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

dc.contributor.advisorAraújo, João Medeiros de
dc.contributor.advisor-co1Barroca Neto, Álvaro
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3465-7134pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2194067631173871pt_BR
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-8462-4280pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/3061734732654188pt_BR
dc.contributor.authorNascimento, Rutinaldo Aguiar
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-8356-4458pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7136533496688573pt_BR
dc.contributor.referees1Corso, Gilberto
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1748-4040pt_BR
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0274040885278760pt_BR
dc.contributor.referees2Nascimento, Hugo Alexandre Dantas do
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2920005922426876pt_BR
dc.contributor.referees3Henriques, Marcos Vinícius Cândido
dc.contributor.referees3IDhttps://orcid.org/0000-0002-4411-3635pt_BR
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/7414109374510547pt_BR
dc.date.accessioned2023-10-30T21:50:14Z
dc.date.available2023-10-30T21:50:14Z
dc.date.issued2023-05-20
dc.description.abstractFull 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 areapt_BR
dc.description.resumoA 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.pt_BR
dc.description.sponsorshipCAPESpt_BR
dc.identifier.citationNASCIMENTO, 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.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55120
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Petróleopt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectInversão completa da forma da ondapt_BR
dc.subjectOtimização livre de derivadaspt_BR
dc.subjectCusto computacional.pt_BR
dc.subjectEngenharia de petróleopt_BR
dc.subjectAlgoritmo bioinspiradopt_BR
dc.subjectOtimização não linearpt_BR
dc.subjectCusto computacionalpt_BR
dc.subjectFull waveform inversionpt_BR
dc.subjectHybrid optimizationpt_BR
dc.subjectDerivative free optimizationpt_BR
dc.subjectBio- inspired algorithmpt_BR
dc.subjectNonlinear optimizationpt_BR
dc.subjectComputational costpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRApt_BR
dc.titleUma 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 1Dpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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