Estimação da vida útil remanescente de trilhos ferroviários por meio de técnicas de aprendizado de máquina

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Rocha, Gledson Fabio Cotrim
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Mestrado em Engenharia Civil
Centro Tecnológico
UFES
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/13339
Resumo: As the rail is the costliest element on the permanent track, finding tools to estimate the remaining life is important to make the most of them. Thus, it has hypothesized that machine learning algorithms trained from historical databases can assist the planner in performing this estimation. Two machine learning algorithms were tested: Artificial Neural Network (RNA) and Nearest K-Neighbors (k-NN). The historical databases used were from Vitória to Minas Railway (EFVM). The dataset has 1,275,034 records for the period of 6 years and 8 months. The RNA had 5 neurons in the input layer: 1) the degree of the curve; 2) internal or external rail curve; 3) the width of the rail; 4) the height of rail; and 5) average weight carried. The intermediate layer, regardless of the category for estimating the remaining rail life, had variations of 1, 2 and 3 layers and variations in the number of neurons of 30, 50, 100, 200 and 400. The output layer depends on the period category the remaining useful life of the rails: 1) month, with 80 neurons, 2) quarter, with 27 neurons, 3) semester, with 14 neurons and 4) year, with 7 neurons. For the k-NN algorithm, configurations ranging from k = 5, 7 and 9 were tested. For both algorithms, k-fold cross validation was applied, with f = 10, and performance was evaluated using the accuracy value and F1-score. The programming language was Python and the Scikit-Learn library. RNA configurations and k-NN configurations were compared and k-NN showed superior results to RNA. However, both algorithms reached the objective proposed in this dissertation, which was the estimation of the remaining rail life in order to help the railroad maintenance planner to replace the rails, where they obtained results in accuracy and F1-score higher than 80% for both algorithms for the semester and year period categories, these period categories being most used by rail operators. The k-NN algorithm always obtained better results when compared to RNA
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The RNA had 5 neurons in the input layer: 1) the degree of the curve; 2) internal or external rail curve; 3) the width of the rail; 4) the height of rail; and 5) average weight carried. The intermediate layer, regardless of the category for estimating the remaining rail life, had variations of 1, 2 and 3 layers and variations in the number of neurons of 30, 50, 100, 200 and 400. The output layer depends on the period category the remaining useful life of the rails: 1) month, with 80 neurons, 2) quarter, with 27 neurons, 3) semester, with 14 neurons and 4) year, with 7 neurons. For the k-NN algorithm, configurations ranging from k = 5, 7 and 9 were tested. For both algorithms, k-fold cross validation was applied, with f = 10, and performance was evaluated using the accuracy value and F1-score. The programming language was Python and the Scikit-Learn library. RNA configurations and k-NN configurations were compared and k-NN showed superior results to RNA. However, both algorithms reached the objective proposed in this dissertation, which was the estimation of the remaining rail life in order to help the railroad maintenance planner to replace the rails, where they obtained results in accuracy and F1-score higher than 80% for both algorithms for the semester and year period categories, these period categories being most used by rail operators. The k-NN algorithm always obtained better results when compared to RNASendo o trilho o elemento de maior custo na via permanente, buscar ferramentas para estimar a vida útil remanescente dos trilhos é importante para utilizá-los ao máximo. Assim, tem-se como hipótese que algoritmos de aprendizado de máquina treinados a partir de bases de dados históricos, possam auxiliar ao planejador na realização dessa estimação. Foram testados dois algoritmos de aprendizado de máquina: Rede Neural Artificial (RNA) e K-Vizinhos mais próximos (k-NN). As bases de dados históricos utilizados foram da Estrada de Ferro Vitória a Minas (EFVM). O conjunto de dados possui 1.275.034 registros referente ao período de 6 anos e 8 meses. As RNA tiveram 5 neurônios na camada de entrada: 1) o grau da curva; 2) trilho interno ou externo a curva; 3) largura do boleto; 4) altura do boleto; e 5) peso médio transportado. A camada intermediária, independentemente da categoria para a estimação da vida útil remanescente dos trilhos, teve variações de 1, 2 e 3 camadas e variações na quantidade de neurônios de 30, 50, 100, 200 e 400. A camada de saída depende da categoria de período da vida útil remanescente dos trilhos: 1) mês, com 80 neurônios, 2) trimestre, com 27 neurônios, 3) semestre, com 14 neurônios e 4) ano, com 7 neurônios. Para o algoritmo k-NN, foram testadas configurações variando k=5, 7 e 9. Para ambos algoritmos, aplicou-se a validação cruzada k-fold, com f=10, e o desempenho foi avaliado por meio do valor da acurácia e do F1-score. A linguagem de programação foi Python e a biblioteca Scikit-Learn. As configurações das RNA e as configurações do k-NN foram comparadas e o k-NN apresentou resultados superiores as RNA. Entretanto, ambos algoritmos atingiram o objetivo proposto nesta dissertação que era a estimação da vida útil remanescente dos trilhos de maneira a auxiliar o planejador da manutenção da via férrea quanto à substituição dos trilhos, onde obtiveram resultados na acurácia e F1-score superiores a 80% em ambos os algoritmos para as categorias de período semestre e ano, sendo estas categorias de períodos mais utilizadas pelos operadores ferroviários. O algoritmo k-NN obteve sempre melhores resultados quando comparados com a RNA.Universidade Federal do Espírito SantoBRMestrado em Engenharia CivilCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilRosa, Rodrigo de Alvarengahttps://orcid.org/0000-0003-0841-514Xhttp://lattes.cnpq.br/7706827408886021https://orcid.org/http://lattes.cnpq.br/8893742420123850Cavalieri, Daniel Cruzhttps://orcid.org/0000-0002-4916-1863http://lattes.cnpq.br/9583314331960942Sabino, Jodelson Aguilarhttps://orcid.org/0000-0003-1690-7849http://lattes.cnpq.br/5946878012544656Krohling, Renato Antoniohttps://orcid.org/http://lattes.cnpq.br/5300435085221378Alves, Elcio Cassimirohttps://orcid.org/0000000169712645http://lattes.cnpq.br/6509450210637509Rocha, Gledson Fabio Cotrim2024-05-29T22:10:58Z2024-05-29T22:10:58Z2019-08-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/13339porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2024-10-11T14:01:56Zoai:repositorio.ufes.br:10/13339Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082024-10-11T14:01:56Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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