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http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/41257
Title: | Análise formal de sistemas baseados em aprendizado de máquina usando redes de petri coloridas. |
Other Titles: | Formal analysis of machine learning-based systems using colored petri nets. |
???metadata.dc.creator???: | SILVEIRA, Andressa Carvalho Melo da. |
???metadata.dc.contributor.advisor1???: | PERKUSICH, Angelo. |
???metadata.dc.contributor.advisor2???: | CÉSAR SOBRINHO, Álvaro Alvares de Carvalho. |
???metadata.dc.contributor.referee1???: | FERNANDES, Eisenhawer de Moura. |
???metadata.dc.contributor.referee2???: | SILVA, Jaidilson Jó da. |
???metadata.dc.contributor.referee3???: | COSTA, Evandro de Barros. |
???metadata.dc.contributor.referee4???: | MELLO, Rafael Ferreira Leite de. |
Keywords: | Aprendizado de máquina;Decision tree;Redes de petri colorida;Métodos formais;Machine learning;Colored petri nets;Formal methods |
Issue Date: | 5-Dec-2024 |
Publisher: | Universidade Federal de Campina Grande |
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. |
???metadata.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. |
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. |
Keywords: | Aprendizado de máquina Decision tree Redes de petri colorida Métodos formais Machine learning Colored petri nets Formal methods |
???metadata.dc.subject.cnpq???: | Engenharia Elétrica. |
URI: | http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/41257 |
Appears in Collections: | Doutorado em Engenharia Elétrica. |
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ANDRESSA CARVALHO MELO DA SILVEIRA - TESE (PPGEE) 2024.pdf | 8.51 MB | Adobe PDF | View/Open |
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