الذكاء الاصطناعي المعتمد على الشبكات العصبية للتنبؤ بالحساسية وزمن الاستجابة في الحساسات الغازية
الملخص
في هذا البحث، تم تصنيع ثلاثة أنواع من الحساسات الغازية باستخدام تقنية الأغشية الرقيقة، وهي: أكسيد القصدير المشاب بأكسيد التنغستين (SnO₂+WO₃)، وأكسيد القصدير المشاب بأكسيد الزنك (SnO₂+ZnO)، وأكسيد التنغستين المشاب بأكسيد الزنك (WO₃+ZnO)، وذلك بنسب إشابة متعددة وعند درجتي حرارة تشغيل (250°C و350°C). تم تعريض هذه الحساسات لبخاري الأسيتون والإيتانول بتركيز 500 جزء في المليون، وتم تسجيل قراءات الاستجابة التحسسية (S) وزمن الاستجابة (t)، تم تطوير ثلاثة نماذج عصبية باستخدام الذكاء الاصطناعي المعتمد على الشبكات العصبية للتنبؤ بالاستجابة وزمن الاستجابة، وهي: نماذج عصبية فردية لكل حساس. نموذج دمج مبكر يجمع المدخلات والمخرجات في شبكة موحدة. نموذج دمج متأخر يفصل كل مهمة في شبكة مستقلة. تم تدريب النماذج باستخدام أداة nntraintool في بيئة MATLAB، وتقييمها باستخدام مؤشرات كمية MAE)، RMSE، R²، (MAPE، بالإضافة إلى مؤشرات تدريبية وبصرية مثل ( Performance, Gradient , Mu, Error Histogram, Regression.)تم تثبيت العشوائية لضمان توزيع ثابت للبيانات عبر مراحل التدريب والتحقق والاختبار، مما أتاح مقارنة عادلة بين النماذج تحت ظروف تجريبية متساوية. أظهرت النتائج أن النموذج الفردي للحساس (SnO₂+WO₃) حقق أعلى دقة في التنبؤ بالحساسية، بينما تفوق نموذج (WO₃+ZnO) في توقع زمن الاستجابة. أما نموذج الدمج المتأخر فقد أظهر الأداء الأكثر توازنًا وموثوقية، حيث سجل أقل نسب خطأ وأعلى معاملات ارتباط، مع توزيع بصري مثالي، مما يعكس فعالية الفصل المعماري في تحسين دقة التنبؤ وقابلية التعميم. في المقابل، أظهر نموذج الدمج المبكر أداءً جيدًا أثناء التدريب، لكنه واجه تحديات في التعميم، خاصة في توقع الزمن. تقدم هذه الدراسة إطارًا جديدًا للتنبؤ الذكي بسلوك الحساسات الغازية، يجمع بين التحقق التجريبي والنمذجة العصبية، ويُعد مساهمة علمية في تطوير أنظمة استشعار دقيقة وقابلة للتطبيق في البيئات الصناعية والذكية.
النص الكامل
المراجع
Narkhede, Parag., Walambe, Rahee., Mandaokar, Shruti., Chandel, Pulkit., Kotecha, Ketan., & Ghinea, George. (2021). Gas Detection and Identification Using Multimodal Artificial Intelligence Based Sensor Fusion. Applied System Innovation, 4(1), 3. https://doi.org/10.3390/asi4010003
Walambe, Rahee., Narkhede, Parag., Mandaokar, Shruti., et al. (2023). Gas Detection and Identification Using Multimodal AI-Based Sensor Fusion. Data Science Week Poster Presentation.
Zhang, Yue., Li, Hong., Chen, Xiaohui., & Wang, Jian. (2024). Gas Detection and Classification Using Multimodal Data Based on Deep Learning. Sensors, 24(18), 5904. https://doi.org/10.3390/s24185904
Chakraborty, Sourav., Mittermaier, Stefan., & Carbonelli, Claudio. (2022). Understanding the Behavior of Gas Sensors Using Explainable AI. Engineering Proceedings, 27(1), 61. https://doi.org/10.3390/ecsa-9-13350
Zhuang, Yuxuan., Yin, Dong., Wu, Lei., Niu, Guanghui., & Wang, Feng. (2024). A deep learning approach for gas sensor data regression: Incorporating surface state model and GRU-based model. APL Machine Learning, 2(1), 016104. https://doi.org/10.1063/5.0160983
Attallah, Omar., & Morsi, Islam. (2024). Multitask Deep Learning-Based Pipeline for Gas Leakage Detection via E-Nose and Thermal Imaging Multimodal Fusion. Chemosensors.
Liu, Ming., & Zhao, Qiang. (2024). 2024 Breakthroughs in Smart Gas Sensor Technology: A Review. Gas Detection Journal. Retrieved from https://gasdetection.com/articles/2024-breakthroughs-in-smart-gas-sensor-technology-a-review/.
Ahmed, Shahbaz., Kumar, Rajesh., & Lee, Donghyun. (2024). Assessing Gas Leakage Detection Performance Using Machine Learning with Different Modalities. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, 45(2), 123–135. https://link.springer.com/article/10.1007/s42341-024-00545-0
Angstenberger, Stefan., Sterl, Florian., Theelke, Kilian., Giessen, Harald., & Schwarz, Ulrich. (2025). Real-time detection of low gas concentrations using coherently controlled quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy. Optica, 12(1), 45–52. https://doi.org/10.1364/OPTICA.544448.
Al-Hadeethi, Yousef., Alghamdi, Abdullah., Alshahrani, Hassan., Alqahtani, Mohammed. and Alshahrani, Fahad., 2023. Fabrication of ZnO/WO₃ nanocomposite thin films using sacrificial template method for enhanced VOC gas sensing. Nanomaterials, 13(4), p.733. Available at: https://doi.org/10.3390/nano13040733
Korotcenkov, Ghenadii., Brinzari, Valeriu., Cho, Byung-Keun., Gulina, Larisa. and Han, Seung-Hwan., 2014. The influence of heterojunctions on the gas sensing properties of SnO₂–WO₃ composite thin films. Sensors, 14(11), pp.20480–20512. Available at: https://doi.org/10.3390/s141120480
Zhang, Jian., Liu, Xiaobo., Neri, Giovanni. and Pinna, Nicola., 2015. Nanostructured materials for room-temperature gas sensors. Nanoscale, 7(6), pp.2028–2043. Available at: https://doi.org/10.1039/C5NR02571K.
Al-Hadeethi, Yousef., Alshahrani, Hassan. and Alqahtani, Mohammed., 2024. Enhanced NO₂ gas sensing performance of SnO₂-WO₃ nanocomposite thin films prepared by chemical bath deposition. Journal of Electronic Materials. Available at: https://doi.org/10.1007/s11664-024-11381-6
Hosseini-Golgoo, Seyed Mohammad., Yousefi, Mohammad Hossein., & Ghasemi, Saeid., 2013. Application of neural networks for gas identification using temperature-modulated sensors. Sensor Letters, 11(3), pp.556–561.
Zhou, Yue. and Liu, Xiaobo., 2021. Gas recognition based on time-series neural networks and sensor arrays. Sensors, 21(14), p.4826. https://doi.org/10.3390/s21144826
Dehnaw, Ali. et al., 2024. Deep Neural Network Optimization for Efficient Gas Detection Systems in Edge Intelligence Environments. Processes, 12(12), p.2638. https://doi.org/10.3390/pr12122638
Zong, Boyang. et al., 2025. Smart Gas Sensors: Recent Developments and Future Prospective. Nano-Micro Letters, 17(54). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01543-w
المؤلفون
الحقوق الفكرية (c) 2025 مجلة العلوم البحتة والتطبيقية

هذا العمل مرخص بموجب Creative Commons Attribution 4.0 International License.
في بيان موجز، تتعلق الحقوق بنشر وتوزيع البحوث المنشورة في مجلة جامعة سبها حيث يجب على المؤلفين الذين نشروا مقالاتهم في مجلة جامعة سبها كيف يمكن استخدامها أو توزيع مقالاتهم. ويحتفظون بجميع حقوقهم في المصنفات المنشورة، مثل (على سبيل المثال لا الحصر) الحقوق التالية:
- حقوق الطبع والنشر وحقوق الملكية الأخرى المتعلقة بالمقال المقدم، مثل حقوق براءات الاختراع.
- بحث منشور في مجلة جامعة سبها ويستخدم في الأعمال المستقبلية الخاصة به، بما في ذلك المحاضرات والكتب، والحق في إعادة إنتاج المقالات لأغراضها الخاصة، والحق في الأرشفة الذاتية لمقالاتهم.
- الحق في الدخول في مقال منفصل، أو للتوزيع غير الحصري لمقالهم مع إقرار بنشره الأولي في مجلة جامعة سبها.
- بيان الخصوصية سيتم استخدام الأسماء وعناوين البريد الإلكتروني التي تم إدخالها في موقع مجلة جامعة سبها للأغراض المذكورة فقط والتي استخدمت من أجلها.