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No Capítulo 2, foram apresentados os métodos da Interseção Normal à Fronteira e Análise Relacional de Grey e os conceitos necessários para o desenvolvimento de uma metodologia de otimização multiobjetivo que considere a dimensionalidade do problema, a correlação e o sentido de otimização entre as funções objetivo e de restrição, ao mesmo tempo que seja capaz de incluir e atender os alvos estabelecidos para as restrições multivariadas. O tratamento adequado dessas características é fundamental para o desempenho dos resultados otimizados pelo NBI.

Neste sentido, considerando o problema e os objetivos de pesquisa, este Capítulo 3 apresenta o desenvolvimento do Método NBI-GRA com restrições multivariadas para problemas de otimização multiobjetivo. Este método permite que grandes grupos de respostas correlacionadas sejam otimizados simultaneamente aplicando-se o Método NBI. Além de permitir a redução de dimensionalidade do problema original empregando-se apenas dois eixos fatoriais independentes para uma Fronteira de Pareto, o método permite também a inclusão de um terceiro grupo de respostas, também representado por um fator, na forma de uma restrição.

3.1. Caracterização da metodologia proposta

O método NBI-GRA caracteriza-se, como uma abordagem de otimização multiobjetivo, uma vez que aplica o método NBI assistido por GRA a problemas com múltiplos objetivos correlacionados e restrições multivariadas, cujos valores alvo são definidos pelo método dos Mínimos Quadrados Parciais (Partial Least Squares - PLS).

O método da Interseção Normal à Fronteira é proposto como método de otimização por ser comprovadamente uma alternativa mais viável na resolução de problemas multiobjetivos. No entanto, em problemas de dimensões elevadas ou que apresentam respostas multicorrelacionadas, o NBI pode obter soluções dominadas ou irreais e tornar-se extremamente complexo.

Neste caso, para tratar da correlação entre as respostas e da dimensionalidade do problema de otimização por NBI, a Análise Fatorial é a abordagem multivariada mais indicada. A fim de normalizar a direção de otimização das funções objetivo e de restrição, considerar a matriz de correlação e os alvos estabelecidos para cada característica de interesse e ainda,

diminuir a dimensionalidade do problema de otimização, a Transformação Sinal Ruído de Taguchi foi utilizada em conjunto com a Análise Fatorial.

Considerando que o problema apresenta restrições multivariadas, o método dos Mínimos Quadrados Parciais foi proposto para definir os valores alvo para essas funções. Dado que o PLS considera a matriz de correlação entre os dados, os valores alvo definidos por esse método serão mais reais e prováveis de serem alcançados. Uma visão geral da metodologia proposta pode ser vista na Figura 6.

Figura 6- Metodologia NBI-GRA.

Primeiro Passo - Planejamento experimental, modelagem e seleção das respostas Etapa 1: Definir o processo de estudo, planejar e executar os experimentos e mensurar

as respostas do processo.

Etapa 2: Transformar o arranjo L16 de Taguchi para superfície de respostas e desenvolver os modelos de superfície de resposta para as características de interesse.

Segundo Passo – Analisar a matriz de correlação

Analisar a correlação entre as características de interesse. Caso não seja identificada correlação significativa entre pelo menos duas respostas, pode-se otimizar o processo usando outros métodos de otimização. Caso contrário, a abordagem NBI-GRA deve ser aplicada de acordo com as etapas descritas nos próximos Passos.

Terceiro Passo – Desenvolver a Análise Fatorial

Etapa 1: Na aplicação da FA deve-se verificar se como as funções objetivos que

representam as respostas serão separadas nos fatores. Há a possibilidade de fazer a FA com e sem rotação e obter diferentes resultados, e ambos devem ser testados. Primeiramente deve-se aplicar a FA sem rotação sobre as respostas originais, observar as correlações e os sentidos de otimização entre elas e os fatores extraídos. Caso as respostas não estejam separadas adequadamente nos fatores, deve-se repetir a análise com rotação e verificar novamente a separação das respostas nos fatores. Caso seja satisfatória deve-se partir para a Etapa 3.

Caso ainda haja algum conflito de interesse entre os fatores e as respostas originais, deve-se seguir a Etapa 2.

Etapa 2: Aplicar a transformação SNR de Taguchi, que visa resolver os conflitos nos

sentidos de otimização das respostas. Após essa transformação deve-se repetir a Etapa 1.

Etapa 3: Uma vez definidas as funções objetivo, extrair os fatores usando a matriz de

correlação. Definir os fatores das funções principais (e da função de restrição) e armazenar seus respectivos escores. Analisar a relação entre os autovalores e as respostas em cada fator selecionado. Os fatores selecionados formarão: (a) o bloco de funções objetivo que representarão os eixos da fronteira de Pareto e (b) o bloco de restrições do problema de otimização.

Quarto Passo – Aplicar o método NBI

Etapa 1: Desenvolver os modelos de superfície de resposta para os fatores e avaliar a

significância estatística dos modelos e sua adequação às respostas obtidas.

Etapa 2 – Calcular os valores de Utopia ( fU) e Nadir ( f N) das funções objetivo, pela otimização individual, tal como 𝑓𝑈(𝐹𝑖) = 𝑀𝑖𝑛𝐱∈Ω[𝐹𝑖𝑈(𝐱)] e 𝑓𝑈(𝐹𝑖) = 𝑀𝑎𝑥𝐱∈Ω[𝐹 𝑖𝑁(𝐱)], respectivamente. Com base nestes valores, calcular a matriz Payoff (Φ ). Para um problema biobjetivo, a Φ pode ser obtida pela (28.

Φ ̅̅̅̅ = [𝐹2 𝑈(𝐱) 𝐹 2𝑁(𝐱) 𝐹3𝑁(𝐱) 𝐹3𝑈(𝐱)] (28)

Em seguida, as funções dos fatores são normalizadas, usando os respectivos valores de Utopia e Nadir, Equação 29.

𝑓̅(𝐱) = { 𝑓̅1(𝐱) = 𝐹̅2(𝐱) =𝐹2(𝐱) − 𝐹2 𝑈 𝐹2𝑁− 𝐹2𝑈 𝑓̅2(𝐱) = 𝐹̅3(𝐱) = 𝐹3(𝐱) − 𝐹3𝑈 𝐹3𝑁− 𝐹 3𝑈 } (29)

Etapa 3 – Uma vez definidos os valores para 𝑓𝑖(𝐱) = 𝐹𝑖(𝐱), 𝑓𝑈 = 𝐹𝑖𝑈(𝐱) e𝑓𝑁 = 𝐹𝑖𝑁(𝐱), aplicar o algoritmo GRG, disponível na rotina do Solver®, sobre a Equação 30, a fim de identificar os pontos de ótimo obtidos pelo problema de otimização.

𝑀𝑖𝑛 𝑓̅1(𝐱) = ( 𝐹2(𝐱) − 𝐹2𝑈(𝐱) 𝐹2𝑁(𝐱) − 𝐹2𝑈(𝐱)) s.t.: 𝑔1(𝐱) = ( 𝐹2(𝐱)−𝐹2𝑈(𝐱) 𝐹2𝑁(𝐱)−𝐹2𝑈(𝐱)) − ( 𝐹3(𝐱)−𝐹3𝑈(𝐱) 𝐹3𝑁(𝐱)−𝐹3𝑈(𝐱)) + 2𝑤 − 1 = 0 𝑔2(𝐱) = 𝑋𝑇𝑋 ≤ 𝜌2 𝑔3(𝐱) = 𝑍1𝐿𝑇 ≤ 𝐹1(𝐱) ≤ 𝑍1𝑈 (30)

onde, XT Xρ2é o conjunto de restrições convexas da região experimental, em que f, V e I são os parâmetros do processo de usinagem a laser. Para esse arranjo de Taguchi transformado em superfície de resposta a escolha de

=

é adequada, onde α é a distância axial do arranjo experimental. Ressalta-se que a restrição g1

( )

x assegura que o ponto x será mapeado da fronteira para um ponto na normal, enquanto a restrição g2

( )

x assegura a viabilidade de x com respeito ao conjunto de restrições no problema original NBI. Já a notação matemática 𝒁𝟏𝑳𝑻≤ 𝑭𝟏(𝐱) ≤ 𝒁𝟏𝑼 representa as restrições do problema em termos de F1, definidas pelo PLS e asseguram que os valores estabelecidos para as respostas originais classificadas como restrição sejam atendidas dentro dos intervalos de previsão.

O problema representado pelo sistema de (30) pode ser resolvido iterativamente para diferentes valores de pesos (𝒘𝒊), o que cria, por conseguinte, uma fronteira de Pareto equiespaçada. Uma escolha comum para os pesos consiste em fazer 𝒘𝒋 = 𝟏 − ∑𝒏𝒊=𝟏𝒘𝒊, com espaçamento de 5%, de forma que 21 soluções serão obtidas.

Quinto Passo –Aplicar a Análise relacional Grey para a escolha do melhor ponto da fronteira de Pareto.

Uma vez construída a fronteira de Pareto deve-se encontrar o melhor ponto dentre as 21 soluções ótimas encontradas. A GRA é uma técnica de otimização multiobjectivo utilizada na otimização de processos discretos. Nesse caso, a classificação final do Grau Grey possibilitará a escolha do melhor ponto dentre os 21 pontos ótimos da fronteira de Pareto.

Desta forma, o método NBI-GRA pretende reduzir a dimensionalidade e ser eficaz na otimização de processos com características multivariadas. Todos os passos do método NBI- GRA serão apresentados a seguir.

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