meta-heuristic algorithms
در نشریات گروه مکانیزاسیون کشاورزی-
متغیرهای مختلفی بر عملکرد مزارع نیشکر تاثیر گذارند. با بررسی این متغیرها و تعیین میزان اثر هر یک از آنها می توان به راهکارهایی به منظور افزایش بهره وری مزارع نیشکر دست یافت. امروزه استفاده از یافته های هوش مصنوعی و داده کاوی برای کمک به پیش بینی تولید محصول مورد توجه قرار گرفته است. هدف از این مقاله، معرفی روش هوشمند سیستم استنتاج فازی- عصبی تطبیقی و ترکیب این تکنیک با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات به منظور افزایش دقت و سرعت یادگیری سیستم فازی- عصبی در تخمین خصوصیات کمی و کیفی محصول نیشکر است. متغیرهای مدل شامل مجموعه ای از عوامل مدیریتی، خصوصیات خاک، آب و اقلیمی در منطقه مورد مطالعه است. در ابتدا، برای انتخاب ویژگی های بهینه از میان متغیرهای موجود در مساله از الگوریتم ژنتیک استفاده شد سپس از یک الگوی اصلی سیستم استنتاج فازی- عصبی تطبیقی و یک الگوی ترکیبی شبکه فازی- عصبی با الگوریتم ازدحام ذرات برای پیش بینی خصوصیات مورد مطالعه استفاده گردید. نتایج نشان داد که الگوی ترکیبی شبکه فازی- عصبی و الگوریتم ازدحام ذرات نسبت به الگوی اصلی سیستم فازی- عصبی صرف، به راه حل دقیق تر و قوی تر منجر شده است؛ این مدل به ترتیب با مقادیر اعشاری ضریب تعیین، ریشه میانگین مربعات خطا و میانگین درصد خطای مطلق 9237/0، 0181/0 و 0217/0 برای عملکرد نیشکر و نیز 9847/0، 0086/0 و 0138/0 برای درصد شکر استحصالی، توانایی مناسبی در پیش بینی و نگاشت غیرخطی میان متغیرهای مورد نظر داشته است.
کلید واژگان: نیشکر، پیش بینی، هوش مصنوعی، الگوریتم های فراابتکاریIntroduction :
Sugarcane is a tropical, perennial grass that forms lateral shoots at the base to produce multiple stems. It is the main source of sugar production and one of the most important sources of energy production in the world. Today, the use of artificial intelligence and data mining findings to help predict product production is considered. Determining the relationship between inputs and outputs of production process using artificial intelligence (AI) has drawn more attention rather than mathematical models to find the relationships between input and output variables by training, and producing results without any prior assumptions. The adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), as a form of AI, is a combination of artificial neural network (ANN) and fuzzy systems that uses the learning capability of the ANN to derive the fuzzy if-then rules with appropriate membership functions worked out from the training pairs, which in turn leads to the inference.Particle swarm optimization (PSO) is an algorithm modeled on swarm intelligence, in a search space, or model it finds a solution to an optimization problem and predict social behavior in the presence of objectives. The PSO is a population-based stochastic computer algorithm, modeled on swarm intelligence. Swarm intelligence is based on social psychological principles and it provides insights into social behavior, also helps to many engineering applications. Feature selection is becoming very important in predictive analytics. Indeed, many data sets contain a large number of features, so we have to select the most useful ones. One of the most advanced methods to do that is the genetic algorithm (GA). Genetic algorithms can select the best subset of variables for predictive model. The purpose of this research is to evaluate the applicability of one artificial intelligence technique including adaptive neuro-fuzzy inference system and also combining this technique with particle swarm optimization to increase the accuracy and speed of training of the neuro-fuzzy system in prediction of yield and recoverable sugar percentage (R.S%) of sugarcane.
Materials and Methods:
In this paper, one main pattern of adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) and one synthetic model of adaptive neuro-fuzzy inference system with particle swarm optimization (PSO) were used to predict the studied properties by MATLAB version 2017. Initial data for this study were collected from Debal-Khozaie Agro-industry Company in Khouzestan province, Iran. The actual data for the seven periods of sugarcane harvest from 2010 to 2017 were used for modeling. The studied parameters included a set of agronomic factors, soil characteristics, irrigation and climate in the study area. The test data sets were used for comparison of selected ANFIS and ANFIS with PSO, as well as for the observation values. This comparison was performed by using three statistical indices: Determination Coefficient (R2), Root Mean Square Error (RMSE) and Mean Absolute Percentage Error (MAPE).
Results and Discussion:
From all of the studied parameters, eleven parameters were selected as the effective features by the binary genetic algorithm (BGA). In feature selection, the function to optimize is the generalization performance of a predictive model. More specifically, in this method, purpose was to minimize the error of the model on an independent data set not used to create the model. The data were randomly divided into two groups: training and testing. Each pattern was modeled separately and then the results were compared. The results showed that the combination of adaptive neuro-fuzzy inference system with particle swarm optimization algorithm (ANFIS-PSO) had better performance in predicting cane yield and recoverable sugar percentage. In ANFIS-PSO model the root mean square error, mean absolute percentage error and coefficient of determination values were found 0.0181, 0.0217, 0.9237 and 0.0086, 0.0138, 0.9847 respectively for two variables of cane yield and recoverable sugar percentage. In relation to the predicted cane yield by the neuro-fuzzy network with particle swarm algorithm, it can be concluded that among the effective factors, with increasing plant age and use of resistant varieties, the amount of yield was decreased and increased, respectively.
Conclusion:
The hybrid pattern of adaptive neuro-fuzzy inference system with the particle swarm optimization has been directed against the mere neuro-fuzzy system to a more accurate and stronger solution. Indeed, it can be concluded that ANFIS model with the PSO has the ability for precise estimation of sugarcane yield and recoverable sugar percentage.
Keywords: Sugarcane, Prediction, Artificial neural network, Meta-heuristic Algorithms -
در این پژوهش برای پیش بینی عملکرد نیشکر از شبکه عصبی مصنوعی مبتنی بر الگوریتم های فرااکتشافی به عنوان یک روش کارآمد که تخمین عملکرد محصول را بر اساس داده های واقعی به دست می آورد، استفاده شده است. به منظور پیش بینی عملکرد نیشکر از پارامترهای موثری نظیر مشخصات گیاه، هدایت الکتریکی آب و خاک، حداکثر درجه حرارت و میانگین ساعات آفتابی در طول دوره رشد محصول و در مقیاس زمانی هفت ساله استفاده گردید. بر همین اساس از چهار الگوی آموزشی در ساخت شبکه های عصبی استفاده شد که به ترتیب شامل شبکه عصبی مصنوعی مبتنی بر الگوریتم پس انتشار خطا، ترکیب شبکه عصبی با الگوریتم ژنتیک، ترکیب شبکه عصبی با الگوریتم ازدحام ذرات و در آخر رویکرد نوین ترکیب شبکه عصبی با الگوریتم مرکب ژنتیک- ازدحام ذرات بوده اند. نتایج بدست آمده از پژوهش، حاکی از آن است که استفاده از الگوریتم های فرااکتشافی سبب بهبود عملکرد شبکه عصبی شده و قدرت پیش بینی را به طور محسوسی افزایش داده است. مقادیر میانگین مربعات خطا و ضریب همبستگی برای روش ترکیبی شبکه عصبی، الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات به ترتیب 00057/0 و 91457/0 برای داده های آزمایش بدست آمد که برتری این روش را نسبت به سایر الگوها نشان می دهد. علاوه بر این، اعتبارسنجی متقاطع مدل پیشنهادی به روش k نزدیک ترین همسایه نشان داد که صحت داده های آموزشی و آزمایشی به منظور پیش بینی عملکرد نیشکر به ترتیب برابر با 5/98 و 5/95 درصد بوده است.
کلید واژگان: نیشکر، عملکرد، شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم های فرااکتشافی، اعتبارسنجی متقاطعIn this study, to predict sugarcane yield, an Artificial Neural Network based on meta-heuristic algorithms is used as an efficient method to estimate crop yield based on actual data. In order to predict sugarcane yield, effective parameters such as plant characteristics, electrical conductivity of soil and water, maximum temperature and average hours of sunshine during the growing season and on a time scale of seven years were used. Accordingly, four hybrid models were used to build neural networks which including of artificial neural network based on Back Propagation (BP) algorithm, combining neural network with Genetic Algorithm (GA), combining neural network with Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm and finally a new approach as combining neural network with GA-PSO. The results show that the neural network performance can be improved using meta-heuristic algorithms and can be increased significantly the prediction power. The Mean Square Error (MSE) and correlation coefficient (R) in the hybrid method of neural network with GA-PSO were obtained 0.00057 and 0.91457 respectively on the test data, which show the superiority of this method to other patterns. In addition, cross validation test of the proposed model by K-Nearest Neighbors showed the accuracy of training and test data to predict sugarcane yield has been equal to 98.5% and 95.5%, respectively.
Keywords: Sugarcane, yield, Artificial Neural Network, Meta-heuristic algorithms, cross validation -
علف هرز به دلیل رقابت با محصولات کشاورزی برایدستیابی به آب، مواد مغذی، نور خورشید و . . . باید از مزرعه حذف شود. روش های مختلفی برای مبارزه با علف های هرز وجود دارد مانند روش های مکانیکی، دستی و استفاده از علف کش ها که در میان کشاورزان، امروزه کاربرد علف کش ها رایج تر است اما این کار به دلیل استفاده یکسان در کل مزرعه، به آلودگی زیست محیطی انجامیده است. در این مطالعه، یک سیستم ماشین بینایی مبتنی بر پردازش ویدئو به منظور شناسایی علف هرز چاودار از گیاه سیب زمینی جهت پاشش بهینه علف کش پیشنهاد شده است. پس از فیلم برداری، پیش پردازش و قطعه بندی، 965 شیء شناسایی شد. از هر شیء، 14 خصوصیت استخراج شد. با استفاده از روش فراابتکاری هیبرید شبکه عصبی مصنوعی - الگوریتم ژنتیک از میان 14 خصوصیت استخراجی، 6 خصوصیت میانگین، ممان سوم، خودهمبستگی، همبستگی، عدم تشابه و آنتروپی به عنوان خصوصیات موثر انتخاب شدند. کل داده ها به دو دسته تقسیم شدند: داده های آموزش (70 درصد کل داده ها) و داده های تست و اعتبارسنجی (30 درصد کل داده ها). با استفاده از طبقه بند هیبرید شبکه عصبی - مصنوعی - الگوریتم مبتنی بر جغرافیای زیستی، طبقه بندی انجام گرفت. با دو روش تحلیل ماتریس اغتشاش و بررسی نمودار ROC، عملکرد سیستم طبقه بند ارزیابی شد. سه معیار حساسیت، دقت و ویژگی با استفاده از ماتریس اغتشاش محاسبه شد. نتایج تحقیق نشان می دهد که میزان حساسیت، دقت و ویژگی سیستم طبقه بند به ترتیب بالای 99، 99 و 98 درصد است. می توان نتیجه گرفت که امکان ساخت سیستم ماشین بینایی با هدف ذکر شده که به صورت برخط کار می کند وجود خواهد داشت.کلید واژگان: الگوریتم های فراابتکاری، طبقه بند، فیلم برداری، قطعه بندی، ماشین بیناییThe weeds must be removed from the field due to their competition with principal crops to use water, nutrients, sunlight, etc. There are different methods to remove the weeds: mechanically, manually or chemically (applying herbicides). For farmers, applying herbicides is a usual way, but brings some concerns, from the point of environmental issues, due to equal application of chemicals all over fields, regardless the presence or absence of weed. For this reason, a machine vision system based on video processing was proposed to recognize Secale cereale L. (as a weed) from potato plant (as principal crop) to make herbicide application more accurate. Nine hundred sixty five objects were recognized after taking videos, pre-processing and segmentation. Fourteen features were extracted from each object. Using the hybrid artificial neural network-genetic algorithm, of 14 extracting features, only 6 features were selected as effective ones: average, the third moment, autocorrelation, correlation, dissimilarity, and entropy. Data were classified into two groups: training data (70% of the total data) and testing data (30% of the total data). The classification was performed using hybrid of artificial neural network - Bio-geography Based Optimization (BBO) algorithm. Performance of classification system was evaluated through analysis of confusion matrix and Receiver Operating Characteristic (ROC). Sensitivity, specificity, and accuracy were calculated using confusion matrix. The results showed that the sensitivity, accuracy and specificity of classification system reached to an acceptable level: 99.49 %, 99.65% and 98.91%, respectively. Our conclusion is that it is possible to manufacture the machine vision system with mentioned aims that work as online.Keywords: Machine vision, Meta-heuristic algorithms, Precision farming, Video processing, Weeds
- 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.