Models for quantifying risk and reliability metrics via metaheuristics and support vector machines

Abstract

Nesse trabalho são desenvolvidos modelos de quantificação de métricas de risco e confiabilidade para sistemas em diferentes etapas do ciclo de vida. Para sistemas na fase de projeto, um Algoritmo Genético Multiobjetivo (MOGA) é combinado à Simulação Discreta de Eventos (DES) a fim de prover configurações não-dominadas com relação à disponibilidade e ao custo. O MOGA + DES proposto incorpora Processos de Renovação Generalizados para modelagem de reparos imperfeitos e também indica o número ótimo de equipes de manutenção. Para a fase operacional é proposto um hibridismo entre MOGA e Inspeção Baseada no Risco para elaboração de planos de inspeção não-dominados em termos de risco e custo que atendem às normas locais. Regressão via Support Vector Machines (SVR) é aplicada nos casos em que a métrica relacionada à confiabilidade (variável resposta) de um sistema operacional é função de variáveis ambientais e operacionais com expressão analítica desconhecida. Otimização via Nuvens de Partículas é combinada à SVR para a seleção simultânea das variáveis explicativas mais relevantes e dos valores dos hiperparâmetros que aparecem no problema de treinamento de SVR. Com o objetivo de avaliar a incerteza relacionada à variável resposta, métodos bootstrap são combinados à SVR para a obtenção de intervalos de confiança e de previsão. São realizados experimentos numéricos e são apresentados exemplos de aplicação no contexto da indústria do petróleo. Os resultados obtidos indicam que os modelos propostos fornecem informações importantes para o planejamento de custos e para a implementação de ações apropriadas a fim de evitar eventos indesejados. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------This work develops models for quantifying risk and reliability-related metrics of systems in different phases of their life cycle. For systems in the design phase, a Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) is coupled with Discrete Event Simulation (DES) to provide non-dominated configurations with respect to availability and cost. The proposed MOGA + DES incorporates a Generalized Renewal Process to account for imperfect repairs and it also indicates the optimal number of maintenance teams. For the operational phase, a hybridism between MOGA and Risk-Based Inspection is proposed for the elaboration of non-dominated inspection plans in terms of risk and cost that comply with local regulations. Regression via Support Vector Machines (SVR) is applied when the reliability-related metric (response variable) of an operational system is function of a number of environmental and operational variables with unknown analytical relationship. A Particle Swarm Optimization is combined to SVR for the selection of the most relevant variables along with the tuning of the SVR hyperparameters that appear in its training problem. In order to assess the uncertainty related to the response variable, bootstrap methods are coupled with SVR to construct confidence and prediction intervals. Numerical experiments and application examples in the context of oil industry are provided. The obtained results indicate that the proposed frameworks give valuable information for budget planning and for the implementation of proper actions to avoid undesired events.