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Enregistrement W4415139051 · doi:10.2118/228194-ms

Stop Using Convolutional Neural Networks: Knowledge Distillation for an Interpretable and Lightweight Decision Tree in Rod Pump Working Condition Diagnosis

2025· article· en· W4415139051 sur OpenAlexaff
Qiangqiang Mao, Yang Xiao, Jianxing Yang, Yankai Cao

Notice bibliographique

RevueSPE Annual Technical Conference and Exhibition · 2025
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueOil and Gas Production Techniques
Établissements canadiensUniversity of CalgaryUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésDecision treeLeverage (statistics)Convolutional neural networkTree (set theory)Field (mathematics)Decision tree learningFeature (linguistics)Incremental decision treePruning

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Recent studies on rod pump working condition diagnosis have heavily relied on convolutional neural networks (CNN) for dynamometer card classification, largely due to CNNs’ success in extensive image recognition tasks. However, these models often depend on over-parameterized architectures with millions or even billions of parameters, making them unsuitable for deployment on edge devices or embedded systems with limited computational resources and energy budgets. Their large size also results in slow prediction speed, hindering real-time fault detection in field operations. Furthermore, the black-box nature of CNNs compromises interpretability, making it difficult for field operators to understand and trust the predictions. Given these limitations, decision trees present an appealing alternative due to their lightweight structure, inherent interpretability, and ease of use. Yet traditional decision trees, such as CART, suffer from a significant accuracy gap compared to CNN, particularly in image classification tasks without effective feature extraction, and thus are rarely used. This work addresses the issue by first significantly improving the accuracy of traditional decision trees through a novel tree reformulation and gradient-based entire tree optimization, avoiding the suboptimal tree model induced by the traditional greedy optimization. Built upon our optimized decision tree, we subsequently leverage knowledge distillation to further boost its image classification accuracy, allowing the tree to inherit the knowledge or learning capability of a well-trained CNN model. Experiments on two representative dynamometer card datasets demonstrate the effectiveness of our approach. Our decision tree achieves 5.32% higher accuracy than traditional CART, and knowledge distillation brings an additional 4% improvement on average, reaching accuracy comparable to CNN-based models such as ResNet-50 and Vision Transformer (ViT). Moreover, our tree model uses only 64 IF-THEN rules to connect input images with final predictions in contrast to 4,096 rules in CART, thus ensuring interpretability and transparency. Our tree model contains only 49,457 parameters, significantly fewer than 24 million in ResNet-50 and 86 million in ViT, and achieves at least a 13,000 times speedup in prediction time over ResNet and 33,000 times over ViT. This optimal balance of competitive accuracy, lightweight structure and interpretability, combined with our open-source code, makes our method a practical and reliable alternative to heavy black-box CNN classifiers for real-time deployment in dynamometer cards as well as other image classification tasks.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,011
Score d'incertitude au seuil0,021

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0020,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,024
Tête enseignante GPT0,294
Écart entre enseignants0,270 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2025
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Résumé présentoui

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