شماره ركورد
34021
پديد آورنده
اميرحسين محمودي رحماني
عنوان
طراحي بهينه و پيشبيني مقطع هندسي آبراهههاي پايدار توسط الگوريتمهاي يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران گرايش آب و سازههاي هيدروليكي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/06/30
استاد راهنما
دكتر حسين افضليمهر، دكتر مجيد ايلچي قزاآن
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
دانشكده مهندسي عمران
چكيده
طراحي بهينه آبراهههاي پايدار و درك چگونگي رفتار آنها در برابر تغييرات گوناگون جريان از مسائل مهم در علم مهندسي رودخانه بهحساب ميآيد. مطالعه حاضر، با هدف توسعه چارچوبي جهت پيشبيني و بهينهسازي مقطع هندسي آبراهههاي پايدار با بهكارگيري 835 داده اندازهگيريشده از شرايط رودخانهاي گوناگون انجام گرفته است. در بخش نخست، از چهار الگوريتم يادگيري ماشين مبتني بر يادگيري گروهي شامل جنگل تصادفي، تقويت گراديان، تقويت گراديان شدتيافته و تقويت سازگار جهت پيشبيني عرض سطح آزاد، عمق و شيب طولي آبراهه بر اساس متغيرهاي مستقل دبي جريان، قطر متوسط ذرات بستر، پارامتر شيلدز، ضريب زبري مانينگ و قطر بيبعد ذرات بهره گرفته شده است. سپس، عملكرد آنها با برخي معادلات تجربي كلاسيك مقايسه گرديده است. همچنين، اهميت متغيرهاي ورودي و ميزان تأثير هر يك بر پاسخهاي مدل منتخب با استفاده از تحليلهاي شَپ (SHAP) مورد ارزيابي قرار گرفته است. در بخش دوم، به بهينهسازي سه فرضيه حدي شامل حداقل عدد فرود، حداكثر مقاومت جريان و حداكثر ظرفيت انتقال رسوب با استفاده از الگوريتم فراكاوشي بهينهساز تعادل پرداخته شده است. سپس، عملكرد هر يك با رويكردي تحليلي مبتني بر كمينهسازي توان جريان و دادههاي اندازهگيريشده مقايسه و ارزيابي گرديده است. نتايج نشان داد كه الگوريتم جنگل تصادفي قادر است با ضريب همبستگي برابر با 0.95، عرض و عمق آبراهه را پيشبيني نمايد اما هيچيك از الگوريتمها در پيشبيني شيب آبراهه موفق نبودند بهطوريكه ضرايب تعيين همگي آنها در مرحله آزمون كمتر از 0.2 بود. در خصوص فرضيههاي حدي نيز ميتوان گفت كه روش حداقل عدد فرود بهدليل حصول نتايجي نزديك به شرايط واقعي رودخانه مناسبتر است اما نميتوان نتيجه گرفت كه تنها اين فرضيه بايد مورد استفاده قرار گيرد. بديهي است استفاده از ديگر فرضيات با توجه به اهداف مورد نظر و در نظر گرفتن قيود مناسب قابلانجام است. در مجموع، يافتهها بيانگر آن است كه استفاده از روشهاي يادگيري گروهي بههمراه تحليلهاي شَپ رويكردي مناسب و قابلتفسير جهت پيشبيني ابعاد آبراهههاي پايدار محسوب ميشود. همچنين، نتايج نشان ميدهند كه فرضيههاي حدي قادراند رفتار هيدروليكي آبراههها را تا حد مطلوبي بازنمايي نمايند. هرچند در برخي موارد، اختلافاتي ميان دادههاي محاسباتي و ميداني مشاهده ميشود كه ميتواند ناشي از فرضهاي لحاظشده يا روابط مورد استفاده باشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/14
عنوان به انگليسي
Optimum Design and Prediction of Stable Channels Hydraulic Geometry using Ensemble Learning Algorithms
تاريخ بهره برداري
9/22/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
اميرحسين محمودي رحماني
چكيده به لاتين
Optimum design of stable channels and understanding their behavior under various changes in flow discharge is considered an important topic in river engineering studies. This research, is conducted with the aim of developing a unified framework to predict the stable alluvial channels’ optimum cross sections using 835 samples of various riverine systems. In the first part, ensemble learning algorithms including Random Forest, Gradient Boosting, XGBoost and AdaBoost are used to predict the width, depth and longitudinal slope of the rivers having input variables such as flow discharge, median particles diameter, Shield’s parameter, the manning’s friction coefficient and particle parameter. Then, their performance is evaluated against some empirical equations. Also, the importance of every input variable is evaluated using SHapley Additive exPlanations (SHAP). In the second part, three extremal hypotheses including minimum Froude number, maximum friction factor and maximum sediment transport capacity are chosen and optimized using metaheuristic Equilibrium Optimizer algorithm. Then the performance of each hypothesis is evaluated with an analytical approach based on minimization of stream power and also measured values. The results showed that the Random Forest algorithm has a better performance (R = 0.95) in prediction of the flow width and depth. None of the machine learning algorithms were able to predict the slope of the channels and had a poor accuracy (R = 0.2). Regarding the extremal hypotheses, it can be said that the minimum Froude number method is more appropriate because it provides results that are close to the actual conditions of the river, but it cannot be concluded that only this hypothesis should be used. Obviously, the use of other hypotheses is feasible according to the intended goals and considering appropriate constraints. After all, the findings show that applying ensemble learning algorithms with SHAP interpretations can be considered an efficient and powerful method to predict stable channels’ geometry. Also, the results show that the extremal hypotheses are able to represent the hydraulic behavior of the waterways to a satisfactory extent. However, in some cases, discrepancies are observed between the computational and field data, which could be due to the assumptions made or the relationships used.
كليدواژه هاي فارسي
طراحي آبراهههاي پايدار , سطح مقطع پايدار هيدروليكي , يادگيري گروهي , هوش مصنوعي توصيفپذير , بهينهسازي , فرضيههاي حدي
كليدواژه هاي لاتين
Stable channel design , hydraulic geometry relationships , ensemble learning , explainable AI , optimization , extremal hypotheses
Author
Amirhossein Mahmoudi Rahmani
SuperVisor
Dr. Hossein Afzalimehr, Dr. Majid Ilchi Ghazaan