Categoría: algoritmo

¿Qué es la optimización por cristalización simulada?

La cristalización simulada (también llamado recocido simulado) “Simulated Annealing, SA” constituye una de las estrategias a las que se recurre en la resolución de los problemas de optimización combinatoria. Kirkpatrick, Gelatt y Vecchi la propusieron por primera vez en 1983, y Cerny la propuso de forma independiente en 1985. Estos autores se inspiraron en los trabajos de Metrópolis et al. (1953) sobre Mecánica Estadística. La metaheurística despliega una estructura que se inserta cómodamente en la programación y, además, muestra una considerable habilidad para escapar de los óptimos locales. Fue una técnica que experimentó un auge considerable en la década de los 80 para resolver problemas de optimización mediante modelos matemáticos.

La energía de un sistema termodinámico se compara con la función de coste evaluada para una solución admisible de un problema de optimización combinatoria. En ambos casos se trata de evolucionar de un estado a otro de menor energía o coste. El acceso de un estado metaestable a otro se alcanza introduciendo “ruido” mediante un parámetro de control, denominado temperatura. Su reducción adecuada permite, con una probabilidad elevada, que un sistema termodinámico adquiera un mínimo global de energía. Conceptualmente, es un algoritmo de búsqueda por entornos que selecciona candidatos de forma aleatoria. La alternativa se aprueba si perfecciona la solución actual (D ≤ 0); en caso contrario, será aceptada con una probabilidad e^(-D/T), donde T es el parámetro de temperatura, si D > 0. El proceso se repite cuando la propuesta no es admitida. La selección aleatoria de soluciones degradadas permite eludir los mínimos locales. La cristalización simulada se codifica fácilmente, incluso en problemas complejos y con funciones objetivo arbitrarias. Además, independientemente de la solución inicial, el algoritmo converge estadísticamente a la solución óptima (Lundy y Mees, 1986). En cualquier caso, SA suele ofrecer soluciones valiosas, aunque no informa si ha alcanzado el óptimo absoluto. Por contra, al ser un procedimiento general, en ocasiones no resulta competitivo, aunque sí comparable, frente a otros específicos que aprovechan información adicional del problema. El algoritmo es lento, especialmente si la función objetivo es costosa en términos de tiempo de computación. Además, la cristalización simulada pierde terreno frente a otros métodos más simples y rápidos, como el descenso local, cuando el espacio de las soluciones es poco abrupto o escasean los mínimos locales.

Os dejo un vídeo explicativo:

Referencias

CERNY, V. (1985). Thermodynamical approach to the traveling salesman problem: an efficient simulated algorithm. Journal of Optimization Theory and Applications, 45: 41-51.

KIRKPATRICHK, S.; GELATT, C.D.; VECCHI, M.P. (1983). Optimization by simulated annealing. Science, 220(4598): 671-680.

LUNDY, M.; MEES, A. (1986). Convergence of an Annealing Algorithm. Mathematical programming, 34:111-124.

METROPOLIS, N.; ROSENBLUTH, A.W.; ROSENBLUTH, M.N.; TELLER, A.H.; TELER, E. (1953). Equation of State Calculation by Fast Computing Machines. Journal of Chemical Physics, 21:1087-1092.

GONZÁLEZ-VIDOSA-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; CARRERA, M.; PEREA, C.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I. (2008) Optimization of Reinforced Concrete Structures by Simulated Annealing. TAN, C.M. (ed): Simulated Annealing. I-Tech Education and Publishing, Vienna, pp. 307-320. (link)

¿Es fácil optimizar estructuras de hormigón?

Es más, ¿es posible que un ordenador diseñe de forma automática estructuras óptimas sin darle ninguna pista ni información previa? Estoy convencido de que a la vuelta de un par de años, todos los programas comerciales tendrán paquetes de optimización estructural que permitirán reducciones de coste del 5 al 15% respecto a los programas actuales. Ya os adelanto que esta nueva tecnología va a traer consigo nuevas patologías en las estructuras de hormigón, que, con la optimización, se parecen más a las estructuras metálicas. Con el tiempo habrá que introducir capítulos o restricciones en las futuras versiones de la EHE o de los Eurocódigos. En este post continuamos comentando aspectos relacionados con la modelización matemática, la optimización combinatoria, las metaheurísticas y los algoritmos.

Toda esta aventura la empezamos en el año 2002, con el primer curso de doctorado sobre optimización heurística en la ingeniería civil, que luego hemos ido ampliando y mejorando en el actual Máster Oficial en Ingeniería del Hormigón. Ya tenemos varias tesis doctorales y artículos científicos al respecto para quienes de vosotros estén curiosos o interesados en el tema. Para aquellos que queráis ver algunas aplicaciones concretas, os recomiendo el siguiente capítulo del libro que escribimos sobre la optimización de distintas estructuras mediante un algoritmo tan simple como la cristalización simulada. Para quienes tengan más curiosidad, os dejo algunas publicaciones de nuestro grupo de investigación en el apartado de referencias.

Os paso, para abrir la boca, una forma sencilla de optimizar a través de este Polimedia. Espero que os guste.

Referencias:

  • MOLINA-MORENO, F.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Carbon embodied optimization for buttressed earth-retaining walls: implications for low-carbon conceptual designs. Journal of Cleaner Production, 164:872-884. https://authors.elsevier.com/a/1VLOP3QCo9NDzg 
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M.; YANG, D.Y. (2017). Lifetime Reliability-Based Optimization of Post-Tensioned Box-Girder Bridges. Engineering Structures, 145:381-391. DOI:10.1016/j.engstruct.2017.05.013 OPEN ACCESS
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150. doi: 10.1007/s00158-017-1653-0
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI: 10.1016/j.acme.2017.02.006
  • MOLINA-MORENO, F.; GARCÍA-SEGURA; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Optimization of Buttressed Earth-Retaining Walls using Hybrid Harmony Search Algorithms. Engineering Structures, 134:205-216. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.12.042
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety. Engineering Structures, 125:325-336. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.07.012.
  • MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.02.024
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.03.015 (link)
  • LUZ, A.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; MARTÍ, J.V. (2015). Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540), e114. DOI: 10.3989/ic.14.089
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058 (descargar versión autor)
  • YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MORENO-JIMÉNEZ, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. doi:10.1016/j.acme.2015.05.001
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.10.013 (link)
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2014). Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures,  11(7):1190 – 1205. ISSN: 1679-7817. (link)
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; LUZ, A. (2013). Diseño automático de tableros óptimos de puentes de carretera de vigas artesa prefabricadas mediante algoritmos meméticos híbridos. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2013.04.010.
  • TORRES-MACHÍ, C.; YEPES, V.; ALCALA, J.; PELLICER, E. (2013). Optimization of high-performance concrete structures by variable neighborhood search. International Journal of Civil Engineering, 11(2):90-99 . ISSN: 1735-0522. (link)
  • MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. (link)
  • MARTINEZ-MARTIN, F.J.; GONZALEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2012). Multi-objective optimization design of bridge piers with hybrid heuristic algorithms. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering, 13(6):420-432. DOI: 10.1631/jzus.A1100304. ISSN 1673-565X (Print); ISSN 1862-1775 (Online).  (link)
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2013). Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing. Engineering Structures, 48:342-352. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.09.014. ISSN: 0141-0296.(link)
  • YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J.; VILLALBA, P. (2012). CO2-Optimization Design of Reinforced Concrete Retaining Walls based on a VNS-Threshold Acceptance Strategy. Journal of Computing in Civil Engineering ASCE, 26 (3):378-386. DOI: 10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000140. ISNN: 0887-3801. (link)
  • CARBONELL, A.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2011). Búsqueda exhaustiva por entornos aplicada al diseño económico de bóvedas de hormigón armado. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 27(3):227-235.  (link) [Global best local search applied to the economic design of reinforced concrete vauls]
  • CARBONELL, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V. (2011). Heuristic optimization of reinforced concrete road vault underpasses. Advances in Engineering Software, 42(4): 151-159. ISSN: 0965-9978.  (link)
  • MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A. (2011). Estudio paramétrico de pilas para viaductos de carretera. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 27(3):236-250. (link)
  • MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; ALCALÁ, J. (2011). Design of tall bridge piers by ant colony optimization. Engineering Structures, 33:2320-2329.
  • PEREA, C.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2010). A parametric study of optimum road frame bridges by threshold acceptance. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 17(6):427-437. ISSN: 0971-4588.  (link)
  • PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A. (2010). On the Weibull cost estimation of building frames designed by simulated annealing. Meccanica, 45(5): 693-704. DOI 10.1007/s11012-010-9285-0. ISSN: 0025-6455.  (link)
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2010). Design of prestressed concrete precast pedestrian bridges by heuristic optimization. Advances in Engineering Software, 41(7-8): 916-922. http://dx.doi.org/10.1016/j.advengsoft.2010.05.003
  • MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2010). Heuristic Optimization of RC Bridge Piers with Rectangular Hollow Sections. Computers & Structures, 88: 375-386. ISSN: 0045-7949.  (link)
  • PAYÁ, I.; YEPES, V.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2009). CO2-Efficient Design of Reinforced Concrete Building Frames. Engineering Structures, 31: 1501-1508. ISSN: 0141-0296. (link)
  • YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PEREA, C.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2008). A Parametric Study of Optimum Earth Retaining Walls by Simulated Annealing. Engineering Structures, 30(3): 821-830. ISSN: 0141-0296.  (link)
  • PEREA, C.; ALCALÁ, J.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A. (2008). Design of Reinforced Concrete Bridge Frames by Heuristic Optimization. Advances in Engineering Software, 39(8): 676-688. ISSN: 0965-9978.  (link)
  • PAYÁ, I.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A. (2008). Multiobjective Optimization of Reinforced Concrete Building Frames by Simulated Annealing. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 23(8): 596-610. ISSN: 1093-9687.  (link)
  • PAYÁ, I.; YEPES, V.; CLEMENTE, J.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2006). Optimización heurística de pórticos de edificación de hormigón armado. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 22(3): 241-259. [Heuristic optimization of reinforced concrete building frames]. (link)

Diseño óptimo sostenible de muros de contrafuertes

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo en el que se estudia el diseño de muros de contrafuertes optimizados para reducir sus emisiones de CO2. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE, en la que se pretende optimizar las estructuras atendiendo no solo a su coste, sino también al impacto ambiental que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

This paper shows the differences in the design of a reinforced concrete structure when two objectives are considered: minimizing economic cost and CO2 emissions. Both objectives depend on the amount of two high-carbon-intensive materials: cement in the concrete and steel; therefore, these objectives are related. As the balance between steel and cement per m3 of concrete depends on several factors, such as the type of structure, this study focuses on buttressed earth-retaining walls. Another factor that determines the balance between steel and concrete is the wall’s height. Thus, the methodology employs a parametric study of optimal designs for buttressed earth-retaining walls, with the wall height as one parameter. One objective is to show the variation in cost when CO2 is minimized while respecting economic constraints. The findings show that wall elements under bending-compressive strains (i.e., the buttressed retaining wall stem) behave differently depending on the target function. On the one hand, the study reveals an upward trend in steel per unit volume of concrete in emission-optimized earth-retaining buttressed walls compared to cost-optimized ones. On the other hand, it is observed that, unlike cost-optimized walls, emission-optimized walls use a higher concrete class than the minimum available. These findings indicate that emission-optimized walls penalize not only concrete volume but also cement content, to the extent that a higher concrete class outperforms in terms of reduced emissions. Additionally, the paper outlines how and to what extent the design of this typology varies across the two analyzed objectives in terms of geometry and material quantity. Some relevant differences influencing the geometry of design strategies are found.

Keywords:

Carbon emission; CO2; earth-retaining wall; reinforced concrete; Harmony search; Threshold accepting

Reference:

MOLINA-MORENO, F.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Carbon embodied optimization for buttressed earth-retaining walls: implications for low-carbon conceptual designs. Journal of Cleaner Production, 164:872-884.

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Algunas conclusiones obtenidas del proyecto BRIDLIFE sobre puentes postesados en cajón

A punto de terminar el proyecto de investigación BRIDLIFE, a continuación se exponen algunas conclusiones de interés fruto de dicho proyecto y de la tesis doctoral y publicaciones de la profesora Tatiana García Segura. Son pequeñas «píldoras» de conocimiento que pueden ser de interés para proyectistas e investigadores relacionados con los puentes, el hormigón, la sostenibilidad y la optimización. Son las siguientes:

  1. A pesar de la reducción de durabilidad por carbonatación y la menor captura de CO2, los cementos con adiciones resultan beneficiosos desde el punto de vista ambiental [1].
  2. Mientras el uso del hormigón reciclado como árido afecta a las propiedades del hormigón y requiere en muchos casos un incremento en el contenido de cemento, la reutilización del hormigón como material granular de relleno permite una completa carbonatación del hormigón que reduce las emisiones de CO2 [1].
  3. Se puede mejorar la seguridad estructural de los puentes en cajón con un pequeño incremento de coste siempre que se escojan las variables adecuadas [2]. Este incremento de coste no es constante para todos los niveles de seguridad. Se pueden establecer diferentes puntos, a partir de los cuales resulta más caro mejorar la seguridad estructural [2].
  4. No se aconseja aumentar el espesor de la losa superior para mejorar la seguridad de los puentes en cajón, ya que ello conlleva un aumento de peso innecesario [2]. Sin embargo, el espesor de las alas en el arranque es un aspecto clave para mejorar la flexión transversal [2].
  5. A pesar de que se ha considerado la inclinación del alma como variable de optimización, su valor óptimo apenas difiere para distintos valores de seguridad.  Esto se debe a que tanto el canto como el ancho de inclinación del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad estructural [2].
  6. El uso de hormigón de alta resistencia en puentes no muestra ventajas económicas a corto plazo, pues las restricciones de servicio y armadura mínima no permiten reducir el canto y la cantidad de armadura [2]. Sin embargo, el hormigón de alta resistencia retrasa el inicio de la corrosión [3] y mejora el rendimiento estructural una vez se ha iniciado la corrosión [4]. Si se diseñan estructuras con hormigones de alta resistencia se consiguen mejores resultados durante el ciclo de vida que con diseños que tienen mayores recubrimientos, a pesar de tener el mismo inicio de corrosión [4].
  7. Los diseños que tienen una mayor durabilidad tienen un mayor coste inicial pero un menor coste de ciclo de vida [4].
  8. Los resultados muestran que tanto la optimización del coste como de las emisiones de CO2 reducen el consumo de material. Por tanto, la optimización del coste es una buena estrategia para conseguir estructuras más ecológicas [2,5,6].
  9. Para gestionar el mantenimiento de las estructuras de forma sostenible se debe tener en cuenta tanto el coste y las emisiones de reparación, como el impacto que produce el desvío de tráfico sobre los usuarios de la vía [4].
  10. La optimización del mantenimiento indica que no se debe optimizar cada superficie por separado, sino que se debe coordinar el mantenimiento de todas las superficies para reducir el coste y las emisiones que ocasiona el desvío del tráfico [4].

Referencias:

[1]          T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, Life cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability, Int. J. Life Cycle Assess. 19 (2014) 3–12. doi:10.1007/s11367-013-0614-0.

[2]         T. García-Segura, V. Yepes, Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety, Eng. Struct. 125 (2016) 325–336. doi:10.1016/j.engstruct.2016.07.012.

[3]         T. García-Segura, V. Yepes, D.M. Frangopol, Multi-objective design of post-tensioned concrete road bridges using artificial neural networks, Struct. Multidiscip. Optim. 56 (2017) 139–150. doi:10.1007/s00158-017-1653-0.

[4]         T. García-Segura, V. Yepes, D.M. Frangopol, D.Y. Yang, Lifetime reliability-based optimization of post-tensioned box-girder bridges, Eng. Struct. 145 (2017) 381–391. doi:10.1016/j.engstruct.2017.05.013.

[5]         T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López, Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges, Eng. Struct. 92 (2015) 112–122. doi:10.1016/j.engstruct.2015.03.015.

[6]         J.V. Martí, T. García-Segura, V. Yepes, Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy, J. Clean. Prod. 120 (2016) 231–240. doi:10.1016/j.jclepro.2016.02.024.

Optimización multiobjetivo basada en fiabilidad del ciclo de vida de un puente en cajón postesado

Fuente: http://www.freyssinet.es/wp/?cat=3

Os presentamos un artículo, que se ha editado en formato abierto, donde se ha realizado la optimización a lo largo de su ciclo de vida de un puente en cajón postesado basándose en fiabilidad. Para ilustrar la metodología, se ha utilizado como ejemplo un puente situado en una zona costera y, por tanto, sometido a la corrosión por ambiente marino. Se ha optimizado el puente con múltiples objetivos simultáneos: el coste, las emisiones totales de CO₂ (incluyendo la recarbonatación), el inicio de la propagación de la corrosión y la seguridad. Primero se ha construido una frontera de Pareto con todas las soluciones óptimas con los múltiples objetivos y luego se ha estudiado el mantenimiento del puente, optimizando este mantenimiento atendiendo a criterios económicos, sociales y ambientales. Este artículo se enmarca dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE. Espero que os sea de interés el artículo, que lo podéis descargar gratuitamente y compartir sin problemas (open-access).

Referencia:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M.; YANG, D.Y. (2017). Lifetime Reliability-Based Optimization of Post-Tensioned Box-Girder Bridges. Engineering Structures, 145:381-391. DOI:10.1016/j.engstruct.2017.05.013

 

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Diseño automático de puentes pretensados con algoritmos heurísticos

Acaban de publicarnos un artículo donde se utilizan cuatro algoritmos heurísticos: Descent Local Search, Threshold Accepting Algorithm with Mutation Operation, Genetic Algorithm y Memetic Algorithm para el diseño automático de puentes pretensados.

Se puede descargar gratuitamente este artículo hasta el 10 de junio de 2017 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/a/1UwC15s1QSxbmc

Referencia: 

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI: 10.1016/j.acme.2017.02.006

Abstract:

This paper deals with the cost optimization of road bridges consisting of concrete slabs prepared in situ and two precast-prestressed U-shaped beams of self-compacting concrete. It shows the efficiency of four heuristic algorithms applied to a problem of 59 discrete variables. The four algorithms are the Descent Local Search (DLS), a threshold accepting algorithm with mutation operation (TAMO), the Genetic Algorithm (GA), and the Memetic Algorithm (MA). The heuristic optimization algorithms are applied to a bridge with a span length of 35 m and a width of 12 m. A performance analysis is run for the different heuristics, based on a study of Pareto optimal solutions between execution time and efficiency. The best results were obtained with TAMO for a minimum cost of 104184 euros. Among the key findings of the study, the practical use of these heuristics in real cases stands out. Furthermore, the knowledge gained from the investigation of the algorithms allows a range of values for the design optimization of such structures and pre-dimensioning of the variables to be recommended.

Keywords:

Optimization; Metaheuristics; Bridges; Overpasses; Structural design

 

Limitación y distribución de recursos en la programación de obras

Toda actividad necesita recursos para ejecutarse. La programación de los recursos disponibles constituye un tema crucial para lograr que la obra esté finalizada en los plazos y costes establecidos. Consiste en asociar los recursos a sus tareas respectivas y ver cómo se ensamblan en el conjunto de la obra. Se emplea para ello una representación gráfica de los recursos necesarios a lo largo del tiempo; recibe el nombre de diagrama de carga. Estos histogramas proporcionan un medio gráfico eficaz para observar su evolución temporal y para analizar los períodos de carencia previsibles por superposición con los diagramas de recursos disponibles (véase la figura).

La limitación de recursos en la realización de una obra provoca conflictos que pueden resolverse mediante métodos de nivelación y de asignación. Los primeros laminan el diagrama de cargas sin producir retrasos en el plazo programado. Los métodos de asignación, por otra parte, pretenden que los recursos necesarios no superen los disponibles, pero con la condición de que el retraso provocado sea el mínimo posible. Con ayuda de las diversas técnicas de redes, se habrá establecido un camino crítico y unas holguras para cada una de las actividades. La prioridad en la asignación de los recursos será mayor cuanto menor sea la holgura disponible para cada una de las actividades.

Dada la dificultad de resolver estos problemas, se suelen utilizar métodos heurísticos que proporcionan soluciones suficientemente buenas con tiempos de cálculo razonables. El método de Burgess-Killebrew para la nivelación, o el método de Wiest-Levy para la asignación de recursos constituyen algunos ejemplos de heurísticas.

El algoritmo de Burgess-Killebrew es uno de los algoritmos pioneros en este campo; está considerado también como uno de los más eficientes. El diagrama de carga del recurso busca la actividad no crítica que tenga la fecha temprana de finalización más avanzada. Esta actividad retrasa su finalización unidad a unidad de tiempo hasta agotar su holgura. Se elige como fecha más temprana de finalización de la actividad la que haga mínima la suma de los cuadrados de las cargas. Se repite esta pauta con todas las tareas no críticas, teniendo prioridad aquella actividad que posea mayor holgura, en caso de que la fecha temprana de finalización más avanzada de dos tareas coincida. Una vez realizado con todas, se vuelve a iniciar un nuevo ciclo de iteraciones hasta que finalizada una iteración no resulte posible disminuir la suma de los cuadrados de las cargas.

El algoritmo de Wiest-Levy se sustenta en la programación de las actividades que puedan ejecutarse con los recursos disponibles. No obstante, esta programación puede ser revisada en posteriores iteraciones. Cuando la carga es superior a las disponibilidades, se recurre a retrasar alguna actividad, eligiendo entre las no críticas, la que resuelva el problema con el menor retraso. Si existen dos actividades que reúnen las mismas condiciones, se retrasa primero la de mayor holgura, con lo que las actividades críticas se retrasan cuando no hay otra opción.

Referencias:

PELLICER, E.; YEPES, V. (2007). Gestión de recursos, en Martínez, G.; Pellicer, E. (ed.): Organización y gestión de proyectos y obras. Ed. McGraw-Hill. Madrid, pp. 13-44. ISBN: 978-84-481-5641-1.

PELLICER, E.; YEPES, V.; TEIXEIRA, J.C.; MOURA, H.P.; CATALÁ, J. (2014). Construction Management. Wiley Blackwell, 316 pp. ISBN: 978-1-118-53957-6.

YEPES, V.; PELLICER, E. (2008). Resources Management, in Pellicer, E. et al.: Construction Management. Construction Managers’ Library Leonardo da Vinci: PL/06/B/F/PP/174014. Ed. Warsaw University of Technology, pp. 165-188. ISBN: 83-89780-48-8.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Sostenibilidad del mantenimiento de carreteras bajo presupuestos restrictivos

Foto: laseda.accionistas.es

¿Es posible un mantenimiento sostenible de las carreteras cuando apenas existen presupuestos para ello?

A continuación os dejo el enlace a un artículo científico que nos acaban de publicar donde se muestra la posibilidad de utilizar técnicas de optimización heurística para conseguirlo.

 

 

 

 

 

Puedes solicitar una copia gratuita de este artículo en la siguiente dirección: https://www.researchgate.net/publication/312598336_Towards_a_sustainable_optimization_of_pavement_maintenance_programs_under_budgetary_restrictions

 

Referencia: 

TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652617301142

Abstract:

Transport sector constitutes the second largest source of global greenhouse gas (GHG) emissions, being the road transportation the main contributor of these emissions. Efforts in the road sector have traditionally focused on vehicle emissions and infrastructure is typically not included in the emissions account. Road environmental impact is estimated to increase by 10% if the stages of road design, construction, and operation were considered. Previous literature has widely study sustainable practices in pavement design and construction, with little attention paid to maintenance. Current state of practice reveals that pavement managers barely consider environmental performance and their evaluations solely rely on technical and economic criteria. This situation creates the need to incorporate, in an integrated manner, technical, economic, and environmental aspects in the design of maintenance programs. The main objective of this research is to develop a tool for the optimal design of sustainable maintenance programs. Given a maintenance budget, the tool aims to maximize the long-term effectiveness of the network while minimizing GHG emissions derived from the application of maintenance treatments. The capability of the proposed tool is analyzed in a case study dealing with an urban pavement network. In comparison to the traditional maintenance policy, the proposed tool designs maintenance programs that increase the average network condition by up to 22% and reduces GHG emissions by 12%. This application also analyzes the effect of different budgetary scenarios in the technical and environmental performance of the network. This application helps pavement managers in the trade-off between budget and network performance.

Keywords:

  • Greenhouse gas emissions;
  • Long-term effectiveness;
  • Optimization;
  • Sustainability;
  • Pavement management;
  • Sensitivity analysis

¿Qué es y para qué sirve una red neuronal artificial?

Parece que hoy, al igual que hace algunos milenios, la profesión de «oráculo» es una de las más demandadas, especialmente cuando se afrontan tiempos difíciles y el ser humano pretende predecir qué va a pasar para tomar la decisión correcta. Una de las profesiones de más futuro, según algunos, es la relacionada con el «Big Data«. Pues bien, este post trata de introducir, de forma muy somera, una herramienta extraordinariamente potente para predecir relaciones fuertemente no lineales a partir de grandes volúmenes de datos. También es una herramienta que, mal empleada, nos engaña. Todo empezó cuando nuestro Premio Nobel Santiago Ramón y Cajal comenzó a describir nuestro sistema nervioso.
Las redes de neuronas artificiales (denominadas habitualmente como RNA o en inglés como «ANN») son un paradigma de aprendizaje y procesamiento automático inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se trata de un sistema de interconexión de neuronas que colaboran entre sí para generar un estímulo de salida. En inteligencia artificial es frecuente referirse a ellas como redes de neuronas o redes neuronales. Forman parte de los denominados «Sistemas Inteligentes«, dentro de la rama de la Inteligencia Artificial.

Nuestro grupo de investigación ha publicado algunos artículos empleando esta herramienta en el ámbito del hormigón:

  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150. DOI:1007/s00158-017-1653-0
  • MARTÍ-VARGAS, J.R.; FERRI, F.J.; YEPES, V. (2013). Prediction of the transfer length of prestressing strands with neural networks. Computers and Concrete, 12(2):187-209. DOI: http://dx.doi.org/10.12989/cac.2013.12.2.187.

Un tutorial muy interesante sobre este tema es: http://www.gc.ssr.upm.es/inves/neural/ann2/anntutorial.html , así como el siguiente: http://sabia.tic.udc.es/mgestal/cv/RNAtutorial/index.html

 

Red neuronal. https://blog.walthercuro.com/crear-tu-primera-red-neuronal-artificial/

¿Queréis usar una red neural en línea? Os paso el siguiente enlace: http://playground.tensorflow.org/

También os dejo unos cuantos vídeos que pueden complementar la información sobre el tema. Espero que os gusten.

Este programa de Redes creo que puede ampliar algo más la filosofía subyacente del aprendizaje y la inteligencia:

También dejo una presentación de clase sobre el tema:

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Diseño heurístico óptimo de puentes artesa y puentes losa

Viaducto St. Cloud, Francia – 2000. http://vslmex.com.mx/

En estos momentos es posible automatizar completamente el diseño óptimo de puentes usando algoritmos heurísticos. A continuación os dejo, en abierto, un capítulo de libro en el que se explica tanto la optimización de un puente de vigas artesas prefabricado como otro construido «in situ» como losa de hormigón postesado. Se trata de un trabajo incluido dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE. Este tipo de técnicas acabarán imponiéndose en unos años en los paquetes informáticos de cálculo. Sin embargo, resulta muy importante resaltar que el proyectista es el que tiene la última palabra en el diseño.

Referencia:

Martí, J.V.; Alcalá, J.; García-Segura, T.; Yepes, V. (2016). Heuristic design of a precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges. In: Hernández, S.; Brebbia, C.A.; de Wilde, W.P. (eds.), High Performance and Optimum Design of Structures and Materials II. WIT Transactions on The Built Environment, Vol. 166. WIT Press, pp. 17-28. ISBN: 978-1-78466-143-4.

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