Ulaştırma mühendisliğinde bulanık modelleme ile menfez tasarımı
Fuzzy modeling approach to culvert design in transportation engineering
Yazar: ÖZAY USLU
Danışman: PROF. DR. ZEKAİ ŞEN
İstanbul Medipol Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ulaştırma mühendisliğinin vazgeçilmez unsurlarından olan karayolu ve demiryolu güzergahları, üzerinden geçtiği bölgelerin topoğrafyasına bağlı olarak birçok su toplama (drenaj) havzasıyla karşılaşmaktadır. Bu güzergâhlar menfezler, köprüler veya su kemerleri aracılığıyla dar veya geniş su toplama havzalarının üzerinden geçmek zorunda olduğundan yol yapımında yeraltı suyu, özellikle yüzey suyu ve akışlar çok önemli bir rol oynamaktadır. Köprüler ve su kemerlerinin altında su sorunları çok tehlikeli durumlar ortaya çıkarmazlar, ancak nispeten küçük ölçekli mühendislik yapıları olan menfezler, en tehlikeli yüzey suyu (yüzey akışı) sorunlarına maruz kalır ve bu nedenle daha fazla dikkat gerektirmektedir. Karayolu ve demiryolları altındaki menfezler, memba tarafından gelen yüzey akışını aşağı kısımdaki bölgeye kritik bir sorun olmadan geçirecek şekilde tasarlanmalı ve inşa edilmelidir. Literatürde, menfez çalışmalarında su geçişi ve boyut tasarım formülasyonları hakkında, ampirik temellere dayanan ve planlandıkları bölge için geçerliliği olan birçok rapor bulunmaktadır. Çoğu menfezin drenaj havzasında yağış ölçümleri bulunmadığından, ampirik, mantık ve akılcı (rasyonel) yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Literatürdeki ilk mantık kurallarına dayalı yöntemlerden biri, menfez tasarımına yönelik Talbot'un prosedürel yaklaşımıdır. Bu yaklaşım, yalnızca açık bir denkleme değil, aynı zamanda dilsel olarak önerilen ve çoğu belirsizliği etkili bir şekilde ortadan kaldırmak için belirgin (deterministik) olarak ifade edilen bir dizi tasarım kuralına da dayanmaktadır. Talbot menfez tasarım yaklaşımı, iki değerli mantık kurallarını esas almakta, karmaşık matematik denklemlerine dayanmamakta ve çeşitli belirsizlikleri etkili bir şekilde göz önünde bulunduramamaktadır. Bu çalışma, Talbot'un iki değerli mantık yöntem adımlarını daha anlamlı bir bulanık mantık (BM) yöntemine dönüştürerek geliştirmeyi hedeflemiştir. Önerilen yöntemin uygulaması, Türkiye'nin Tekirdağ ilinde, bakımı yetersiz yapılmış bir menfez nedeniyle ciddi bir tren kazasının meydana geldiği bir yerel alanda gerçekleştirilmiştir. Havzadaki menfezin boyutlarının yeterliliği Talbot yöntemine göre değerlendirilmiş ve elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu görülmüştür. Çalışma kapsamında Talbot yönteminin ve bu yöntem üzerinden geliştirilmiş bir yöntem olan Değiştirilmiş Talbot Yöntemi (DTY)'nin bulanıklaştırılması ele alınmıştır.  Mamdani Bulanık Çıkarım Sistemi (BÇS) yaklaşımı doğrultusunda Talbot yöntemindeki tüm değişkenler bulanıklaştırılmış ve meydana gelen bulanık çıktı kümelerine ağırlık merkezi esaslı durulaştırma işlemi uygulanmıştır. Hem yöntemde ifade edilen havza sınıfı aralıklarında hem de daha küçük ölçekte ve daha fazla sayıda sınıfa sahip bir örnekleme için bulanık sistem kurularak Talbot yöntemi sonuçlarıyla bu sistemin çıktıları karşılaştırılmıştır. Talbot ile daha uyumlu sonuçların örneklemedeki bulanık sistemden geldiği görülmüştür. Buna ilave olarak örneklemedeki bağıl hata değerlerine bakıldığında C akış katsayısı yükseldikçe sistemin daha iyi çıktı verdiği tespit edilmiştir. DTY'nin bulanıklaştırılmasında üç farklı yaklaşım kullanılmıştır. Bunların ikisi Mamdani BÇS yaklaşımını esas alan parçalı bulanık sistem ve ağaç veri yapısıyla kurulmuş bulanık sistemdir. Diğer yaklaşım ise Sugeno BÇS tabanlı çalışan ANFIS modeli üzerinde hazırlanmıştır. Bu bağlamda parçalı bulanık sistem, bulanık ağaç veri yapısı ve ANFIS modeli çıktıları ortalama mutlak hata, ortalama karesel hata ve ortalama hata kare kökü gibi bazı metrikler bakımından karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan neticeler incelendiğinde en uygun çıktıların ANFIS modeliyle kurulmuş sistemden geldiği gözlenmiştir. DTY denkleminde yer alan eğim, havza genişliği/uzunluğu oranı, havza alanı ve tasarım fırtına sıklığı gibi serbest girdi değişkenlerinin havza üzerinde meydana gelmesi beklenen debi hesabındaki duyarlılığını saptamak için tek değişkenli duyarlılık analizi yapıldığında debinin hesap sınırlarını en çok havza alanı ve eğim değişkenlerinin etkilediği ortaya çıkmıştır. Bu çalışma kapsamında ayrıca Talbot yönteminde yer alan menfezden geçen suyun alanının hesaplanmasına yönelik C akış katsayısının belirlenmesi yerine sadece eğim ve havza alanı değişkenlerinin kullanıldığı bir ANFIS modeli önerilmiştir. Talbot yöntemi ve ANFIS modeli çıktıları kıyaslandığında özellikle dalgalı, hafif tepelik ve tepelik arazilerde sistem oldukça iyi sonuçlar vermiştir. Bu ANFIS modeli, menfezden geçen suyun alanını basit ve hızlı bir yaklaşımla belirlemede oldukça etkilidir. Özellikle havzanın topoğrafyasına bağlı olarak C akış katsayısının tespitinin zor olduğu durumlarda, önemli katkılar sunmaktadır.

Abstract:
Road and railway routes, which are indispensable elements of transportation engineering, encounter numerous drainage basins depending on the topography of the regions they traverse. Since these routes must cross narrow or wide drainage basins via culverts, bridges, or aqueducts, groundwater, especially surface water and flows, plays a crucial role in road construction. Water problems under bridges and aqueducts do not generate dangerous situations, but culverts, which are relatively small-scale engineering structures, are exposed to the most dangerous surface water (surface runoff) problems and therefore require more attention. Culverts under highways and railways must be designed and constructed in such a way that they allow the surface runoff coming from the upstream to pass to the downstream area without causing a critical issue. In the literature, there are many reports based on empirical foundations regarding water passage and dimensional design formulations in culvert studies, which are valid for the regions where they are planned. Since most culverts do not have rainfall measurements in their drainage basin, empirical, logical, and rational approaches are necessary. One of the first methods in the literature based on logical rules for culvert design is Talbot's procedural approach. This approach relies not only on an explicit equation but also on a set of design rules that are linguistically proposed and expressed deterministically to effectively eliminate most uncertainties. Talbot's culvert design approach is based on the bivalent logic rules, does not rely on complex mathematical equations, and cannot effectively account for various uncertainties. This study aimed to improve Talbot's bivalent logic method steps by transforming them into a more meaningful fuzzy logic method. The application of the proposed method was carried out in a local area in Tekirdağ, Turkey, where a serious train accident occurred due to an inadequately maintained culvert. The adequacy of the culvert dimensions in the basin was evaluated according to the Talbot method, and it was observed that the results obtained were close to each other. The study focused on the fuzzification of the Talbot method and a methodology developed based on this approach is the Modified Talbot Method (MTM). In line with the Mamdani Fuzzy Inference System (FIS) approach, all variables in the Talbot method were fuzzified, and a defuzzification process based on the center of gravity was applied to the resulting fuzzy output sets. A fuzzy system was established for both the basin class intervals expressed in the method and for a smaller-scale sample with a greater number of classes, and the outputs of this system were compared with the Talbot method results. It was observed that the fuzzy system in the sample yields results more consistent with the Talbot method. Additionally, when examining the relative error values in the sample, it was found that as the C runoff coefficient increased, the system produced better outputs. Three different approaches were used in the fuzzification of MTM. Two of these are the piecewise fuzzy system based on the Mamdani FIS approach and the fuzzy system established with a tree data structure. The other approach was prepared on the ANFIS model, which operates based on the Sugeno FIS. In this context, the outputs of the piecewise fuzzy system, fuzzy tree data structure, and ANFIS model were compared in terms of some metrics such as mean absolute error, mean squared error, and root mean square error. When examining the resulting outcomes, it was observed that the most suitable outputs came from the system established with the ANFIS model. A univariate sensitivity analysis was conducted to determine the sensitivity of free input variables such as slope, basin width/length ratio, basin area, and design storm frequency in the MTM equation in the discharge calculation expected to occur over the basin, revealing that basin area and slope variables most significantly affected the discharge calculation limits. In this study, an ANFIS model was also proposed that uses only slope and basin area variables instead of determining the C runoff coefficient for calculating the area of water passing through the culvert in the Talbot method. When comparing the outputs of the Talbot method and the ANFIS model, the system provided very good results, particularly in undulating, slightly hilly, and hilly terrains. This ANFIS model is highly effective in determining the area of water passing through the culvert with a simple and quick approach. It provides significant contributions, especially in situations where it is difficult to determine the C runoff coefficient depending on the topography of the basin.