Uma nova abordagem de otimização híbrida usando os algoritmos PSO, Nelder-Mead Simplex e o de clusterização K-means para inversão completa da forma da onda 1D

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Nascimento, Rutinaldo Aguiar
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
UFRN
Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55120
Resumo: Full Waveform Inversion (FWI) is formulated as a nonlinear optimization problem, which traditionally utilizes derivative-based local minimization methods to find the scalar field of physical properties of the subsurface that best represents the field seismic data. However, these methods have a high computational cost and a limited accuracy to local minima, in addition to suffering from a slow convergence rate (Cycle Skipping). Therefore, in this work, a two-phase hybrid optimization algorithm based on Derivative-Free Optimization (DFO) algorithms was developed. In the first phase, global minimization and the clustering technique are used, while in the second phase, local minimization is adopted. In phase 1, Particle Swarm Optimization (PSO) and K-means clustering algorithms were used. In phase2, the Adaptive Nelder-Mead Simplex (ANMS) was used. The new hybrid algorithm was named PSO-Kmeans-ANMS, in which the K-means is responsible for dividing the swarm of particles into two clusters at each iteration. This strategy aims to automatically balance the exploration and exploitation mechanisms of the parameter search space, allowing for finding more accurate solutions and, consequently, improving convergence. The proposed hybrid algorithm was validated on the set of 12 benchmark functions and then applied to the 1D FWI problem. The results of the PSO-Kmeans-ANMS were compared with those obtained by the classic PSO, modified PSO, and ANMS algorithms. The metrics used were the average execution time and the success rate, which accepted errors of up to ±4% of the optimal solution. In all validation experiments and in the application of the FWI, the PSO-Kmeans- ANMS algorithm showed satisfactory performance, providing precise and reliable results, which proves its robustness and computational efficiency. In addition, the application of this hybrid algorithm in the FWI provided a significant reduction in the computational cost, thus representing an important and promising result for the seismic area
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spelling Uma nova abordagem de otimização híbrida usando os algoritmos PSO, Nelder-Mead Simplex e o de clusterização K-means para inversão completa da forma da onda 1DInversão completa da forma da ondaOtimização livre de derivadasCusto computacional.Engenharia de petróleoAlgoritmo bioinspiradoOtimização não linearCusto computacionalFull waveform inversionHybrid optimizationDerivative free optimizationBio- inspired algorithmNonlinear optimizationComputational costCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRAFull Waveform Inversion (FWI) is formulated as a nonlinear optimization problem, which traditionally utilizes derivative-based local minimization methods to find the scalar field of physical properties of the subsurface that best represents the field seismic data. However, these methods have a high computational cost and a limited accuracy to local minima, in addition to suffering from a slow convergence rate (Cycle Skipping). Therefore, in this work, a two-phase hybrid optimization algorithm based on Derivative-Free Optimization (DFO) algorithms was developed. In the first phase, global minimization and the clustering technique are used, while in the second phase, local minimization is adopted. In phase 1, Particle Swarm Optimization (PSO) and K-means clustering algorithms were used. In phase2, the Adaptive Nelder-Mead Simplex (ANMS) was used. The new hybrid algorithm was named PSO-Kmeans-ANMS, in which the K-means is responsible for dividing the swarm of particles into two clusters at each iteration. This strategy aims to automatically balance the exploration and exploitation mechanisms of the parameter search space, allowing for finding more accurate solutions and, consequently, improving convergence. The proposed hybrid algorithm was validated on the set of 12 benchmark functions and then applied to the 1D FWI problem. The results of the PSO-Kmeans-ANMS were compared with those obtained by the classic PSO, modified PSO, and ANMS algorithms. The metrics used were the average execution time and the success rate, which accepted errors of up to ±4% of the optimal solution. In all validation experiments and in the application of the FWI, the PSO-Kmeans- ANMS algorithm showed satisfactory performance, providing precise and reliable results, which proves its robustness and computational efficiency. In addition, the application of this hybrid algorithm in the FWI provided a significant reduction in the computational cost, thus representing an important and promising result for the seismic areaCAPESA Inversão Completa da Forma da Onda (Full Waveform Inversion - FWI) é formulada como um problema de otimização não linear, que tradicionalmente utiliza métodos de minimização local baseados em derivadas para encontrar o campo escalar de propriedades físicas da subsuperfície que melhor represente os dados sísmicos de campo. No entanto, esses métodos possuem um alto custo computacional e uma precisão limitada a mínimos locais, além de sofrerem com uma lenta taxa de convergência (cycle-skipping). Portanto, neste trabalho, foi desenvolvido um algoritmo de otimização híbrido de duas fases baseado em algoritmos de otimização livre de derivadas (Derivative Free Optimization - DFO). Na primeira fase, utiliza-se a minimização global e a técnica de agrupamento, enquanto na segunda fase é adotada a minimização local. Na Fase 1, foram utilizados o algoritmo de otimização por enxame de partículas (Particle Swarm Optmization - PSO) e o K-means. Na Fase 2, foi utilizado o Simplex Adaptativo de Nelder-Mead (Adaptive Nelder-Mead Simplex - ANMS). O novo algoritmo híbrido foi denominado de PSO-Kmeans-ANMS, no qual o K-means é responsável por dividir o enxame de partículas em dois clusters em cada iteração. Essa estratégia visa equilibrar automaticamente os mecanismos de exploração e explotação do espaço de busca de parâmetros, permitindo encontrar soluções mais precisas e, consequentemente, melhorar a convergência. O algoritmo híbrido proposto foi validado no conjunto de 12 funções benchmark e, em seguida, aplicado ao problema FWI 1D. Os resultados do PSO-Kmeans-ANMS foram comparados com os obtidos pelos algoritmos PSO clássico, PSO modificado e ANMS. As métricas utilizadas foram o tempo médio de execução e a taxa de sucesso, que aceitou erros de até ±4% da solução ótima. Em todos os experimentos de validação e na aplicação da FWI, o algoritmo PSO-Kmeans-ANMS apresentou desempenho satisfatório, fornencendo resultados precisos e confiáveis, o que comprova sua robustez e eficiência computacional. Além disso, a aplicação desse algoritmo híbrido na FWI proporcionou uma redução significativa no custo computacional, representando assim um resultado importante e promissor para a área da sísmica. A Inversão Completa da Forma da Onda (Full Waveform Inversion - FWI) é formulada como um problema de otimização não linear, que tradicionalmente utiliza métodos de minimização local baseados em derivadas para encontrar o campo escalar de propriedades físicas da subsuperfície que melhor represente os dados sísmicos de campo. No entanto, esses métodos possuem um alto custo computacional e uma precisão limitada a mínimos locais, além de sofrerem com uma lenta taxa de convergência (cycle-skipping). Portanto, neste trabalho, foi desenvolvido um algoritmo de otimização híbrido de duas fases baseado em algoritmos de otimização livre de derivadas (Derivative Free Optimization - DFO). Na primeira fase, utiliza-se a minimização global e a técnica de agrupamento, enquanto na segunda fase é adotada a minimização local. Na Fase 1, foram utilizados o algoritmo de otimização por enxame de partículas (Particle Swarm Optmization - PSO) e o K-means. Na Fase 2, foi utilizado o Simplex Adaptativo de Nelder-Mead (Adaptive Nelder-Mead Simplex - ANMS). O novo algoritmo híbrido foi denominado de PSO-Kmeans-ANMS, no qual o K-means é responsável por dividir o enxame de partículas em dois clusters em cada iteração. Essa estratégia visa equilibrar automaticamente os mecanismos de exploração e explotação do espaço de busca de parâmetros, permitindo encontrar soluções mais precisas e, consequentemente, melhorar a convergência. O algoritmo híbrido proposto foi validado no conjunto de 12 funções benchmark e, em seguida, aplicado ao problema FWI 1D. Os resultados do PSO-Kmeans-ANMS foram comparados com os obtidos pelos algoritmos PSO clássico, PSO modificado e ANMS. As métricas utilizadas foram o tempo médio de execução e a taxa de sucesso, que aceitou erros de até ±4% da solução ótima. Em todos os experimentos de validação e na aplicação da FWI, o algoritmo PSO-Kmeans-ANMS apresentou desempenho satisfatório, fornencendo resultados precisos e confiáveis, o que comprova sua robustez e eficiência computacional. Além disso, a aplicação desse algoritmo híbrido na FWI proporcionou uma redução significativa no custo computacional, representando assim um resultado importante e promissor para a área da sísmica.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPrograma de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de PetróleoAraújo, João Medeiros dehttps://orcid.org/0000-0001-8356-4458http://lattes.cnpq.br/7136533496688573https://orcid.org/0000-0001-8462-4280http://lattes.cnpq.br/3061734732654188Barroca Neto, Álvarohttps://orcid.org/0000-0003-3465-7134http://lattes.cnpq.br/2194067631173871Corso, Gilbertohttps://orcid.org/0000-0003-1748-4040http://lattes.cnpq.br/0274040885278760Nascimento, Hugo Alexandre Dantas dohttp://lattes.cnpq.br/2920005922426876Henriques, Marcos Vinícius Cândidohttps://orcid.org/0000-0002-4411-3635http://lattes.cnpq.br/7414109374510547Nascimento, Rutinaldo Aguiar2023-10-30T21:50:14Z2023-10-30T21:50:14Z2023-05-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfNASCIMENTO, Rutinaldo Aguiar. Uma nova abordagem de otimização híbrida usando os algoritmos PSO, Nelder-Mead Simplex e o de clusterização K-means para inversão completa da forma da onda 1D. 2023. 129 f. Orientador: Prof. Dr. João Medeiros de Araújo.Tese (doutorado em Ciência e Engenharia de petróleo) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Natal, RN, 2023.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55120info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2023-10-30T21:51:42Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/55120Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2023-10-30T21:51:42Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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description Full Waveform Inversion (FWI) is formulated as a nonlinear optimization problem, which traditionally utilizes derivative-based local minimization methods to find the scalar field of physical properties of the subsurface that best represents the field seismic data. However, these methods have a high computational cost and a limited accuracy to local minima, in addition to suffering from a slow convergence rate (Cycle Skipping). Therefore, in this work, a two-phase hybrid optimization algorithm based on Derivative-Free Optimization (DFO) algorithms was developed. In the first phase, global minimization and the clustering technique are used, while in the second phase, local minimization is adopted. In phase 1, Particle Swarm Optimization (PSO) and K-means clustering algorithms were used. In phase2, the Adaptive Nelder-Mead Simplex (ANMS) was used. The new hybrid algorithm was named PSO-Kmeans-ANMS, in which the K-means is responsible for dividing the swarm of particles into two clusters at each iteration. This strategy aims to automatically balance the exploration and exploitation mechanisms of the parameter search space, allowing for finding more accurate solutions and, consequently, improving convergence. The proposed hybrid algorithm was validated on the set of 12 benchmark functions and then applied to the 1D FWI problem. The results of the PSO-Kmeans-ANMS were compared with those obtained by the classic PSO, modified PSO, and ANMS algorithms. The metrics used were the average execution time and the success rate, which accepted errors of up to ±4% of the optimal solution. In all validation experiments and in the application of the FWI, the PSO-Kmeans- ANMS algorithm showed satisfactory performance, providing precise and reliable results, which proves its robustness and computational efficiency. In addition, the application of this hybrid algorithm in the FWI provided a significant reduction in the computational cost, thus representing an important and promising result for the seismic area
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