pháp tương đối mới để khai thác nguồn nước vách núi (epikarst) nằm cao.

sp41Hồ treo

Bơm hút nước từ hang động, mạch nước: là biện pháp phổ biến ở hầu hết các vùng đá vôi. Tuỳ vào chênh lệch mực nước trong hang và địa hình bề mặt mà sử dụng bơm hút hoặc bơm đẩy. Lưu lượng bơm hút phụ thuộc vào lưu lượng khai thác cho phép và công suất máy. Ở Việt Nam, hầu hết các địa phương có hang động chứa nước đều sử dụng bơm hút để khai thác. Phần lớn nguồn nước cấp cho thành phố Sơn La được bơm hút từ nước hang động nằm trong phạm vi thành phố. Ngay tại cao nguyên đá Đồng Văn các địa phương đã sử dụng bơm để hút nước trong các hang động nằm trên độ cao 1400 - 1500m.

Khai thác nước từ các mạch nước:

Có thể nói, đây là mô hình và giải pháp khai thác sử dụng nước ngầm vùng karst hiệu quả nhất. Ở Việt Nam, hình thức khai thác nước từ các mạch nước đã được các đô thị, Trung tâm Nước sinh hoạt và Vệ sinh môi trường nông thôn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, của các địa phương áp dụng và xây dựng ở hàng trăm các mạch nước, như mạch nước mắt rồng ở Thái Nguyên, mạch nước ngầm vùng Karst Bắc Sơn…

Đập - cống điều tiết nước hang động

Đây là biện pháp mới thử nghiệm trên thế giới và Việt Nam xong đã có diện áp dụng rộng. Biện pháp này dựa vào nguyên lý tương tự coi hệ thống dòng chảy karst ngầm dưới mặt đất gần giống hệ thống sông suối trên mặt. Như vậy, có thể chặn các hang động để dâng nước, tạo nên các hồ chứa ngầm trong lòng núi và sử dụng nước vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, phát điện,…

Đê đập hồ nổi: Mô hình này hiện đang được triển khai để thu và trữ nước cho đảo Cát Bà. Điều kiện để áp dụng là nơi có nhu cầu trữ nước để sử dụng. Có nguồn nước ở dạng các điểm xuất lộ tập trung có lưu lượng tương đối lớn hoặc dòng chảy ngầm xuất lộ, có địa hình thích hợp để xây dựng hồ chứa. Tùy vào điều kiện địa hình và hệ thống hang động có thể có hồ có mặt thoáng hoàn toàn hoặc nửa nổi nửa ngầm. Ở vùng Đông Bắc, có nhiều vùng thấp là các thung lũng giữa núi, có nguồn cấp, có thể xây dựng các hồ nổi được bao quanh một phần bằng hệ thống đê đập. Đáng kể là các khu vực ở Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn.

Hồ đáy van

Hồ đáy van là loại hình chứa nước ngầm karst chảy lên vào mùa mưa để trữ lại cho mùa khô. Ở một số vùng karst trũng thấp, vào mùa mưa nước trào lên mặt đất theo các hang hốc hoặc có áp lực cao hơn bề mặt địa hình trũng. Vào mùa khô, mực nước ngầm hạ thấp gây khó khăn cho các biện pháp khai thác truyền thống. Trong trường hợp này có thể sử dụng hồ đáy van có dung tích lớn (tới 1 triệu m3) để thu trữ nước này. Biện pháp công nghệ chủ yếu là van 1 chiều được lắp đặt nơi miệng hố nước. Khi nước chảy lên ép vào làm van mở cho nước chảy vào bể chứa. Khi nước rút xuống van đóng lại theo hướng chảy.

Tổng quan tình hình nghiên cứu, xây dựng bộ tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi thi công xây dựng công trình ngầm

Trên thế giới

Những năm gần đây trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu tác động của những công trình ngầm đến nước dưới đất như: Năm 9/2015 Aurelie Lame đã nghiên cứu Mô hình thủy văn của các tầng chứa nước tại Paris và tác động của các công trình ngầm; Năm 2015 tập thể tác giả Yong-Xia Wu, Shui-Long Thần, Ye-Shuang Xu, và Zhen-Yu Yin đã có thí nghiệm quan trắc đặc điểm của quá trình thấm nước dưới đất với tường cắt ngang trong tầng chứa nước cuội sỏi ở Hàng Châu, Trung Quốc; Năm 2010 tập thể tác giả Tadanobu Nakayama, Masataka Watanabe, Kazunori Tanji… đã nghiên cứu Ảnh hưởng của các công trình ngầm đến suy giảm chất lượng nước ở môi trường ven biển khu vực đồng bằng Kanto – Nhật Bản; Năm 2012 tập thể tác giả Y.S Xu, S.L.Shen, J.C.C đã nghiên cứu hiệu ứng cắt ngang quá trình thấm của các tầng chứa nước do công trình ngầm ở Thượng Hải; Năm 2014 tập thể tác giả Guanyong Luo, Hong Cao, Hong Pan đã có các nghiên cứu phân tích số học các tác động của công trình ngầm đối với dòng chảy ngầm ở Quảng Châu, Trung Quốc tại đây trầm tích đệ tứ rất mỏng, với độ sâu chỉ khoảng 11 m….. Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra tác động của việc thi công xây dựng các công trình ngầm đến nước dưới đất:

+ Gây cản trở dòng chảy tự nhiên của nước ngầm, gây ảnh hưởng đến nguồn bổ cập; Phá vỡ cấu trúc các tầng chứa nước, làm giảm thể tích chứa nước các tầng chứa nước; giảm tính thấm của các tầng chứa nước. Như vậy gây suy giảm trữ lượng các tầng chứa nước;

+ Sự rò rỉ chất bẩn (từ mạng lưới thoát nước, nước bị ô nhiễm, nhiễm bẩn bên trên) thấm xuống di chuyển đi vào các tầng chứa nước làm thay đổi chất lượng các tầng chứa nước;

- Trên thế giới đã sử dụng một số phương pháp để nghiên cứu những tác động này như: nghiên cứu cấu trúc ĐCTV; nghiên cứu quy trình thi công, khảo sát hiện trạng các công trình ngầm; quan trắc mực nước, mực áp lực, quan trắc chất lượng nước và sử dụng các mô hình số học nước dưới đất được thực hiện để phân tích định lượng một cách chính xác. Tuy nhiên các công trình nghiên cứu trên đã nghiên cứu đánh giá tác động của việc xây dựng các công trình ngầm đến nước dưới đất, chưa đề xuất các bộ tiêu chí để bảo vệ các tầng chứa nước dưới đất.

Ở Việt Nam

Quá trình hiện đại hóa các đô thị tại Việt Nam ngày càng phát triển mạnh mẽ, các công trình xây dựng ngầm được quy hoạch và triển khai thi công xây dựng ngày càng nhiều với quy mô lớn nhỏ khác nhau như các công trình: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng đã tác động đến các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ:

Suy giảm trữ lượng các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ:

- Phá vỡ cấu trúc các tầng chứa nước;

- Làm giảm thể tích chứa nước các tầng chứa nước;

- Làm thay đổi hướng vận động, động thái nước dưới đất;

- Giảm tính thấm của các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ, giảm lượng bổ cập cho các tầng bên dưới.

Thay đổi chất lượng các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ:

- Nước bị ô nhiễm, nhiễm bẩn từ trên mặt có thể thấm xuống di chuyển vào các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ bên dưới (từ tầng chứa nước Holocene vào tầng chứa nước Pleistocene) làm biến đổi chất lượng các tầng chứa nước này.

sp40Thi công đóng cọc và khoan cọc nhồi

Hiện nay ở nước ta khi thi công các công trình móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm chưa có đánh giá tác động cũng như chưa có các quy định về bảo vệ các tầng chứa nước này. Chính vì vậy, nghiên cứu đánh giá được tác động và từ đó xây dựng bộ tiêu chí nhằm hạn chế các tác động tiêu cực, bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi xây dựng công trình ngầm là hết sức cần thiết.

Sự cần thiết của việc nghiên cứu, xây dựng bộ tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi thi công xây dựng công trình ngầm

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra tác động tiêu cực của việc xây dựng các công trình ngầm đến nước dưới đất. Tại nước ta nói chung và TP. Hà Nội nói riêng quá trình hiện đại hóa các công trình xây dựng ngầm được quy hoạch và triển khai thi công xây dựng ngày càng nhiều với quy mô lớn nhỏ khác nhau như các công trình: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng tác động lớn lên các tầng chứa nước.

Trong khi đó các công trình xây dựng ngầm nói chung và các công trình móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng sử dụng các công nghệ và kỹ thuật thi công khác nhau quá trình thi công xây dựng các công trình trên đã tiến hành thi công khoan, khai đào qua nhiều tầng chứa nước khác nhau làm thông các tầng chứa nước tạo ra các cửa sổ ĐCTV, nước trong tầng bên trên có khả năng thấm xuống các tầng chứa nước bên dưới làm biến đổi chất lượng các tầng chứa nước bên dưới.

Mặt khác, trước và sau khi thi công đều có các điều tra, khảo sát đánh giá tác động môi trường nhưng chỉ dừng ở việc đánh giá tác động của điều kiện điều kiện địa chất, ĐCTV và địa chất công trình đến công trình ngầm chứ chưa có đánh giá đầy đủ tác động của các công trình ngầm này đến môi trường địa chất, môi trường ĐCTV đặc biệt là các tầng chứa nước.

Chưa đánh giá được sự suy giảm trữ lượng các tầng chứa nước như: sự cản trở dòng chảy tự nhiên của các tầng chứa nước, gây ảnh hưởng đến nguồn bổ cập; Phá vỡ cấu trúc các tầng chứa nước, làm giảm thể tích chứa nước các tầng chứa nước; giảm tính thấm của các tầng chứa nước.

sp38Sơ đồ khu vực đới đứt gãy và điểm đo hạ thấp mực nước

sp39Các đường cong hạ thấp mực nước tại các vị trí quan trắc được lựa chọn

Chưa có đánh giá được sự lan truyền các chất bẩn (từ mạng lưới thoát nước, nước bị ô nhiễm, nhiễm bẩn bên trên) thấm xuống di chuyển đi vào các tầng chứa nước làm thay đổi chất lượng các tầng chứa nước.

Từ thực tế đó đề tài:”Nghiên cứu, xây dựng bộ tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi thi công xây dựng công trình ngầm. Áp dụng cho TP. Hà Nội” được đề xuất. Các kết quả của nghiên cứu này nhằm mục tiêu đánh giá được tác động của và xây dựng bộ tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi xây dựng các công trình ngầm: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng áp dụng cho TP Hà Nội.

Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, đề tài cần giải quyết các nội dung:

- Tổng quan nghiên cứu về bảo vệ các nguồn nước dưới đất khi thi công các công trình ngầm trên thế giới và Việt Nam

- Nghiên cứu hiện trạng các công trình ngầm: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng TP. Hà Nội; các quy hoạch xây dựng các công trình ngầm

- Thu thập tổng hợp tài liệu, điều tra khảo sát đánh giá lại cấu trúc ĐCTV

- Nghiên cứu tác động của các công trình ngầm: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng đến sự suy giảm trữ lượng, sự thay đổi về chất lượng các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ TP. Hà Nội

- Nghiên cứu, đề xuất các tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ khi xây dựng các công trình ngầm: móng cọc khoan nhồi, tuyến Metro, tầng hầm các công trình xây dựng áp dụng cho TP. Hà Nội

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng nghiên cứu, xây dựng bộ tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong trầm tích Đệ tứ

* Cách tiếp cận:

Hiện nay các nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu và chỉ ra tác động của việc xây dựng các công trình ngầm đến sự suy giảm trữ lượng, sự thay đổi về chất lượng các tầng chứa nước, cụ thể;

- Tác động gây suy giảm trữ lượng các tầng chứa nước: phá vỡ cấu trúc các tầng chứa nước; làm giảm thể tích chứa nước các tầng chứa nước; làm thay đổi hướng vận động, động thái nước dưới đất; giảm tính thấm của các tầng chứa nước, giảm lượng bổ cập cho các tầng bên dưới.

- Tác động làm thay đổi chất lượng các tầng chứa nước: cụ thể nước bị ô nhiễm, nhiễm bẩn từ trên mặt có thể thấm xuống di chuyển vào các tầng chứa nước làm biến đổi chất lượng các tầng chứa nước này.

Như vậy cách tiếp cận theo hướng nghiên cứu các tác động của việc xây dựng các công trình ngầm nêu trên đến sự suy giảm trữ lượng, sự thay đổi về chất lượng các tầng chứa nước và sử dụng phương pháp phân tích thống kê truyền thống cũng như các công cụ, kỹ thuật hiện đại (phương pháp mô hình số) để đánh giá, dự báo tác động. Qua đó nghiên cứu, đề xuất các tiêu chí bảo vệ các tầng chứa nước trong khi thi công các công trình ngầm.

sp36Nội dung, trình tự, cách tiếp cận nghiên cứu

* Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

- Phương pháp kế thừa, thu thập tài liệu:Các số liệu điều tra từ trước đến nay về nước mặt, nước dưới đất, về địa chất, ĐCTV, tài liệu về hiện trạng các công trình ngầm về địa chất, thảm thực vật sẽ được thu thập kế thừa, thống kê, hệ thống hóa khai thác sử dụng để giảm bớt khối lượng công tác điều tra trực tiếp.

- Phương pháp GIS, viễn thám:Sử dụng công nghệ GIS để nghiên cứu cấu trúc địa chất, ĐCTV, sự phân bố các công trình xây dựng, các công trình ngầm trên đại bàn nghiên cứu. Các nội dung nghiên cứu sẽ được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng như Mapinfo, ArcGIS.

- Điều tra khảo sát thực địa: Tiến hành để nghiên cứu xác định hiện trạng các công trình xây dựng, các công trình ngầm; nghiên cứu, xác định, lựa chọn khu vực điển hình để lựa chọn khoan nghiên cứu cấu trúc, hút nước thí nghiệm xác định thông số ĐCTV và lấy mẫu nước đánh giá sự thay đổi về chất lượng các tầng chứa nước.

- Phương pháp khoan đào: Phương pháp khoan đào được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc địa chất, ĐCTV và các thông số ĐCTV bổ sung.

- Phương pháp thí nghiệm ngoài trời:Thí nghiệm thấm để xác định các thông số ĐCTV như bơm thí nghiệm thả chất chỉ thị.

- Phương pháp mô hình:Áp dụng tổ hợp mô hình số VisualModflow và Xây dựng mô hình dịch chuyển vật chất bằng mô hình MT3D. Để xác định sự suy giảm trữ lượng và sự thay đổi chất lượng các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ:

- Phương pháp chuyên gia: Bằng các cuộc hội thảo khoa học, để nhận được nhiều ý kiến chuyên sâu của các chuyên gia cũng như các nhà quản lý, cơ quan, ban ngành liên quan, giúp nâng cao hiệu quả và tính thiết thực của đề tài. Phương pháp này sẽ được áp dụng trong toàn bộ quá trình thực hiện từ khi xây dựng đề cương đến từng nội dung công việc của đề tài và báo cáo tổng kết.

Giới thiệu Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp và giải thuật lan truyền ngược

1. Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp

Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp bao gồm một lớp vào, một lớp ra và một hoặc nhiều lớp ẩn. Các nơron đầu vào thực chất không phải các nơron theo đúng nghĩa, bởi lẽ chúng không thực hiện bất kỳ một tính toán nào trên dữ liệu vào, đơn giản nó chỉ tiếp nhận các dữ liệu vào và chuyển cho các lớp kế tiếp. Các nơron ở lớp ẩn và lớp ra mới thực sự thực hiện các tính toán, kết quả được định dạng bởi hàm đầu ra (hàm chuyển).

sp20Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp

Phương trình mô tả mạng:

sp21

Trong đó:

yqi : đầu ra của nơron thứ i ở lớp thứ q, i=1...nq , q=1,...Q

nq : số nơron ở lớp thứ q.

Q: Số lớp nơron của mạng.

bqi : ngưỡng của nơron thứ i ở lớp thứ q.

wqij : trọng số liên kết giữa đầu ra thứ j của lớp thứ q-1 đến nơron thứi của lớp thứ q, j=1...nq-1

Đầu vào mạng y0 = p.

Đầu ra mạng y = yQ

Hàm năng lượng của mạng có thể tính theo biểu thức:

sp22

Trong đó di là đầu ra mong muốn của nơron thứ i ở lớp ra.

Hầu hết các mạng nơron thực tế chỉ có 2 hoặc 3 lớp, rất hiếm mạng có từ 4 lớp trở lên. Các đặc điểm của tín hiệu đầu ra sẽ quyết định hàm truyền của mạng ở lớp ra.

2. Thuật toán lan truyền ngược

Phương pháp lan truyền ngược sử dụng một tập hợp các giá trị đầu vào và đầu ra để tìm ra mạng nơron thần kinh mong muốn. Một tập hợp đầu vào được đưa vào một hệ thống giả định trước nào đó để tính ra giá trị đầu ra, sau đó giá trị đầu ra này được so sánh với giá trị giá trị thực đo. Nếu không có sự khác biệt nào, thì không cần thực hiện một quá trình kiểm tra nào, ngược lại các trọng số sẽ được thay đổi trong quá trình lan truyền ngược trong mạng thần kinh để giảm sự khác biệt đó.

Mạng lan truyền ngược thường có một hoặc nhiều lớp ẩn với các nơron dạng sigmoid và lớp ra là các nơron với hàm truyền tuyến tính. Mạng nhiều lớp sử dụng thuật học lan truyền ngược đang được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực nơron.

sp23Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp sử dụng thuật học BP


Luật học lan truyền ngược được phát triển từ luật học delta. Cũng như luật học delta, luật học lan truyền ngược (BP) là xấp xỉ của thuật toán giảm dốc nhất, trong đó hàm chất lượng là sai số bình phương trung bình. Sự khác nhau giữa luật học delta và luật học lan truyền ngược chỉ là cách thức lấy đạo hàm.

Đối với mạng đa lớp ta có phương trình như sau:

yq+1= gq+1(Wq+1yq + bq+1) với q=0,1,..,Q-1,

Trong đó Q là số lớp của mạng. Các nơron ở lớp đầu tiên nhận đầu vào từ ngoài:

y0=p,

Chính là điểm khởi đầu của phương trình phía trên. Các đầu ra của các nơron trong lớp cuối cùng được xem là đầu ra của mạng:

y = yQ.

Mạng được cung cấp các tập mẫu học:

{(p1,d1),(p2,d2),...(pk,dk)},

trong đó pi là một đầu vào mạng và di là đầu ra mong muốn tương ứng, với i = 1...k. Mỗi đầu vào đưa vào mạng, đầu ra của mạng đối với nó được đem so sánh với đầu ra mong muốn. Thuật toán sẽ điều chỉnh các tham số của mạng để tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình:

sp24

với x là véc tơ chứa các trọng số và ngưỡng của mạng

Thuật toán giảm dốc nhất cho xấp xỉ sai số bình phương trung bình là:

sp25

sp26

Trong đó α là hệ số học.


Untitled-1

yq+1 = gq+1(Wq+1 yq + bq-1) với q=0,1,…,Q-1.

y = yQ

Bước truyền lùi: truyền lùi các độ nhạy

sQ = -2F’Q(uQ)(d-y);

sq = F’q(uq)(Wq+1)T sq+1 vowis q = Q-1,…,2,1

Các trọng số và ngưỡng được cập nhật theo luật xấp xỉ giảm dốc nhất:

Wq(k+1) = Wq(k) – α.sq(yq-1)T

bq(k+1) = bq(k) - α.sq

Tuy nhiên thuật toán BP cơ bản ở trên vẫn còn quá chậm cho các ứng dụng. Việc nghiên cứu các thuật toán nhanh hơn được chia thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất phát triển các kỹ thuật mang tính kinh nghiệm (heuristic). Các kỹ thuật heuristic này đưa ra các ý tưởng như hệ số học biến đổi, sử dụng momentum và các biến co giãn. Nhóm thứ hai phát triển theo hướng kỹ thuật tối ưu hóa số. Một số kỹ thuật về tối ưu hóa số đã áp dụng thành công cho mạng nơron nhiều lớp là: thuật toán gradient liên hợp và thuật toán Levenberg-Marquardt (LM- một phiên bản khác của phương pháp Newton)...

Giới thiệu tổng quan về Mạng Nơron nhân tạo (Artificial Neural Network- ANN)

Mạng Nơron nhân tạo (Artificial Neural Network- ANN) là mô hình xử lý thông tin được mô phỏng dựa trên hoạt động của hệ thống thần kinh của sinh vật, bao gồm số lượng lớn các Nơron được gắn kết để xử lý thông tin. ANN giống như bộ não con người, được học bởi kinh nghiệm (thông qua huấn luyện), có khả năng lưu giữ những kinh nghiệm hiểu biết (tri thức) và sử dụng những tri thức đó trong việc dự đoán các dữ liệu chưa biết (unseen data).

Kiến trúc chung của một mạng nơron nhân tạo (ANN) gồm 3 thành phần đó là: Input Layer, Hidden Layer và Output Layer (Xem Hình 3.2).

Trong đó, lớp ẩn (Hidden Layer) gồm các Nơron nhận dữ liệu input từ các Nơron ở lớp (Layer) trước đó và chuyển đổi các input này cho các lớp xử lý tiếp theo. Trong một ANN có thể có nhiều lớp ẩn.

sp16Kiến trúc tổng quát của một ANN


Trong đó các Processing Elements (PE) của ANN gọi là Nơron, mỗi Nơron nhận các dữ liệu vào (Inputs) xử lý chúng và cho ra một kết quả (Output) duy nhất. Kết quả xử lý của một Nơron có thể làm Input cho các Nơron khác.

- Quá trình xử lý thông tin của một ANN:

sp17

+ Inputs (dữ liệu vào): Mỗi Input tương ứng với 1 thuộc tính (attribute) của dữ liệu (patterns).

+ Output (kết quả): Kết quả của một ANN là một giải pháp cho một vấn đề.

+ Connection Weights (Trọng số liên kết) : Đây là thành phần rất quan trọng của một ANN, nó thể hiện mức độ quan trọng (độ mạnh) của dữ liệu đầu vào đối với quá trình xử lý thông tin (quá trình chuyển đổi dữ liệu từ Layer này sang layer khác). Quá trình học (Learning Processing) của ANN thực ra là quá trình điều chỉnh các trọng số (Weight) của các input data để có được kết quả mong muốn.

+ Summation Function (Hàm tổng): Tính tổng trọng số của tất cả các input được đưa vào mỗi Nơron (phần tử xử lý PE). Hàm tổng của một Nơron đối với n input được tính theo công thức sau:

sp18

+ Transfer Function (Hàm chuyển đổi): Hàm tổng (Summation Function) của một Nơron cho biết khả năng kích hoạt (Activation) của Nơron đó còn gọi là kích hoạt bên trong (internal activation). Các Nơron này có thể sinh ra một output hoặc không trong ANN (nói cách khác rằng có thể output của 1 Nơron có thể được chuyển đến layer tiếp trong mạng Nơron hoặc không). Mối quan hệ giữa Internal Activation và kết quả (output) được thể hiện bằng hàm chuyển đổi (Transfer Function).

sp19

Việc lựa chọn Transfer Function có tác động lớn đến kết quả của ANN. Hàm chuyển đổi phi tuyến được sử dụng phổ biến trong ANN là sigmoid (logical activation) function.

YT = 1/(1 + e-Y)

Trong đó :

YT: Hàm chuyển đổi

Y: Hàm tổng

Kết quả của Sigmoid Function thuộc khoảng [0,1] nên còn gọi là hàm chuẩn hóa (Normalized Function).

Kết quả xử lý tại các Nơron (Output) đôi khi rất lớn, vì vậy transfer function được sử dụng để xử lý output này trước khi chuyển đến layer tiếp theo. Đôi khi thay vì sử dụng Transfer Function người ta sử dụng giá trị ngưỡng (Threshold value) để kiểm soát các output của các Nơron tại một layer nào đó trước khi chuyển các output này đến các Layer tiếp theo. Nếu output của một nơron nào đó nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì nó sẽ không được chuyển đến Layer tiếp theo.