پیش بینی دبی ورودی وسطح آب مخزن سد دز با استفاده از سیستم های فازی و شبکه های عصبی مصنوعی

نوع محتوی: طرح پژوهشی
زبان: فارسی
استان موضوع گزارش: خوزستان
شهر موضوع گزارش: بهبهان
شناسه ملی سند علمی: R-1047486
تاریخ درج در سایت: 6 مهر 1397
دسته بندی علمی: مهندسی آب و هیدرولوژی
مشاهده: 1,408
تعداد صفحات: 161
سال انتشار: 1386

نسخه کامل طرح پژوهشی منتشر نشده است و در دسترس نیست.

  • من نویسنده این مقاله هستم

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این طرح پژوهشی:

چکیده طرح پژوهشی:

امروزه یکی از مهمترین مسائل جهت مدیریت سیلاب و جلوگیری از صدمات اقتصادی و جانی ناشی از آن، پیش بینی صحیح جریان رودخانه ها می باشد. یکی از بهترین راه های کاهش اثرات مخرب سیلاب، استفاده از سدها و مخازن است. مخازن مهمترین و موثرترین سیستم ذخیره آب می باشند که توزیع نابرابر مکانی و زمانی آب را تغییر می دهند. آنها همچنین تامین کننده آب شرب و آبیاری بوده و وسیله بسیار مناسبی برای تولید انرژی برقابی می باشند. به منظور بهترین استفاده از آب موجود، بدون شک مدیریت بهینه مخازن در یک سیستم پویا بسیار مهم می باشد.

پیش بینی جریان ورودی و سطح آب مخزن، در بهینه سازی مدیریت مخازن آب بسیار موثر می باشند. اما فاکتور ها و عوامل مختلفی بر روی این پدیده ها تاثیر گذارند که تحلیل آنها را مشکل می سازد. مدل های آماری و رگرسیون از معمولترین روشهای تحلیلی می باشند که غالبا با توجه به حل خطی این پدیده ها، نتایجی همراه با خطا ارائه داده و نمی توانند تغییرات زمانی پدیده مورد نظر را با دقت قابل قبول مدل کنند. امروزه سیستم های هوشمند فازی و عصبی با توجه به توانایی در حل پدیده های غیر خطی و پیچیده، کاربرد های فراوانی در مسائل مختلف مهندسی آب از جمله هیدرولوژی پیدا کرده اند، که در این تحقیق نیز به ارزیابی این سیستم ها در پیش بینی جریان ورودی به مخزن و سطح آب در آن پرداخته می شود.

فرضیاتی که در مدل های هیدرولوژیکی در نظر گرفته می شود باید با واقعیات هیدرولوژیکی سازگار باشد و پیش بینی ها نباید از محدودة مشاهداتی رفتار سیستم خارج گردد. قابلیت یک مدل هیدرولوژیکی باید بصورت ساختاری، هم در مورد اساس تئوری های هیدرولوژیکی بکار رفته در آن و هم از لحاظ میزان دادة مورد نیاز و موجودیت آنها مورد ارزیابی قرار گیرد. مدل های هیدرولوژیکی موجود به لحاظ بکارگیری میزان جزئیات فرآیندهای هیدرولوژیکی در مدل ها، متمایز می باشند. در مدل های تجربی از جزئیات فرآیندها صرفنظر می گردد و تنها از معادلات ساده با پارامترهای اندک استفاده می شود. هر مدل تجربی برای یک حوضه خاص بدست آمده و ممکن است برای حوضه های دیگر کارایی لازم را نداشته باشد. در مقابل در مدل های فیزیکی سعی می گردد حداکثر جزئیات فرآیندها در مدل در نظر گرفته شود.  بنابراین هر نوع کاربرد این نوع مدل ها نیازمند اطلاعات بسیار جامع و کامل از حوضه مورد بررسی و نیز تعیین هزاران مقادیر پارامتری می باشد. کالیبراسیون چنین مدل هایی نیز، بسیار پیچیده و وقت گیر می باشد.با توجه به محدودیت های مدل هایی از نوع بالا، مدل های جعبه سیاهی همچون شبکه های عصبی و سیستم های فازی با نیاز به داده های کمتر به نسبت مدل های فیزیکی، نتایج بسیار خوبی را ارائه می دهند.

سد دز یکی از بلندترین سدهای ایران بوده و بر روی رودخانه دز که از ارتفاعات غربی زاگرس سرچشمه گرفته و از نظر میزان آبدهی دومین رودخانه ایران محسوب می شود، ساخته شده است. با توجه به اینکه رودخانه دز یکی از پرآب ترین و مهمترین رودخانه های کشور می باشد، پیش بینی دبی این رودخانه می تواند به مدیریت حوضه این رودخانه و به طور کلی صنعت آب کشور، کمک زیادی کند.

در این تحقیق با استفاده از اطلاعات باران و تبخیرسنجی و دبی ایستگاه های بالادست مخزن سد دز و همچنین خود مخزن سد، به پیش بینی دبی ورودی به مخزن در 1 تا 4 روز آینده با استفاده از سیستم های فازی و شبکه های عصبی پرداخته می شود. الگو های مختلفی از اطلاعات باران سنجی و دبی ایستگاه های بالادست و همچنین اطلاعات تبخیر، باران سنجی و دبی ورودی به مخزن در دوره های گذشته به عنوان اطلاعات ورودی استفاده می شوند. در انتها به منظور بررسی بیشتر توانایی این سیستم های هوشمند، نتایج حاصل از آنالیز رگرسیون با نتایج سیستم های فازی و شبکه های عصبی مقایسه می گردند.

به منظور پیش بینی جریان رودخانه ها با استفاده از شبکه های عصبی از الگوریتم پس انتشار خطا (BP) جهت آموزش و تست شبکه بهره برده می شود. همچنین ساختارهایی با توابع محرک و الگوریتم های یادگیری مختلف، تعداد نرونهای متفاوت برای لایه پنهان نیز معرفی می شود تا بتوان بهترین الگوی تطبیق داده شده با شرایط جریان انتخاب گردد.

در هنگام پیش بینی دبی ورودی به مخزن با استفاده از سیستم های فازی از دو سیستم استنتاج فازی ممدانی و تاکاگی- سوگنو استفاده می شود. در این تحقیق، همچنین روشهای فازی ساز و غیر فازی ساز و شکل توابع عضویت متفاوت جهت تعیین بهترین ساختار به کار برده می شود.

در قسمت دوم این تحقیق به پیش بینی سطح آب در مخزن در دوره های سیلابی پرداخته می شود. به این منظور از روش بدیع سیستم استنتاج فازی- عصبی تطبیقی (ANFIS) جهت تخمین 3 تا 60 ساعته سطح آب در مخزن استفاده می شود. سیستم استنتاج فازی- عصبی تطبیقی (ANFIS) یک شبکه پس خور چند لایه می باشد که از الگوریتمهای یادگیری شبکه عصبی و منطق فازی به منظور طراحی نگاشت غیر خطی بین فضای ورودی و خروجی استفاده می کند. ANFIS با توجه به توانایی در ترکیب قدرت زبانی یک سیستم فازی با قدرت عددی یک شبکه تطبیقی سیستم فازی، نشان داده است که در مدل سازی فرایندهای فراوانی قدرتمند م

پیش گفتار طرح پژوهشی

سازه­های کنترل­کننده آب مثل سدها، سیل­بندها و … نقش موثری در کاهش یا حذف خسارات ناشی از سیلاب ایفاء می­کنند. اما در بسیاری از شرایط، فاکتورهای توپوگرافیک یا اقتصادی موجب غیرعملی بودن کنترل سیلاب می­شوند. در این شرایط، پیش­بینی دبی رودخانه ابزارهای جایگزینی را جهت کاهش خسارات سیلاب فراهم می­کند. هشدار قبل از یک سیلاب پیش­رو، اجازه تخلیه افراد، دامها و ابزارآلات را می­دهد. جهت تخمین دبی ورودی به مخازن، پیش­بینی دبی رودخانه مورد نیاز می­باشد تا کنترل سیلاب یا کاربردهای دیگر مخازن با راندمان بالا انجام گردد. علاوه بر این، امروزه جهت ناوبری، تامین آب، آلودگی آب و بسیاری دیگر از مسائل مرتبط، پیش­بینی دبی رودخانه مورد نیاز می­باشد. پیش­بینی جریان ورودی به مخزن، در بهینه­سازی مدیریت مخازن آب بسیار موثر می­باشند. اما فاکتورها و عوامل مختلفی بر روی این پدیده­ها تاثیر­گذارند که تحلیل آنها را مشکل می­سازد. مدلهای آماری از معمولترین روشهای تحلیلی می­باشند که غالبا با توجه به حل خطی این پدیده­ها، نتایجی همراه با خطا ارائه داده و نمی­توانند تغییرات زمانی پدیده مورد نظر را مدل کنند. امروزه سیستم­های هوشمند فازی و عصبی با توجه به توانایی در حل پدیده­های غیرخطی و پیچیده، کاربرد­های فراوانی در مسائل مختلف مهندسی آب از جمله هیدرولوژی پیدا کرده­اند، که در این تحقیق نیز به ارزیابی این سیستم­ها در پیش­بینی جریان ورودی و سطح آب مخزن پرداخته می­شود.

در ایران کم­کم کاربرد شبکه­های عصبی در مسائل مختلف مهندسی و از جمله علوم آب شناخته شده­تر می شوند. برآورد رسوب، سدهای خاکی، تخمین شیب پایدار و همچنین پیش­بینی جریان رودخانه­ها و شبیه­سازی فرایند بارش رواناب از جمله مسائلی هستند که اخیرا مورد توجه قرار گرفته­اند. اما سیستم­های فازی در ایران و در مسائل مختلف مهندسی آب کمتر مورد استفاده قرار گرفته­اند. از تحقیقات انجام شده می­توان به کارهایی که در زمینه تعیین بار رسوبی رودخانه­ها، برآورد مصرف آب شهری و بهره­برداری بهینه مخزن اشاره کرد.

تحقیقات بسیار زیادی در جهان در مورد کاربرد شبکه­های عصبی در مهندسی علوم آب صورت گرفته است که می­توان به پیش­بینی بارندگی، مدل­سازی آبهای زیرزمینی و پیش­بینی جریان رودخانه [1] اشاره کرد.

از زمانی­که تئوری مجموعه­های فازی، اولین بار در سال 1965 توسط پروفسور لطفی عسگرزاده پایه گذاری شد، تحقیقات نسبتا زیادی در مورد کاربرد سیستم­های فازی در علوم مهندسی صورت گرفته است. همچنین کارهای نسبتا خوبی در زمینه علوم آب و جهت پیش­بینی سیلاب [2]، فرایند بارش-­رواناب [3] و جریان رودخانه [4] صورت گرفته است.

همچنین ANFIS با توجه به توانایی در ترکیب قدرت زبانی یک سیستم فازی با قدرت عددی یک شبکه عصبی، نشان داده است که در مدل­سازی فرایندهای همچون مدیریت مخازن، سری­های زمانی هیدرولوژیکی و برآورد رسوب بسیار قدرتمند می­باشند.

هدف اصلی این تحقیق، بررسی توانایی سیستم­های فازی و شبکه­های عصبی در پیش­بینی جریان روزانه ورودی به سد دز و مقایسه آن با روش رگرسیون می­باشد. به این منظور با استفاده از اطلاعات 8 ایستگاه هیدرومتری، 4 ایستگاه باران­سنجی و 2 ایستگاه تبخیرسنجی در بالادست سد دز به پیش­بینی جریان ورودی به سد، برای 1 تا 4 روز آینده پرداخته شد. بالطبع نتایج کاربردی این تحقیق می­توانند برای سیستم­های هشدار سیل به­کار گرفته شوند.

فهرست مطالب طرح پژوهشی

1-1) مقدمه 2

1-2) ضرورت تحقیق 2

1-3) اهداف و روش تحقیق 6

1-4) ساختار پایان نامه 7

 

فصل دوم: آشنایی با مدل¬های هیدرولوژیکی

2-1) رواناب سطحی 10

2-2) اهمیت پیش¬بینی دبی رودخانه 11

2-3) روش¬های پایه پیش¬بینی دبی رودخانه 11

2-3-1) روش استدلالی 12

2-3-2) روش مدت-مساحت 13

2-3-3) روش هیدروگراف واحد 15

2-3-3-1) محدودیت¬های روش هیدروگراف واحد 16

2-4) مدل¬های هیدرولوژیکی 17

2-4-1) طبقه¬بندی مدل¬های هیدرولوژیکی 18

2-4-1-1) طبقه¬بندی بر اساس فرآیند 19

2-4-1-2) طبقه¬بندی بر اساس مقیاس زمانی 23

2-4-1-3) طبقه¬بندی بر اساس مقیاس مکانی 23

2-4-1-4) طبقه¬بندی بر اساس کاربری زمین 23

2-5) معادلات بیلان آب مخزن 24

 

فصل سوم: شبکه¬های عصبی مصنوعی

3-1) مقدمه 26

3-2) ویژگی¬های شبکه¬های عصبی 28

3-2-1) قابلیت یادگیری 28

3-2-2) پراکندگی اطلاعات 28

3-2-3) قابلیت تعمیم 29

3-2-4) پردازش موازی 29

3-2-5) مقاوم بودن 29

3-3) تاریخچه شبکه¬های عصبی 30

3-4) شبکه عصبی بیولوژیکی 31

3-5) مدل¬سازی 33

3-5-1) مراحل ساخت یک مدل با شبکه عصبی مصنوعی 33

3-6) انواع شبکه¬های عصبی 34

3-6-1) انواع شبکه¬های عصبی بر مبنای روش آموزش 35

3-6-2) انواع شبکه¬های عصبی بر مبنای نوع اتصالات در شبکه 35

3-7) شبکه عصبی چندلایه پیشخور ((MLP 36

3-7-1) تعداد لایه¬ها و نرون¬های شبکه عصبی پیشخور 38

3-7-2) تابع محرکه مورد استفاده 39

3-8) آموزش شبکه¬های عصبی 41

3-9) روش پس¬انتشار خطا 42

3-9-1) الگوریتم آموزش به روش پس انتشار خطا 44

3-9-2) انتخاب مقادیر اولیه برای وزنها و بایاس¬ها 46

3-9-3) زمان مناسب برای آموزش شبکه 46

3-9-4) تست شبکه 47

3-10) پیشینه کاربرد شبکه¬های عصبی در مهندسی علوم آب 47

 

فصل چهارم: سیستم¬های فازی

4-1) مقدمه: 50

4-2) مفاهیم سیستم¬های فازی 52

4-2-1) تابع عضویت 52

4-2-2) اشتراک فازی، T-نرمها 53

4-2-3) اجتماع فازی، S-نرمها( T-همنرمها) 53

4-3) روش¬های فازی¬ساز و غیرفازی¬ساز 54

4-3-1) روش¬های فازی¬ساز 54

4-3-1-1) روش فازی¬ساز مثلثی 54

4-3-1-2) روش فازی¬ساز ذوزنقه¬ای 55

4-3-1-3) روش فازی¬ساز گوسی 55

4-1-3-4) روش فازی¬ساز زنگی شکل 55

4-3-2 ) روشهای غیرفازی¬ساز 56

4-3-2-1 ) اصل ماکزیمم عضویت 56

4-3-2-2 ) روش مرکز ثقل 57

4-3-2-3 ) روش میانگین مراکز 57

4-4) سیستم¬های قاعده-بنیاد فازی 58

4-4-1) ساختار کلی 58

4-4-2) سیستم استنتاج فازی ( FIS ) 59

4-4-2-1) مراحل ساختن یک سیستم استنتاج فازی 60

4-4-2-2) مدل فازی ممدانی 60

4-4-2-3) مدل فازی تاکاگی-سوگنو 62

4-5) پیشینه کاربرد سیستم¬های فازی در مهندسی علوم آب 64

4-6) سیستم استنتاجی فازی-عصبی تطبیقی ( ANFIS ) 64

4-6-1) ساختار و الگوریتم 65 

 

فصل پنجم: منطقه مورد مطالعه و روش تحقیق

 

5-1) مقدمه 70

5-2) حوضه آبریز دز 70

5-2-1) رودخانه دز 70

5-2-2) سد دز 72

5-2-3) خصوصیات هواشناسی حوضه 73

5-2-4) شبکه هیدرومتری حوضه آبریز دز 77

5-3) مراحل شبیه¬سازی یک پدیده با شبکه عصبی مصنوعی 82

5-4) برنامه¬های استفاده شده در این تحقیق 83

5-4-1) Neurointeligence 83

5-4-2) Matlab 86

5-4-3) ANFIS در نرم¬افزار Matlab 87

5-5) آنالیز رگرسیونی 91

5-6) آزمون¬های آماری 92

5-6-1) آزمون خطای ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) 92

5-6-2) آزمون درصد متوسط خطای مطلق پیش¬بینی (Er) 92

5-7) داده¬های مورد استفاده در این تحقیق 93

5-7-1) پیش¬بینی دبی ورودی 93

5-7-2) پیش¬بینی سطح آب    93

 

 

فصل ششم: بحث ونتایج

6-1) پیش¬بینی دبی ورودی 96

6-1-1) مقدمه 96

6-1-2) پیش¬بینی دبی ورودی با استفاده از سیستم¬های فازی 96

6-1-2-1) واسنجی مدل¬های فازی 96

6-1-2-2) صحت¬سنجی مدل¬های فازی 100

6-1-3) پیش¬بینی دبی ورودی با استفاده از شبکه¬های عصبی مصنوعی 103

6-1-3-1) مقدمه 103

6-1-3-2) آموزش شبکه 104

6-1-3-3) تعیین بهترین الگوریتم یادگیری 105

6-1-4) پیش¬بینی دبی ورودی با استفاده از آنالیز رگرسیون 111

6-1-5) مقایسه نتایج سیستم¬های فازی، شبکه¬های عصبی و رگرسیون 112

6-1-5-1) مقایسه نتایج با دبی مشاهده شده 112

6-1-5-1-1)دبی ورودی به سد در 1 روز آینده 112

6-1-5-1-2) دبی ورودی به سد در 2 روز آینده 114

6-1-5-1-3) دبی ورودی به سد در 3 روز آینده 115

6-1-5-1-4) دبی ورودی به سد در 4 روز آینده 115

6-1-5-2) مقایسه نتایج با محدوده¬های 20  % مقدار دبی مشاهده شده 116

6-1-5-2-1) دبی ورودی به سد در 1 روز آینده 117

6-1-5-2-2) دبی ورودی به سد در 2 روز آینده 118

6-1-5-2-3) دبی ورودی به سد در 3 روز آینده 119

6-1-5-2-4) دبی ورودی به سد در 4 روز آینده 120

6-2) پیش¬بینی سطح آب 122

6-2-1) پیش¬بینی اشل آب در سد در 6 ساعت آینده 132

6-2-2) پیش¬بینی اشل آب در سد در 12 ساعت آینده 133

6-2-3) پیش¬بینی اشل آب در سد در 24 ساعت آینده 134

6-2-4) پیش¬بینی اشل آب در سد در 36 ساعت آینده 135

6-2-5) پیش¬بینی اشل آب در سد در 48 ساعت آینده 136

6-2-6) پیش¬بینی اشل آب در سد در 60 ساعت آینده 137

 

فصل هفتم: نتیجه¬گیری و پیشنهادات

7-1) مقدمه 140

7-2) نتایج 141

7-3) پیشنهادات 143

منابع مورد استفاده 145 

نمایش کامل متن