İç Ortam Hava Kalitesinin Tahmini için Makine Öğrenmesi Tabanlı Modellerin Karşılaştırılması
Abstract
Hava kirliliği, günümüzde çevre ve halk sağlığı açısından önemli bir tehdit oluşturmaktadır ve özellikle iç ortamlarda maruziyetin sürekli olması riskleri artırmaktadır. Bu nedenle, iç ortam hava kalitesinin güvenilir biçimde izlenmesi ve tahmin edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, iç ortam hava kirliliğine neden olan CO, NH3, NO2 ve PM2.5 kirleticilerinin tahmini amacıyla Karar Ağaçları, Rastgele Orman, Destek Vektör Makineleri, Doğrusal Regresyon, Yapay Sinir Ağları ve bu modellerin ağırlıklandırılmasıyla oluşturulan hibrit model karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Çalışmada, Mendeley kütüphanesinde yer alan “Dataset of Indoor Air Pollutants using Low-Cost Sensor” veri seti kullanılmıştır. Veriler, kronolojik yapı korunarak %70 eğitim ve %30 test olacak şekilde ayrılmış; tüm modellerin hiperparametreleri yalnızca eğitim verisi üzerinde uygulanan 5-katlı çapraz doğrulama ve sistematik grid arama yöntemiyle optimize edilmiştir. Model performansları RMSE, MSE, MAE ve R^2 metrikleri ile değerlendirilmiş, yöntemler arasındaki farkların istatistiksel anlamlılığı Friedman ve Wilcoxon testleri ile analiz edilmiştir. Sonuçlar, CO değişkeni için hibrit modelin en dengeli ve başarılı yöntemi sunduğunu, NH3, NO2 ve özellikle PM2.5 değişkenlerinde ise tüm yöntemlerin test seti üzerinde sınırlı başarım sergilediğini göstermektedir. Bununla birlikte, hibrit modelin tüm kirleticiler için tekil modellere kıyasla daha tutarlı hata dağılımları ürettiği ve istatistiksel olarak anlamlı performans farkları sağladığı ortaya konmuştur.
Keywords
İç ortam hava kalitesi, Makine öğrenmesi, Hibrit model, Düşük maliyetli sensörler
References
- Adekoya, O. B., Olabode, J. K., Rafi, S. K. (2021). Renewable energy consumption, carbon emissions and human development: Empirical comparison of the trajectories of world regions. Renewable Energy, 179, 1836–1848. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.08.019
- Amoatey, P., Omidvarborna, H., Baawain, M. S., Al-Mamun, A. (2018). Indoor air pollution and exposure assessment of the gulf cooperation council countries: A critical review. Environment international, 121, 491-506. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.09.043
- Aram, S. A., Nketiah, E. A., Saalidong, B. M., Wang, H., Afitiri, A. R., Akoto, A. B., Lartey, P. O. (2024). Machine learning-based prediction of air quality index and air quality grade: A comparative analysis. International Journal of Environmental Science and Technology, 21(2), 1345–1360. https://doi.org/10.1007/s13762-023-05016-2
- Bakó-Biró, Z., Clements-Croome, D. J., Kochhar, N., Awbi, H. B., Williams, M. J. (2012). Ventilation rates in schools and pupils’ performance. Building and Environment, 48, 215–223. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2011.08.018
- Berkani, M. R. A., Chouchane, A., Himeur, Y., Ouamane, A., Amira, A. (2023). An intelligent edge-deployable indoor air quality monitoring and activity recognition approach. arXiv preprint arXiv:2311.03920. https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.03920
- Chaturvedi, P. (2024). Air Quality Prediction System Using Machine Learning Models. Water, Air, & Soil Pollution, 235(9), 578. https://doi.org/10.1007/s11270-024-07390-0
- Chatzidiakou, L., Mumovic, D., Summerfield, A. J. (2012). What do we know about indoor air quality in school classrooms? A critical review of the literature. Intelligent Buildings International, 4(4), 228–259. https://doi.org/10.1080/17508975.2012.725530
- Chicco, D., Warrens, M. J., Jurman, G. (2021). The coefficient of determination R-squared is more informative than SMAPE, MAE, MAPE, MSE and RMSE in regression analysis evaluation. Peerj computer science, 7, e623. https://doi.org/10.7717/peerj-cs.623
- Dong, J., Goodman, N., Rajagopalan, P. (2023). A review of artificial neural network models applied to predict indoor air quality in schools. International Journal of Environmental Research and Public Health, 20(15), 6441. https://doi.org/10.3390/ijerph20156441
- Dun, M., Xu, Z., Chen, Y., Wu, L. (2020). Short-term air quality prediction based on fractional grey linear regression and support vector machine. Mathematical Problems in Engineering, 2020, Article ID 8914501. https://doi.org/10.1155/2020/8914501