• شماره ركورد
    24430
  • شماره راهنما
    MAP3 14
  • عنوان

    مدل سازي غلظت آلودگي هوا در محيط ناهمگون و ديناميك شهري بر پايه يادگيري تقويتي

  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    مهندسي عمران نقشه برداري- سيستم اطلاعات مكاني
  • دانشكده
    مهندسي عمران و حمل و نقل
  • تاريخ دفاع
    1403/11/06
  • صفحه شمار
    129 ص.
  • استاد راهنما
    دكتر مهدي مومني شهركي , دكتر بهنام تشيع
  • كليدواژه فارسي
    يادگيري تقويتي , پيش‌بيني مكاني-زماني PM2.5 , شبكه عصبي كانولوشن , يادگيري گروهي , شبكه گراف كانولوشن , مكانيزم توجه
  • چكيده فارسي
    مواجهه با آلاينده‌هاي هوا، به‌ويژه آلاينده PM2.5 اجتناب‌ناپذير و تهديدي جدي براي سلامت انسان‌ها است. اين ذرات ريز (قطر آيروديناميكي كمتر از 5/2 ميكرومتر) به‌سرعت به سيستم تنفسي نفوذ مي¬كنند و مي‌توانند تاثيرات جبران‌ناپذيري مانند سرطان ريه و بيماري¬هاي قلبي عروقي را ايجاد كنند. آلاينده PM2.5 به‌عنوان اصلي¬ترين عامل آلودگي هواي تهران شناخته مي¬شود. مدل‌سازي دقيق اين آلاينده نقش مهمي در كاهش ميزان مواجهه و تدوين سياست‌هاي موثر براي حفظ سلامت انسان دارد. مدل‌سازي غلظت PM2.5 در محيط‌هاي شهري، به دليل پويايي، ناهمگوني اين محيط‌ها و وجود عدم قطعيت‌ در روابط مكاني و زماني ايستگاه¬هاي سنجش PM2.5 چالش‌برانگيز است. اين رساله باهدف بهبود دقت مدل‌سازي غلظت PM2.5، به مديريت داده‌هاي ازدست‌رفته، كاهش عدم قطعيت در روابط بين ايستگاه‌ها، همراه با درنظرگرفتن پويايي و ناهمگوني محيط¬هاي شهري پرداخته است. براي مديريت داده‌هاي ازدست‌رفته، روش-هاي متنوع جانهي منفرد و چندگانه بررسي و ارزيابي شده‌اند تا دقيق‌ترين روش براي جانهي اين داده‌ها انتخاب شود. در نهايت، با استفاده از متغيرهاي هواشناسي، آلاينده‌ها و متغيرهاي زماني (مانند ساعت و روزهاي هفته) داده¬هاي ازدست‌رفته آلودگي هوا از طريق روش XGBoost جانهي شدند. اين داده¬ها از دوازده ايستگاه سنجش آلودگي هوا و سه ايستگاه سينوپتيك تهران در بازه زماني 01/01/1396 تا 20/08/1401 جمع‌آوري شده‌اند. مدل‌سازي دقيق غلظت آلاينده PM2.5 به دليل ماهيت مكاني-زماني انتشار آن، نيازمند استخراج هم¬زمان روابط مكاني و زماني بين ايستگاه‌ها است. براي كاهش عدم قطعيت در روابط مكاني ايستگاه‌ها به طور هم¬-زمان، از مدل‌ها شبكه‌هاي عصبي كانولوشني (CNN) و گراف‌هاي كانولوشني عصبي (GCN) استفاده شده است. در اين پژوهش، براي بهبود دقت مدل¬سازي در بازه¬هاي 1 تا 24 ساعته، مدلي با نامDynamic Spatial-Temporal Hybrid Attention Network (DST-HAN) پيشنهاد شده است كه شامل دو بخش توسعه‌يافته است. در بخش اول، براي استخراج همزمان روابط مكاني - زماني بين ايستگاه¬هاي سنجش مدل‌هاي تركيبي Spatial-Temporal Hybrid Attention Network (STHAN) وAttention Temporal Graph Convolutional Network (A3TGCN) توسعه داده شده¬اند. مدل STHANبراي استخراج روابط مكاني از مدل‌ CNN استفاده مي¬كند و بيشتر براي فضاي اقليدسي مناسب¬ است. در مقابل، مدل A3TGCNبراي استخراج روابط مكاني در فضاي غيراقليدسي از مدل GCN استفاده مي¬كند و بيشتر براي محيط¬هاي پيچيده و ناهمگون مناسب است. همچنين براي استخراج روابط زماني، تركيبي از شبكه‌هاي عصبي بازگشتي دروازه‌اي (GRU) و مكانيزم توجه به‌كاررفته است. اين تركيب، اين امكان را فراهم مي¬كند تا مدل به طور هم‌زمان وابستگي‌هاي زماني كوتاه‌مدت و بلندمدت را در داده¬هاي سري زماني بين ايستگاه¬ها شناسايي كرده و دقت مدل‌سازي آن را افزايش دهد. در بخش دوم، براي درنظرگرفتن پويايي و ناهمگوني محيط¬هاي شهري از الگوريتم (DQN) Deep Q-Network براي تنظيم پويا و بهينه وزن¬هاي مدل¬هاي تركيبي استفاده شده است. اين الگوريتم با تحليل داده‌هاي حجيم و تعامل مستمر با محيط، به مدل¬هاي تركيبي بر اساس پاداش دريافتي از محيط وزن مي¬دهد. وزن‌دهي به‌گونه‌اي انجام مي‌شود كه مدل‌هايي با عملكرد بهتر، وزن بيشتري را دريافت مي¬كنند. برخلاف روش‌هاي سنتي با وزن‌¬دهي ثابت، اين روش تغييرات ديناميك و ويژگي‌هاي خاص داده‌هاي هر ايستگاه را شناسايي و در مدل‌سازي لحاظ مي‌كند. نتايج به‌دست‌آمده نشان مي¬دهد كه مدل DST-HAN بادقت بالايي غلظت PM2.5 را پيش‌بيني كرده است (R²=0.88 براي يك ساعت آينده و R²=0.81 براي 24 ساعت آينده) و مي‌تواند ابزار مؤثري براي مديريت مواجهه با اين آلاينده باشد.
  • كليدواژه لاتين
    Reinforcement learning , Spatiotemporal PM2.5 prediction , Convolutional neural networks (CNN) , Ensemble learning , Graph Convolution Network (GCN) , Attention mechanism
  • عنوان لاتين
    Modeling Air Pollution Concentration in Heterogeneous and Dynamic Urban Environment Based on Reinforcement Learning
  • گروه آموزشي
    مهندسي نقشه برداري
  • چكيده لاتين
    Exposure to air pollutants, particularly PM2.5, is inevitable and poses a significant threat to human health. These fine particles (with an aerodynamic diameter of less than 2.5 micrometers) quickly penetrate the respiratory system and can cause irreversible effects, such as lung cancer and cardiovascular diseases. PM2.5 is recognized as the primary pollutant contributing to Tehranʹs air pollution. Accurate modeling of this pollutant is crucial in reducing exposure and formulating effective policies to safeguard public health. Modeling PM2.5 concentrations in urban environments is challenging due to the dynamic and heterogeneous nature of these settings and the uncertainties in spatial and temporal relationships among PM2.5 monitoring stations. This dissertation aims to improve the accuracy of PM2.5 concentration modeling by addressing missing data, reducing uncertainties in inter-station relationships, and accounting for the dynamics and heterogeneity of urban environments. To manage missing data, various single and multiple imputation methods were examined and eva‎luated to identify the most accurate approach. Ultimately, missing air pollution data were imputed using the XGBoost method, incorporating meteorological variables, pollutant concentrations, and temporal variables (such as hour and day of the week). These data were collected from twelve air pollution monitoring stations and three synoptic stations in Tehran, covering the period from March 21, 2017, to November 11, 2022. Accurately modeling PM2.5 concentrations requires simultaneous extraction of spatial and temporal relationships among stations due to the spatiotemporal nature of its distribution. To reduce uncertainties in spatial relationships among stations, convolutional neural networks (CNN) and graph convolutional networks (GCN) were employed. This research proposes the Dynamic Spatial-Temporal Hybrid Attention Network (DST-HAN) to enhance modeling accuracy over 1-hour to 24-hour intervals. DST-HAN consists of two developed components: Spatial-Temporal Relationship Extraction: This component integrates the Spatial-Temporal Hybrid Attention Network (STHAN) and the Attention Temporal Graph Convolutional Network (A3TGCN). STHAN utilizes CNNs to extract spatial relationships, making it suitable for Euclidean spaces. Conversely, A3TGCN uses GCNs to capture spatial relationships in non-Euclidean spaces, making it ideal for complex and heterogeneous environments. For temporal relationship extraction, a combination of gated recurrent units (GRU) and attention mechanisms was employed. This integration enables the model to identify short-term and long-term temporal dependencies in time-series data across stations, thereby improving modeling accuracy.Dynamic Weight Adjustment: To address the dynamics and heterogeneity of urban environments, the Deep Q-Network (DQN) algorithm was used to dynamically and optimally adjust the weights of the hybrid models. This algorithm analyzes large datasets and continuously interacts with the environment, assigning weights to the hybrid models based on rewards received from the environment. Models with better performance receive higher weights. Unlike traditional methods with fixed weighting, this approach identifies dynamic changes and station-specific features, incorporating them into the modeling process.The results demonstrate that the DST-HAN model predicts PM2.5 concentrations with high accuracy (R² = 0.88 for the next hour and R² = 0.81 for the next 24 hours) and can serve as an effective tool for managing exposure to this pollutant.
  • تعداد فصل ها
    5 فصل
  • فهرست مطالب pdf
    120885
  • نويسنده

    حق بيان، سارا