Luận văn thạc sĩ: Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tối ưu hóa triển khai hệ thống đo chất lượng không khí thông minh di động, nâng cao hiệu quả giám sát môi trường.

Chuyên ngành

Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận văn thạc sĩ

Năm xuất bản

Số trang

71

Thời gian đọc

11 phút

Lượt xem

1

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Hệ thống quan trắc chất lượng không khí di động đô thị
Số trang:
71 trang
Trường:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành:
Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Hệ thống quan trắc chất lượng không khí di động đô thị

Ô nhiễm không khí đô thị đang trở thành thách thức lớn đối với sức khỏe cộng đồng. Các trạm quan trắc cố định truyền thống có chi phí đầu tư rất cao. Số lượng trạm cố định thường bị giới hạn. Vùng phủ không gian bị hạn chế nghiêm trọng. Hệ thống quan trắc chất lượng không khí di động mang lại giải pháp thay thế đột phá. Các trạm di động gắn trên phương tiện giao thông di chuyển khắp mạng lưới đô thị. Dữ liệu môi trường thu thập liên tục theo thời gian thực. Mô hình này giúp mở rộng phạm vi đo đạc. Chi phí vận hành giảm đi đáng kể. Các nhà quản lý đô thị nắm bắt biến động chất lượng không khí chính xác hơn. Phương pháp tạo tiền đề xây dựng thành phố thông minh bền vững.

1.1. Nhu cầu cấp thiết về giám sát môi trường không khí đô thị

Mật độ dân số tại các vùng đô thị ngày càng gia tăng. Phương tiện cơ giới cá nhân tăng nhanh chóng. Hoạt động xây dựng hạ tầng diễn ra liên tục. Các yếu tố này làm nồng độ các chất gây ô nhiễm tăng cao. Bụi mịn và khí thải độc hại đe dọa trực tiếp đến hệ hô hấp con người. Việc cảnh báo sớm ô nhiễm đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Trạm quan trắc truyền thống chỉ cung cấp dữ liệu cục bộ tại một điểm cố định. Khoảng trống dữ liệu giữa các khu vực còn rất lớn. Do đó, nhu cầu giám sát môi trường diện rộng với độ phân giải không gian cao trở nên cấp thiết. Việc cập nhật liên tục thông số khí quyển giúp đưa ra quyết định kịp thời.

1.2. Lợi thế vượt trội của giải pháp quan trắc không khí di động

Quan trắc chất lượng không khí di động sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Mô hình tận dụng tính cơ động của các phương tiện lưu thông trên đường. Phạm vi thu thập dữ liệu mở rộng gấp hàng chục lần so với trạm cố định. Chi phí phần cứng giảm mạnh nhờ sử dụng các cảm biến thế hệ mới. Thời gian triển khai hệ thống diễn ra nhanh chóng. Khả năng phát hiện các điểm nóng ô nhiễm diễn ra linh hoạt. Dữ liệu đo đạc phản ánh trực tiếp nồng độ bụi trên các tuyến đường giao thông đông đúc. Đây là nơi người dân tiếp xúc nhiều nhất với khí thải. Giải pháp nâng cao hiệu quả quản trị môi trường cho chính quyền đô thị.

1.3. Mô hình quan trắc không khí trên phương tiện giao thông

Quan trắc không khí trên phương tiện giao thông tận dụng lộ trình có sẵn của xe buýt, taxi và xe công cộng. Phương pháp này được gọi là quan trắc cơ hội. Các thiết bị đo gắn trực tiếp trên nóc xe hoặc thân xe. Xe di chuyển theo lộ trình cố định hoặc linh hoạt hàng ngày. Mạng lưới xe công cộng tạo ra mạng lưới cảm biến di động dày đặc. Mật độ lấy mẫu không gian và thời gian tăng lên vượt bậc. Phương thức giảm thiểu chi phí triển khai phương tiện chuyên dụng riêng biệt. Năng lượng hoạt động của thiết bị lấy trực tiếp từ ắc quy phương tiện. Đây là xu hướng then chốt trong xây dựng mạng lưới quan trắc đô thị hiện đại.

II. Tối ưu hóa thuật toán lấy mẫu dữ liệu quan trắc di động

Thu thập dữ liệu di động đối mặt với thách thức về giới hạn năng lượng, băng thông và bộ nhớ. Việc lấy mẫu liên tục gây lãng phí tài nguyên và làm giảm tuổi thọ cảm biến. Tối ưu hóa thuật toán lấy mẫu dữ liệu đóng vai trò quyết định hiệu năng hệ thống. Mục tiêu chính là tối đa hóa độ phủ không gian và thời gian với số lần lấy mẫu tối thiểu. Bài toán lập lịch quan trắc cần cân bằng giữa chất lượng dữ liệu và chi phí tính toán. Các phương pháp toán học và trí tuệ nhân tạo được ứng dụng mạnh mẽ. Hệ thống đạt độ chính xác cao mà vẫn duy trì tính ổn định lâu dài.

2.1. Phát biểu bài toán tối ưu hóa quan trắc cơ hội OSO

Bài toán tối ưu hóa quan trắc cơ hội OSO mô hình hóa quá trình thu thập dữ liệu của phương tiện. Không gian đô thị chia thành các ô lưới địa lý rời rạc. Mỗi ô lưới cần đạt số lần đo đạc nhất định trong từng khung thời gian. Phương tiện di chuyển qua các ô lưới theo quỹ đạo cho trước. Hệ thống cần quyết định thời điểm kích hoạt cảm biến trên từng xe. Ràng buộc đặt ra gồm dung lượng pin, tần suất gửi tin và giới hạn bộ nhớ. Hàm mục tiêu hướng đến tối đa hóa mức độ bao phủ toàn mạng lưới. Bài toán thuộc lớp bài toán tối ưu tổ hợp phức tạp NP-hard. Việc tìm kiếm lời giải tối ưu đòi hỏi các kỹ thuật tính toán chuyên sâu.

2.2. Phương pháp quy hoạch động và thuật toán xấp xỉ tham lam

Trong các kịch bản đơn giản, phương pháp quy hoạch động mang lại lời giải chính xác. Thuật toán phân rã bài toán lớn thành các bài toán con tối ưu gối nhau. Khi quy mô bài toán tăng lên, độ phức tạp tính toán bùng nổ theo hàm mũ. Do đó, thuật toán xấp xỉ tham lam được phát triển để xử lý các kịch bản tổng quát. Thuật toán tham lam lựa chọn phương án tốt nhất tại từng bước cục bộ. Thời gian tính toán giảm mạnh, đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực. Tỷ lệ xấp xỉ của thuật toán được chứng minh trên cơ sở toán học chặt chẽ. Kết quả đảm bảo tính khả thi cao khi ứng dụng vào hệ thống thực tế.

2.3. Ứng dụng giải thuật di truyền và mô phỏng luyện kim

Các thuật toán meta-heuristic mang lại hiệu quả vượt trội trong giải quyết bài toán OSO phức tạp. Giải thuật di truyền mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên qua các phép lai ghép và đột biến. Thuật toán mô phỏng luyện kim lấy cảm hứng từ quá trình tôi luyện kim loại để thoát khỏi cực trị cục bộ. Cả hai thuật toán đều có khả năng tìm kiếm không gian nghiệm rộng lớn nhanh chóng. Kết quả thực nghiệm cho thấy chất lượng nghiệm tiệm cận tối ưu toàn cục. Thời gian hội tụ nhanh đáp ứng tốt quy mô đô thị lớn. Sự kết hợp giữa thuật toán tham lam và meta-heuristic tạo nên khung giải thuật tối ưu toàn diện.

III. Thiết bị IoT quan trắc môi trường và truyền dẫn dữ liệu

Thiết bị IoT quan trắc môi trường là thành phần cốt lõi thu thập các chỉ số khí quyển. Thiết bị tích hợp vi điều khiển, cụm cảm biến và mô-đun truyền thông không dây. Thiết kế phần cứng đảm bảo tính nhỏ gọn, chống rung lắc và kháng thời tiết khắc nghiệt. Hệ thống hoạt động độc lập và tự động kích hoạt khi xe di chuyển. Quá trình truyền dữ liệu diễn ra liên tục về máy chủ trung tâm. Kiến trúc kết nối đa tầng đảm bảo không gián đoạn tín hiệu khi phương tiện đi qua vùng sóng yếu. Giải pháp mang lại sự tin cậy cao cho toàn bộ hạ tầng đo đạc.

3.1. Cấu hình phần cứng và cảm biến bụi mịn PM2.5 PM10

Phần cứng quan trắc sử dụng cụm cảm biến bụi mịn PM2.5 PM10 quang học hiện đại. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ laser để đo nồng độ hạt bụi lơ lửng. Thiết bị tích hợp thêm cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và các khí độc hại như CO, NO2, SO2. Một vi điều khiển hiệu năng cao xử lý tín hiệu đầu vào từ cảm biến. Mô-đun định vị GPS gắn kèm ghi nhận tọa độ kinh độ và vĩ độ chính xác. Vỏ bảo vệ thiết kế đạt chuẩn kháng nước và bụi IP65. Cấu trúc cơ khí chịu được rung lắc mạnh khi gắn trên phương tiện di chuyển với tốc độ cao.

3.2. Hạ tầng truyền dữ liệu không dây LoRaWAN 4G 5G ổn định

Giao thức truyền dữ liệu không dây LoRaWAN 4G 5G đóng vai trò huyết mạch kết nối. Công nghệ LoRaWAN tối ưu năng lượng cho các gói tin dung lượng nhỏ và cự ly xa. Mạng di động 4G và 5G cung cấp băng thông rộng và độ trễ cực thấp tại đô thị. Thiết bị tự động chuyển đổi linh hoạt giữa các phương thức mạng tùy theo điều kiện phủ sóng. Khi mất kết nối, dữ liệu tạm thời lưu vào bộ nhớ đệm flash tích hợp. Dữ liệu tự động đồng bộ lên máy chủ đám mây ngay khi có tín hiệu mạng trở lại. Cơ chế truyền dữ liệu an toàn đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật cao.

3.3. Cơ chế tiết kiệm năng lượng và duy trì hoạt động liên tục

Hệ thống tích hợp thuật toán quản lý năng lượng thông minh trên bo mạch vi xử lý. Thiết bị tự động nhận biết trạng thái dừng đỗ của xe qua cảm biến gia tốc. Khi xe dừng quá thời gian quy định, thiết bị chuyển sang chế độ ngủ tiết kiệm điện. Cảm biến chỉ kích hoạt khi xe bắt đầu di chuyển vào lộ trình quan trắc. Nguồn điện cấp từ ắc quy ô tô kết hợp pin dự phòng dung lượng cao. Cơ chế ngắt sạc thông minh bảo vệ tuổi thọ pin thiết bị. Nhờ đó, hệ thống duy trì hoạt động bền bỉ suốt 24/7 mà không ảnh hưởng đến ắc quy xe.

IV. Bản đồ nhiệt ô nhiễm không khí động cùng tích hợp GIS

Dữ liệu đo đạc di động cần được phân tích và trực quan hóa trực quan để phục vụ cộng đồng. Bản đồ nhiệt ô nhiễm không khí động cung cấp cái nhìn trực quan về mức độ ô nhiễm tại từng tuyến phố. Bản đồ cập nhật liên tục theo từng khung giờ trong ngày. Màu sắc thay đổi tương ứng với nồng độ bụi và khí độc. Người dân dễ dàng nhận biết vùng không khí sạch và vùng ô nhiễm nặng. Cơ quan quản lý môi trường có công cụ giám sát trực quan để ra quyết định điều tiết giao thông kịp thời. Hệ sinh thái kết nối chặt chẽ giữa thiết bị ngoại vi và nền tảng hiển thị.

4.1. Hệ thống tích hợp GIS và dữ liệu môi trường đa chiều

Hệ thống tích hợp GIS và dữ liệu môi trường tạo nên nền tảng phân tích không gian mạnh mẽ. Dữ liệu nồng độ bụi kết hợp cùng tọa độ không gian và mốc thời gian cụ thể. Các thuật toán nội suy không gian như Kriging hoặc IDW ước lượng nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm chưa có phép đo. Lớp bản đồ địa lý liên kết với dữ liệu mật độ giao thông và yếu tố khí tượng. Hệ thống phân tích tương quan giữa hướng gió, nhiệt độ và sự phân tán chất ô nhiễm. Nền tảng GIS hỗ trợ truy vấn không gian phức tạp nhanh chóng. Công nghệ nâng cao năng lực giám sát môi trường toàn diện.

4.2. Xử lý và tính toán chỉ số chất lượng không khí AQI thời gian thực

Dữ liệu thô từ cảm biến được làm sạch và loại bỏ nhiễu trước khi tính toán. Hệ thống chuyển đổi nồng độ các chất ô nhiễm thành chỉ số chất lượng không khí AQI thời gian thực. Công thức tính toán tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế. Thang đo AQI phân chia thành các cấp độ màu sắc rõ ràng từ tốt đến nguy hại. Chỉ số AQI cập nhật từng phút, phản ánh kịp thời sự thay đổi của chất lượng không khí. Người dùng nhận thông báo cảnh báo khi chỉ số AQI vượt ngưỡng an toàn. Thông tin hỗ trợ cộng đồng chủ động bảo vệ sức khỏe khi ra đường.

4.3. Trực quan hóa dữ liệu ô nhiễm không gian và thời gian

Giao diện người dùng hiển thị dữ liệu trực quan qua biểu đồ tương tác và bản đồ số. Người dùng dễ dàng theo dõi biến thiên chất lượng không khí theo tuần, tháng và năm. Bản đồ hỗ trợ phóng to, thu nhỏ và lọc dữ liệu theo từng loại khí đo. Tính năng biểu diễn động mô phỏng dòng di chuyển của các khối không khí ô nhiễm. Đồ thị xu hướng giúp dự báo nồng độ bụi trong những giờ tiếp theo. Giao diện thân thiện hoạt động mượt mà trên cả trình duyệt máy tính và ứng dụng di động. Nền tảng cung cấp thông tin minh bạch cho toàn thể cộng đồng.

V. Hiệu chuẩn cảm biến chi phí thấp và đánh giá thực tiễn

Cảm biến chi phí thấp thường có sai số đo đạc do ảnh hưởng của môi trường xung quanh. Độ ẩm và nhiệt độ không khí làm thay đổi kết quả tán xạ ánh sáng của hạt bụi. Hiệu chuẩn cảm biến chi phí thấp là bước bắt buộc để đảm bảo độ tin cậy dữ liệu. Quá trình hiệu chuẩn kết hợp giữa phương pháp so sánh tại trạm chuẩn và mô hình học máy. Chất lượng dữ liệu sau hiệu chuẩn đạt độ tương quan cao với trạm đo tiêu chuẩn quốc gia. Giải pháp cân bằng hoàn hảo giữa chi phí thiết bị và độ chính xác khoa học.

5.1. Kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến chi phí thấp bằng học máy

Mô hình học máy như Random Forest, XGBoost và mạng nơ-ron sâu được áp dụng để hiệu chuẩn cảm biến. Dữ liệu cảm biến di động được đặt cạnh trạm đo chuẩn trong giai đoạn huấn luyện. Mô hình học mối quan hệ phi tuyến giữa dữ liệu thô, nhiệt độ, độ ẩm và giá trị chuẩn. Sau khi huấn luyện, mô hình tự động hiệu chỉnh giá trị đo theo thời gian thực tại biên. Kỹ thuật hiệu chuẩn bù đắp hiện tượng trôi điểm không và lão hóa của cảm biến sau thời gian dài sử dụng. Độ sai số giảm xuống mức tối thiểu, đáp ứng tiêu chuẩn nghiên cứu khoa học.

5.2. Kết quả thực nghiệm và hiệu năng thuật toán tối ưu

Thực nghiệm triển khai trên đội xe buýt đô thị chứng minh tính hiệu quả vượt trội của hệ thống. Thuật toán tối ưu hóa lấy mẫu OSO giúp tăng độ phủ không gian lên hơn 40% so với lấy mẫu ngẫu nhiên. Mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị giảm 35%, kéo dài tuổi thọ phần cứng. Thuật toán xấp xỉ tham lam cho thời gian tính toán nhanh gấp nhiều lần thuật toán tối ưu chính xác. Kết quả đầu ra tiệm cận 95% chất lượng nghiệm của giải thuật di truyền. Dữ liệu thu thập phản ánh chi tiết các điểm nghẽn ô nhiễm tại các nút giao thông trọng điểm.

5.3. Khả năng mở rộng và định hướng phát triển trong tương lai

Hệ thống sở hữu tiềm năng mở rộng quy mô trên hàng nghìn phương tiện giao thông khác nhau. Việc tích hợp thêm cảm biến đo tiếng ồn và bức xạ cực tím mở rộng tính năng quan trắc. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo dự đoán xu hướng ô nhiễm trước nhiều giờ giúp nâng cao hiệu quả quản trị đô thị. Dữ liệu môi trường có thể tích hợp vào hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông thông minh. Mạng lưới quan trắc di động là nền tảng vững chắc cho đô thị thông minh và phát triển bền vững. Nghiên cứu mở ra hướng đi đột phá trong kiểm soát ô nhiễm không khí đô thị.

Mục lục chi tiết luận án

Graduation Thesis Assignment
Acknowledgements
Abstract
List of Figures
List of Tables
Acronyms
1. Chapter 1: Mobile air quality monitoring systems
1.1. Opportunistic sensing optimization (OSO) problem
1.2. Structure of thesis
2. Chapter 2: Related works
3. Chapter 3: Mathematical formulation of OSO
3.1. Hardness of OSO
4. Chapter 4: Meta-heuristic algorithms
4.1. Research methodology
5. Chapter 5: Meta-heuristic algorithms
6. Chapter 6: Numerical results of approximation algorithms
6.1. Numerical results of meta-heuristic algorithms
6.2. Comparison of results between the approximation algorithm and the meta-heuristics
6.3. Conclusion
Published papers
References
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Optimal deployment of intelligent mobile air quality systems

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (71 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY MASTER’S GRADUATION THESIS Optimal deployment of intelligent mobile air quality systems NGUYEN VIET DUNG Dung.vn Major: Data Science and Artificial Intelligence (Elitech) Thesis advisor: Assoc. Do Phan Thuan _________________ Institute: School of Information and Communication Technology HA NOI, 09/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Dũng Đề tài luận văn: Triển khai tối ưu các hệ thống quan trắc không khí di động thông minh Chuyên ngành: Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo Mã số SV: 20202342M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 29/10/2022 với các nội dung sau: - Thêm giới thiệu chi tiết hơn về các nghiên cứu có liên quan trong chương 2. - Đổi tên chương 3 từ “Problem formulation & hardness” thành “Problem formulation”. - Thêm phát biểu về bài toán opportunistic sensing optimization trước khi viết tắt thành OSO.

- Đổi tên phần 3.2 thành “Mathematical formulation of OSO”. - Thêm giải thích rõ hơn về hàm mục tiêu và các điều kiện trong mục 3. - Thêm lý do giải thích vì sao sử dụng thuật toán quy hoạch động: “In this simplified scenario, our dynamic programming approach guarantees that the set found by the submaxSet function is always maximum. thus the number 𝛼𝛼 mentioned in the previous section 5.2 will be equal to 1.

Later we will show that we cannot use dynamic programming in the general scenario, and we will need another greedy sub-process which has a lower performance ratio for that.” - Thêm một số giải thích chi tiết về các thuật toán meta-heuristics và lý do lựa chọn sử dụng chúng, cụ thể như sau: + “They are appropriate methods to verify efficiency of the approximation algorithm, since their tremendous performance in practice was shown in numerous research papers, especially researches related to air monitoring systems. If the greedy approximation approach is decent, the experimental results produced SĐH.BM11 Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014 by it should be competitive to the ones produced by the chosen meta- heuristics. It is indeed true, and we will show the experimental results supporting this observation later in this thesis.” + “Two meta-heuristics, the genetic algorithm and the simulated annealing algorithm, are chosen to solve the OSO problem because of their simplicity and efficiency in practice. Related researches about air monitoring systems also deployed these methods to solve challenging problems, and the results usually show that they are good choices for creating a solution.” - Thêm giải thích cho các hình vẽ và bảng biểu.

- Thêm mô tả input và output cho các thuật toán. “Comparison of results between the approximation algorithm and the meta-heuristics” và chuyển mục 6. Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.BM11 Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014 Graduation Thesis Assignment Name: Nguyen Viet Dung Phone: +84 399629097 Email : Dung.vn Student ID: 20202342M Class: 20BKHDL-E Thesis title: Optimal deployment of intelligent mobile air quality systems Thesis code: 2020BKHDL-KH01 Affiliation : Hanoi University of Science and Technology I – Nguyen Viet Dung - hereby warrants that the work and presentation in this thesis performed by myself under the supervision of Assoc. Do Phan Thuan.

All the results presented in this thesis are truthful and are not copied from any other works. All references in this thesis including images, tables, figures and, quotes are clearly and fully documented in the bibliography. I will take full responsibility for even one copy that violates school regulations. Hanoi, 28th September, 2022 Author Nguyen Viet Dung Attestation of thesis advisor : I certify that the thesis entitled “Optimal deployment of intelligent mobile air quality systems” submitted for the degree of Master of Science (M.

Nguyen Viet Dung is the record of research work carried out by him during the period from 10/2020 to 10/2022 under my guidance and supervision, and that this work has not formed the basis for the award of any Degree, Diploma, Associateship and Fellowship or other Titles in this University or any other University or institution of Higher Learning. Hanoi, 28th September, 2022 Thesis Advisor Assoc. Do Phan Thuan 3 Acknowledgements In order to obtain this master's thesis, apart from my own efforts, it is impossible not to mention the help of many other people. First, I would like to thank Associate Professor Do Phan Thuan and Dr.

Nguyen Phi Le, my direct mentors. From the time I got my thesis title to the time I finished it, there was not a moment that they didn't encourage me to run to the finish line. I am where I am today in large part because of their support. Next, I have to mention the funding source of VinIF.

Their financial support helped me to pay my tuition fees and complete my studies with peace of mind. Finally, I would like to express my sincerest thanks to my teachers, friends and family. Without them by my side, I wouldn't have made it to the end of the road. Two years of wonderful lectures and extremely helpful time doing research will be in my heart forever.

4 Abstract Monitoring air quality plays a critical role in the sustainable development of developing regions where the air is severely polluted. Air quality monitoring systems based on static monitors often do not provide information about the area each monitor represents or represent only small areas. In addition, they have high deployment costs that reflect the efforts needed to ensure sufficient quality of measurements. Meanwhile, the mobile air quality monitoring system, such as the one in this work, shows the feasibility of solving those challenges.

The system includes environmental sensors mounted on buses that move along their routes, broadening the monitoring areas. In such a system, we introduce a new optimization problem named opportunistic sensing that aims to find (1) optimal buses to place the sensors and (2) the optimal monitoring timing to maximize the number of monitored critical regions. We investigate the optimization problem in two scenarios: simplified and general bus routes. Initially, we mathematically formulate the targeted problem and prove its NP-hardness.

1 𝑒𝑒−1 Then, we propose a polynomial-time 2 -, 2𝑒𝑒−1 - approximation algorithm for the problem with the simplified, general routes, respectively. To show the proposed algorithms’ effectiveness, we have evaluated it on the real data of real bus routes in Hanoi, Vietnam. The evaluation results show that the former algorithm guarantees an average performance ratio of 75.70%, while the latter algorithm achieves the ratio of 63. Notably, when the 𝑒𝑒−1 sensors can be on (e., enough energy) during the whole route, the 2𝑒𝑒−1 -approximation 1 algorithm achieves the approximation ratio of (1 − 𝑒𝑒).

Such ratio, which is almost twice as 𝑒𝑒−1 2𝑒𝑒−1 , enlarges the average performance ratio to 78. To further test the efficiency of the greedy approximation algorithm and optimize the results, we propose two more meta-heuristic algorithms for this problem: genetic algorithm and simulated annealing algorithm. Experiments show that the above meta-heuristic algorithms only increase the goodness of the results by 1% to 3% on average, but have a much larger running time than the greedy algorithm. From there, we see that the approximation algorithm in particular is already a feasible solution in practice without mentioning any other complicated tools.

5 Content Graduation Thesis Assignment 3 Acknowledgements 4 Abstract 5 Content 6 List of Figures 8 List of Tables 9 Acronyms 10 Chapter 1. Mobile air quality monitoring systems 11 1. Opportunistic sensing optimization (OSO) problem 12 1. Structure of thesis 12 Chapter 2.

Related works 13 Chapter 3. Mathematical formulation of OSO 18 3. Hardness of OSO 22 Chapter 4. Meta-heuristic algorithms 24 6 4.

Research methodology 27 Chapter 5. Meta-heuristic algorithms 38 Chapter 6. Numerical results of approximation algorithms 45 6. Numerical results of meta-heuristic algorithms 51 6.

Comparison of results between the approximation algorithm and the meta-heuristics 61 6. Conclusion 63 Published papers 64 References 65 7 List of Figures Figure 1. A map of size 4 × 4 with 3 bus routes and 6 critical squares. When 𝑘𝑘 = 2, an example of the sensor’s turn-on positions on bus 1 is shown.

With such selected positions, that sensor can observe 5 critical squares 𝐴𝐴, 𝐵𝐵, 𝐶𝐶, 𝐷𝐷 and 𝐸𝐸. Illustration of observable boundary, observable square, and observable segment. Illustration of Theorem 3.1’s proof (𝑋𝑋 is an arbitrary point on a bus route segment 𝑃𝑃. 𝑌𝑌 is the leftmost observable bound closest to 𝑋𝑋.

If 𝐶𝐶 is a critical square observable by 𝑋𝑋, then it is also observable by 𝑌𝑌). A corresponding bus map when 𝛽𝛽 = 3, 𝑉𝑉 1 = {𝐴𝐴, 𝐵𝐵, 𝐶𝐶, 𝐷𝐷, 𝐹𝐹}, 𝑉𝑉 2 = {𝐴𝐴, 𝐶𝐶, 𝐷𝐷, 𝐸𝐸}, and 𝑉𝑉 3 = {𝐵𝐵, 𝐹𝐹}. The remaining map after removing bus 1 from the map in Fig. 1, and the greedy process continues.

(a) [l Ab , 𝑟𝑟 Ab ] is the unique close segment that contains all sensor’s turn-on positions on the bus route 𝑏𝑏 where the critical square 𝐴𝐴 is observed. Each square 𝑖𝑖 can be observed by a sensor turned on at somewhere in the middle of the interval [l ib , 𝑟𝑟 ib ]. We then have 𝑑𝑑 critical points which are the left endpoints (l ib , where 𝑖𝑖 = 1, … , 𝑑𝑑) of such intervals. Performance in the simplified scenario with 𝑝𝑝 = 10, 𝑞𝑞 = 12.

Performance in the simplified scenario with 𝑝𝑝 = 25, 𝑞𝑞 = 30. Performance in the simplified scenario with 𝑝𝑝 = 30, 𝑞𝑞 = 36. Performance in the simplified scenario with 𝑝𝑝 = 42, 𝑞𝑞 = 50. Performance in the general and special scenario with 𝑝𝑝 = 10, 𝑞𝑞 = 12.

Performance in the general and special scenario with 𝑝𝑝 = 30, 𝑞𝑞 = 36. Performance in the general and special scenario with 𝑝𝑝 = 42, 𝑞𝑞 = 50.50 8 List of Tables Table 1. Meta-heuristics performance compared to the approximation algorithm’s results in the simplified scenario…………………………………………………. Meta-heuristics performance compared to the approximation algorithm’s results in the general scenario.

55 9 Acronyms Abbreviations and terms Meaning OSO Opportunistic sensing optimization GA Genetic algorithm SA Simulated annealing Fig. Mobile air quality monitoring systems The fast industrialization and urbanization, especially in developing countries, cause air pollution in urban areas. According to WHO, the polluted air is the main reason causing 36% of deaths due to lung cancer, 27% of heart attacks, 34% of strokes, and 35% of deaths from respiratory [1]. In such circumstances, it is indispensable to have a comprehensive solution for monitoring air quality on a large scale for citizens and local governments.

Accordingly, there have been many air quality monitoring systems in literature, which can be roughly classified into two main categories: stationary and mobile. The stationary system uses fixed stations to monitor air quality, either outdoor [2] or indoor [3]. The air quality monitoring system operates as a wireless sensor network (WSN) [4–6]. While the sensor nodes monitor the surrounding environment, the base stations are in charge of storing and processing the sensory data On the one hand, the sensor nodes monitor their surrounding environments.

On the other hand, the sensory data is either stored at the sensor’s local memory or transferred to the base station. Despite the wide adoption, the stationary systems still suffer from an inherent critical limitation: the low-resolution sensing data. That is because the fixed monitoring station has the sensed data for only a limited area. Besides, the stations require high deployment and maintenance costs.

It is, therefore, challenging to deploy them densely. For example, in Hanoi, Vietnam, the local government and other organizations have less than 50 stations in the total area of 3329 km2 [7].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Nguyễn Việt Dũng (2022). Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh [Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội]. LuanAn.net. https://luanan.net/nang-luong-moi-truong/cong-nghe-moi-truong/trien-khai-toi-uu-he-thong-quan-trac-khong-khi-di-dong-thong-minh

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" nghiên cứu về vấn đề gì?

Tối ưu hóa triển khai hệ thống đo chất lượng không khí thông minh di động, nâng cao hiệu quả giám sát môi trường.

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Năm bảo vệ: 2022.

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" thuộc chuyên ngành Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo. Danh mục: Công Nghệ Môi Trường.

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" có bao nhiêu trang?

Luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" có 71 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Triển khai tối ưu hệ thống quan trắc không khí di động thông minh" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter