00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA TRABALHOS DE CONCLUSÃO DE CURSO (TCC) - GRADUAÇÃO - CTEC Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) - Bacharelado - ENGENHARIA QUÍMICA - CTEC
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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Técnicas de deep learning: autoencoder e long short-term memory (lstm) no desenvolvimento de sensores virtuais e na detecção e diagnóstico de falhas em processos reacionais complexos
Título(s) alternativo(s): Deep Learning Techniques: Autoencoder and Long Short-Term Memory (LSTM) in the Development of softsensors and Detection and Diagnosis of Faults in Complex Reactive Processes
Autor(es): Silva, Erick Carvalho da
Primeiro Orientador: Carvalho, Frede de Oliveira
metadata.dc.contributor.referee1: Soletti, João Inácio
metadata.dc.contributor.referee2: Imamura, William
Resumo: Com a modernização e aplicação da Inteligência Artificial no âmbito da indústria 4.0, as técnicas de deep learning têm sido amplamente abordadas com a alternativa de otimizar os processos industriais evitando erros gerados por falhas humanas ou por equipamentos físicos que não conseguem processar grandes quantidades de dados. Os maiores usos dessas técnicas de deep learning, atualmente, são em processos químicos, inferência estatística com sensores virtuais e detecção e diagnóstico de falhas. O presente trabalho tem por objetivo utilizar técnicas deep learning atuais, sendo elas autoencoder e Long-Short-Term-Memory (LSTM), para desenvolver sensores virtuais e estratégias de detecção e diagnóstico de falhas em sistemas reacionais complexos. Os modelos foram criados em duas etapas, a primeira direcionada para a criação, treinamento e avaliação de sensores virtuais para diferentes conjuntos de dados, e a segunda etapa foi direcionada pra a criação de estratégias de detecção e diagnóstico de falhas em 2 cenários diferentes: LSTM na mesma etapa, e o segundo cenário utilizou autoencoder para detecção e LSTM para diagnóstico de falhas. Os cenários foram avaliados e comparados posteriormente. Os resultados obtidos revelaram que os sensores virtuais desenvolvidos com a técnica de deep learning LSTM apresentaram melhor desempenho utilizando dois conjuntos de dados: conjunto com 3 segundos de tempo de amostragem e 2 tempos de atraso, apresentando 0,999998 no coeficiente de determinação e 0,37x10-8 de erro quadrático médio; e o conjunto com 9 segundos de tempo de amostragem e 3 tempos de atraso, apresentando 0,999998 no coeficiente de determinação e 0,35x10-8 de erro quadrático médio. No que se refere à detecção e diagnóstico de falhas, a utilização conjunta das técnicas Autoencoder e LSTM no segundo cenário obtiveram resultados superiores com acurácia de 99% e 1,02% de taxa de erro, enquanto o cenário 1 apresentou 98% de acurácia e 1,18% de taxa de erro. Essa abordagem integrada do cenário 2 mostrou-se mais eficaz na identificação de falhas, destacando sua relevância prática no contexto de sistemas industriais complexos. Portanto, pode-se concluir que as técnicas de deep learning, analisadas neste estudo, fornecem soluções promissoras para a simulação de sensores virtuais e a detecção de falhas em sistemas reacionais complexos. Além disso, essas descobertas corroboram a importância do presente trabalho no desenvolvimento de novas tecnologias para a formação do engenheiro químico, especialmente diante dos desafios apresentados pela indústria 4.0.
Abstract: With the modernization and application of Artificial Intelligence in the context of Industry 4.0, deep learning techniques have been extensively explored as an alternative to optimize industrial processes, mitigating errors caused by human failures or physical equipment limitations in processing large amounts of data. Currently, the major applications of deep learning techniques include chemical processes, statistical inference with softsensors, and fault detection and diagnosis. This study aims to utilize current deep learning techniques, namely Autoencoder and Long-Short-Term Memory (LSTM), to develop softsensor and fault detection and diagnosis strategies in complex reactive systems. The models were created in two stages: the first stage focused on the creation, training, and evaluation of softsensors for different datasets, while the second stage aimed at developing fault detection and diagnosis strategies in two distinct scenarios: LSTM in the same stage, and the second scenario utilized Autoencoder for fault detection and LSTM for fault diagnosis. The scenarios were subsequently evaluated and compared. The results obtained revealed that softsensors developed using LSTM deep learning technique exhibited better performance using two datasets: one with a sampling time of 3 seconds and 2 times delays, yielding a coefficient of determination of 0.999998 and a mean squared error of 0.37x10-8; and another dataset with a sampling time of 9 seconds and 3 time delays, presenting a coefficient of determination of 0.999998 and a mean squared error of 0.35x10-8. Regarding fault detection and diagnosis, the combined use of Autoencoder and LSTM techniques in the second scenario achieved superior results with 99% accuracy and a 1.02% error rate, while scenario 1 showed 98% accuracy and a 1.18% error rate. This integrated approach in scenario 2 proved to be more effective in fault identification, highlighting its practical relevance in the context of complex industrial systems. Therefore, it can be concluded that the deep learning techniques analyzed in this study provide promising solutions for softsensor simulation and fault detection in complex reactive systems. Furthermore, these findings support the importance of this work in the development of new technologies for the education of chemical engineers, especially considering the challenges posed by Industry 4.0.
Palavras-chave: Autoencoder
Deep Learning
Softsensor
Long Short-Term Memory
LSTM
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.department: Curso de Engenharia Química
Citação: SILVA, Erick Carvalho da. Técnicas de deep learning: autoencoder e long short-term memory (lstm) no desenvolvimento de sensores virtuais e na detecção e diagnóstico de falhas em processos reacionais complexos. 2023. 65 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2023.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/11891
Data do documento: 24-mai-2023
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