genetic algorithm
در نشریات گروه کشاورزی-
Accurate rainfall prediction is crucial for effective water resource management, especially in arid and semi-arid regions. This study proposes a novel hybrid approach, combining the Non-linear Auto Regressive with eXogenous inputs (NARX) neural network with a Genetic Algorithm (GA) for parameter optimization, aiming to improve daily rainfall prediction in Khorasan Razavi province, Iran. The performance of the proposed NARXGA model was compared with several benchmark models, including traditional time series models ARIMA, Holt-Winters Exponential Smoothing (HWES), and machine learning models, such as LSTM, CNN1D and the standalone NARX network. The models were trained and tested using five years of daily meteorological data from Mashhad. The results showed that the NARXGA model achieved the lowest Mean Squared Error (MSE) on both the training and test datasets, with values of 9.7453 and 11.5565, respectively, thus showing that the method can more effectively capture the non-linear patterns in rainfall data. A convergence analysis of the GA was also provided, as well as histograms of the error distributions, which further validated the superior performance of the proposed NARXGA model. This research highlights the potential of hybrid AI models for enhancing rainfall prediction accuracy and providing valuable insights for water management and drought mitigation in arid and semi-arid regions.Keywords: Genetic Algorithm, Hybrid Model, Khorasan Razavi Province, NARX Neural Network, Rainfall Prediction
-
در این پژوهش، روشی نوین و کارآمد برای بازشناسی انواع پسته با بهره گیری از فیلترهای گابور و الگوریتم وراثتی ارائه شده است که هدف آن افزایش سرعت و دقت در فرآیند طبقه بندی می باشد. برخلاف روش های پیشین که عمدتا بر پردازش جداگانه دانه های منفرد پسته تکیه داشته اند و از این رو با وجود دقت مناسب، از نظر زمانی و محاسباتی پرهزینه بوده اند، روش پیشنهادی از پردازش کل نگر تصاویر مجموعه ای از پسته ها بهره می گیرد و بدین وسیله فرآیند بازشناسی را تسریع و بهینه سازی می کند. در این چارچوب، ابتدا ویژگی های بافتی و شکلی برجسته از تصاویر با استفاده از فیلترهای گابور استخراج می گردد. سپس، الگوریتم وراثتی به منظور انتخاب ویژگی های بهینه و حذف داده های زائد به کار گرفته می شود. ویژگی های منتخب نهایتا به طبقه بند kهمسایه نزدیک تر (KNN) منتقل شده تا طبقه بندی نهایی صورت گیرد. ارزیابی روش پیشنهادی بر روی پایگاه داده ای شامل 1000 زیرتصویر متعلق به پنج نوع رایج پسته (اکبری، احمدآقایی، کله قوچی، فندقی و بادامی) انجام شد و نتایج حاکی از نرخ طبقه بندی صحیح 5/99 درصد می باشد. در مقایسه با روش های یادگیری عمیق، روش پیشنهادی با وجود عدم نیاز به آموزش عمیق و منابع پردازشی سنگین، دقتی قابل رقابت با آن ها ارائه داده و سرعت پیاده سازی بسیار بالاتری دارد. این ویژگی ها روش پیشنهادی را به گزینه ای مناسب برای کاربردهای صنعتی، به ویژه در خطوط تولید و بسته بندی هوشمند پسته بدل می سازد و گامی موثر در جهت خودکارسازی فرآیندهای کشاورزی و کاهش هزینه های زمانی و انسانی تلقی می شود.کلید واژگان: الگوریتم وراثتی، بازشناسی پسته، طبقه بندی تصویر، طبقه بند K همسایه نزدیک تر، فیلتر گابورThis study proposes an efficient and novel method for recognizing pistachio varieties by leveraging Gabor filters for feature extraction and a genetic algorithm for feature selection, aiming to enhance classification accuracy and speed. Unlike conventional approaches that focus on individual processing of pistachio kernels—which, despite high accuracy, are time-consuming and computationally demanding—the proposed method employs holistic processing of images containing multiple pistachios, thereby significantly accelerating the recognition process. Key textural and shape-based features are initially extracted using Gabor filters. Subsequently, the genetic algorithm is applied to select optimal features and reduce data redundancy. The refined feature set is then classified using the K-Nearest Neighbor (KNN) algorithm. Experiments conducted on a dataset of 1,000 sub-images covering five common pistachio types (Akbari, Ahmad Aghaei, Kaleh Ghouchi, Fandoghi, and Badami) yielded an average classification accuracy of 99.5%. In comparison with deep learning models, the proposed method demonstrates competitive performance while requiring no extensive training phase or high computational resources. This results in a faster and more resource-efficient implementation, making it particularly suitable for industrial applications, especially in automated pistachio processing and packaging systems. The proposed method contributes to the automation of agricultural workflows, reducing both processing time and labor costs, and offers a practical solution for real-time classification in resource-constrained environments.Keywords: Gabor Filter, Genetic Algorithm, Image Classification, K-Nearest Neighbor Classifier (KNN), Pistachio Recognition
-
در کشورهای خشک و نیمه خشک مانند کشور ایران به دلیل پراکنش نامناسب زمانی و مکانی بارندگی، تولید مواد غذایی با تکیه بر کشاورزی فاریاب صورت می گیرد و بخش زیادی از منابع آبی این اقلیم ها، به کشاورزی اختصاص دارد. لذا انتخاب راهکارهایی که باعث کاهش مصرف شده و استفاده بهینه آب در این بخش را به دنبال داشته باشد، اولویت دارد. به این منظور در این پژوهش، از تناوب زراعی به عنوان عامل موثر در معادله بهینه سازی، برای محاسبه ماتریس ضریب تاثیر تناوب کشت، از نظر کشاورزان خبره از طریق پرسشنامه استفاده شده است. درایه های این ماتریس، ضرایب تاثیر کشت هر محصول پس از محصول دیگر را نشان می دهد. ضریب تاثیر تناوب در مدل بهینه سازی تخصیص آب با هدف بیشینه سازی سود اقتصادی، برمبنای الگوریتم ژنتیک و استفاده از مدل گیاهی AquaCrop plug- in ارائه شد. برای این منظور کدنویسی سی شارپ (C#) در محیط Visual Studio برای بهینه سازی تناوب های سه، چهار، پنج، شش و هفت ساله با محصولات گندم، سویا، گوجه فرنگی، سیب زمینی، ذرت، یونجه، جو و چغندرقند در یک مطالعه موردی تحلیلی انجام شد. همچنین اثر تناوب کشت بر عملکرد محصول و تخصیص آب بر میزان سود مورد انتظار از واحد زراعی توسط یک معادله ارزشیابی بررسی شد. نتایج بهینه سازی تناوب ها نشان داد بهترین سود اقتصادی محاسبه شده مربوط به تناوب چهار ساله (چغندرقند، ذرت، سیب زمینی و گوجه فرنگی) است. همچنین بهینه ترین تناوب برای کاهش حجم آب تخصیص یافته برای تناوب هفت ساله بود که به میزان 45/9 درصد کاهش یافت. لذا بهینه سازی تناوب زراعی، پارامتری موثر در میزان عملکرد محصولات مختلف، افزایش سود و صرفه جویی آب در درازمدت می باشد.
کلید واژگان: اکوکراپ، الگوریتم ژنیتیک، سود اقتصادی، کم آبیاریIn arid and semi-arid countries such as Iran, the uneven spatial and temporal distribution of rainfall necessitates a reliance on irrigated agriculture for food production. Consequently, a substantial portion of water resources is allocated to agriculture. Identifying strategies reducing water consumption and improving its efficiency in agriculture are critical priorities. This study employs crop rotation as a key variable in an optimization framework to calculate a matrix of impact coefficients based on insights from expert farmers. The matrix quantifies the effects of sequential crop planting. These coefficients are incorporated into a water allocation optimization model aimed at maximizing economic profitability, utilizing a genetic algorithm and the AquaCrop plug-in program. For this purpose, C# coding within Visual Studio was used to optimize three-, four-, five-, six-, and seven-year rotations involving wheat, soybean, tomato, potato, corn, alfalfa, barley, and sugar beet. Moreover, the impact of crop rotation on crop yield, water allocation, and expected profitability per unit area was evaluated using a valuation formula. Rotation Optimization results indicated that the four-year rotation (sugar beet, corn, potato, tomato) achieved the highest economic profit, while the seven-year rotation was most effective in reducing water allocation (by 9.45%). Therefore, crop rotation optimization is a significant parameter for enhancing crop yield, boosting profitability, and achieving long-term water savings.
Keywords: Aquacrop, Economic Profitability, Deficit Irrigation, Genetic Algorithm -
مقدمه
در این تحقیق سیستم مدیریت منابع آبی کشور با رویکرد پویایی شناسی سیستم ها مدل سازی شده و پس از شبیه سازی به تعیین میزان بهینه منابع آبی، قدرت اجتماعی حاکمیت، منابع مالی دولت و میزان مهاجرت های آبی با توجه به متغیرهای تصمیم تعرفه آب خانگی، کشاورزی و صنعتی پرداخته شده است. نتایج ترکیب بهینه، افزایش تعرفه آب در بخش خانگی، کشاورزی و صنعتی جهت بهینه سازی تابع هدف را به ترتیب 11، 200 و 200 درصد در طی 5 سال آینده پیشنهاد می نماید.
روشاین تحقیق در ابتدا با استفاده از ابزار پویایی شناسی سیستم ها متغیرها و حلقه های بازخوری دخیل در مدیریت منابع آبی را مدلسازی و شبیه سازی کرده است. به منظور بهینه سازی از دو روش الگوریتم ژنتیک و قابلیت Simulation-optimization در نرم افزار ونسیم استفاده شده است. در الگوریتم ژنتیک جمعیت اولیه 30 عدد و احتمال تقاطع و جهش به ترتیب 83 درصد و 17 درصد جمعیت در نظر گرفته شده است. معیار انتخاب هر کروموزوم با روش roulet wheel می باشد.
یافته هانتایج نشان داد بهینه سازی با الگورتیم ژنتیک نسبت به ادامه شرایط پایه، منابع آبی پشت سدها را 89 درصد افزایش داده در صورتی که خروجی نرم افزار ونسیم 84 درصد بهبود می دهد و در کل خروجی الگورتیم ژنتیک نسبت به خروجی بهینه سازی نرم افزار ونسیم، تابع هدف را 2 درصد بالاتر بهبود می دهد.
نتیجه گیرینتایج نشان داد بهینه سازی با الگوریتم ژنتیک در قیاس با نرم افزار ونسیم نتایج قابل قبول تری ارائه می دهد. همچنین پس از بهینه سازی، بهترین سیاست تعرفه ای جهت بهبود تابع هدف افزایش بیشتر در تعرفه آب کشاورزی و صنعتی نسبت به تعرفه خانگی است.
کلید واژگان: مدیریت منابع آبی، پویایی شناسی سیستم ها، الگوریتم ژنتیکIntroductionIn this study, the country's water resources management system has been modeled using a system dynamics approach. After simulation, optimal water resources, social power of governance, government financial resources, and the rate of water migration have been determined based on the decision variables of household, agricultural, and industrial water tariffs. The optimal combined results suggest an 11%, 200%, and 200% increase in water tariffs for household, agricultural, and industrial sectors, respectively, over the next 5 years.
MethodsInitially, this study modeled and simulated the variables and feedback loops involved in water resources management using system dynamics tools. For optimization, two methods, genetic algorithm and the Simulation-optimization capability in the Vensim software, were employed. In the genetic algorithm, an initial population of 30 individuals and crossover and mutation probabilities of 83% and 17% were considered. The selection criterion for each chromosome is based on the roulette wheel method.
FindingsThe results indicate that optimization using the genetic algorithm results in an 89% increase in water resources behind dams compared to the baseline conditions, whereas the Vensim software output shows an 84% improvement. Overall, the genetic algorithm improves the objective function by 2% compared to the Vensim software's optimization output. Additionally, after optimization, the best tariff policy for enhancing the objective function is a further increase in agricultural and industrial water tariffs compared to household tariffs.
Keywords: Water Resource Management, System Dynamics, Genetic Algorithm -
تخصیص بهینه اراضی و تعیین محصولات مناسب کشت هر منطقه برای جلوگیری از مصرف بی رویه نهاده ها و کاهش مخاطرات ناشی از کمبود منابع تامین غذا، ضروری به نظر می رسد. هدف مطالعه حاضر، بهینه یابی الگوی کشت در قالب مدل چندهدفه در راستای تامین غذایی (امنیت از لحاظ کمی و کیفی تولید محصولات زراعی) در شهرستان بابل می باشد. داده های مورد نیاز از سازمان جهاد کشاورزی استان مازندران در سال زراعی 1401-1400 جمع آوری شد. نتایج الگوی بهینه بر اساس رویکرد پایداری کشاورزی و تامین امنیت غذایی نشان داد، سود کشاورزان حدود 5/0 درصد نسبت به الگوی رایج منطقه افزایش داشته است. همچنین میزان تولید محصولات، که حداکثرسازی آن به عنوان هدف امنیت کمی تولید مواد غذایی (محصولات زراعی) مطرح بود، 8/3 درصد افزایش یافته است. همچنین مصرف کود شیمیایی نیز که حداقل سازی آن به عنوان هدف امنیت کیفی تولید محصولات زراعی در منطقه لحاظ شده بود، به میزان 9/1 درصد نسبت به حالت فعلی منطقه کاهش یافته است. نتایج افزایش میزان تولید محصولات زراعی و کاهش میزان مصرف نهاده های شیمیایی، موید آن است که الگوی کشت پیشنهادی می تواند با بهبود کمی و کیفی تولید محصولات زراعی (غذا)، در راستای دستیابی به حداقل یکی از شاخص های امنیت غذایی که تامین غذای بیشتر و سالم است، نقش موثری را ایفا نماید. همچنین بر طبق نتایج، توسعه کشت سایر محصولات (گندم، سویا و کلزا) به لحاظ نقش ویژه ی این محصول در تامین غذای موردنیاز جامعه و کاهش مصرف نهاده ها، در شهرستان بابل پیشنهاد می شود.کلید واژگان: الگوی کشت بهینه، امنیت غذایی، الگوریتم ژنتیک، برنامه ریزی چندهدفهThe aim of the present study is to optimize the cultivation pattern in the form of a multi-objective model in order to ensure the quantitative and qualitative security of crop production in Babol city. The results of the optimal model showed that based on the approach of agricultural sustainability and ensuring the quantitative and qualitative security of crop production in the study area, the amount of profit of farmers in the optimal cultivation model compared to the common model of the region increased by about 0.5% and the amount of production of crops that in the current study Its maximization was proposed as the goal of quantitative security of food production (agricultural products), it has increased by 3.8 percent. Also, the consumption of chemical fertilizers, whose minimization was included as the goal of quality security of crop production in the region, has decreased by 1.9% compared to the current state of the region. The results of the increase in the production of crops and the significant reduction in the consumption of chemical inputs confirm that the proposed cultivation model can improve the quantitative and qualitative security of the production of crops (food) in order to achieve at least one of the indicators. Food security, which is the supply of more and healthy food, should play an effective role.Keywords: Optimal Cropping Pattern, Food Security, Genetic Algorithm, Multi Objective Programming
-
تشخیص اختصاصی نوع و شدت تنش های غیر زیستی گیاه به منظور انجام اقدامات به موقع به جلوگیری از کاهش عملکرد کمک می کند. این مطالعه روش جدیدی را برای تشخیص نوع و شدت تنش در گیاه برنج در شرایط شوری، خشکی و گرما به کمک بررسی ترکیبات microRNA معرفی می کند. در این پژوهش، غلظت هشت ترکیب microRNA در بافت گیاهان قرار گرفته تحت تنش های فوق به کمک یک زیست حسگر نوری مبتنی بر نانوذرات طلا اندازه گیری شد. اساس کار این زیست حسگر بر اساس هیبریدیزاسیون پراب-ترکیب هدف بود که در آن، اختلاط پراب/نانوذرات طلای پوشش داده شده با سیترات (ترکیب 1) و microRNA/نانوذرات پوشش داده شده با پلی اتیلن ایمین (ترکیب 2) منجر به تجمع نانوذرات و تغییر ویژگی های طیف سنجی نمونه می شد. در ادامه، از روش های یادگیری ماشین برای پیش بینی نوع و شدت تنش با داشتن این غلظت ها استفاده شد. نتایج نشان داد که ماشین بردار پشتیبان بهینه شده توسط الگوریتم ژنتیک با عملکرد مناسب و به ترتیب با ضرایب تبیین 94/0، 91/0 و 86/0 توانایی تشخیص سطح تنش شوری، خشکی و گرمای وارده به گیاهان برنج را داشت. در ادامه، نتایج انتخاب ویژگی مبتنی بر نظریه بازی های مشارکتی نشان داد که در میان ترکیبات microRNA مورد مطالعه، miRNA-156، miRNA-393، و miRNA-159 به ترتیب بیشترین سهم را در پیش بینی تنش های خشکی، شوری و گرما در گیاه برنج داشتند. نتایج تحقیق نشان می دهد که بررسی ترکیبات microRNA گیاه به کمک زیست حسگرهای نوری می تواند منجر به ویژگی های قابل اعتمادی برای تعیین شرایط رشد گیاهی و تنش های گیاه در مراحل اولیه ظهور شود.کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، غلظت Microrna، ماشین بردار پشتیبان، یادگیری ماشینThe specific detection of the type and severity of plant abiotic stresses to take timely measures helps prevent yield reduction. This study introduces a new method to detect the type and severity of stress in rice plants under salinity, drought, and heat conditions by investigating microRNAs. The concentration of eight microRNAs in the tissue of plants subjected to salinity, drought, and heat conditions was measured with the help of an optical biosensor based on gold nanoparticles. The biosensor worked based on probe-target hybridization, in which the mixture of probe/citrate-capped gold nanoparticles (compound 1) and microRNA/polyethyleneimine-capped nanoparticles (compound 2) resulted in the aggregation of nanoparticles and changes in their spectroscopic properties. In the following, machine learning methods were used to predict the type and severity of stress using such concentrations. The results showed that the support vector machine optimized by the genetic algorithm was able to detect the severity of salinity, drought, and heat stress applied to rice plants with appropriate performance and with coefficients of determination of 0.94, 0.91, and 0.86, respectively. Then, the results of feature selection based on the cooperative game theory showed that among the microRNAs studied, miRNA-156, miRNA-393, and miRNA-159 had the largest contribution in predicting drought, salinity, and heat stresses in the rice plants, respectively. The findings of the research show that the examination of plant microRNAs with the help of optical biosensors can lead to reliable features for determining plant growth conditions and plant stresses in the early stage.Keywords: Genetic Algorithm, Machine Learning, Microrna Concentration, Support Vector Machine
-
یکی از مهم ترین فاکتورهای مدیریتی در دوران بهره برداری مخازن سدها، تعیین پارامترهای بهینه بهره برداری می باشد. با توجه به اینکه حجم رهاسازی در ارتباط با حجم ذخیره مخازن سدها بوده و بایستی تواما و باهم بهینه سازی گردند، لذا در این تحقیق تلاش می گردد، پس از معرفی الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات، عملکرد این الگوریتم ها به تنهایی و در حالت ترکیب با هم، در بهره برداری بهینه از مخزن سد علویان با نتایج مدل سازی برنامه ریزی غیرخطی مقایسه و منحنی های فرمان بهره برداری ترسیم گردند. برای ارزیابی عملکرد الگوریتم های مورد بررسی در بهره برداری بهینه از مخزن، از شاخص های عملکرد مخزن استفاده شده است. جواب بهینه مدل های الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات به ترتیب با 08/1 و 87/0 و الگوریتم ترکیب آن ها با مقدار 62/0 و روش برنامه ریزی غیرخطی جواب بهینه محلی 91/0 می باشند. با توجه به شاخص های عملکرد مخزن، الگوریتم ترکیبی توانسته است 85 درصد از نیاز آبی کشاورزی پایاب سد علویان را تامین کند. جواب های بهینه نشان دادند که مدل الگوریتم ترکیبی در مورد سیاست بهره برداری از مخزن، نتیجه مطلوب تری داشته و نتایج حاکی از عملکرد بالای الگوریتم ترکیبی در مقایسه با دیگر روش های مورد بررسی در بهره برداری بهینه از سیستم تک مخزنه سد علویان بود. بر این اساس، پارامترهای بهینه بهره برداری از مخزن سد علویان با استفاده از الگوریتم ترکیبی به دست آمد.
کلید واژگان: بهره برداری بهینه، الگوریتم های ازدحام ذرات و ژنتیک، الگوریتم ترکیبی، هیدروانفورماتیک، منحنی فرمان، مخزن سد علویانBackground and ObjectivesOptimum operation of dam reservoirs is one of the most significant management factors in developing the annual resource and consumption plan of dam reservoirs during operation. The decisions regarding amount of water release are made by having the volume of the reservoir, amount of demand, and the prediction of reservoir inflow in the actual operation of dam reservoirs. Since the volume of release is related to the storage volume of the reservoirs of the dams and should be optimized simultaneously, after introducing the genetic algorithm and the particle swarm algorithm, the performance of these algorithms alone and in combination with each other in the optimal operation of the Alavian dam reservoir are compared with the modeling results in the nonlinear programming and the rule curves of the operation are developed in this study. The performance indicators of the reservoir were been used including reliability, vulnerability and stability to evaluate the performance of the examined algorithms in the optimal operation of the reservoir.
MethodologyIn this study, after introducing the genetic algorithm and the particle swarm algorithm, innovatively examines the accuracy and effectiveness of modeling by comparing the performance of these algorithms both individually and in combination. This comparison focuses on optimizing the operation of the Alavian dam reservoir over multi-step ahead, using modeling results from the software Lingo. To enhance decision-making for improved management of the Alavian dam reservoir, operation rule curves have been developed. The model utilizes a series of 25 years of data from the Alavian dam, which includes the volume of inflow, the volume of release from the reservoir, storage volume, and usage data encompassing drinking, agriculture, industry, and environmental needs. Additionally, information such as the volume of overflow from the dam reservoir and the volume of evaporation from the surface of the Alaviyan Dam reservoir has been collected on a monthly basis.
FindingsThe results from these optimal solutions indicate that the combined algorithm outperforms other methods, demonstrating a better correlation with the reservoir management policy. Over the last 25 years, the combined algorithm met 85% of the water requirements for agriculture downstream of Alavian dam, compared to 82% for the Particle swarm optimization(PSO) algorithm and 78% for the genetic algorithm (GA). In contrast, the nonlinear programming (NLP) method met 80%. The total shortages over the entire 25-year operational period for the GA, PSO, GA-PSO, and NLP algorithms were 38, 33.7, 27.1, and 35.2 million cubic meters, respectively. The GA-PSO algorithm has successfully addressed 10.87 million cubic meters more than the GA algorithm and 6.57 million cubic meters more than the PSO algorithm.
ConclusionInvestigating the results obtained from the optimal solutions revealed that the hybrid algorithm model provides a more favorable result and shows a better correlation regarding the reservoir operation policy. The results indicate the high performance of the hybrid algorithm compared to other studied methods in the optimal operation of the single reservoir system of Alavian dam. Accordingly, the optimal parameters of the Alavian dam reservoir were obtained using a hybrid algorithm. It was proposed to release volume rule curves and reservoir volume for the multi-step ahead.
Keywords: Particle Swarm Optimization Algorithm, Genetic Algorithm, Hybrid Algorithm, Optimal Operation, Rule Curve, Alavian Dam -
هدف
کشورهای مختلف به دانه جوجوبا به عنوان یک منبع جدید انرژی علاقه مند هستند زیرا می تواند در شرایط سخت مانند آب و هوای شدید، آب شور، بیابان ها و دمای بالا به خوبی رشد کند. بیودیزل سوختی است که می تواند در موتورهای خودروها، اجاق گاز و سیستم های گرمایش روغنی خانگی استفاده شود و قابل بازیافت، زیست تخریب پذیر و ایمن است. یک جایگزین سوخت پاک کننده برای سوخت دیزل که از نفت بدست می آید است و از چربی های حیوانی، گریس پخت و پز بازیافت شده یا روغن های گیاهی تولید می شود. بیودیزل (BD) در این مطالعه با استفاده از روغن جوجوبا تحت فشار ساخته شده است. پاراللیسم عظیم ذاتی شبکه های عصبی (NN) آن ها را به یک ابزار بهینه سازی امیدوارکننده تبدیل می کند. تولید بیودیزل تجاری که هم کارآمد و هم سازگار با محیط زیست باشد، نیازمند مدل سازی و بهینه سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی است.
مواد و روش هاپیش بینی پارامترهای فرآیند ایده آل برای سنتز بیودیزل از روغن جوجوبا با استفاده از الگوریتم ژنتیک شبکه عصبی مصنوعی (ANN-GA) انجام شد. با کمک شبکه عصبی مصنوعی یکپارچه - الگوریتم ژنتیک (IANN-GA)، این مطالعه با هدف بهبود فرآیند ترانس استریفیکاسیون برای تبدیل متانول فوق بحرانی (HCM) به BD انجام شد. محدوده دما برای بهینه سازی IANN-GAبرابر 355-240 درجه سانتیگراد بود و محدوده زمانی روی 7-21 دقیقه تنظیم شد.
نتایجطراحی ترکیبی اولیه (PCD) برای مدل سازی ANN برای ایجاد مطالعات اولیه استفاده شد. بهترین ساختار ANN با تعداد مناسب نورون های پنهان با استفاده از ارزیابی اکتشافی مقادیر ضریب تعیین (R) پیدا شد. مقادیر R به دست آمده برای آموزش و آزمایش دقت بالای چارچوب ANN را نشان می دهد.
نتیجه گیریمتغیرهای فرآیند برای ترانس استریفیکاسیون HCM با استفاده از GA با ANN به عنوان ضریب تناسب بهینه شدند. به طور کلی، یافته ها نشان داد که ANN-GA نسبت به مدلی که قبلا ارائه شده بود برتر است و این یک رویکرد مدل سازی و بهینه سازی قابل اعتماد برای ساخت بیودیزل از روغن جوجوبا است که هم عملی و هم پایدار است.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی، سنتز بیودیزل، شبکه عصبی مصنوعی، متانول فوق بحرانیObjectivesDifferent countries are interested in jojoba seed as a possible new energy source because it can grow well in harsh conditions like extreme weather, salty water, deserts, and high temperatures. Biodiesel is a fuel that can be used in motor engines, stoves, and home heating oil systems. It is recyclable, biodegradable, and safe. A cleaner-burning substitute for diesel fuel derived from petroleum, it is manufactured from animal fats, recycled cooking grease, or vegetable oils. Biodiesel (BD) is made in this study using jojoba oil under pressure. The inherent huge parallelism of neural networks (NNs) makes them a promising optimization tool. Commercial biodiesel production that is both efficient and environmentally friendly needs AI-powered process modelling and optimization.
Materials and methodsPredicting the ideal process parameters for biodiesel synthesis from jojoba oil was accomplished using artificial neural network-genetic algorithm (ANN-GA). With the help of the Integrated Artificial Neural Network - Genetic Algorithm (IANN-GA), this study aims to improve the transesterification process for changing Hyper Critical Methanol (HCM) into BD. The temperature range for IANN-GA optimization was 240–355°C, and the time range was set to 7–21 minutes.
ResultsThe primary composite design (PCD) for ANN modelling was used to create the initial studies. The best ANN structure with the right number of concealed neurons was found using a heuristic evaluation of the coefficient of determination (R) values. The R values obtained for training and testing demonstrate the high accuracy of the ANN framework.
ConclusionsThe process variables for HCM transesterification have been optimized using GA with an ANN as the fitness coefficient. When taken as a whole, the findings demonstrated that ANN-GA is superior to the model that had been provided before, and that it is a trustworthy modeling and optimization approach for the manufacture of biodiesel from jojoba oil that is both practical and sustainable.
Keywords: Artificial Neural Network, Biodiesel Synthesis, Genetic Algorithm, Hyper Critical Methanol, Optimization -
مطالعه وضعیت پایداری خاکدانه های خیس (WAS)، به عنوان شاخصی رایج از ساختمان خاک و نیز ارزیابی کیفیت آن، برای مدیریت بهینه منابع خاک و آب، حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر، برای مدل سازی پایداری خاکدانه های خیس از مدل های یادگیری ماشین جنگل تصادفی (RF) و جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک (GA-RF) استفاده شد. بدین منظور، ویژگی های بافت، ماده آلی و آهک 55 نمونه خاک از جنگل های ارسباران تعیین و سپس با ترکیب های ورودی مختلف بر اساس مقادیر همبستگی با پارامتر WAS، مدل سازی با استفاده از هفت سناریو انجام شد. به منظور تعیین توانایی مدل های اجرا شده، سه شاخص عملکرد ضریب همبستگی (CC)، جذر میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE) و ضریب ویلموت (WI) مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل RF5 در بین مدل های جنگل تصادفی با 038/0NRMSE =، 736/0CC = ، 789/0WI = و مدل GA-RF5 در بین مدل های جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک با 031/0NRMSE = ، 800/0CC = ، 842/0WI = با ورودی درصد شن و سیلت و رس، بهترین عملکرد را داشتند. علاوه براین نتایج RF1 ) 047/0NRMSE = ، 589/0CC = ، 721/0WI = (و GA-RF1 ) 036/0NRMSE = ، 662/0CC = ، 797/0WI = (نشان داد که درصد رس بالاترین درجه همبستگی را با پایداری خاکدانه ها دارد. همچنین، با اضافه شدن کربنات کلسیم معادل در سناریو 7، بهبود عملکرد و تاثیر مثبت این ویژگی در پیش بینی پایداری خاکدانه های خیس مشاهده گردید. بنابراین، مدل جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک برای تعیین دقیق و مناسب پایداری خاکدانه های خیس در مطالعات مربوط به خصوصیات خاک توصیه می گردد.کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، جنگل تصادفی، پایداری خاکدانه های خیسIn order to effectively manage soil and water resources, it is imperative to investigate wet aggregate stability (WAS) as a fundamental indicator for assessing soil structure and quality. In this study, machine learning techniques, specifically random forest (RF) and random forest optimized with genetic algorithm (GA-RF), were employed. The analysis focused on determining the texture, organic matter content, and lime characteristics of 55 soil samples collected from the Arsbaran forests. Utilizing various input combinations based on correlations with WAS, modeling was performed across seven distinct scenarios. Furthermore, three performance metrics including correlation coefficient (CC), normalized root mean square error (NRMSE), and Wilmot coefficient (WI) were utilized to evaluate the effectiveness of the models. The findings indicated that the RF5 model exhibited superior performance among the random forest models, achieving NRMSE = 0.038, CC = 0.736, and WI = 0.789. Similarly, the GA-RF5 model, optimized through a genetic algorithm approach, demonstrated exceptional performance with NRMSE = 0.031, CC = 0.800, and WI = 0.842 when considering input percentages of sand, silt, and clay. Moreover, results from RF1 (NRMSE = 0.047, CC = 0.589, WI = 0.721) and GA-RF1 (NRMSE = 0.036, CC = 0.662, WI = 0.797) emphasized that clay content exhibited the strongest correlation with stability. Additionally, the incorporation of calcium carbonate equivalent in scenario 7 significantly enhanced model performance and positively influenced the prediction of wet aggregate stability. In summary, the hybrid model combining random forest with a genetic algorithm is recommended for precise and reliable determination of wet aggregate stability in studies focusing on soil properties.Keywords: Genetic Algorithm, Random Forest, Wet Aggregate Stability
-
نیروگاههای برقآبی یکی از منابع تولید انرژیهای تجدیدپذیر هستند که نسبت به سایر منابع احیا شدنی، بهرهوری بهتری دارند. یکی از شیوه های مناسب به منظور برنامه ریزی جهت به حداکثر رساندن بهره وری در این نیروگاه ها، به کارگیری روش های نوین بهینه سازی، مانند روش های فراکاوشی است. هدف از انجام این مطالعه محاسبه تولید حداکثر انرژی برق ممکن از مجموعه مخازن موجود برروی رودخانههای حوضه کارون میباشد، به نحوی که خللی در تامین حقابهها ایجاد نشود. به این منظور از روش الگوریتم کاوش باکتری (BFO) و الگوریتم ژنتیک (GA) در بهینهیابی تولید برق استفاده شده است. نتایج نشان داد که میتوان حداکثر تولید انرژی برقآبی را با 75% اطمینانپذیری در تامین آب پاییندست، در دسترس داشت. با توجه به نتایج الگوریتم ژنتیک و کاوش باکتری، به ترتیب توانایی تولید انرژی برقآبی سالیانه 18347 و18431 گیگاوات-ساعت در سامانه مورد مطالعه وجود دارد، که سهم بیشتر آن مربوط به سد گدارلندر از شاخه کارون است و سهم شاخه دز، مطابق نتایج الگوریتم ژنتیک 2632.4 و با توجه به نتایج الگوریتم کاوش باکتری 2645.2 گیگاوات- ساعت است. با مقایسه عملکرد دو الگوریتم ژنتیک و کاوش باکتری، با پیچیده تر شدن تابع هدف، الگوریتم جستجوی باکتری توانایی بالاتری را در انجام محاسبات دقیق تر بروز می دهد.کلید واژگان: بهره&Rlm، برداری از سیستم مخازن، نیروگاه&Rlm، های برق&Rlm، آبی، مدیریت منابع آب، الگوریتم کاوش باکتری، الگوریتم ژنتیکAbstractHydropower plants are one of the renewable energy sources with higher efficiency than other renewable sources. One of the appropriate methods to maximize efficiency in these power plants is metaheuristic methods. The purpose of this study is to calculate the maximum power generation from the Karoun Basin reservoirs, so that there is no disruption in the supply of downstream demands. Thus, the bacterial foraging optimization algorithm (BFO) and genetic algorithm (GA) have been used to optimize power generation. The results showed that it is possible to have maximum hydropower energy production with 75% reliability in downstream water supply. According to the results of GA and BFO, there is an annual hydropower energy production capacity of 18347 and 18431 GWh, respectively, in the study area, the majority of which is related to the Godarlandar dam on the Karoun river. The Dez river share in power generation, according to the GA results, is 2632.4 GWh and, according to the BFO results, is 2645.2 GWh. Comparing the performance of GA and BFO, as the objective function becomes more complex, BFO shows a higher ability in more accurate calculations.Keywords: Operation Of Reservoir, Hydro-Electrical Power Plants, Water Resource Management, BFO Algorithm, Genetic Algorithm
-
با توجه به محدود بودن منابع آب در جهان، مدل سازی و پیش بینی پارامتر های کیفی پساب خروجی تصفیه خانه فاضلاب، نقش مهمی را در حوزه مدیریت منابع آب در مناطق مختلف جهان ایفا می کند. محدود بودن منابع آب شیرین در جهان و همچنین رشد روز افزون جمعیت و توسعه شهرنشینی، رویکرد استفاده مجدد از پساب های شهری را اجتناب ناپذیر ساخته است. در چنین شرایطی، استفاده از آب بازیافتی می تواند به عنوان یکی از راه های غلبه بر کم آبی و جلوگیری از هدر دادن منابع آب تلقی شود. در این مطالعه، از مدل های شبکه عصبی چندلایه MLP، شبکه عصبی شعاعی پایه RABF و همچنین ادغام این مدل ها با چندین الگوریتم دیگر از جمله، الگوریتم ژنتیک GA، الگوریتم ازدحام ذرات PSO و الگوریتم سینوس کسینوس SCA، به منظور پیش بینی پارامترهای کیقی پساب خروجی تصفیه خانه فاضلاب از جمله BODeff، CODeff و TSSeff بهره گرفته شد. در واقع مزیت بکارگیری الگوریتم های بهینه سازی GA، PSO و SCA، یافتن مدل عصبی بهینه بوده است. 4 پارامتر موثر شامل اکسیژن خواهی بیوشیمیایی 5 روزه (BOD5)، اکسیژن خواهی شیمیایی (COD)، کل مواد جامد معلق در فاضلاب (TSS) و خاصیت اسیدی یا قلیایی فاضلاب (pH)، طی دوره آماری 3 ساله (1397 تا 1399) به عنوان ورودی به مدل انتخاب شدند. همچنین سایزهای 70% و 30% به عنوان بهترین سایزها برای مراحل آموزش و آزمایش به منظور مدل سازی پارامترهای BODeff و CODeff تعیین شدند.
کلید واژگان: شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم ژنتیک، الگوریتم ازدحام ذرات، الگوریتم سینوس کسینوس، پارامترهای کیفیPrediction of effluent quality parameters of wastewater treatment plant is essential in managing water resources, limitation of fresh water resources in the world, furthermore the ever-increasing population growth and the development of urbanization, have made the approach of urban wastewater reuse inevitable. In such a situation, the use of recycled water can be considered as one of the ways to overcome water shortage and prevent wastage of water resources. This research aimed to investigate the performance of Prediction of effluent quality parameters of wastewater treatment plant in using recycled water. On the other hand, due to the health hazards caused by the discharge of wastewater from wastewater treatment plants to water sources, achieving a precise design and correct management of wastewater treatment plants (WWTP: Wastewater Treatment Plant) is one of the important challenges of sustainable water resources management. 4 effective parameters including (BOD), (COD), (TSS) and (pH) of wastewater, were selected as input to the model, during a statistical period of 3 years (1397 to 1399). Also, 70% and 30% sizes were determined as the best sizes for training and testing stages in order to model BODeff and CODeff parameters. In this study, multi-Layer perceptron models (MLP), basic radial neural network models (RABF), as well as the integration of these models with several other algorithms, such as genetic algorithm (GA), particle swarm optimization algorithm (PSO) and sine cosine algorithm (SCA), were used in order to predict the quality parameters of wastewater treatment plant effluent.
Keywords: Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization, Since Cosine Algorithm, Quality Parameters -
یکی از اهداف جانبی سازه های هیدرولیکی میتواند تامین سلامت و پایداری محیط زیست نیز باشد. آلودگی آب و کاهش کیفیت آن تهدیدی جدی برای سلامتی زمین بوده و رودخانه ها را به کانالی برای فاضلاب های صنعتی آلوده تبدیل خواهد کرد. یکی از روش های مدیریت آلودگی و افزایش توان خود پالایی رودخانه ها افزایش مدت زمان ماند آب در طول مسیر می باشد که با احداث سازه هایی همچون آبشکنهای متخلخل در مسیر جریان می توان به آن دست پیدا کرد. در این پژوهش به بررسی آزمایشگاهی انتقال آلودگی با استفاده از ماده ردیاب NaCl در کانال آزمایشگاهی با مصالح بستر به قطر متوسط (D50) 85/11 میلیمتر، ضخامت 12 سانتی متر و طول 12 متر در تعداد مختلف آبشکن متخلخل ریزدانه یا درشت دانه از 1 تا 4 عدد پرداخته شد. برای شبیه سازی عددی روش های حل تحلیلی معادله انتقال-پراکندگی (ADE)، مدل عددی OTIS و همچنین حل مدل نگهداشت موقت (TSM) با استفاده از بهینه سازی روش گشتاورگیری زمانی استفاده شدند. نتایج آزمایشگاهی نشان دادند که مصالح ریزدانه در بدنه آبشکنهای متخلخل در مقایسه با مصالح درشت دانه موجب کاهش غلظت اوج آلودگی (Cmax) میشود. بررسی نتایج نشان داد که وجود آبشکنهای متخلخل در مسیر جریان با افزایش تبادلات هایپریک موجب افزایش مدت زمان ماند ماده آلاینده در مسیر جریان شده بنابراین معادله انتقال-پراکندگی (ADE) به علت عدم در نظر گرفتن تبادلات نواحی نگهداشت دارای دقت پایین با ضریب همبستگی (R2) 71/0 تا 83/0 در شبیه سازی ها بوده است. از سوی دیگر، مدل OTIS که مبتنی بر مدل نگهداشت موقت (TSM) بوده با در نظر گرفتن نقش نواحی متخلخل آبشکنها در ذخیره موقت املاح دارای دقت بالا با ضریب همبستگی (R2) 91/0 تا 98/0 بوده است. ضرایب تخمینی پراکندگی طولی (Dx) و تبادل ناحیه نگهداشت (α) به روش گشتاورگیری زمانی در اغلب شبیه سازی ها از تخمین های مدل OTIS کمتر ارزیابی شدند.کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، تبادلات هایپریک، خودپالایی، ردیاب، معادله انتقال-پراکندگیEnsuring the health and sustainability of the environment is one of the secondary goals of hydraulic structures. Water pollution and the reduction of its quality are serious threats to the health of the earth and will turn rivers into channels for polluted industrial wastewater. Increasing the residence time of flow in rivers by constructing hydraulic structures such as gabion spur dikes can increase the self-purification capacity. In this research, a laboratory investigation of pollution transport using NaCl tracer material in a laboratory channel with a sediment bed with a medium diameter (D50) of 11.85 mm, thickness of 12 cm, and length of 12 meters in a different number of fine-grained or coarse-grained gabion spur dikes from 1 to 4 were performed. Analytical solutions of Advection-Dispersion equation (ADE), OTIS model, and solution of Transient Storage Model (TSM) were used for numerical simulation. Laboratory results showed that gabion spur dikes with fine-grained materials reduce the peak concentration of pollution (Cmax) compared to coarse-grained materials. The results showed that the gabion spur dikes in the flow path increase the residence time of the pollutant by increasing hyporheic exchanges. The advection-dispersion equation (ADE) has low accuracy in the simulations due to the lack of attention to the role of the storage zone exchanges, with a determination coefficient (R2) of 0.71 to 0.83. On the other hand, the OTIS model, which is based on the transient storage model (TSM), considering the role of the porous zones of spur dikes in the transient storage of solute, has high accuracy with a determination coefficient (R2) of 0.91 to 0.98. The estimated coefficients of longitudinal dispersion (Dx) and storage zone exchange (α) by the temporal moment analysis were evaluated lower than the estimates of OTIS model in most of the simulations.Keywords: Genetic Algorithm, Hyporheic Exchanges, Self-Purification, Tracer, advection-dispersion equation
-
یکی از زیرساخت های شهری که از اهمیت بالایی برخوردار است، شبکه جمع آوری رواناب است. افزایش سطوح نفوذناپذیر، فرسودگی شبکه و تغییر الگوی بارش ناشی از تغییرات اقلیمی موجب افزایش رخداد سیلاب شهری شده و اهمیت بازطراحی شبکه به منظور به حداقل رساندن آسیب پذیری سامانه را بالا برده است. در این پژوهش شبکه جمع آوری رواناب منطقه 10 شهرداری تهران مورد بازطراحی بهینه قرار گرفت. در همین راستا، شبکه جمع آوری در دو مرحله توسط مدل SWMM شبیه سازی شد. از الگوریتم ژنتیک نیز به عنوان ابزاری جهت بهینه کردن بازطراحی استفاده شده است. در بخش شبیه سازی، نخست شبکه جمع آوری در وضع موجود با استفاده از اطلاعات تاریخی بارش ایستگاه سینوپتیک مهرآباد طی دوره های بازگشت دو، پنج و 10 سال شبیه سازی شد و در مرحله دوم مدل سازی شبکه جمع آوری در شرایط آتی با استفاده از اطلاعات بارشی مدل های اقلیمی گزارش ششم تغییر اقلیم صورت گرفت. از میان پیش بینی مدل های اقلیمی، بیش ترین تغییرات افزایشی بارش حدی به عنوان سناریوی بدبینانه انتخاب و بازطراحی سامانه برای کاهش آسیب پذیری تحت این سناریو انجام گرفت. سه پارامتر هزینه، شاخص اطمینان پذیری و شاخص آسیب پذیری به عنوان اهداف بهینه سازی با وزن دهی مشخص در قالب یک تابع معرفی شد. سپس با مرتبط ساختن مدل شبیه ساز با بهینه ساز توسط نرم افزار متلب بازطراحی بهینه انجام شد. نتایج شبیه سازی شبکه در وضع موجود نشان داد که با افزایش دوره بازگشت از دو تا 10 سال، حجم رواناب خروجی از 9/45 تا 7/59 هزار مترمکعب افزایش یافت که موجب افزایش آسیب پذیری از 4/10 تا 2/12 درصد و کاهش اطمینان پذیری از 5/97 تا 8/95 درصد شده است. در شبیه سازی شبکه در شرایط آتی نیز شاخص آسیب پذیری در دوره های بازگشت پنج و 10 سال، 7/12 و 9/13 درصد و شاخص اطمینان پذیری نیز 3/95 و 3/94 به دست آمد. نتایج بهینه سازی نشان داد که در تکرار 168، الگوریتم به پاسخ نهایی خود به مقدار 3/0 رسیده و این پاسخ تا تکرار 300 ثابت باقی مانده است. هم چنین، بازطراحی بهینه موجب کاهش آسیب پذیری شبکه تا 6/7 درصد و افزایش اطمینان پذیری تا 1/98 درصد شد. این پژوهش نشان داد که بازطراحی بهینه می تواند علاوه بر رفع مشکلات شبکه در وضع موجود، توانایی سامانه را نیز در برابر تهدیدات تغییر اقلیم آینده بالا برد.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی، رواناب شهری، شاخص آسیب پذیری، شاخص اطمینان پذیریIntroductionUrban flooding is caused by the lack of capacity of the harvesting channel network and occurs when the amount of precipitation exceeds the network's capacity. One of the two main factors contributing to the aggravation of damage caused by urban floods is population growth and the expansion of urbanization, and the second factor is heavy rainfall caused by climate change, which plays an essential role in intensifying and accelerating the hydrological cycle and may change the amount and frequency of precipitation. This factor affects the probability of flooding, runoff volume, and peak flow. It is more visible in arid and semi-arid areas where rainfall usually occurs briefly but with high intensity. Urban flooding is a growing threat to urban infrastructure and public health, posing significant challenges to urban resilience and sustainability. One of the urban infrastructures that is of great importance is the runoff collection network. The increase of impervious surfaces wear and tear on the network. changes in the rainfall pattern due to climate change have increased the occurrence of urban floods and raised the importance of network redesign to minimize the system vulnerability.
Materials and MethodsIn this research, the runoff harvesting network of ten districts of Tehran Municipality was redesigned and optimized. This area, with a population of 327,000 people, is located in the relatively dense fabric of the Tehran metropolis, and its area is 807 ha. Simulating the runoff collection network and checking the performance of the network by two indicators of vulnerability and reliability requires an accurate model with great details. For this purpose, in this research, SWMM version 5.1 software was used to simulate the runoff collection network. The study area was divided into 285 sub-basins to simulate the sub-channels in better detail. Then, information such as slope, area, and percentage of impervious space was introduced through ArcMap software version 10.3.1 as information under the watersheds. The sub-watershed width parameter was calculated by dividing the sub-watershed area by its most significant length using Q-GIS software and applied to the sub-basins. The LARS-WG model has also been used for the exponential micro-scale output of climate models. To simulate the network in the current or present situation, the historical precipitation information of the Mehrabad synoptic station was used, and to affect the network in future conditions, the precipitation information of the climate models of the sixth climate change report was used. Among the predictions of climate models, the most incremental changes in threshold precipitation were selected as a pessimistic scenario, and a system redesign was done to reduce vulnerability under this scenario.
Results and DiscussionThis study was conducted to assess the performance of Tehran municipality's runoff collection network under current and future conditions. The SWMM hydraulic model was employed to simulate the network under various rainfall scenarios. Current conditions revealed a total runoff volume of 45.9, 51.14, and 59.7 thousand m3 for return periods of 2, 5, and 10 years, respectively. This runoff volume resulted in a vulnerability increase from 10.4 to 12.2% and a reliability reduction from 97.5 to 95.8%. To evaluate the network's performance under future climate change scenarios, the SWMM model was used with data from the IPCC sixth assessment report. Among the top five climate models, the one with the highest precipitation was selected as the pessimistic scenario. Simulation results under future conditions indicated a significant runoff volume increase, reaching 64.04 and 72.18 thousand m3 in 5- and 10-year return periods, respectively. This increase corresponded to vulnerability indices of 12.7 and 13.9% and reliability indices of 95.3 and 94.3% for the same return periods. To enhance the network's resilience, a genetic algorithm-based optimization approach was employed. Cost, reliability, and vulnerability index were considered optimization objectives with specific weighting functions. The algorithm converged to an optimal design solution in the 168th iteration, resulting in a 7.6% vulnerability reduction and a 98.1% reliability enhancement.
ConclusionThe vulnerability index in the return periods of 5 and 10 years is equal to 12.7 % and 13.9 %, respectively, and the reliability index is equal to 95.3 % and 94.3 %. After checking the network in its current state and future conditions, an optimal network redesign was done to improve system performance in both current and future conditions. For this purpose, the genetic algorithm was used for optimization, and the objective function consisting of cost, vulnerability index, and reliability index and the importance weights of each, were defined. Then, MATLAB software did the optimal network redesign by connecting the simulator and optimizer model. The results showed that in the 168th iteration, the algorithm reached its final answer of 0.3, which remained constant until the 300th iteration. Also, the optimal redesign has reduced network vulnerability by 7.6% and increased reliability by 98.1%. This research showed that with an optimal redesign and solving the current network problems, the system's ability to face future climate change threats could also be increased. Of course, spending the least money to achieve the best result was one of the main goals of this research. In future studies, it is recommended to use low-impact development tools along with optimal redesign to fix defects and improve the performance of the runoff collection network.
Keywords: genetic algorithm, optimization, reliability indicator, Urban Runoff, vulnerability indicator -
سرریز های تاج دایره ای از سرریزهای مطمئن جهت استفاده در کانال ها می باشند که به صورت عمود بر جریان یا به صورت زاویه دار(مورب) نسبت به راستای جریان احداث می شوند. سرریزهای زاویه دار جهت افزایش طول موثر سرریز و افزایش ظرفیت آبگذری استفاده میشوند. در این مقاله به کالیبراسیون ضریب دبی سرریز تاج دایره ای مورب تحت تغییر پارمتر ارتفاع سرریز تحت شرایط جریان غیردائمی پرداخته شده است. برای این منظور سه سرریز تاج دایره ای مورب به ارتفاع 15،10و20 سانتی متر تحت الگوهای مختلف تغییر دبی در فلوم تحقیقاتی به طول 10 متر و عرض 6/0 متر مورد بررسی قرار گرفته اند. این فلوم دارای دستگاه پی ال سی برای تنظیم دبی و ثبت داده های دبی و عمق جریان می باشد. نتایج با استفاده از الگوریتم ژنتیک تحلیل شده و مقادیر ضریب دبی کالیبره شده در شرایط جریان آزاد غیردائمی تحت الگوهای مختلف تغییر دبی محاسبه شده است. نتایج تحلیل داده های آزمایشگاهی حاکی از آن بوده که با افزایش ارتفاع سرریز و همچنین نسبت ارتفاع آب بالادست سرریز به ارتفاع سرریز، ضریب دبی جریان غیردائمی کاهش می یابد. همچنین مقدار ضریب دبی جریان غیردائمی تحت شرایط مختلف ارتفاع جریان بالادست و ارتفاع سرریز و الگوی تغییر دبی بین 5/0 تا 5/1 متغیر بوده است..
کلید واژگان: جریان غیردائمی، سرریز تاج دایره ای مورب، ضریب دبی، الگوریتم ژنتیکIntroductionWeirs are a type of water structures that are used to pass floods, control water levels and measure flow rates. The accurate and appropriate design of the weir is of particular importance, and the existence of weirs with inappropriate discharge capacity is one of the most important factors of channel inefficiency. Circular crest weirs are reliable weirs for use in channels that are built perpendicular to the flow or at an angle (oblique) to the direction of the flow. Oblique weirs are used to increase the effective length of the weir and increase the water-passing capacity and hydraulic parameters such as the discharge coefficient. On the other hand, the study of the flow in the unsteady state, in which the flow variables in the channel vary with time, is of special importance in hydraulic science. In this research, the calibration of the discharge coefficient of the oblique circular crest weir under unsteady flow condition has been discussed. Also, the effect of changing the height of the weir and changing the flow pattern on the discharge coefficient of the unsteady flow in this type of weir has been investigated.
MethodsIn this research, three oblique circular crest weirs with a height of 15, 10 and 20 cm and other identical geometric parameters under free and unsteady flow conditions in the flow range of 25 to 51 liters per second under the range of flow rate changes of 1, 3 and 5 liters per second and the range of time changes of 5, 10 and 15 seconds have been tested. Therefore, the total number of tests was equal to 27. Experiments were carried out in the research flume of Islamic Azad University, Isfahan (Khorasgan) branch with a rectangular cross-section of 10 meters in length and 0.6 meters in width, and weirs were installed at 2.5 meters from the entrance of the channel The flume has no slope of the floor and the height of the flume is the same without change and its walls are made of tempered glass and completely sealed. The mentioned flume is equipped with a closed water circulation system and can provide a maximum flow rate of up to 55 liters per second. The tank of this flume is made of fiberglass and has a cylindrical shape with a volume of 10 cubic meters and is placed underground at a height of about 2 meters. Flow can be regulated by PLC device. The depth gauge of the device without contacting the free surface of the flow, by sending and receiving ultrasonic waves, measures the distance with very high speed and accuracy, and in this way the depth of the flow is recorded in the PLC device. In fact, the most important part of this test set is the PLC device connected to the flume, which controls all flow settings, including the flow rate, maximum flow rate, relevant hydrographs, and records the flow depth data. In this study, the governing relations were first extracted and then the genetic algorithm was used for optimization. The optimization process in the genetic algorithm is based on a guided random process. This method is based on the theory of gradual evolution and Darwin's fundamental ideas. Genetic Algorithm is a non-algebraic optimization method that is suitable for functions whose optimization with algebraic methods is exhausting. This algorithm and other evolutionary algorithms examine the response space in parallel and cluster by cluster and not member by member and for this reason, the possibility of occurrence of local maxima or minima is eliminated. Also, these methods do not need information about the derivatives of the target function and only the main form of the function is required. In this research, the solver available in Excel software was used for optimization with evolutionary algorithm method. After specifying the target variable, which is the discharge coefficient in this research, the evolutionary algorithm option is selected, and the software performs its analysis to calculate the best discharge coefficient with the lowest value for total errors.
ResultsThe results obtained in this research show that in all patterns of flow changes, increasing the ratio of water height relative to the weir crest to the weir height (H/P) causes a decrease in the discharge coefficient of unsteady flow. Also, in all patterns of flow rate change, increasing the height of the weir causes a decrease in the discharge coefficient of the unsteady flow, that is, the discharge coefficient of the unsteady flow in the oblique circular crest weir is a function of the upstream flow conditions and the height of the weir. Also, the unsteady flow rate coefficient in this type of weir is a function of the flow rate change pattern. As can be seen from the graphs obtained in this research, the flow rate change pattern does not have much effect on the slope of the flow coefficient changes compared to the H/P changes, but it is effective on the degree of influence of the weir height changes for a fixed H/P value. On the other hand, the graphs show that the discharge coefficient of unsteady flow for oblique circular crest weir varies between 0.5 and 1.5, which previous researchers had also concluded that the discharge coefficient of unsteady flow for other weirs is not constant and is a function of the geometry of the weir and the pattern of changes in flow rate.
Keywords: Unsteady Flow, Inclined Circular-Crested Spillway, Discharge Coefficient, Genetic Algorithm -
هدف
در حوزه ارتقای بیوتکنولوژیکی لوبیاهای معمولی، با توجه به دشواری ذاتی بازسازی این محصول در محیط های آزمایشگاهی، یک چالش ضروری در ابداع یک استراتژی قابل اعتماد و موثر بازسازی در شرایط آزمایشگاهی نهفته است. این تحقیق، با هدف پرداختن به این چالش، از قدرت مدل های یادگیری ماشین (ML)، به ویژه با استفاده از الگوریتم هایی برای شبکه های عصبی مصنوعی (ANN) استفاده می کند. هدف اصلی ایجاد یک فرآیند بازسازی آزمایشگاهی کارآمد و قابل تکرار همزمان با بهینه سازی و پیش بینی نتایج آینده است.
مواد و روش هااین مطالعه متغیرهای مختلفی مانند ژنوتیپ لوبیا، ریزنمونه ها و دوزهای مختلف 6-benzylaminopurine (BAP) و CuSO4 را در بر می گیرد. یک شبکه عصبی رگرسیون مکرر (RRNN) برای مدل سازی و پیش بینی نتایج بازآفرینی محصول در شرایط آزمایشگاهی، به ویژه بر روی لوبیاهای معمولی استفاده شد. تنظیم تجربی شامل آماده سازی جنین های لوبیا با 10، 15 و 20 میلی گرم در لیتر BAP به مدت 25 روز، و به دنبال آن رشد در محیط پس از تیمار شامل 3/0، 6/0، 9/0، و 2/1 میلی گرم در لیتر BAP به مدت 7 هفته بود. متعاقبا، اپیس پلومولار برای بازسازی در شرایط آزمایشگاهی جدا شد. قابل ذکر است، مدل RRNN نیز با یک الگوریتم ژنتیک (GA) یکپارچه شد تا فرآیند بازسازی را بیشتر بهینه کند.
نتایجنتایج با RRNN برابر با 061/0، که کمترین میانگین مربعات خطا را نشان می دهد قانع کننده بود و این امر نشان دهنده دقت پیش بینی برتر در بازسازی کل است. در مقایسه، مدل های رگرسیون بردار پشتیبان (SVR)، جنگل تصادفی (RF) و تقویت گرادیان شدید (XGB) مقادیر MSE بالاتری را به ترتیب برابر با 081/0، 081/0 و 097/0 نشان دادند. این یافته ها بر اثربخشی الگوریتم RRNN تاکید می کند، که از سایر مدل ها در همه پارامترها بهتر عمل می کند.
نتیجه گیریعملکرد برتر RRNN کاربرد بالقوه آن را در پیش بینی دقیق در مورد بازسازی لوبیا نشان می دهد. در زمینه یک برنامه اصلاح مشترک لوبیا، این نتایج را می توان برای بهینه سازی و پیش بینی روش های کشت بافت گیاهی مهار کرد و در نتیجه تکنیک های بیوتکنولوژیکی مورد استفاده در کشت لوبیا معمولی را تقویت کرد. ادغام مدل هایML، به ویژه RRNN، به عنوان یک راه امیدوارکننده برای پیشبرد استراتژی های بازسازی محصول و کمک به کارایی مداخلات بیوتکنولوژیکی در کشاورزی است.
کلید واژگان: اصلاح، بازسازی آزمایشگاهی، RNN، یادگیری ماشینی، الگوریتم ژنتیک، لوبیا معمولیIn the realm of biotechnological enhancement of common beans, an imperative challenge lies in devising a reliable and effective in vitro regeneration strategy, given the inherent difficulty of regenerating this crop in laboratory settings. This research, aiming to address this challenge, leverages the power of Machine Learning (ML) models, specifically employing algorithms for Artificial Neural Networks (ANN). The primary objective is to establish an efficient and repeatable in vitro regeneration process while simultaneously optimizing and predicting future outcomes. The study incorporates various variables such as bean genotype, explants, and different doses of 6-benzylaminopurine (BAP) and CuSO4. A Recurrent Regression Neural Network (RRNN) is employed to model and anticipate the results of in vitro crop regeneration, specifically focusing on common beans. The experimental setup involves preconditioning common bean embryos with 10, 15, and 20 mg/L BAP for 25 days, followed by growth in a post-treatment environment comprising 0.3, 0.6, 0.9, and 1.2 mg/L BAP for 7 weeks. Subsequently, the plumular apice is isolated for in vitro regeneration. Notably, the RRNN model is also integrated with a Genetic Algorithm (GA) to optimize the regeneration process further. The results are compelling, with RRNN exhibiting the lowest Mean Squared Error (MSE) of 0.061, signifying superior predictive accuracy in total regeneration. In comparison, Support Vector Regression (SVR), Random Forest (RF), and Extreme Gradient Boosting (XGB) models exhibit higher MSE values of 0.081, 0.081, and 0.097, respectively. These findings underscore the efficacy of the RRNN algorithm, outperforming other models across all parameters. The superior performance of RRNN suggests its potential application in making precise predictions regarding common bean regeneration. In the context of a common bean breeding program, these outcomes can be harnessed to optimize and predict plant tissue culture methods, thereby enhancing biotechnological techniques employed in the cultivation of common beans. The integration of ML models, particularly RRNN, stands as a promising avenue for advancing crop regeneration strategies and contributing to the efficiency of biotechnological interventions in agriculture.
Keywords: Breeding, RNN, Machine Learning, Genetic Algorithm, Common bean -
هدف از این مطالعه اثرات تشکیل بازارهای آب بر ارتقای بهره وری آب در حوضه آبریز تجن می باشد. در این پژوهش از یک سیستم مدل سازی، مدل برنامه ریزی ریاضی و تابع هدف حداکثرسازی سود در محیط زبان برنامه نویسی متلب استفاده شد. پس از شبیه سازی تشکیل بازار آب، تاثیر آن بر شاخص های بهره وری فیزیکی و اقتصادی آب در دو گروه شامل مزارع بدون محدودیت آب (گروه A) و مزارع با محدودیت آب (گروه B) موردارزیابی قرار گرفت. براساس نتایج، تشکیل بازار آب منجر به افزایش 13 درصد سود در گروه (A) و 30 درصد سود در گروه (B) می شود. با توجه به نتایج، تشکیل بازار آب میزان مصرف آب در مزارع نماینده (A) و (B) را به ترتیب کاهش و افزایش می دهد. نتایج ارزیابی شاخص های بهره وری آب حاکی از آن است که در گروه (A) در دسترس بودن آب و در نتیجه افزایش سطح زیر کشت و در گروه (B) جبران کمبود آب و افزایش سطح زیر کشت منجر به افزایش بهره وری فیزیکی شده است. در مزارع گروه (A) فروش آب و در مزارع گروه (B) تخصیص آب به محصولات با ارزش اقتصادی بالاتر افزایش بهره وری اقتصادی آب را در پی داشته است. به طورکلی، می توان بیان نمود که تشکیل بازار آب موجب افزایش بهره وری می گردد، اما تنهایی منجر به دستدست یابی به کشاورزی پایدار و کاهش مصرف آب در سطح حوضه آبریز نمی شود. بنابراین اجرای سیاست های دیگر نظیر کنترل برداشت از منابع آب سطحی و زیرزمینی، تحویل حجمی آب براساس الگوی کشت بهینه و تخصیص آب به محصولات با ارزش اقتصادی بالاتر همراه با رویکرد بازار آب می تواند علاوه بر کاهش مصرف آب، بهره وری آب را نیز ارتقا دهد.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، بحران آب، کشاورزی، مدیریت منابع آبThe purpose of this study is the effects of the formation of water markets on the improvement of water productivity in the Tajen catchment basin. In this research, a mathematical programming model modeling system and profit maximization objective function were used in MATLAB environment. After simulating the formation of the water market, its impact on physical and economic water productivity indicators was evaluated in two groups including: farms without water restrictions group (A) and farms with water restrictions group (B). Based on the results, forming a water market leads to a 13 percent increase in profit in group (A) and 30 percent in group (B). According to the results, the formation of the water market reduces and increases the amount of water consumption in representative farms (A) and (B), respectively. The results of the evaluation of water productivity indicators indicate that in group (A), the availability of water and consequently the increase of the cultivated area, and in group (B), the compensation of the lack of water and the increase of the cultivated area have led to an increase in physical productivity. In the farms of group (A), the sale of water and in the farms of group (B), the allocation of water to products with higher economic value has led to an increase in the economic productivity of water. In general, it can be said that forming a water market leads to an increase in productivity, but alone it does not lead to achieving sustainable agriculture and reducing water consumption at the watershed level. Therefore, the implementation of other policies such as the control of extraction from surface and underground water resources, volume delivery of water based on the pattern of optimal cultivation and allocation of water to products with higher economic value along with the water market approach can improve water productivity in addition to reducing water consumption.
Keywords: Agriculture, Genetic Algorithm, Water Crisis, Water Resource Management -
تعیین رویشگاه بالقوه گونه های گیاهی، شناخت نیازهای اکولوژیک گونه ها و نیز خصوصیات اقلیمی و ادافیکی برای اعمال مدیریت منطبق با شرایط اکولوژیک منطقه مورد مطالعه، ضروری است. در این تحقیق به منظور مدل سازی پراکنش گونه های گون با استفاده از روش های مختلف آماری در بخشی از مراتع حوزه آبخیز سوارآباداراک (3075 هکتار)ابتدادر منطقه مورد مطالعه با انجام پیمایش های صحرایی و استفاده از نقشه های توپو گرافی ، شیب ، جهت ، طبقات ارتفاعی ، تیپ های رویشی جنس گون مشخص گردید. در تیپ های مشخص شده تعدادی سایت نمونه برداری به ابعاد 2تا10 مترمربع به عنوان منطقه کلیدی در هر تیپ انتخاب گردید . اطلاعات مربوط به حضور و عدم حضور جنس گون به عنوان متغیر وابسته و سایر اطلاعات محیطی به عنوان متغیرهای مستقل اندازه گیری شد. در هر واحد نسبتا همگن (دوواحد507 و2568 هکتاری) سه ترانسکت 750 متری، دو ترانسکت در طول مهمترین گرادیانهای محیطی (ارتفاع، جهت و شیب) و یک ترانسکت عمود بر آن دو ترانسکت مستقر شد. در طول هر ترانسکت 15 پلات، به فاصله 50 متر قرار داده شد، بدین ترتیب در هر واحد همگن 47 عدد پلات مستقر گردید (مجموعا 2 واحد ،94پلات). اندازه پلات های نمونه برداری با توجه به نوع و پراکنش گونه های گیاهی و براساس سطح متوسط تاج پوشش گونه های غالب منطقه (یک متر مربع) تعیین گردید. در هر پلات نوع و تعداد گونه های گیاهی و درصد پوشش تاجی آنها ثبت شد. برای نمونه برداری از خاک، در ابتدا و انتهای هر ترانسکت پروفیل خاک حفر گردیدو نمونه برداری از خاک مطابق با استاندارهای موجود انجام شد(عمق 0-20 سانتی متری) و در آزمایشگاه متغیرهای خاک شامل سنگریزه، رس، شن، سیلت، آهک، ماده آلی، اسیدیته و هدایت الکتریکی اندازه گیری گردید. همچنین در هر واحد نمونه برداری ویژگی های فیزیونومیک شامل طول و عرض جغرافیایی، شیب، جهت و ارتفاع از سطح دریا نیز برداشت شد. در این مطالعه متغیرهای وابسته، داده های حضور و عدم حضور گونه های گیاهی گون بوده که با کد صفر و یک مشخص شده و متغیرهای مستقل شامل خصوصیات خاک و توپوگرافی می باشد. با استفاده از آنالیز های آماری بهترین مدل پراکنش مشخص گردید. نتایج نشان داد مدل مکسنت نسبت به مدل های رگسیون لجستیک والگوریتم ژنتیک زمانیکه تعداد نقاط حضور اندک باشد، کارایی بهتری دارد . همچنین یافته های حاصل از تحقیق نشان دهنده تاثیر بیشتر ارتفاع ، اسیدیته و شوری در پراکنش جنس گون در منطقه مورد مطالعه است.
کلید واژگان: گون، الگوریتم ژنتیک، رگرسیون لجستیک، مکسنت، حوزه آبخیز سوار آباد، استان مرکزیIn order to determine the potential habitat of plant species, it is essential to know the ecological needs of the species as well as climatic and edaphic characteristics to apply management in accordance with the ecological conditions of the studied area. In this research, in order to develop model for the distribution of Astragalus Sp., using different statistical methods in part of the pastures of the Savar-Abad Basin, at first by producing using topographic, slop, aspect maps, types of vegetation in study area were determined. In the specified types, a number of sampling sites with dimensions of 2 to 10 square meters were selected. Information related to the presence and absence of Astragalus sp as dependent variable and other environmental information as independent variables was measured. In each homogenous unit, three transects of 750 meters, two transects along the most gradients (height, direction and slope), And another transect established perpendicular to those two transects. Along each transect, 15 plots were placed at a distance of 50 meters, thus 47 plots were established in each homogeneous unit. (Total 2 units, 94 plots). The size of sampling plots was determined according to the type and distribution of plant species using the Minimum Surface Method. In each plot, the type and number of plant species and their coverage percentage were recorded. For soil sampling, At the beginning and end of each transect, the soil profile was dug and soil sampling was done according to existing standards, and soil variables including gravel, clay, sand, silt, lime, organic matter, acidity and electrical conductivity were measured in the laboratory. Also, in each sampling unit, latitude, longitude, slope, direction and height from the sea level were also determined. In this study, the dependent variables are the data of the presence and absence of vegetation types, and the independent variables include soil and topography characteristics. The best distribution model was determined using statistical analysis. The results showed that the MaxEnt model has a better performance than the logistic regression and genetic algorithm models. However, the findings of the research show that altitude, acidity and salinity have a greater effect on the distribution of different species in the study area.
Keywords: Astragalus Sp, Genetic Algorithm, Logistic Regression, Maxent, Savar-Abad Basin, Markaziprovince -
در این تحقیق مدل بهینه سازی الگوریتم ژنتیک و چندجهانی برای بهینه سازی پارامترهای اصلی طراحی سیستم زهکشی زیرزمینی اراضی کشاورزی منطقه ای در اطراف شهرستان گرگان مورد استفاده قرار گرفت. مساحت محدوده احداث سیستم زهکشی در حدود 200 هکتار بوده است. ایدر این تحقیق، با استفاده از الگوریتم ژنتیک و چندجهانی، پارامترهای طراحی به گونه ای انتخاب شدند که منجر به کمترین هزینه اجرایی سیستم زهکشی زیرزمینی شوند. در این راستا با تلفیق معادله ماندگار هوخهات و الگوریتم های بهینه سازی، پارامترهای طراحی انتخاب گردیده اند. نتایج نشان دادند که با در نظر گرفتن مقادیر اولیه 5/1، 25/2 و 5/2 به ترتیب برای پارامترهای H، D و q بهترین پارامترهای طراحی با استفاده از الگوریتم ژنتیک با توجه به معیارهای اجرایی زهکشها شامل قطر، فاصله زهکش ها و عمق بهینه و همجنین هزینه ها برای یک قطعه 8 هکتاری شامل 100 میلی متر، 54 متر ، 11/2 متر و 604/70 میلیون تومان بدست آمده است. در الگوریتم جندجهانی نیز این مقادیر به ترتیب 100 میلی متر، 3/61 متر، 25/2 متر و 709/63 میلیون تومان بدست آمده است. همجنین مقادیر هزینه طرح با افزایش عمق مجاز نصب زهکش کاهش می یابد که کمترین و بیشترین هزینه های بدست آمده در الگوریتم ژنتیک برای حداکثر عمق مجاز نصب 75/1 و 5/3 متر به ترتیب برابر با 226/110 و 814/51 میلیون تومان و در الگوریتم چندجهانی به ترتیب برابر با 223/110 و 782/51 میلیون تومان بدست آمد.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی، سیستم زهکشی، هزینه اجراIntroductionThe aim of this research is to optimize the design parameters of underground drainage systems with an economic approach. The study of the relationship between the depth and distance of drain installation has been the subject of many researchers, each of whom has tried to reduce the costs of drain implementation. In this research, genetic and multi-world algorithm optimization model was used to optimize the main design parameters of the underground drainage system of regional agricultural lands around Gorgan city. The area of the construction area of the drainage system was around 200 hectares. In this research, by using genetic and multi-world algorithm, the design parameters were selected in such a way that they lead to the lowest implementation cost of the underground drainage system. In this regard, the design parameters have been selected by combining Hohhot's permanent equation and optimization algorithms.
MethodologyThe area under study is Aliabad district, one of the functions of Gorgan city. The lands of Ali Abad region are also located in the upper part of the plains. These lands are located in eastern longitude and northern latitude. The study area covers about 200 hectares.
Genetic Algorithm:Genetic algorithm is an optimization method inspired by living nature, which can be referred to as a numerical method, direct and random search in classifications. This algorithm is based on repetition and its basic principles are adapted from genetic science.
Multi verse Algorithm:The big bang theory considers the occurrence of a big explosion as the beginning of the origin of our universe. According to this theory, the big bang is the origin of everything in this universe and nothing existed before it. A population-based algorithm performs the search process in two stages: exploration and exploitation. In this algorithm, the concepts of white hole and black hole are used to explore the search space. In contrast, wormholes help exploit search spaces.Results and discussionGenetic Algorithm:By applying the genetic algorithm optimization model to the data of the studied lands, the optimal parameters were calculated. Table (4) shows the design parameters obtained from the genetic algorithm optimization model in different drainage coefficients for the allowed depth of drain installation. Considering the entire search area (permissible depth of drainage installation from 1.5 to 3.5 meters from the ground surface), the results obtained from the land input data of the studied area showed that taking into account the drainage coefficient of 2.5 mm per day, the minimum cost the equivalent of 51.3 million Tomans has happened in 8 hectares at a depth of 2.62 meters from the ground surface with an installation distance of 79.9 meters and a diameter of 125 mm.
Multiverse algorithm
The optimal parameters were calculated by applying the multi-world algorithm optimization model. Table (7) shows the design parameters obtained from the optimization model in different drainage coefficients for the allowed depth of drain installation. Considering the entire search area (permissible depth of drain installation from 1.5 to 3.5 meters from the ground surface), the results obtained from the input data of Aliabad lands showed that taking into account the drainage coefficient (discharge intensity) 2.5 mm per the minimum cost equivalent to 51.5 million Tomans has happened in an 8-hectare unit at a depth of 2.61 meters from the ground with an installation distance of 79.5 meters and a diameter of 125 mm.
Comparing the results of genetic and multiverse algorithms
Comparing the performance of genetic and multi-world algorithms shows the high efficiency of both algorithms in solving the problem of optimizing the diameter of drainage pipes and their installation depth. Both algorithms have almost the same performance in solving this optimization problem; So that both algorithms in the distance of the impervious layer to the depth of the drain installation (D) is equal to 2.25 meters, the stabilization depth of the water table (in the middle of the two drains) from the ground level (H) is equal to 1.5 meters and intensity Drainage or drainage from the surface unit (q) is equal to 4 mm per day, and they have calculated the optimal depth of drainage installation to be 13.3 metersConclusionThe design of drainage systems consists of choosing three parameters: depth, diameter and distance of drains. Various approaches can be used to choose the best combination of three parameters. One of the approaches can be to reduce the costs of implementing the drainage system. In this research, using the genetic algorithm, these parameters were selected in such a way that they lead to the lowest implementation cost of the drainage system. In this regard, the design parameters have been selected by combining Hohhot's permanent equation and genetic algorithm.
Keywords: Genetic algorithm, optimization, Drainage system, implementation cost -
مقدمه و هدف
با توجه به کاربرد پاسخ آب شناختی آبخیز، روش های مختلفی برای تعیین این پاسخ انجام شده است و نتایج آن با توجه به داده های استفاده شده تنوع دقت و صحت زیادی داشته است. با بررسی و جمع بندی نتایج پژوهش های انجام شده در بحث مدل سازی بارش-رواناب و به ویژه روش زمان-مساحت، مشخص شد که در اغلب این پژوهش ها، از مفهوم زمان تمرکز آبخیز بهره گرفته شده است که در اکثر رابطه های تعیین اندازه ی آن، از خصوصیات فیزیکی آبخیز استفاده شده است و وابستگی زمان تمرکز به شرایط بارش بررسی نشده است. از این رو، این پژوهش با هدف ارزیابی این روش ها با بهره گیری از روش موج جنبشی در بستر GIS، روش HEC-1 و روش بهینه سازی با استفاده از دستورالعمل ژنتیک، در یک آبخیز آزمایشگاهی وی-شکل انجام شد.
مواد و روش هادر این پژوهش به منظور مدل سازی بارش-رواناب از داده های مشاهده ای موجود در آبخیز آزمایشگاهی وی-شکل آزمایشگاه دانشگاه ایلینویز استفاده شد. آبخیز مطالعه شده، با سطح نفوذناپذیر از جنس آلومینیوم و دو صفحه ی جانبی همسان با شیب یک طرفه به سمت کانال با اندازه ی ثابت 1% بود. افزون بر این، یک کانال میانی هم با شیب یک طرفه به سمت خروجی آبخیز با اندازه ی ثابت 1% داشت. اندازه ی زبری مانینگ در این آبخیز، بر پایه ی سعی و خطا 0/014 تعیین شد.
نتایج و بحثپس از تهیه نمودار زمان-مساحت آبخیز با استفاده از هریک از روش های مزبور، آب نگار خروجی آبخیز متناظر با این روش ها تعیین شد. سپس نتایج به دست آمده با داده های مشاهده ای مقایسه شد و اجزای مختلف آب نگار های محاسبه ای نیز بررسی شد. نتایج نشان داد که عملکرد دستورالعمل ژنتیک در تعیین زمان اوج آب نگار با 15% خطای نسبی، از عملکرد مدل های موج جنبشی و HEC-1 بهتر بود. همچنین مدل دستورالعمل ژنتیک با میانگین شاخص نش-ساتکلیف 0/968 و میانگین شاخص همبستگی 0/983 بیشترین تطابق را با آب نگار های مشاهده ای داشت. همچنین با برازش منحنی با نتایج مدل سازی، معادله ی تعیین زمان تعادل آبخیز نسبت به شدت بارش به دست آمد که ضریب تعیین آن 0/999 بود. این معادله بیان گر رابطه ی عکس زمان تعادل با شدت بارش (با توان 0/33) است یعنی با دو برابر شدن شدت بارش، زمان تعادل 20% کاهش می یابد. درنهایت ضریب معادله ی تعیین زمان تعادل برای این آبخیز 495/2 به دست آمد که به ازای هر شدت بارش، زمان تعادل متناظر آن با دقت زیاد قابل محاسبه است.
نتیجه گیری و پیشنهادهادر این پژوهش در شرایط آبخیز آزمایشگاهی مدل سازی بارش-رواناب با سه دسته رخداد و سه دسته مدت بارش گوناگون که هر دسته رخداد با چهار اندازه ی مختلف شدت بارش بود انجام شد. نمودارهای آب نگار متناظر با هر رخداد به دست آمد. با بررسی نمودارهای محاسبه ای و مقایسه با نمودارهای مشاهده ای، مشخص شد عملکرد سه مدل در تعیین حداکثر آب دهی، خطای نسبی یک تا دو درصد بود ولی در تعیین زمان رسیدن به اوج آب نگار، مدل های موج جنبشی و HEC-1، با خطای نسبی 44% ، عملکرد متوسط داشت. درنهایت با بهره گیری از دو شاخص همبستگی و نش-ساتکلیف، مشخص شد که در روش دستورالعمل ژنتیک، آب نگار محاسبه ای به اندازه های مشاهده ای نزدیک تر بودند و تطابق بیشتری با داده های مشاهده ای داشتند. شایان ذکر است در این آبخیز آزمایشگاهی وابستگی زمان تعادل به شدت بارش در شرایط نفوذناپذیری تایید شد. پیشنهاد می شود در صورت اعمال شرایط نفوذ عمقی و یا تغییر در اندازه ی زبری سطح و تعیین اندازه ی وابستگی تعیین و بررسی شود.
کلید واژگان: آبخیز وی-شکل، بهینه سازی، پاسخ آب شناختی، دستورالعمل ژنتیک، مدل HEC-1، موج جنبشیIntroduction and ObjectiveGiven the application of hydrological response in a watershed, various methods have been used to determine this response and the results have shown a high degree of accuracy and accuracy variability depending on the data used. By reviewing and summarizing the results of research carried out in the modeling of rainfall-runoff, particularly the time-area method, it was found that in most of these studies, the concept of watershed time concentration was used, which in most of the formulas used, the physical properties of the watershed were used and the dependence of time concentration on rainfall conditions was not studied. Therefore, this study was conducted to evaluate these methods using the kinematic wave method in the GIS environment, the HEC-1 method, and optimization methods using genetic algorithms in a V-shaped experimental watershed.
Materials and MethodsObservational data available in the V-shaped experimental watershed of the University of Illinois was used for rainfall-runoff modeling. The studied watershed had an impermeable aluminum surface and two uniform side sheets with a one-sided slope towards the channel with a constant value of 1%. In addition, a central channel with a one-sided slope towards the outlet of the watershed with a constant value of 1% was present. The roughness coefficient in this watershed was determined based on trial and error at 0.014.
Results and DiscussionAfter preparing the time-area histogram of the watershed using each of the mentioned methods, the corresponding outflow hydrographs of the watershed were determined. Then, the results were compared with observational data, and various components of the computational hydrographs were also examined. The results showed that the performance of the genetic algorithm in determining the peak time of the hydrograph with a 15% relative error was better than the performance of the kinematic wave and HEC-1 models. Additionally, the genetic algorithm model had the highest correlation coefficient with observational hydrographs with an average Nash-Sutcliffe Index of 0.968 and an average correlation coefficient of 0.983. Furthermore, by fitting the curve to the modeling results, an equation was obtained to determine the equilibrium time of the watershed relative to rainfall intensity, with a determination coefficient of 0.999. This equation expresses the inverse relationship between equilibrium time and rainfall intensity (with a power of 0.33), i.e., doubling the rainfall intensity reduces the equilibrium time by 20%. Finally, the coefficient of the equation determining the equilibrium time for this watershed was found to be 495.2, and for each rainfall intensity, its corresponding equilibrium time can be calculated with high accuracy.
Conclusion and SuggestionsIn this study, under experimental watershed conditions, rainfall-runoff modeling was performed with three categories of events and three categories of different rainfall durations, each event category having four different rainfall intensity sizes. Corresponding hydrographs were obtained for each event by examining the computational hydrographs and comparing them with observational hydrographs, and it was found that the three models had one to two percent relative error in determining the maximum runoff, but in determining the time to reach the hydrograph peak, the kinematic wave and HEC-1 models had an average error of 44%. Finally, using the correlation and Nash-Sutcliffe coefficients, it was determined that the computational hydrographs produced by the genetic algorithm method were closer to the observational hydrographs and had a higher degree of correlation. It is worth mentioning that in this experimental watershed, the dependence of equilibrium time on rainfall intensity in impermeable conditions was confirmed. It is recommended that the effect of infiltration or changes in surface roughness and the determination of the dependence size be investigated.
Keywords: Genetic algorithm, HEC-1 model, Hydrological response, kinematic wave, optimization, V-shaped watershed -
تخمین دقیق تبخیر و تعرق مرجع (ET0) برای مدیریت کارآمد آب کشاورزی، مدل سازی محصول و برنامه ریزی آبیاری بسیار مهم است. این مطالعه با هدف تعیین ET0 در زمین های زراعی تبریز برای سال های 1381-1400، با استفاده از داده های دمای سطح زمین (LST) و شاخص سطح برگ (LAI) از سنجده MODIS و داده های ایستگاه هواشناسی تبریز شامل دمای هوای حداکثر و حداقل (Tmax,Tmin)، دمای میانگین (T)، سرعت باد در ارتفاع دو متری (U2)، رطوبت نسبی میانگین (RH)، رطوبت نسبی حداکثر و حداقل (RHmax, RHmin) و ساعات آفتابی (n) انجام گرفته است. روش استاندارد فایو-پنمن-مونتیث برای محاسبه تبخیر و تعرق مرجع روزانه به عنوان روش مبنا مورد نظر قرار گرفته شد. مجموعه پارامترهای ورودی مدل، براساس همبستگی متقابل پارامترها با تبخیر و تعرق مرجع بدست آمده از معادله فایو-پنمن-مونتیث تقسیم بندی شدند. دو مدل داده محور شامل مدل جنگل تصادفی (RF) و مدل جنگل تصادفی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک (GA-RF) برای تخمین مقادیر ET0 در نظر گرفته شد و نتایج آنها با ET0 محاسبه شده توسط معادله فایو-پنمن-مونتیث مقایسه گردید. نتایج نشان داد که مدل GA-RF-10 (976/0=R2 ، 200/0=RMSE ، 373/11=MAPE و 027/0=MBE) که شامل همه پارامترهای ورودی است، بهترین عملکرد را در بین سایر مدل ها داشته است. براساس نتایج، دمای هوای میانگین بیشترین (903/0=R2) و سرعت باد (282/0=R2) کمترین همبستگی را با ET0 دارند. همچنین، در همه حالت های مورد بررسی، مدل GA-RF نسبت به مدل RF عملکرد بهتری داشت. بنابراین، مدل GA-RF برای تعیین دقیق و مناسب ET0 در شرایط اقلیمی مشابه و کمبود پارامترهای هواشناسی توصیه می گردد.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، تبخیر و تعرق مرجع، سنجده مادیس، شاخص سطح برگ، فائو-پنمن-مانتیثBackground and ObjectivesWater resources management, especially irrigation practices, is heavily reliant on reference evapotranspiration (ET0). ET0 is the rate of evaporation and transpiration from a standard reference surface with a presumed surface resistance of 70 s.m-1, the height of 0.12 m and an albedo of 0.23. Penman-Monteith FAO-56 (P-M FAO-56) approach is the most commonly used method for calculating ET0. In spite of the fact that FAO-PM is achievable, its implementation remains inconvenient because it requires a large amount of meteorological data, which is derived from standard meteorological observation stations. In the absence of complete climate data, it is highly desirable to have a model with fewer input climatic dates. Therefore, remote sensing methods have been used and improved over time to estimate ET0 at various spatial scales. Alternatively, it has been observed that the research community has become increasingly interested in obtaining data from metaheuristic algorithms that are based on artificial intelligence (AI).
MethodologyIn this research, it has been attempted to estimate the amount of daily reference evapotranspiration (ET0) using two data-driven models, using a combination of inputs from meteorological station data and satellite imagery data from MODIS sensor, by considering different inputs from these sources. The models include the random forest (RF) and hybridized RF with genetic algorithm optimization (GA-RF). Moreover, the correlation of input variables with ET0 is evaluated and the possibility of training a simple and accurate machine learning model in the conditions of lack or absence of meteorological data using satellite image data is investigated. So, this study aimed to determine ET0 in the time period of 2003-2021 using land surface temperature (LST) data and leaf area index (LAI) acquired from MODIS sensor and Tabriz meteorological station data including maximum and minimum air temperatures (Tmax, Tmin), average temperatures (T), wind speeds (U2), average relative humidity (RH), maximum and minimum relative humidity (RHmax, RHmin), and sunny hours (n). For the study area, daily LST were extracted from the Terra (MOD11A1) and Aqua (MYD11A1) satellites. Moreover, the LST of Terra and Aqua satellites were combined, since the LST values had missing data due to the presence of clouds. Furthermore, MODIS MCD15A3H version 6.1 using four-day data from Terra and Aqua satellites was used to determine the leaf area index (LAI). The standard P-M FAO-56 method for calculating daily reference evapotranspiration was considered as the base method. The set of input parameters was considered based on the cross-correlation of the parameters with reference evapotranspiration obtained from the FAO-Penman-Monteith equation.
FindingsThe results of two data-driven models including standalone random forest (RF) and hybridized RF model with genetic algorithm (GA) to estimate ET0 values were compared with calculated ET0 by P-M FAO-56 equation. The results indicated that all of the studied input variables are highly correlated with the target variable. Based on the P-M FAO-56 method, the average air temperature with the highest value (R2=0.903) and the wind speed with the lowest value (R2=0.282) has a high and low correlation with reference evapotranspiration. Also, by comparing LAI and LST MODIS parameters, LST has the highest correlation coefficient with ET0 with R2=0.865. A total of twelve scenarios for estimating ET0 are evaluated, each with a different set of input parameters. Based on the correlation between the parameters and ET0, the first ten scenarios are categorized. Additionally, the eleventh scenario is based only on satellite images, and the twelfth scenario is based solely on weather station data. Based on the results, the GA-RF-10 (R2=0.976, RMSE=0.200, MAPE=11.373, and MBE=0.028), which includes all input parameters, outperforms the other models. There was a greater degree of accuracy with the RF-10 (R2=0.949, RMSE=0.293, MAPE=16.442, and MBE=0.017) when compared with the other random forest models. Based on the comparison of scenario 11 (satellite image data) and scenario 12 (meteorological station data), it appears that scenario 12 is more accurate for both RF (R2=0.922, RMSE=0.357, MAPE=20.712, and MBE=0.009) and GA-RF (R2=0.944, RMSE=0.306, MAPE=17.037, and MBE=0.013) models. Despite the fact that only satellite image parameters did not provide accurate estimation of ET0 compared to independent meteorological parameters, the inclusion of these parameters in the ET0 estimation resulted in more acceptable results, demonstrating the importance of satellite image parameters. Thus, satellite data may be useful and recommended for estimating ET0, particularly in areas without meteorological stations.
Keywords: FAO-Penman-Monteith, genetic algorithm, Land surface temperature, MODIS sensor, Reference evapotranspiration
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.