Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Monitoramento de modelos de simulação utilizados como gêmeos digitais: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina e carta de controle
Autor(es): SANTOS, Carlos Henrique dos
Primeiro Orientador: MONTEVECHI, José Arnaldo Barra
metadata.dc.contributor.advisor-co1: QUEIROZ, José Antonio de
Resumo: O uso de modelos de simulação como Gêmeos Digitais (GD) vem ganhando destaque nos últimos anos e representa uma revolução na tomada de decisão em processos produtivos, sendo uma solução chave no contexto da chamada Indústria 4.0. Neste sentido, nota-se decisões cada vez mais rápidas e eficientes a partir do espelhamento do comportamento dos sistemas físicos por meio de sensores, equipamentos inteligentes, sistemas de gestão e bases de dados. Os modelos utilizados como GD são atualizados periodicamente, em tempo real ou quase real e de acordo com as mudanças físicas, e fornecem orientações ou comandos para a tomada de decisões. Por outro lado, apesar da grande aplicabilidade dessa abordagem, destacam-se desafios relacionados à validade dos modelos de simulação ao longo do tempo, uma vez que as abordagens tradicionais de validação não consideram a atualização periódica do modelo. Garantir a validade dos GDs é vital, uma vez que tal utilização costuma envolver decisões de grande impacto para os sistemas produtivos em geral. Além disso, embora seja um campo de pesquisa com grande importância tanto para pesquisadores quanto para profissionais da área, nota-se que há ainda uma lacuna quanto a métodos visando o monitoramento da validade dos GDs. Dessa forma, de modo a contribuir com a literatura e preencher tal lacuna existente, o presente trabalho propõe uma abordagem baseada na avaliação periódica dos modelos de simulação utilizados como GDs por meio de Aprendizado de Máquina e carta de controle. Sugere-se uma ferramenta de monitoramento baseada no classificador K-Nearest Neighbors (K-NN), combinado com a carta de controle p, visando avaliar periodicamente a validade dos modelos de GDs. Inicialmente, a abordagem proposta foi testada em diversos casos teóricos de forma a se avaliar o funcionamento da ferramenta em situações onde o ambiente físico difere significativamente do virtual, fato que representaria um possível caso onde o GD não é válido. Neste caso, foram emulados dados correspondentes aos ambientes físico e virtual considerando distribuições de probabilidade padronizadas. Além disso, a ferramenta também foi implementada em dois objetos de estudo reais, atuando como um suplemento visando tornar os GDs mais robustos e confiáveis. Neste caso, foram adotados GDs já implementados e em fase operacional. O primeiro objeto de estudo refere-se a um modelo que apoia decisões de planejamento operacional em uma empresa de médio porte do ramo de confecções, cujos processos são majoritariamente manuais. Já o segundo objeto de estudo refere-se a um GD implementado em uma célula de produção automatizada e que opera próximo de tempo real, permitindo a avaliação dos principais parâmetros do processo. A ferramenta se mostrou capaz de monitorar o funcionamento de ambos os GDs e identificar possíveis causas especiais que podem comprometer seus resultados e, consequentemente, sua validade. Por fim, destaca-se a ampla aplicabilidade da ferramenta, que pode ser utilizada em diferentes abordagens de GD, incluindo modelos de simulação com diferentes características de conexão, integração e complexidade. Neste caso, a abordagem proposta opera independentemente das características dos GDs, ou seja, contempla modelos que operam em tempo real ou quase real, considerando sistemas físicos automatizados ou manuais e abrange sistemas com diferentes níveis de complexidade.
Abstract: The use of simulation models as Digital Twins (DTs) has been standing out in recent years and represents a revolution in decision-making in production processes, being a key solution in the context of the so-called Industry 4.0. In this sense, we highlight increasingly faster and more efficient decisions from the mirroring of the behavior of physical systems through sensors, intelligent equipment, management systems and databases. The models used as DTs are updated periodically, in real or near real time according to physical changes, and provide guidelines or commands for decision making. On the other hand, despite the great applicability of this approach, challenges related to the validity of simulation models over time stand out, since traditional validation approaches do not consider the periodic update of the model. Ensuring the validity of DTs is essential, since it usually involves decisions of great impact for production systems. In addition, although it is a field of research with great importance for both researchers and professionals, we noted that there is still a gap in terms of methods aimed at monitoring the validity of DTs. Therefore, in order to contribute to the literature and fill this gap, the present work proposes an approach based on the periodic evaluation of simulation models used as DTs through Machine Learning and control chart. We suggest a monitoring tool based on the K-Nearest Neighbors (K-NN) classifier, combined with the p control chart, in order to periodically assess the validity of DT models. Initially, the proposed approach was tested in several theoretical cases in order to evaluate the functioning of the tool in situations where the physical environment differs significantly from the virtual one, a fact that would represent a possible case where the DT is not valid. In this case, data corresponding to the physical and digital environments were emulated considering standardized probability distributions. Furthermore, the tool was also implemented in two real objects of study, acting as a supplement to make DTs more robust and reliable. In this case, DTs already implemented and in the operational phase were adopted. The first object of study refers to a model that supports operational planning decisions in a medium-sized company of a clothing industry, whose processes are mostly manual. The second object of study refers to a DT implemented in an automated production cell that operates in near real time, allowing the evaluation of the main process parameters. The tool proved to be capable of monitoring the functioning of both DTs and identifying possible special causes that could compromise its results and, consequently, its validity. Finally, the broad applicability of the tool is highlighted, which can be used in different approaches of DT, including simulation models with different characteristics of connection, integration, and complexity. In this case, the proposed approach operates independently of the characteristics of the DTs, including models that operate in real or near real time, considering automated or manual physical systems and covers systems with different levels of complexity.
Palavras-chave: Simulação
Gêmeo digital
Validade do modelo
Aprendizado de máquina
Cartas de controle
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: Doutorado - Engenharia de Produção
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3832
Data do documento: 27-Jun-2023
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