استفاده از مدل هوشمند شبکه عصبی در پیش بینی آلودگی هوا

چکیده 

کاربرد مدل‌سازی در شاخه های مختلف علوم، طی سالهای اخیر، از توسعه گسترده‏ای برخوردار بوده است. علت اصلی محبوبیت مدل‌سازی را می‏توان ساخت و ارایه رایانه ‏های پرسرعت و تجهیزات محاسباتی الکترونیکی پرقدرت از یکسو و کمک به بسط و غنای دانش محاسباتی از سوی دیگر دانست. به گونه ‏ای که امروزه در پرتو کاربرد مدل‌سازی رایانه ‏ای، نیروی رایانه جایگزین نیروی انسان در اجرای عملیات تکراری و سخت گردیده و با بهره‏گیری از دقت عمل بی نظیر آنها، انجام محاسبات دقیق همراه با کیفیتی عالی ممکن گردیده است. به عبارت دیگر مدل‌سازی نه تنها نسل ما را از انجام عملیات تکراری رهانیده، بلکه با استفاده از قوه خلاقیت و ابتکار انسان، این امکان را فراهم آورده است تا قبل از اجرای طرحها و ایجاد تغییر در سیستم طبیعی جهان، قادر به پیش بینی آثار احتمالی با کمترین خطر ممکن و کنترل بهینه و هدایت آگاهانه آنها باشد. استفاده از مدل هوشمند شبکه عصبی

     حفاظت از محیط ‏زیست و کاهش آلاینده‏های آن یکی از مسایل اصلی قرن حاضر است. آلودگی هوا امروزه به‏عنوان یکی از بارزترین مشکلات زیست‏محیطی مطرح بوده و از طرق مختلف برای کاهش آن تلاش می‏شود. یکی از موثرترین راهکارهای بررسی آلودگی هوا، مدل‌سازی آن است در این مطالعه  تحقیقات صورت گرفته در زمینه پیش بینی آلاینده های هوا با استفاده از رو ش های آماری، سودمندی این رو شها را به اثبات رسانده است.

نتایج این مطالعه نشان میدهد که این روش ها دارای مزیت هایی نسبت به روش های قطعی پیش بینی آلودگی هوا (مدل های پیش ساخته موجود) هستند. از اینرو، در این تحقیق کاربرد مدل شبکه عصبی در مدلسازی آلودگی هوا بررسی شده است.

• مقدمه

هوا از جمله عناصر ضروری برای ادامه حیات است. مقایسه میزان مصرف آب، غذا و هوا نشان می‌دهد که یک فرد بالغ روزانه با مصرف ۲ لیتر آب و ۵/۱ کیلوگرم غذا می‌تواند به زندگی ادامه دهد اما برای تداوم زندگی تقریبا به ۱۵ تا ۲۲ کیلوگرم هوا نیاز دارد. معمولاً انسان به مدت چند هفته بدون غذا و چند روز بدون آب زنده می‌ماند اما بدون هوا زندگی فقط ۵ دقیقه تداوم خواهد داشت بنابراین مقایسه میزان نیازمندی انسان به این سه عامل حیاتی نشان می‌دهد که میزان نیاز انسان به هوا ۱۰ برابر نیاز او به آب و غذاست. با توجه به این امر بایستی آلودگی هوا را به‌صورت جدی دنبال نموده و به‌عنوان یک امر ضروری مورد توجه و بررسی قرار داد.

هر چند اولین آلاینده‌های هوا نظیر گازهای متصاعد شده از باتلاقها و گرد و غبار ناشی از طوفانها منشاء طبیعی داشته‌اند اما بررسی روند تغییرات کمیت و کیفیت آلاینده‌های هوا نشان می‌دهد که به‌جز موارد بسیار حاد نظیر فعالیت آتش‌فشان‌ها، آلودگی‌های حاصله از منابع طبیعی مشکلات جدی را برای محیط زیست و سلامت انسانها ایجاد نمی‌کنند اما آلاینده‌های حاصل از فعالیتهای انسان آلودگی هوا را چنان تشدید نموده است که با ادامه روند فعلی ممکن است در آینده زندگی برای خود انسان و سایر موجودات زنده غیر ممکن شود. با توجه به مسائل فعلی و روند گسترش صنایع و افزایش فعالیت‌های آلوده‌کننده جو، شناخت آلاینده‌های هوا و بررسی اقدامات لازم به‌منظور کنترل و کاهش آنها امری لازم و ضروری‌است.

۱-۲مفهوم آلودگی هوا

وجود اجزاء، عناصر و ترکیباتی در هوا در مدت زمان و به‌اندازه‌ای که بتواند به انسان، گیاهان، حیوانات یا اموال زیان برساند، آلودگی هوا نامیده می‌شود. به‌منظور درک بهتر مفهوم آلودگی لازم ‌است از ترکیب طبیعی جو و غلظت ترکیبات ثابت و متغیر آن اطلاع حاصل کرد که به این منظور ترکیبات ثابت و متغیر موجود در جو در جداول ۱-۱ و ۱-۲ ارایه می‌شوند [اصیلیان .ح, ۱۳۸۶]:

۱-۵آلاینده‌های معیار

به‌منظور شناخت آلاینده‌های هوا باید آلاینده‌های معیار یا اصلی[۱] را شناخت زیرا این آلاینده‌ها علاوه بر اثرات مخربی که خود بر محیط زیست دارند،‌ موجب تشکیل آلاینده‌های ثانویه نیز می‌گردند لذا در ادامه به بررسی اجمالی این آلاینده‌ها پرداخته می‌شود.

۱-۵-۱ منواکسید کربن

منواکسید کربن[CO] گازی‌است بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه که از فراوانترین آلاینده‌های اصلی در جو است. منوکسید کربن حاصل احتراق ناقص سوختهای فسیلی است که سبب می‌شود به جای CO₂ گاز CO تولید شود. احتراق ناقص بیشتر در منابع متحرک رخ می‌دهد و منابع آلاینده ساکنی مانند نیروگاه‌ها به‌رغم استفاده از حدود ۳۰ درصد سوختهای فسیلی جهان تنها نیم درصد از کل منوکسید کربن موجود در جو را تولید می‌کنند همچنین مطالعات اخیر محققین نشان می‌دهد که در حدود ۶۰ درصد منواکسید کربن منتشر شده در جو توسط وسایل نقلیه موتوری ایجاد شده است [شفیع‌پور .م, ۱۳۸۷].

منواکسید کربن در صورت ورود به بدن انسان با هموگلوبین خون ترکیب شده و تولید کربوکسی هموگلوبین [COHb] می‌نماید که توانایی اکسیژن رسانی خون را کاهش می‌دهد و در صورت تشدید می‌تواند روی عملکرد مغز و قلب اثرات مخربی بر جای بگذارد. وجود ۱۰ درصد کربوکسی هموگلوبین در خون موجب سردرد و سرگیجه شده و افزایش این مقدار به ۵۰ درصد می‌تواند سبب مرگ انسان شود [اصیلیان .ح, ۱۳۸۶].

۱-۵-۲اکسیدهای نیتروژن

مجموعه اکسیدهای نیتروژن موسوم به NO_X شامل ترکیباتی چون NO، NO₂، NO₃، N₂O₃، N₂O₄ و N₂O₅ می‌باشد که در مطالعه آلودگی هوا مجموع مقادیر گازهای NO و NO₂ مورد بررسی قرار می‌گیرد. تولید NO_X به دو روش عمده صورت می‌پذیرد که شامل وجود ازت در هوای درون محفظه احتراق[۲] و وجود ازت در ترکیب سوخت[۳] است که ازت موجود در سوخت نقش بیشتری در تولید و انتشار NO_X دارد [شفیع‌پور.م, ۱۳۸۷].

NO₂  گازی‌است با رنگ قرمز مایل به قهوه‌ای که در غلظتهای کم زرد رنگ است. تماس با غلظتهای بیش از ppm 5 این گاز برای مدت ۱۵ دقیقه منجر به سرفه و تحریک سیستم تنفسی ‌شده  و تماس مداوم با این گاز ممکن است باعث تجمع مایع در ریه‌ها [ادم ریوی] شود. NO نیز گازی‌است بی‌رنگ که قسمت عمده‌ای از NO_X را در جو به خود اختصاص می‌دهد که پس از اکسید شدن به NO₂ تبدیل شده و مطابق واکنشهای زیر می‌تواند زمینه‌ساز وقوع پدیده‌های مخربی چون باران اسیدی و مه‌دود فتوشیمیایی[۴] شود: استفاده از مدل هوشمند شبکه عصبی

(۱-۱)	NO2 + HC + نور خورشید                    Photochemical SMOG
[۱-۲]	NO2 + HO.                          HNO3

در واکنشهای فوق HO^. رادیکال آزاد هیدروکسیل و HC هیدروکربنهای موجود در جو بوده که مطابق واکنشهای مذکور منجر به ایجاد مه‌دود فتوشیمیایی ازن و تولید اسید نیتریک و بارش باران اسیدی می‌گردند [شفیع‌پور.م, ۱۳۸۷].

۱-۵-۳اکسیدهای گوگرد

مجموعه اکسیدهای گوگرد موسوم به SO_X شامل ترکیباتی چون SO₂، SO₃،SO₄  و سایر ترکیبات گوگرد در جو است که می‌تواند به‌صورت آلاینده‌های اولیه و ثانویه در جو حضور داشته باشند. بیش از ۸۰ درصد انتشار SO_X ناشی از احتراق سوختهای فسیلی حاوی گوگرد‌ در منابع ساکن نام برد. از منابع غیر‌احتراقی SO_X می‌توان فرآیندهای تولیدی در پالایشگاه‌ها، ذوب مس و کارخانه سیمان را نام برد. گاز SO₂ یکی از خطرناک‏ترین اکسیدهای گوگرد است که باعث عوارض مخرب زیست‌محیطی فراوانی می‌گردد. این گاز از احتراق سوختهای فسیلی حاوی گوگرد و اکسیداسیون H₂S ایجاد شده و واکنشهای زیر را در جو انجام می‌دهد [شفیع‌پور.م, ۱۳۸۷]:

[۱-۳]	SO2 + OH.                             HOSO2.
[۱-۴]	HOSO2. + O2                       SO3 + HO2.
[۱-۵]	NO + HO2.                          NO2 + OH.
[۱-۶]	SO3 + H2O                          H2SO4

مولکول اسید سولفوریک یکی از منابع اصلی تشکیل باران‌های اسیدی است که باعث عوارضی چون تغییر pH خاک، تخریب گیاهان، خوردگی فلزات و از بین بردن رنگ‌ها می‌شود. ترکیب ذرات معلق و SO_X از مهم‌ترین نوع آلاینده‌های سمی هستند که باعث آسیب شدید مجراهای تنفسی می‌شوند. همچنین این ترکیبات با نفوذ به قسمت‌های تحتانی ریه باعث اختلالات شدید تنفسی و افزایش ضربان قلب می‌شوند [اشرفی.خ, ۱۳۸۷].

۱-۵-۴سرب

منابع طبیعی انتشار سرب در جو شامل فعالیت‌های آتشفشانی و پراکنده شدن خاک در هوا می‌باشد. منابع انسانی انتشار سرب در جو شامل صنایع ذوب فلزات و سوزاندن مواد زائد جامد بوده اما عمده‌ترین منبع انتشار سرب در جو زمین وجود تترا اتیل سرب در بنزین بوده‌است. این ماده به‌منظور افزایش توان ضدکوبش موتور به بنزین افزوده می‌شد اما احتراق آن همراه سوخت باعث تخلیه و انتشار ۷۰ تا ۸۰ درصد سرب موجود در آن به جو می‌گردید [شفیع‌پور.م, ۱۳۸۷]. استفاده از مدل هوشمند شبکه عصبی

ذرات کوچک سرب موجود در جو در اثر تبخیر یا تغلیظ به هم چسبیده و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند و هنگامی که قطر این ذرات به چند میکرون برسد ته‌نشین شده و یا به‌وسیله باران شسته شده و از جو حذف می‌گردند. سرب یک سم تجمعی است که در حدود ۲۰ تا ۵۰ درصد سربی که از طریق هوا وارد ریه انسان می‌شود، جذب می‌گردد. علائم مسمومیت ناشی از سرب در انسان شامل خستگی، زود رنجی، سر درد و زرد شدن رنگ بدن است. در صورتی که میزان سرب در ۱۰۰ گرم خون بیش از ۸۰ میکرو‌گرم باشد منجر به گرفتگی عضلات معده و اختلالات گوارشی شده و اگر میزان سرب به بیش از ۱۲۰ میکرو‌گرم در ۱۰۰ گرم خون برسد ممکن است باعث آسیب مغزی حاد [آنسفالوپاتی] شود. تماس طولانی مدت با غلظتهای بالای سرب می‌تواند سبب تشنج، ایست قلبی، کما و یا مرگ انسان گردد [اصیلیان.ح, ۱۳۸۶].

۱-۵-۵ذرات معلق

به هر جزء پراکنده اعم از جامد، مایع یا گاز که بزرگتر از یک مولکول با قطر ۰۰۰۲/۰ میکرومتر و کوچکتر از ۵۰۰ میکرومتر باشد، ذره گفته می‌شود. ذراتی که قطر آنها از ۱/۰ تا ۱۰ میکرومتر باشد به عنوان PM₁₀ و ذراتی با قطر ۱/۰ تا ۵/۲ میکرومتر به عنوان PM_2.5 شناخته می‌شوند. اصلی‌ترین اثر بهداشتی ذرات معلق متوجه دستگاه تنفسی انسان است همچنین این مواد با شرکت در واکنش‌های شیمیایی با دیگر آلاینده‌ها می‌توانند باعث تولید آلاینده‌های ثانویه و دیگر سموم شوند. ذرات معلق را بر اساس حالت آنها به گروه‌های زیر طبقه‌بندی می‌کنند [Wark.K and Warner.C, 1998]:

فهرست مطالب

۱-۱- مقدمه. ۱

۱-۲- مفهوم آلودگی هوا ۱

۱-۳- انواع آلاینده‌ها ۲

۱-۴- منابع آلودگی هوا ۳

۱-۵- آلاینده‌های معیار. ۴

۱-۵-۱- منواکسید کربن.. ۴

۲-۵-۱- اکسیدهای نیتروژن. ۴

۳-۵-۱- اکسیدهای گوگرد. ۵

استفاده از مدل هوشمند شبکه عصبی

۴-۵-۱- سرب… ۶

۵-۵-۱- ذرات معلق.. ۷

۶-۵-۱- ازن و اکسیدانهای فتوشیمیایی.. ۸

۶-۱- استاندارد کیفیت هوا ۸

۷-۱- هواشناسی آلودگی هوا ۹

۸-۱- لایه‌های جو. ۱۱

۱-۸-۱- وردسپهر. ۱۲

۲-۸-۱- آرام‌سپهر. ۱۲

۳-۸-۱- میان‌سپهر. ۱۳

۴-۸-۱- گرم‌سپهر. ۱۳

۹-۱- وضعیت جو. ۱۳

۱-۹-۱- فشار هوا و باد. ۱۴

۲-۹-۱- تلاطم. ۱۵

۳-۹-۱- تلاطم  حرارتی.. ۱۶

۱۰-۱-  اثرات ناشی از عوارض زمین.. ۱۶

۱-۱۰-۱- جزیره حرارتی.. ۱۶

۲-۱۰-۱- اثر دریا ۱۶

۳-۱۰-۱- اثر دره ۱۷

۱۱-۱ حرکات قائم جو. ۱۷

۱-۱۱-۱- مفهوم آهنگ گذر. ۱۷

۲-۱۱-۱- پایداری و ناپایداری جو. ۲۰

۳-۱۱-۱- وارونگی دما و عمق اختلاط.. ۲۲

۱-۲- مقدمه. ۲۷

۲-۲- مقیاس مدل‌سازی آلودگی هوا ۲۷

۳-۲- ارتباط پیش بینی عددی وضع هوا و مدل‌سازی آلودگی هوا ۲۸

۴-۲- روشهای مدل‌سازی آلودگی هوا ۳۱

۵-۲- انواع مدل‌های ریاضی پیش‌بینی آلودگی هوا ۳۱

۱-۵-۲- مدل‌های جعبه‌ای.. ۳۱

۲-۵-۲- مدل‌های گوسی.. ۳۲

۳-۵-۲- مدل‌های لاگرانژی.. ۳۳

۴-۵-۲- مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی.. ۳۳

۵-۵-۲- مدل هوشمند شبکه عصبی.. ۳۴

۶-۲- کاربرد مدل‌های آلودگی هوا ۳۶

۱-۳- روش انجام کار ۴۱

۲-۳- مکان انجام تحقیق.. ۴۱

۳-۳- مدت زمان انجام تحقیق.. ۴۱

۴-۳- روش مدل‌سازی.. ۴۲

۱-۴- مقدمه. ۴۴

۲-۴- مدل شبکه عصبی مصنوعی.. ۴۱

۱-۲-۴- الگو برداری شبکه عصبی مصنوعی از سیستم عصبی بدن انسان. ۴۲

۲-۲-۴- ﻧﻤﺎی ﺷﺒﻜﻪ‌ﻫﺎی ﻋﺼﺒﻲ ﻣﺼﻨﻮﻋﻲ ۴۴

۳-۲-۴- تابع فعالیت داخلی  نرون. ۴۵

۴-۲-۴- آﻣﻮزش ﺷﺒﻜﻪ ﻋﺼﺒﻲ ۴۶

۵-۲-۴- روش‌های آﻣﻮزش ﺷﺒﻜﻪ ﻋﺼﺒﻲ ۴۷

۶-۲-۴- انتخاب نوع شبکه‌ عصبی.. ۵۴

۷-۲-۴- وﻳﮋگی‌های ﺷﺒﻜﻪ ﻋﺼﺒﻲ ﻣﺼﻨﻮﻋﻲ.. ۵۶

۸-۲-۴-  پیش بینی آلودگی هوا با استفاده از شبکه عصبی پرسپترون چندلایه. ۵۷

۳-۴- معیارهای ارزیابی مدلها ۵۹

۱-۵- نتیجه‌گیری.. ۶۲

فهرست جداول

جدول (۱-۱): نوع و مقدار ترکیبات ثابت جو. ۲

جدول ۱-۲)): نوع و مقدار ترکیبات متغیر جو. ۲

جدول (۱-۳): مقادیر استاندارد سازمان بهداشت جهانی برای آلودگی هوای باز. ۸

جدول (۱-۴): استاندارد خروجی از نیروگاه ها ۹

جدول (۵-۱): استانداردهای خروجی از کارخانجات و کارگاههای صنعتی.. ۱۰

جدول (۱-۲): مقیاس‌های مدل‌سازی آلودگی هوا ۲۸

جدول (۲-۲): مدل‌های پراکنش آلاینده‌های هوا ۳۷

جدول (۳-۲): مدل‌های بررسی دینامیک هوامیز‌ها ۳۹

جدول (۱-۴): خلاصه الگوریتم یادگیری پس انتشار BP برای شبکه عصبی پیشرو چندلایه. ۴۸

فهرست اشکال

شکل (۱-۱): لایه‌های جو. ۱۱

شکل (۲-۱): نمودار یک سیستم پر فشار. ۱۴

شکل (۳-۱): نمودار یک سیستم کم‌فشار. ۱۵

شکل (۴-۱): جو ناپایدار. ۲۰

شکل (۵-۱): جو خنثی.. ۲۱

شکل (۶-۱): جوپایدار. ۲۱

شکل (۷-۱): جو بسیار پایدار در حالت وارونگی.. ۲۱

شکل (۸-۱): پروفیل درجه حرارت- ارتفاع جو در یک روز بدون ابر، کم باد و خشک ۲۳

شکل (۱-۲): نمودار مدل‌سازی به روش غیرتوام. ۲۹

شکل (۲-۲): نمودار مدل‌سازی به روش توام. ۳۰

شکل (۱-۴): نرون بیولوژیکی (سمت چپ) و  نرون شبیهسازی شده (سمت راست) ۴۳

شکل (۲-۴): اتصالات یک ANN نوعی.. ۴۴

شکل (۳-۴): ﺳﺎﺧﺘﺎر ﻳﻚ ﻧﺮون ﻣﺼﻨﻮﻋﻲ.. ۴۴

شکل (۴-۴): شکل ماتریسی شبکه چند لایه (BPNN) 45

شکل (۵-۴): نمای کلی از یک MLP.. 54

شکل (۶-۴): شماتیک مراحل ساخت شبکه عصبی جهت پیش‌بینی آلودگی هوا ۵۹