توصيفگر ها :
طراحي آزمايش ها , طرح فاكتوريل , طرح مركب مركزي , روغن سبوس برنج
چكيده فارسي :
در دهههاي اخير، بهرهگيري از روشهاي آماري و الگوريتمهاي يادگيري ماشين در علوم كشاورزي بهعنوان ابزاري توانمند جهت افزايش بهرهوري، بهبود تصميمگيري و توسعه مدلهاي پيشبيني در شرايط متغير اقليمي جايگاه ويژهاي يافته است. با رشد فناوريهاي سنجش و گردآوري داده، حجم عظيمي از اطلاعات از آزمايشهاي كشاورزي، محيطي و بيولوژيكي توليد شده كه استفاده صحيح از اين دادهها مستلزم بهكارگيري ابزارهاي علمي و مدلسازيهاي دقيق است. در اين راستا، بهبود و توسعه پارامترهاي اثرگذار بر فرايندهاي مهم كشاورزي نقش بسزايي در اين پيشرفت خواهد داشت.
در اين پژوهش، بهينهسازي شرايط آزمايش استخراج روغن سبوس برنج باهدف دستيابي به بهترين نتايج كمي موردبررسي قرار گرفت. دادههاي مربوط به سه عامل دما، فشار و مول CO2 بهعنوان ورودي، و بازدهي روغن، غلظت فسفر و اسيد چرب آزاد بهعنوان خروجي از طريق طرح مركب مركزي (CCD) گردآوري شد. به دليل پيچيدگي روابط ميان متغيرها و وجود اثرات متقابل، استفاده از مدلهاي پيشرفته آماري و يادگيري ماشين ضروري بود.
در گام نخست، از رويكرد تابع مطلوبيت جهت تعيين تركيب بهينه عوامل ورودي استفاده شد كه توانست مقادير بهينهاي براي حداكثرسازي رضايت همزمان متغيرهاي پاسخ ارائه دهد. سپس براي مدلسازي و پيشبيني دقيقتر، از الگوريتمهاي نوين يادگيري ماشين شامل XGBoost، رگرسيون ماشين بردار پشتيبان (SVR) با كرنل RBF و رگرسيون فرايند گاوسي و همچنين روشهاي بهينهيابي فازي شامل روش رگرسيون فازي و روش ANFIS استفاده گرديد. نتايج نشان داد كه مدل XGBoost عليرغم دقت قابلقبول در برخي پاسخها، الگوي تعميمپذير مناسبي ارائه نكرد. در مقابل، مدل SVR با كرنل RBF توانست با بيشترين دقت روابط غيرخطي پيچيده ميان وروديها و خروجيها را شناسايي كرده و بهترين عملكرد پيشبيني را ارائه دهد. همچنين، مدل فرايند گاوسي به دليل ماهيت احتمالاتي خود در كنار دقت بالا، قابليت ارائه عدم قطعيت پيشبينيها را نيز فراهم ساخت.
در نهايت، ميتوان نتيجه گرفت كه انتخاب روش بهينهسازي وابسته به هدف نهايي پژوهش است: در شرايطي كه محدوديت منابع و زمان اجراي مدل بهينهيابي اهميت دارد، روش تابع مطلوبيت بهترين گزينه محسوب ميشود؛ اما در حالتي كه دقت پيشبيني و شناسايي دقيق روابط ميان متغيرها اولويت داشته و محدوديت منابع كمتر مدنظر باشد، روش SVR با كرنل RBF كارآمدترين رويكرد در بهينهسازي فرايند استخراج روغن سبوس برنج است.
چكيده انگليسي :
In recent decades, the application of statistical methods and machine learning algorithms in agricultural sciences has gained a prominent position as a powerful tool for enhancing productivity, improving decision-making, and developing predictive models under variable climatic conditions. With the advancement of sensing technologies and data collection methods, a massive volume of information has been generated from agricultural, environmental, and biological experiments. Proper utilization of these datasets requires the application of rigorous scientific tools and precise modeling approaches. In this context, improving and optimizing the influential parameters of key agricultural processes plays a crucial role in fostering progress.
In the present study, optimization of the experimental conditions for rice bran oil extraction was investigated with the aim of achieving the most favorable quantitative outcomes. Data related to three input factors, temperature, pressure, and CO₂ molar concentration, were collected using a Central Composite Design (CCD). The corresponding outputs included oil yield, phosphorus content, and free fatty acid concentration. Due to the complexity of the interactions among these variables, as well as the presence of nonlinear effects, the use of advanced statistical models and machine learning techniques was deemed necessary.
At the initial stage, the desirability function approach was employed to determine the optimal combination of input factors, successfully providing suitable parameter settings for the simultaneous maximization of multiple responses. Subsequently, in order to achieve more accurate modeling and prediction, modern machine learning algorithms such as XGBoost, Support Vector Regression (SVR) with an RBF kernel, and Gaussian Process Regression were implemented, along with fuzzy optimization techniques including Fuzzy Regression and ANFIS. The results revealed that although XGBoost demonstrated acceptable accuracy for certain responses, it failed to provide a robust and generalizable predictive pattern. In contrast, SVR with the RBF kernel exhibited superior performance, effectively capturing the complex nonlinear relationships between inputs and outputs and yielding the most accurate predictive results. Moreover, Gaussian Process Regression, owing to its probabilistic nature, not only achieved high predictive accuracy but also offered valuable insights into the uncertainty associated with predictions.
Ultimately, it can be concluded that the choice of an optimization approach strongly depends on the final objective of the research. When resource and time constraints are the primary considerations, the desirability function method serves as the most practical option. However, in scenarios where prediction accuracy and the precise identification of variable interactions are of higher priority and resource limitations are less critical, SVR with the RBF kernel emerges as the most effective strategy for optimizing the rice bran oil extraction process.