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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42114
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-8958-9442 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Contribuição ao uso de inteligência artificial para detecção e diagnóstico de falhas em máquinas rotativas |
Alternate title (s): | Contribution to the use of artificial intelligence for detection and diagnosis of faults in rotating machinery |
Author: | Gonçalves, Daniel Ferreira |
First Advisor: | Cavallini Junior, Aldemir Aparecido |
First member of the Committee: | Ritto, Thiago Gamboa |
Second member of the Committee: | Machado, Tiago Henrique |
Third member of the Committee: | Duarte, Marcus Antonio Viana |
Fourth member of the Committee: | Lobato, Fran Sergio |
Summary: | Sistemas rotativos são amplamente empregados na indústria moderna. A implementação de metodologias para manutenção proativa, que reduz paradas não programadas e aumenta a eficiência operacional, está em ascensão na indústria. No entanto, a disseminação de sistemas de monitoramento e diagnóstico de falhas baseados em Inteligência Artificial (IA) ainda enfrenta desafios tanto na academia quanto na indústria. Algumas falhas, como desbalanceamento, desalinhamento e trincas, apresentam sintomas similares, dificultando o diagnóstico preciso. A ausência de dados históricos rotulados e a escassez de modelos explicáveis, mais transparentes e compreensı́veis aos usuários finais também inviabilizam o uso desse tipo de sistema na indústria. Diante disso, o presente trabalho fornece uma metodologia para um sistema de monitoramento e diagnóstico inteligente baseado na combinação de modelos de IA explicáveis e técnicas de análise de vibração. A metodologia proposta é uma solução de baixo custo para a indústria, haja vista que não requer sensores dedicados ou hardwares de alto desempenho para o diagnóstico e apresenta possibilidades de integração com serviços online. Dados oriundos de modelos numéricos de rotores sob diversas condições de operação e ensaios experimentais realizados em um sistema rotativo suportado por mancais hidrodinâmicos foram utilizados. A análise de dados experimentais forneceu informações valiosas sobre o comportamento real da máquina e possibilitou a implementação e ajuste de modelos matemáticos confiáveis e, assim, um diagnóstico mais assertivo. Técnicas para extração de caracterı́sticas nos domı́nios do tempo, da frequência e tempo-frequência foram exploradas. A possibilidade de redução dos dados através da seleção das melhores caracterı́sticas ou da redução de dimensionalidade também é discutida. Modelos de aprendizado que variam desde um conjunto de clusterizadores até métodos tradicionais, como o k Vizinho Mais Próximo (k-NN) e as Máquinas de Vetores de Suporte (SVM), foram empregados no reconhecimento das falhas. Posteriormente, ferramentas de explicabilidade foram aplicadas para melhor compreensão das previsões obtidas. As altas taxas de acerto dos modelos, combinadas com sua interpretabilidade, tornam a metodologia proposta uma ferramenta promissora para o monitoramento e diagnóstico de falhas em sistemas rotativos em ambientes industriais. |
Abstract: | Rotary systems are widely employed in modern industry. The implementation of methodologies for proactive maintenance, which reduces unscheduled downtime and increases operational efficiency, is on the rise in the industry. However, the spread of Artificial Intelligence (AI) based monitoring and fault diagnosis systems still faces challenges in both academia and industry. Some failures, such as imbalance, misalignment, and cracks, have similar symptoms, making it difficult to diagnose accurately. The absence of labeled historical data and the scarcity of explainable models that are more transparent and understandable to end users also make the use of this type of system unfeasible in the industry. In view of this, the present work provides a methodology for an intelligent monitoring and diagnosis system based on the combination of explainable AI models and vibration analysis techniques. The proposed methodology is a low-cost solution for the industry, since it does not require dedicated sensors or high-performance hardware for diagnosis and presents possibilities of integration with online services. Data from numerical models of rotors under various operating conditions and experimental tests performed in a rotating system supported by hydrodynamic bearings were used. The analysis of experimental data provided valuable information about the real behavior of the machine and enabled the implementation and adjustment of reliable mathematical models and, thus, a more assertive diagnosis. Techniques for trait extraction in the time, frequency, and time-frequency domains were explored. The possibility of reducing the data by selecting the best features or reducing dimensionality is also discussed. Learning models ranging from an ensemble of clusterizers to traditional methods, such as the k Nearest Neighbor (k-NN) and the Support Vector Machines (SVM), were employed in the recognition of failures. Subsequently, explainability tools were applied to better understand the predictions obtained. The high success rates of the models, combined with their interpretability, make the proposed methodology a promising tool for monitoring and diagnosing failures in rotating systems in industrial environments. |
Keywords: | Máquinas rotativas Mancais hidrodinâmicos Monitoramento e diagnóstico de falhas Inteligência artificial explicável Rotating machines Hydrodynamic bearings Fault monitoring and diagnosis Explainable artificial intelligence |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS |
Subject: | Engenharia mecânica |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | GONÇALVES, Daniel Ferreira. Contribuição ao uso de inteligência artificial para detecção e diagnóstico de falhas em máquinas rotativas. 2024. 136 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.293. |
Document identifier: | https://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.293 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42114 |
Date of defense: | 28-Feb-2024 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Mecânica |
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