پیش‌بینی فشار گاز ورودی ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز برون‌شهری با استفاده از یادگیری ماشین (مورد مطالعاتی: شهرستان بیرجند)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران

2 گروه مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران

3 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

امروزه گاز طبیعی بزرگ‌ترین منبع تأمین انرژی مورد نیاز در دنیاست. کشور ایران با دارا بودن سهم بیش از هفده درصدی از ذخایر گاز، رتبۀ دوم جهان را داراست اما متاسفأنه همزمان میزان مصرف گاز در کشور سه برابر متوسط جهانی بوده که جای نگرانی بسیار دارد. به‌منظور برنامه‌ریزی هرچه بهتر در حوزۀ عرضۀ گاز طبیعی آگاهی از میزان تقاضای گاز در بخش‌های مختلف و پیش‌بینی وضعیت تقاضا در آینده از اهمیت زیادی برخوردار است. پیش‌بینی مصرف گاز طبیعی نقش قابل ملاحظه‌ای در تعیین خط‌مشی انرژی و یکی از ابزارهای قوی تصمیم‌گیرندگان در جهت برنامه‌ریزی صحیح هدایت مصرف و کنترل پارامترهای عرضه و تقاضای انرژی است. مسئلۀ‌ کلی که در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرد، پیش‌بینی فشار گاز ورودی ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز برون‌شهری و تحلیل ارتباط آن با تغییرات آب‌وهواست. یکی از مشکلاتی که در استان خراسان‌ جنوبی هرساله در فصل سرد سال چالش‌های زیادی را ایجاد می‌نماید، افت فشار در ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز برون‌شهری (CGS) است که به علل مختلف ازجمله ناترازی بین تولید و مصرف گاز اتفاق می‌افتد. هرگونه برآورد و پیش‌بینی درخصوص میزان فشار این ایستگاه‌ها به‌عنوان تخمینی از میزان گاز مصرف‌شده، فرصتی ارزنده در اختیار مدیران قرار می‌دهد تا در جهت رفع بحران اقدامات پیش‌دستانه انجام دهند. در این مقاله از یادگیری ماشین به‌عنوان شاخه‌ای از هوش‌ مصنوعی به‌منظور حل مسئله بهره گرفته شد. داده‌های اخذشده از ایستگاه‌های CGS از شرکت گاز استان خراسان جنوبی طی سال‌های 1399 تا 1402 مورد استفاده قرار گرفت. سناریوهای مختلف شامل تحلیل مسئله هم به‌صورت سری زمانی و هم رگرسیونی و همچنین تحلیل تغییرات دمایی برای پیش‌بینی معرفی گردید و بهترین سناریو انتخاب شد. همچنین از روش‌های مختلف پیش‌بینی برای حل مسئله بهره گرفته شد. یکی از مهم‌ترین نقاط قوت این پژوهش، استفاده از یادگیری عمیق به‌عنوان یکی از مهم‌ترین و امیدوارکننده‌ترین رویکردهای یادگیری ماشین است. به‌علاوه، برای اولین بار پیش‌بینی فشار گاز ایستگاه‌های تقلیل گاز برون‌شهری صورت می‌پذیرد. نتایج حاکی از تأثیرگذاری عامل تغییرات آب‌وهوا بر پیش‌بینی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] HajiMirzaei, S. M. A., Behrouzifar, M., Bahadori S., Malek Hosseini, A., "Evaluating approved policies in the field of energy and presenting proposed policies to improve energy governance in Iran", Quarterly Energy Economics Review, Vol. 20, pp. 269-305, 2024 (in persian), http://iiesj.ir/article-1-1617-en.html
[2] Hafezi, R., Akhavan, A., Pakseresht, S., "Development a hybrid computational model based on Artificial Neural Network to predict natural gas Global Demand",  Energy Engineering and Management, Vol. 8, Issue 4, pp. 38-49, 2019 (in persian), https://doi.org/10.22052/8.4.38.
[3] Sepehrifar, H., Lotfizade, F., Farahmandian, A., "Analysis of main factors of resedential gas consumption in Iran", Quarterly Journal of Energy Policy and Planning Research, Vol. 7, No. 4, pp. 1-27, 2022 (in persian), http://epprjournal.ir/article-1-1077-en.html.
[4] Daghbandan, A., Setayesh, N., "Modeling and prediction of natural gas consumption with help of multi objective GMDH-Type Neural Network. Case study: regional gas distribution company of Rasht city", Journal of Energy, Vol. 19, No. 4, 2017 (in persian), http://necjournals.ir/article-1-831-en.html.
[5] Baradaran, V., Shafiei, S., "Development of Markov Chain Grey Regression Model to Forecast the Annual Natural Gas Consumption", Quarterly Journal of Energy Policy and Planning Research, Vol. 15, No. 63, pp. 243-267, 2020 (in persian), http://iiesj.ir/article-1-1114-en.html .
[6] Azami, S., "The relationship between natural gas consumption and economic growth given structural breaks in countries exporting natural gas: an approach using Dumitrescu-Hurlin", Quarterly Journal of Energy Policy and Planning Research, Vol. 14, No. 57, pp. 39-64, 2018, (in persian), http://iiesj.ir/article-1-968-en.html.
[7] Karimi, T., Sadeghi, Moghaddam, M. R., Rahnama, R., "Investigating the effect of temperature changes on natural gas consumption in Iran", Energy Economics Studies, Vol. 24, No. 6, pp. 193-218, 2010 (in persian), https://ensani.ir/fa/article/70509.
[8] Esmaeili, S., "Prediction of natural gas consumption in subscribers of South Khorasan province (Birjand) using deep learning tools", M.S Thesis, Islamic Azad University, Birjand Branch, 2011 (in persian).
[9] Sun, F., Ren, L., Jin, W., "FastNet: A feature aggregation spatiotemporal network for predictive learning", Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol. 130, p. 107785, 2024, https://doi.org/10.1016/j.engappai.2023.107785.
[10] Wu, X., Zhan, J., Ding, W., "TWC-EL: A multivariate prediction model by the fusion of three-way clustering and ensemble learning", Information Fusion, Vol. 100, p. 101966, 2023, https://doi.org/10.1016/j.inffus.2023.101966.
[11] Ramzan, M., Abbasi, K. R., Iqbal, H. A., Adebayo, T. S., "What’s at Stake? The empirical importance of government revenue and debt and renewable energy for environmental neutrality in the US economy", Renewable Energy, Vol. 205, pp. 475–489, Mar. 2023, https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.01.071.
[12] Su, H., Zio, E., Zhang, J., Xu, M., Li X., Zhang, Z., "A hybrid hourly natural gas demand forecasting method based on the integration of wavelet transform and enhanced Deep-RNN model", Energy, Vol. 178, pp. 585–597, 2019, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.04.167.
[13] Hribar, R., Potočnik, P., Šilc, J., Papa, G., "A comparison of models for forecasting the residential natural gas demand of an urban area", Energy, Vol. 167, pp. 511–522, 2019, https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.10.175.
[14] Du, J., et al., "A knowledge-enhanced graph-based temporal-spatial network for natural gas consumption prediction", Energy, Vol. 263, p. 125976, 2023, https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125976.
[15] Du, J., et al., "A hybrid deep learning framework for predicting daily natural gas consumption", Energy, Vol. 257, p. 124689, 2022, https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124689.
[16] Singh, S., Bansal, P., Hosen, M., Bansal, S. K., "Forecasting annual natural gas consumption in USA: Application of machine learning techniques- ANN and SVM", Resources Policy, Vol. 80, p. 103159, 2023, https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2022.103159.
[17] Li, N., Wang, J., Wu, L., Bentley, Y., "Predicting monthly natural gas production in China using a novel grey seasonal model with particle swarm optimization", Energy, Vol. 215, p. 119118, 2021, https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119118.
[18] Honari, E., Yaghini, M., Nadimi, M. H., "Forecasting the natural gas consumption in residential and commercial sectors of Isfahan for five years using Artificial Neural Networks", Research in Production and Operations Management, Vol. 7, No. 1, pp. 247-262, 2016, https://doi.org/10.22108/jpom.2016.20922.
[19] Doust Mohammadi, A., Sharifi Rad, R., Akbarpour, M., Akarpour, S., "Prediction of natural gas consumption of household customers using data mining procedures, case study: Kerman Gas Company", The First National Conference on Modern and Smart Business Data Mining and Image Processing, 2018 (in persian).
[20] Hornik, K., "Approximation capabilities of multilayer feedforward networks", Neural Networks, Vol. 4, No. 2, pp. 251-257, 1991, https://doi.org/10.1016/0893-6080(91)90009-T.
[21] Lu, Z., Pu, H., Wang, F., Hu, Z., Wang, L. "The expressive power of neural networks: A view from the width", Advances in Neural Information Processing Systems (NeurIPS), 30, 2017, https://doi.org/10.1145/3326365.3326379.
[22] Goodfellow, I., Bengio, Y., Courville, A. "Deep learning", MIT press, 2016.
[23] Bengio, Y., Delalleau, O., Le, Roux N., "The curse of highly variable functions for local kernel machines", in Proceedings of the 18th International Conference on Neural Information Processing Systems, in NIPS’05. Cambridge, MA, USA: MIT Press, pp. 107–114, 2005, https://doi.org/10.1016/j.jmlr.2005.10.001.
[24] Goodfellow, I. J., Le, Q., Saxe, A. M., Lee, H., Ng, A. Y., "Measuring invariances in Deep Networks", in Proceedings of the 22Nd International Conference on Neural Information Processing Systems, in NIPS’09. USA: Curran Associates Inc., pp. 646–654, 2009, https://doi.org/10.5555/2999792.2999851.
[25] Bengio, Y., Courville, A., Vincent, P., "Representation learning: a review and new perspectives", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 35, No. 8, pp. 1798-1828, 2013, https://doi.org/10.1109/TPAMI.2013.50 .
[26] Olshausen, B. A., Field, D. J. "Sparse coding with an overcomplete basis set: A strategy employed by V1?", Vision Research, Vol. 37, No. 23, pp. 3311-3325, 1997, https://doi.org/10.1016/S0042-6989(97)00169-7.
[27] Demir, V., Yaseen, Z. M., "Neurocomputing intelligence models for lakes water level forecasting: a comprehensive review", Neural Computing and Applications, Vol. 35, pp. 303-343, https://doi.org/10.1007/s00521-022-07699-z.
[28] Ruma, J. F., Adnan, M. S. G., Dewan, A., Rahman, R. M., "Particle swarm optimization based LSTM networks for water level forecasting: A case study on Bangladesh river network", Results in Engineering, Vol. 17, p. 100951, 2023, https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.100951.