مطالعه تطبیقی مدل‌های یادگیری ماشین و مدل‌های سری زمانی برای پیش‌بینی مصرف گاز طبیعی در صنایع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 شرکت گاز خراسان رضوی مشهد ایران
2 دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه فردوسی مشهد/شرکت گاز خراسان رضوی
3 شرکت گاز خراسان رضوی
20.1001.1/ijge.2026.2091100.1127
چکیده
پیش‌بینی دقیق مصرف گاز طبیعی نقش مهمی در برنامه‌ریزی انرژی، مدیریت منابع و تدوین سیاست‌های توسعه صنعتی ایفا می‌کند. در این مقاله، داده‌های ماهانه مصرف گاز طبیعی در صنعت استان، طی دوره ۱۳۹۴ تا ۱۴۰۳ مورد بررسی قرار گرفت. به منظور ارزیابی و مقایسه عملکرد روش‌های مختلف پیش‌بینی، سه مدل جنگل تصادفی ، مدل خودرگرسیو یکپارچه میانگین متحرک (ARIMA) و نزدیک‌ترین همسایگان در محیط نرم‌افزار متلب پیاده‌سازی شدند. همچنین، به‌منظور بررسی تأثیر خوشه‌بندی داده‌ها بر دقت پیش‌بینی، مدل‌ها در دو سناریوی مستقل، شامل استفاده از خوشه‌بندی فازیC-Means و عدم استفاده از FCM ، توسعه و ارزیابی شدند. در مرحله آماده‌سازی داده‌ها نیز متغیرهای تأخیری، ویژگی‌های زمانی و مؤلفه‌های فصلی، استخراج و در فرآیند مدل‌سازی به کار گرفته شدند. نتایج نشان داد که استفاده از خوشه‌بندی فازی سبب بهبود عملکرد مدل‌های پیش‌بینی و افزایش توانایی آن‌ها در شناسایی الگوهای مصرف شده است. مقایسه شاخص‌های ارزیابی حاکی از آن بود که مدل جنگل تصادفی در هر دو سناریو، کمترین میزان خطا و بالاترین دقت را به خود اختصاص داده و توانایی بیشتری در مدل‌سازی روابط پیچیده و غیرخطی مصرف گاز طبیعی دارد. مدل ARIMA در رتبه دوم قرار گرفت و در شناسایی روندها و الگوهای فصلی عملکرد مناسبی از خود نشان داد، در مقابل، مدل KNN نسبت به دو مدل دیگر دقت کمتری در پیش‌بینی، ارائه کرد. نتایج پیش‌بینی تا افق ۱۴۱۰ نیز بیانگر تداوم روند افزایشی مصرف گاز طبیعی و افزایش تقاضا در ماه‌های سرد سال است. یافته‌های این مقاله نشان می‌دهد که ترکیب خوشه‌بندی فازی با روش‌های یادگیری ماشین می‌تواند دقت پیش‌بینی مصرف انرژی را بهبود بخشیده و ابزار مؤثری برای برنامه‌ریزی بلندمدت، مدیریت تقاضا و تصمیم‌گیری در حوزه انرژی فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparative study of machine learning models and time series models for predicting natural gas consumption in industries

نویسندگان English

iman mohammadi 1
pezhman mayelfar 2
ayoub chamani gelian 3
1 gas company of khorasan razavi, mashhad, Iran
2 chemical engineering of ferdowsi university of mashhad/gas company of khorasan razavi
3 gas company of khorasan razavi
چکیده English

Accurate prediction of natural gas consumption plays an important role in energy planning, resource management, and formulating industrial development policies. In this study, monthly data on natural gas consumption in the province's industry during the period 1394 to 1403 were examined. In order to evaluate and compare the performance of different prediction methods, three random forest models, autoregressive integrated moving average (ARIMA) model, and nearest neighbors were implemented in the MATLAB software. Also, in order to examine the effect of data clustering on prediction accuracy, the models were developed and evaluated in two independent scenarios, including the use of fuzzy C-Means clustering and the lack of use of FCM. In the data preparation stage, lagged variables, temporal features, and seasonal components were extracted and used in the modeling process.The results showed that the use of fuzzy clustering improved the performance of forecasting models and increased their ability to identify consumption patterns. Comparison of evaluation indicators indicated that the random forest model had the lowest error rate and the highest accuracy in both scenarios and was more capable of modeling complex and nonlinear relationships in natural gas consumption. The ARIMA model ranked second and showed good performance in identifying seasonal trends and patterns, while the KNN model provided less accuracy in forecasting than the other two models. The forecast results up to the horizon of 1410 also indicate a continuation of the increasing trend in natural gas consumption and increased demand in the cold months of the year.The findings of this study show that combining fuzzy clustering with machine learning methods can improve the accuracy of energy consumption forecasting and provide an effective tool for long-term planning, demand management, and decision-making in the energy sector.

کلیدواژه‌ها English

Random Forest
ARIMA
KNN
C-Means Fuzzy Clustering
MATLAB
Energy Consumption Forecasting

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 مرداد 1405

  • تاریخ دریافت 19 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 09 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 24 مرداد 1405