سیویلیکا را در شبکه های اجتماعی دنبال نمایید.

Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks

نوع محتوی: طرح پژوهشی
Language: Persian
استان موضوع گزارش: خوزستان
شهر موضوع گزارش: بهبهان
Document National Code: R-1047486
Publish: 28 September 2018
دسته بندی علمی: مهندسی آب و هیدرولوژی
View: 1,482
Pages: 161
Publish Year: 1386

نسخه کامل Research منتشر نشده است و در دسترس نیست.

  • I'm the author of the paper

Export:

Link to this Research:

Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks abstract

One of important aspects of the management of river basins is the management of flood events occurring with its boundaries. The importance of flood management is highlighted by the magnitude of economic losses associated with floods. Flood forecasting is undoubtedly a challenging field of operational hydrology, and a huge literature has been developed in years. Since flood warning systems do not aim at providing an explicit knowledge of the rainfall-runoff process, and the main concern is making accurate and timely predictions at specific locations, a simple black-box model is then preferred in identifying a direct mapping between inputs and outputs. 
This study presents the development of artificial neural network (ANN) and fuzzy logic (FL) models for prediction of daily reservoir inflow. Furthermore, adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) technique was used to construct a water level forecasting system during flood periods. For comparison the results, a linear regression model was developed as the benchmark for comparison in flood forecasting. Dez dam reservoir was used as a case study. In this study, the precipitation, evaporation and discharge data of upstream stations were used to forecast the Dez dam reservoir inflow. The Talezang gauging station data was intended as the output data and the Dez dam reservoir inflow indication. The original data consists of 6 years (1993-1999) which 1363 input-output pairs were intended for training set and 313 and 314 data set were used for validation and test set, respectively. The emphasis in this study is to improve the short-term (1 to 4-day-ahead) forecast of reservoir inflows. In addition, The hourly water level of the reservoir and the upstream five stations for floods during 2001 to 2003 years were gathered to forecast the water level 3 to 60 hours ahead. To investigate whether ANFIS can deal with human knowledge, two ANFIS models were developed, one with a human decision of reservoir outflow as input variables, another without that.
Results demonstrated that ANNs can predict the reservoir inflow for 1-day-ahead, especially in training period with %93.9 correlation, RMSE=4.13 better than fuzzy systems (%93 correlation, RMSE=5.17) and regression model (% 89.7 correlation, RMSE=4.73). As the prediction time go ahead, fuzzy systems and regression model revealed the better results and ANN model results deteriorated. The results showed that the ANFIS can provide high accuracy and reliability for reservoir water level forecasting. In models with human decision as input variables, ANFIS demonstrated better results in short periods (1 to 12 hours).

 

پیش گفتار Research

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 Research

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

Estimation of Inlet Flow and Water Reservoir Level of Dez Dam Using Fuzzy Systems and Artificial Neural Networks authors