https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15317
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Type: | Tese |
Title: | Modelos de aprendizado de máquinas híbridos aplicados à previsão de curto prazo da vazão do Rio Zambeze afluente à barragem hidroelétrica de Cahora-Bassa, em Moçambique |
Author: | Martinho, Alfeu Dias |
First Advisor: | Fonseca, Leonardo Goliatt da |
Co-Advisor: | Hippert, Henrique Steinherz |
Referee Member: | Christo, Eliane da Silva |
Referee Member: | Saporet, Camila Martins |
Referee Member: | Ribeiro, Celso Bandeira de Melo |
Referee Member: | Campos, Luciana Conceição Dias |
Referee Member: | Borges, Carlos Cristiano Hasenclever |
Resumo: | Os Rios são até hoje um dos maiores e mais importantes recursos para a sobrevivência da humanidade. Eles fornecem grande parte da água que consumimos e que usamos para produzir nossos alimentos e para nossa higiene. Além disso, a utilizamos para irrigar o solo das áreas agrícolas, para navegação, pesca, produção de energia elétrica, para além da manutenção da biodiversidade. Devido à escassez da água e da preocupação com a sua existência no futuro, torna-se indispensável o desenvolvimento de estudos que possam ajudar a compreender sua dinâmica, de modo a gerenciá-la. O rio Zambeze é o quarto maior curso de água do continente africano e tem vital importância, porque é a principal fonte de produção de energia elétrica de Moçambique, contribui para o desenvolvimento da economia do delta através da viabilização de atividades econômicas como agricultura, pastorícia, pesca, construção de vias de acesso e, na redução do risco de ocorrência de calamidades naturais, como a seca, cheias ou inundações. Apesar dessa necessidade, os estudos de recursos hídricos para essa região ainda são escassos. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos híbridos de aprendizado de máquina para previsão de vazões naturais de corpos d’água do rio Zambéze na barragem Hidrelétrica de Cahora-Bassa, utilizando valores antecedentes de vazões afluentes, precipitação, evaporação e umidade relativa como variáveis de entrada. Cinco modelos foram considerados na análise: Extreme Gradient Boosting (XGB), Extreme Learning Machine (ELM), Support Vector Regression (SVR), Elastic Net linear (EN) e Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS). Algoritmos de otimização evolutivos/bioinspirados: Grey wolf optimization (GWO), Genetic Algorithms (GA), Differential Evolution (DE) e Particle Swarm Optimization (PSO) foram utilizados como estratégias de seleção de todos os parâmetros internos dos modelos. E, além de avaliar o potencial dos cinco modelos de aprendizado de máquinas híbridos para simulação de fluxo, este trabalho também focou em dois métodos de seleção de variáveis de entradas, Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) e Partial Mutual Information variable selection (PMI), usados para escolher o subconjunto que permite a melhor previsão dos valores futuros, e que fornecem informações abrangentes sobre a influência das variáveis no fluxo simulado. Os modelos híbridos desenvolvidos realizaram as previsões para 1, 3, 5 e 7 dias à frente em dados coletados na barragem Hidroelétrica de Cahora-Bassa , em Moçambique. Medidas de desempenho combinadas e testes estatísticos foram aplicados para avaliação da performance dos modelos. Técnicas de análise de incerteza baseadas em intervalos de confiança e simulação de Montecarlo também foram utilizadas para a análise de confiabilidade das previsões fornecidas pelos modelos. Os resultados mostram que todos os modelos obtiveram bons desempenhos para prever a vazão do rio vários passos à frente, indicando que a integração dos algoritmos evolutivos/bioinspirados é uma alternativa bem-sucedida para produzir previsões precisas da vazão. O modelo híbrido XGB com GWO integrado e suas respectivas variações com seleção de variáveis de entrada, XGB-LASSO e XGB-PMI superaram os modelos híbridos EN, ELM, MARS e SVR, tendo apresentado a melhor performance, para 1, 3, 5 e 7 passos à frente. Esses modelos fornecem previsões confiáveis, e podem ser utilizados como uma alternativa para auxiliar na previsão de vazão, que é crucial para as atividades de gestão e planejamento sustentável ou otimizado de Recursos Hídricos em usinas hidroelétricas. |
Abstract: | Rivers are still one of the greatest and most important resources for the survival of humanity. They provide much of the water we consume and that we use to produce our food and for our hygiene. In addition, we use it to irrigate the soil in agricultural areas, for navigation, fishing, electricity production, in addition to maintaining biodiversity. Due to water scarcity and concern about its existence in the future, it becomes essential to develop studies that can help to understand its dynamics, in order to manage it. The Zambezi River is the fourth largest watercourse on the African continent and is of vital importance in the region, as it is the main source of electricity production in Mozambique, contributes to the development of the economy of the delta through the viability of economic activities such as agriculture, pastoralism, fishing, construction of access roads and, in reducing the risk of occurrence of natural disasters, such as drought and floods. Despite this need, studies of water resources for this region are still scarce. The present work presents the development of hybrid machine learning models for predicting natural flows of water bodies of the Zambezi River at the Cahora-Bassa Hydroelectric dam, using antecedent values of influent flows, precipitation, evaporation and relative humidity as input variables. Five models were considered in the analysis: Extreme Gradient Boosting (XGB), Extreme Learning Machine (ELM), Support Vector Regression (SVR), Elastic Net linear (EN) and Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS) . Evolutionary/bioinspired optimization algorithms: Grey wolf optimization (GWO), Genetic Algorithms (GA), Differential Evolution (DE) and Particle Swarm Optimization (PSO) were used as selection strategies for all parameters internals of the models. And, in addition to evaluating the potential of the five hybrid machine learning models for flow simulation, this work also focused on two input variable selection methods, Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) and Partial Mutual Information variable selection (PMI), used to choose the subset that allows the best prediction of future values, and that provide comprehensive information about the influence of variables on the simulated flow. The developed hybrid models performed predictions for 1, 3, 5 and 7 days ahead on data collected at the Cahora-Bassa Hydroelectric dam in Mozambique. Combined performance measures and statistical tests were applied to evaluate the performance of the models. Uncertainty analysis techniques based on confidence intervals and Montecarlo simulation were also used to analyze the reliability of forecasts provided by the models. The results show that all models performed well to predict river discharge several steps ahead, indicating that the integration of evolutionary/bioinspired algorithms is a successful alternative to produce accurate discharge predictions. The hybrid model XGB with integrated GWO and its respective variations with selection of input variables, XGB-LASSO and XGB-PMI outperformed the hybrid models EN, ELM, MARS and SVR, having presented the best performance, respectively, for 1, 3, 5, and 7 steps ahead. These models provide reliable forecasts, and can be used as an alternative to aid in flow forecasting, which is crucial for sustainable or optimized management and planning of water resources in hydroelectric power plants. |
Keywords: | Modelagem hidrológica Vazão afluente Aprendizado de máquina Algoritmos bioinspirados Modelo híbrido Hydrological modeling Affluent flow Machine learning Bioinspired algorithms Hybrid model |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
Institution Initials: | UFJF |
Department: | ICE – Instituto de Ciências Exatas |
Program: | Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional |
Access Type: | Acesso Aberto Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazil |
Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15317 |
Issue Date: | 24-Mar-2023 |
Appears in Collections: | Doutorado em Modelagem Computacional (Teses) |
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