ارزیابی توانایی شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک در تسریع شبیه سازی سیلاب با استفاده از نرم‌افزار STE

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 استاد دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی‌گرگان

چکیده

سابقه و هدف: وقوع سیل موجب خسارات قابل توجهی به مناطق شهری و روستایی می‌شود. تحلیل سریع و مشاهده پهنه سیلاب در زمان وقوع سیل برای شناسایی مناطق مورد تهدید و ارزیابی خسارات احتمالی، ضروری است. یکی از مهم‌ترین ضرورت‌های مدلسازی سریع سیلاب، امکان پیش‌بینی دقیق و به‌موقع نقاط مورد تهدید سیلاب است. این پیش‌بینی‌ها می‌توانند به مقامات مسئول و ساکنان مناطق در معرض خطر هشدار دهند تا اقدامات لازم برای کاهش خسارات جانی و مالی انجام شود. در زمان وقوع سیلاب، داشتن مدل‌های دقیق و سریع به مسئولان کمک می‌کند تا تصمیمات بهتری در زمینه امداد و نجات، تخلیه مناطق و تخصیص منابع اتخاذ کنند. برای مدلسازی سیل تحقیقات گسترده‌ای انجام شده و مدل‌های هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و تجربی زیادی ارائه و مورد بررسی قرار گرفته است. بر خلاف انجام تحقیقات متعدد هنوز نرم‌افزار و مدلی که بتواند در زمان وقوع سیل، پهنه‌بندی سریع سیلاب را انجام دهد وجود ندارد، لذا در این تحقیق اقدام به کدنویسی و توسعه بخش دوبعدی نرم‌افزار STE به منظور مدلسازی دقیق و سریع سیلاب با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی و معادلات دوبعدی آب کم عمق شده است.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق با توسعه بخش دو بعدی نرم‌افزار STE اقدام به ارزیابی توانایی دو ساختار متفاوت از شبکه‌های عصبی مصنوعی پرسپترون با نام شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک، در مدلسازی سریع سیلاب در رودخانه ایودلو کریک، در منطقه سانشاین کوست، کوئینزلند، کشور استرالیا شده است. در این تحقیق، تعلیم شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک با استفاده از الگوریتم هوشمند ژنتیک انجام گرفته و به منظور آزمون شبکه‌های تعلیم یافته و ارزیابی توانایی آن‌ها در مدلسازی سریع سیلاب به مقایسه نتایج با روش حل عددی تفاضل‌های محدود پرداخته شده است. برای انجام مدلسازی‌ها از هیدروگراف سیل دریافت شده از سایت هواشناسی کشور استرالیا برای ایستگاه هیدرومتری بالادست رودخانه مورد مطالعه استفاده شده است.
یافته‌ها: مقایسه نتایج بدست آمده از شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک با نتایج بدست آمده از روش تفاضل‌های محدود نشان داد، شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک قادر هستند 50 تا 70 درصد زمان لازم جهت اتمام مدلسازی را با حفظ میزان قابل توجهی از دقت و پایداری مدلسازی کاهش دهند. افزایش ضریب بتا در هر دو شبکه عصبی باعث افزایش سرعت مدلسازی در مقابل کاهش دقت مدلسازی شده است. شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده قادر به حفظ میزان بیشتری از دقت و پایداری مدلسازی مخصوصا در گام‌های زمانی بزرگتر و ضریب بتا بیشتر هستند و ضمن کاهش زمان لازم جهت اتمام مدلسازی، خطای کمتری وارد محاسبات کرده و نتایج را نزدیک‌تر به حل عددی ارائه می‌دهند. افزایش ضریب بتا خطای قابل توجهی را در مقابل کاهش اندک زمان اتمام مدلسازی به همراه خواهد داشت که بر این اساس می‌توان نتیجه گرفت ضریب بهینه بتا برای منطقه مورد مطالعه و شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده مقدار 8 می‌باشد. شبکه‌های عصبی آگاه از فیزیک پیچیده در ارائه نحوه تغییرات عمق جریان و پهنه سیلابی در طول زمان نیز با دقت قابل قبولی عمل کرده و برای مدلسازی سریع سیلاب، مشخص سازی پهنه سیلاب و مناطق مورد تهدید، مدیریت بحران و کاهش خسارات سیل مناسب می‌باشد.
نتیجه گیری: روش‌های هوش مصنوعی مورد بررسی در این تحقیق، ضمن افزایش سرعت مدلسازی و کاهش زمان لازم جهت اتمام مدلسازی و پهنه‌بندی سیل از دقت مناسبی برخوردار بوده و می‌تواند ابزار مناسبی برای مدلسازی سریع سیلاب باشد که استفاده از این شبکه‌ها به مشخص سازی سریع‌تر مناطق مورد تهدید سیل، اطلاع رسانی و تخلیه به موقع مناطق در معرض خطر و کاهش خسارات جانی و مالی کمک خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the Capability of Physics-Aware Neural Networks in Accelerating Flood Simulation Using STE Software

نویسندگان [English]

  • Reza Teimourey 1
  • Amir Dehghani 2
  • Mehdi Meftah Halaghi 3
1 Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Associate Professor, Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

Background and objectives: Floods cause significant damage to urban and rural areas. Rapid analysis and visualization of floodplains during a flood event are essential for identifying threatened areas and assessing potential damages. One of the most critical aspects of rapid flood modeling is the ability to accurately and promptly predict areas at risk. These predictions can warn authorities and residents in vulnerable areas, allowing for timely measures to reduce casualties and financial losses. During a flood, having precise and fast models helps officials make better decisions regarding rescue operations, evacuation, and resource allocation. Extensive research has been conducted on flood modeling, and numerous hydraulic, hydrological, and empirical models have been developed and reviewed. Despite numerous studies, there is still no software or model capable of rapid flood modeling during a flood event. Therefore, this research aims to develop the 2D module of the STE software to achieve accurate and rapid flood modeling using artificial intelligence methods and 2D shallow water equations.
Materials and methods: In this study, the 2D module of the STE software was developed to evaluate the capabilities of two different architectures of Perceptron artificial neural networks, named physics-aware neural networks, in rapid flood modeling in the Eudlo Creek, located in the Sunshine Coast region of Queensland, Australia. The physics-aware neural networks were trained using a genetic algorithm. To test the trained networks and evaluate their ability for rapid flood modeling, their results were compared with those obtained from the finite difference numerical solution. The flood hydrograph used for modeling was obtained from the Australian Bureau of Meteorology for the upstream hydrometric station of the studied river.
Results: The comparison of results obtained from physics-aware neural networks (PANNs) with those from the finite difference method showed that PANNs can reduce the time required for modeling by 50 to 70 percent while maintaining significant accuracy and stability. Increasing the beta parameter in both neural networks enhanced the modeling speed but reduced accuracy. Complex PANNs preserved higher levels of accuracy and stability, especially with larger time steps and higher beta values, resulting in less computational error and outcomes closer to the numerical solution. Increasing the beta parameter significantly increased errors while slightly reducing the modeling completion time. Hence, the optimal beta value for the study area and complex PANNs was determined to be 8. Complex PANNs also demonstrated acceptable accuracy in depicting changes in flow depth and floodplain over time, making them suitable for rapid flood modeling, floodplain mapping, identifying threatened areas, crisis management, and reducing flood damage.
Conclusion: The AI methods examined in this study demonstrated the ability to increase modeling speed and reduce the time required for flood modeling and floodplain mapping while maintaining adequate accuracy. These methods can serve as effective tools for rapid flood modeling, enabling quicker identification of flood-prone areas, timely notifications, and evacuations of at-risk regions, thereby helping to save lives and reduce financial losses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rapid Flood Modeling
  • Physics-Aware Neural Networks
  • Shallow Water Equations
  • STE Software