پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

ارزیابی ریسک گذر خطوط لوله گاز از محدوده های کوهستانی و بررسی تهدید آنها توسط لغزش های دامنه ای با استفاده از بکارگیری الگوریتم های هیبریدی- فازی (مطالعه موردی : خط سوم تهران)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادژئومورفولوژی ،گروه سنجش و جی ای اس، دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی ،دانشگاه تبریز.
2 دانش آموخته ارشد سنجش و جی ای اس، دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز.
3 دانشیار جی ای اس، گروه سنجش و جی ای اس، دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی ،دانشگاه تبریز.
10.22034/gmpj.2024.425714.1465
چکیده
این مطالعه با هدف بررسی تهدیدات خطوط لوله گاز توسط لغزش و ارزیابی کارآمدی الگوریتم های هیبریدی- فازی در مدل سازی ریسک شبکه های انتقال گاز در بخش هایی از استان تهران و قم انجام شد. در این پژوهش با استفاده از سیستم های هوشمند ،شامل شبکه عصبی پرسپترون چندلایه، جنگل تصادفی، فازی – تحلیل شبکه، فازی و فرآیند تحلیل شبکه، به منظور ارزیابی ریسک خط لوله گاز 36 اینچ استفاده گردید. برای ارزیابی ریسک خط لوله گاز(با در نظر گرفتن 11 متغیر)، از مدل های Fuzzy،Fuzzy_ANP ،ANP، MLP و RF استفاده گردید. پس از اجرای مدل ها، مقادیر بدست آمده از هر مدل مورد مقایسه قرارگرفت .نتایج مطالعات نشان داد که شبکه عصبی پرسپترون چند لایه با توجه به ساختار غیر خطی و توانمند، در مدلسازی با کمترین خطا، از کارآیی بالاتری برخوردار است. در مدل پرسپترون چند لایه ای، خطای سیستماتیک 002812/ 0، خطای مطلق 0.042168 و خطای جذر میانگین مربعات با 05020 /0بهترین نتیجه را در ارزیابی ریسک نشان داد . تهیه نقشه های کیفی حاصل از پهنه بندی زمین لغزش در مدل MLP نشان داد که محدوده شمالی از آسیب پذیری بیشتری نسبت به سایر مناطق برخوردارند . بر اساس نتایج و استفاده از مدل MLP، و با در نظر گرفتن تهدیدات توسط زمین لغزش می توان گفت که ، 78/9 درصد منطقه در کلاس کم خطر، 17/47 درصد در کلاس خطر متوسط، 95/36 درصد در کلاس نسبتا زیاد و 10/6 درصد در کلاس با خطر زیاد می باشد. نتایج همچنین نشان داد که اکثر محدوده مورد مطالعه و خط لوله با توجه به معیارهای بیان شده در این پژوهش از آسیب پذیری متوسط و نسبتا زیاد برخوردارند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Assessing the risk of gas pipelines passing through mountainous areas and investigating their threat from landslides using hybrid-fuzzy algorithms

نویسندگان English

maryam bayati khatibi 1
somaye hassanpour 2
bakhtiyar fezizadeh 3
1 uni of tabriz
2 ms uni of tabriz
3 rs and gis uin of tabrizu.ac.ir
چکیده English

Almost most of the installations located in natural beds face many threats over time, and in order to reduce the damage, it is necessary to identify the threatening factors and use the results in the appropriate location or in taking measures to reduce the damage. Today, the increase in consumption Gas has caused an increase in the density of the gas transmission pipeline network and, as a result, an increase in its potential risks. The first step in risk analysis is to identify the effective factors in the occurrence of accidents and breakdowns on the pipeline. According to the environment around the pipeline, various factors cause pipeline damage and accidents. After identifying the damage factors, the amount of damage caused by each is calculated and the results are expressed in the form of risk. It is possible to establish a connection between the risk estimation process and the geographic information system and make appropriate zoning. It was determined by using models and geographic information system. Therefore, in this research, the process of estimating environmental risk with geographic information system and using hybrid-fuzzy algorithms has been investigated. Valuable information such as risky components can be determined by assessing the risk of gas pipelines, and a suitable response and strategy can be used to reduce or even eliminate it. In order to achieve this goal, it is necessary to use a suitable technique that can accurately and reliably assess the existing risks, so that planners and managers can act with a wider horizon and a lower risk factor towards the optimal management of gas transmission lines. The extent of gas lines in Tehran and Qom province and considering the environmental and natural characteristics of the two provinces, it is very important to assess the amount of damage. In this research, MATLAB version 2019b software was used in order to assess the risk of the gas pipeline using the multi-layer perceptron neural network model. Due to the fact that the number of input nodes and hidden layers are varied in the specified range, the optimal number of input nodes and hidden layers was determined by model selection criteria on the test data and the WIC model was used. Due to the existence of 11 criteria in this research, 11*11 modes were created. Also, in this research, the input layer has 6 neurons and 1 neuron in the hidden layer and the algorithm used is Levenberg- Morquardt according to the purpose of the research and high accuracy. In this model, there were 740 data, 70% of which were used for training, 15% for testing, and 15% for evaluation. For risk assessment, criteria were weighted by VIA method. In this method, using the feature eliminate process, a criterion was removed in each step and the network error was measured. In this research, in addition to the MLP model, the Random Forest model was used. In this method, an estimate of the classification error can be obtained based on the training data. The number of trees should be enough to stabilize the error rate and the additional index that is created in the RF method. To estimate the feature importance, first the OOB components are run among the trees and the votes are counted for correct classification. Then, the prediction accuracy is obtained many times after randomly changing all the values of this feature while all other features are the same. In order to assess the risk of the gas pipeline using the random forest model from MATLAB version 2019b software and from the model Regression and RF Regression function were used. In this model, the selection of training and test data is random and 740 points are samples, 80% of which include training data and 20% of test data. In this model, the number of decision trees used by the tree bagger function is 500. To check the validity of the models, the estimated values obtained from the networks and the measured values in the test phase were used. To validate the model, the root mean square error (RMSE), mean error of exploitation (MBE), and mean absolute error (MAE) were used.According to the results of ANP landslide index, 0% of the area is in the low risk class, 17.28% in the medium risk class, 73.14% in the high risk class, and 9.58% in the high risk class. Therefore, it can be said that 19.008 km of the investigated area are located in parts with moderate vulnerability, 80.454 km with relatively high vulnerability and 10.538 km with high vulnerability. According to the results of the Fuzzy model landslide index, 41.85% of the area is in the low risk class, 11.60% in the medium risk class, 22.52% in the high risk class, and 24.03% in the high risk class. Based on the landslide criterion and the results of the fuzzy model, it can be said that 46.035 km with low vulnerability, 12.76 km with moderate vulnerability, 24.772 km with relatively high vulnerability and 26.433 km with vulnerability. In this research, the systematic error (MBE) of the MLP model is estimated to be 0.002812, and the absolute error of the model is 0.042168. The RMSE error rate is 0.05020. The systematic error (MBE) of the RF model is -0.151848. The absolute error of the model is 0.179101. The systematic error (MBE) of Fuzzy_ANP model is -0.16893. The absolute error of the model is 0.170337. The RMSE error was 0.12262.

کلیدواژه‌ها English

hybrid-fuzzy
algorithms
random forest
ایلانلو، م.، مقیمی، ا.، ثروتی، م. ر.، قهرودی تالی، م.،1389. پهنه بندی خطر حرکات توده ای با استفاده از روش منطق فازی، مطالعه موردی: حوزه آبریز سیرا، مجله چشم انداز جغرافیایی، سال پنجم، شماره11، صص 12-26.
کرمی، ف؛بیاتی خطیبی، م؛  ملکی ، ش.،1396. بررسی مخاطرات ناشی از زلزله اهر ورزقان در حوضه سرندچای و پیرامون آن ، مجله مخاطرات محیط طبیعی، دوره ششم، شماره 14، صص 153-168.
جباری قره باغ، موسی،.1387. ارزیابی و مدیریت ریسک خطوط لوله حمل و نقل محصولات نفت و گاز و پتروشیمی، اولین کنفرانس حمل و نقل مواد خطرناک و اثرات زیست محیطی آن، تهران.
جعفر بیگلو، م؛ مقیمی، ا؛ مقصودی، م؛ مونیر، ن؛ احمدی، ا.، 1397.تاثیر مخاطرات ژئومورفولوژیک آبراهه ای بر خطوط انتقال انرژی با استفاده از مدل ریسک خط لوله، مطالعه موردی: خط لوله گاز نهم سراسری، مدیریت مخاطرات محیطی( دانش مخاطرات سابق)، دوره 5، شماره 2، صص 216 – 199 .
شمس کیا ،قل ،ا .،1399.تحلیـــل ریســـک در پروژهش هـــای خطـــوط لولـــه انتقـــال گازاســـتان گیلان با رویکـــرد حفاظـــت و اثـــرات زیســـت محیطی ،مدیریت بحران ،شماره 57،صص 67-57.
صفاری، ا؛ مقیمی، ا.،1388. ارزیابی ژئومورفولوژیکی توسعه شهری و آسیب پذیری ناشی از زمین لغزش در دامنه های کوهستانی کلان شهر تهران، پژوهش های جغرافیای طبیعی، دوره 41، شماره 67، صص57-71.
-صادق ب،  کاظمی، م  ،آذر ، ع، اصغری زاده ، ع .،.1400.ارائه مدل پیش‌بینی ریسک‌های بحرانی شبکه انتقال گاز با استفاده از الگوریتم‌های، داده‌کاوی ،چشم انداز مدیریت صنعتی ،شماره 46،صص 56- 76  .
صادقی ،ع ؛طالبی،ع ؛زارعی ،پ.1401. تعیین آستانه بارش بحرانی در وقوع زمین لغزش های سطحی بر اساس مدل فرایند محور (مطالعه موردی: منطقه ی جوانرود ،استان کرمانشاه). پژوهش های ژئومورفولوژی کمی ،دوره 10،شماره 4،صص 155-138
-قندهاری، م؛ مومنی، م؛ مهرگان، م.،.1399. شناسایی و ارزیابی کمی ریسک خطوط لوله گاز شهری و تعیین مناطق حساس با ارائه مدل تلفیقی، پژوهش های نوین در تصمیم گیری، دوره 4، شماره 1.صص 102-122.
-ملکیان، آ؛ افتادگان خوزانی، ا؛ عشورنژاد، غ.،. 1400.پهنه بندی پتانسیل سیل خیزی حوضه اخترآباد با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی فازی، فصلنامه پژوهش های جغرافیای  طبیعی، دوره 44، شماره 4، صص 152-131.
مختاری ،ل ،ناعمی تبار ،ل .1401.مدل سازی و پیش بینی مکانی مخاطره زمین لغزش با استفاده از الگوریتم های پیشرفته داده کاوی(مطالعه موردی: شهرستان کلات). پژوهش های ژئومورفولوژی کمی ،دوره 10،شماره 4،صص 116-137.
Ballabio, C., & Sterlacchini, S. (2012). Support vector machines for landslide susceptibility mapping: the Staffora River Basin case study, Italy. Mathematical geosciences, 44(1), 47-70.
Amiri1, M., Asgari,H,Pourghasemi,HChooghi Bairam Komaki.2022. Efficiency of maximum entropy algorithm and GIS in assessing the landslide susceptibility, Journal of Water and Soil Conservation,33(2),53-76.
Devkota, K. C., Regmi, A. D., Pourghasemi, H. R., Yoshida, K., Pradhan, B., Ryu,I. C., ... & Althuwaynee, O. F. 2013. Landslide susceptibility mapping using certainty factor, index of entropy and logistic regression models in GIS and their comparison at Mugling–Narayanghat road section in Nepal Himalaya. Natural hazards, 65(1), 135-165.
-Cybenko, G .1989. Approximation by superpositions of a sigmoidal function. Mathematics of Control, Signals, and Systems (MCSS), 2(4), 303–314.
-Du, K. L; Swamy, M. N. S .2006. Neural Networks in a Softcomputing Framework, Springer London, 2006.
-Ece Oz, Nurdan; Mete, Suleyman; Serin, Faruk; Gul, Muhamme .2018.Risk assessment for clearing and grading process of a natural gas pipeline project.
Esposito, Simona; Iervolino, Iunio; d’Onofrio, Anna; Santo Antonio.2015 .Simulation-Based Seismic Risk Assessment of Gas Distribution Networks. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 30 (2015) 508–523.
-Faris, H; Aljarah, I; Al-Madi, N; Mirjalili, S .2016. Optimizing the learning process of feedforward neural networks using lightning search algorithm. International Journal on Artificial Intelligence Tools, 25(06), 1650033.
-Heidari, Ali Asghar; Faris, Hossam; Mirjalili, Seyedali; Aljarah, Ibrahim;
Mafarja, Majdi .2019.Ant Lion Optimizer: Theory, Literature Review, and Application in Multi-layer Perce
ptron Neural Networks, Nature-Inspired Optimizers, Studies in Computational Intelligence 811,
-Horning, N .2010. Random Forests: An algorithm for image classification and generation of continuous fields data sets, Proceeding of International Conference on Geoinformatics for Spatial Infrastructure Development in Earth and Allied Sciences, 2010.
-Kanungo, D.P;Arora, M. K; Sarkar, S; Gupta, R. P .2006. A comparative study of conventional, ANN black box, fuzzy and combined neural and fuzzy weighting procedures for landslide susceptibility zonation in Darjeeling
Himalayas. Engineering Geology,
85(3), 347-366.
Kogan, F.N .1993.United States droughts of late 1980's as seen by NOAA polar orbiting satellites. International Geoscience and Remote Sensing Symposium 1:197-199.
Demir ,G .2016.Landslide susceptibility assessment of the part of the North Anatolian Fault Zone,2 (Turkey) by GIS-based frequency ratio and index of entropy models, Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss., doi:10.5194/nhess-2016-327,2016Manuscript under review for journal Nat. Hazards Earth Syst. Sci.Published: 18 October 2016.1-17.
Lahiri, S.K., and Ghanta, K.C.2008. Prediction of Pressure Drop of Slurry Flow in Pipeline by Hybrid Support Vector Regression and Genetic Algorithm Model, Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(6) 841-848.
Wang,L, Guo ,M., Sawada ,K., Lin ,L.2015.A comparative study of landslide susceptibility maps using logistic regression,frequency ratio, decision tree, weights of evidence and artificial neural network, Geosciences Journal ,DOI 10.1007/s12303-015-0026-1.
Li, Feng, Wang, Wenhe, Dubljevic, Stevan, Khand, Faisal, Xua, Jiang and Yia, Jun. 2019. Analysis on accident-causing factors of urban buried gas pipeline network by combining DEMATEL, ISM and BN methods, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 61 (2019) 49–57.
Li-, Feng, Wang, Wenhe, Xu, Jiang, Yi, Jun and Wang, Qingsheng .2018. Comparative Study on Vulnerability Assessment for Urban Buried Gas Pipeline Network Based on SVM and ANN Methods, Process Safety and Environment Protection.
Liaw, A; Wiener, M .2002. Classification and Regression by Random Forest,” R News, 2, 18–22.
Pachauri, A. K., Pant, M. 1992.Landslide hazard mapping based on geological
attributes. Engineering geology, 32(1-2), 81-100.