پیش بینی طوفان‌های گرد و غباری در دشت سیستان (کاربرد تلفیق رگرسیون چند متغیره و شبکه عصبی – فازی ANFIS)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه اقتصاد کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل

2 گروه اقتصاد کشاورزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

3 گروه اقتصاد کشاورزی دانشگاه زابل

چکیده

سابقه و هدف:
پیش‌بینی روند طوفان‌ها، امکان برنامه‌ریزی به منظور کنترل بحران گردوغبار را برای مدیران و مسئولان فراهم می‏سازد. الگوهای شبکه‏ی عصبی مصنوعی از جمله روش‌های پرکاربرد برای پیش‌بینی است. در اغلب مطالعات، محققین برای یافتن مناسب‌ترین الگوی شبکه عصبی مصنوعی که دقت بیشتری داشته باشد چندین الگو تشکیل می‌دهند تا مدلی که بیشترین دقت را دارد انتخاب کنند. هدف تحقیق حاضر، تلفیق الگوی رگرسیون چند متغیره و شبکه عصبی‌ – فازی ANFIS به منظور دستیابی سریع‏تر به الگوی مناسب است.
مواد و روش‌ها:
در این تحقیق، از داده‌های روزهای گردوغباری، دما، بارندگی، رطوبت نسبی مأخوذه از ایستگاه سینوپتیک زابل، سالنامه‌های آماری و آمار مربوط به آورد رودخانه هیرمند استفاده شده است. در ابتدا با استفاده از داده‌های بارندگی به منظور بررسی وضعیت خشکسالی، مقدار شاخص SPI در نرم افزار برنامه نویسی R-Studio محاسبه شد. سپس مدل رگرسیونی چند متغیره با استفاده از داده‌های دما، حداکثر سرعت باد، آورد رودخانه هیرمند، شاخص SPI و تعداد روزهای گردوغباری به کمک نرم افزار Eviews برآورد شد. در نهایت دو مدل شبکه عصبی-فازی ANFIS با ورودی‌های متفاوت در نرم افزار MATLAB توسعه داده شد. بدین صورت که متغیرهای ورودی به مدل اول به صورت تصادفی انتخاب شد و برای تعیین متغیرهای ورودی مدل دوم از خروجی مدل رگرسیونی استفاده شد.
نتایج و بحث:
نتایج نشان داد، روزهای گردوغباری بیشترین همبستگی را با آورد رودخانه هیرمند با ضریب ۰.70- و پس از آن با شاخص خشکسالی (SPI) با ضریب ۰.65- دارد. شاخص SPI شامل مقادیر مثبت و منفی است، در سال‌هایی که مقدار شاخص SPI کاهش یافته و نشان دهنده خشکسالی می‌باشد، روزهای گردوغباری افزایش یافته است؛ بدن ترتیب همبستگی منفی و معکوسی ایجاد شده است. پس از آن ضریب همبستگی دما با تعداد روزهای گرد و غباری با مقدار 0.56 و در نهایت ضریب همبستگی سرعت باد با روزهای گردوغباری 0.45 قرار دارد. نتایج برآورد رگرسیون چند متغیره نشان داد که متغیرهای جریان رودخانه هیرمند، شاخص SPI، دما و سرعت باد اثر معنی‏داری بر تعداد روزهای گرد و غباری دارند و علامت ضریب آن‏ها مطابق انتظار است. در نهایت، با استفاده از نرم‏افزار MATLAB و مدل ANFIS دو مدل با ورودی‌های متفاوت بررسی شد. در مدل اول از متغیرهای دما، رطوبت نسبی و بارندگی به عنوان ورودی استفاده گردید. در مدل دوم متغیرهای آورد رودخانه هیرمند، شاخص SPI و دما که طبق نتایج ضرایب همبستگی و مدل‏سازی رگرسیون بیشترین تاثیر را بر روزهای گردوغباری داشتند به عنوان ورودی تعیین شدند. نتایج ارزیابی دو مدل نشان داد، مدل دوم که مبتنی بر نتایج مدل‏سازی رگرسیونی و بررسی ضرایب همبستگی است، از خطای کمتری برخوردار است.
نتیجه گیری:
پیش‌بینی حوادث، در آگاه‏سازی مدیران و برنامه‏ریزان به منظور مدیریت مخاطرات‌ بسیار مؤثر می‌باشد. شبکه‌های عصبی مصنوعی از جمله مهم‌ترین روش‌ها به منظور پیش‌بینی هستند، اما انتخاب ورودی‌های مناسب به منظور افزایش دقت پیش‌بینی با شبکه عصبی مصنوعی بسیار اهمیت دارد. در بعضی مطالعات، محققین مجبور به ساخت چندین شبکه عصبی هستند تا شبکه‏ای که کمترین خطا را دارد را از بین آن‏ها انتخاب کنند که مستلزم صرف زمان زیادی است. در تحقیق حاضر، در ابتدا ضرایب همبستگی بین تمامی متغیرهای مدنظر محاسبه و با تخمین مدل رگرسیون چند متغیره میزان اثرگذاری متغیرهای انتخابی بر متغیر وابسته بررسی شد. نتایج نشان داد در صورتیکه، متغیرهایی با بیشترین همبستگی و تاثیر معنی‏دار، بر متغیر وابسته به عنوان ورودی به شبکه عصبی فازی انتخاب شود، دقت شبکه عصبی-فازی ANFIS افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Prediction of dust storms in Sistan plain (application of multivariate regression and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)

نویسندگان [English]

  • mohaddeseh mir 1
  • mahmoud ahmadpour borazjani 2
  • alireza sargazi 1
  • mashallah Salarpour 3
  • saman ziaee 1
1 Department of Agricultural Economics, Faculty of Agriculture, University of zabol
2 agricultural economics department< university of zabol, zabol; Iran
3 agricultural economics department, university of zabol
چکیده [English]

Introduction: Forecasting the trend of storms provides the possibility of planning to control the dust crisis for managers and officials. Artificial neural network patterns are among the most widely used methods for prediction. In most studies, researchers form several models to find the most suitable artificial neural network model that is more accurate in order to choose the model that has the most accuracy. The aim of this research is to combine the multivariate regression model and ANFIS fuzzy neural network in order to achieve the appropriate model faster.
Materials and methods: In this research, the data of dusty days, temperature, rainfall, relative humidity taken from Zabol synoptic station, statistical yearbooks and statistics related to Hirmand river flow have been used. At first, using rainfall data to check the drought situation, the value of SPI index was calculated in R-Studio programming software. Then, the multivariable regression model was estimated using temperature data, maximum wind speed, Hirmand river flow, SPI index and the number of dusty days with the help of Eviews software. Finally, two ANFIS neural-fuzzy network models with different inputs were developed in MATLAB software. In this way, the input variables to the first model were randomly selected and the output of the regression model was used to determine the input variables of the second model.

Results and Discussion: The results showed that dusty days have the highest correlation with the Hirmand river with a coefficient of -0.70 and then with the drought index (SPI) with a coefficient of -0.65. The SPI index includes positive and negative values, in the years when the value of the SPI index has decreased and indicates drought, dusty days have increased. After that, the correlation coefficient of temperature with the number of dusty days is 0.56 and finally the correlation coefficient of wind speed with dusty days is 0.45. The results of multivariate regression estimation showed that the variables of Hirmand river flow, SPI index, temperature and wind speed have a significant effect on the number of dusty days and their coefficient sign is as expected. Finally, using MATLAB software and ANFIS model, two models with different inputs were checked. In the first model, the variables of temperature, relative humidity and rainfall were used as inputs. In the second model, the variables of Hirmand river flow, SPI index and temperature, which according to the results of correlation coefficients and regression modeling had the greatest impact on dusty days, were determined as inputs. The results of the evaluation of two models showed that the second model, which is based on the results of regression modeling and examining correlation coefficients, has less error.
Conclusion: Predicting incidents is very effective in informing managers and planners in order to manage risks. Artificial neural networks are among the most important methods for prediction. But it is very important to choose the right inputs in order to increase the prediction accuracy with artificial neural network. In some studies, researchers have to build several neural networks to choose the one with the least error, which requires spending a lot of time. In the present research, firstly, the correlation coefficients between all the considered variables were calculated and the influence of the selected variables on the dependent variable was evaluated by estimating the multivariate regression model. The results showed that if variables with the highest correlation and significant impact on the dependent variable are selected as inputs to the fuzzy neural network, the accuracy of the ANFIS neural-fuzzy network increases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drought
  • Standardized Precipitation Index
  • Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System
  • Sistan Region