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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO (42002010004P4)
ABORDAGENS DE MACHINE LEARNING APLICADAS À MANUTENÇÃO PREDITIVA INDUSTRIAL PARA A DETECÇÃO DE FALHAS
DANI ANTONINI BROMBERGER
DISSERTAÇÃO
11/03/2024

As abordagens de inteligência artificial (IA) na manutenção preditiva (PdM) estão mudando a forma como as indústrias gerenciam a manutenção dos equipamentos. Com técnicas de IA como machine learning (ML) e análise de dados em tempo real é possível identificar falhas nos equipamentos de forma precisa e eficiente. No entanto, apesar de um cenário favorável, a implementação da IA ao PdM é um desafio devido à ausência de dados históricos confiáveis dos equipamentos, o desbalanceamento de classe dos datasets e a falta de interpretabilidade das decisões dos modelos. Com isso, a presente pesquisa propõe desenvolver abordagens de IA para o PdM com a finalidade de tornar os dados históricos mais confiáveis, mitigar o desbalanceamento de classe e melhorar a interpretabilidade das decisões do modelo. Para contextualizar o problema, uma revisão de literatura foi desenvolvida e 33 artigos foram selecionados e analisados. Com a análise dos artigos foi verificado que as principais metodologias utilizam um dataset com informações do histórico de funcionamento dos equipamentos e, após o pré-processamento do dataset, algoritmos de IA são utilizados para verificar padrões nos dados. Após a revisão de literatura, para validar as abordagens de IA, um estudo de caso foi realizado utilizando um dataset com dados reais de uma bomba de água. O dataset continha as leituras de sensores e o histórico das condições operacionais da bomba de água. Após análise inicial por meio da Exploratory Data Analysis (EDA), os dados foram pré-processados adotando técnicas como forward fill propagation, normalizer, LabelEncoder, Principal Components Analysis (PCA) e matriz de correlação linear para tornar mais confiáveis. Na sequência, três algoritmos de ML - Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM) e k-Nearest Neighbors (k-NN) - foram adotados para o treinamento do modelo, sendo validado por k-fold Cross-Validation. Para mitigar o desbalanceamento de classe, cinco técnicas de datasampling - Random OverSampling, Borderline SMOTE, TomekLinks, NearMiss e Cluster Centroids - foram adotadas. Além do mais, ajustes de hiperparâmetros foram aplicados, por meio do Grid Search, para otimizar o processo de aprendizagem. Para tornar as decisões do modelo interpretáveis, foram adotados os SHAP values para identificar as principais features que influenciaram a probabilidade de prever as falhas. Assim, os resultados demonstraram que o modelo Random Forest com Cluster Centroids (RF_CC) apresentou melhores resultados de recall e AUC ROC. Além disso, as features que mais contribuíram para a tomada de decisão foram sensor_04, sensor_35 e sensor_33. Concluindo, a pesquisa desenvolveu e avaliou com sucesso abordagens de IA para PdM, demonstrando potencial para melhorar a confiabilidade dos equipamentos e otimizar estratégias de manutenção.

Manutenção preditiva;inteligência artificial;machine learning;datasampling;SHAP values
Artificial intelligence (AI) approaches in predictive maintenance (PdM) are reshaping how industries manage equipment maintenance. With AI techniques such as machine learning (ML) and real-time data analysis, it is possible to accurately and efficiently identify equip-ment failures. However, despite a favorable scenario, the implementation of AI in PdM faces challenges due to the absence of reliable historical equipment data, class imbalance in da-tasets, and the lack of interpretability in model decisions. For that reason, this research aims to develop AI approaches for equipment PdM to enhance the reliability of historical data, ad-dress class imbalance, and improve model interpretability. To contextualize the problem, a literature review was conducted, and 33 articles were selected and analyzed. The analysis re-vealed that leading methodologies utilize a dataset with information on equipment operating history. Following dataset preprocessing, AI algorithms are employed to identify patterns and anomalies in the data. A case study was conducted using a real-world water pump dataset to validate the effectiveness of the AI approaches. The dataset included sensor readings and the operational history of the water pump. After an initial analysis through Exploratory Data Analysis (EDA), data preprocessing techniques, such as forward fill propagation, normalizer, LabelEncoder, Principal Components Analysis (PCA), and linear correlation matrix, were applied to enhance data reliability. Subsequently, three ML algorithms — Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM), and k-nearest Neighbors (k-NN) — were adopted for model training, and validated using k-fold Cross-Validation. Five datasampling techniques—Random OverSampling, Borderline SMOTE, TomekLinks, NearMiss, and Cluster Cen-troids—were implemented to mitigate class imbalance. Furthermore, hyperparameter tuning via Grid Search was applied to refine the model's learning process. The models' decisions were made more interpretable by adopting SHAP values to identify key features influencing failure prediction probability. The results demonstrated that the Random Forest model with Cluster Centroids (RF_CC) yielded superior performance in terms of recall and AUC ROC. Additionally, features such as sensor_04, sensor_35, and sensor_33 were found to be most influential in model decision-making. In conclusion, the research successfully developed and evaluated AI approaches for PdM, showcasing the potential to enhance equipment reliability and optimize maintenance strategies.
Predictive maintenance;artificial intelligence;machine learning;datasampling;SHAP values
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112
PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
O trabalho possui divulgação autorizada
Dani Antonini Bromberger.pdf

Contexto

Gerência da Produção
INTELIGÊNCIA ORGANIZACIONAL
INOVAÇÃO E COMPETITIVIDADE

Banca Examinadora

ALVARO LUIZ NEUENFELDT JUNIOR
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
ALVARO LUIZ NEUENFELDT JUNIOR Docente - PERMANENTE
VINICIUS JACQUES GARCIA Docente - PERMANENTE
ANA PAULA HENRIQUES GUSMAO DE ARAUJO LIMA Participante Externo

Vínculo

Servidor Público
Empresa Pública ou Estatal
Ensino e Pesquisa
Sim
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