Nivar

Nivar

Investigating Air Pollutants in Lorestan Province and Predicting their Concentration Using Multi-Layer Neural Network With Stable Online Training (Case Studies: Khorramabad and Poldakhter)

Document Type : Original Article

Authors
1 Assistant Professor, Department of Mathematics, Payam Noor University, Tehran, Iran.
2 Deputy Minister of Development and Meteorology of Lorestan Province
Abstract
With the uncontrolled expansion of large cities and the development of industries, air pollution has become a serious issue in urban management. In recent years, repeated droughts and widespread dam construction in neighboring countries have turned the problem of dust particles into a major challenge for Iran and other countries in the region. In many large cities, the concentration of air pollutants exceeds standards, which has widespread negative effects on human health, including an increase in cardiovascular and respiratory diseases, diabetes, hypertension, dementia, miscarriages, and premature deaths. Air pollution also negatively impacts the health of other living organisms, economic and social activities, agriculture, and the environment. The most important air pollutants include suspended particles with a diameter of less than 10 and 2.5 microns, nitrogen dioxide, nitrogen monoxide, sodium sulfate, carbon monoxide, and ozone. In this research, we first examine the issue of air pollution in Lorestan province based on data collected from the air pollution monitoring stations of the Environmental Protection Organization, and we calculate the correlation between the concentration of air pollutants and meteorological variables. Then, we use a multilayer neural network with a stable online learning algorithm to predict short-term pollutant concentration levels. Predicting air pollution is of high importance, and timely predictions can be effective in reducing the negative effects of air pollution. There are various methods for predicting air pollution, some of which have low accuracy. However, the use of artificial neural networks, as a more advanced method, has recently gained attention for modeling and predicting air quality. These models are especially useful for predicting time series and environmental data. Considering the quality of data collected at the air pollution monitoring stations of the Environmental Protection Organization in Lorestan province, the significant impacts of the dust phenomenon, and the geographical locations of the cities of Khorramabad and Poldokhtar, these cities were selected for case studies. According to the obtained results, there is a significant correlation between meteorological variables and pollutant concentrations, and the proposed neural network model demonstrates high accuracy in predicting pollutant concentrations.
Keywords
Subjects

  1. احمدی، غ.ر.، کردوانی، پ.، محمدی، ح. (۱۴۰۰). پهنه‌بندی اقلیم کشاورزی محصول ذرت در استان لرستان. جغرافیای طبیعی، ۱۳: ۲۱ –۳۸ .
  2. بشردوست، ع.، مسگری، م. س. (۱۴۰۳). مدل سازی مکانی ذرات معلق هوا (  و ) در شهر تهران با استفاده از شبکه عصبی کانولوشن، نیوار، ۴۸(۱۲۴-۱۲۵): ۳۱-۴۹.
  3. چاوشی، ب.، مسعودی‌نژاد، م.، ادیب‌زاده، ا. (۱۳۹۰). ارزیابی میزان انتشار و ضریب انتشار (فاکتور انتشار) گاز دی‌کسیدگوگرد از خروجی‌های پالایشگاه نفت تهران. سلامت و محیط زیست، ۴ (۲) : ۲۳۳-۲۴۴.
  4. حسنوند، م.ص.، ندافی، ک. (۱۳۹۵). آلاینده‌های هوا، در: آلودگی هوا و سلامت: مروری بر مطالعات و تحقیقات جهانی در باره‌ی اثرات آلودگی هوا بر سلامت انسان، مؤسسه نشر شهر، تهران.
  5. زنگوئی، ح.، اسداله فردی، غ.، (۱۳۹۶). پیش‌بینی آلودگی هوای شهر مشهد با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی MLP و مدل زنجیره مارکف، تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، ۱۷(۴۷): ۳۹-۵۹.
  6. سجادیان، ن. (۱۳۹۴). پیش‌بینی آلودگی هوای ناشی از حمل و نقل شهری کلانشهر تهران با بهره‌گیری از تلفیق GIS با مدل LUR و شبکه عصبی مصنوعی. اطلاعات جغرافیایی،۲۴(۹۵): ۱۰۷-۱۲۰.  
  7. سی‌سی‌پور، م.، رهنما، م.، صحت کاشانی، س.، خدام، ن.، نوری، ف.، قهرمانی، س. (1403). مطالعه همبستگی غلظت آلاینده‌های جوی با کمیت‌های هواشناسی در بندرعباس، نیوار، ۴۸(۱۲۴-۱۲۵): ۱۴۶-۱۶۲.    
  8. صادقی، ح.، خاکسار آستانه، س. (۱۳۹۳). پیش‌بینی کوتاه‌مدت آلودگی ذرات معلق شهر اهواز با کمک شبکه‌های عصبی، پژوهش های محیط زیست، ۵(۹): ۱۷۷-۱۸۶.
  9. غیاث‌الدین، م. (۱۳۹۶). آلودگی هوا، منابع، اثرات و کنترل، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.
  10. قائمی، ز.، طالعی، م.، فرنقی، م.، جوادی، ق. (۱۳۹۶). پیش‌بینی آلودگی هوای شهر تهران با استفاده از ترکیب شبکة عصبی فازی‌ـ تطبیقی وآنالیز مؤلفة اصلی،نشریه سنجش از دور و GIS ایران، ۳(۹): ۴۵-۷۰.
  11. کفاش چرندابی، ن.، غلامی، ا. (۱۴۰۱). توسعه مدل ترکیبی بر پایه شبکه عصبی جهت مدلسازی کیفیت هوای داخلی بازار تبریز به لحاظ ذرات معلق، محیط شناسی، ۴۵(۳): ۴۹۹-۵۱۲.
  12. Chandra, R., Goyal, S., and Gupta, R., 2021. Evaluation of deep learning models for multi-step ahead time series prediction. IEEE Access, 9:83105–83123, 2021.
  13. Cordova C.H., Portocarrero M.N.L., Salas R., et al., 2021. Air quality assessment and pollution forecasting using artificial neural networks in Metropolitan Lima-Peru. Sci Rep. 11:24232.
  14. Chen J. et al., 2014. Seasonal modeling of in California’s San Joaquin valley. Environ. 92, 182–190.
  15. Saide P. et al., 2011. Forecasting urban and pollution episodes in very stable nocturnal conditions and complex terrain using WRF–Chem CO tracer model. Environ. 45, 2769–2780.
  16. Ahmadi G., 2019. Stable rough extreme learning machines for the identification of uncertain continuous-time nonlinear systems. Control and Optimization in Applied Mathematics, 4:83–101.
  17. Ahmadi G. and Dehghandar M., 2023. Chaotic Time Series Prediction Using Rough-Neural Networks, Mathematics Interdisciplinary Research, 8 (2) 71- 92.
  18. Ahmadi G. and Teshnehlab M., 2017. Designing and implementation of stable sinusoidal rough-neural identifier. IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst., 28:1774–1786.
  19. Montgomery D.C., Jennings C.L., and Kulahci M., 2008. Introduction to time series analysis and forecasting. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, USA.
  20. Faruk, D.O., 2010, A hybrid neural network and arima model for water quality time series prediction. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 23:586–594.
  21. Frank, R.J., Davey, N., and Hunt, S.P., 2001. Time series prediction and neural networks. J. Intell. Robot. Syst., 31:91–103.
  22. Gholipour, A., Araabi, B.N., and Lucas, C., 2006. Predicting chaotic time series using neural and neurofuzzy models: A comparative study. Neural Process Lett., 24:217–239.
  23. Gupta, M.M., Jin, L., and Homma, N., 2003. Static and Dynamic Neural Networks: From Fundamentals to Advanced Theory. John Wiley & Sons, New Jersey, USA.
  24. Maleki H., Sorooshian A., Goudarzi G., Baboli Z., Birgani Y.T., and Rahmati, M., 2019. Air pollution prediction by using an artificial neural network model. Clean Technol. Environ. Policy 21, 1341–1352.
  25. , Wang W., Jiao L., Zhao S., and Liu A., 2021. Modeling air quality prediction using a deep learning approach: Method optimization and evaluation. Sustainable Cities and Society, 65:102567.
  26. Salas R. and Bustos A., 2005. Constructing a narx model for the prediction of the air pollutant concentration. In Encuentro Chileno de Computación, Jornada Chilena de Ciencias de la Computación, Valdivia, Chile. Nov. 7-12.
  27. Kantz H. and Schreiber T., 2004. Nonlinear Time Series Analysis, Cambridge University Press.
  28. Delavar M.R., Gholami A., Shiran G.R., Rashidi Y., Nakhaeizadeh G.R., Fedra K., and Hatefi Afshar S., 2019. A Novel Method for Improving Air Pollution Prediction Based on Machine Learning Approaches: A Case Study Applied to the Capital City of Tehran. ISPRS Int. J. Geo-Inf. 8, 99.
  29. Tealab A., 2018. Time series forecasting using artificial neural networks methodologies: A systematic review. Future Computing and Informatics Journal, 3(2):334–340.
  30. Tiwary, A., Williams, I., and J., Colls, 2018. Air Pollution: Measurement, Modelling and Mitigation, 4th ed., CRC Press.
  31. Seinfeld, J.H., and Pandis, S.N., 1997, Atmospheric Chemistry and Physics:  From Air Pollution to Climate Change, Wiley-VCH:  New York.
Volume 48, 126-127 - Serial Number 126
October 2024
Pages 109-126

  • Receive Date 22 June 2024
  • Revise Date 01 September 2024
  • Accept Date 08 October 2024
  • Publish Date 22 September 2024