dizertační práce

Využití strojového učení pro modelování a optimalizaci elektrických strojů

Text práce 23.93 MB Teze 23.93 MB

Autor práce: Ing. Vladimír Bílek, Ph.D.

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D.

Oponent: Oponent bude zobrazen po zveřejnění jeho hodnocení.

Abstrakt:

Tato disertační práce představuje metodologii strojového učení pro rychlé a přesné modelování a mutli-objektivní optimalizaci elektrických strojů. Dosavadní způsoby výpočtu se opírají buď o analytické rovnice s omezenou přesností, nebo o výpočty metodou konečných prvků, které jsou časově i výpočetně náročné, zejména pokud jsou spojeny s evolučními optimalizačními algoritmy vyžadujícími vyhodnocení až tisíců vzorků. K řešení tohoto problému je použita metoda náhradního modelování, kde jako její základ byla zvolena regrese gaussovských procesů. Regrese gaussovských procesů je spárován s Bayesovskou optimalizací, pro minimalizaci počtu časově náročných simulací při zachování přesnosti predikce. Metodologie zavádí několik vylepšení a inovací. Zaprvé automaticky vybírá jádra GPR pro smíšené (kontinuální a kategorické) vstupy typické pro návrhy strojů. Zadruhé křížová validace filtruje odlehlé body a omezuje overfitting modelu, zatímco adaptivní analýza učební křivky určuje potřebné množství trénovacích dat pro spolehlivé predikce. Zatřetí MaxMin algoritmus prosazuje při generování prvotních dat, takové návrhy, které jsou vyrobitelné. Nakonec jsou tři metodologie založené na Bayesovské optimalizaci vybaveny vlastními kritérii ukončení a kontrolami vyrobitelnosti návrhu stroje, které řídí efektivní konvergenci optimalizačního algoritmu. Strategie modelování je ověřena na dvou praktických případech: predikci dodatečných naprázdno ztrát v distribučních transformátorech a přídavných harmonických ztrát v asynchronních strojích způsobené pulzně šírkovou modulací. V obou případech náhradní modely předčí používané analytické metody a výrazně zkracují výpočetní čas. Dále byla porovnána přesnost regresních modelů gaussovského procesu s různými jádry a jinými technikami strojového učení a bylo prokázáno, že stále vykazují lepší přesnost. Optimalizační metodologie jsou demonstrována na třífázovém asynchronním motoru s klecovou klecí a na třífázovém synchronním stroji s uložením permanentních magnetů v rotoru. Pro asynchronní motor dosahují všechny tři varianty Bayesovské optimalizace požadovaného zmenšení rozměrů a úspor nákladů s mnohem menším počtem simulací v porovnání s genetickými algoritmy. U synchronního motoru se Bayesovská optimalizace výkonnostně přibližuje diferencialně-evolučnímu algoritmu, a přitom vyžaduje podstatně méně vyhodnocení. Celkově navržené metody strojového učení snižují celkový počet vyhodnocení návrhů a zkracují dobu optimalizace, aniž by výrazně utrpěla kvalita výsledného návrhu. Představená metodologie je snadno rozšiřitelná na další elektrické stroje či vícefyzikální konstrukční úlohy a může přispět k rozvoji poznání a nových směrů v oblasti návrhu elektrických strojů.

Klíčová slova:

Bayesovská optimalizace; černá skříňka; elektrické stroje; genetické algoritmy; indukční stroj; metoda konečných prvků; náhradní modelování; optimalizace; regrese gaussovských procesů; řízené strojové učení; strojové učení; synchronní stroj

Termín obhajoby

18.12.2025

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaPznamka

Průběh obhajoby

Obhajoba proběhla prezenční formou. V rámci obhajoby doktorand seznámil komisi s výsledky své disertační práce, včetně vlastních přínosů. Po skončení prezentace doktoranda jeho školitel seznámil přítomné se svým hodnocením celého průběhu studia. Následovala prezentace oponentních posudků a diskuse k dotazům a připomínkám oponentů. Poté ve veřejné diskusi vystoupili s dotazy/připomínkami k disertační práci prof. Toman, prof. Aubrecht, Ing. Hemzal, doc. Bernat, doc. Hruška., dr. Knebl. Písemný záznam dotazů je přílohou protokolu. Všechny dotazy oponentů i v rámci veřejné diskuse byly doktorandem správně vypořádány. Doktorand prokázal tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu a práce splňuje požadavky standardně kladené na dizertační práce v daném oboru. V neveřejné diskusi a po tajném hlasování komise konstatovala, že doktorand splnil podmínky par. 47 odst. 4 Zákona o vysokých školách č. 111/98 a lze jí tedy udělit titul doktor - Ph.D.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika (DPC-SEE)

Složení komise

prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. (předseda)
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Petr Toman, Ph.D. (člen)
Ing. Ladislav Knebl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Pánek, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Chmelíček, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D.

Disertační práce Ing. Vladimíra Bílka se zabývá velmi aktuální problematikou využití metod strojového učení pro modelování a multi-objektivní optimalizaci elektrických strojů. Hlavním cílem je překlenout propast mezi rychlými, ale nepřesnými analytickými výpočty a velmi přesnými, avšak výpočetně náročnými simulacemi metodou konečných prvků, které ve spojení s evolučními optimalizačními algoritmy vyžadují vyhodnocení velkého počtu návrhů. Disertant proto navrhuje metodologii náhradního modelování založenou na regresi Gaussovskými procesy, spárovanou s Bayesovskou optimalizací, která výrazně snižuje počet časově náročných simulací při zachování požadované přesnosti predikce.

Práce přináší několik originálních vylepšení klasického přístupu. Vyvinutá metodologie náhradního modelování je ověřena na dvou praktických příkladech: modelování dodatečných ztrát naprázdno v distribučních transformátorech a modelování dodatečných harmonických ztrát v asynchronních strojích napájených z měniče PWM. V obou případech náhradní modely založené na GPR prokazatelně překonávají používané analytické metody z hlediska přesnosti a současně významně zkracují výpočetní čas. Dále je provedeno systematické srovnání různých jader GPR a alternativních metod strojového učení (SVR, RFR, ANN apod.), které potvrzuje, že zvolený GPR model vykazuje ve sledovaných úlohách nejlepší přesnost.

Optimalizační část práce je demonstrována na dvou typech elektrických strojů: třífázovém asynchronním motoru s klecovou klecí a třífázovém synchronním stroji s tzv. SPOKE uložením permanentních magnetů v rotoru. U asynchronního motoru všechny tři varianty Bayesovské optimalizace dosahují požadovaného zmenšení rozměrů a úspor nákladů s podstatně nižším počtem vyhodnocených návrhů ve srovnání s genetickými algoritmy. U synchronního stroje dosahuje Bayesovská optimalizace srovnatelných výsledků s diferencialně-evolučním algoritmem, avšak s výrazně menším počtem simulací. Práce otevřeně diskutuje i limity navržených postupů (např. problémy s přeučením GPR modelů v některých složitějších úlohách) a navrhuje směry dalšího výzkumu.

Hlavní výsledky disertační práce byly publikovány v impaktovaném časopise International Journal of Electrical Power & Energy Systems formou rozsáhlého přehledového článku o vysokootáčkových asynchronních strojích s plným rotorem a jejich multifyzikálním modelování, a dále v prestižním časopise IEEE Transactions on Industry Applications v článku zaměřeném na predikci ztrát v transformátorech pomocí metod strojového učení. Další impaktovaná publikace je v době psaní tohoto posudku ve fázi recenzního řízení a zabývá se modelováním dodatečných harmonických ztrát v asynchronních strojích napájených z měniče PWM. Tato publikační činnost jasně dokládá, že disertant dokáže výsledky své práce prezentovat a obhájit v mezinárodním odborném prostředí.

Student se významně podílel i na činnosti pracoviště v oblasti výuky. Aktivně pomáhal s výukou kurzu Elektrické stroje, vedl cvičení a laboratorní úlohy a spolupodílel se na tvorbě a aktualizaci výukových podkladů pro tento kurz. Současně byl zapojen do několika projektů aplikovaného výzkumu zaměřených na výzkum a vývoj pokročilých elektrických strojů a účastnil se i přímého výzkumu ústavu. I přes své výrazné zapojení do výuky, projektů a mezinárodních spoluprací dokázal disertační práci dokončit v řádné čtyřleté době, což svědčí o jeho vysokém pracovním nasazení, samostatnosti a velmi dobré organizaci práce.

Na základě výše uvedených skutečností se domnívám, že Ing. Vladimír Bílek prokázal schopnost samostatné vědecké a tvůrčí práce i potenciál pro další působení ve výzkumu a vývoji. Disertační práci Ing. Vladimíra Bílka doporučuji k obhajobě před komisí v oboru Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika na FEKT VUT v Brně.

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová