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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84699| Tipo: | Tese |
| Título: | Diagnóstico de falhas em aerogeradores usando sinais de vibração: uma abordagem integrada de classificação e previsão utilizando wavelets e aprendizado de máquina. |
| Título em inglês: | Fault diagnosis in wind turbines using vibration signals: an integrated classification and forecasting approach using waletes and machine learning |
| Autor(es): | Palácio, Gilderlânio Barbosa Alves |
| Orientador: | Cortez, Paulo César |
| Palavras-chave em português: | Turbinas eólicas - Vibração;Wavelets (Matemática);Aprendizado do computador |
| Palavras-chave em inglês: | Wind turbines - Vibration;Wavelets (Mathematics);Machine learning |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| Data do documento: | 2026 |
| Citação: | PALÁCIO, Gilderlânio Barbosa Alves. Diagnóstico de falhas em aerogeradores usando sinais de vibração: uma abordagem integrada de classificação e previsão utilizando wavelets e aprendizado de máquina. 2026. 110 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026. |
| Resumo: | Motivado pelos elevados custos da manutenção corretiva, pelos riscos de indisponibilidade e pela complexidade operacional associada à rotação variável em aerogeradores, este trabalho apresenta uma abordagem sistemática para o diagnóstico e a previsão de falhas em rolamentos a partir da análise de sinais de vibração, integrando processamento de sinal, extração de características e algoritmos de aprendizado de máquina. A identificação de diferentes tipos de defeitos em rolamentos é intrinsecamente desafiadora devido à baixa relação sinal–ruído em regime real, à modulação por velocidade variável, à presença de excitações concorrentes do trem de potência e, sobretudo, à sobreposição espectral entre padrões de falha, o que limita a separabilidade entre classes e torna a discriminação entre condições intermediárias mais suscetível ao desbalanceamento de dados e à variabilidade operacional. Para enfrentar essas limitações, propõe-se um fluxo metodológico reprodutível e orientado à implementação, no qual etapas e escolhas são explicitadas de forma sequencial: aquisição, pré-processamento, reconstrução, extração e seleção de características, otimização e classificação. O pré-processamento baseia-se na decomposição por wavelet e na aplicação de técnicas de limiarização, visando reduzir ruídos e preservar componentes informativas associadas a impactos e modulações relevantes. Após a reconstrução dos sinais, extraem-se 17 características nos domínios do tempo e da frequência, utilizadas como entrada para cinco modelos supervisionados (Máquinas de Vetores de Suporte (SVM), Floresta Aleatória (RF), k-Vizinhos Mais Próximos (KNN), Perceptron multicamadas (MLP) e Árvores de Decisão (DT)) e para comitês formados por combinações dos classificadores mais promissores. A metodologia é aplicada a sinais reais de aerogeradores na etapa de previsão e a dados experimentais de bancada na etapa de classificação. Nessa etapa, a melhor configuração é obtida com a wavelet Db1 associada à limiarização Universal e ao comitê RF+KNN+MLP, atingindo acurácia de 0,983, evidenciando o potencial do fluxo proposto para consolidar desempenho elevado com componentes de modelagem relativamente simples. Em paralelo, a modelagem preditiva é estruturada em dois formatos complementares: previsão multiclasse, voltada à estimação das zonas de criticidade definidas pela ISO 20816-21, e previsão binária, direcionada à antecipação da Zona D. No multiclasse, embora a acurácia global permaneça elevada no horizonte de 1 dia (em torno de 0,80–0,84), a acurácia balanceada tipicamente entre 0,60 e 0,64 evidencia a dificuldade de discriminar zonas intermediárias em cenários desbalanceados, explicitando uma limitação prática inerente à granularidade do problema. Com o aumento do horizonte para 7, 15 e 30 dias, observa-se degradação progressiva das métricas; nesse contexto, a aplicação de Db1 com limiarização Universal (nível 2) não produz ganhos sistemáticos e pode aumentar a sensibilidade ao conjunto de treino em parte dos modelos, indicando tendência ao sobreajuste. Na formulação binária, por outro lado, os modelos mantêm desempenho mais consistente ao separar condição crítica e não crítica, com acurácias elevadas no horizonte de 1 dia (tipicamente entre 0,82 e 0,89 no cenário com wavelet) e manutenção do desempenho em 7, 15 e 30 dias, mostrando maior aderência ao objetivo operacional de antecipar a condição crítica. Em síntese, ao caracterizar explicitamente as limitações de separabilidade no multiclasse e ao organizar um pipeline sistemático, a tese simplifica a tomada de decisão metodológica, favorece a reprodutibilidade e entrega uma solução tecnicamente robusta e implementável para diagnóstico e previsão de criticidade em rolamentos de aerogeradores. |
| Abstract: | Motivated by the high costs of corrective maintenance, the risks of unavailability, and the operational complexity associated with variable-speed operation in wind turbines, this work presents a systematic approach for bearing fault diagnosis and forecasting based on vibration-signal analysis, integrating signal processing, feature extraction, and machine-learning algorithms. Distinguishing among different bearing fault types is inherently challenging due to low signal-to-noise ratios under real operating conditions, modulation effects induced by variable speed, the presence of competing excitations from the drivetrain, and, most importantly, spectral overlap between fault signatures, which limits class separability and makes the discrimination of intermediate conditions more sensitive to data imbalance and operational variability. To address these limitations, a reproducible and implementation-oriented methodological workflow is proposed, in which key stages and design choices are explicitly organized in sequence: data acquisition, preprocessing, reconstruction, feature extraction and selection, model optimization, and fault classification. The preprocessing stage relies on wavelet decomposition and thresholding techniques to reduce noise while preserving informative components associated with impacts and relevant modulations. After signal reconstruction, 17 time- and frequency-domain features are extracted and used as inputs to five supervised models (Support Vector Machine (SVM), Random Forest (RF), k-Nearest Neighbors (KNN), Multilayer Perceptron (MLP), and Decision Tree (DT)), as well as to classifier committees formed by combining the most promising models. The methodology is applied to real wind-turbine signals in the forecasting stage and to experimental bench data in the classification stage. In the latter, the best configuration is obtained with the Db1 wavelet associated with Universal thresholding and the RF+KNN+MLP committee, achieving an accuracy of 0.983, thereby highlighting the potential of the proposed workflow to deliver high performance using relatively simple modeling components. In parallel, the forecasting task is formulated in two complementary settings: a multiclass formulation aimed at estimating the criticality zones defined by ISO 20816-21 and a binary formulation aimed at anticipating Zone D. In the multiclass setting, although overall accuracy remains high at a 1-day horizon (around 0.80–0.84), balanced accuracy typically ranges from 0.60 to 0.64, underscoring the difficulty of discriminating intermediate zones under imbalanced conditions and making explicit a practical limitation inherent to the problem granularity. As the horizon increases to 7, 15, and 30 days, a progressive degradation of performance is observed; in this context, applying Db1 with Universal thresholding (level 2) does not yield systematic gains and may increase sensitivity to the training set for some models, indicating a tendency toward overfitting. In the binary formulation, by contrast, the models exhibit more consistent performance when separating critical from non-critical conditions, with high accuracies at a 1-day horizon (typically between 0.82 and 0.89 in the wavelet-based scenario) and stable performance at 7, 15, and 30 days, showing greater alignment with the operational goal of anticipating critical conditions. Overall, by explicitly characterizing multiclass separability limitations and structuring a systematic pipeline, this thesis simplifies methodological decision-making, improves reproducibility, and delivers a technically robust and implementable solution for bearing diagnosis and criticality forecasting in wind turbines. |
| Descrição: | Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84699 |
| ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0009-0001-8894-3331 |
| Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/9869773046710254 |
| ORCID do Orientador: | https://orcid.org/0000-0002-4020-3019 |
| Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/5024602152304064 |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| Aparece nas coleções: | DETE - Teses defendidas na UFC |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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| 2026_tese_gbapalacio.pdf | Tese | 15,99 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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