dc.creator.ID |
SILVEIRA, A. C. M. |
pt_BR |
dc.creator.Lattes |
http://lattes.cnpq.br/5995220531872523 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor1 |
PERKUSICH, Angelo. |
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dc.contributor.advisor1ID |
Perkusich, Angelo. |
pt_BR |
dc.contributor.advisor1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/9439858291700830 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor2 |
CÉSAR SOBRINHO, Álvaro Alvares de Carvalho. |
|
dc.contributor.advisor2ID |
CESAR SOBRINHO, A. A. C. |
pt_BR |
dc.contributor.advisor2Lattes |
http://lattes.cnpq.br/5640399839698012 |
pt_BR |
dc.contributor.referee1 |
FERNANDES, Eisenhawer de Moura. |
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dc.contributor.referee2 |
SILVA, Jaidilson Jó da. |
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dc.contributor.referee3 |
COSTA, Evandro de Barros. |
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dc.contributor.referee4 |
MELLO, Rafael Ferreira Leite de. |
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dc.description.resumo |
O Aprendizado de Máquina (AM) tem sido amplamente aplicado em áreas críticas como
saúde, manufatura e transporte. No entanto, sua integração em sistemas críticos exige maior
explicabilidade e acurácia. Modelos como árvores de decisão (Decision Tree- DT) e florestas
aleatórias (Random Forest- RF) podemgerar regras redundantes, dificultando a interpretação
e comprometendo a transparência. As DTs aumentam em profundidade e número de nós ao
capturar padrões, o que pode dificultar a interpretação, comprometendo a transparência e a
aplicabilidade em sistemas críticos, especialmente na saúde. Nesta tese, é apresentado um
método baseado em redes de Petri coloridas (Coloured Petri Nets- CPN) que visa melhorar
a explicabilidade de modelos DT e RF. O método, denominado RuleXtract/CPN, automatiza
a extração, análise e ajuste de regras de decisão, além de permitir que essas etapas sejam
realizadas por usuários sem expertise em CPN. O método desenvolvido consiste em trans
formar modelos DT e RF emmodelos de CPN. Por meio de simulações, as regras de decisão
são analisadas e ajustadas, eliminando redundâncias e identificando regras específicas ou
incorretas que geram classificações enganosas. A implementação do método foi realizada
com tecnologias web integradas ao arcabouço Access/CPN, de modo que os usuários não
precisem ter experiência em CPN para gerar e simular modelos, executando-os em segundo
plano. Experimentos foram conduzidos com seis conjuntos de dados relacionados à COVID
19 e cinco de Influenza. Os resultados mostram uma redução significativa no número de
regras de decisão: no conjunto balanceado, as regras foram reduzidas de 882 para 688, en
quanto, no conjunto desbalanceado, a redução foi de 876 para 687. A eliminação de regras
redundantes reduziu a complexidade dos modelos, facilitando a validação por especialistas
antes da adoção das regras em um sistema de suporte à decisão (Decision Support System- DSS). Os achados destacam a relevância do método para aumentar a confiança e a expli
cabilidade de modelos de AM aplicados a sistemas críticos. A metodologia desenvolvida
apresenta potencial para pesquisas futuras, incluindo sua escalabilidade e aplicação a outros
algoritmos de AM. |
pt_BR |
dc.publisher.country |
Brasil |
pt_BR |
dc.publisher.department |
Centro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEI |
pt_BR |
dc.publisher.program |
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA |
pt_BR |
dc.publisher.initials |
UFCG |
pt_BR |
dc.subject.cnpq |
Engenharia Elétrica. |
pt_BR |
dc.title |
Análise formal de sistemas baseados em aprendizado de máquina usando redes de petri coloridas. |
pt_BR |
dc.date.issued |
2024-12-05 |
|
dc.description.abstract |
Machine Learning (ML) has been widely applied in critical areas such as healthcare, man
ufacturing, and transportation. However, its integration into critical systems requires greater
explainability and accuracy. Models like Decision Trees (DT) and Random Forests (RF) can
generate redundant rules, making interpretation difficult and compromising transparency.
DTs increase in depth and number of nodes as they capture patterns, which can hinder inter
pretation, affecting transparency and applicability in critical systems, particularly in health
care. This thesis presents a method based on Coloured Petri Nets (CPN) aimed at improving
the explainability of DT and RF models. The method, named RuleXtract/CPN, automates
the extraction, analysis, and adjustment of decision rules, allowing these steps to be per
formed by users without expertise in CPN. The developed method consists of transforming
DT and RF models into CPN models. Through simulations, the decision rules are ana
lyzed and adjusted, eliminating redundancies and identifying specific or incorrect rules that
produce misleading classifications. The method was implemented using web technologies
integrated with the Access/CPN framework, so users do not need CPN expertise to generate
and simulate models, executing them in the background. Experiments were conducted with
six COVID-19-related datasets and five related to Influenza. The results show a significant
reduction in the number of decision rules: in the balanced dataset, the rules were reduced
from 882 to 688, while in the imbalanced dataset, the reduction was from 876 to 687. The
elimination of redundant rules reduced the complexity of the models, making it easier for
experts to validate them before adopting the rules in a Decision Support System (DSS). The
f
indings highlight the relevance of the method in increasing trust and explainability of ML
models applied to critical systems. The developed methodology presents potential for future
research, including its scalability and application to other ML algorithms. |
pt_BR |
dc.identifier.uri |
http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/41257 |
|
dc.date.accessioned |
2025-03-24T14:35:39Z |
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dc.date.available |
2025-03-24 |
|
dc.date.available |
2025-03-24T14:35:39Z |
|
dc.type |
Tese |
pt_BR |
dc.subject |
Aprendizado de máquina |
pt_BR |
dc.subject |
Decision tree |
pt_BR |
dc.subject |
Redes de petri colorida |
pt_BR |
dc.subject |
Métodos formais |
pt_BR |
dc.subject |
Machine learning |
pt_BR |
dc.subject |
Colored petri nets |
pt_BR |
dc.subject |
Formal methods |
pt_BR |
dc.rights |
Acesso Aberto |
pt_BR |
dc.creator |
SILVEIRA, Andressa Carvalho Melo da. |
|
dc.publisher |
Universidade Federal de Campina Grande |
pt_BR |
dc.language |
por |
pt_BR |
dc.title.alternative |
Formal analysis of machine learning-based systems using colored petri nets. |
pt_BR |
dc.identifier.citation |
SILVEIRA, Andressa Carvalho Melo da. Análise formal de sistemas baseados em aprendizado de máquina usando redes de petri coloridas. 2025. 157 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2024. |
pt_BR |