پایان نامه پیش بینی مدل وضعیت روسازی با استفاده از شبکه عصبی

پایان نامه پیش بینی مدل وضعیت روسازی با استفاده از شبکه عصبی

چکیده  

تشخیص به موقع شرایط نامطلوب روسازی به عنوان مسئله مهمی در حوزه مدیریت روسازی در سطح شبکه مطرح می باشد و در گذشته مدل های متفاوتی همچون رگرسیون و توزیع احتمالاتی برای آن در نظر گرفته شده است . برای پیش بینی شرایط روسازی در آینده لازم است که از شاخص هایی استفاده شود که کیفیت روسازی را با یک عدد که بیانگر وضعیت کلی روسازی است نمایش دهد. از مهمترین شاخص هایی که در این زمینه وجود دارد می توان به PCI وMCI وIRI اشاره نمود. شاخصی که دراین تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است IRI است که توسط بانک جهانی در دهۀ ٨٠ ارائه شده است و اهمیت ویژه ای از دید استفاده کنندگان راه دارد. در این تحقیق سعی شده با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی که یک رویکرد بیولوژیکی است به پیش بینی مقدار IRI در سالهای آینده با استفاده ازداده های LTPP پرداخته شود. برای این منظور مدل های متفاوتی از شبکه های عصبی مصنوعی از نظر ساختاری با استفاده از ورودی هایی که در تخریب روسازی نقش ایفا می کنند تحت آموزش به روش اندازه حرکت (Momentum) قرار گرفتند و سپس به وسیله داده های آزمایش ارزیابی شدند.شبکۀ دارای چهار لایۀ مخفی با تعداد ٥ نرون در هر لایه دارای بیشترین توانایی تعمیم است .و ضریب همبستگی داده های آزمایشی با داده های پیش بینی ٩٦% است که نشان دهندٔە کارایی قابل قبول شبکه است .در انتها داده های پیش بینی شدٔە بهترین مدل شبکه عصبی با داده های پیش بینی شدٔە مدل رگرسیونی از نظر میزان خطای پیش بینی مورد مقایسه قرار گرفتند.که مدل شبکه عصبی درپیش بینی ٢٢ مورد از ٣٨ سری دادٔە آزمایشی خطایی کمتر از ١٠ درصد داشت در حالی که در مورد مدل رگرسیونی این عدد به ٦ داده می رسد. نتایج داده های آزمایش نشان داد که شبکه نهایی می تواند شرایط روسازی  یک شبکه را حداکثر برای مدت ٤ سال پیش بینی کند. 

مقدمه  

به علت عدم توجه به نگهداری درست و عدم آگاهی مـدیران از فنـون مـدیریت هـای صـحیح و علمی بهره برداری ، روسازی های ساخته شده در برخی موارد حتـی بـه نصـف عمـر مفیـد و طبیعی خود نیز نرسیده وبه سرعت فرسوده و مستهلک مـی شـوند. بـه عنـوان مثال ،تحقیقـات اخیر بانک جهانی نشان می دهد که یک غفلت کوچک و عـدم نگهـداری یـک قطعـۀ راه در موقـع مناسب آن و افزایش ضریب زبری از ٢٥٠٠ به ٤٠٠٠ ، نیاز به یـک بودجـه نگهـداری معـادل ٥ برابر بودجه ای که در صورت نگهداری به موقع لازم بود،داشـته و حتـی عـدم تخصـیص ایـن بودجه ٥ برابر در این موقع هم باز به معنای افزایش سرعت استهلاک و در نهایـت نـابودی راه مزبور خواهد شد. به عبارت دیگر در صورت تخصیص به موقع بودجۀ نگهـداری و انجـام بـه موقع نگهداری شبکۀ راهها ، با همان بودجه می تـوان شـبکه ای بـا طـول ٥ برابـر را نگهـداری نمود.

توجیه بیولوژیکی

آیا هیچ گونه توجیه بیولوژیکی برای چنین قاعدٔە آموزشی وجود دارد؟ همان طور که دیدیم کوهونن بیش تر کار خود را بر اساس بررسی دقیق توپولوژی قسمت کورتکس مغز بنا نموده است و حقیقتاً شواهد بیولوژیکی زیادی این فکر را پشتیبانی می کند.همان طور که می دانیم فعالیت یک سلول عصبی از طریق خطوط ارتباطی آکسون که ممکن است تحریک کننده یا بازدارنده باشد به سلول های دیگر منتقل می شود.

حال سوال این است که چگونه اثر آکسون ها تحت تأثیر فاصلۀ آن ها از سلول فعال قرار می گیرد؟در جواب باید گفت که سلول های نزدیک تر به سلول فعال ، قوی ترین خط اتصال را دارند. لیکن بعد از یک فاصلۀ معین خط اتصال سلول فعال با آن ها بازدارنده می شود. 

 فهرست مطالب

 عنوان                                                                                                                                                                    شماره صفحه

چکیده ............................................................................................................................................................................................................... ١

مقدمه ................................................................................................................................................................................................................ ٢

فصل اول : تعریف مسئله ..................................................................................................................................................................٣

١-١ کلیات ....................................................................................................................................................................................................... ٤

١-٢ ضرورت انجام تحقیق .............................................................................................................................................................................٤

١-٣ اهداف و فرضیات .....................................................................................................................................................................................٥

فصل دوم : کاوش در متون ................................................................................................................................................................٧

٢-١ مقدمه ........................................................................................................................................................................................................٨

٢-٢ انواع شبکه های عصبی ..........................................................................................................................................................................٩

٢-٢-١ شبکۀ عصبی پرسپترون ...................................................................................................................................................................٩

٢-٢-٢ شبکۀ خود سازمان ده کوهونن ............................................................................... ......................................................................٩

٢-٢-٢-١ کلیات .................................................................................................................. ...........................................................................٩

٢-٢-٢-٢ الگوریتم کوهونن ................................................................................................. .....................................................................١٠

٢-٢-٢-٣ توجیه بیولوژیکی ........................................................................................... ...........................................................................١٢

٢-٢-٢-٤ اصلاح ضرایب وزنی ................................................................................ ..................................................................................١٤

٢-٢-٢-٥ تعیین مقادیر اولیۀ ضرایب وزنی ......................................................................... ..................................................................١٥

٢-٢-٢-٦ همسایگی ..................................................................................................... ..............................................................................١٧

٢-٢-٢-٧ کاهش شعاع همسایگی ........................................................................ ...................................................................................١٨

٢-٢-٢-٨ توابع چگالی نقطه ای ............................................................................. .................................................................................١٩

٢-٢-٢-٩ مقداری کردن بردار آموزشی ................................................................. ................................................................................١٩

٢-٢-٣ شبکه های هاپفیلد......................................................................................... ...............................................................................٢٠

٢-٢-٣-١ کلیات ............................................................................................................. .............................................................................٢٠

٢-٢-٣-٢ مدل شبکه هاپفیلد...................................................................................................................................................................٢١

٢-٢-٣-٣ صفحه انرژی ........................................................................... ..................................................................................................٢٢

٢-٢-٣-٤ ذخیرٔە الگوها............................................................................ .................................................................................................٢٤

٢-٢-٣-٥ یادآوری ...................................................................................................... .................................................................................٢٦

٢-٣ کاربردهای شبکۀ عصبی در مهندسی راه .......................................................... ............................................................................٣٠

٢-٣-١ استفاده از شبکه عصبی برای یافتن همبستگی میان IRI و خرابی های روسازی .................. .........................................٣٠

٢-٣-٢ استفاده از شبکه عصبی برای تحلیل و طراحی روسازی های انعطاف پذیر................... ......................................................٣٨

٢-٣-٣ مدل پیش بینی شیارچرخ در روسازی های انعطاف پذیر......................................................................................................٤٢

٢-٣-٤ مدل سازی تأثیر درصد مصالح سنگی شکسته در مقاومت مارشال آسفالت  با بکارگیری شبکه های عصبی مصنوعی .... ٥١

٢-٣-٣ استفاده از شبکه عصبی برای طراحی مدل تخمین جریان ترافیک .....................................................................................٥٨

٢-٤ جمع بندی ....................................................................................................... ....................................................................................٥٩

فصل سوم : روش تحقیق ........................................................................................... ...................................................................٦١

٣-١-١ مقدمه .............................................................................................................. ...............................................................................٦٢

٣-٢-١ کلیات شبکه عصبی مصنوعی .................................................................. ...................................................................................٦٢

٣-٢-٢ ساختار شبکه های عصبی مصنوعی ......................................................... ...................................................................................٦٥

٣-٢-٢- ١ شبکه تک لایه ........................................................................................ ...................................................................................٦٦

٣-٢-٢-٢ شبکه های چند لایه .............................................................................. ...................................................................................٦٨

٣-٢-٣ وظایف شبکه عصبی ....................................................................................... ..............................................................................٦٩

٣-٢- ٤ توابع تحریک مورد استفاده در شبکه های عصبی ........................................ .........................................................................٧٠

٣-٢-٥ آستانه .................................................................................................................. .............................................................................٧٤

٣-٢-٦ اجرای گیت های منطقی AND،OR  و NOT.......................................... ..............................................................................٧٥

٣-٢-٦-١ نیاز به پیدا کردن وزن ها به صورت تحلیلی ...................................... ..................................................................................٧٦

٣-٢-٦-٢ پیدا کردن وزن ها به صورت تحلیلی برای شبکه AND....................................................................................................77

٣-٢-٧ تعدادی از شبکه های عصبی مصنوعی با توپولوژی پرسپترون ..............................................................................................٧٩

٣-٢-٨ نگاهی اجمالی به الگوریتم های آموزش ......................................................................................................................................٨٠

٣-٢-٨-١ هدف از آموزش شبکه ..............................................................................................................................................................٨١

٣-٢-٨-٢ آموزش نظارت شده ...................................................................................................................................................................٨١

٣-٢-٨-٣ آموزش غیرنظارت شده ............................................................................................................................................................٨٢

٣-٢-٩ روش های آموزشی ..................................................................................... ....................................................................................٨٣

٣-٢-٩-١ روش نزول گرادیان .......................................................................... ........................................................................................٨٣

٣-٢-٩-٢ روش اندازه حرکت ............................................................................ .......................................................................................٨٦

٣-٢-١٠ معیار کارآیی شبکه ....................................................................................... .............................................................................٨٧

٣-٢-١٠-١ متوسط خطای مطلق .................................................................................... .......................................................................٨٧

٣-٢-١٠-٢ میانگین خطای نسبی بین خروجی های حقیقی و دلخواه .......................... .................................................................٨٧

٣-٢-١٢-٣ جذر میانگین مربع خطاها............................................................................... .................................................................. ٨٨

٣-٢-١٠-٤ ضریب همبستگی ........................................................................................... .......................................................................٨٨

٣-٢-١١ شرایط تعمیم موفقیت آمیز................................................................................ .......................................................................٩٠

٣-٣ بررسی وضعیت روسازی ......................................................................................... ...........................................................................٩٢

٣-٣-١ مقدمه ................................................................................................................ ...............................................................................٩٢

٣-٣-٢ معرفی روش های ارزیابی وضعیت روسازی ........................................................ .....................................................................٩٢

٣-٣-٢-١ معرفی روش PCI....................................................................................... ............................................................................٩٣

٣-٣-٢-٢ روش MCI................................................................................................ ...............................................................................٩٤

٣-٣-٢-٣ روش PSI..................................................................................................... ........................................................................... ٩٥

٣-٣-٢-٤ شاخص PCR............................................................................................................................................................................97

٣-٣-٢-٥ روش RCI...............................................................................................................................................................................100

٣-٣-٣ ناهمواری راه ..................................................................................................................................................................................١٠١

٣-٣-٣-١ تعریف ناهمواری راه ................................................................................................................................................................١٠١

٣-٣-٣-٢ کاربردهای اندازه ناهمواری سطح راه ..................................................................................................................................١٠٢

٣-٣-٣-٣ عوامل ایجادکننده ی ناهمواری در راه و دلایل ایجاد آنها...............................................................................................١٠٣

٣-٣-٣-٤ سیستم های اندازه گیری ناهمواری .......................................................................................................................................١٠٤

٣-٣-٤ معرفی روش IRI..........................................................................................................................................................................104

٣-٣-٥ مبانی اساسی شاخص IRI..........................................................................................................................................................106

٣-٣-٦ مشخصه های مهم شاخص IRI..................................................................................................................................................109

٣-٣-٧ تفسیر مقادیر IRI مطابق استاندارد ASTM...........................................................................................................................110

٣-٣-٦-١ راه های بارویه آسفالتی ...........................................................................................................................................................١١١

٣-٣-٦-٢راه های بارویه شنی ..................................................................................................................................................................١١٢

٣-٣-٧ مقیاس ناهمواری در سیستم IRI...............................................................................................................................................113

فصل چهارم : مدل شبکۀ عصبی ...........................................................................................................................................١١٤

٤-١ مقدمه .................................................................................................................................................................................................١١٥

٤-٢ ارزیابی روسازی ..................................................................................................................................................................................١١٥

٤-٣ متدولوژی شبکه های عصبی ..........................................................................................................................................................١١٦

٤-٣-١ معماری ...........................................................................................................................................................................................١١٦

٤-٣-١ تابع فعال سازی نرون ..................................................................................................................................................................١١٧

٤-٣-٢ روش آموزش .................................................................................................................................................................................١١٧

٤-٤ پیش پردازش داده ها.......................................................................................................................................................................١١٩

٤-٥ داده ها.................................................................................................................................................................................................١١٩

٤-٦ ارزیابی وارزشیابی مدل .....................................................................................................................................................................١٢٠

فصل پنجم :تجزیه و تحلیل داده ها ....................................................................................................................................١٢١

٥-١ ارزیابی مدل های اولیه .....................................................................................................................................................................١٢٢

٥-٢ مدل های پیش بینی با در نظر گرفتن تمام متغیر های ورودی .............................................................................................١٢٥

٥-٢-١ شبکه عصبی با یک لایه پنهان ..................................................................................................................................................١٢٦

٥-٢-٢ شبکه عصبی با دولایه پنهان .....................................................................................................................................................١٣٠

٥-٢-٣ شبکه عصبی با سه لایه پنهان ..................................................................................................................................................١٣٤

٥-٢-٤ شبکه عصبی باچهارلایه پنهان ..................................................................................................................................................١٣٨

٥-٣ معرفی شبکه بهینه ...........................................................................................................................................................................١٤٢

٥-٤ مقایسه مدل شبکه عصبی با مدل های رگرسیونی ...................................................................................................................١٤٥

فصل ششم : نتیجه گیری و پیشنهادات ......................................................................................................................... ١٥٠

٦-١ نتایج .....................................................................................................................................................................................................١٥٠

٦-٢ پیشنهادات ..........................................................................................................................................................................................١٥٣

پیوست یک : روش محاسبۀ IRI..............................................................................................................................................154

پ-١ سیستم های اندازه گیری ناهمواری ................................................................................................................................................١٥٥

پ-٢ پروفیل راه ..........................................................................................................................................................................................١٥٥

پ-٣  روند پیشرفت تجهیزات برداشت ناهمواری راه .........................................................................................................................١٥٦

پ-٤ مقایسه بین IRI و پاسخ های وسیله نقلیه ...........................................................................................١٦١

پ-٥  اثر طول موج بر IRI......................................................................................................................165

پ-٦ بررسی سرعت حرکت و تعداد چرخ های برداشت کننده ناهمواری در تجهیزات مورد

 استفاده برای تعیین میزان IRI ................................................................................................................١٦٦

پ-٧محاسبۀ IRI........................................................................................................................................................................................169 

منابع و مأخذ.........................................................................................................................................................................................١٧٧

فهرست منابع فارسی .................................................................................................................................................................................١٧٨

فهرست منابع لاتین ...................................................................................................................................................................................١٨٠

سایت های اطلاع رسانی ...........................................................................................................................................................................١٨١

چکیدٔە انگلیسی ..........................................................................................................................................................................................١٨٢