شماره ركورد
25902
شماره راهنما
COM2 718
عنوان
طرّاحي يك حسگر نرمافزاري بهصورت سبكوزن جهت استفاده در كاربردهاي كنترل كيفي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر- معماري سيستم هاي كامپيوتري
دانشكده
مهندسي كامپيوتر
تاريخ دفاع
1404/10/21
صفحه شمار
109 ص .
استاد راهنما
علي بهلولي
استاد مشاور
كمال جمشيدي
كليدواژه فارسي
حسگر نرمافزاري دادهمحور , رايانش لبه , سيستم يادگيري گسترده , مدل سبكوزن , فرآيندهاي چندحالته
چكيده فارسي
در فرآيندهاي صنعتي مدرن، اندازهگيري مستقيم متغيرهاي كيفي به دليل محدوديتهاي فنّي، هزينههاي بالاي نگهداري حسگرهاي سختافزاري و تأخيرهاي ناشي از آناليزهاي آزمايشگاهي با چالشهاي جدي روبروست. حسگرهاي نرمافزاري بهعنوان جايگزيني كارا، با استفاده از مدلهاي دادهمحور نظير يادگيري ماشين، تخمين بلادرنگ اين متغيّرها را امكانپذير ميسازند. با ظهور محاسبات در لبه ، انتقال اين حسگرها از سرورهاي مركزي به نزديكي منبع داده (بر سختافزارهاي لبه) جهت كاهش تأخير و افزايش امنيت دادهها ضرورت يافته است. چالش پيش رو، رويارويي با محدوديت منابع پردازشي و حافظه در سختافزارهاي لبه مانند ميكروكنترلرهاي سري STM32 است كه مانعي بزرگ در بهكارگيري حسگرهاي نرمافزاري با مدلهاي يادگيري ماشين است.
در اين پژوهش، يك حسگر نرمافزاري سبكوزن مبتني بر مدل يادگيري ماشينِ سيستم يادگيري گسترده (BLS) طراحي و پيادهسازي شده است. انتخاب مدل BLS به دليل ساختار تخت، تعداد پارامترهاي كم و عدم نياز به فرآيندهاي آموزشي طولاني و تكراري، بهعنوان يك مدل سبكوزن پتانسيل بالايي را براي اجرا در محيطهاي با منابع محدود فراهم ميكند. براي سبكوزننمودن اين مدل بهصورت كوانتيزهسازي براي رويارويي بهتر با محدوديتهاي سختافزارهاي لبه، در اين پژوهش يك روند كوانتيزهسازي سفارشي براي تبديل وزنهاي BLS از دقت مميز شناور 32 بيت به 8 بيت صحيح ارائه شده است كه تا 75درصد كاهش حجم ذخيرهسازي براي پارامترهاي مدل با افت دقّت قابل قبول 0.0683درصد نشان داده است. اين رويكرد امكان استفاده از واحدهاي محاسباتي سختافزاري STM32 را بهينه كرده و اشغال حافظه را به شدت كاهش ميدهد. در شبيهسازي روي STM32F746NG، مدل بهطور ميانگين سرعت استناج به ازاي هر نمونه را 6.79 ميليثانيه ثبت كرده است.
علاوه بر اين، براي مقابله با پديدهي انحراف داده در فرآيندهاي صنعتي چندحالته كه منجر به كاهش دقّت حسگر در طول زمان ميشود، نوآوري اين پژوهش ارائهي يك روند كاري جامع براي مديريت فرآيندهاي چندحالته از طريق تعريف رويكرد چندمدلي و طراحي يك شاخص تشخيص انحراف ابداعي است. اين شاخص با بازتعريف و سبكسازي آزمون آماري كولموگروف-اسميرنوف (KS) از طريق تقريب محاسباتي، بهبود 90.98 تا 97.25 درصدي سرعت تشخيص انحراف نسبت به KS نشان داده است كه با كمترين سربار پردازشي روي دستگاه لبه اجرا ميشود. در اين حسگر نرمافزاري پيشنهادي، انتخاب مدل مناسب هر حالت عملياتي نيز بهكمك همين شاخص است تا از سربار كد براي تعريف روش جداگانه جلوگيري شود. ارزيابيهاي انجام شده بر روي مجموعه دادههاي فرآيند شيميايي صنعتي چندحالتهي تنسي ايستمن (TE)، نشان ميدهد كه شاخص انحراف پيشنهادي بهطور ميانگين 66.18 تا 96.93 درصد بهبود در سرعت تشخيص انحراف نسبت به روشهاي مرسوم از خود نشان داده است.
نهايتاً عملكرد حسگر نرمافزاري پيشنهادي با پيادهسازي به زبان C براي اجرا روي ميكروكنترلرها بهعنوان بخشي از يك سيستم كنترلي، در سناريوهاي آنلاين در حضور انحراف و جابجايي ميان حالات عملياتي سنجيده شد و كارايي حسگر در اين سناريوها ارزيابي گرديد.
كليدواژه لاتين
Data-driven soft sensor , Edge computing , Broad Learning System , Lightweight model , Multi-mode processes
عنوان لاتين
Designing a Lightweight Soft Sensor for Quality Control Applications
گروه آموزشي
مهندسي معماري كامپيوتر
چكيده لاتين
In modern industrial processes, direct measurement of quality variables faces serious challenges due to technical limitations, high maintenance costs of hardware sensors, and delays caused by laboratory analyses. Software sensors, as an efficient alternative, enable real-time estimation of these variables by utilizing data-driven models such as machine learning. With the emergence of edge computing, transferring these sensors from centralized servers to locations closer to the data source (onto edge hardware) has become necessary in order to reduce latency and enhance data security. The main challenge lies in coping with the limited computational and memory resources of edge hardware such as STM32 series microcontrollers, which constitutes a major obstacle to the deployment of software sensors based on machine learning models.
In this research, a lightweight software sensor based on the machine learning model Broad Learning System (BLS) has been designed and implemented. The selection of the BLS model, due to its flat architecture, small number of parameters, and lack of need for long and iterative training procedures, provides high potential as a lightweight model suitable for execution in resource-constrained environments. To further lightweight this model and better address the limitations of edge hardware, a custom quantization pipeline is proposed in this work to convert BLS weights from 32-bit floating-point precision to 8-bit integer representation. This approach achieves up to a 75% reduction in model parameter storage size with an acceptable accuracy degradation of 0.0683%. This method optimizes the utilization of STM32 hardware computational units and significantly reduces memory consumption. In simulation on the STM32F746NG, the model achieved an average inference time of 6.79 milliseconds per sample.
Furthermore, to address the phenomenon of data drift in multimode industrial processes, which leads to a degradation of sensor accuracy over time, the main innovation of this research is the proposal of a comprehensive workflow for managing multimode processes through the definition of a multimodel approach and the design of a novel drift detection index. This index redefines and lightweightens the Kolmogorov–Smirnov (KS) statistical test through computational approximation and demonstrates a 90.98% to 97.25% improvement in drift detection speed compared to the original KS test, while being executable on edge devices with minimal computational overhead. In the proposed software sensor, the selection of the appropriate model for each operating mode is also performed using this same index, thereby avoiding additional code overhead for defining a separate selection mechanism. evaluations conducted on the multimode industrial chemical process dataset of Tennessee Eastman (TE) show that the proposed drift index achieves an average improvement of 66.18% to 96.93% in drift detection speed compared to conventional methods.
Finally, the performance of the proposed software sensor, implemented in the C language for execution on microcontrollers as part of a control system, was evaluated under online scenarios in the presence of drift and transitions between operating modes, and the effectiveness of the sensor in these scenarios was assessed.
تعداد فصل ها
6
فهرست مطالب pdf
160744
نويسنده