whale optimization algorithm
در نشریات گروه آبخیزداری، بیابان، محیط زیست، مرتع-
مقدمه و هدف
شبیه سازی آبدهی رود در ایستگاه های آب سنجی به منظور آگاهی از آب دهی رود در دوره های زمانی آینده از مسائل مهمی است که معمولا به وسیله سری های زمانی آب شناختی مرتبط با همان ایستگاه انجام می شود. به منظور پیش بینی آب دهی رود با بیشترین دقت از سه گروه بزرگ شامل روش های تجربی و آماری، مفهومی و فرایند-محور استفاده می شود. از جمله روش های داده-محور، روش های مبتنی بر پایه هوش مصنوعی هستند. هدف این پژوهش، بررسی عملکرد مدل های یادگیری ماشین شامل: SVM وANFIS ، ANN و بررسی عملکرد مدل آموزش داده شده شبکه عصبی با دستورالعمل های بهینه سازی نهنگ (WOA) و دستورالعمل ازدحام ذرات (PSO) در پیش بینی آب دهی رود بود. افزون بر ارزیابی مدل های هوشمند، تاثیر استفاده از دستورالعمل های بهینه سازی بر دقت پیش بینی آب دهی رود بررسی شد. از آنجایی که برای استفاده از مدل های داده-محور، داده های ورودی تاثیر قابل توجهی بر عملکرد مدل ها دارند، ازاین رو سنجه های موثر بر آب دهی رود مشخص شد و بهترین ترکیب متغیرهای ورودی برای هر مدل تعیین شد.
مواد و روش هادر این پژوهش، به منظور پیش بینی آب دهی روزانه در ایستگاه آب سنجی پل دختر واقع بر رود کشکان، داده های آب دهی رود و بارش مربوط به سال های 1397-1350 تهیه شد. از مدل های هوشمند ساختار استنتاج فازی عصبی (ANFIS) و ساختار بردار پشتیبان (SVM)، شبکه عصبی مصنوعی (ANN)، مدل ترکیبی شبکه عصبی و دستورالعمل ازدحام ذرات (ANN-PSO) و مدل ترکیبی شبکه عصبی و دستورالعمل نهنگ (ANN-WOA) استفاده شد. در دو مدل ترکیبی تلاش شد که سنجه های شبکه عصبی با استفاده از دستورالعمل های فراابتکاری تنظیم شوند و تاثیر آن بر عملکرد مدل ANN بررسی شود. هم چنین، در این پژوهش، تاثیر داده های آب دهی رود و بارش همراه با تاخیرهای زمانی (داده های مربوط به روزهای گذشته) و ترکیبی از این سنجه ها به عنوان ورودی مدل ها بررسی شد. به منظور تعیین بهترین ترکیب متغیرهای ورودی، روش های آماری تابع همبستگی خودکار (ACF) و تابع همبستگی خودکار جزئی (PACF) و ضریب همبستگی پیرسون (PCC) به کارگرفته شد. پس از اعمال ورودی های موثر و آموزش مدل های هوشمند نامبرده، با مقایسه اندازه های RMSE، R2 و NE، عملکرد آن ها در پیش بینی آب دهی رود بررسی شد.
نتایج و بحثنتایج بررسی همه مدل ها در این پژوهش نشان داد که آب دهی یک (Q-1)، دو (Q-2) و سه (Q-3) روز گذشته و بارش یک روز گذشته (P-1)، بیش ترین همبستگی را با آب دهی روزانه رود نشان داد. به طور کلی، برای مدل کردن آب دهی رود در آبخیز کشکان دقت همه مدل ها قابل قبول بود. بر اساس نتایج به دست آمده، بیشترین دقت برای پیش بینی آب دهی روزانه جریان مربوط به مدل ANN-WOA با بیش ترین اندازه ضریب تبیین (0/896 R2=) و ضریب نش- ساتکلیف (0/803 NE=) و کمترین اندازه خطا (0/0186RMSE=)، بود. پس از آن، مدل SVM با ساختار تابع کرنل پایه شعاعی و اندازه های 4C=، 1 =و 0/001 =با اندازه ضریب تبیین (0/895 R2=)، ضریب نش -ساتکلیف (0/801 NE=) و اندازه خطا (0/0187RMSE=)، عملکرد بهتری نشان داد و مدل های ANN-PSO و ANN نیز به ترتیب در رده های سوم و چهارم بودند. نتایج بیانگر آن بود که استفاده از دستورالعمل های بهینه سازی فرابتکاری دقت مدل ANN را افزایش داد و می توان از آن برای آموزش شبکه استفاده کرد. بررسی ساختارهای گوناگون ANFIS نشان داد برای مدل سازی آب دهی رود منطقه مطالعه شده عملکرد توابع مثلثی و گوسی بیشتر بود. از سوی دیگر، خطای این مدل با اندازه های 023/0RMSE= و 76/0NE= در مقایسه با دیگر مدل ها بیشتر بود.
نتیجه گیری و پیشنهادهانتایج این پژوهش نشان داد برای پیش بینی آب دهی رود دقت مدل های یادگیری ماشین مانند SVM،ANFIS و ANN قابل قبول بود. تنظیم سنجه های شبکه عصبی با استفاده از دستورالعمل های بهینه سازی مانند WOA و PSO تاثیر بسزایی در بهبود عملکرد این مدل داشت. سرانجام می توان گفت این مدل ها می توانند جایگزین مناسبی برای مدل های مفهومی و آب شناختی در حل مسائل آب شناختی و آب دهی باشند. پیشنهاد می شود دو مدل SVM و ANFIS با استفاده از دستورالعمل PSO و WOA آموزش داده شود و سپس نتایج با یافته های این پژوهش مقایسه شود.
کلید واژگان: آب دهی رود، آبخیز کشکان، بارش-رواناب، دستورالعمل ازدحام ذرات، دستورالعمل نهنگ، هوش مصنوعیIntroduction and Goal
The simulation of river discharge at hydrometric stations to predict future flow discharge over specific time periods is an important issue typically addressed using hydrological time series associated with the respective station. To predict river discharge with the hights accuracy, three major groups of methods are commonly utilized: empirical and statistical methods, conceptual methods, and process-based approaches. Among data-driven methods, those based on artificial intelligence-based are prominent. The aim of this study was evaluating the performance of machine learning models, including SVM, ANFIS, and ANN, and assessing the performance of a neural network model trained with Whale Optimization Algorithm (WOA) and Particle Swarm Optimization (PSO) to predict flow discharge. In addition to evaluating the intelligent models, the impact of using optimization algorithms on the accuracy of river discharge predictions was also examined. Since input data have a significant impact on the performance of data-driven models, the criteria influencing the river discharge were identified, and the best combination of input variables for each model was determined.Materials and MethodsIn this study, to predict the daily discharge at the Poldokhtar hydrometric station located on the Kashkan River, discharge and precipitation data from 1971 to 2018 were collected, and Intelligent models, including Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS), Support Vector Machine (SVM), Artificial Neural Network (ANN), and the hybrid model of Artificial Neural Network with Particle Swarm Optimization (ANN-PSO) and the hybrid model of Artificial Neural Network with Whale Optimization Algorithm (ANN-WOA) were employed. In the two hybrid models, efforts were made to adjust the criterias of the artificial neural network using metaheuristic algorithms, and their impact on the performance of the ANN model was examined. Additionally, this study investigated the impact of river discharge and precipitation data, along with their time lags (data from previous days), and combinations of these metrics as input variables for the models. To determine the best combination of input variables, statistical methods such as the Autocorrelation Function (ACF), Partial Autocorrelation Function (PACF), and Pearson Correlation Coefficient (PCC) were employed. After applying the effective inputs and training the mentioned intelligent models, their performance in predicting river discharge was evaluated by comparing RMSE, R², and NE metrics.
Results and DiscussionThe evaluation of all models in this study showed that the river discharge of one day (Q-1), two days (Q-2), and three days (Q-3) ago, along with the precipitation of one day ago (P-1), exhibited the highest correlation with the river’s daily discharge. Overall, all models demonstrated acceptable accuracy in modeling the river discharge in the Kashkan watershed. According to the results, the highest accuracy in predicting daily discharge was achieved by the ANN-WOA model, with the highest coefficient of determination (R² = 0.896), Nash-Sutcliffe efficiency (NE = 0.803), and the lowest error (RMSE = 0.0186). Subsequently, the SVM model, using a radial basis kernel function with parameters C=4, γ=1, and ϵ=0.001 demonstrated superior performance, with a coefficient of determination (R² = 0.895), Nash-Sutcliffe efficiency (NE = 0.801), and an error (RMSE = 0.0187). Then, the ANN-PSO and ANN models ranked third and fourth, respectively. The results indicated that using metaheuristic optimization algorithms significantly improved the accuracy of the ANN model, making it a suitable tool for neural network training. The evaluation of different ANFIS structures revealed that triangular and Gaussian functions performed better for modeling river discharge in the study area. On the other hand, the error of this model, with values of RMSE=0.023 and NE=0.76 was higher compared to the other models.
Conclusion and SuggestionsThis study demonstrated that machine learning models, such as SVM, ANFIS, and ANN, exhibited acceptable accuracy in predicting river discharge. Adjusting neural network parameters using optimization algorithms like WOA and PSO significantly enhanced the performance of the ANN model. Finally, it can be concluded that these models can serve as suitable alternatives to conceptual and hydrological models for addressing hydrological and discharge-related issues. It is recommended to train the SVM and ANFIS models using the PSO and WOA algorithms and then compare the results with the findings of this study.
Keywords: Kashkan Watershed, Rainfall-Runoff, Particle Swarm Optimization, Whale Optimization Algorithm, Artificial Intelligence
- 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.