00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IC - INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO TRABALHOS DE CONCLUSÃO DE CURSO (TCC) - GRADUAÇÃO - IC Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) - Bacharelado - ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO- IC
Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15762
Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Avaliação de métodos de agregação em ambientes federados: aplicações em classificação de imagens com redes neurais convolucionais
Autor(es): Andrade, Ester de Lima Pontes
Primeiro Orientador: Aquino, André Luiz Lins de
metadata.dc.contributor.referee1: Moura, Douglas Leite Leal
metadata.dc.contributor.referee2: Ramos, Geymerson dos Santos
Resumo: Este trabalho apresenta uma análise técnica detalhada dos métodos de agregação FedAvg, FedProx e WeightedFedAvg no contexto do aprendizado federado, aplicados a redes neurais convolucionais para tarefas de classificação em três datasets: MNIST, FashionMNIST e CIFAR10. O aprendizado federado, uma abordagem descentralizada de treinamento de modelos, permite a colaboração entre múltiplos dispositivos mantendo os dados localmente, o que é crucial para a preservação da privacidade em cenários distribuídos. Os experimentos foram conduzidos em um ambiente de dados não IID (não independentemente e identicamente distribuídos), replicando condições do mundo real onde a distribuição dos dados entre os clientes é heterogênea. Para cada método de agregação, o treinamento local foi realizado por 5 épocas em cada cliente, seguido da agregação central das atualizações dos pesos, com o ciclo repetido por 10 rodadas. A avaliação do desempenho foi realizada com base em métricas tradicionais de acurácia e perda, além de análises mais sofisticadas utilizando curvas ROC/AUC e matrizes de confusão, proporcionando uma avaliação granular da capacidade discriminativa dos modelos e dos padrões de erro específicos. Os resultados obtidos revelam que o método WeightedFedAvg supera consistentemente os demais em ambientes de alta heterogeneidade e desbalanceamento de dados, especialmente no CIFAR-10, atingindo uma acurácia superior e menor perda, o que reforça sua adequação para cenários federados desafiadores. O FedProx demonstrou estabilidade em cenários com grande variabilidade entre os dados dos clientes, mitigando a divergência das atualizações locais e preservando a coesão do modelo global. Por outro lado, o FedAvg, embora eficiente em ambientes com distribuição de dados mais homogênea, mostrou limitações significativas em cenários mais complexos, alinhando-se com os desafios discutidos na literatura. A pesquisa conclui que, embora FedAvg permaneça uma solução eficaz para ambientes federados homogêneos, a crescente complexidade dos cenários reais exige a adoção de métodos de agregação mais avançados, como FedProx e WeightedFedAvg, que demonstram maior resiliência e precisão em contextos de alta variabilidade dos dados. Estes achados indicam a necessidade de futuras investigações que possam desenvolver novos algoritmos de agregação capazes de equilibrar ainda mais a estabilidade e a precisão dos modelos em ambientes federados complexos e desafiadores.
Abstract: This study presents a detailed technical analysis of the FedAvg, FedProx, and WeightedFedAvg aggregation methods in the context of federated learning, applied to convolutional neural networks for classification tasks on three datasets: MNIST, FashionMNIST, and CIFAR-10. Federated learning, a decentralized model training approach, facilitates collaboration across multiple devices while maintaining data locally, which is crucial for preserving privacy in distributed scenarios. The experiments were conducted in a non-IID (non-independently and identically distributed) data environment, replicating real-world conditions where data distribution among clients is heterogeneous. For each aggregation method, local training was performed for 5 epochs on each client, followed by central aggregation of the weight updates, with this cycle repeated for 10 rounds. Performance evaluation was based on traditional metrics such as accuracy and loss, as well as more sophisticated analyses using ROC/AUC curves and confusion matrices, providing a granular assessment of the models’ discriminative capabilities and specific error patterns. The results reveal that the WeightedFedAvg method consistently outperforms the others in environments characterized by high heterogeneity and data imbalance, particularly on CIFAR10, achieving superior accuracy and lower loss, which reinforces its suitability for challenging federated learning scenarios. FedProx demonstrated stability in settings with significant variability among client data, mitigating divergence in local updates and preserving the cohesion of the global model. In contrast, while FedAvg is efficient in more homogeneous data distribution environments, it showed significant limitations in more complex scenarios, aligning with the challenges discussed in the literature. The research concludes that, although FedAvg remains an effective solution for homogeneous federated environments, the increasing complexity of real-world scenarios necessitates the adoption of more advanced aggregation methods, such as FedProx and WeightedFedAvg, which exhibit greater resilience and accuracy in contexts of high data variability. These findings indicate the need for future investigations to develop new aggregation algorithms capable of further balancing the stability and accuracy of models in complex and challenging federated environments.
Palavras-chave: Aprendizado federado
Agregação (Computação)
Classificação de imagens
Redes neurais convolucionais
Classificação de imagens
FedAvg
FedProx
WeightedFedAvg
FashionMNIST
CIFAR-10
Federated learning
Aggregation methods
Image Classification
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.department: Curso de Engenharia da Computação - Bacharelado
Citação: ANDRADE, Ester de Lima Pontes. Avaliação de métodos de agregação em ambientes federados: aplicações em classificação de imagens com redes neurais convolucionais. 2025. 51 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Computação) – Instituto de Computação, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15762
Data do documento: 22-ago-2024
Aparece nas coleções:Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) - Bacharelado - ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO- IC

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
Avaliação de métodos de agregação em ambientes federados_aplicações em classificação de imagens com redes neurais convolucionais.pdfAvaliação de métodos de agregação em ambientes federados: aplicações em classificação de imagens com redes neurais convolucionais3.45 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.