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Tipo: TCC
Título: Comparação de algoritmos de machine learning para predição de vibração em moinhos de rolos verticais aplicados à manutenção preditiva industrial
Autor(es): Silva Júnior, Paulo César da
Orientador: Paz, Rosineide Fernando da
Palavras-chave em português: aprendizado de máquina;manutenção preditiva;moinhos de rolos verticais;predição de vibração;análise comparativa de modelos
Palavras-chave em inglês: machine learning;predictive maintenance;vertical roller mills;vibration prediction;comparative model analysis
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Data do documento: 2026
Citação: SILVA JÚNIOR, Paulo César da. Comparação de algoritmos de machine learning para predição de vibração em moinhos de rolos verticais aplicados à manutenção preditiva industrial. 2026. 72 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Ceará, Russas, 2026.
Resumo: A manutenção preditiva baseada em monitoramento de vibração tem se consolidado como estratégia fundamental para otimização de custos operacionais e aumento da disponibilidade de equipamentos críticos na indústria cimenteira. Moinhos de rolos verticais apresentam padrões vibracionais característicos que podem indicar o desenvolvimento de anomalias operacionais antes da ocorrência de falhas críticas. Este trabalho apresenta uma análise comparativa de seis algoritmos de machine learning para predição de vibração em moinhos de rolos verticais, utilizando dados industriais reais coletados durante 82 dias de operação contínua, totalizando 23.538 amostras após pré-processamento. Os modelos avaliados foram: K-Neighbors, Linear Regression, XGBoost, CatBoost, Huber Regressor e Random Forest. A metodologia incluiu seleção criteriosa de 15 variáveis preditoras baseada em conhecimento operacional e análise estatística, engenharia de features com codificação de variáveis categóricas, divisão temporal do conjunto de dados para validação realista, e avaliação comparativa utilizando métricas quantitativas (R², RMSE, MAE, MAPE) complementadas por análise visual de séries temporais e resíduos. Os resultados revelaram que o K-Neighbors apresentou desempenho superior com R² de 0,7679, RMSE de 0,8792 mm/s e MAE de 0,66 mm/s, superando modelos ensemble tradicionalmente mais robustos. Análise visual identificou fenômeno crítico de regressão à média em cinco dos seis modelos, onde valores elevados de vibração são subestimados, limitação que compromete aplicabilidade em sistemas de alarme para manutenção preditiva. O K-Neighbors foi o único modelo capaz de preservar a variabilidade natural da vibração, característica essencial para detecção confiável de anomalias operacionais. O trabalho demonstra que seleção de modelos para aplicações industriais críticas não pode se basear exclusivamente em métricas agregadas, sendo necessária avaliação qualitativa do comportamento preditivo ao longo de toda a faixa operacional. A metodologia desenvolvida representa processo replicável para sistemas preditivos em equipamentos rotativos críticos, com potencial para redução significativa de paradas não programadas e otimização de custos operacionais.
Abstract: Predictive maintenance based on vibration monitoring has become a fundamental strategy for optimizing operational costs and increasing the availability of critical equipment in the cement industry. Vertical roller mills exhibit characteristic vibrational patterns that can indicate the development of operational anomalies before critical failures occur. This work presents a comparative analysis of six machine learning algorithms for vibration prediction in vertical roller mills, using real industrial data collected over 82 days of continuous operation, totaling 23,538 samples after preprocessing. The evaluated models were: K-Neighbors, Linear Regression, XGBoost, CatBoost, Huber Regressor, and Random Forest. The methodology included careful selection of 15 predictor variables based on operational knowledge and statistical analysis, feature engineering with categorical variable encoding, temporal dataset splitting for realistic validation, and comparative evaluation using quantitative metrics (R², RMSE, MAE, MAPE) complemented by visual analysis of time series and residuals. The results revealed that KNeighbors showed superior performance with R² of 0.7679, RMSE of 0.8792 mm/s, and MAE of 0.66 mm/s, surpassing traditionally more robust ensemble models. Visual analysis identified a critical regression-to-the-mean phenomenon in five of the six models, where high vibration values are systematically underestimated, a limitation that compromises applicability in alarm systems for predictive maintenance. K-Neighbors was the only model capable of preserving the natural variability of vibration, an essential characteristic for reliable detection of operational anomalies. This work demonstrates that model selection for critical industrial applications cannot be based exclusively on aggregate metrics, requiring qualitative evaluation of predictive behavior across the entire operational range. The developed methodology represents a replicable process for predictive systems in critical rotating equipment, with potential for significant reduction of unplanned shutdowns and optimization of operational costs.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84976
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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