Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Integrando o Machine Learning a um sistema de simulação baseada em agentes
Autor(es): MARTINS, Anderson Lino de Paula
Primeiro Orientador: PINHO, Alexandre Ferreira de
Resumo: A competitividade industrial vem aumentando cada vez mais nos últimos anos e uma das alternativas para enfrentar essa competitividade é a utilização das tecnologias da Indústria 4.0, e entre elas, se encontram a Simulação e o Big Data. O Big Data envolve uma grande geração de dados que necessitam interpretação, no qual pode ser interpretado utilizando algoritmos de aprendizado de máquina a partir do aprendizado por reforço, que pode ser em conjunto com a simulação. A simulação computacional é a incorporação do mundo real em um sistema virtual, absorvendo as características fundamentais, e um dos métodos de simulação é a Simulação Baseada em Agentes, no qual o agente é o foco do sistema. Nesse contexto, esse trabalho propõe explicar como é possível integrar o aprendizado de máquina a um sistema de simulação baseada em agentes. Sendo assim, será utilizada uma ferramenta de auxílio ao modelador, mostrando duas formas para realizar essa implementação no software AnyLogic®. A primeira forma será utilizando uma ferramenta externa, o Pathmind, e para isso será criado um sistema que gera caixas de três cores diferentes (vermelho, verde e azul), representado por vetores de forma aleatória. O sistema deverá ser capaz de identificar qual a cor da caixa, sendo o foco na descrição das etapas a serem seguidas para realizar a implementação utilizando essa ferramenta. O teste de eficiência da ferramenta foi dado a partir do número de acertos que a máquina é capaz de realizar, e o resultado encontrado mostrou uma alta eficiência por parte dessa ferramenta. Uma vez que antes da implementação do aprendizado de máquina, o sistema agia de forma aleatória, acertando as cores seguindo a probabilidade estatística de aleatoriedade prevista para esse problema, que era de 12,5%, e após a implementação, o sistema alcançou uma taxa de acerto de 100%, fica evidente a eficiência da ferramenta. A segunda forma será de forma direta no software AnyLogic®, utilizando linguagem de programação Java por meio do algoritmo de aprendizagem por reforço Q-learning, que foi desenvolvido nessa pesquisa. Para isso será utilizado a mesma base do modelo computacional anterior, porém, para essa aplicação serão criadas caixas de cinco cores diferentes (vermelho, verde, azul, branco e preto), e serão representadas por meios de strings, no qual o sistema busca acertar a cor da caixa a partir do aprendizado de máquina utilizando o algoritmo Q-learning e utilizando a matriz de resultado Q. E assim como na forma utilizando a ferramenta externa, a ênfase será na demonstração de todas as etapas a serem seguidas para concluir essa implementação. O sistema novamente se mostrou eficiente sendo capaz de identificar de forma correta em todas as tentativas. Então esse trabalho conseguiu mostrar duas formas eficientes de implementar o aprendizado por reforço no software AnyLogic®, utilizando uma ferramenta externa e de forma direta, no qual a primeira necessita um nível inferior de conhecimento de aprendizado de máquina e programação, se mostrando mais simples, porém, é black box, enquanto da segunda forma é o contrário, exigindo um nível alto de conhecimento de aprendizado de máquina e programação, porém com código aberto.
Abstract: Industrial competitiveness has been increasing more and more in recent years and one of the alternatives to face this competitiveness is the use of Industry 4.0 technologies, and among them are Simulation and Big Data. Big Data involves a large generation of data that needs interpretation, which can be interpreted using machine learning algorithms from reinforcement learning, which can be in conjunction with simulation. Computer simulation is the incorporation of the real world into a virtual system, absorbing the fundamental characteristics, and one of the simulation methods is Agent-Based Simulation, in which the agent is the focus of the system. In this context, this work proposes to explain how it is possible to integrate machine learning to an agent-based simulation system. Being a tool to aid the modeler, showing two ways to carry out this implementation in AnyLogic® software. The first way will be using an external tool, the Pathmind, for that, a system will be created that generates boxes of three different colors (red, green and blue), represented by vectors, at random. The system must be able to identify the color of the box, focusing on the description of the steps to be followed to carry out the implementation using this tool. The tool efficiency test was given based on the number of adjustments that the machine is capable of performing, and the result found showed a high efficiency by this tool. Since before the implementation of machine learning, the system acted randomly, matching the colors following the statistical probability of randomness predicted for this problem, which was 12.5%, and after the implementation, the system reached a rate 100% hit. The second way will be directly in the AnyLogic® software, using Java programming language through the Q-learning reinforcement learning algorithm, which was developed in this research. For this, the same basis as the previous computational model will be used, however, for this application, boxes of five different colors will be created (red, green, blue, white and black), and will be represented through strings, in which the system seeks to hit the right box color from machine learning using the Q-learning algorithm and using the Q result matrix. And as with the form using the external tool, the emphasis will be on demonstrating all the steps to be followed to complete this implementation. The system again proved to be efficient, being able to correctly identify in all attempts. So this work was able to show two efficient ways to implement reinforcement learning in AnyLogic® software, using an external tool and in a direct way, in which the first one needs a lower level of knowledge of machine learning and programming, proving to be simpler, however, it is black box, while the second way is the opposite, requiring a high level of knowledge of machine learning and programming, but with open source.
Palavras-chave: Simulação computacional
Simulação baseada em agentes
Aprendizado de máquina
Aprendizado por reforço
Algoritmo Q-learning
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEPG - Instituto de Engenharia de Produção e Gestão
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Produção
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3317
Data do documento: 10-Mai-2022
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