پیش‌بینی دیدافقی با آموزش شبکه پیشخور توسط الگوریتم یادگیری پس‌انتشار ارتجاعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسنده

گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

پدیده­های هواشناسی حاصل سامانه­های پیچیده­ای هستند که بخش­های مختلفی در تماس با هم و محیط اطراف دارند. هدف این تحقیق نمایش کارایی شبکه‌های عصبی در پیش­بینی متغیرهای هواشناسی است. برای این منظور پیش­بینی دید افقی که کاربرد فراوان در هواشناسی و هوانوردی به‌ویژه در فرودگاه­ها دارد برای بررسی انتخاب شده­است. داده­های این بررسی، تلفیقی از گزارش­های متار و سینوپ ایستگاه بندرعباس در بازه 1 تا 30 مارس 2014 است. برای پیاده­سازی شبکه، ابتدا داده‌های آموزش، آزمون و اعتبارسنجی شبکه به­صورت تصادفی با نسبت­های ۷0، ۱۵ و ۱۵ درصد استخراج و ذخیره شد تا برای مقایسه حالت­های مختلف اجرای شبکه از داده یکسان استفاده شود. ترکیب­های مختلف هفت متغیر دما، دمای نقطه­شبنم، هوای ­حاضر، فشار، میزان پوشش ابر آسمان، سمت و سرعت باد، به‌عنوان ورودی به شبکه­ پیش­خور داده­شد که خروجی آن دیدافقی است. در مجموع همبستگی و جذر میانگین مربعات خطا برای ۲۸ حالت بررسی شده­است. نتایج نشان می­دهند که ترکیب­های حاوی پدیده هوای ­حاضر بیشترین همبستگی را با دیدافقی دارند و کمیت­های دمای نقطه­شبنم، فشار و میزان پوشش ابر به تنهایی تاثیری روی آن ندارند. بعد از پردازش­های اولیه، از شبکه پیش­خور با الگوریتم یادگیری پس­انتشار ارتجاعی با هشت نرون و تابع سیگموئید در لایه پنهان، تابع خطی در لایه خروجی برای پیش­بینی استفاده شد. این شبکه با دو سری داده­های استاندارد شده بین بازه­های صفر و یک، 0/1 و 0/9، نمو­های افزایش و کاهش متفاوت برای بایاس­ها و وزن‌ها، و همچنین نرخ­های یادگیری متفاوت اجرا شده­ است. مقدارهای مناسب برای این کمیت­ها به­ترتیب 1/2، 0/35 و 0/0001 هستند و استانداردسازی داده­ها در حد فاصل بین صفر و یک مناسب نیست. مقادیر ضریب کسر مطلق از واریانس برای داده‌های آموزش، آزمون و اعتبارسنجی به‌ترتیب 0/9972،  0/9856 و 0/9839 به­دست آمد که نشان می­دهد نزدیک به 98 درصد مقدار دیدافقی تحت تاثیر این متغیرهای مستقل بوده و مابقی تغییرات آن وابسته به سایر عوامل است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Prediction of horizontal visibility by training feedforward network with resilient backpropagation algorithm

نویسنده [English]

  • Farideh Habibi
Department of Space Physics, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Meteorological phenomena are complex systems with different parts that are in contact with each other as well as their surroundings. The purpose of this research is to demonstrate the efficiency of neural networks in predicting meteorological variables. For this purpose, the prediction of horizontal visibility that is widely used in meteorology and aviation especially at airports has been selected for analysis. The data of this study are a compilation of Metar and Synop reports of Bandar Abbas synoptic station in the period from 1 to 30 March 2014.
To implement this network, at first, the whole data were randomly divided into three categories with proportions of 75, 15 and 15 percent for learning, testing and validation of network and saved in other files. The seven variables for inputs )temperature, dew point temperature, atmospheric pressure, sky cloud coverage, wind speed and wind direction) of the network with 28 various composites tested with a feedforward network and their correlation with the output and amount of root mean square (RMS) error of network have been studied. The results show, the compositions that containing the present air phenomena are most correlated with the horizontal visibility. Besides, the dew point temperature, atmospheric pressure and the amount of cloud cover are variables that alone do not have an affect on the horizontal visibility.
In this research, a network which works with training neural networks by resilient backpropagation algorithm is used. This is a learning heuristic for supervised learning in feedforward artificial neural networks, which only the sign of the partial derivative is used to determine the direction of the bias and weight updates and the magnitude of their derivative has no effect on their updates. Of course, the size of their change (increment and reduce rates) is determined by a separate update value. This network with eight neurons and sigmoid transfer function in the hidden layer and the linear transfer function in the output layer is used for predicting of horizontal visibility. This network was performed with two standardization data sets between intervals 0.0-1.0 and 0.1-0.9; also, different learning rates, incremental and reduced rates for weights and biases. The results show that the normalization is not appropriate between zero and one. The appropriate amounts of learning rate, incremental and reduced rates for this network are 0.0001, 1.2 and 0.35, respectively.   
The values of the coefficient of determination for training, test and validation data for a running network with all variables were 0.9972, 0.9866 and 0.9839, respectively. These values show that nearly 99 percent of the measured horizontal visibility is affected by these independent variables and the rest of its variations are dependent on other factors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • prediction
  • horizontal visibility
  • feedforward network
  • learning rate
  • resilient backpropagation algorithm
رضایی ارشد، ر.، صیاد، غ.، مظلوم، م.، شرفا، م.، و جعفرنژادی، ع. ، ۱۳۹۱،  مقایسة روش­های شبکه عصبی مصنوعی و رگرسیونی برای پیش­بینی هدایت هیدرولیکی اشباع خاک­های استان خوزستان: مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک، 60 ، 118-107.
یوسفی، م. و پورشرعیاتی، ر. ، 1393، برآورد رسوب معلق با استفاده از شبکه عصبی و ارزیابی توابع آموزشی (مطالعه موردی: استان لرستان): پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 10، 97-85.
عامری، م. و‌ هادی پور، م.، پاییز ۱۳۹۳، ارزیابی عملکرد شبکۀ عصبی مصنوعی در پیش‌بینی تابش خورشیدی روزانۀ کشور ایران: نشریه علمی پژوهشی مهندسی و مدیریت انرژی، 3، 47-37.
Amini, J., 2008, Optimum Learning Rate in BP Network: Scientia Iranica, 15( 6), 558-567.
Barnett, T. P., and Preisendorfer, R., 1987, Origins and levels of monthly and seasonal forecast skill for United States surface air temperatures determined by canonical correlation analysis: Monthly Weather Review, 115, 1825–1850.
Cadenas, E., Rivera, W., 2009, Short term wind speed forecasting in La Venta, Oaxaca, Mexico, using artificial neural networks. Journal of Renew Energy, 34,274–278.
Chaudhuri, S., Das, D., Sarkar, I., and Goswami, S., 2015, Multilayer perceptron model for nowcasting visibility from surface observations: Results and sensitivity to dissimilar station altitudes: Pure and Applied Geophysics, 172, 2813–2829. DOI 10.1007/s00024-015-1065-2.
Chmielecki, R. M., and Adrian, E. R., 2011, Probabilistic visibility forecasting using Bayesian model averaging: Monthly Weather Review, 139, 1626-1636.
Erdil, A., Arcaklioglu, E., 2013, The prediction of meteorological variables using artificial neural network: Neural Computing and Applications, 22, 1677–1683.
Galton, F. J., 1885, Regression towards mediocrity in hereditary stature: The Journal of the Anthropological Institute of Great Britain and Ireland, 15, 246–263.
Hansen, B., 1997, State of the Art of Neural Networks in Meteorology: Mid-term Paper for Neural Networks Course at the Technical University of Nova Scotia.
Hotelling, H., 1936, Relations between two sets of variates: Biometrika, 28, 321–377. Litta, A. J., Idicula, S. M., and Mohanty, U. C., 2013, Artificial neural network model in prediction of meteorological parameters during premonsoon thunderstorms: International Journal of Atmospheric Sciences, 2013, Article ID 525383, 14 pp, http://dx.doi.org/10.1155/2013/525383
Makridakis, S., 1993, Accuracy measures: Theoretical and practical concerns: International Journal of Forecasting, 9(4), 527-529.
Pearson, K., 1901, On lines and planes of closest fit to system of points in space: Philosophical Magazine, 6(2), 559–572.
Rehman, S., Mohandes, M., 2008, Artificial neural network estimation of global solar radiation using air temperature and relative humidity: Journal of Energy Policy, 36, 571–576.
Santhanam, T., Subhajini, A. C., 2011, An efficient weather forecasting system using radial basis function neural network: Journal of Computer Science, 7, 962–966.
Shank, D. B., Hoogenboom, G., Mcclendon, R. W., 2008, Dewpoint temperature prediction using artificial neural networks: Journal of Applied Meteorology and Climatology, 47, 1757–1769.
Sozen, A., Arcaklioglu, E., 2005, Effect of relative humidity on solar potential. Journal of Applied Energy, 82, 345–367.