Published December 21, 2022 | Version v1
Publication Open

APPLICATION NEURAL NETWORK APPROACH FOR THE ESTIMATION OF HEAVY METAL CONCENTRATIONS IN THE INAOUEN WATERSHED

  • 1. Université Ibn-Tofail

Description

This paper describes how the multilayer perceptron neural network (MLPNN) trained by the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) quasi-newton back-propagation approach was used to estimate heavy metal concentrations: Aluminum (Al), Lead (Pb), Copper (Cu), and Iron (Fe), in the province of Taza using sixteen physicochemical factors measured from 100 samples collected from surface water sources by our team, according to the protocol of the national water office (ONE). We chose a network with only one hidden layer to identify the network architecture to employ. The number of neurons in the hidden layer was varied, as were the types of transfer and activation functions, and the BFGS learning method was used. The following statistical metrics were used to evaluate the performance of the neural network's stochastic models: Examining the adjustment graphs and residue, as well as the Error Sum of Squares (SSE); the mean bias error (MBE) and determination coefficient (R²). The results reveal that the predictive models created using the artificial neural network method (ANN) are quite efficient, thanks to the BFGS algorithm's efficiency and speed of convergence. An architectural network [16-8-1] (16: number of variables in input layer, 8: number of hidden layer, 1: number of variables in output layer) produced the best results,{R²: Al(0.954), Pb(0.942), Cu(0.921), Fe(0.968)}, {SSE: Al(0.396), Pb(0.0059), Cu(0.252), Fe(4.29)} and {MBE: Al(–0.033), Pb(0.008), Cu(–0.004), Fe(0.091)}, which is developed so that each model is responsible for estimating the concentration of a single heavy metal. This result demonstrates that there is a non-linear relationship between the physical-chemical properties evaluated and the heavy metal content of surface water in the Taza province.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تصف هذه الورقة كيف تم استخدام الشبكة العصبية الإدراكية متعددة الطبقات (MLPNN) المدربة من قبل نهج برويدن- فليتشر- غولدفارب- شانو (BFGS) شبه النيوتن للانتشار الخلفي لتقدير تركيزات المعادن الثقيلة: الألومنيوم (Al) والرصاص (Pb) والنحاس (Cu) والحديد (Fe)، في مقاطعة تازا باستخدام ستة عشر عاملاً فيزيائيًا كيميائيًا تم قياسها من 100 عينة تم جمعها من مصادر المياه السطحية من قبل فريقنا، وفقًا لبروتوكول مكتب المياه الوطني (ONE). اخترنا شبكة ذات طبقة خفية واحدة فقط لتحديد بنية الشبكة لتوظيفها. كان عدد الخلايا العصبية في الطبقة المخفية متنوعًا، وكذلك أنواع وظائف النقل والتنشيط، وتم استخدام طريقة تعلم BFGS. تم استخدام المقاييس الإحصائية التالية لتقييم أداء النماذج العشوائية للشبكة العصبية: فحص الرسوم البيانية للتعديل والبقايا، بالإضافة إلى مجموع أخطاء المربعات (SSE) ؛ متوسط خطأ التحيز (MBE) ومعامل التحديد (R²). تكشف النتائج أن النماذج التنبؤية التي تم إنشاؤها باستخدام طريقة الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) فعالة للغاية، وذلك بفضل كفاءة خوارزمية BFGS وسرعة التقارب. أنتجت الشبكة المعمارية [16-8-1] (16: عدد المتغيرات في طبقة الإدخال، 8: عدد الطبقة المخفية، 1: عدد المتغيرات في طبقة الإخراج) أفضل النتائج،{R²: Al(0.954)، Pb(0.942)، Cu(0.921)، Fe(0.968)}، {SSE: Al(0.396)، Pb(0.0059)، Cu(0.252)، Fe(4.29)} و {MBE: Al(-0.033)، Pb(0.008)، Cu(-0.004)، Fe(0.091)}، والتي تم تطويرها بحيث يكون كل نموذج مسؤولاً عن تقدير تركيز معدن ثقيل واحد. توضح هذه النتيجة وجود علاقة غير خطية بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تم تقييمها ومحتوى المعادن الثقيلة من المياه السطحية في مقاطعة تازا.

Translated Description (French)

Cet article décrit comment le réseau neuronal perceptron multicouche (MLPNN) formé par l'approche de rétro-propagation quasi-newton Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) a été utilisé pour estimer les concentrations de métaux lourds : Aluminium (Al), Plomb (Pb), Cuivre (Cu) et Fer (Fe), dans la province de Taza en utilisant seize facteurs physico-chimiques mesurés à partir de 100 échantillons prélevés à partir de sources d'eau de surface par notre équipe, selon le protocole de l'office national de l'eau (ONE). Nous avons choisi un réseau avec une seule couche cachée pour identifier l'architecture réseau à utiliser. Le nombre de neurones dans la couche cachée a été varié, de même que les types de fonctions de transfert et d'activation, et la méthode d'apprentissage BFGS a été utilisée. Les métriques statistiques suivantes ont été utilisées pour évaluer la performance des modèles stochastiques du réseau de neurones : l'examen des graphiques d'ajustement et des résidus, ainsi que de la somme des erreurs des carrés (SSE) ; l'erreur biais moyenne (MBE) et le coefficient de détermination (R²). Les résultats révèlent que les modèles prédictifs créés à l'aide de la méthode des réseaux neuronaux artificiels (ANN) sont assez efficaces, grâce à l'efficacité et à la rapidité de convergence de l'algorithme BFGS. Un réseau architectural [16-8-1] (16 : nombre de variables dans la couche d'entrée, 8 : nombre de couche cachée, 1 : nombre de variables dans la couche de sortie) a produit les meilleurs résultats,{R² : Al(0,954), Pb(0,942), Cu(0,921), Fe(0,968)}, {SSE : Al(0,396), Pb(0,0059), Cu(0,252), Fe(4,29)} et {MBE : Al(-0,033), Pb(0,008), Cu(-0,004), Fe(0,091)}, qui est développé de sorte que chaque modèle est responsable de l'estimation de la concentration d'un seul métal lourd. Ce résultat démontre qu'il existe une relation non linéaire entre les propriétés physico-chimiques évaluées et la teneur en métaux lourds des eaux de surface dans la province de Taza.

Translated Description (Spanish)

Este documento describe cómo se utilizó la red neuronal perceptrón multicapa (MLPNN) entrenada por el enfoque de retropropagación de cuasi-newton Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) para estimar las concentraciones de metales pesados: aluminio (Al), plomo (Pb), cobre (Cu) y hierro (Fe), en la provincia de Taza utilizando dieciséis factores fisicoquímicos medidos a partir de 100 muestras recolectadas de fuentes de agua superficial por nuestro equipo, de acuerdo con el protocolo de la oficina nacional de agua (ONE). Elegimos una red con una sola capa oculta para identificar la arquitectura de red a emplear. El número de neuronas en la capa oculta fue variado, al igual que los tipos de funciones de transferencia y activación, y se utilizó el método de aprendizaje BFGS. Se utilizaron las siguientes métricas estadísticas para evaluar el rendimiento de los modelos estocásticos de la red neuronal: Examinando los gráficos de ajuste y el residuo, así como la Suma de errores de cuadrados (SSE); el error de sesgo medio (MBE) y el coeficiente de determinación (R²). Los resultados revelan que los modelos predictivos creados utilizando el método de red neuronal artificial (ANN) son bastante eficientes, gracias a la eficiencia y velocidad de convergencia del algoritmo BFGS. Una red arquitectónica [16-8-1] (16: número de variables en la capa de entrada, 8: número de capa oculta, 1: número de variables en la capa de salida) produjo los mejores resultados,{R²: Al(0.954), Pb(0.942), Cu(0.921), Fe(0.968)}, {SSE: Al(0.396), Pb(0.0059), Cu(0.252), Fe(4.29)} y {MBE: Al(–0.033), Pb(0.008), Cu(–0.004), Fe(0.091)}, que se desarrolla de modo que cada modelo es responsable de estimar la concentración de un solo metal pesado. Este resultado demuestra que existe una relación no lineal entre las propiedades físico-químicas evaluadas y el contenido de metales pesados de las aguas superficiales en la provincia de Taza.

Files

11482.pdf

Files (1.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:eb8ca890786e4209a4e87f9993c3ac29
1.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطبيق نهج الشبكة العصبية لتقدير تركيزات المعادن الثقيلة في مستجمعات المياه في إينوين
Translated title (French)
APPROCHE DE RÉSEAU NEURONAL D'APPLICATION POUR L'ESTIMATION DES CONCENTRATIONS DE MÉTAUX LOURDS DANS LE BASSIN VERSANT DE L'INAOUEN
Translated title (Spanish)
ENFOQUE DE RED NEURONAL DE APLICACIÓN PARA LA ESTIMACIÓN DE CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS EN LA CUENCA DEL INAOUEN

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4313502414
DOI
10.3846/jeelm.2022.18059

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Morocco

References

  • https://openalex.org/W1971735090
  • https://openalex.org/W1972805072
  • https://openalex.org/W1977537959
  • https://openalex.org/W1988115241
  • https://openalex.org/W2018219591
  • https://openalex.org/W2034621771
  • https://openalex.org/W2043612705
  • https://openalex.org/W2070349493
  • https://openalex.org/W2103496339
  • https://openalex.org/W2137983211
  • https://openalex.org/W2160208155
  • https://openalex.org/W2240440587
  • https://openalex.org/W2258922941
  • https://openalex.org/W2277944317
  • https://openalex.org/W2280670759
  • https://openalex.org/W2502655619
  • https://openalex.org/W2780275328
  • https://openalex.org/W2789600509
  • https://openalex.org/W2800363843
  • https://openalex.org/W2895362816
  • https://openalex.org/W2895556389
  • https://openalex.org/W2978631110
  • https://openalex.org/W3095982085
  • https://openalex.org/W3097973206
  • https://openalex.org/W3165096024
  • https://openalex.org/W3193421502
  • https://openalex.org/W4226062160
  • https://openalex.org/W4285719527
  • https://openalex.org/W4292170088