Modelo para identificación de modos de falla de máquinas en base a variational Auto-Encoders

Abstract

Dentro del campo de la ingeniería mecánica, una de las áreas que más crecimiento ha mostrado en los últimos años es la de la gestión de activos físicos y confiabilidad. Junto con la capacidad de construir máquinas y sistemas más complejos, el problema de la detección temprana de fallas en elementos mecánicos se vuelve de suma importancia. Al mismo tiempo, el incremento en la disponibilidad de tecnología sensitoria ha dado a los ingenieros la capacidad de medir una gran cantidad de variables operacionales, como por ejemplo presión, temperatura o emisiones acústicas, a frecuencias de muestreo altísimas. Es ese aspecto, se vuelve un desafío en sí mismo el poder procesar esa cantidad de datos de una manera eficiente, con tal de extrar información útil a partir de ellos. Una metodología para enfrentar este problema es el desarrollo de técnicas de reducción de dimensionalidad, las cuales, si son implementadas de forma correcta, pueden generar una mejor representación de los datos con el fin de mejorar el diagnóstico posterior de los modos de falla presentes. La motivación principal de este trabajo de título es la necesidad de desarrollar modelos confiables para el diagnóstico de modos de falla en elementos mecánicos utilizando técnicas de Aprendizaje de Máquinas. Estos modelos pueden resultar en grandes beneficios para los sectores industriales, tanto en términos de ahorros monetarios como seguridad operacional. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar modelos para el diagnóstico de fallas en elementos mecánicos basados en una reducción de dimensionalidad usando un Auto Encoder Variacional (VAE), y luego evaluar y comparar los resultados obtenidos con un modelo similar que usa Análisis de Componentes Principales (PCA) como método de reducción de dimensionalidad y un tercer modelo que no genera una reducción. La metodología usada para este trabajo consiste principalmente de cinco etapas. Primero, una revisión del estado del arte respecto a metodologías existentes para el diagnóstico de fallas es desarrollada. Luego, la adquisición y preprocesamiento de datos operacionales que serán utilizados para entrenar y evaluar los modelos desarrollados. Tercero, el modelo que usa PCA y el modelo que no realiza reducción de dimensionalidad es implementado. Cuarto, el modelo que utiliza VAE es desarrollado e implementado. Por último, el modelo que usa VAE es comparado con los otros dos modelos para extraer conclusiones sobre su aplicabilidad. La principal conclusión de este trabajo es que el modelo que utiliza VAE es mejor en el diagnóstico de modos de falla que el que utiliza PCA para situaciones donde la cantidad de datos etiquetados es escasa, o para los casos cuando una reducción de dimensionalidad muy drástica es requerida. Tambien, el modelo que utiliza VAE casi siempre presenta mejores resultados que el modelo que no genera reducción en los datos, mostrando la importancia de reducir la dimensionalidad de los datos previo a una operación de diagnóstico o clasificación.