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Type: Dissertação
Title: A cost-efficient data-driven framework for rail temperature prediction
Author: Alves, Vinicius Antonio Meneguitte
First Advisor: Cury, Alexandre Abrahão
Co-Advisor: Barbosa, Flávio de Souza
Referee Member: Amaral, Rafaelle Piazzaroli Finotti
Referee Member: Teloli, Rafael de Oliveira
Referee Member: Nalon, Gustavo Henrique
Resumo: Altas temperaturas nos trilhos representam riscos significativos à integridade estrutural das vias férreas, aumentando a probabilidade de flambagem. Este trabalho propõe um modelo utilizando apenas a temperatura ambiente e a umidade relativa como variáveis de entrada, grandezas rotineiramente coletadas por estações meteorológicas convencionais, eliminando a dependência de redes complexas de sensores. Além disso, compara cinco algoritmos de aprendizado de máquina: Redes Neurais Artificiais (ANN), Regressão por Vetores de Suporte (SVR), Floresta Aleatória (RF), redes Long Short-Term Memory (LSTM) e XGBoost. Duas estratégias de previsão foram implementadas: um modelo global de longo prazo, treinado com dois anos de dados históricos, e um modelo de janela deslizante de curto prazo, com horizonte de até três horas. Os modelos foram treinados com dados ferroviários brasileiros de 2022–2023 e validados em um conjunto independente de 2024. A otimização de hiperparâmetros foi realizada via Optuna em estrutura de árvore. Os resultados indicam que o RF obteve a melhor precisão no horizonte de uma hora (R2 = 0,94; erro médio absoluto = 1,19 ◦C), enquanto a ANN se destacou na previsão de longo prazo (R2 = 0,87; erro médio absoluto = 2,2 ◦C). Assim, entende-se que a estratégia proposta demonstra acurácia competitiva com conjunto de entradas reduzido, oferecendo uma solução prática e escalável para redes ferroviárias com infraestrutura de monitoramento limitada.
Abstract: High rail temperatures pose significant risks to track integrity, increasing the likelihood of buckling. This study proposes a cost-effective, data-driven framework for rail temperature prediction using only ambient temperature and relative humidity as inputs, variables routinely collected by standard meteorological stations, thereby eliminating dependence on complex sensor arrays. Five machine learning algorithms were benchmarked: Artificial Neural Networks (ANN), Support Vector Regression (SVR), Random Forest (RF), Long Short-Term Memory networks (LSTM), and XGBoost. Two complementary prediction strategies were evaluated: a long-term global model trained on a two-year historical dataset, and a short-term sliding-window model predicting up to three hours ahead. Models were trained on Brazilian railway data from 2022–2023 and validated on an independent 2024 dataset. Hyperparameters were optimized via Optuna using a Tree-structured Parzen Estimator (TPE). Results demonstrate that ANN delivered the lowest long-term error (mean absolute error = 2.0978 ◦C; R2 = 0.8571), closely matched by XGBoost, which obtained the highest R2 (0.8652), while RF achieved the best short-term precision at the one-hour horizon (R2 = 0.9395; mean absolute error = 1.1944 ◦C). Despite the deliberately limited input set, the proposed framework achieves competitive accuracy, offering a practical solution for railway networks operating under limited monitoring infrastructure.
Keywords: Ferrovias
Aprendizado de máquina
Previsão de temperatura
Monitoramento estrutural
Flambagem de trilhos
Rail temperature
Track buckling
Railway safety
Time series forecasting
Feature reduction
Structural health monitoring
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil (PEC)
Access Type: Acesso Aberto
Attribution 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20554
Issue Date: 22-May-2026
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Civil (Dissertações)



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