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Título: Previsão do consumo de eletricidade em instituições educacionais: uma abordagem de Cooperative Ensemble Learning aplicada a modelos de regressão e classificação
Título(s) alternativo(s): Electricity consumption forecasting in educational institutions: a Cooperative Ensemble Learning approach applied to regression and classification models
Autor(es): Alba, Eduardo Luiz
Orientador(es): Rodrigues, Erick Oliveira
Palavras-chave: Aprendizado do computador
Energia elétrica - Consumo
Universidades e faculdades públicas
Machine learning
Electric power consumption
Public universities and colleges
Data do documento: 2-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: ALBA, Eduardo Luiz. Previsão do consumo de eletricidade em instituições educacionais: uma abordagem de Cooperative Ensemble Learning aplicada a modelos de regressão e classificação. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção e Sistemas - Multicampi Pb e Ct) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.
Resumo: As instituições de ensino federais brasileiras enfrentam inúmeros desafios para gerenciar os seus custos, como os de energia elétrica, especialmente em um cenário de restrições orçamentárias. A previsão deste consumo pode ser uma ferramenta eficaz para a gestão de recursos, no entanto, é um processo complexo, devido a influência de vários fatores nessa despesa. Esta dissertação teve como objetivo principal propor e avaliar a abordagem de Cooperative Ensemble Learning denominada Weaker Separator Booster com Otimizador dos Coiotes (COA-WSB), comparando seu desempenho contra modelos de aprendizado: Redes de Estado de Eco (ESN), Perceptron Multicamadas (MLP), Florestas Aleatória (RF), Aumento de Gradiente Extremo (XGBoost) na previsão do consumo de eletricidade em uma instituição de ensino multicampi (Instituto Federal do Paraná - IFPR). A metodologia utilizou dados históricos mensais de 24 campi, combinados com variáveis exógenas climáticas, do calendário acadêmico e da oferta de cursos. A análise das variáveis com as Explicações Aditivas de Shapley (SHAP) identificou o consumo do mês anterior (LAG_01) como a variável de maior impacto, seguida pelo indicador do período de COVID e por outros valores atrasados. Os hiperparâmetros dos modelos foram otimizados via meta-heurísticas Simulated Annealing (SA) e Otimização por Enxame de Partículas (PSO). O estudo comparou duas estratégias de treinamento (Local, por campus, e Global, com dados agregados) em duas abordagens de modelagem (Regressão e Classificação) para horizontes de 3, 6 e 12 meses. Os resultados obtidos demonstraram que o Treinamento Global foi superior ao Treinamento Local. Na regressão, o RRMSE médio do melhor modelo global em 𝐻 = 12 (COA-WSB) foi de 0,259 (“razoável”), superando o melhor RRMSE local (0,301). Na classificação, a abordagem global também foi superior, alcançando uma acurácia de 73,6% (RF, 𝐻 = 3, 3 classes), mas o desempenho demonstrou sensível ao número de classes, caindo para 27,8% com 10 classes. A utilização de dados de campus variados foi capaz de aumentar o desempenho preditivo dos modelos e que o modelo proposto COA-WSB apresentou os melhores resultados para previsões de médio e longo prazo, constituindo uma ferramenta útil para os gestores da instituição. Sobre a conversão do problema em uma abordagem de classificação, os resultados apontam que esta é uma alternativa viável, desde que se utilize um número reduzido de classes (3 a 5), caso contrário a acurácia piora significativamente. Em resumo, a utilização da abordagem de classificação com um número reduzido de intervalos (classes), embora aumente a acurácia, pode não fornecer um nível de detalhamento suficiente sobre o consumo para apoiar os processos decisórios da gestão.
Abstract: Brazilian federal educational institutions face numerous challenges in managing their costs, such as electricity, especially in a scenario of budget constraints. Forecasting this consumption can be an effective tool for resource management; however, it is a complex process due to the influence of various factors on this expense. This dissertation’s main objective was to propose and evaluate the Cooperative Ensemble Learning approach named Weaker Separator Booster with Coyote Optimizer (COA-WSB), comparing its performance against learning models: Echo State Networks (ESN), Multilayer Perceptron (MLP), Random Forest (RF), and Extreme Gradient Boosting (XGBoost) in forecasting electricity consumption in a multi-campus educational institution (Instituto Federal do Paraná - IFPR). The methodology used monthly historical data from 24 campuses, combined with exogenous variables related to climate, the academic calendar, and course offerings. Feature analysis with SHapley Additive exPlanations (SHAP) identified the previous month’s consumption (LAG_01) as the variable with the greatest impact, followed by the COVID period indicator and other seasonal lags. The models’ hyperparameters were optimized using Simulated Annealing (SA) and Particle Swarm Optimization (PSO) metaheuristics. The study compared two training strategies (Local, per-campus, and Global, with aggregated data) across two modeling approaches (Regression and Classification) for 3, 6, and 12-month horizons.The results showed that Global Training was superior to Local Training. In regression, the average RRMSE of the best global model at 𝐻 = 12 (COA-WSB) was 0.259 (“reasonable”), surpassing the best local RRMSE (0.301). In classification, the global approach was also superior, achieving an accuracy of 73.6% (RF, 𝐻 = 3, 3 classes), but performance proved sensitive to the number of classes, dropping to 27.8% with 10 classes. The use of data from varied campuses (Global Training) was fundamental to increasing the models’ predictive performance. Notably, the proposed COA-WSB approach stood out, presenting the most accurate and consistent results in medium and long-term regression forecasts, which are essential horizons for budget planning, thus constituting a robust and useful tool for the institution’s managers. Regarding the conversion of the problem into a classification approach, the results indicate it is a viable alternative, provided that a small number of classes (3 to 5) is used; otherwise, the accuracy significantly worsens. In summary, using the classification approach with a reduced number of intervals (classes), although it may increase accuracy, might not provide a sufficient level of detail about consumption to support management decision-making processes.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39138
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