زمین شناسی مهندسی

زمین شناسی مهندسی

بهینه‌سازی وارون‌سازی داده‌های مغناطیسی با استفاده از الگوریتم غزال کوهستان: مطالعه موردی دایک‌های دوبعدی

نویسنده
دانشگاه آزاد رشت
چکیده
وارون‌سازی داده‌های مغناطیسی برای مشخصه‌یابی ساختارهای زمین‌شناسی مانند دایک‌ها، به دلیل ماهیت شدیداً غیرخطی و بدوضع (ill-posed)، یکی از چالش‌های اساسی در ژئوفیزیک مهندسی است که نیازمند روش‌های بهینه‌سازی قدرتمند است. این پژوهش برای نخستین بار، کارایی و پتانسیل الگوریتم بهینه‌سازی نوین غزال کوهستان (Mountain Gazelle Optimizer (MGO)) را به عنوان یک راهکار مؤثر برای حل این مسئله معرفی و ارزیابی می‌کند. این الگوریتم با ایجاد تعادل هوشمندانه بین اکتشاف و بهره‌برداری در فضای پارامترها، برای یافتن بهینه سراسری طراحی شده است. عملکرد MGO به صورت جامع و از طریق مقایسه با دو رویکرد متفاوت سنجیده شد: یک الگوریتم یادگیری ماشین قدرتمند، یعنی جنگل تصادفی (Random Forest (RF))، و یک روش پردازشی-تخمینی کلاسیک مبتنی بر برگردان به قطب. (Reduction to the Pole (RTP)) ارزیابی‌ها بر روی داده‌های مصنوعی (با سطوح نویز ۰٪ تا ۲۰٪) و همچنین داده‌های میدانی واقعی از کانسار آهن گانسو، چین، انجام گرفت. نتایج در تمامی سناریوها، برتری واضح MGO را به اثبات رساند. این الگوریتم نه تنها در برابر نویز پایداری بیشتری نسبت به RF نشان داد، بلکه در مطالعه موردی داده‌های واقعی، به خطای ریشه میانگین مربعات (RMSE) برابر با 48/ دست یافت که به طور قابل توجهی کمتر از خطای روش کلاسیک (88/) بود. مهم‌تر آنکه، پارامترهای تخمینی توسط MGO انطباق بیشتری با اطلاعات زمین‌شناسی حاصل از حفاری‌های موجود در منطقه داشتند. این مطالعه استدلال می‌کند که برتری MGO از رویکرد وارون‌سازی مستقیم و یکپارچه آن نشأت می‌گیرد. در نهایت، MGO به عنوان ابزاری دقیق و قابل اعتماد برای کاربردهای اکتشافی و مهندسی معرفی می‌گردد.
کلیدواژه‌ها

Abdollahzadeh, B., Gharehchopogh, F. S., Khodadadi, N., & Mirjalili, S. (2022). Mountain gazelle optimizer: A new nature-inspired metaheuristic algorithm for global optimization problems. Advances in Engineering Software, 174, 103282. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2022.103282
Breiman, L. (2001). Random forests. Machine Learning, 45(1), 5–32. https://doi.org/10.1023/A:1010933404324
Çınar, H., & Kandemir, I. (2021). Active energy management based on meta-heuristic algorithms of fuel cell/battery/supercapacitor energy storage system for aircraft. Aerospace, 8(3), 85. https://doi.org/10.3390/aerospace8030085
Cutler, A., & Zhao, G. (2001). PERT – Perfect ensemble random trees. Unpublished manuscript.
Du, W., Cheng, L., & Li, Y. (2021). lp Norm smooth inversion of magnetic anomaly based on improved adaptive differential evolution. Applied Sciences, 11(3), 1072. https://doi.org/10.3390/app11031072
El-Henawy, I., & Abdelmegeed, N. A. (2018). Meta-heuristics algorithms: A survey. International Journal of Computer Applications, 179(22), 45–54. https://doi.org/10.5120/ijca2018916388
Fouad, F., Kassam, A. E. H., & Al-Zubaidi, S. S. (2024). A new heuristic method for solving unbalanced multi-objective assignment problem. Engineering Research Express, 6(4), 045429. https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad7c7e
Geurts, P., Ernst, D., & Wehenkel, L. (2006). Extremely randomized trees. Machine Learning, 63(1), 3–42. https://doi.org/10.1007/s10994-006-6226-1
Gharehchopogh, F. S. (2022). An improved tunicate swarm algorithm with best-random mutation strategy for global optimization problems. Journal of Bionic Engineering, 19(4), 1177–1202. https://doi.org/10.1007/s42235-022-00185-6
Karthik, N., Rajagopalan, A., Bajaj, M., Medhi, P., Kanimozhi, R., Blazek, V., & Prokop, L. (2024). Chaotic self-adaptive sine cosine multi-objective optimization algorithm to solve microgrid optimal energy scheduling problems. Scientific Reports, 14(1), 18997. https://doi.org/10.1038/s41598-024-69874-9
Khunkitti, S., Siritaratiwat, A., & Premrudeepreechacharn, S. (2023). A many-objective mountain gazelle optimizer for parameter extraction of photovoltaic models. Scientific Reports, 13(1), 15404. https://doi.org/10.1038/s41598-023-42666-8
Liaw, A., & Wiener, M. (2002). Classification and regression by randomForest. R News, 2(3), 18–22. https://cran.r-project.org/doc/Rnews/Rnews_2002-3.pdf
Mirjalili, S., Mirjalili, S. M., & Lewis, A. (2014). Grey wolf optimizer. Advances in Engineering Software, 69, 46–61. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2013.12.007
Rodriguez-Galiano, V. F., Ghimire, B., Rogan, J., Chica-Olmo, M., & Rigol-Sanchez, J. P. (2012). An assessment of the effectiveness of a random forest classifier for land-cover classification. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 67, 93–104. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2011.11.002
Tan, R. K., & Bora, Ş. (2019). Adaptive parameter tuning for agent-based modeling and simulation. Simulation, 95(9), 771–796. https://doi.org/10.1177/0037549718790008
Toushmalani, R., Essa, K. S., & Ibraheem, I. M. (2024). A well-structured metaheuristic optimization technique for magnetic data inversion of 2D dipping dyke-like geological structures using the cuckoo optimization algorithm. Arabian Journal for Science and Engineering, 1–10. https://doi.org/10.1007/s13369-024-08879-8