algoritmo archivos - Página 20 de 21 - El blog de Víctor Yepes

Lecciones aprendidas en la optimización de estructuras de hormigón y la sostenibilidad

Hoy empieza el VI Congreso Internacional de Estructuras ACHE en Madrid. Es un buen momento para reflexionar sobre las lecciones aprendidas en optimización de estructuras de hormigón y su sostenibilidad. Son reflexiones fruto del trabajo de los últimos 8 años de investigación que permiten establecer algunas conclusiones que creo son de interés para los que nos dedicamos a la ingeniería civil, y en particular, a la investigación sobre el hormigón estructural y las infraestructuras en general.

Toda esta aventura empezó con la lectura de mi tesis doctoral, en el año 2002, sobre optimización de redes de transporte. Elegí este tema al ser profesor de la asignatura de Procedimientos de Construcción y estar interesado en profundizar en aspectos como el movimiento de tierras y la modelización del transporte. La realización de esta tesis me permitió adentrarme en un mundo desconocido para mí que era la optimización heurística y la inteligencia artificial. A pesar de las novedades que presentó la tesis y las publicaciones posteriores, me di cuenta que traspasar la frontera entre el mundo de las ideas a la realidad cotidiana del transporte suponía un reto de un alcance superior: la toma de decisiones en tiempo real en las rutas de distribución requería una actualización constante de gran cantidad de datos: tráfico, congestión, demanda de clientes, stocks, costes variables, etc. El problema no era la optimización, sino la gestión de cantidades masivas de datos que se actualizaban permanentemente.

Sin embargo en aquel entonces me di cuenta de las grandes posibilidades de utilizar estar herramientas en un campo que ha resultado fructífero: las estructuras de hormigón. En efecto, a partir del año 2003 empecé a impartir una asignatura de doctorado novedosa: «Optimización heurística en la ingeniería«, que posteriormente acabó en el Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón llamándose «Optimización heurística de estructuras de hormigón», de 3 créditos, y que ha acabado en una asignatura de mayor calado denominada «Modelos predictivos y optimización de estructuras de hormigón«, con 5 créditos. En este sentido, este año estamos terminando nuestro tercer proyecto de investigación competitivo del Ministerio de Ciencia e Innovación denominado HORSOST: “Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos“.

Desde ese momento he tenido la oportunidad de dirigir tesis doctorales, publicar artículos científicos y presentar ponencias sobre este tema. Algunas de las consecuencias de todo este trabajo, donde ha participado un grupo de más de 15 investigadores, son las siguientes:

Existe una posibilidad clara y real de usar las técnicas de optimización heurística en la optimización económica de estructuras de hormigón. Hemos encontrado muchos casos donde ahorros del 10 al 50% son fáciles de conseguir sin que exista ningún tipo de merma en la seguridad y prestaciones de las estructuras. Estas ventajas económicas son especialmente atractivas en el caso de elementos prefabricados repetitivos y en obras lineales de gran volumen.
Estas técnicas permiten un diseño automatizado de la estructura. Es decir, no es necesario un diseño previo. Los algoritmos de optimización permiten reducir en un breve espacio de tiempo la experiencia adquirida por ingenieros a lo largo de los años, mejorando incluso sus diseños.
La optimización debe incluir no sólo las cargas de la estructura en servicio, sino todo el proceso constructivo y su posible desmantelaje.
Hay que tener un cuidado muy especial con el mal uso de las técnicas de optimización y del ordenador. Ello significa que dejar estos algoritmos a usuarios sin experiencia ingenieril es muy peligroso. La razón es la siguiente: las estructuras óptimas son significativamente más esbeltas. Si se comprueban los estados límite habituales es posible que cometamos errores. Por ejemplo, la optimización de muros de hormigón nos llevó a muros extraordinariamente esbeltos que flectaban enormemente en cabeza. Una limitación en la flecha de 1/150 evitó esta sensación de desplome. Este estado límite no lo suelen comprobar los programas habituales ni los calculistas. Otros estados límite que suelen ser relevantes son los de fatiga, vibración, pandeo, etc. Estas estructuras optimizadas empiezan a parecerse a las estructuras metálicas.
Es muy posible que en breve espacio de tiempo las empresas que desarrollan software comercial introduzcan módulos de optimización en sus programas. Esto puede provocar la aparición de patologías inesperadas en las obras.
Será necesario revisar las normativas actuales. Es muy posible que sea necesario un anexo en la futura EHE en la que se pongan cautelas en el diseñó automático de estructuras óptimas. Habrá que ser cuidadoso en la definición de los estados límite que se deban comprobar.
Es un error optimizar sólo desde el punto de vista económico, debería realizarse análisis multiobjetivo considerando aspectos medioambientales, sociales y de otro tipo.
La optimización abre un campo nuevo, que es la introducción efectiva de la sosteniblidad en el diseño de las estructuras. Si bien el anexo 13 de la EHE-2008 establece unos indicadores para medir la sostenibilidad medioambiental, se trata de una primera aproximación que no contempla la efectiva reducción de aspectos de gran interés: reducción de emisiones de CO2, reducción en el consumo energético necesario, reducción de la huella ecológica, reducción en el uso de materiales, etc.
La reducción de los impactos ambientales se puede realizar actualmente basándose en bases de datos como la del BEDEC (Institut de Tecnologia de la Construcció de Catalunya) u otros similares. Sin embargo, estas bases de datos son actualmente de escaso alcance, con un grupo reducido de materiales y procesos constructivos, no contemplando el ciclo completo de vida de las estructuras, y por tanto debería realizarse un esfuerzo de primer nivel para su actualización y mejora.
Es necesario realizar un esfuerzo importante (tenemos una tesis doctoral en marcha) para valorar la sostenibilidad social de las infraestructuras de la forma más objetiva posible. Este aspecto deber unirse a la sostenibilidad económica y medioambiental.
Los análisis de optimización deben realizarse desde el punto de vista multiobjetivo. Se deben optimizar a la vez aspectos medioambientales, económicos, sociales, de funcionalidad, de seguridad, de durabilidad y otros. Ello significa que existe un área importante de investigación relacionada con la decisión multicriterio. Es decir, se debe dar un paso desde el conjunto de soluciones eficientes desde varios puntos de vista a la decisión final del decisor.
Hay que realizar un esfuerzo de gran calibre para llevar estas técnicas de optimización pensando en el ciclo completo de las infraestructuras. En este sentido, estamos desarrollando también una tesis doctoral que trata de optimizar desde el punto de vista multicriterio el mantenimiento de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida, considerando restricciones presupuestarias.

También nos hemos dado cuenta de una serie de aspectos relacionados con nuestro trabajo, muchos de ellos no tan evidentes, que deberían divulgarse lo más posible para el uso adecuado de los recursos escasos de los que dispone nuestra sociedad:

Los hormigones no convencionales (alta o muy alta resistencia, con fibras, autocompactante, con elevadas adiciones, etc.) proporcionan ventajas a tener muy en cuenta cuando se optimizan las estructuras. Por ejemplo, hemos visto cómo un material caro por su trabajabilidad como puede ser el hormigón con fibras, resulta competitivo desde el punto de vista económico frente a hormigones convencionales. Además, resulta interesante el comportamiento mecánico de las fibras cuando interactúa con la armadura activa del pretensado. Se necesita profundizar en el conocimiento de estos materiales para incluirlos en la optimización.
También hemos comprobado que con incrementos mínimos en el coste (del orden del 1-3%) se puede duplicar o triplicar la durabilidad de las estructuras. Este aspecto es muy importante, pues permite una elevada amortización en los consumos, al alargar la vida útil. Creemos que se debe reformular en la EHE la vida útil de proyecto de las estructuras.
Si bien la fabricación de cementos se ha considerado como un auténtico atentado respecto a la producción de emisiones de CO2, nuestros estudios han comprobado la eficacia de aspectos como la carbonatación y el reciclaje como sumideros de CO2. Debería profundizarse en este tipo de estudios para valorar de forma más precisa y realista los impactos que causa el hormigón cuando se contempla el ciclo de vida completo.
La inteligencia artificial permite algo que, hasta ahora, era muy lento y poco efectivo: Se puede acelerar la obtención de experiencia y saber hacer en las estructuras. Así por ejemplo, generando bases ingentes de estructuras óptimas (digamos puentes pretensados con diversas luces), podríamos aplicar técnicas de minería de datos «data mining» para extraer de las bases de datos generadas información no trivial. Dicho de otra forma, se podrían avanzar fórmulas de predimensionamiento más efectivo que podrían usarse por parte de los calculistas e ingenieros en el diseño diario de sus estructuras. Esta práctica permitiría ahorros sustanciales, tanto económicos como medioambientales.
Por último, insistir en la optimización a lo largo del ciclo de vida. Resulta especialmente importante en los tiempos que corren, tener muy claros los aspectos relacionados con el mantenimiento de las infraestructuras. Los estudios que estamos realizando indican que, incluso con presupuestos altamente restrictivos, es posible optimizar los indicadores de servicio de las infraestructuras si se actúa de forma inteligente.

Para terminar, por si puede ser de interés, os dejo alguno de los artículos más significativos que hemos desarrollado sobre estos temas. Espero que os sean útiles. De todas formas, nos vemos en el congreso ACHE.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2014). A memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE, (accepted, in press).
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; LUZ, A. (2014). 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.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/524329 (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)
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. The International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI 10.1007/s11367-013-0614-0 (link)
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. ISSN: 1598-8198.
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)
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)
CARBONELL, A.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2012). Automatic design of concrete vaults using iterated local search and extreme value estimation. Latin American Journal of Solids and Structures, 9(6):675-689. ISSN: 1679-7817. (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)
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)
YEPES, V.; PELLICER, E.; ORTEGA, J.A. (2012). Designing a benchmark indicator for managerial competences in construction at the graduate level. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice ASCE, 138(1): 48-54. ISSN: 1052-3928. DOI: 10.1061/(ASCE)EI.1943-5541.0000075. (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)
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)
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)
YEPES, V.; DÍAZ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2009). Caracterización estadística de tableros pretensados para carreteras. Revista de la Construcción, 8(2):95-109. ISSN: 0717-7925. (link) [Statistical Characterization of Prestressed Concrete Road Bridge Decks].
PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2009). CO₂-Optimization of Reinforced Concrete Frames by Simulated Annealing. Engineering Structures, 31(7): 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)
YEPES, V.; MEDINA, J.R. (2006). Economic Heuristic Optimization for Heterogeneous Fleet VRPHESTW. Journal of Transportation Engineering, ASCE, 132(4): 303-311. (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)

Aportaciones al VI Congreso Internacional de Estructuras ACHE

Durante los días 3 a 5 de junio de 2014 tendrá lugar en Madrid el VI Congreso Internacional de Estructuras organizado por la Asociación Científico-técnica el Hormigón Estructural (ACHE). Es una magnífica oportunidad de encuentro entre profesionales y especialistas relacionados con las estructuras. Nuestro grupo de investigación no podía faltar a esta cita. Es por ello que, como avance, dejamos a continuación los resúmenes de las comunicaciones que están previstas exponer en el marco de dicho congreso. Os esperamos en el congreso para tener una excusa para compartir ideas.

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2014). Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo: HORSOST.

El objetivo principal del proyecto de investigación HORSOST consiste en desarrollar una metodología que permita establecer criterios de diseño de estructuras realizadas con hormigón no convencional de forma que se maximice su contribución a la sostenibilidad. Para ello se emplean técnicas de análisis inteligente y minería de datos, algoritmos de optimización heurística multicriterio y el análisis del ciclo de vida (elaboración, transporte, procedimientos constructivos, mantenimiento, etc.). La tipología de estructuras objeto del proyecto son los puentes losa y vigas artesa pretensadas, pilas y estribos de puente, marcos y bóvedas de paso de carreteras. El proyecto se centra en hormigones de alta resistencia, reforzados con fibras y autocompactantes. Se analizan y comparan los criterios de diseño sostenible entre los hormigones convencionales y no convencionales para cada una de las tipologías estructurales.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Influencia de la carbonatación y durabilidad en el ciclo de vida del hormigón fabricado con cementos con adiciones.

Este artículo describe la influencia de la carbonatación y la durabilidad en el estudio de las emisiones de CO₂ de un pilar de hormigón armado fabricado con cemento con adiciones. Se han valorado dichas emisiones desde la producción de las materias primas hasta la demolición de la estructura. El uso de cementos con cenizas volantes y escorias de alto horno reduce entre un 20 y 70% las emisiones de producción del cemento. Sin embargo, la absorción de CO₂ por carbonatación disminuye entre un 20 y 80%. Se demuestra la gran influencia de la carbonatación durante la etapa de uso y después de la demolición como material de relleno. Finalmente, se comprueba que las emisiones anuales cuando se utilizan cementos con adiciones son menores. Por tanto, las menores emisiones de producción de los cementos con adiciones compensan la reducción en durabilidad y captura de CO₂ por carbonatación.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón autocompactante.

El propósito de este artículo es presentar la optimización multiobjetivo como herramienta para el estudio de la sostenibilidad de los hormigones autocompactantes. Se toma como ejemplo una viga en doble T de hormigón de 15 m de luz definida por 20 variables. Una variable recoge ocho posibles dosificaciones de hormigón. Cuatro hormigones convencionales CC y cuatro hormigones autocompactantes SCC representan cuatro clases resistentes. Se utiliza el algoritmo recocido simulado multiobjetivo “Multiobjective Simulated Annealing” (MOSA) para optimizar el coste, las emisiones de CO₂y la durabilidad. Los resultados muestran la viabilidad económica de las reducciones de las emisiones de CO₂ de las mejoras en durabilidad. Además, las soluciones con menor coste y emisión anual utilizan hormigón autocompactante. Los resultados proporcionan al proyectista estructural criterios para elegir soluciones más sostenibles.

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; BÁRCENA, A. (2014). Diseño automático de forjados mixtos con chapa nervada, basado en criterios de eficiencia energética y económicos.

Los forjados mixtos con chapa colaborante son una tipología de estructuras horizontales que está experimentando un crecimiento continuo en las últimas décadas. El objetivo de este trabajo consiste en aplicar técnicas heurísticas para optimizar este tipo de forjados. Estos métodos permiten abordar el problema a partir de la definición completa del forjado mixto, al tiempo que se satisfacen las restricciones estructurales exigidas por la normativa. Se han utilizado dos funciones objetivo en la optimización, una económica y otra que cuantifica el consumo energético asociado a cada diseño particular. Se han empleado algoritmos basados en tres metaheurísticas: búsqueda local de descenso (DLS), cristalización simulada (SA) y aceptación por umbrales (TA). Los mejores resultados se han obtenido con el SA. Finalmente, se ha estudiado la sensibilidad del modelo y un estudio paramétrico con diferentes tramos horizontales.

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; RODRÍGUEZ-FACUNDI, A. (2014). Optimización de forjados de losa pretensada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad.

En ese trabajo se muestran las características principales de los forjados de losa postesa obtenidos con técnica heurísticas de optimización estructural. Estos métodos de optimización permiten una definición completa de la estructura, pudiéndose encontrar diseños completos de forjados optimizados tanto con criterios de economía como de sostenibilidad. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran una clara tendencia a disponer cantos muy estrictos en los resultados óptimos. Aplicando criterios de sostenibilidad se tiende a hormigones de mayores resistencias que con criterios económicos. Finalmente se han realizado pruebas de sensibilidad a los precios, que muestran mucha independencia de los forjados óptimos frente a las variaciones de precios ensayadas.

DASÍ, M.; YEPES, V.; LÓPEZ-DESFILÍS, V.J. (2014). Diseño eficiente de pasarelas mixtas basado en criterios sostenibles.

El objetivo de este trabajo ha sido aplicar técnicas de optimización heurística a una pasarela peatonal mixta biapoyada. Se ha elaborado un programa en lenguaje Fortran capaz de generar pasarelas, comprobarlas y evaluar su coste, ya sea económico o en relación con su sostenibilidad (emisiones de CO₂). Se han implementado los siguientes algoritmos: un Randon Walk en dos variantes (RW1 y RW2), un Descent Local Search (DLS), un Simulated Annealing (SA) y un Glowworms Swarm Optimization en dos variantes (GSO1 y GSO2). Se han comparado los resultados en función del menor coste y de la menor emisión de CO₂, con la solución de referencia empleada, encontrando soluciones hasta un 25,40% más económicas atendiendo a criterios de precio y con unas emisiones del 25,44% menores. Finalmente, se ha realizado un estudio de sensibilidad de precios y un breve estudio paramétrico en función de la luz de la pasarela.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2014). Diseño de tableros isostáticos de puentes de vigas artesa prefabricadas pretensadas con criterios económicos.

Este trabajo describe una aproximación al análisis y diseño de puentes de carreteras de tableros isostáticos de vigas artesa prefabricadas pretensadas con criterios económicos. El procedimiento utilizado para resolver el problema combinatorio es una variante del Recocido Simulado (SA en inglés) con un movimiento de vecindad basado en el operador de mutación de los algoritmos genéticos (SAMO). Este algoritmo se aplica al coste económico de las estructuras, incluyendo las etapas de fabricación, transporte y construcción. El problema contiene 59 variables de diseño. Se realiza un estudio paramétrico para distintas luces de vano y un estudio de sensibilidad del coste de la estructura a la variación de los precios del hormigón y del acero, obteniéndose correlaciones útiles para el predimensionamiento y el diseño de la estructura, y comprobándose la adaptación del modelo a la influencia de la variación de los precios.

Algoritmo del solterón aplicado a la optimización de rutas con flotas heterogéneas VRPHESTW

Me ha parecido interesante rescatar una pequeña publicación, que ya tiene 10 años, donde se aplicaba un algoritmo de optimización heurística curioso: Old Bachelor Acceptance, o «algoritmo del solterón«. En este caso, aplicado a la optimización de redes de transporte con flotas heterogéneas. Resulta curioso ver cómo determinados comportamientos sociales (colonias de hormigas), principios naturales (teoría de la evolución) o recreaciones de nuestro cerebro (redes neuronales) son capaces de resolver problemas complejos de optimización.

Espero que os sea de interés.

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Teoría del valor extremo y optimización estructural

A continuación dejo una presentación que hicimos para el VII Congreso Español sobre Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados MAEB 2010, que se celebró en Valencia del 8 al 10 de septiembre de 2010.

El artículo, denominado «Teoría del valor extremo como criterio de parada en la optimización heurística de bóvedas de hormigón estructural» establece un criterio de parada para un algoritmo multiarranque de búsqueda exhaustiva de máximo gradiente basado en una codificación Gray aplicado a la optimización de bóvedas de hormigón. Para ello se ha comprobado que los óptimos locales encontrados constituyen valores extremos que ajustan a una función Weibull de tres parámetros, siendo el de posición, γ, una estimación del óptimo global que puede alcanzar el algoritmo. Se puede estimar un intervalo de confianza para γ ajustando una distribución Weibull a muestras de óptimos locales extraídas mediante una técnica bootstrap de los óptimos disponibles. El algoritmo multiarranque se detendrá cuando se acote el intervalo de confianza y la diferencia entre el menor coste encontrado y el teórico ajustado a dicha función Weibull.

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Referencia:

YEPES, V.; CARBONELL, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2010). Teoría del valor extremo como criterio de parada en la optimización heurística de bóvedas de hormigón estructural. Actas del VII Congreso Español sobre Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados MAEB 2010, Valencia, 8-10 septiembre, pp. 553-560. Garceta Grupo Editorial. ISBN: 978-84-92812-58-5.

¿Cómo decidir cuando tenemos un dilema? El óptimo de Pareto

Los problemas de decisión están presentes en todos los ámbitos del ser humano: finanzas, empresa, ingeniería, salud, etc. Una de las grandes dificultades al tomar una decisión ocurre cuando queremos conseguir varios objetivos distintos, muchos de ellos incompatibles o contradictorios. Por ejemplo, si queremos un vehículo que sea muy veloz, debería tener un perfil aerodinámico que a veces es incompatible con la comodidad de los usuarios; si queremos hacer un negocio con grandes beneficios, a veces tenemos que asumir ciertos riesgos, etc. Una herramienta que permite afrontar este tipo de problemas de decisión es el denominado «óptimo de Pareto«. A continuación os paso un vídeo explicativo de este tema. Espero que os guste.

Introducción a la optimización heurística en ingeniería

Este pasado mes de octubre, estando como profesor visitante en la Universidad Católica de Chile, tuve la oportunidad de impartir un seminario introductorio a la optimización heurística en ingeniería. A continuación os paso la presentación. Espero que os guste.

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Optimización económica de redes de transporte

Trascendencia del transporte

La trascendencia económica del sector del transporte genera costos sociales y medioambientales de gran magnitud. Esta actividad supone aproximadamente un sexto del Producto Interno Bruto (PIB) de los países industrializados (ver Yepes, 2002). Un estudio del National Council of Physical Distribution (ver Ballou, 1991) estima que el transporte representó el 15% del PIB de Estados Unidos en 1978, lo que supuso más del 45% de los costes logísticos de las organizaciones. En España, según datos del Ministerio de Fomento (ver CTCICCP, 2001), la participación del sector en el valor añadido bruto del año 1997 se situó en un 4,6%. En cuanto al empleo, 613.400 personas se encontraban ocupadas en el sector de los transportes en España en 1999, lo que representaba el 3,69% de la población activa. La distribución física representa para las empresas entre la sexta y la cuarta parte de las ventas y entre uno y dos tercios del total de los costos logísticos (Ballou, 1991).

Además, una adecuada gestión de los problemas de distribución afecta directamente a la competitividad de las empresas. Así, el establecimiento de rutas y horarios para vehículos constituye un conjunto de problemas habituales que no se resuelven de manera óptima y acarrean una merma significativa en la cuenta de resultados de las empresas. Autores como Kotler (1991) afirman que se pueden obtener ahorros sustanciales en el área de la distribución física y la describen como “la última frontera para obtener economías en los costos” y “el continente oscuro de la economía”. Drucker (1962) describió las actividades logísticas que se llevaban a cabo tras la fabricación como las “áreas peor realizadas y, a la vez, más prometedoras dentro del mundo industrial”. Incluso el recorte de una pequeña fracción de los costos de distribución puede aflorar enormes ahorros económicos y una reducción de los impactos sociales y ambientales ocasionados por los accidentes, la polución y el ruido, además de incrementar significativamente la satisfacción de los clientes.

Todo ello se enmarca en un escenario en el que han crecido enormemente las expectativas de los clientes, al igual que los productos disponibles en el mercado. Ello provoca que las empresas se enfrenten a retos más dinámicos, que van desde aumentos en los niveles de servicio hasta rupturas de fronteras o la entrada en el comercio electrónico. La globalización de los mercados ha provocado, de hecho, una aceleración del comercio. El transporte, que ya es una función vital, tendrá aún una posición más estratégica para las industrias en el futuro.

Los problemas de rutas son difíciles de optimizar en situaciones reales debido a los procedimientos de resolución exactos, debido al incremento exponencial del esfuerzo de cálculo necesario en función de la dimensión del problema. En estas circunstancias, los métodos de resolución aproximados que emulan estrategias eficientes empleadas por la naturaleza y utilizadas en la inteligencia artificial pueden proporcionar soluciones satisfactorias en tiempos de cálculo razonables, constituyendo herramientas tecnológicas capaces de incrementar la competitividad de las empresas dedicadas al transporte.

Problemas de distribución física

Los problemas de distribución física consisten básicamente en asignar una ruta a cada vehículo de una flota para repartir o recoger mercancías. Los clientes se localizan en puntos o arcos y, a su vez, pueden presentar horarios de servicio determinados; el problema consiste en establecer secuencias de clientes y programar los horarios de los vehículos de manera óptima. Los problemas reales de transporte son extraordinariamente diversos. Yepes (2002) propone una clasificación que incluye un mínimo de 8,8·10⁹ combinaciones posibles de modelos de distribución. Si alguien fuese capaz de describir cada uno de ellos en un segundo, tardaría cerca de 280 años en enunciarlos todos. La investigación científica se ha centrado, por tanto, en un grupo muy reducido de modelos teóricos que, además, tienden a simplificar excesivamente los problemas reales.

El problema más famoso y sencillo de plantear se conoce como el del viajante de comercio (“Traveling Salesman Problem”, TSP). Se debe visitar un conjunto de ciudades una sola vez y volver a la ciudad de partida, de modo que la distancia recorrida sea mínima. Es un problema intensivo en términos de cálculo, puesto que un procesador que calculara un billón de soluciones por segundo tardaría unos 50 minutos en enumerar todos los casos posibles con 20 nodos y casi cinco siglos con 25.

El problema de las rutas “Vehicle Routing Problem, VRP” presenta una demanda asociada a cada ciudad y una capacidad determinada de transporte para cada uno de los vehículos. Aquí, el objetivo puede ser reducir al mínimo posible la suma de la distancia recorrida por todas las rutas, el número de vehículos, o una combinación de ambos criterios. Es importante destacar el hecho de que tanto para los problemas TSP como para los VRP, la dirección en la cual se desarrolla el camino carece de importancia, cosa que no ocurre con los problemas de rutas de reparto con restricciones en los horarios de servicio “Vehicle Routing Problem with Time Windows, VRPTW”, donde cada cliente restringe la satisfacción de su demanda a un horario de reparto o recogida determinado (ventana de tiempo). En estos casos, la ventana de tiempo obliga a esperar si el vehículo llega antes de su apertura e impide la prestación del servicio si se llega fuera del plazo previsto.

Estos problemas son difíciles de resolver debido al crecimiento exponencial de las soluciones en función del número de clientes. De hecho, solo algunos problemas de VRPTW de hasta 100 nodos han podido resolverse mediante métodos exactos. En estas circunstancias, es posible aplicar algoritmos de aproximación que proporcionen soluciones viables y razonables.

Sistemas inteligentes

Las metaheurísticas son métodos generales, aplicables a amplios conjuntos de problemas, que normalmente emulan estrategias eficientes empleadas por la naturaleza y utilizadas en la inteligencia artificial (evolución biológica, funcionamiento del cerebro, comportamiento de los insectos, mecánica estadística, etc.), y que sirven para guiar el funcionamiento de las heurísticas u otros procedimientos de optimización específicos. En el campo de la optimización combinatoria y en los problemas de transporte, se utiliza comúnmente el término metaheurística, mientras que en otros campos se conocen estos métodos como sistemas inteligentes (Goonatilake et al., 1995). Las redes neuronales, la lógica borrosa, los algoritmos evolutivos, la búsqueda tabú o la cristalización simulada son algunas técnicas que han probado su eficacia en la explotación de datos, en el descubrimiento de conocimiento y en la solución de problemas combinatorios en diferentes campos técnicos y científicos.

Modelo económico rutas de transporte

En las últimas décadas, la investigación científica ha dedicado un gran esfuerzo al desarrollo de técnicas para resolver modelos teóricos de transporte. Sin embargo, Yepes y Medina (2000) comprueban que la maximización de la rentabilidad de las operaciones reales de distribución debe contemplar funciones objetivo económicas basadas en los ingresos y los costos. Este mismo principio debe exigirse a los algoritmos empleados en su resolución. El éxito de una metaheurística especializada en un modelo teórico concreto, no garantiza su adecuación ante escenarios reales complejos propios de las empresas de transporte.

En la distribución real de mercancías, es habitual el empleo de flotas heterogéneas de vehículos, con características propias en costos, capacidad de carga, velocidad y jornadas de trabajo limitadas, con posibilidad de horas extraordinarias. Asimismo, la duración de los viajes depende del nivel de congestión y de los problemas de acceso a los clientes. Además, los vehículos pueden iniciar nuevas rutas si lo permite su jornada laboral, lo cual es habitual cuando las demandas de cada cliente superan la capacidad de transporte del vehículo, o bien cuando se emplea poco tiempo en recorrer las distancias hacia los diversos nodos. También es razonable acordar con los clientes bonificaciones en caso de que se rompan los horarios (rotura de servicio).

Para definir un esquema que cumpla las características anteriores, aproximadas al problema real de distribución, se define un problema de rutas con flotas heterogéneas y múltiples usos, con restricciones horarias blandas de servicio: “Vehicle routing problem with a heterogeneous fleet of vehicles with soft time windows and with multiple use of vehicles, VRPHEMSTW”.

Consecuencias de interés para las empresas

Algunas conclusiones de interés práctico que se han comprobado al emplear los sistemas inteligentes en la resolución de problemas que, lejos de ser teóricos, se acercan a la realidad cotidiana de las empresas de distribución son las siguientes (Yepes, 2002):

Los problemas reales de rutas no se modelan bien con funciones objetivo teóricas habituales. En efecto, posibles variaciones en los costos o en las tarifas provocan que soluciones buenas a problemas teóricos resulten muy malas para los problemas reales. Como empresario, debe exigir que el software que emplee maximice el beneficio y no solo minimice los costes. Una empresa que quiera maximizar sus beneficios en la distribución puede incurrir en grandes costos de oportunidad involuntarios si adopta algoritmos especializados para resolver problemas teóricos. En general, estos procedimientos no son óptimos en escenarios reales. Mucho software es teórico y no está adaptado a su empresa.

Los modelos que utilizan funciones objetivo basadas en los costos globales y los ingresos, simulan mejor las operaciones de distribución. Cada cliente puede requerir una política de precios diferenciada. Exija a su software la posibilidad de segmentar a sus clientes según tarifas específicas. Una ligera flexibilización en los horarios de servicio permite, aun cuando exista cierta penalización económica por la transgresión de las ventanas horarias, una mejora en la calidad de las soluciones obtenidas. Negocie con sus clientes bonificaciones por incumplimientos de los horarios de entrega; al final, ello le puede llevar a mayores beneficios. Un elevado costo fijo por disposición de los vehículos conlleva que la solución de mayor beneficio sea aquella que autorice el inicio de nuevas rutas por parte de un mismo vehículo, siempre que su jornada laboral lo permita. Desconfíe del software que no le permita discriminar situaciones como el alquiler o la compra de vehículos. La planificación de las rutas puede cambiar y su empresa puede perder beneficios. En una operación de distribución de mercancías, el uso múltiple o sencillo de los vehículos, dentro de su jornada de trabajo, es una decisión que depende de la estructura de costos de cada problema concreto. Esta posibilidad no se contempla por el software habitual y le puede hacer perder dinero.

En esta apretada síntesis, la empresa dedicada a la distribución de personas o mercancías dispone de nuevos conceptos para resolver sus complejos problemas de transporte. El reto consiste en elegir entre el vasto universo de técnicas posibles, aquella que sea capaz de aportar una solución de calidad dentro de un tiempo de cálculo razonable, teniendo presente que un problema de transporte determinado presenta múltiples escenarios posibles, y manejando un modelo económico adecuado a las variables y restricciones reales.

Referencias

Ballou, R. H. (1991). Logística empresarial. Control y planificación. Ed. Díaz de Santos, Madrid.

Comisión de Transportes del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos (2001). Libro verde del transporte en España. Disponible en internet.

Drucker, P. (1962). The economy’s dark continent. Fortune, April, 265-270.

Goonatilake, S.; Treleaven, P. (Eds) (1995). Intelligent systems for finance and business. John Wiley & Sons, Chichester, England.

Kotler, P. (1991). Marketing management. Analysis, planning, implementation, and control. Prentice Hall International. United Kingdom.

Yepes, V. (2002). Optimización heurística económica aplicada a las redes de transporte del tipo Vrptw. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Valencia.

Yepes, V.; Medina, J.R. (2000). Optimización del problema generalizado de las rutas con restricciones temporales y de capacidad (CVRPSTW), en Colomer, J.V. y García, A. (Eds.): Actas del IV Congreso de Ingeniería del Transporte. Vol. 2, pp. 705-710. Valencia.

¿Qué son las metaheurísticas?

¿Cómo se podrían optimizar, en tiempos de cálculo razonables, problemas complejos de redes de transporte, estructuras de hormigón (puentes, pórticos de edificación, túneles, etc.) y otros tipos de problemas de decisión empresarial cuando la dimensión del problema es de tal calibre que resulta imposible resolverlos con métodos matemáticos exactos? La respuesta consiste en métodos aproximados, también denominados heurísticos. Este artículo divulgativo trata de ampliar otros anteriores en los que ya hablamos de los algoritmos, de la optimización combinatoria, de los modelos matemáticos y otros temas similares. Más adelante explicaremos otros temas relacionados específicamente con aplicaciones a problemas reales. Aunque para los más curiosos, os paso en abierto una publicación donde se han optimizado con éxito algunas estructuras de hormigón como muros, pórticos o marcos de carretera: (González et al., 2008).

Desde los primeros años de la década de los 80, la investigación sobre los problemas de optimización combinatoria se centra en el diseño de estrategias generales que guíen las heurísticas. Se les ha llamado metaheurísticas. Se trata de combinar inteligentemente diversas técnicas para explorar el espacio de soluciones. Osman y Kelly (1996) nos aportan la siguiente definición: “Los procedimientos metaheurísticos son una clase de métodos aproximados diseñados para resolver problemas de optimización combinatoria difíciles, en los que los heurísticos clásicos no son ni efectivos ni eficientes. Los metaheurísticos proporcionan un marco general para crear nuevos algoritmos híbridos que combinan diferentes conceptos derivados de la inteligencia artificial, la evolución biológica y la mecánica estadística”.

Aunque existen diferencias apreciables entre los distintos métodos desarrollados hasta el momento, todos ellos tratan de conjugar en mayor o menor medida la intensificación en la búsqueda –seleccionando movimientos que mejoren la valoración de la función objetivo-, y la diversificación –aceptando aquellas otras soluciones que, aun siendo peores, permiten la evasión de los óptimos locales-.

Las metaheurísticas pueden agruparse de varias formas. Algunas clasificaciones recurren a cambios sucesivos de una solución a otra en la búsqueda del óptimo, mientras otras se sirven de los movimientos aplicados a toda una población de soluciones. El empleo, en su caso, de la memoria que guíe la exploración del espacio de posibles elecciones permite otro tipo de agrupamiento. En otras circunstancias, se emplean perturbaciones en las opciones, en la topología del espacio de soluciones o en la función objetivo. En la Figura se presenta una propuesta de clasificación de las heurísticas y metaheurísticas empleadas en la optimización combinatoria (Yepes, 2002), que comparten todas ellas la necesidad de contar con soluciones iniciales que permitan cambios para alcanzar otras mejores. Es evidente que en este momento existen muchas más técnicas de optimización, pero dicha clasificación puede ser un punto de partida para una mejor taxonomía de dichas técnicas.

Taxonomía de estrategias empleadas en la resolución aproximada de problemas de optimización combinatoria sobre la base de soluciones iniciales. — Figura. Taxonomía de estrategias empleadas en la resolución aproximada de problemas de optimización combinatoria sobre la base de soluciones iniciales (Yepes, 2002)

Las metaheurísticas empleadas en la optimización combinatoria podrían clasificarse en tres grandes conjuntos. Las primeras generalizan la búsqueda secuencial por entornos de modo que, una vez se ha emprendido el proceso, se recorre una trayectoria de una solución a otra vecina hasta que este concluye. En el segundo grupo se incluyen los procedimientos que actúan sobre poblaciones de soluciones, evolucionando hacia generaciones de mayor calidad. El tercero lo constituyen las redes neuronales artificiales. Esta clasificación sería insuficiente para aquellas metaheurísticas híbridas que emplean, en mayor o menor medida, estrategias de unos grupos y otros. Esta eventualidad genera un enriquecimiento deseable de posibilidades adaptables, en su caso, a los distintos problemas de optimización combinatoria.

Referencias

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)

OSMAN, I.H.; KELLY, J.P. (Eds.) (1996). Meta-Heuristics: Theory & Applications. Kluwer Academic Publishers.

YEPES, V. (2002). Optimización heurística económica aplicada a las redes de transporte del tipo VRPTW. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universitat Politècnica de València. 352 pp. ISBN: 0-493-91360-2. (pdf)

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Comunicaciones presentadas en el 2º Congreso EIME

En plena celebración del 2.º Congreso Nacional sobre Enseñanza de las Matemáticas en Ingeniería de Edificación, desarrollado los días 18 y 19 de julio de 2013 en la Universitat Politècnica de València, aprovecho para presentar los resúmenes de los trabajos presentados. Espero que sean de vuestro interés.

Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyecto de Investigación BIA2011-23602) y por la Universitat Politècnica de València (Proyecto de Investigación PAID-06-12).

BÁRCENA, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2013). Diseño automático de forjados de chapa nervada optimizados con criterios de economía y sostenibilidad. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 159-172. ISBN: 978-84-8363-992-4.

Los forjados mixtos con chapa colaborante son una tipología de estructuras horizontales que ha experimentado un crecimiento continuo en las últimas décadas. Su optimización presenta un enorme interés para conseguir diseños más asequibles y sostenibles, que permitan un mejor aprovechamiento de los recursos necesarios. El objetivo de este trabajo es aplicar técnicas heurísticas para este tipo de forjados, permitiendo plantearse el problema de una manera más compleja, utilizando una definición completa del forjado mixto y sus componentes, mientras que al mismo tiempo satisface las restricciones de este tipo de estructuras. Los algoritmos de optimización aplicados a la estructura se basan en tres metaheurísticas: búsqueda local de descenso (DLS), recocido simulado (SA) y umbral de aceptación (TA). Se muestran las principales características, los parámetros que deben calibrarse y los diferentes modos de selección de dichos parámetros para cada una de las heurísticas. La comparación de los resultados ha permitido señalar la SA como la mejor heurística. Por último, una vez seleccionada la mejor calibración de la SA, se ha estudiado la sensibilidad del modelo y se ha realizado un análisis paramétrico con diferentes tramos horizontales.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2013). Optimización multiobjetivo de viga en I de hormigón armado con criterios sostenibles. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 135-148. ISBN: 978-84-8363-992-4.

Este estudio tiene como objetivo presentar una metodología de diseño de una viga en I de hormigón armado, de alta resistencia, autocompactable o convencional. Algoritmos heurísticos como el recocido simulado multiobjetivo “Multiobjective Simulated Annealing” (MOSA) se utilizan para buscar, dentro del espacio de soluciones factibles, aquellas que mejoren criterios como el coste, las emisiones de CO2 o la durabilidad. Se tomará como ejemplo una viga en I biapoyada de 15 m de luz definida por 20 variables. La viga deberá cumplir, de acuerdo con la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08), los requisitos de seguridad estructural, así como los de los aspectos constructivos o geométricos. El análisis comparativo de los objetivos servirá de guía para el diseño sostenible de estructuras de hormigón. Los resultados obtenidos muestran una clara tendencia en el diseño de estructuras de hormigón hacia la sostenibilidad.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2013). Optimización memética de vigas artesa prefabricadas con criterios sostenibles de hormigón con fibras. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 91-104. ISBN: 978-84-8363-992-4.

Esta comunicación describe una metodología heurística empleada para diseñar estructuras bajo criterios de sostenibilidad, con el objetivo de reducir la emisión de gases de efecto invernadero (CO2) durante la fase de ejecución. La estructura presentada es un tablero de un paso superior de carreteras de vigas artesa prefabricadas de hormigón reforzado con fibras, que emplea un algoritmo memético híbrido que combina la búsqueda poblacional de soluciones mediante algoritmos genéticos con una búsqueda en entornos variables (VDNS). Este algoritmo se aplica a un tablero formado por dos vigas isostáticas, con una luz de 30 m y una losa de 12 m de ancho. La estructura analizada consta de 41 variables discretas. El módulo de evaluación considera los estados límite último y de servicio que se aplican habitualmente a estas estructuras. El uso del algoritmo memético requiere calibrarlo previamente. Cada una de las heurísticas se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el valor medio y las desviaciones. El procedimiento presentado permite su aplicación práctica al diseño real y su adaptación al proceso de prefabricación.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2013). Diseño de vigas en “U” de hormigón con fibras mediante la heurística SA con criterios económicos. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 299-309. ISBN: 978-84-8363-992-4.

Este artículo se ocupa de la optimización económica de los puentes de carreteras formados por tableros constituidos por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa de hormigón reforzado con fibras metálicas pretensadas prefabricadas. Se comprueba la eficacia de la optimización heurística mediante el método del recocido simulado “simulated annealing” (SA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje Fortran directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan prácticamente a cualquier tipo de molde de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 60 variables discretas. El módulo de evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente a estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. El uso del algoritmo SA requiere calibrarlo previamente. La heurística se aplica 9 veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el valor medio y las desviaciones. El mejor resultado obtenido tiene un coste de 109.127 €. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que económicamente es factible el uso de fibras de acero en el hormigón estructural y que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que este método se puede aplicar de un modo práctico a casos reales.

RODRÍGUEZ-CALDERITA, A.M.; ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2013). Optimización heurística aplicada al diseño automático de forjados de losa postesa. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 63-75. ISBN: 978-84-8363-992-4.

En ese trabajo se muestran las características principales de los forjados de losa postesa obtenidos tras aplicar métodos heurísticos de optimización. Estos forjados resultan ventajosos frente a soluciones más convencionales en ciertas condiciones de iluminación. El proceso de diseño de estos forjados puede plantearse como un problema de optimización que, abordado con métodos heurísticos, puede formularse de manera plenamente realista. Se pueden encontrar diseños completos de forjados optimizados no solo con criterios de economía, sino también con criterios de sostenibilidad, y así comparar ambos casos. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran una clara tendencia a presentar cantos muy estrictos en los óptimos. Aplicando criterios de sostenibilidad, se tiende a hormigones de mayor resistencia que con criterios económicos. Finalmente, se han realizado pruebas de sensibilidad a los precios, que muestran una gran independencia de los forjados óptimos frente a las variaciones de precios ensayadas.

TORRES-MACHÍ, C.; YEPES, V.; PELLICER, E.; CHAMORRO, A. (2013). Optimización en la gestión de activos. Aplicación al mantenimiento de múltiples estructuras de edificación. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp.323-332. ISBN: 978-84-8363-992-4.

En una sociedad desarrollada en la que el nivel de inversión en nuevas infraestructuras tiende a estabilizarse, su conservación pasa a ser uno de los retos a los que deben enfrentarse sus gestores, de forma que los recursos escasos de los que disponen sean destinados en la mejor alternativa posible. Sin embargo, la asignación óptima de recursos de conservación es un problema sin una solución directa. De hecho, la resolución del problema de asignación de recursos para el mantenimiento de una infraestructura presenta un problema de explosión combinatoria, pues existen S^T soluciones factibles para la gestión de una infraestructura con S posibles tratamientos de conservación y un periodo de análisis de T años. El objetivo de esta comunicación es presentar un modelo matemático que permite optimizar los recursos asignados al mantenimiento de una infraestructura de edificación, de forma que se maximice el nivel de servicio de la misma, cumpliendo además con unas restricciones presupuestarias y unos niveles mínimos de conservación.

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2013). Cómo predimensionar muros óptimos sin calculadora usando la inteligencia artificial. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 119-134. ISBN: 978-84-8363-992-4.

El trabajo presenta un estudio de diseño automático de muros ménsula de hormigón armado basado en el recocido simulado, dentro de un esquema de búsqueda en entornos variables, como metaheurística de optimización económica. Cada solución se caracteriza por 20 variables de diseño: 4 variables geométricas relacionadas con el espesor del alzado y de la zapata, así como con las longitudes de la puntera y del talón; 4 tipos de material; y 12 variables relacionadas con el armado. El trabajo estudia la importancia relativa de factores como el coeficiente de rozamiento suelo-zapata, el ángulo de rozamiento muro-relleno y la limitación de la flecha del alzado. Por último, se presenta un estudio paramétrico sobre muros de 4 a 10 metros de altura total, para distintos rellenos y condiciones de carga. Se aportan valores medios de costes, volúmenes de hormigón, espesores de alzados y zapatas, y longitudes de punteras y talones, que pueden resultar útiles para el predimensionado económico de muros. Los resultados muestran cómo la inteligencia artificial es capaz de dimensionar automáticamente los muros ménsula de hormigón armado, detectando relaciones aportadas por la experiencia en el cálculo de este tipo de estructuras. Se aportan, como novedad de gran interés práctico, unas reglas sencillas que permiten predimensionar y estimar económicamente y rápidamente este tipo de estructuras.

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2013). Métodos empleados en el proyecto HORSOST sobre diseño sostenible con hormigón no convencional. 2º Congreso Nacional de la Enseñanza de las Matemáticas en la Ingeniería de Edificación, EIMIE, 18-19 de julio, Valencia, pp. 259-272. ISBN: 978-84-8363-992-4.

El objetivo fundamental del proyecto de investigación HORSOST consiste en establecer pautas de diseño eficiente de estructuras de hormigón no convencional, optimizadas heurísticamente mediante funciones multiobjetivo relacionadas con la sostenibilidad. Se pretende avanzar en el establecimiento de nuevos diseños que permitan extraer las ventajas que aportan los hormigones especiales, en particular hormigones de alta resistencia, hormigones con fibras, hormigones autocompactantes. Para ello, se utiliza el análisis del ciclo de vida de dichas estructuras (elaboración, transporte, procedimientos constructivos, mantenimiento, etc.), considerando aspectos energéticos, medioambientales, sociales y económicos. La optimización heurística permite evaluar los diseños más eficientes, comparar soluciones y generar bases de datos sobre las cuales aplicar herramientas procedentes de la minería de datos y del aprendizaje automático para extraer información no trivial que permita fórmular predimensionamientos. La posibilidad de análisis se debe a que las herramientas matemáticas empleadas son de carácter general. Se aplican técnicas como las redes neuronales o la teoría del valor extremo, además de otras herramientas habituales, como la regresión lineal múltiple o el análisis por componentes principales.

¿Qué es la investigación operativa?

La investigación de operaciones, o investigación operativa, es una rama de las matemáticas que consiste en el uso de modelos matemáticos, estadística y algoritmos con objeto de modelar y resolver problemas complejos , determinando la solución óptima y permitiendo, de este modo, tomar decisiones. Frecuentemente, se trata del estudio de complejos sistemas reales, con la finalidad de mejorar (u optimizar) su funcionamiento. La investigación de operaciones permite analizar la toma de decisiones, teniendo en cuenta la escasez de recursos, para determinar cómo optimizar un objetivo definido, como la maximización de los beneficios o la minimización de los costes.

Aunque su nacimiento como ciencia se establece durante la Segunda Guerra Mundial y debe su nombre a las operaciones militares, los verdaderos orígenes de la investigación operativa se remontan mucho más atrás en el tiempo, hasta el siglo XVII. Esta disciplina nació en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial como estrategia para encontrar soluciones a problemas militares, lo que requirió la creación de un Grupo de Investigación de Operaciones Militares compuesto por científicos multidisciplinares. Al terminar la guerra, este método se empleó para resolver problemas generales como el control de inventarios, la asignación de recursos y las líneas de espera, entre otros. Esta técnica cumplió sus objetivos en las décadas de los cincuenta y sesenta, hasta su pleno desarrollo en la actualidad. Sin embargo, su auge se debe en gran medida al desarrollo de la informática, gracias a la cual es posible resolver problemas y obtener soluciones que, de otro modo, requerirían un enorme tiempo de cálculo. Debido a su éxito, la investigación operativa se extendió a otros campos, como la industria, la física, la informática, la economía, la estadística y la probabilidad, la ecología, la educación, el servicio social, entre otros, y actualmente se utiliza prácticamente en todas las áreas. Algunos de los promotores más importantes de la filosofía y la aplicación de la investigación de operaciones son C.W. Entre ellos se encuentran Churchman, R. L. Ackoff y R. Bellman. Actualmente, la investigación operativa incluye una amplia gama de ramas, como la programación lineal, la programación no lineal, la programación dinámica, la simulación, la teoría de colas, la teoría de inventarios, la teoría de grafos, entre otras.

Os presento ahora un vídeo sobre el tema que no llega a 3 minutos de duración. Espero que os guste.

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