¿Qué se estudia en la asignatura Modelos Predictivos y de Optimización de Estructuras de Hormigón?

El programa de la asignatura Modelos Predictivos y de Optimización de Estructuras de Hormigón se ha diseñado basándose en el programa presentado en el departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil por parte de la unidad docente de “Procedimientos de Construcción y Gestión de Obras”, al que está adscrita en la actualidad la asignatura, y aprobado por el Consejo del Departamento. Las líneas maestras de los contenidos se definieron previamente en la Memoria de Verificación del título oficial de “Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón por la Universitat Politècnica de València”. Se trata de una de las asignaturas de la materia “Análisis de estructuras de hormigón”, siendo obligatoria para todos los alumnos de esta titulación y se imparte en el primer cuatrimestre del primer curso. La asignación de créditos ECTS es de 5,0, repartidos en 3,0 créditos de teoría y 2,0 de prácticas, de acuerdo con el Plan de Estudios actualmente en vigor en el Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil.

Resultados de aprendizaje

Los resultados de aprendizaje de la asignatura se definen a partir de las competencias y de los contenidos (Yepes, 2017). Como resultado de aprendizaje general, al terminar con éxito esta asignatura, los estudiantes serán capaces de “comprender los diferentes métodos predictivos y procedimientos de optimización de estructuras de hormigón de modo que dispongan de las herramientas necesarias para la toma de decisiones en el ámbito del proyecto, construcción y mantenimiento de estas estructuras considerando los aspectos de sostenibilidad económica, social y ambiental”.

En relación con los resultados específicos de aprendizaje de la asignatura, tenemos los siguientes:

  • RA1    Seleccionar y aplicar las distintas técnicas procedentes de la estadística, de la investigación operativa y de la minería de datos en la toma de decisiones en el ámbito del hormigón
  • RA2    Modelizar un problema de optimización de una estructura de hormigón y resolverlo mediante algoritmos heurísticos secuenciales y poblacionales
  • RA3    Aplicar la inferencia estadística multidimensional para interpretar el comportamiento de las variables cualitativas y cuantitativas en el ámbito del hormigón
  • RA4    Formular modelos lineales de regresión múltiple e interpretar su validez límites predictivos
  • RA5    Emplear técnicas de diseño de experimentos para conocer los efectos principales y las interacciones entre los distintos factores que afectan a una variable de respuesta en el ámbito del hormigón
  • RA6    Optimizar el comportamiento de una estructura de hormigón utilizando la metodología de la superficie de respuesta
  • RA7    Aplicar redes neuronales artificiales en la predicción de sistemas altamente no lineales en el ámbito del hormigón
  • RA8    Aplicar técnicas de decisión multicriterio en la selección de la mejor tipología estructural considerando aspectos económicos, ambientales y sociales
  • RA9    Elegir la mejor opción de una frontera de Pareto tras aplicar técnicas de decisión multicriterio
  • RA10 Aplicar programas estadísticos avanzados, tales como SPSS o Minitab, y otros como Matlab, Sap y Excel en la predicción de variables de respuesta y en problemas de optimización en el ámbito del hormigón

 

Conocimientos previos

Los alumnos que cursan esta asignatura, tienen diversas procedencias: Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos, Ingeniería Industrial, Arquitectura, Ingeniería Agronómica, Licenciado en Químicas, Ingeniería Geológica, Ingeniería Técnica de Obras Públicas, Ingeniería Técnica Industrial, o los actuales grados en ingeniería civil, de obras públicas o máster en ingeniería de caminos, canales y puertos, entre otros. Además los alumnos, en un porcentaje significativo, proceden de universidades latinoamericanas o europeas. Como es fácil de comprender, los alumnos tienen formaciones muy diferentes, habiendo estudiado las asignaturas relacionadas con el hormigón, con los métodos numéricos o la estadística de forma muy diversa, con niveles de adquisición de conocimientos descompensados. Esta situación implica cierta nivelación en cada uno de los temas, de forma que se adquieran los niveles básicos de comprensión de los contenidos de forma progresiva con el objetivo que todos los alumnos adquieran las competencias y los resultados de aprendizaje previstos.

Según la Guía Docente de la asignatura, los conocimientos recomendados versarían sobre estadística y sobre lenguajes de programación (MATLAB, SPSS, MINITAB, SAP, etc.), aunque no son imprescindibles.  Además, resultan necesarios unos conocimientos básicos sobre el hormigón y su análisis como material estructural. Ello obliga al profesor a sintetizar el contenido previo para la correcta comprensión de la asignatura.

 

Programa resumido de la asignatura

La asignatura se desarrolla siguiendo un programa que tiene en cuenta los resultados de aprendizaje antes definidos, las actividades formativas y el sistema propuesto para la evaluación. Ello permite organizar la asignatura en 25 temas y sus prácticas de informática asociadas.

  • Tema 1. La investigación operativa y la toma de decisiones
  • Tema 2. La modelización de un problema estructural de hormigón
  • Tema 3. Algoritmos y problemas de decisión
  • Tema 4. Optimización y programación matemática
  • Tema 5. Optimización combinatoria y algoritmos heurísticos
  • Tema 6. Clasificación y uso de heurísticas y metaheurísticas
  • Tema 7. Búsqueda local de máximo gradiente
  • Tema 8. Recocido simulado, aceptación por umbrales y búsqueda tabú
  • Tema 9. Sistemas de inteligencia de enjambre
  • Tema 10. Programación evolutiva y estrategias evolutivas
  • Tema 11. Algoritmos genéticos y meméticos
  • Tema 12. GRASP, búsqueda dispersa y búsqueda de la armonía
  • Tema 13. Heurísticas de optimización multiobjetivo
  • Tema 14. Inferencia estadística bidimensional
  • Tema 15. Inferencia estadística multidimensional
  • Tema 16. Modelos lineales de regresión múltiple
  • Tema 17. Modelos de ecuaciones estructurales
  • Tema 18. Diseño de experimentos
  • Tema 19. Optimización mediante la metodología de superficie de respuesta
  • Tema 20. Modelos Kriging y diseños robustos
  • Tema 21. Redes neuronales artificiales
  • Tema 22. Programación genética y lógica difusa
  • Tema 23. La toma de decisiones en el ciclo de vida de una estructura de hormigón
  • Tema 24. Técnicas de decisión multicriterio continua
  • Tema 25. Técnicas de decisión multicriterio discreta

 

 

Los 25 temas se encuentran agrupados en 4 bloques temáticos. El primero de los bloques es introductorio. Consta de 5 temas que presentan al alumno la aplicación de las técnicas de la investigación científica en el ámbito de la toma de decisiones en las empresas a través de lo que se conoce como investigación operativa. Se introduce al alumno en la forma de abordar los problemas reales en el ámbito de las estructuras de hormigón a través de modelos de distinto tipo. Se describen los componentes básicos de un problema de optimización: función objetivo, variables de decisión, parámetros y restricciones. A continuación se describe el concepto de algoritmo y complejidad algorítmica para explicar las limitaciones de la programación matemática en la resolución de problemas reales, lo cual da paso a la introducción de los algoritmos heurísticos como aproximaciones en la búsqueda de óptimos locales de calidad en tiempos de cálculo razonables.

El segundo de los bloques se centra en la descripción y aplicación de la optimización heurística en las estructuras de hormigón. Se describe paso a paso tanto las técnicas de búsqueda secuencial de máximo gradiente y de “hill-climbing” como otras técnicas poblacionales basadas en los algoritmos genéticos o en la inteligencia de partículas. Este bloque termina con una explicación de la optimización multiobjetivo y la construcción de fronteras de Pareto de calidad en el caso de confluencia de funciones objetivo contrapuestas.

El bloque tercero se centra específicamente en los modelos predictivos de las estructuras de hormigón. Se hace un repaso de las técnicas de inferencia bidimensional y multidimensional para pasar a los modelos predictivos lineales, tanto los basados en regresiones múltiples como en los modelos de ecuaciones estructurales. Posteriormente se aborda el diseño de experimentos como técnicas estadísticas básicas en la predicción de los efectos principales y las interacciones de los distintos factores que afectan a un problema de hormigón. El estudio de los diseños factoriales lleva directamente al planteamiento de la metodología de la superficie de respuesta, que permite realizar la optimización de la respuesta. Tanto la metodología de la superficie de respuesta como los modelos Kriging o las redes neuronales, constituyen metamodelos que se explican como herramientas muy útiles para simplificar el espacio de soluciones de los problemas reales del hormigón estructural. En particular, los modelos Kriging permiten el diseño robusto óptimo, es decir, aquel que se comporta bien incluso ante cambios en las variables o en las condiciones de contorno. Para los sistemas altamente complejos, se explican las redes neuronales artificiales que, además, permiten su uso como metamodelos o como parte de un algoritmo heurístico de optimización. La programación genética y la lógica difusa también se explican en una lección como herramientas posibles en el ámbito de los modelos predictivos y cuando los parámetros o restricciones del problema no son determinísticos.

El cuarto bloque se dedica a la toma de decisión multicriterio en las estructuras de hormigón. A los alumnos se les explica cómo, antes de realizar una optimización multiobjetivo, es necesario seleccionar la mejor tipología estructural con base en criterios que no siempre son objetivos: economía, plazo, estética, medioambiente, aspectos sociales, durabilidad, etc. Se introducen las distintas técnicas de toma de decisión multicriterio y se comentan su empleo, incluso, para la obtención de pesos objetivos de criterios que pueden ser incluso subjetivo, o bien para la selección de la mejor opción dentro de una frontera de Pareto tras una optimización multiobjetivo.

En la Tabla siguiente se muestra el programa resumido de la asignatura “Modelos Predictivos y de Optimización de Estructuras de Hormigón” (T, Teoría; P, Prácticas informáticas), indicándose el número de horas asignadas a cada tema.

Referencias:

YEPES, V. (2017). Proyecto docente. Concurso de Acceso al Cuerpo de Catedráticos de Universidad. Universitat Politècnica de València, 642 pp.

 

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Palabras de Pedro Jaén en el Acto de Graduación del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón

El pasado miércoles 20 de diciembre de 2017 tuvo lugar el Acto de Graduación de la Promoción 2016-2018 del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón. En dicho acto, el Secretario del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, D. Pedro Ildefonso Jaén Gómez, dirigió unas palabras a los asistentes. Ha tenido la amabilidad de pasarme su discurso y, por su interés, y con su autorización, lo transcribo a continuación:

  • Muy buenas tardes, Sr. Director del Dpto. de Ingeniería de la Construcción, Sra. Directora del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, miembros de la comunidad Universitaria, señores y señoras, bienvenidos, bienvenidas a este acto de graduación de la promoción 2016-18 del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón. Soy Pedro Jaén, Secretario del DICPIC, y quisiera dirigirles unas palabras previas a la entrega de los Diplomas.
  • Nos encontramos en una muy buena universidad, la Politécnica de Valencia. Para sustentar esta afirmación, expondré algunos datos objetivos:

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Máster en Ingeniería del Hormigón: una apuesta europea

Cuando en el año 2008 me propusieron dirigir un flamante Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, lo afronté como un reto. En España, al igual que el resto de Europa, las universidades se encontraban en pleno proceso de adaptación al Espacio Europeo de Educación Superior, derivado de la Declaración de Bolonia. En este proceso, a veces difícil de entender por parte del profesorado universitario, supone un auténtico cambio en la forma de entender y afrontar las enseñanzas universitarias. En relación con la enseñanza de posgrado, no era complicado encontrar cursos de especialización y másteres, impartidos dentro y fuera del ámbito universitario. En muchos casos, el reconocimiento al título al que se llegaba se asociaba sólo a la universidad que lo otorgaba.

En el caso del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón su inicio, en el año 2007, se encuentra en la transformación de una parte significativa de las asignaturas impartidas en el Programa de Doctorado del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universidad Politécnica de Valencia. Este Programa de Doctorado en Ingeniería de la Construcción cuenta con Mención hacia la Excelencia. Resulta interesante comprobar que en el ámbito internacional, no existía ni un sólo Máster en lengua española dirigido exclusivamente a la ciencia y tecnología del hormigón, entendida en su sentido más amplio. Al principio el Máster arrancó con 60 créditos ECTS, aunque en la actualidad es un posgrado de 90 ECTS. Sigue dependiendo del Departamento de Ingeniería de la Construcción, aunque la inmensa mayoría de sus profesores pertenecen a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Valencia. Es un Máster de tipo presencial, con un número de alumnos que oscila entorno a 20-30, lo cual permite una docencia de alta calidad.

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El Máster se verificó oficialmente en el año de 2009 por parte de la Agència Valenciana d’Avaluació y Prospectiva (AVAP), habiéndose renovado dicha verificación en este año 2014. Sin embargo, el reto fue afrontar un proceso, de análisis profundo y pormenorizado, para conseguir la acreditación para conseguir el sello EUR-ACE(C). Este sello es una acreditación de calidad concedida por una agencia autorizada por la European Network for Accreditation of Engineering Education (ENAEE) a una universidad respecto a un título específico de Ingeniería de grado o máster evaluado según una serie de estándares definidos, de acuerdo con los principios de calidad, relevancia, transparencia, reconocimiento y movilidad contemplados en el Espacio Europeo de Educación Superior. El pasado julio, el Consejo de Administración de la ENAEE concedió a la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación (ANECA) junto con el Instituto de la Ingeniería de España (IIE), la autoridad para evaluar y otorgar el sello EUR-ACE a títulos de grado y máster en Ingeniería. Los primeros sellos EUR-ACE en España son los que se entregan en la jornada del 29 de septiembre, en la que participan, entre otros, Rafael van Grieken, director de ANECA; Manuel Moreu, presidente del Instituto de la Ingeniería de España; y Bernard Remaud, presidente de ENAEE.

Viaje Barcelona 2011Para nosotros, alumnos y profesores, es un auténtico privilegio estar entre los primeros nueve Títulos en Ingeniería acreditados con este sello de calidad. El camino no ha sido fácil, os lo puedo asegurar. Ha sido muy duro convencer a la Comisión de Acreditación de que nuestro Máster presenta la elevada calidad que han exigido. Nuestros puntos fuertes, profesorado e instalaciones, han empujado en este sentido. En este momento nos quedan retos por afrontar, puesto que esta acreditación hay que afianzarla en los próximos años.

Parece evidente que, ante una proliferación y falta de claridad en la oferta de títulos universitarios en el ámbito español y europeo, este tipo de verificaciones pueden discriminar y poner cierto orden, estableciendo cierta jerarquía y propiciando que los mejores alumnos estén informados y cursen aquellos títulos que les aporten mayor valor añadido. El tiempo nos dirá hasta qué punto estas iniciativas han tenido éxito.

Os dejo un vídeo donde se da la noticia: