Geração de dados com algoritmo genético e aplicação de machine learning na otimização de estruturas metálicas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Monografia de especialização
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Data generation with genetic algorithm and application of machine learning in the optimization of metal structures
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Cássius Henrique Xavier Oliveira
Resumo
Este trabalho apresenta uma abordagem integrada para otimizar projetos de estruturas metálicas, combinando Algoritmos Genéticos, coleta de dados e Machine Learning. Os Algoritmos Genéticos foram empregados para gerar uma base robusta a partir de diferentes configurações estruturais, fornecendo parâmetros como características de perfis metálicos e posicionamento estrutural. Esses dados foram analisados estatisticamente e utilizados em modelos preditivos, incluindo Random Forest, Gradient Boosting e XGBoost. Os resultados indicam que os modelos baseados em boosting (Gradient Boosting e XGBoost) tiveram um desempenho superior ao Random Forest em todas as métricas analisadas. O Gradient Boosting obteve um MAE de 4.7674, MSE de 53.6243 e RMSE de 7.3229, enquanto o XGBoost apresentou um MAE de 4.7255, MSE de 54.0651 e RMSE de 7.3529. Ambos os modelos atingiram valores semelhantes de R² Score (0.5844 para Gradient Boosting e 0.5809 para XGBoost), demonstrando alta capacidade de explicação da variância dos dados. O estudo destaca o potencial da integração entre Algoritmos Genéticos, análise estatística e Machine Learning, demonstrando que modelos baseados em boosting conseguem capturar melhor os padrões estruturais dos dados gerados neste trabalho. Os resultados obtidos sugerem que essa abordagem pode promover projetos mais eficientes, econômicos e sustentáveis na engenharia de estruturas metálicas.
Abstract
This work presents an integrated approach to optimizing metal structure design by combining genetic algorithms, data collection, and Machine Learning. Genetic Algorithms were employed to generate a robust dataset from various structural configurations, providing parameters such as metallic profile characteristics and structural positioning. These data were statistically analyzed and used in predictive models, including Random Forest, Gradient Boosting, and XGBoost. The results indicate that boosting-based models (Gradient Boosting and XGBoost) outperformed Random Forest across all evaluated metrics. Gradient Boosting achieved an MAE of 4.7674, MSE of 53.6243, and RMSE of 7.3229, while XGBoost reported an MAE of 4.7255, MSE of 54.0651, and RMSE of 7.3529. Both models reached similar R² scores (0.5844 for Gradient Boosting and 0.5809 for XGBoost), demonstrating a strong ability to explain data variance. This study highlights the potential of integrating genetic algorithms, statistical analysis, and Machine Learning, showing that boosting-based models can better capture the structural patterns in the data. The findings suggest that this approach can contribute to more efficient, cost-effective, and sustainable metal structure engineering projects.
Assunto
Estatística, Métodos estatísticos - Estruturas metálicas, Controle preditivo - Floresta Aleatória, Aprendizado de computador, Algoritmos genéticos
Palavras-chave
otimização de estruturas metálicas, algoritmos genéticos, machine learning, random forest, gradient boosting, xgboost
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