شماره ركورد
34389
پديد آورنده
محمد رحمتي انداني
عنوان
ارائه مدل تعيين وضعيت نگهداشت هندسه سوزن¬ها و انشعابات ريلي مبتني بر روش¬هاي يادگيري ماشين با مطالعه موردي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي راه آهن- مهندسي خطوط ريلي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/27
استاد راهنما
دكتر جبارعلي ذاكري- دكتر حميدرضا حيدري
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
راه آهن
چكيده
نگهداشت صحيح و بهموقع سوزنها و انشعابات ريلي از مهمترين عوامل تضمين ايمني و پايداري شبكهي حملونقل ريلي است. در اين پژوهش، با هدف ارزيابي وضعيت هندسي سوزنها و تعيين وضعيت سلامت و سطح خرابي، از روشهاي يادگيري ماشين استفاده شده است. براي اين منظور ابتدا سعي شد بانك اطلاعاتي لازم با برداشت داده¬هاي ميداني از يك سري سوزن بصورت مرتب جمع¬آوري و پالايش شوند. در اين راستا 20 پارامتر شامل عيوب ساختاري و هندسي مهم سوزن¬ها در بخش¬هاي مختلف تيغه و تكه مركزي مطابق استاندارهاي معتبر شناسايي و عمليات برداشت اطلاعات نگهداشت سوزن¬ها بصورت دوره¬اي انجام گرفت. طي اندازه¬گيري¬هاي ميداني، بانك اطلاعات خرابي¬هاي 11 دستگاه سوزن در محور راه¬آهن يزد طي 30 دوره زماني ثبت گرديد. سپس پارامترهاي خرابي بر اساس رواداري¬هاي مجاز مطابق استانداردهاي بين¬المللي در سطوح مختلف برچسب¬گذاري شدند. پس از آماده¬سازي داده¬ها، فرآيند تعيين وضعيت نگهداشت هندسي اين سوزن¬ها با الگوريتم¬هاي مختلف يادگيري ماشين شامل روش¬هاي خوشه¬بندي و دسته¬بندي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت.
در مرحله نخست جهت خوشه¬بندي سوزن¬ها، از الگوريتمهاي سلسلهمراتبي تجمعي و K-Means++ ، استفاده شد. براين اساس ضمن تعيين تعداد خوشه¬ بهينه با استفاده از معيارهاي بدون نظارت، سوزن¬ها در چهار خوشه تقسيم¬بندي گرديد. نتايج خوشه¬بندي با الگوريتمهاي سلسلهمراتبي تجمعي و K-Means++، منجر به تقسيم سوزن¬ها در چهار سطح از منظر وضعيت نگهداشت (شامل وضعيت¬هاي ايمن، هشدار، مداخله و اقدام فوري) گرديد. مطابق اين نتايج، خوشه¬بندي و برچسب¬¬گذاري سوزن¬ها تطابق نتايج بدست آمده را با سطوح كيفي وضعيت نگهداشت تعيين شده توسط استاندارد EN را نشان مي¬دهد.
پس از تعيين برچسب سوزن¬ها، در مرحلهي بعدي سعي شد تا عملكرد روش¬هاي دسته¬بندي يادگيري ماشين در شناسايي وضعيت نگهداشت سوزن¬ها مورد تحليل و ارزيابي قرار گيرد. در اين راستا، داده¬ها توسط چهار الگوريتم درخت تصميم (DT)، نزديكترين همسايه¬ها (KNN)، ماشين بردار پشتيبان (SVM) و رگرسيون لجستيك (LR) يادگيري ماشين در دو رويكرد چهاركلاسه مستقيم و چهاركلاسه سلسلهمراتبي تركيبي، دسته¬بندي و مورد ارزيابي قرار گرفتند. نتايج حاصل نشان داد كه در رويكرد سلسله¬مراتبي تركيبي، دقت عملكرد الگوريتم¬ها در تعيين وضعيت داده¬ها به طور ميانگين 10 تا 12 درصد نسبت به رويكرد چهاركلاسه مستقيم بهبود يافت. اين بهبود ناشي از تفكيك تدريجي مسئله به دو سطح تصميمگيري (دوكلاسه سالم/خراب و سهكلاسه خرابي) مي¬باشد كه موجب كاهش تداخل ميان كلاسها و افزايش دقت تشخيص شده است. اين رويكرد مصداقي از به¬كارگيري ايدهي تقسيم و غلبه (D&C) در يادگيري ماشين مي¬باشد. نتايج حاصل از ارزيابي الگوريتم¬ها نشان مي¬دهد كه الگوريتم سلسله¬مراتبي تركيبي پيشنهادي DT-KNN، با دقت 82% در پيش¬بيني نمونه¬ها نسبت به الگوريتم برتر رويكرد دسته¬بندي مستقيم يعني درخت تصميم با دقت 66%، توانست با بهبود قابل قبولي تا 16 درصد در دقت، به عنوان بهترين الگوريتم اين پژوهش شناخته مي¬شود.
در مجموع، يافتههاي اين پژوهش حاكي از آن است كه با استفاده از پتانسيل بالاي يادگيري ماشين اعم از مدل¬هاي با و بدون نظارت، مي¬توان مدلي كارآمد براي پايش هوشمند، تشخيص زودهنگام خرابي و برنامهريزي تعميرات پيشگيرانه در سوزن¬ها و انشعابات ريلي توسعه داد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/23
عنوان به انگليسي
Development of a Machine Learning–Based Model for Determining the Geometric Maintenance Condition of Railway Turnouts: A Case Study
تاريخ بهره برداري
10/19/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمد رحمتي انداني
چكيده به لاتين
The proper and timely maintenance of railway turnouts and crossings is a key factor in ensuring the safety and stability of the railway transportation network. In this study, machine learning techniques were employed to evaluate the geometric condition of railway turnouts and to determine their health status and level of deterioration. To this end, the required database was first developed through systematic field data collection and preprocessing from a series of railway turnouts. In this regard, 20 parameters representing key structural and geometric defects of the turnouts in different parts of the switch blade and crossing were identified in accordance with recognized standards, and periodic data collection for turnout maintenance was carried out accordingly. During the field measurements, a failure database for 11 turnouts along the Yazd railway line was compiled over 30 time periods. Subsequently, the defect parameters were labeled at different levels according to the permissible tolerances defined by international standards. After data preparation, the geometric maintenance condition of these turnouts was assessed using various machine learning algorithms, including clustering and classification methods.
In the first stage, to cluster the turnouts, the Hierarchical Agglomerative and K-Means++ algorithms were employed. Accordingly, using unsupervised evaluation criteria, the optimal number of clusters was determined, and the turnouts were classified into four distinct clusters. The clustering results from the Hierarchical Agglomerative and K-Means++ algorithms categorized the turnouts into four maintenance-condition limits: Safety, alert, Intervention, and Immediate Action. According to these results, the clustering and labeling of the turnouts demonstrate a strong consistency between the obtained outcomes and the qualitative maintenance condition levels defined by the EN standard. After labeling the turnouts, the next stage focused on analyzing and evaluating the performance of various machine learning classification methods in identifying the maintenance condition of the turnouts. In this regard, the data were classified and evaluated using four machine learning algorithms: Decision Tree (DT), K-Nearest Neighbors (KNN), Support Vector Machine (SVM), and Logistic Regression (LR), under two approaches: direct four-class classification and hybrid hierarchical four-class classification. The results indicated that, under the hybrid hierarchical approach, the algorithms achieved an average improvement of 10-12 percent in classification accuracy compared to the direct four-class approach. This improvement resulted from the gradual decomposition of the problem into two decision-making levels (a binary classification of healthy/faulty and a three-class classification of fault types), which reduced class overlap and enhanced detection accuracy. This approach applies the Divide-and-Conquer (D&C) concept in machine learning.
The evaluation results revealed that the proposed hybrid hierarchical DT-KNN algorithm achieved a prediction accuracy of 82%, outperforming the best-performing algorithm in the direct classification approach (Decision Tree, with an accuracy of 66%), representing a notable 16% improvement and identifying it as the most effective algorithm in this study. Overall, the findings indicate that by leveraging the high potential of both supervised and unsupervised machine learning models, an efficient framework can be developed for intelligent monitoring, early fault detection, and preventive maintenance planning for railway turnouts.
كليدواژه هاي فارسي
نگهداشت سوزن¬ها , يادگيري ماشين , الگوريتم¬هاي خوشه¬بندي و دسته¬بندي , اصل تقسيم و غلبه
كليدواژه هاي لاتين
Turnouts Maintenance , Machine Learning , Clustering and Classification Algorithms , Divide and Conquer Principle
Author
Mohammad Rahmati Andani
SuperVisor
Dr.Jabbar Ali Zakeri - Dr. Hamidreza Heydari