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https://tede.unioeste.br/handle/tede/7472
Tipo do documento: | Dissertação |
Title: | Modelagem computacional dirigida por dados para diagnosticar falhas de rolamentos e cavitação em bombas centrífugas |
Other Titles: | Data-driven computational modeling for diagnosing bearing faults and cavitations in centrifugal pumps |
Autor: | Santos, Christian Wendt dos ![]() |
Primeiro orientador: | Rizzi, Rogerio Luis |
Segundo orientador: | Catarina, Adair Santa |
Primeiro coorientador: | Catarina, Adair Santa |
Segundo coorientador: | Ló, Thiago Berticelli |
Primeiro membro da banca: | Rizzi, Rogério Luis |
Segundo membro da banca: | Catarina, Adair Santa |
Terceiro membro da banca: | Ló, Thiago Berticelli |
Resumo: | A modelagem computacional baseada em aprendizado de máquina tem se destacado em aplicações no âmbito das Engenharias, especificamente no monitoramento e classificação da degradação de componentes críticos. Nesta pesquisa, foram desenvolvidos modelos de aprendizado de máquina para monitorar a ocorrência do fenômeno de cavitação em bombas centrífugas e defeitos em rolamentos por meio de sinais temporais registrados por sensores. Os dados experimentais são de origem da Case Western Reserve University (CWRU) e UWA System Health Lab Prognostics Data Library (SPDL) que envolvem os tipos e intensidades falhas em rolamentos esféricos e a presença do fenômeno de cavitação por meio de acelerômentros. O enfoque desta pesquisa está na construção da solução computacional à preparação dos dados e extração das características, utilizando a técnica de contagem de hits e a Transformada de Fourier de Curto Tempo (TFCT). A primeira envolve o cálculo de diversos parâmetros que definem a forma da onda no domínio do tempo, a exemplo da duração do hit, o tempo para atingir a maior amplitude e a energia do intervalo hit. A segunda transforma o sinal do domínio do tempo em um espectrograma de frequência por tempo e posteriormente em imagens. Na identificação e classificação dos padrões foram utilizados dois modelos de aprendizado de máquina baseados em redes neurais: uma Rede Neural Multicamadas de Perceptrons (RNMP), que utiliza parâmetros da técnica de contagem de hits, e uma Rede Neural Convolucional (RNC), que emprega imagens geradas pela TFCT. Os resultados obtidos com o modelo RNMP utilizando dados experimentais de vibração da Case Western Reserve University, mostraram uma acurácia de 69,50%, precisão de 67,07%, recall de 73,50% e F1-score de 68,63%. Já o modelo RNC apresentou uma acurácia de 93,90%, precisão de 93,41%, recall de 93,77% e F1-score de 92,98%. Enquanto que os resultados obtidos com os modelos RNMP para os dados de UWA System Health Lab Prognostics Data Library mostraram uma acurácia de 77,90%, precisão de 76,25%, recall de 75,68% e F1-score de 76,25%. Já o modelo RNC os valores foram 89,17% de acurárica, precisão de 87,57%, recall de 88,05% e F1-score de 87,80%. Esses resultados foram análisados utilizando validação cruzada K-fold, matriz de confusão e comparação de desempenho com os modelos de aprendizado de máquina do artigo de referência. Além disso, foi realizada uma análise estatística para definir parâmetros como limiar e janelamento do sinal, bem como para a criação de rótulos. |
Abstract: | Computational modeling based on machine learning has stood out in engineering applications, specifically in monitoring and classifying the degradation of critical components. In this research, machine learning models were developed to monitor the occurrence of cavitation in centrifugal pumps and bearing defects through time signals recorded by sensors. The experimental data originate from the Case Western Reserve University (CWRU) and the UWA System Health Lab Prognostics Data Library (SPDL), involving types and intensities of faults in ball bearings and the presence of the cavitation phenomenon detected via accelerometers. The focus of this research is on constructing a computational solution for data preparation and feature extraction, using the hit counting technique and the Short-Time Fourier Transform (STFT). The first technique involves calculating several parameters that define the waveform in the time domain, such as hit duration, time to reach peak amplitude, and hit interval energy. The second transforms the time-domain signal into a time-frequency spectrogram and subsequently into images. Two machine learning models based on neural networks were used for pattern identification and classification: a Multilayer Perceptron Neural Network (MLP), which employs parameters from the hit counting technique, and a Convolutional Neural Network (CNN), which uses images generated by the STFT. The results obtained with the MLP model using vibration experimental data from the Case Western Reserve University showed an accuracy of 69.50%, precision of 67.07%, recall of 73.50%, and an F1-score of 68.63%. The CNN model, on the other hand, achieved an accuracy of 93.90%, precision of 93.41%, recall of 93.77%, and an F1-score of 92.98%. For the UWA System Health Lab Prognostics Data Library, the results obtained with the MLP model showed an accuracy of 77.90%, precision of 76.25%, recall of 75.68%, and an F1-score of 76.25%. The CNN model achieved an accuracy of 89.17%, precision of 87.57%, recall of 88.05These results were analyzed using K-fold cross-validation, confusion matrices, and performance comparison with machine learning models from the reference study. Additionally, a statistical analysis was conducted to define parameters such as signal thresholding and windowing, as well as to create labels. |
Keywords: | Parâmetros de Hits Redes Neurais Cavitação Falhas de Rolamentos Hit Parameters Neural Networks Cavitation Bearing Failures |
CNPq areas: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Publisher: | Universidade Estadual do Oeste do Paraná |
Sigla da instituição: | UNIOESTE |
Departamento: | Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas |
Program: | Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação |
Campun: | Cascavel |
Citation: | SANTOS, Christian Wendt dos. Modelagem computacional dirigida por dados para diagnosticar falhas de rolamentos e cavitação em bombas centrífugas. 2025. 221 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel - Paraná. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
Endereço da licença: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
URI: | https://tede.unioeste.br/handle/tede/7472 |
Issue Date: | 5-Sep-2025 |
Appears in Collections: | Mestrado em Ciência da Computação (CVL) |
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