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Tipo: Tese
Título: Análise de dados de vibração não-estacionários em aerogeradores usando algoritmos de aprendizagem profunda potencializados por estimadores de densidade kernel
Título em inglês: Non-stationary vibration data analysis in wind turbines using deep learning algorithms enhanced by kernel density estimators
Autor(es): Nogueira, Tiago de Oliveira
Orientador: Cortez, Paulo César
Coorientador: Albuquerque, Victor Hugo Costa de
Palavras-chave em português: Monitoramento de condição;Turbinas eólicas;Análise de vibração;Filtragem de sinais;Estimadores de densidade kernel;CNN
Palavras-chave em inglês: Condition monitoring;Wind turbines;Vibration analysis;Signal filtering;Kernel density estimators;CNN
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2026
Citação: NOGUEIRA, Tiago de Oliveira. Análise de dados de vibração não-estacionários em aerogeradores usando algoritmos de aprendizagem profunda potencializados por estimadores de densidade kernel. 2026. 94 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumo: Turbinas eólicas são componentes essenciais para a incorporação de medidas sustentáveis na produção de energia. Contudo, a eficácia dos sistemas de monitoramento de condição (CMS) é frequentemente desafiada por ruídos estocásticos e de banda larga, que podem mascarar os componentes harmônicos de falha nos sinais de vibração. Buscando solucionar esse problema, métodos de filtragem de sinais podem ser utilizados em conjunto com múltiplas abordagens de técnicas de reconhecimento de padrão. Modelos de machine learning clássico (KNN, SVM, ANN) podem ser utilizados para avaliar o impacto da filtragem em conjuntos de características (features) estatísticas extraídas do espectro. Em paralelo, técnicas de deep learning, especificamente Redes Neurais Convolucionais (CNNs), podem ser aplicadas para a classificação de ponta-a-ponta (end-to-end) diretamente dos espectrogramas. Esta tese propõe e valida uma nova metodologia de pré-processamento espectral, baseada na Estimação por Densidade de Kernel (KDE), para remover seletivamente o ruído e otimizar a separabilidade das características de falha. A validação é estruturada em duas fases: uma Fase 1 de validação controlada no banco de dados VBL (comparando KDE, DWT e dados brutos) e uma Fase 2 de aplicação real no banco de dados EISLAB (detecção de anomalias em aerogeradores). Ambos os paradigmas de treinamento são explorados: o Aprendizado Supervisionado, no qual o modelo aprende a mapear entradas para rótulos de falha conhecidos e o Aprendizado Auto-Supervisionado (via SimCLR), focado em aprender representações robustas de dados sem o uso de rótulos. Os resultados da Fase 1 (VBL) demonstraram a eficácia do KDE em otimizar modelos robustos (SVM/ANN) e, de forma mais expressiva, em modelos de CNN, nos quais a combinação KDE + CNN Supervisionada atingiu a maior acurácia da validação (98,5%), superando os dados brutos (87,0%) e o DWT (96,0%). Na Fase 2 (EISLAB), a aplicação do filtro KDE em dados reais de aerogeradores novamente gerou resultados gerais superiores, aumentando a acurácia da CNN Supervisionada de 68,5% para 72,3% e, crucialmente, elevando o F1-Score da classe de falha de 0.554 para 0.600. Conclui-se que a filtragem adaptativa via KDE é uma ferramenta metodológica eficaz, que atua como um otimizador de características espectrais, aumentando significativamente a precisão e a robustez de sistemas de diagnóstico baseados em inteligência artificial. Os experimentos mostraram que o KDE melhora significativamente modelos robustos, especialmente CNNs, alcançando os melhores resultados tanto em ambiente controlado quanto em dados reais de aerogeradores. Assim, o método se destaca não só como um filtro, mas como um otimizador de características espectrais, elevando a precisão e a confiabilidade no diagnóstico de falhas em sistemas rotativos.
Abstract: Wind turbines are essential components for incorporating sustainable measures in energy production. However, the effectiveness of condition monitoring systems (CMS) is often challenged by stochastic and broadband noise, which can mask harmonic fault components in vibration signals. Seeking to solve this problem, signal filtering methods can be used in conjunction with multiple approaches to pattern recognition techniques. Classical machine learning models (KNN, SVM, ANN) can be used to evaluate the filtering impact on sets of statistical features extracted from the spectrum. In parallel, deep learning techniques, specifically Convolutional Neural Networks (CNNs), can be applied for end-to-end classification directly from spectrograms. This thesis proposes and validates a new spectral preprocessing methodology, based on Kernel Density Estimation (KDE), to selectively remove noise and optimize the separability of fault features. The validation was structured in two phases: a Phase 1 of controlled validation on the VBL database (comparing KDE, DWT, and raw data) and a Phase 2 of real-world application on the EISLAB database (anomaly detection in wind turbines). Both training paradigms were explored: Supervised Learning, where the model learns to map inputs to known fault labels, and Self-Supervised Learning (via SimCLR), focused on learning robust data representations without using labels. The results from Phase 1 (VBL) demonstrated the effectiveness of KDE in optimizing robust models (SVM/ANN) and, more expressively, in CNN models, where the KDE + Supervised CNN combination achieved the highest validation accuracy (98.5%), surpassing the raw data (87.0%) and the DWT (96.0%). In Phase 2 (EISLAB), the application of the KDE filter to real-world wind turbine data again proved superior, increasing the Supervised CNN accuracy from 68.5% to 72.3% and, crucially, raising the F1-Score for the fault class from 0.554 to 0.600. It is concluded that adaptive filtering via KDE is an effective methodological tool, acting as a spectral feature optimizer, significantly increasing the precision and robustness of artificial intelligence-based diagnostic systems. The experiments showed that KDE significantly improves robust models, especially CNNs, achieving the best results both in a controlled environment and with real-world wind turbine data. Thus, the method stands out not only as a filter but as a spectral feature optimizer, enhancing accuracy and reliability in fault diagnosis for rotating systems.
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/86609
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/2972211382428203
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-4020-3019
Currículo Lattes do Orientador: https://lattes.cnpq.br/5024602152304064
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0003-3886-4309
Currículo Lattes do Coorientador: https://lattes.cnpq.br/4186515742605446
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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