I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   7 6 5 ~ 7 76   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 7 6 5 - 7 76           765       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Applica tion o f  ma chine learni ng  f o r  productio n op ti miza tion  a nd predic tive m a intenance in  an i ro n proces sing  pl a nt       L a k hd a ri  L a hcen,   M o ha m ed   H a bb a b,  Alha chem i Mo ul a y   Abdella h   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   La b o r a t o r y   o f   C o n t r o l   A n a l y si s a n d   O p t i mi z a t i o n   o f   El e c t r o - E n e r g e t i c   S y st e ms ( C A O S EE),  F a c u l t y   o f   T e c h n o l o g y ,   Ta h r i   M o h a m med   U n i v e r si t y ,   B e c h a r ,   A l g e r i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   1 1 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J an   5 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J an   2 3 ,   2 0 2 6       T h e   m o d e r n   m e t a l l u r g i c a l   i n d u s tr y   r e q u i r e s  a d v a n c e d   s o l u t i o n s   f o r   p r o c e s s  o p t i m i z a t i o n ,   c o s t   r e d u c t i o n ,   a n d   p r e d i c t i v e   m a i n t e n a n c e .   T h i s   p a p e r   p r o p o s e s   a   u n i f i e d   s i m u l a t i o n - b a s e d   f r a m e w o r k   u s i n g   m a c h i n e   l e a r n i n g   ( M L )   t o   j o i n t l y   a d d r e s s   p r o d u c t i o n   o p t i m i z a t i o n   a n d   m a i n t e n a n c e   p re d i c t i o n   i n   a   v i r t u a l   i r o n   p r o c e s s i n g   e n v i r o n m e n t .   S e v e r a l   M L   m o d e l s ,   i n c l u d i n g   r a n d o m   f o r e s t   (R F ) ,   e x t r e m e   g r a d ie n t   b o o s t i n g   ( XG B o o s t ) ,   l i g h t   g r a d i e n t   b o o s t i n g   m a c h i n e   ( L i g h t G B M ) ,   s u p p o r t   v e c t o r   m a c h i n e   ( S V M ) ,   a n d   k - n e a r e s t   n e i g h b o r s   ( k - N N ) ,   w e r e   e v a l u a t e d   o n   s y n t h e t i c   d a t a s e t s   re p r e se n t i n g   p r o d u c t i o n ,   m a i n t e n a n c e ,   a n d   t r a n s p o r t   p r o c e s s e s .   A   r e p r o d u c i b l e   m e t h o d o l o g y   w a s   a d o p t e d ,   i n c l u d i n g   p r e p r o c e s s i n g ,   t im e - a w a r e   d a ta   s p l i t t i n g ,   a n d   c r o s s - v a l i d a t i o n   to   p r e v e n t   i n f o r m a t i o n   l e a k a g e .   M o d e l   p e r f o r m a n c e   wa s   a s se s se d   u s i n g   F 1 - s c o r e ,   a re a   u n d e r   t h e   r e c e i v e r   o p e r a t i n g   c h a r a c t e r i s t ic   c u r v e   ( A U C ) ,   a n d   r e g r e s s i o n   m e t r ic s .   T re e - b a s e d   m o d e l s   a c h i e v e d   n e a r - p e r fe c t   c l a s s i f ic a t i o n   p e r f o r m a n c e   ( A U C   ≈   1 ,   p r e c i s i o n   a n d   r e c a l l   >   0 . 9 9 ) ,   w h i l e   l i g h t   g r a d i e n t   b o o s t i n g   m a c h i n e   ( L i g h t G B M )   a n d   C a t B o o s t   p r o v i d e d   t h e   b e s t   r e g r e s s i o n   a c c u r a c y .   F e a t u r e   i m p o r t a n c e   a n a l y s i s   u s i n g   S H a p l e y   A d d i t i v e   e x P l a n a t i o n s   ( S H A P )   i d e n t i f i e d   v i b r a t i o n   a n d   t e m p e r a t u r e   a s   k e y   m a i n t e n a n c e   i n d i c a t o r s .   A l t h o u g h   b a s e d   o n   s i m u l a t i o n ,   t h e   f r a m e w o r k   i s   d e s ig n e d   f o r   i n t e g r a t i o n   w i t h   s u p e r v i s o r y   c o n t r o l   a n d   d a t a   a c q u i s i t i o n   ( S C A DA )   a n d   t h e   I n d u s t r i a l   I n t e r n e t   o f   T h i n g s   ( I I o T ) ,   s u p p o r t i n g   r e a l - t i m e   i n d u s t r i a l   d e p l o y m e n t   a n d   a l i g n m e n t   w i t h   o p e r a t i o n a l   k e y   p e r f o r m a n c e   i n d i c a t o r s .   K ey w o r d s :   I r o n   p r o ce s s in g   p la n t   L ig h tGB M   Ma ch in e  lear n in g   Pre d ictiv e  m ain ten an ce   Pro d u ctio n   o p tim izatio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L ak h d ar i L a h ce n   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g   L ab o r ato r y   o f   C o n tr o l A n al y s is   an d   Op tim izatio n   o f   E lectr o - E n er g etic  Sy s tem s   ( C AOSE E )   Facu lty   o f   T ec h n o lo g y ,   T a h r i  Mo h am m ed   U n iv er s ity   B ec h ar ,   Alg er ia   E m ail:  lak h d ar i.la h ce n @ u n iv - b ec h ar . d z       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  m etallu r g ical  in d u s tr y   i s   a  co r n er s to n e  o f   ec o n o m i c  d ev elo p m en t,  s u p p ly in g   cr itical  r a w   m ater ials   s u ch   as  ir o n   an d   s teel  f o r   s ec to r s   in clu d in g   co n s tr u ctio n ,   au to m o tiv e  m a n u f ac tu r in g ,   in f r astru ctu r e ,   an d   en er g y .   Am o n g   th e  r aw  m ater ials ,   ir o n   o r e  h o l d s   a  p i v o tal  r o le  as  it  is   th e  p r im ar y   f ee d s to ck   f o r   s teel   p r o d u ctio n .   T h e  d em an d   f o r   h ig h - q u ality   ir o n   o r e  is   s te ad ily   in cr ea s in g ,   d r i v en   b y   g lo b al  u r b an izatio n ,   in d u s tr ializatio n ,   an d   th e  tr an s itio n   to   m o d er n ,   e n er g y - ef f icie n t in f r astru ctu r e   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   I n   Al g e r ia ,   t h e   G h ar   D je b il et   i r o n   o r e   d e p o s it ,   l o ca te d   i n   t h e   T i n d o u f   P r o v i n ce   in   th e   s o u t h west   o f   t h e   co u n t r y ,   r e p r es en ts   o n e  o f   t h e   la r g est  u n ta p p e d   ir o n   r es er v e s   in   t h e  w o r l d ,   wit h   esti m a te d   d e p o s its   e x c ee d i n g   3 . 5   b il li o n   t o n n es .   T h is   s t r a te g ic   r eso u r c e   h as   t h e   p o te n ti al   t o   t r a n s f o r m   Al g e r i a  i n t o   a   k e y   p la y er   i n   t h e  g l o b a l  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   765 - 776   766   s teel   in d u s t r y .   T h e   p la n n e d   d e v el o p m e n t   o f   e x tr ac ti o n ,   p r o ce s s in g ,   an d   tr an s p o r t   i n f r astr u ct u r e   ass o c iat e d   wit h   Gh a r   Dj eb ile t w ill   n o t   o n l y   m e et  d o m esti c  s tee l  d e m a n d   b u t   a ls o   e n a b l e  s i g n i f i ca n t   e x p o r t   o p p o r t u n iti es  [ 1 ] .   Ho w ev er ,   t h e   ex p l o i tat io n   o f   s u c h   a   l ar g e - s ca l e   m i n i n g   a n d   p r o ce s s in g   p r o j ec t  p r es en t s   c o m p le x   tec h n ic al   a n d   o p e r ati o n a l   c h a lle n g es.   T h es e   i n cl u d e   o p ti m i zin g   p r o d u c ti o n   p a r am ete r s ,   en s u r i n g   c o n s is te n t   p r o d u ct   q u ali ty ,   a n d   i m p le m en t in g   p r ed ict iv e  m a in te n a n c e  s t r a te g ies   t o   m i n i m i ze   e q u ip m e n t   d o w n t im e.   T r ad iti o n al   in d u s t r ia l   c o n t r o l   s y s te m s   o f te n   r el y   o n   s tat ic   p r o ce s s   r u les   a n d   p e r i o d ic   m a n u al   i n s p e cti o n s ,   w h i c h   m a y   b e  i n s u f f i ci en t i n   a   h i g h - t h r o u g h p u t ,   g e o g r a p h ic all y   r em o te   i n d u s tr ial   e n v i r o n m e n t   [ 3 ] .   T h e  ad v e n t  o f   I n d u s tr y   4 . 0   te ch n o lo g ies ,   in teg r atin g   s en s o r s ,   r ea l - tim e  d ata  ac q u is itio n ,   ad v an ce d   an aly tics ,   an d   ar tific ial  in telli g en ce   ( AI ) ,   o f f e r s   u n p r ec ed e n ted   o p p o r tu n ities   to   m o d er n iz e  th e  ir o n   an d   s teel   v alu e  ch ain .   W ith in   th is   tec h n o lo g ical  ec o s y s tem ,   m ac h i n e  lear n in g   ( ML )   h as  em er g ed   as  a  p o wer f u l  ap p r o ac h   f o r   e x tr ac tin g   ac tio n ab le  in s ig h ts   f r o m   lar g e  a n d   c o m p lex   d atasets .   ML   m o d els  ca n   id en tify   s u b tle  p atter n s ,   ad ap t   to   ev o lv in g   o p er atio n al  co n d itio n s ,   an d   s u p p o r t   d ata - d r iv en   d ec is io n - m ak in g   in   b o th   p r o d u ctio n   an d   m ain ten a n ce   d o m ain s   [ 2 ] ‒ [ 4 ] .   I n   th is   co n tex t,  th e  o b jectiv e   o f   th is   r esear ch   is   to   in v esti g ate  th e  ap p licatio n   o f   s u p e r v is ed   ML   alg o r ith m s   to   o p tim ize  p r o d u c tio n   q u ality   a n d   p r ed ict  eq u i p m en t  f ailu r es  in   an   ir o n   p r o ce s s in g   p lan t  in s p ir ed   b y   th e  o p er atio n al  n ee d s   o f   t h e  Gh ar   Djeb ilet  p r o ject.   Giv en   th e  ab s en ce   o f   r ea l  o p e r atio n al  d ata  f r o m   th e   f u tu r e  f ac ilit y ,   s y n t h etic  d ata s ets  h av e  b ee n   g en er ate d   to   s im u late  r ea lis tic  in d u s tr ial  s ce n ar io s ,   in clu d in g   p r o d u ctio n ,   m ai n ten an ce ,   an d   tr an s p o r t o p er atio n s   [ 4 ] ‒ [ 6 ] .   T h e  co n tr ib u ti o n s   o f   th is   s tu d y   ar e:   i)   Dev elo p m en t  o f   s im u latio n - b ased   d atasets   r ep r esen tin g   k ey   o p er atio n al  p r o ce s s es  o f   a n   ir o n   p r o ce s s in g   p lan t ;  ii)   C o m p ar ativ e  ev al u atio n   o f   f i v e   wid ely   u s ed   ML   alg o r ith m s ,   r a n d o m   f o r est  ( R F) ,  ex tr em e  g r a d ien t  b o o s tin g   ( XGBo o s t) ,   lig h t  g r a d ien t   b o o s tin g   m ac h in e   ( L ig h tGB M) ,   ca teg o r ical  b o o s tin g   ( C atB o o s t) ,  n eu r al  n etwo r k   ( NN) ,   an d   R F+NN  f o r   class if icatio n   ( p r ed ictiv e   m ain ten a n ce )   a n d   r eg r ess io n   ( p r o d u ctio n   q u alit y ) ;  iii)  I n teg r atio n   o f   i n ter p r e tab ilit y   tech n iq u es  ( f ea tu r e  im p o r tan ce ,  SHap ley   Ad d itiv e  ex Plan atio n s   ( SHAP ) )   to   en h an ce   m o d el  tr an s p a r en cy   an d   s u p p o r t  in d u s tr ial  ad o p tio n ;  an d   iv )   F o r m u latio n   o f   a  m eth o d o lo g ic al  f r am ewo r k   ad ap tab le  to   r ea l  in d u s tr ial  d ataset s   f o r   f u tu r e  d ep lo y m en t in   th e   Gh ar   Djeb ilet ir o n   p r o ce s s in g   c h ain .   I n   p ar allel  with   th e  n atio n al   d ev elo p m e n t  o f   t h e  Gh a r   Dj eb ilet  m in in g   p r o ject,   a  d e d i ca ted   ir o n - p r o ce s s in g   p lan t  h as  b ee n   esta b lis h ed   in   th e   B ec h ar   r eg io n   o f   s o u th wester n   Alg er ia.   T h is   i n d u s tr ial  f ac ilit y   is   ex p ec ted   t o   b ec o m e   a  k e y   c o m p o n e n t  in   tr an s f o r m in g   r aw   ex tr ac ted   o r e   in to   s em i - f in is h ed   o r   f in is h ed   ir o n   p r o d u cts,  wh ile  also   s er v in g   as  a  tech n o lo g ical  p ilo t  p la tf o r m   f o r   test in g   an d   d e p lo y in g   m o d er n   d ig ital   s o lu tio n s   in   m etallu r g y .   I n   th i s   s tu d y ,   th e  B ec h ar   p lan t  is   ad o p ted   as  th e  r ef er en ce   in d u s tr ial  en v ir o n m e n t.  All   s im u latio n s   an d   p r ed ictiv e  m o d els  h av e  b ee n   d esig n ed   i n   alig n m en t  with   th e  an ticip ate d   co n f ig u r atio n   a n d   wo r k f lo ws  o f   th is   f ac ilit y .   I ts   p r o x im ity   to   T ah r i   Mo h am m ed   Un i v er s ity   o f   B ec h ar   an d   th e   ac tiv e   in v o lv em e n t  o f   lo ca l  ac ad e m ic  r esear ch   in   th e  f ield s   o f   au t o m atio n   a n d   in d u s tr ial  in f o r m atics  o f f er   a  u n iq u e   o p p o r tu n ity   to   b r id g e  th e  g a p   b etwe en   ad v an ce d   ML   r esear ch   an d   r ea l - w o r ld   d e p lo y m en t  in   a  s tr ateg ic  n atio n al  in d u s tr ial  p r o ject  [ 7 ] ‒ [ 9 ] .   W e  ad d r ess   q u ality   s tab ilizat io n ,   th r o u g h p u t,  an d   d o wn ti m e  r ed u ctio n   i n   ir o n   p r o ce s s in g ,   wh e r e  co n v en tio n al  r u le - b ased   c o n tr o l  an d   p er i o d ic  in s p ec tio n s   f a lter   u n d e r   m u ltiv ar iate  n o n - li n ea r ities ,   d r if t,  a n d   n o is e.   Un lik e  p r i o r   wo r k   th at   is o lates  a  s in g le  s u b p r o b lem   an d   o m its   r ig o r o u s   v alid atio n   an d   d e p lo y a b ilit y ,  we  p r o p o s e  a  u n if ied   ML   f r a m ewo r k   o v e r   p r o d u ctio n ,   m a in ten an ce ,   an d   tr a n s p o r t  u s in g   s im u latio n - b ased   d atasets .   W e  b en ch m ar k   R F,  XGBo o s t,  L ig h tGB M,   C at B o o s t,  ML P,  SVM,   k - NN,   a n d   R F+NN,   with   tim e - awa r e  s p lits ,   cr o s s - v alid atio n ,   laten cy - awa r e  s elec tio n ,   an d   SHAP - b ased   in ter p r etatio n .   R esu lts   ( ar ea   u n d er   th e  r ec eiv er   o p e r atin g   c h ar ac ter is tic  ( R OC )   cu r v e  ( AUC )  ≈   1 ,   p r ec is io n /r ec all  >  0 . 9 9   f o r   class if icatio n ;  co ef f icien t  o f   d eter m in atio n   ( R 2 )   >   0 . 5 9   f o r   r eg r ess io n   with   b o o s ter s )   ar e  lin k ed   to   k ey   p er f o r m a n ce   in d icato r s   ( KPI )   im p ac ts   ( d o wn tim e,   m ain ten an ce ,   th r o u g h p u t  in   Alg er ian   Din ar   ( DZ D ) )   an d   a  r ea l - tim e  s u p er v is o r y   co n tr o l  an d   d ata  ac q u is itio n   ( SC ADA ) / in d u s tr ia l  in ter n et  o f   th in g s   ( I I o T )   d ep l o y m en t  p ath   ( o p en   p latf o r m   co m m u n icatio n s   u n if ied   ar ch itectu r e  ( OPC   UA ) / m ess ag e  q u eu in g   telem etr y   tr an s p o r t  ( MQ T T ) ,  o p en   n eu r al   n etwo r k   ex c h an g e  ( ONNX ) ,   e d g e  i n f er en ce ) .   T h is   r esear ch   in v esti g ates  th e  ap p licatio n   o f   s u p er v is ed   m ac h i n e  lear n in g   alg o r ith m s   to   o p tim ize  p r o d u ctio n   q u ality   a n d   p r ed ict  eq u i p m en t  f ailu r es  in   an   ir o n   p r o ce s s in g   p lan t.  T h e  o p e r atio n al  n ee d s   o f   th e  Gh a r   Djeb ilet p r o ject  in s p ir e  th e   s tu d y .   T h e  in d u s tr ial  co n tex t  o f   th i s   s tu d y   is   illu s tr ated   in   F ig u r e  1 ,   wh ich   s h o ws  th e  o p en - p it  q u ar r y   s tr u ctu r e  o f   th e   Gar a  Djeb ilet  m in in g   s ite.   T h e  lar g e - s ca le  ex tr ac tio n   en v ir o n m en t  in v o lv e s   h ea v y   eq u ip m en t,   co n tin u o u s   m ater ial  tr an s p o r t,   an d   d y n am ic  o p er atin g   c o n d itio n s ,   h ig h lig h tin g   th e  im p o r tan ce   o f   p r ed ictiv e   m ain ten an ce   an d   i n tellig en t  p r o d u ctio n   m a n ag em e n t.  Fig u r e   2   p r esen ts   a  r ep r esen tativ e  v i ew  o f   an   in d u s tr ial  ir o n - p r o ce s s in g   f ac ilit y .   T h e   co m p le x   a r r an g e m en t  o f   p r o ce s s in g   u n its   an d   m o n ito r in g   in f r astru ctu r es   g en er ates  h eter o g en e o u s   o p er atio n al  d ata   s tr ea m s   th at  c an   b e  ef f ec tiv ely   e x p lo ited   u s in g   m ac h in e   lear n i n g   tec h n iq u es to   im p r o v e   s y s tem   r eliab ilit y ,   ef f icien cy ,   an d   d ec i s io n - m ak in g .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A p p lica tio n   o f m a ch in e  le a r n in g   fo r   p r o d u ctio n   o p timiz a tio n   a n d   …   ( La kh d a r i La h ce n )   767         Fig u r e  1 .   I n ter io r   v iew  o f   t h e  Gar a  Djeb ilet   q u ar r y   s tr u ctu r es illu s tr ates th e  o p en - p it d ep o s it a n d   t h e  m in in g   co n tex t     Fig u r e  2 .   View  o f   r o b u s t in d u s tr ial  u s ef u l a s   a  s ch em atic  illu s tr atio n       2.   RE A L - T I M E   DE P L O Y M E NT   F E A SI B I L I T Y   SUP E RVI SO RY  CO N T RO L   AND  DA T A  ACQ UIS I T I O N   ( SCADA)   Alth o u g h   all  e x p er im e n ts   ar e   co n d u cted   in   s im u latio n ,   th e   ap p r o ac h   is   co m p atib le  with   r ea l - tim e  in d u s tr ial  d ep lo y m en t w ith   m i n o r   ad a p tatio n   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   a)   I n teg r atio n   SC ADA   −   T ar g et  ar ch itectu r e :  PLC/ SC A DA  ⟶   ed g e  g atew ay   ( OPC   UA  o r   Mo d b u s /TCP   clien t,  MQ T T   b r o k er )   ⟶   in f er en ce   m icr o s er v ice  ( R F,  L ig h tGB M,   XGBo o s t,  ML P,  o r   R F+NN)   ⟶   alar m   f ee d b a ck   t o   SC ADA  ( O PC   UA  wr ite)   an d   d ata  h is to r izatio n   ( I n f lu x DB /T im escale/PI ) .   −   Mo d el  p ac k ag in g :  ONNX   ex p o r t  ( On n x r u n tim e   o n   C PU)   o r   n ativ e   f o r m at  ( XGBo o s t/Lig h tGB M) .   T h is   en s u r es p o r tab ilit y   ( C ++ / Py th o n )   a n d   s tar tu p   tim e  <   1   s .   b)   L aten cy   b u d g et  an d   s am p lin g   r ate   E n d - to - e n d   laten c y   s h o u l d   r e m ain   b elo w  a  f r ac tio n   o f   th e  s am p lin g   p e r io d :     T t o t al = T acq + T n et + T pre + T i n f + T p ub , a im   for   T t o t al ≤ 0 . 3 × ( s a mpl in g   pe r i od )     ( 1 )     wh er e  T _ ac q   =  d ata  ac q u is itio n   tim e,   T _ n et  =  n etwo r k   co m m u n icatio n   tim e,   T _ p r e  =  d ata  p r ep r o ce s s in g   tim e,   T _ in f   =  m o d el  in f er en ce   tim e,   T _ p u b   =  p u b lis h in g   tim e  ( wr itin g   b ac k   to   SC ADA   o r   to   d atab ases ) ,   an d   T _ to tal  =  en d - to - en d   laten cy   o f   th e  p r o ce s s in g   ch ain .   E x a m p les:   1 0   Hz  ( 1 0 0   m s )   ⇒   tar g et  ≤   3 0   m s ;  1 0 0   Hz  ( 1 0   m s )   ⇒   tar g et  ≤   3   m s .   Use  in cr em en tal/s tr ea m in g   f ea t u r e  u p d ates  wh en   win d o win g   ( e. g . ,   1   s   win d o w,   1 0 0   m s   h o p )   to   av o id   ad d e d   d elay .   Har d war e  co n s tr ain ts   ( ed g e ) :   −   C PU x 8 6 /AR M  I P C : su f f icien t f o r   co m p ac t RF /GB DT /ML P   at  1 0 – 1 0 0   Hz.   −   L ig h t G PU/NPU ( J et s o n ,   I n tel   NPU) : u s ef u l f o r   lar g er   ML P/ C NN  o r   m u lti - s tr ea m   b atch in g .   −   Me m o r y   b u d g et:  k ee p   s er v ic e  <  2 0 0   MB  ( m o d el  +  r u n tim e  +  b u f f er s ) .   k - NN  is   R AM - h ea v y ;  p r ef er   R F/G B DT /ML P o r   R F +N N.   −   I n ter f ac es: OPC   UA/M o d b u s /TCP   f o r   ac q u is itio n ; M QT T   f o r   p u b /s u b ; secu r e  with   T L S a n d   R B AC .   c)   Or d er - of - m ag n itu d e  in f er en ce   laten cy   ( m o d er n   e d g e   C PU)   −   R an d o m   f o r est ( 1 0 0 – 5 0 0   tr ee s ,   d ep th   ≤   1 0 ) : 0 . 1 – 2   m s /s am p le   −   L ig h tGB M/XG B o o s t   ( d ep th   ≤   8 ) : 0 . 2 – 3   m s   −   L in ea r   SVM:  <  0 . 1 – 0 . 5   m s ; RB F SVM : 1 – 1 0   m s   ( d ep en d s   o n   # SV)   −   ML P ( 2 – 3   lay e r s ,   6 4 – 1 2 8 ) : 0 . 2 – 2   m s   −   R F+NN  ( s tack in g ) : 1 – 4   m s   d)   Dep lo y m en t  p atter n s   −   Har d   r ea l - tim e  ( ≤   1 0   m s   in   PLC):  av o id   co m p lex   ML ; u s e  r u les/ lin ea r /s h allo w  tr ee s .   −   So f t r ea l - tim e  ( 1 0 – 2 0 0   m s   o n   ed g e  g atew ay ) : c o m p ac t RF /GB DT /ML P;  R F+NN  i s   f ea s ib l e.   −   Of f lin e  m o n ito r in g   ( o n - p r em /c lo u d ) : r etr ai n in g ,   r ec alib r atio n ,   co n tr o lled   r o llo u ts .   On e - s en ten ce   tak ea way :  Pac k ag ed   in   ONNX   an d   e x ec u t ed   o n   an   e d g e  g atew ay   v ia   OPC   UA/M QT T ,   co m p ac t  R F/GB DT /ML P  ( o r   R F+NN)   ty p ically   ac h iev e  ≤   1 – 5   m s   p er   s am p le,   s u f f icien t   f o r   1 0 – 1 0 0   H z   o p er atio n   i f   p r e p r o ce s s in g   an d   n etwo r k in g   s tay   with in   b u d g e t.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   765 - 776   768   3.   E CO NO M I C  AND  O P E RA T I O NA L   I M P AC T   I ND I CA T O RS   Pu r p o s e :  C o n v er t  m o d el  p er f o r m an ce   ( e. g . ,   R F,  L ig h tGB M,   R F+NN)   in to   DA  g ain s   f o r   f ac to r y   KPI s   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .   T h e  k e y   ec o n o m ic  an d   o p er atio n al  in d icato r s   ar e  d ef in ed   as f o llo ws:   -   Av ailab ilit y     =  −     ( 2 )     -   R eliab ilit y   an d   m ain tai n ab ilit y   ar e   ev alu ated   u s in g   m ea n   tim e  b etwe en   f ailu r es  ( MT B F)  an d   m ea n   tim e   to   r ep air   ( MT T R ) ,      Ov er all  eq u ip m e n t e f f ec tiv e n e s s   ( OE E )   =   ×    ×      ( 3 )     -   Mo n etiza tio n   Alg er ian   Din a r   ( DA)   -   Do wn tim e  s av ed     DA ≈      (  −  ) + ∆  .   / ℎ   ( 4 )     DA = ∆ H d o w n . C h     -   Ma in ten an ce   s av ed     DA ≈       (  −  ) + ∆  .   / ℎ   ( 5 )     -   T h r o u g h p u t v alu e     ∆ A = ∆ H d o w n / T p l an n ed , ∆ OEE ≈ ∆ A     -   No m in al  p r o d u ctio n   g ain     DA = N omin a l   r a te .       ∆ OEE . H r un . M a r gin ( DA / unit )   ( 6 )     Year - 1   R OI   ( DA) :       R OI = DA D o wnt im e + DA Main t en ac e + DA T h r o u g h pu t − Pr o ject Co s t ( DA ) Pr o jec t Co s t ( DA )   ( 7 )     w h er e  A  d e n o tes  av ailab ilit y ;  T _ p la n n ed   d en o tes  p lan n ed   o p e r atin g   tim e;   T _ d o wn t im e  d en o tes  t o tal  d o wn tim e  ( p lan n e d   a n d   u n p lan n ed ) ;   MT B F  d en o tes  m ea n   tim e  b etwe en   f ailu r es;  MT T R   d en o tes  m ea n   tim e   to   r ep air ;  OE E   d en o tes  o v er al l  eq u ip m en t  ef f ec tiv e n ess ;  n _ ( f ailu r es  av o id ed )   d en o tes  th e  n u m b er   o f   f ailu r es  p r ev en ted   b y   t h e  ML   m o d e l;  C _ C M  d en o tes  co r r ec tiv e   m ain ten a n ce   c o s t  p er   f ailu r e;  C _ PM  d en o tes  p r ev en tiv e   m ain ten a n ce   co s t  p er   in ter v e n tio n ;  Δ MT T R   d en o tes  r ed u ctio n   in   r ep air   tim e;   C _ ( lab o r / h )   d en o tes  lab o r   co s t  p er   h o u r ;  Δ H_ d o wn   d en o tes  d o wn tim e  h o u r s   a v o i d ed ;  C _ h   d en o tes  co s t  p e r   h o u r   o f   d o wn tim e;  Δ A  d en o tes  im p r o v em en t   in   av ai lab ilit y ;  Δ OE E   d en o tes  im p r o v em en t  in   OE E ;  H_ r u n   d e n o tes  to tal  o p er atin g   h o u r s   a f ter   im p r o v em en t;  No m in al  r ate  d en o tes  n o m in al   p r o d u ctio n   r ate;   Ma r g in   ( DA/u n it)  d en o tes  p r o f it   m ar g in   p er   u n it   p r o d u ce d ;  DA   d en o tes  ec o n o m ic  g ain   e x p r e s s ed   in   Alg er ian   Din ar s ;  an d   R OI   d en o tes  r etu r n   o n   in v estme n t.       4.   ST AND ARDS  CO M P L I AN CE   S T RA T E G Y   Go al:   E n s u r e  an   i n d u s tr ial  M L   s o lu tio n   th at  is   in ter o p er ab le,   tr ac ea b le,   an d   au d itab le  b y   alig n in g   with   co r e  s tan d ar d s   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] .   a.   R ef er en ce   f r am ewo r k s   to   f o llo w   −   I n ter n atio n al  Or g a n izatio n   f o r   Stan d ar d izatio n   –   Stan d ar d   1 3 3 7 4   ( I SO - 1 3 3 7 4 )   ( c o n d itio n   m o n ito r in g ) :  C h ain   f u n ctio n s   a cq u is itio n   →  d ata  q u ality /p r ep r o ce s s in g   →  s tate  d etec tio n   →   h ea lth   a s s es s m en t  →  p r o g n o s tics   →  ad v is o r y /alar m s .   −   I n ter n atio n al  E lectr o tech n ical  C o m m is s io n   Stan d ar d   ( IEC )   6 2 2 6 4 / I n ter n atio n al  So ciety   o f   Au to m atio n   Stan d ar d   9 5   ( I SA - 95 )   ( en t er p r is e – co n tr o l  in te g r atio n ) :   Place  co m p o n e n ts   ac r o s s   l ev els  0 – 4  ( s en s o r s / p r o g r am m ab le  lo g ic   co n tr o ller   ( PLC ) / s u p er v is o r y   co n tr o l  an d   d ata  ac q u is itio n   ( SC ADA )   →  m an u f ac tu r in g   e x ec u tio n   s y s tem   ( MES ) / e dge   →  en ter p r is e  r eso u r ce   p lan n in g   ( E R P ) / b u s in es s   in tellig en ce   ( B I )   with   o p e n   p latf o r m   c o m m u n icatio n s   –   u n if ied   a r ch itectu r e   ( OPC   UA ) / m ess ag e   q u eu in g   telem etr y   tr a n s p o r t ( MQ T T )   in ter f ac es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A p p lica tio n   o f m a ch in e  le a r n in g   fo r   p r o d u ctio n   o p timiz a tio n   a n d   …   ( La kh d a r i La h ce n )   769   b.   Min im u m   im p lem en tatio n   r eq u ir em en ts   −   Data   ( g o v er n a n ce ) :   C atalo g   an d   lin ea g e  ( s en s o r   →  f ea tu r e  →  p r ed ictio n ) ,   v e r s io n ed   s ch e m as,  q u ality   co n tr o ls   ( co m p leten ess ,   f r esh n ess ,   d r if t) ,   r o le - b ased   ac ce s s   co n tr o l  ( R B AC ) ,  tr an s p o r t  lay er   s ec u r ity   ( TLS ) ,   en cr y p tio n   at  r est,  r ete n tio n   p o licies,   an d   au d it lo g s .   −   Mo d els  ( ML   g o v e r n an ce ) :   Mo d el  r e g is tr y   ( I D/v e r s io n / d ata/lim its ) ,   r ep r o d u cib ilit y   ( ar tifa cts  &   co n f ig s ) ,   ex p lain ab ilit y   ( f ea tu r e  im p o r tan ce /SHAP  f o r   r an d o m   f o r est  ( RF ) / g r ad ien t  b o o s tin g   d ec is io n   tr ee   ( GB DT ) ,   d o cu m e n ted   th r esh o ld s   with   h y s ter esis .   −   Valid atio n   ( I Q/OQ/PQ) :   I Q:  en v ir o n m en ts   an d   OPC   UA/ MQ T T   co n n ec tiv ity ;  OQ:  o f f lin e  test s   with   ac ce p tan ce   cr iter ia  ( F1 /AUC   o r   R MSE /MAE /R ²) ;  an d   PQ:   o n lin e  p ilo t  ( r ea d - o n ly ) ,   th e n   ca n ar y   5 – 1 0 % with   clea r   r o llb ac k   cr iter i a.   −   Op er atio n s   ( lig h tweig h t  m ac h in e  lear n in g   o p er atio n s   ( ML O p s ) ):   C o n tin u o u s   m o n ito r in g   ( d ata/m etr ic   d r if t,  laten cy ,   aler t r ates) ,   s ch e d u led   r ec alib r atio n /r etr ain in g ,   f o r m al  ch an g e  co n tr o l ( r ev iew ,   r eg r ess io n   test s ,   ap p r o v al,   v e r s io n ed   r ele ase) .   c.   R eq u ir ed   d eliv er a b les   −   Data   m an ag em en t  p lan ,   I Q/ OQ/PQ  d o s s ier   ( p r o to co ls   &   r esu lts ) ,   m o d el  r eg is tr y ,   SOPs   ( alar m   p r o ce d u r e,   d eg r ad e d /r o llb ac k   m o d e) ,   d ash b o a r d s ,   an d   au d it l o g s .       5.   M E T H O DO L O G Y   a.   Simu latio n - b ased   d ata  g en er at io n   I n   th e   ab s en ce   o f   h is to r ical  p l an t  d ata,   we   g en e r ated   th r ee   s y n th etic  d atasets   to   em u late  r ea lis ti c   s ce n ar io s .  T h r ee   d atasets   wer e   cr ea ted :   −   Pro d u ctio n   d ataset:  I n clu d es  f u r n ac e  tem p er at u r e,   p r ess u r e,   p r o d u ctio n   r ate,   en e r g y   c o n s u m p tio n ,   an d   m ea s u r ed   ir o n   co n ten t  ( %).   T h ese  p ar am eter s   ar e  cr itical  f o r   m etallu r g ical  p r o ce s s es,  wh er e  s m all   d ev iatio n s   ca n   s ig n if ican tl y   i m p ac t f in al  q u ality   [ 1 6 ] ‒ [ 1 8 ] .   −   Ma in ten an ce   d ataset:  I n clu d es   v ib r atio n   lev el  ( m m /s ) ,   m ac h in e  tem p er atu r e  ( °C ) ,   an d   a  b in ar y   f ailu r e   s tate  ( 0   =  n o r m al,   1   =  f ailu r e) .   T h ese  v ar iab les  ar e   ty p ical  in d icato r s   o f   m ec h an ical  a n d   th er m al  s tr ess   in   in d u s tr ial  eq u i p m en t   [ 1 7 ] .   −   T r an s p o r t  d ataset:  I n clu d es  s h ip m en t  to n n ag e,   tr a n s p o r t  d is tan ce ,   co s t  ( in   DZ D) ,   an d   tr av el  tim e  ( h o u r s ) .   T r an s p o r t lo g is tics   r ep r esen t a   m ajo r   c o s t f ac to r   in   lar g e - s ca le  in d u s tr ial  o p e r atio n s   [ 1 6 ] ‒ [ 1 8 ] .   b.   Ma ch in e  lear n in g   m o d els   Fiv e  wid ely   u s ed   ML   alg o r ith m s   wer e  s elec ted   f o r   ev alu atio n :   −   R an d o m   f o r est:   An   en s em b le  m eth o d   u s in g   m u ltip le  d ec is io n   tr ee s   to   im p r o v e   p r e d ictiv e  a cc u r ac y   an d   co n tr o l o v er f itti n g .   −   XGBo o s t: An   ef f icien t g r ad ie n t b o o s tin g   al g o r ith m   o p tim iz ed   f o r   p er f o r m an ce   an d   s p ee d .   −   L ig h tGB M:  A  g r ad ien t  b o o s t in g   f r a m ewo r k   b ased   o n   d ec is io n   tr ee   alg o r ith m s ,   d esig n ed   f o r   h ig h   ef f icien cy   an d   lo w  m em o r y   u s ag e.   −   C atB o o s t:  A  g r ad ien t  b o o s tin g   alg o r ith m   p ar ticu la r ly   ef f ec tiv e  with   ca teg o r ical  f ea tu r es  a n d   r e d u cin g   o v er f itti n g .   −   Mu ltil ay er   p er ce p tr o n   ( ML P):  A  f ee d f o r war d   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ca p ab le  o f   m o d elin g   co m p lex   non - lin ea r   r elatio n s h ip s   [ 1 4 ] .   −   Hy b r id e  R F+NN  ( s tack in g ) :  T h e  “RF +N N”  ap p r o ac h   c o m b i n es  a  r an d o m   f o r est  ( R F)  as  a  b ase  lear n er   an d   a  m u ltil ay er   p er ce p tr o n   ( ML P)  as a   m eta - m o d el   T h e   g l o b a l   w o r k f l o w   o f   t h e   p r o p o s e d   M a c h i n e   l e a r n i n g - b a s ed   o p t i m i z a t i o n   a p p r o a c h   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   3 .   I t  o u tlin es  th e  s eq u en tial  s tep s   f r o m   s y n th etic  d ataset  g en er atio n   to   m o d el  ev al u atio n   an d   in ter p r etatio n ,   alig n in g   with   b o th   p r ed ictiv e  m ain ten an ce   an d   p r o d u cti o n   q u ality   im p r o v em en t o b jectiv es [ 1 9 ] .   c.   E v alu atio n   m etr ics   Fo r   class if icatio n   ( p r ed ictiv e  m ain ten an ce )   [ 2 0 ] ‒ [ 2 2 ] :   −   Acc u r ac y :   p r o p o r tio n   o f   co r r e ct  p r ed ictio n s       =  +   +  +  +    ( 8 )     −   Pre cisi o n :   p r o p o r tio n   o f   co r r e ctly   p r ed icted   p o s itiv es a m o n g   all  p r ed icted   p o s itiv es     Pr e c isio n = TP TP + FP   ( 9 )     −   R ec all :   p r o p o r tio n   o f   c o r r ec tly   p r ed icted   p o s itiv es a m o n g   all  ac tu al  p o s itiv es     R e c a l l = TP TP +   FN   ( 1 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   765 - 776   770   −   F1 - s co r e :  h ar m o n ic  m ea n   o f   p r ec is io n   an d   r ec all     F1 − s c or e = 2   × Pr ecis i o n   X   Recal l Pr ecis i o n +   Recal l         ( 1 1 )     −   AUC - R O C :   ar ea   u n d er   th e  r ec eiv er   o p e r atin g   ch ar a cter is tic  cu r v e,   in d icatin g   th e  m o d el’ s   d is cr im in atio n   ab ilit y .     AUC = ∫ TPR ( F PR ) d ( F PR ) 1 0   ( 1 2 )       w ith     TPR = TP TP +   FN       ,       F PR = FP FP +   TN       w h er e :   T P ( tr u e  p o s itiv es ) ,  T N  ( tr u e  n e g ativ es ) ,  FP   ( f alse p o s itiv es ) ,   an d   FN ( f alse n eg ativ e s ) .   Fo r   r eg r ess io n   ( q u ality   p r ed ict io n )   [ 2 3 ]‒ [ 2 5 ] :   −   R o o t  m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( R M SE) :   m ea s u r es p r ed ictio n   e r r o r   m ag n itu d e     R M SE = √ 1 n ∑ ( yi − y ̂ i ) 2 n i = 1     ( 1 3 )     −   Me an   ab s o lu te  er r o r   ( MA E ) :   a v er ag e  o f   ab s o lu te  p r ed ictio n   er r o r s     MAE = 1 n ∑ | y i − y ̂ i | n i = 1   ( 1 4 )     −   C o ef f icien t o f   d eter m in atio n   ( R ²) :   m ea s u r es th e  p r o p o r tio n   o f   v ar ian ce   e x p lain ed   b y   t h e  m o d el.     R 2 = 1 − ∑ ( − ̂ ) 2 = 1 ∑ ( − ̅ ) 2 = 1       ( 1 5 )     W ith   y ̂ i   is   t h e  p r ed icted   v alu es ;  yi   is   r ea l  v alu es ,   an d   ̅   : is th e  av e r ag e  o f   th e  ac tu al  v al u es .           Fig u r e  3 .   Me th o d o lo g ical  f lo w ch ar t o f   t h e  ML - b ased   i n d u s tr i al  o p tim izatio n   f r a m ewo r k       d.   Mo d el  tr ain in g   an d   v alid atio n   Data   wer e  s p lit  in to   tr ain in g   ( 7 0 %)  an d   test   ( 3 0 %)  s ets.  K - f o ld   cr o s s - v alid atio n   was  ap p lied   to   en s u r e  r o b u s tn ess .   SHap ley   Ad d itiv e  ex Plan atio n s   ( SHAP )   an aly s is   was  u s ed   to   in ter p r et  th e  im p ac t  o f   ea ch   f ea tu r e  o n   m o d el  p r ed ictio n s   [ 2 6 ] ‒ [ 2 8 ] .   Fig u r e  4   illu s tr ates  th e  g lo b al  s im u latio n   an d   Ma ch in e  lear n in g   wo r k f lo w  ad o p ted   in   th is   s tu d y .   T h e  p r o ce s s   b eg in s   with   th e  g en er atio n   an d   p r ep r o ce s s in g   o f   s y n th etic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A p p lica tio n   o f m a ch in e  le a r n in g   fo r   p r o d u ctio n   o p timiz a tio n   a n d   …   ( La kh d a r i La h ce n )   771   d atasets   co v er in g   p r o d u ctio n ,   m ain ten an ce ,   an d   tr an s p o r t o p er atio n s .   T h ese   d atasets   ar e  th en   u s ed   to   tr ain   a n d   ev alu ate  f iv e   Ma ch in e  lear n in g   alg o r ith m s   f o r   class if icatio n   a n d   r eg r ess io n   task s .   T h e   p ip elin e   in teg r ates   p er f o r m an ce   a n aly s is ,   in ter p r etab ilit y   tech n iq u es  ( f ea tu r e  i m p o r tan ce   an d   SHAP),   an d   v is u al  an aly tics   to   ex tr ac t  ac tio n ab le  in s ig h ts .   Fi n ally ,   all  r esu lts   ar e  co m p iled   in   a  s tr u ctu r ed   f o r m at  f o r   in c lu s io n   in   in d u s tr ial   d ec is io n - m ak in g   an d   s cien tific   r ep o r tin g .   Data   s p litt in g :   −   C h r o n o lo g ical  s p lit to   a v o id   le ak ag e:  tr ain /v alid atio n /tes t  =  7 0 /1 5 /1 5   ( o r   7 0 /3 0   with   C V  o n   th e  tr ain   p ar t) .   −   Valid atio n :   T im eSer iesS p lit  ( k =5 )   f o r   tim e - o r d e r ed   s er ies  ( p r o d u ctio n /tra n s p o r t)   a n d   St r atif ied   K - Fo ld   ( k =5 )   f o r   b in ar y   m ain ten an ce   lab els.   −   T h e  test   s et  r em ain s   u n to u ch e d   u n til f in al  r ep o r tin g .           Fig u r e  4 .   Flo wch ar t  o f   th e   s im u latio n   an d   m ac h in e  lea r n in g   o p tim izatio n   p ip elin e ,   f r o m   d ataset  in p u t to   r esu lt e x p o r t       6.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   6 . 1 .     Ris k   o f   bia s   f ro m   s y nthet ic  da t a   a nd   m it i g a t io n   Natu r e  o f   th e  b ias.  Sy n th etic  d atasets   m ay   u n d er - r e p r esen t  ce r tain   r eg im es  ( tr an s ien ts ,   r ar e  f ailu r es),   s im p lify   co r r elatio n s   ( n o n - lin e ar ities ,   cr o s s - in ter ac tio n s ) ,   an d   o v er esti m ate  s tatio n ar ity   ( n o is e/d r if t  lo wer   th an   in   th e  f ield ) .   T h is   ca n   y ield   o p tim is tic  p er f o r m an ce   ( h ig h   AUC/ F1 )   an d   o v er f itti n g   to   s im u latio n   ass u m p tio n s .   Mitig atio n   m ea s u r es ( ap p lied / r ec o m m en d ed ) :   -   Do m ain   r an d o m izatio n :  v a r y   n o is e  am p litu d es,  s en s o r   g ain /o f f s et,   o p e r atin g   r e g im es  ( th r o u g h p u t,   tem p er atu r es),   a n d   in ject  o u tlier s /m is s in g   v alu es →  r ed u ce s   o v er f itti n g   t o   id ea lized   d is tr ib u tio n s .   -   Strict  tem p o r al  v alid atio n :  c h r o n o lo g ical  s p lits   +  T im eSer i esS p lit  ( p r ev en ts   leak ag e )   a n d   r ep o r t  m ea n   ±   s td   ac r o s s   f o ld s .   -   Sen s itiv ity   &   s tr ess   test s :  r e - ev alu ate  m etr ics  with   ± 1 0 – 2 0 %  ch an g es  i n   s am p lin g   r ate,   win d o w  s ize,   a n d   n o is e  in ten s ity .   -   Ab latio n s   &   p ar s im o n y :  s elec tiv ely   r em o v e  v ar iab les  ( v ib r atio n   a n d   tem p er atu r e)   t o   v er if y   m o d el  d ep en d e n ce ; u s e  p en alties/ ea r l y   s to p p in g   f o r   b o o s ter s /ML P.   -   C alib r atio n   &   th r esh o ld s :  ca l ib r atio n   cu r v es  an d   v alid atio n - b ased   th r esh o ld in g   ( Yo u d e n /F1 ) ,   th en   l o ck   th r esh o ld s   b ef o r e  test in g .   -   Path   to   r ea l  d ata:  o f f lin e  r ep la y   o f   SC ADA  tag s ,   th en   r ea d - o n ly   POC   ( laten cy /alar m s )   an d   ca n ar y   r o llo u t  (5 – 1 0 %)  with   r o llb ac k   cr iter ia .     6 . 2 .     Cla s s if ica t io n r esu lt s   K e y   i n s i g h ts :   i )   V i b r a ti o n   a n d   m a c h i n e   t e m p e r a t u r e   w e r e   t h e   t o p   p r e d i c t o r s   o f   f a i l u r e ;   a n d   i i )   S H AP  a n a l y s is   c o n f i r m e d   t h e i r   s t r o n g   i n f l u e n c e   o n   c l a s s i f i ca t i o n   o u t p u t .   F i g u r e s   5   t o   1 5   o f f e r   a n   i n t e g r a t e d   v i s u a l  a s s e s s m e n t   o f   t h e  c l as s i f i c at i o n   r e s u l ts   o b t a i n e d   f r o m   al l   te s te d   m o d e l s .   F i g u r e s   5   t o   9   d i s p l a y   t h e   c o m p a r a ti v e  a c c u r a c y ,   p r e c i s i o n ,   r e c a ll ,   F 1 - s c o r e ,   a n d   A U C   m e t r ic s ,   c l ea r l y   s h o w i n g   t h e   d o m i n a n c e   o f   t r e e - b a s e d   m e t h o d s   ( r a n d o m   f o r e s t ,   X GB o o s t ,   L i g h t G B M ,   C at B o o s t ,   a n d   R F +N N )   o v e r   t h e   N e u r a l   N et w o r k   b a s e l i n e .   F i g u r e   1 0   p r esen ts   th e  R OC   cu r v es,  wh er e  en s em b le  m o d els  ac h ie v e  n ea r - p er f ec t  class   s ep ar atio n .   T h e   co n f u s io n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   765 - 776   772   m atr ix   in   Fig u r e  1 1   f u r th e r   v alid ates  th e  r an d o m   f o r est  m o d el’ s   p er f o r m an ce ,   r e v ea lin g   ze r o   f alse  p o s itiv es   an d   ze r o   f alse  n eg ativ es  in   t h e  s im u lated   d ataset.   Fin ally ,   Fig u r e  1 2   illu s tr ates  th e  r an d o m   f o r est  f ea tu r e - im p o r tan ce   p r o f ile,   i d en tify in g   v ib r atio n   lev el  an d   m ac h i n e  tem p er atu r e  as th e  m o s t im p ac tf u l p r ed icto r s .             Fig u r e  5 .   C o m p a r ativ e  ac cu r a cy     Fig u r e  6 .   C o m p a r ativ e  p r ec is io n             Fig u r e  7 .   C o m p a r ativ e  r ec all     Fig u r e  8 .   C o m p a r ativ e  F1 - Sco r e             Fig u r e  9 .   C o m p a r ativ e  AUC     Fig u r e  1 0 .   R OC   cu r v es f o r   cla s s if icatio n   m o d els       6 . 3 .     Reg re s s io n r esu lt s   Fig u r es  1 3   to   1 5   p r esen t  th e   c o m p ar ativ e  r e g r ess io n   p er f o r m an ce   o f   all  ev al u ated   m o d el s   b ased   o n   R MSE ,   MA E ,   an d   R ²   m etr ics.   T h e  r esu lts   s h o w  th at  tr ee - b ased   en s em b le  m eth o d s   ( r an d o m   f o r est,  XGBo o s t,   L ig h tGB M,   C atB o o s t)   co n s is t en tly   o u tp er f o r m   th e  Neu r al  Netwo r k   b aselin e.   L ig h tGB M  ac h iev es  th e   lo west   R MSE   an d   lo west   MA E ,   w h ile  also   o b tain in g   th e  h ig h e s t  R ²,   in d icatin g   b etter   p r ed i ctio n   s tab ilit y   an d   r ed u ce d   e r r o r   v ar iab ilit y .   C o n v er s ely ,   th e  s tan d alo n e  Neu r al   Netwo r k   s h o ws  th e  wea k est  p er f o r m an ce   ac r o s s   all  m etr ics,  co n f ir m in g   its   lim ited   s u itab ilit y   f o r   th is   ty p e   o f   in d u s tr ial  r eg r ess io n   task .   T h e  h y b r id   R F+NN  m o d el  ac h iev es  ac ce p ta b le  r es u lts   b u t  d o es  n o t  s u r p ass   th e   b est  in d iv id u al   tr ee - b ased   m o d els,  s u g g esti n g   t h at  h y b r id izatio n   o f f er s   o n ly   m ar g in al  b en ef it f o r   th is   r eg r ess io n   p r o b lem .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A p p lica tio n   o f m a ch in e  le a r n in g   fo r   p r o d u ctio n   o p timiz a tio n   a n d   …   ( La kh d a r i La h ce n )   773       Fig u r e  1 1 .   C o n f u s io n   m atr ix   f o r   r an d o m   f o r est           Fig u r e  1 2 .   Featu r e  im p o r tan ce   r an d o m   f o r est             Fig u r e  1 3 .   C o m p ar ativ e  R MSE     Fig u r e  1 4 .   C o m p ar ativ e  MA E           Fig u r e  1 5 .   C o m p ar ativ e  R 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   765 - 776   774   7.   CO NCLU SI O N   T h i s   s t u d y   d e m o n s t r a te d   t h e   p o t e n t i a l   o f   m a c h i n e   l e a r n i n g   t ec h n i q u e s   f o r   b o t h   p r e d i c t i v e   m a i n t e n a n c e  a n d   p r o d u c t i o n   q u a l i t y   o p t i m iz a t i o n   i n   t h e  c o n t e x t   o f   a n   i r o n   p r o c e s s i n g   p l a n t .   B y   u s i n g   a   s i m u l a t i o n - b a s e d   a p p r o a c h ,   w e   e v a l u a t e d   s i x   w i d e l y   a d o p t e d   M L   m o d e l s ,   RF ,   X G B o o s t ,   L i g h t G B M ,   C a t B o o s t ,   f e e d f o r w a r d   n e u r a l   n e t w o r k ,   a n d   an   R F + N N   o n   3   s y n t h e t i c   d a t a s e t s   r e p r e s e n t i n g   p r o d u c t i o n ,   m a i n t e n a n c e ,   a n d   t r a n s p o r t   p r o c e s s e s .   T h e  r esu lts   o f   th e   class if icatio n   task s ,   aim ed   at  p r ed ict in g   eq u i p m en t  f ailu r es,  r ev e aled   th at  en s em b le  tr ee - b ased   m o d els  ac h iev ed   n ea r - p er f ec t  p r e d ictiv e  p er f o r m a n ce ,   with   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all ,  an d   F1 - s co r e  v alu es  ex ce ed i n g   0 . 9 9 ,   a n d   AUC  v alu es  clo s e  to   1 .   Su ch   p er f o r m an ce   wa s   ex p lain ed   b y   th e   well - d ef in ed   f ailu r e  p atter n s   i n   th e   s im u lated   m ain te n an ce   d ata.   I n   th e   r eg r ess io n   task s ,   wh ich   f o c u s ed   o n   p r ed ictin g   ir o n   co n ten t  as  a  m ea s u r e  o f   p r o d u ctio n   q u ality ,   g r ad ien t  b o o s tin g   alg o r ith m s   s u ch   as  L ig h tGB M   an d   C atB o o s t  o u tp er f o r m e d   o th er   m o d els,  ac h iev i n g   t h e  lo west  R MSE   an d   MA E   v alu es   an d   th e  h ig h est  R ²  s co r es ( ab o v e  0 . 5 9 ) ,   ev e n   in   th e  p r esen ce   o f   s im u lated   m ea s u r em en t n o is e.   T h e  r an d o m   f o r est  alg o r ith m   a ch iev ed   th e  b est  r esu lts   d u e  to   its   r o b u s tn ess   to   n o is e,   ab ilit y   to   m o d e l   n o n lin ea r   r elatio n s h i p s ,   an d   ef f ec tiv e  f ea tu r e  s elec tio n ,   m a k in g   it  well - s u ited   f o r   in d u s tr ial  tab u lar   d ata.   T h e   h y b r id   R F  +  ML P  m o d el  p r o v id ed   o n ly   a  s lig h t  im p r o v em en t  s in ce   th e  r an d o m   f o r est  al r ea d y   r ea c h ed   n ea r - p er f ec t  p er f o r m a n ce   ( AUC  ≈   1 . 0 ) .   T h is   m ar g in al  d i f f er en ce   ca n   b e  attr ib u te d   to   p e r f o r m a n ce   s atu r atio n   an d   in f o r m atio n al  r ed u n d an c y ,   as t h e  ML P a d d s   litt le  v alu e  wh en   th e  d ataset  is   alr ea d y   well  s ep ar ated   b y   t h e  R F.   B ey o n d   th e  n u m er ical  p er f o r m an ce ,   th e  ex p lain a b ilit y   an al y s is   u s in g   Featu r e  I m p o r tan ce   an d   SHAP   p r o v id e d   v alu a b le  in s ig h ts   in to   th e  d r iv in g   f ac to r s   b eh i n d   th e  p r ed ictio n s .   Fo r   p r ed ictiv e  m ain ten an ce ,   v ib r atio n   lev els  an d   m ac h in e  t em p er atu r e  wer e  id e n tifie d   as  th e  d o m in an t  p r ed icto r s   o f   f ai lu r e,   alig n in g   with   r ea l - wo r ld   e n g in ee r in g   k n o wl ed g e.   T h is   tr an s p ar en cy   is   ess en tial  f o r   in d u s tr ial  ad o p tio n ,   as  it  s u p p o r ts   tr u s t  in   th e  m o d els an d   f ac ilit ates d ec is io n - m ak in g   b y   e n g in ee r s   a n d   o p e r ato r s .   W h ile  th e  s tu d y   is   b ased   o n   s y n th etic  d ata,   its   m eth o d o lo g y   is   d esig n e d   to   b e  tr a n s f er a b le  to   r ea l   in d u s tr ial  en v ir o n m en ts .   T h e   co m b in atio n   o f   r o b u s t  ML   alg o r ith m s ,   in ter p r etab ilit y   m eth o d s ,   an d   a  well - s tr u ctu r ed   ev alu atio n   f r am ew o r k   ca n   d ir ec tly   s u p p o r t  r ea l - w o r ld   d ep l o y m en ts   o n ce   h is to r i ca l  o p er atio n al  d ata  b ec o m es   av ailab le.   T h e   ap p r o ac h   r em ain s   tr a n s f er ab le  to   in d u s tr ial  s ettin g s   v ia  SC A DA/I I o T   in teg r atio n   ( OPC   UA/M QT T )   an d   ONN X  p ac k ag i n g   at  th e   ed g e,   wit h   an   ex p licit  lin k   b etwe en   tech n ical  m etr ics  a n d   p lan t  KPI s   ( d o wn tim e,   m ain ten an ce   co s ts ,   th r o u g h p u t  in   DZ D) .   T h e  lo g ical  n ex t  s tep s   ar e  to   r ep lay   SC ADA  d at a   o f f li n e,   r u n   a   r ea d - o n l y   p i lo t   to   ca l ib r a te   t h r es h o l d s   a n d   l ate n c y / d r i f t,   e x ec u t e   a   lim ite d   ca n a r y   d ep lo y m e n t   with   r o llb ac k   cr iter ia,   an d   t h e n   in d u s tr ialize  ( m o d el  r eg is tr y ,   I Q/OQ/PQ  v alid atio n ,   o p er at o r   SOPs ) .       8.   L I M I T AT I O NS A N D  F UT U RE   WO RK   a.   L im itatio n s   o f   s y n th etic  d ata   Alth o u g h   th is   s tu d y   em p lo y s   s im u latio n - b ased   d atasets ,   it is   im p o r tan t to   ac k n o wled g e  th at   s y n th etic  d ata  m ay   n o t  f u lly   ca p tu r e  th e  v ar iab ilit y ,   s en s o r   n o is e,   an d   r ar e  f ailu r e  ev en ts   ty p ically   o b s er v ed   in   r ea l   in d u s tr ial  en v ir o n m en ts .   Su ch   lim itatio n s   ca n   in f lu en ce   th e  g en er aliza b ilit y   o f   th e  tr ain e d   m o d els.  T h er ef o r e,   f u tu r e  wo r k   will  f o cu s   o n   v ali d atin g   th e  p r o p o s ed   m eth o d o l o g y   u s in g   r ea l  o p e r atio n al  d at a  co llected   f r o m   th e  B ec h ar   ir o n   p r o ce s s in g   f ac ilit y   to   en s u r e  r o b u s tn ess   an d   p r a ctica l r eliab ilit y .   b.   Hu m an   in   th e   lo o p   an d   o p er at o r   tr u s t   I n   ad d itio n ,   i n co r p o r atin g   h u m an   ex p er tis e  in to   th e   d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s   r em ain s   cr u cial  f o r   th e   s u cc ess f u l  in d u s tr ial  d ep lo y m en t  o f   m ac h in e  lear n in g   s y s tem s .   B y   in teg r atin g   ex p lain ab il ity   tech n iq u es  s u ch   as  SHA P  an d   f ea tu r e  im p o r ta n ce   an aly s is ,   th e  f r am ewo r k   e n h an ce s   tr an s p ar en c y   an d   s u p p o r ts   o p er ato r   tr u s t.   Fu tu r e  im p lem en tatio n s   co u l d   f u r th e r   ex p l o r e  h u m an - in - t h e - lo o p   a p p r o ac h es,  allo win g   d o m ain   ex p er ts   to   v alid ate  m o d el  o u tp u ts   an d   p r o v id e  co r r ec tiv e  f ee d b ac k .   c.   B r o ad er   in d u s tr ial  o b jectiv es   B ey o n d   p r ed ictiv e   m ain ten an ce   an d   p r o d u ctio n   q u ality   o p ti m izatio n ,   f u tu r e   r esear ch   d ir e ctio n s   m ay   ex ten d   t o war d   b r o a d er   o b jecti v es  s u ch   as  e n er g y   ef f icien cy ,   p r o ce s s   s u s tain ab ilit y ,   a n d   en v ir o n m e n tal  im p ac t   r ed u ctio n .   T h ese  asp ec ts   alig n   clo s ely   with   cu r r en t  in d u s tr ial  p r io r ities   an d   wo u ld   e n h a n ce   th e  s o cieta l  an d   o p er atio n al  r elev an ce   o f   ML - d r iv en   o p tim izatio n   s y s tem s   in   m an u f ac tu r in g   a n d   m in e r al  p r o ce s s in g   s ec to r s .       ACK NO WL E DG M E N T S   T h e  au th o r s   wo u ld   lik e  to   ex p r ess   th eir   s in ce r e  g r atitu d e  to   T ah r i  Mo h am m e d   Un iv er s ity   o f   B ec h ar   an d   to   th e  L a b o r at o r y   o f   C o n tr o l,  An aly s is ,   an d   Op tim izatio n   o f   E lectr o - E n er g etic  Sy s tem s   ( C AOSE E )   f o r   th eir   in s titu tio n al  an d   tech n i ca l  s u p p o r t.  T h e  a u th o r s   al s o   ac k n o wled g e  th e  v alu ab l e  co n tr ib u tio n s   o f   co lleag u es  an d   ex p er ts   wh o s e  co n s tr u ctiv e   f ee d b ac k   h elp ed   im p r o v e   th e  q u ality   o f   t h is   r esear ch .   Sp ec ial  th an k s   ar e  e x ten d e d   to   t h e  n at io n al  in itiativ es  f o r   i n d u s tr ial  an d   m in i n g   d ev elo p m en t  in   Alg er ia,   p ar ticu lar l y   th e  s tr ateg ic  p r o ject  f o r   th e  e x p lo itatio n   o f   th e  Gh a r   Djeb ilet  ir o n   o r e  d e p o s it,  wh ich   in s p i r ed   th e  ca s e  s tu d y   f r am ewo r k   o f   th is   wo r k .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.