چشم‌انداز مدیریت صنعتی

چشم‌انداز مدیریت صنعتی

ارائه یک چارچوب داده‌محور برای پیش‌بینی خرابی تجهیزات در زنجیره تأمین چندسطحی با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه مدیریت صنعتی ، واحد قزوین،دانشگاه آزاد اسلامی ، قزوین ، ایران
2 استادیار گروه مدیریت صنعتی، واحد قزوین،دانشگاه آزاد اسلامی ، قزوین ، ایران
10.48308/jimp.2026.243677.1703
چکیده
مقدمه و اهداف: افزایش پیچیدگی زنجیره‌های تأمین صنعتی و وابستگی متقابل میان سطوح لجستیک ورودی، عملیات تولید/فرآوری و لجستیک خروجی، مدیریت قابلیت اطمینان تجهیزات را به یکی از چالش‌های راهبردی صنایع سرمایه‌بر، به‌ویژه در حوزه فرآوری مواد معدنی، تبدیل کرده است. خرابی تجهیزات در چنین ساختاری صرفاً یک رویداد فنی محدود به یک تجهیز نیست، بلکه می‌تواند اثرات دومینویی بر کل جریان زنجیره تأمین داشته و منجر به توقف‌های ناگهانی، افزایش هزینه‌های عملیاتی، کاهش بهره‌وری و تضعیف پایداری عملیاتی گردد. در عین حال، انباشت داده‌های تاریخی نگهداری و تعمیرات در پایگاه‌های اطلاعاتی سازمانی، فرصت مناسبی برای بهره‌گیری از رویکردهای داده‌محور و الگوریتم‌های یادگیری ماشین جهت پیش‌بینی رفتار خرابی فراهم ساخته است. هدف اصلی این پژوهش، ارائه یک چارچوب داده‌محور برای پیش‌بینی احتمال خرابی تجهیزات در یک زنجیره تأمین سه‌سطحی فرآوری مواد معدنی و مقایسه عملکرد الگوریتم‌های یادگیری ماشین به‌منظور شناسایی مدل برتر از حیث دقت و پایداری است.



روش‌ها: این پژوهش از نظر هدف کاربردی و از نظر ماهیت کمی و داده‌محور است. داده‌های مورد استفاده شامل ۴۰۰ رکورد هفتگی- تجهیز پاک سازی شده طی یک بازه ۸ ساله از پایگاه داده سازمانی نگهداری و تعمیرات شرکت ذغال‌سنگ البرز مرکزی در یک زنجیره تأمین سه‌سطحی (لجستیک ورودی، عملیات فرآوری، لجستیک خروجی) بوده است. بر اساس این پژوهش ۱۰ متغیر ورودی مرتبط با شاخص‌های نگهداری، عملکرد و شرایط عملیاتی تجهیزات و یک متغیر خروجی شامل «احتمال خرابی تجهیزات در دوره بعد» تعریف گردید. پیش از مدل‌سازی، مراحل پیش‌پردازش شامل آزمون نرمال بودن (شاپیرو–ویلک)، شناسایی و اصلاح داده‌های پرت، تحلیل همبستگی و آزمون کروسکال–والیس برای بررسی تفاوت بین سطوح زنجیره انجام شد. در مرحله مدل‌سازی، دو الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و جنگل تصادفی (RF) پیاده‌سازی و عملکرد آن‌ها با شاخص‌های استاندار ارزیابی گردید. فرآیند آموزش مدل‌ها با استفاده از اعتبارسنجی متقاطع پنج‌بخشی (5-Fold Cross Validation) و تنظیم ابرپارامترها انجام شد و پس از انتخاب ساختار بهینه، عملکرد نهایی مدل‌ها بر روی مجموعه آزمون مستقل ارزیابی گردید.



یافته‌ها: نتایج تحلیل داده‌ها حاکی از توزیع غیرنرمال و وجود داده‌های پرت معنادار در شاخص‌های عملیاتی است که منعکس‌کننده رخدادهای بحرانی هستند. آزمون‌های آماری، تفاوت معنادار شاخص‌ها را در سطوح سه‌گانه زنجیره تأمین تأیید کرد که ماهیت چندسطحی پدیده خرابی را اثبات می‌کند. در مرحله مدل‌سازی، الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی با ارائه عملکرد برتر در شاخص‌های خطا و دقت، پایداری و همگرایی بهتری را در پیش‌بینی نشان داد. ماتریس آشفتگی نیز تعادل بهینه مدل شبکه عصبی مصنوعی را در تشخیص خرابی تأیید نمود. همچنین، تحلیل تبیین‌پذیری مدل مبتنی بر میانگین قدر مطلق مقادیر SHAP نشان داد که متغیرهای «مجموع ساعات توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده»، «تعداد دستورکارهای تعمیرات اصلاحی ثبت‌شده» و «ساعات کارکرد از آخرین PM» بیشترین سهم را در پیش‌بینی خرابی تجهیزات داشته‌اند. این یافته‌ها ضمن تأیید کارایی مدل‌های غیرخطی در استخراج الگوهای پیچیده و بین‌سطحی، چارچوبی داده‌محور برای پیش‌بینی خرابی در بسترهای صنعتی چندسطحی فراهم می‌آورد.



نتیجه‌گیری: نتایج پژوهش نشان می‌دهد خرابی تجهیزات در صنعت فرآوری مواد معدنی یک پدیده چندبعدی و وابسته به سطح زنجیره تأمین است و تحلیل آن مستلزم رویکردی یکپارچه و داده‌محور می‌باشد. چارچوب پیشنهادی با بهره‌گیری از یادگیری ماشین، امکان پیش‌بینی قابل اتکای احتمال خرابی در دوره بعد را فراهم ساخته و می‌تواند مبنای استقرار سامانه‌های نگهداری و تعمیرات پیش‌نگر در صنایع معدنی قرار گیرد. به‌کارگیری چنین مدلی می‌تواند به کاهش ریسک توقف‌های ناگهانی، بهبود تخصیص منابع نگهداری و ارتقای قابلیت اطمینان کل زنجیره تأمین منجر شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Data-Driven Framework for Predicting Equipment Failure in a Multi-Level Supply Chain Using Machine Learning Algorithms

نویسندگان English

Mahnaz Jalili 1
Sadegh Abedi 2
Masoumeh Daneshshakib 2
1 PhD Student, Industrial Management Department, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
2 Assistant Professor, Industrial Management Department, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives:



The increasing complexity of industrial supply chains and the interdependencies among inbound logistics, production/processing operations, and outbound logistics have made equipment reliability management a strategic challenge for capital-intensive industries, particularly the mineral processing sector. Within such a structure, equipment failure is not merely a technical event confined to a single asset; rather, it can generate cascading effects throughout the entire supply chain, resulting in unexpected shutdowns, increased operating costs, reduced productivity, and weakened operational sustainability. At the same time, the accumulation of historical maintenance data in organizational databases has created a valuable opportunity to employ data-driven approaches and machine learning algorithms to predict equipment failure behavior. The main objective of this study is to propose a data-driven framework for predicting the probability of equipment failure in a three-echelon mineral processing supply chain and to compare the performance of machine learning algorithms in order to identify the best-performing model in terms of accuracy and stability.



Methods:



This study is applied in terms of its objective and quantitative and data-driven in nature. The dataset comprised 400 cleaned weekly equipment-level records collected over an eight-year period from the organizational maintenance database of the Central Alborz Coal Company. The study was conducted within a three-echelon supply chain consisting of inbound logistics, processing operations, and outbound logistics. Based on the research framework, ten input variables associated with equipment maintenance indicators, performance characteristics, and operating conditions were defined, along with one output variable representing the “probability of equipment failure in the subsequent period.”



Before model development, several data-preprocessing procedures were performed, including the Shapiro–Wilk normality test, the identification and treatment of outliers, correlation analysis, and the Kruskal–Wallis test to examine differences among the supply chain echelons. During the modeling stage, two algorithms—Artificial Neural Network (ANN) and Random Forest (RF)—were implemented, and their performance was assessed using standard evaluation metrics. The models were trained using five-fold cross-validation and hyperparameter tuning. After selecting the optimal model configurations, the final performance of the models was evaluated on an independent test set.



Findings:



The results of the data analysis indicated non-normal distributions and the presence of significant outliers in the operational indicators, reflecting the occurrence of critical operational events. Statistical tests also confirmed significant differences in the indicators across the three supply chain echelons, demonstrating the multi-echelon nature of equipment failure.



During the modeling stage, the Artificial Neural Network algorithm outperformed the Random Forest model in terms of error and accuracy metrics and demonstrated greater stability and better convergence in failure prediction. The confusion matrix also confirmed the ANN model’s optimal balance in detecting equipment failures. Furthermore, the model explainability analysis, based on the mean absolute SHAP values, revealed that “total unplanned downtime hours,” “number of registered corrective maintenance work orders,” and “operating hours since the last preventive maintenance (PM) activity” made the greatest contributions to equipment failure prediction.



In addition to confirming the effectiveness of nonlinear models in identifying complex and cross-echelon patterns, these findings provide a data-driven framework for predicting equipment failures in multi-echelon industrial settings.



Conclusion:



The findings of this study demonstrate that equipment failure in the mineral processing industry is a multidimensional phenomenon that depends on the specific echelon of the supply chain. Its analysis therefore requires an integrated, data-driven approach. By employing machine learning techniques, the proposed framework enables reliable prediction of the probability of equipment failure in the subsequent period and can serve as a foundation for implementing predictive maintenance systems in the mining and mineral processing industries. The application of such a model can reduce the risk of unexpected shutdowns, improve the allocation of maintenance resources, and enhance the reliability of the entire supply chain.

کلیدواژه‌ها English

Equipment Failure Prediction
Predictive Maintenance
Machine Learning
Multi-Level Supply Chain
Mineral Processing

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 07 مهر 1405