شماره مدرك
21142
شماره راهنما
18126
پديد آورنده
ياري، اردشير
عنوان
طبقهبندي بررسي ميزان مصرف انرژي الكتريكي در صنعت فولاد به كمك تكنيك يا الگوريتم پرسپترون چندلايه خطي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
مديريت مهندسي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هشت،114ص:جدول،نمودار
توصيفگر ها
طبقهبندي دادههاي صنعتي , معماري شبكه عصبي خطي , يادگيري ماشين تفسيرپذير , تحليل مصرف انرژي , مدلهاي پيشبيني دودويي , بهينهسازي الگوريتم
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/07
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي صنايع
دانشكده
آموزش الكترونيكي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/08
كد ايرانداك
23226778
چكيده فارسي
در سالهاي اخير، با توسعه سريع سيستمهاي توليد هوشمند و افزايش حجم دادههاي توليدشده در محيطهاي صنعتي، تحليل دقيق الگوهاي مصرف انرژي به يكي از اركان اصلي در بهينهسازي فرآيندها تبديل شده است. در اين راستا، توسعه مدلهاي طبقهبندي كه بتوانند بهطور همزمان دقت بالا، پايداري در برابر نويز و تفسيرپذيري كامل را ارائه دهند، يك چالش اساسي است. در حالي كه مدلهاي پيشرفته يادگيري ماشين (بهويژه شبكههاي عصبي عميق) به دليل ماهيت «جعبهسياه» و ساختارهاي پيچيده غيرخطي، فاقد شفافيت لازم براي تصميمگيريهاي حساس و ايمن در صنايع هستند، روشهاي خطي كلاسيك نيز غالباً به دليل ظرفيت محدود در يادگيري ويژگيها، از دقت طبقهبندي پايينتري رنج ميبرند. اين تضاد، شكاف تحقيقاتي مهمي را در زمينه توسعه سيستمهاي هوشمندِ قابلاعتماد ايجاد كرده است.
پژوهش حاضر با هدف پر كردن اين شكاف و دستيابي به تفسيرپذيريِ صددرصدي بدون افت چشمگيرِ عملكرد، يك چارچوب طبقهبندي دودوييِ نوآورانه پيشنهاد ميدهد. ايده محوري اين تحقيق، مهندسي مجدد معماري كلاسيك شبكه عصبي پرسپترون چندلايهست. در اين روش، با حذف توابع فعالسازي غيرخطي متداول و جايگزيني آنها با يك تابع فعالسازيِ كاملاً خطي در تمامي لايههاي پنهان، ساختار شبكه دگرگون شد. اين ابتكارِ معماري باعث ميشود كه فرآيند يادگيري سلسلهمراتبِ وزنها در نهايت به يك مدل واحد و كاملاً خطي تقليل يابد؛ بهنحويكه ضمن بهرهگيري از قابليتهاي بهينهسازيِ شبكههاي عصبي، اثر و وزنِ دقيق هر ويژگي ورودي بر خروجي و تصميم نهاييِ مدل بهصورت مستقيم و شفاف قابلاستخراج و تحليل باشد.
بهمنظور پيادهسازي، آموزش مدل و ارزيابي جامع، تمامي الگوريتمهاي توسعهيافته در محيط محاسبات ابري گوگل كولب برنامهنويسي و اجرا شدند. مدل پيشنهادي بر روي مجموعه دادههاي واقعي و پيچيده مصرف انرژي صنعتي مورد آزمايش قرار گرفت تا كارايي آن در شرايط عملياتي سنجيده شود. در فاز ارزيابي، عملكرد اين شبكه خطي با مجموعهاي از قدرتمندترين الگوريتمهاي طبقهبندي خطي مرجع، از جمله رگرسيون لجستيك و ماشين بردار پشتيبان خطي در قالب شاخصهاي استانداردِ ارزيابي مقايسه گرديد.
تحليل تجربي و آماريِ نتايج اثبات ميكند كه مدل پيشنهادي از نظر كارايي بهطور معناداري بر رقباي خود برتري دارد. اين چارچوب با دستيابي به دقت كل استثنايي 905/0توانست افزايشي بين3 تا 5 درصد در شاخصهاي طبقهبندي نسبت به ساير روشهاي خطي ثبت كند. از منظر كاربرد صنعتي، اين جهشِ عملكردي بدين معناست كه در هر 100 تصميم عملياتي و كنترلي، مدل پيشنهادي بهطور متوسط 3 تا 5 خطاي تصميمگيريِ كمتري مرتكب ميشود. اين كاهش خطا مستقيماً به معناي جلوگيري از هدررفت انرژي، كاهش توقفهاي برنامهريزينشده و افزايش چشمگير قابليت اطمينان سيستمهاي مديريت انرژي است. اين مطالعه در نهايت نشان ميدهد كه با بازطراحي هوشمندانه و خطيسازي ساختارهاي پايه مانند MLP، ميتوان به سطحي از عملكرد رقابتي دست يافت كه نياز به مدلهاي پيچيده و غيرقابلتفسير را در كاربردهاي صنعتي برطرف ميسازد.
چكيده انگليسي
In recent years, with the rapid development of smart manufacturing systems and the exponential growth of data generated in industrial environments, the accurate analysis of energy consumption patterns has become a fundamental pillar in process optimization. In this context, developing classification models capable of simultaneously delivering high accuracy, robustness against noise, and full interpretability remains a major challenge. While advanced machine learning models (particularly deep neural networks) lack the necessary transparency for critical and safe industrial decision-making due to their “black-box” nature and complex nonlinear structures, classical linear methods often suffer from lower classification accuracy due to their limited feature-learning capacity. This contradiction has created a significant research gap in the development of reliable intelligent systems.
Aiming to bridge this gap and achieve absolute interpretability without a substantial drop in performance, the present study proposes an innovative binary classification framework. The core idea of this research is the re-engineering of the classical Multilayer Perceptron (MLP) neural network architecture. In this approach, the network structure was fundamentally transformed by eliminating conventional nonlinear activation functions and replacing them with a fully linear activation function (Lin) across all hidden layers. This architectural innovation ensures that the hierarchical weight-learning process ultimately reduces to a single, fully linear model. Consequently, while leveraging the optimization capabilities of neural networks, the exact impact and weight of each input feature on the final output and decision of the model can be directly and transparently extracted and analyzed.
For implementation, model training, and comprehensive evaluation, all developed algorithms were coded and executed within the Google Colab cloud computing environment. The proposed model was tested on complex, real-world industrial energy consumption datasets to evaluate its efficiency under operational conditions. In the evaluation phase, the performance of this linear network was compared against a suite of the most robust baseline linear classification algorithms, including Logistic Regression and Linear Support Vector Machine (Linear SVM), using standard evaluation metrics.
Empirical and statistical analysis of the results proves that the proposed model significantly outperforms its competitors in terms of efficiency. By achieving an exceptional overall accuracy of 0.9050.9050.905, this framework registered a 333 to 555 percent increase in classification metrics compared to other linear methods. From an industrial application perspective, this performance leap implies that out of every 100100100 operational and control decisions, the proposed model makes, on average, 333 to 555 fewer decision errors. This reduction in error directly translates to the prevention of energy waste, a decrease in unplanned downtimes, and a remarkable increase in the reliability of energy management systems. Ultimately, this study demonstrates that through the intelligent redesign and linearization of baseline structures such as the MLP, it is possible to achieve a level of competitive performance that eliminates the need for complex, uninterpretable models in industrial applications.
Keywords: Industrial Data Classification, Linear Neural Network Architecture, Interpretable Machine Learning, Energy Consumption Analysis, Binary Prediction Models, Algorithm Optimization.
استاد راهنما
مهدي خاشعي آشياني
استاد داور
صبا صارمي نيا , حسين خسروشاهي