Categoría: Docencia

Balance personal de 2020 en el ámbito docente e investigador

El 31 de diciembre es una buena fecha para hacer balance y reflexionar sobre lo que ha sido este año 2020. No ha sido, desde luego, un año para recordar por culpa de la pandemia del coronavirus. El confinamiento, las mascarillas, la distancia social, son palabras que, ni de lejos, íbamos a imaginar en nuestro vocabulario.

Definitivamente, nos hemos dado cuenta de lo vulnerables que somos y de la importancia que tiene la salud. Sin la salud, todo lo demás no sirve de nada. Pero también hemos descubierto palabras como solidaridad, ciencia, investigación o vacunas que nos permiten tener más esperanzas cara al futuro.

Lo más significativo a sido descubrir que es posible dar las clases a distancia a través de TEAMS, así como asistir a reuniones y conferencias también de forma virtual. No es lo mismo, pero al menos ha servido para salvar el año y para acelerar el proceso de digitalización y transformación de la docencia universitaria.

Con este post, son un total de 140 los que he escrito este año, lo cual no está nada mal. Ya he publicado 1309 artículos en mi blog desde que inicié esta andadura un 5 de marzo de 2012. Sin darme cuenta, he tocado muchos temas que tienen que ver con la profesión de la ingeniería civil en todos sus aspectos.

Pero demos un pequeño repaso a lo que ha sido este 2020. Este año hemos tenido varias necrológicas por culpa del coronavirus. Nos dejaron los profesores José Luis Ripoll y Manuel Romana, ambos catedráticos del área de ingeniería del terreno. También, con motivo de la pandemia, participé en un comité de expertos, organizados por la Generalitat Valenciana, para afrontar el reto del turismo frente al coronavirus. Elaboré varios modelos para afrontar la gestión de las playas turísticas y una metodología para calcular el aforo máximo en estos casos. Estuvo con nosotros de estancia el profesor José Antonio García Conejeros, de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (Chile), justo hasta antes de empezar el confinamiento. También fue noticia el Premio al Ingeniero Joven 2020 del que fue mi doctorando, Ignacio J. Navarro. También fue noticia el Premio Extraordinario a su tesis doctoral de Jorge Salas Herranz, al que tuve el honor de dirigir su tesis. Por cierto, que el 4 de septiembre se cumplieron 18 años de la lectura de mi tesis doctoral. Ya he cumplido mi mayoría de edad en investigación.

Justo antes del confinamiento, el 12 de marzo de 2020, tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Vicent Penadés Plà titulada “Life-cycle sustainability design of post-tensioned box-girder bridge obtained by metamodel-assisted optimization and decision-making under uncertainty“, que obtuvo la máxima calificación y que codirigí con la profesora Tatiana García Segura.

Otra de las noticias a recordar fue el ser elegido como Consejero en el Sector 4: docencia e investigación en las elecciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. No dejaré de agradecer a todos los apoyos recibidos.

Pero una de las grandes noticias personales fue ver cómo mi hija Lorena terminaba el Doble Máster en Ingeniería de Caminos e Ingeniería del Hormigón. Junto con Alejandro Brun, fueron los dos primeros estudiantes en terminar este doble grado. Todo un orgullo.

En relación con las publicaciones de artículos científicos en revistas indexadas, 2020 ha sido un buen año. Se nota que estamos terminando el proyecto DIMALIFE, y eso conlleva publicar los resultados. He publicado 15 artículos internacionales en revistas indexadas en el JCR, de las cuales 9 son del primer cuartil (4 del primer decil) y 4 del segundo cuartil, lo cual no está nada mal. Pero hoy ya tenemos un artículo publicado del 2021 en el International Journal of Environmental Research and Public Health, que es una revista del primer cuartil. Asimismo, destaco mi contribución como editor invitado en varios números especiales en revistas indexadas: en la revista Sustainability (Q2), Special Issue “Sustainable Construction II”, junto con el profesor José V. Martí; en Mathematics (Q1), Special Issue “Optimization for Decision Making III”, junto con el profesor José María Moreno, también en Mathematics (Q1), Special Issue “Deep Learning and Hybrid-Metaheuristics: Novel Engineering Applications“, junto con el profesor José García; y en el International Journal of Environmental Research and Public Health (Q1), Special Issue “Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure”, junto con el Dr. Ignacio J. Navarro. Todo esto no hubiera sido posible sin mis estudiantes de doctorando y colegas del grupo de investigación. El resultado ha sido que, a fecha de hoy, mi índice Hirsch de producción científica, según la Web of Science, ha sido h=29, mientras que ese mismo índice en Google Académico ha sido h=43.

En cuanto a los Congresos, este año ha sido muy complicado. Se suspendieron los viajes y se tuvieron que realizar a distancia. No es lo mismo, pues son en estos congresos donde se acercan los investigadores, se comentan resultados y se abre la mente a nuevas ideas. Ya se volverán a celebrar presencialmente. Echo de menos los congresos de ACHE, del IALCCE o de HPSM/OPTI. También me invitaron a varios foros y eventos como ponente, como el IV Foro de la Cátedra Hidralia+UGR, o el XX Foro Internacional de Turismo de Benidorm.

Al menos, he tenido tiempo para publicar tres libros, uno de ellos, la versión ampliada de Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención, que ya tiene 480 páginas así como 439 figuras y fotografías.

Por último, os dejo a continuación algunas de las referencias respecto a los medios de prensa, artículos, congresos, libros y Polimedias que he realizado durante este 2020. Espero que 2021 sea mejor que este año, aunque me temo que aún no llegaremos a la normalidad.

MEDIOS DE PRENSA:

INVESTIGADOR PRINCIPAL EN PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN COMPETITIVOS:

  • Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. DIMALIFE. [Reliability-based robust optimum design and maintenance of high social and environmental efficiency of bridges and highway infrastructures under restrictive budgets]. BIA2017-85098-R.

ARTÍCULOS INDEXADOS EN EL JCR:

  1. NAVARRO, I.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; REMPLING, R.; YEPES, V. (2020). Life cycle sustainability assessment for multi-criteria decision making in bridge design: A review. Journal of Civil Engineering and Management, 26(7):690-704. DOI:10.3846/jcem.2020.13598
  2. ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2020). Bridge Carbon Emissions and Driving Factors Based on a Life-Cycle Assessment Case Study: Cable-Stayed Bridge over Hun He River in Liaoning, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(16):5953. DOI:10.3390/ijerph17165953
  3. LÓPEZ, S.; YEPES, V. (2020). Impact of the R&D&I on the performance of Spanish construction companies. Advances in Civil Engineering, 2020:7835231. DOI:10.1155/2020/7835231
  4. PONS, J.J.; VILLALBA-SANCHIS, I.; INSA, R.; YEPES, V. (2020). Life cycle assessment of a railway tracks substructures: comparison of ballast and ballastless rail tracks. Environmental Impact Assessment Review, 85:106444. DOI:10.1016/j.eiar.2020.106444
  5. MILANI, C.J.; YEPES, V.; KRIPKA, M. (2020). Proposal of sustainability indicators for the design of small-span bridges. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(12):4488. DOI:10.3390/ijerph17124488
  6. MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Advances in Civil Engineering, 2020:8823370. DOI:10.1155/2020/8823370
  7. GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). The buttressed  walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics,  8(6):862. DOI:10.3390/math8060862
  8. PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA-SEGURA, T.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2020). Environmental and social impact assessment of optimized post-tensioned concrete road bridges. Sustainability, 12(10), 4265. DOI:10.3390/su12104265
  9. GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics,  8(4), 555. DOI:10.3390/math8040555
  10. YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12(7), 2767. DOI:10.3390/su12072767
  11. PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2020). Robust decision-making design for sustainable pedestrian concrete bridges. Engineering Structures, 209: 109968. DOI:10.1016/j.engstruct.2019.109968
  12. PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2020). Robust design optimization for low-cost concrete box-girder bridge. Mathematics, 8(3): 398. DOI:10.3390/math8030398
  13. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria assessment of alternative sustainable structures for a self-promoted, single-family home. Journal of Cleaner Production, 258: 120556. DOI:10.1016/j.jclepro.2020.120556
  14. SALAS, J.; YEPES, V. (2020). Enhancing sustainability and resilience through multi-level infrastructure planning. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(3): 962. DOI:10.3390/ijerph17030962
  15. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weights. Structure and Infrastructure Engineering, 16(7): 949-967. DOI:10.1080/15732479.2019.1676791

LIBROS

CONGRESOS

  1. MARÍN, R.; YEPES, V.; GRINDLAY, A. (2020). Discovering the marina’s cultural heritage and cultural landscape. 8th International Symposium Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurements Techniques, pp. 95-104. Firenze University Press. DOI: 10.36253/978-88-5518-147-1.11
  2. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria decision making applied to engineering education. Economic-environmental sustainability in the structure of single-family homes. 13th annual International Conference of Education, Research and Innovation ICERI 2020, 9-10 nov 2020.
  3. NAVARRO, I.J.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Evaluation of sustainability-oriented transversal competencies in engineering postgraduate studies. 13th annual International Conference of Education, Research and Innovation ICERI 2020, 9-10 nov 2020.
  4. SALAS, J.; YEPES, V. (2020). UPSS, a multi-level framework for improved resilient regional planning. Proceedings of the Second Edition of the International Conference on Innovative Applied Energy (IPC’20), 15-16 September, Cambridge, United Kingdom. ISBN (978-1-912532-18-6).
  5. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). Sustainability-oriented maintenance optimization of bridges in coastal environments. 7th International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering IALCCE 2020, 27-30 October 2020, Shanghai, China.
  6. PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2020). Application of robust design optimization in a continuous box-girder pedestrian bridge. 7th International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering IALCCE 2020, 27-30 October 2020, Shanghai, China.
  7. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). Comparación pareada como método de evaluación de competencias transversales en materia de sostenibilidad. VI Congreso de Innovación Educativa y Docencia en Red. IN-RED 2020, 16 y 17 de julio de 2020. Doi: http://dx.doi.org/10.4995/INRED2020.2020.12000
  8. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). Role of the social dimension on the sustainability-oriented maintenance optimization of bridges in coastal environments. 10th International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials HPSM/OPTI 2020, pp. 205-215, 3-5 June 2020, Prague, Czech Republic.
  9. MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Diseño de experimentos para la calibracion de la heurística de optimización de muros de contrafuertes. VIII Congreso de la Asociación Española de Ingeniería Estructural ACHE. Santander, 2020 (enviado y aplazado).
  10. SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Aplicación del análisis del valor MIVES a la estructura de una vivienda unifamiliar de autopromoción con criterios de sostenibilidad. VIII Congreso de la Asociación Española de Ingeniería Estructural ACHE. Santander, 2020 (enviado y aplazado).
  11. YEPES, V.; PELLICER, E.; MARTÍ, J.V.; KRIPKA, J. (2020). Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. VIII Congreso de la Asociación Española de Ingeniería Estructural ACHE. Santander, 2020 (enviado y aplazado).

VÍDEOS EDUCATIVOS (POLIMEDIAS):

  1. El problema del agua en las excavaciones. 9 minutos, 30 segundos.
  2. Clasificación de las técnicas de control de agua en las excavaciones. 8 minutos, 48 segundos.
  3. Selección del sistema de control del nivel freático. 8 minutos, 45 segundos.
  4. Drenaje de excavaciones mediante bombeos superficiales y sumideros. 6 minutos, 56 segundos.
  5. Drenaje de excavaciones desde zanjas perimetrales. 9 minutos, 9 segundos.
  6. Drenaje horizontal con pozos radiales. 9 minutos, 32 segundos.
  7. Drenaje de excavaciones mediante pozos filtrantes profundos. 10 minutos, 6 segundos.

 

Octave: software libre equivalente a Matlab

En entradas anteriores os he dejado algunos consejos para utilizar Matlab.

Este software es muy potente para nuestros usos en ingeniería y dentro de nuestro grupo de investigación. Sin embargo, a veces me encuentro con algunos estudiantes o profesionales que me preguntan por alguna alternativa que pudiese servir con software libre.

Afortunadamente, Octave es una alternativa con un aspecto y unos comandos de uso iguales y que no presenta problemas de instalación. Se trata de un lenguaje interpretado de alto nivel. Lo puedes descargar desde su página oficial completamente gratis. Aquí tienes el enlace de descarga.

Pero además, puedes utilizar una versión en línea desde tu móvil en el caso de que no tengas a mano tu ordenador. Esta versión la tienes aquí: Octave online.

Os paso el siguiente vídeo de Marcelo Pardo que describe, de forma sencilla, cómo instalar Octave más el plugin de symbolic, que es muy útil.

También os dejo un enlace a su página web donde describe Octave, deja vídeos tutoriales y explica alguna de las aplicaciones, especialmente en el ámbito del hormigón armado y el análisis matricial: https://marcelopardo.com/octave/

Además, la Universidad Politécnica de Madrid ha elaborado un curso gratuito MOOC sobre “Matlab y Octave para ingenieros y científicos” que os puede ser de muchísima utilidad: https://www.youtube.com/watch?v=VF97VH8QIAo&list=PL8bSwVy8_IcNTBBRzsKyE8PojViLIJ4RA

Os dejo a continuación la presentación del curso:

Comparación pareada como método de evaluación de competencias transversales en materia de sostenibilidad

La evaluación de las competencias transversales adquiridas a lo largo de la formación universitaria es un objetivo fundamental para garantizar la adecuada formación de los alumnos. Con los recientemente establecidos Objetivos de Desarrollo Sostenible, la demanda de competencias transversales orientadas a tal fin es cada vez mayor y, su desarrollo y evaluación, más urgente. En el contexto de la sostenibilidad, resulta particularmente relevante la capacidad de pensamiento crítico de los estudiantes. Ante la falta de consenso en cuanto a cómo determinar el grado de adquisición de las competencias transversales, se propone un procedimiento objetivo orientado a la evaluación del pensamiento crítico basado en la resolución de casos de estudio, combinados con la aplicación del Proceso Analítico Jerárquico de decisión multicriterio. La aplicación de este proceso permite determinar, de forma objetiva, la coherencia implícita de los alumnos en sus juicios y ofrece, por lo tanto, una herramienta valiosa para evaluar su capacidad de pensamiento crítico y la claridad con la que perciben la sostenibilidad y sus implicaciones en el desarrollo de su futura práctica profesional.

Referencias:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). Comparación pareada como método de evaluación de competencias transversales en materia de sostenibilidad. VI Congreso de Innovación Educativa y Docencia en Red. IN-RED 2020, 16 y 17 de julio de 2020. Doi: http://dx.doi.org/10.4995/INRED2020.2020.12000

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Memoria anual 2018-2019 de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia

Acaba de publicarse la Memoria 2018-2019 de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia. Creo que vale la pena difundir esta información, pues son muchos, incluidos los propios profesores y estudiantes de esta Escuela, que desconocen algunas de las actividades que se realizan. Sirva también, para hacer transparente nuestra Escuela a todos los niveles. Aquí os la dejo.

 

 

 

 

 

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Toma de decisiones aplicada a la construcción de un puente mixto en cajón

Os dejo a continuación un ejemplo sencillo de aplicación de la técnica AHP de toma de decisiones dirigida a la selección de alternativas en la construcción de un puente mixto en cajón. Se trata de un caso que utilizamos con nuestros estudiantes para enseñar la técnica. Tratamos de evitar que, en los estudios de soluciones, los estudiantes recurran siempre a las matrices de valoración ponderada, donde los pesos de cada criterio siempre se ponen de forma más o menos arbitraria, o bien para justificar la solución preferida. Este tipo de problemas también suelen aparecer en los concursos de licitación de obras públicas.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; ATA-ALI, N.; MARTÍ, J.V. (2019). Multi-criteria decision analysis techniques applied to the construction of a composite box-girder bridge. 13th annual International Technology, Education and Development Conference (INTED 2019), Valencia, 11th, 12th and 13th of March, 2019, 1458-1467. ISBN: 978-84-09-08619-1

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Gestión de la innovación en las empresas constructoras

Tras la crisis financiera de 2008, que supuso una caída brutal de la contratación de obra pública en España, las empresas constructoras y consultoras tuvieron que internacionalizarse. Sin casi haber salido completamente de este trance, sobrevino la actual crisis sanitaria de la pandemia del coronavirus que ha acarreado una nueva recesión social y económica que, de momento, no se atisba su solución. Las consecuencias de esta nueva crisis, graves sin duda, aún no se sabe hasta dónde pueden alcanzar. Por tanto, el sector de la construcción vuelve a sufrir una convulsión de difícil pronóstico. Las nuevas tecnologías están teniendo un papel determinante en la forma de afrontar esta coyuntura, especialmente en el trabajo no presencial. Los cambios que podrían tardar décadas en llegar, nos han alcanzado de repente. La pregunta es la de siempre: ¿cómo afrontar la competitividad de las empresas en escenarios tan cambiantes como los actuales?

Parece evidente que la metáfora darwinista de la evolución podría aplicarse, con todas las cautelas necesarias, al mundo empresarial. Solo sobrevivirán aquellas organizaciones capaces de adaptarse rápidamente al nuevo entorno. Y para ello no es suficiente la mejora continua de nuestros procesos y productos, sino que se requiere un cambio radical, rupturista, basado en la innovación, capaz de crear un “océano azul” donde la competencia sea irrelevante.

A continuación os paso una clase que tuve que impartir en línea sobre la gestión de la innovación en las empresas constructoras. Se trata de una clase impartida en la asignatura “Gestión de la innovación en el sector de la construcción” del Máster Universitario en Planificación y Gestión en Ingeniería Civil (MAPGIC) de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de la Universitat Politècnica de València. La dejo en abierto para que la pueda ver quien esté interesado.

Especialista en tecnologías sin zanja

Os anuncio a continuación la VI edición anual del Curso de Postgrado: ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍAS SIN ZANJA, que se desarrolla del 26 de octubre al 11 de noviembre de 2020 en la modalidad online, a través de la plataforma Microsoft Teams. Se trata un curso de 46 horas organizado por la Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (IbSTT).

Os adjunto el programa actualizado y el enlace para que puedan cumplimentar el boletín de inscripción, y la reserva de plaza: https://forms.gle/FyYRn9D8XmuENyj4A. Por cierto, podéis solicitar un “código de descuento de empresa asociada” del 10% si sois alumno mío o bien contacto, por ser miembro colaborador (dáis mi nombre al inscribiros y os harán el descuento).

También os paso, gratuitamente, la ponencia que imparto dentro del curso, que he colgado en Youtube, por si os resulta de interés. Se trata del Módulo 7-1: Aspectos generales: Peforación Horizontal Dirigida PHD.

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Correlación y modelo de regresión lineal. Problema resuelto en puentes losa

Figura 1. Modelo lineal simple de un tablero de puente losa postesado macizo (Yepes et al., 2009)

Uno de los temas básicos que se estudia en la asignatura de estadística de cualquier grado de ingeniería es la inferencia y los modelos de regresión lineal (Figura 1). A pesar de su sencillez, muchos estudiantes y profesionales aplican, sin más, este tipo de regresiones para interpolar valores en múltiples campos de la ingeniería, la economía, la salud, etc. El conocimiento de algunas nociones básicas nos permitiría evitar errores de bulto. Uno de ellos es intentar forzar las predicciones más allá de las observaciones realizadas. Otro error es confundir la correlación con la regresión. Buscar relaciones donde no las hay (relación espuria, Figura 2). Y por último, uno de los aspectos más descuidados es la no comprobación de las hipótesis básicas que se deben cumplir para que un modelo de regresión lineal sea válido.

Figura 2. Relaciones espuria entre el consumo de chocolate y el número de premios Nobel

Dicho de otra forma, valorar la calidad del ajuste mediante el coeficiente de determinación no equivale a valorar el cumplimiento de las hipótesis básicas del modelo. Si las hipótesis del modelo no se cumplen, se pueden estar cometiendo graves errores en las conclusiones de las inferencias. Así, las hipótesis básicas del modelo de regresión son las siguientes:

  • Linealidad: los parámetros y su interpretación no tienen sentido si los datos no proceden de un modelo lineal
  • Normalidad de los errores: se asume que la distribución de los errores es normal
  • Homocedasticidad: la varianza del error es constante
  • Independencia de los errores: las variables aleatorias que representan los errores son mutuamente independientes
  • Las variables explicativas son linealmente independientes

Para aclarar las ideas, he analizado un caso de regresión lineal simple con datos reales procedentes de 26 puentes losa postesados macizos (Yepes et al., 2009). Se trata de conocer la relación que existe entre la luz principal de este tipo de puentes y el canto del tablero. Utilizaremos los programas siguientes: MINITAB, SPSS, EXCEL y MATLAB. También os dejo un vídeo explicativo, muy básico, pero que espero sea de interés. Dejo los detalles matemáticos aparte. Los interesados pueden consultar cualquier manual básico de estadística al respecto.

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Referencias:

YEPES, V.; DÍAZ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2009). Statistical Characterization of Prestressed Concrete Road Bridge Decks. Revista de la Construcción, 8(2):95-109.

 

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Tablas de contingencia aplicadas al hormigón

Figura 1. ¿Depende la calidad del hormigón de un proveedor determinado?

En ocasiones nos encontramos con un par de variables cualitativas que, a priori, no sabemos si se encuentran relacionadas entre sí, o si pertenecen a una misma población estadística. Recordemos que las variables cualitativas son aquellas cuyo resultado es un valor o categoría de entre un conjunto finito de respuestas (tipo de defecto, nombre del proveedor, color, etc.).

En el ámbito del hormigón, por ejemplo, podríamos tener varios proveedores de hormigón preparado en central y un control del número de cubas-hormigonera aceptadas, aceptadas con defectos menores o rechazadas. Otro ejemplo sería contabilizar el tipo de incumplimiento de una tolerancia por parte de un equipo que está encofrando un muro de contención. En estos casos, se trata de saber si existe dependencia entre los proveedores o los equipos de encofradores respecto a los defectos detectados. Esto sería interesante en el ámbito del control de la calidad para tomar medidas, como pudiese ser descartar a determinados proveedores o mejorar la formación de un equipo de encofradores.

Así, podríamos tener un problema como el siguiente: Teniendo en cuenta el punto 5.6 del Anejo 11 de la EHE, donde se definen las tolerancias de muros de contención y muros de sótano, se quiere comprobar si tres equipos de encofradores producen de forma homogénea en la ejecución de muros vistos, o por el contrario, unos equipos producen más defectos de un tipo que otro. Todos los equipos emplean el mismo tipo de encofrado. Las tolerancias que deben cumplirse son:

1. Desviación respecto a la vertical
2. Espesor del alzado
3. Desviación relativa de las superficies planas de intradós o de trasdós
4. Desviación de nivel de la arista superior del intradós, en muros vistos
5. Tolerancia de acabado de la cara superior del alzado, en muros vistos

Los equipos han estado trabajando durante año ejecutando este tipo de unidad de obra. Durante este tiempo el número de defectos en relación con la tolerancia dimensional ha sido pequeño, pero se han contabilizado 375 defectos. El control de calidad ha dado como resultado el conteo de la tabla de la Figura 2.

Figura 2. Conteo de incumplimientos según el equipo de encofradores. En paréntesis figura el valor esperado.

En la Figura 2 se ha representado también la frecuencia esperada para cada uno de los casos. Por ejemplo, la fracción esperada del incumplimiento “1” es de 89/375, mientras que la fracción esperada de defectos del equipo A es de 150/375. Ello implica que el valor esperado de incumplimientos del tipo “1” para el equipo de encofradores “A” sería: (89/375)·(150/375)·375=89·150/375=35,60.

La pregunta que nos podríamos hacer es la siguiente: ¿Influye el tipo de proveedor en la calidad de la recepción del hormigón? Para ello plantearíamos la hipótesis nula: El tipo de proveedor no influye en la calidad de la recepción del hormigón. La hipótesis alternativa sería que sí que existe dicha influencia o dependencia entre las variables cualitativas.

Para ello necesitamos una prueba estadística, en este caso es la prueba χ². El fundamento de la prueba χ² es comparar la tabla de las frecuencias observadas respecto a la de las frecuencias esperadas (que sería la que esperaríamos encontrar si las variables fueran estadísticamente independientes o no estuvieran relacionadas). Esta prueba permite obtener un p-valor (probabilidad de equivocarnos si rechazamos la hipótesis nula) que podremos contrastar con el nivel de confianza que determinemos. Normalmente el umbral utilizado es de 0,05. De esta forma, si p<0,05 se rechaza la hipótesis nula y, por tanto, diremos que las variables son dependientes. Dicho de forma más precisa, en este caso no existe un nivel de significación suficiente que soporte la independencia de las variables.

Las conclusiones que se obtienen de la prueba son sencillas de interpretar. Si no existe mucha diferencia entre los valores observados y los esperados, no hay razones para dudar de que las variables sean independientes.

No obstante, hay algunos problemas con la prueba χ², uno de ellos relacionado con el tamaño muestral. A mayor número de casos analizados, el valor de la χ² tiende a aumentar. Es decir, si la muestra es excesivamente grande, será más fácil que rechacemos la hipótesis nula de independencia, cuando a lo mejor podrían ser las variables independientes.

Por otra parte, cada una de las celdas de la tabla de contingencia debería tener un mínimo de 5 observaciones esperadas. Si no fuera así, podríamos agrupar filas o columnas (excepto en tablas 2×2). También se podría eliminar la fila que da una frecuencia esperada menor de 5.

Por último, no hay que abusar de la prueba χ². Por ejemplo, podríamos tener una variable numérica, como la resistencia característica del hormigón, y agruparla en una variable categórica en grupos tales como 25, 30, 35, 40, 45 y 50 MPa. Lo correcto cuando tenemos una escala numérica sería aplicar la prueba t-Student, siendo incorrecto convertir la escala numérica en una ordinal o incluso binaria.

A continuación os dejo el problema anterior resuelto, tanto con el programa SPSS como con MINITAB.

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Os dejo un par de vídeos explicativos, que espero os sean de interés.

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¿Cuál es el mejor algoritmo para optimizar un problema? “No free lunch”

Figura 1. Desgraciadamente, no existe la comida gratis. https://medium.com/@LeonFedden/the-no-free-lunch-theorem-62ae2c3ed10c

Después de años impartiendo docencia en asignaturas relacionadas con la optimización heurística de estructuras de hormigón, y tras muchos artículos científicos publicados y más donde he sido revisor de artículos de otros grupos de investigación, siempre se plantea la misma pregunta: De todos los algoritmos que utilizamos para optimizar, ¿cuál es el mejor? ¿Por qué dice en su artículo que su algoritmo es el mejor para este problema? ¿Por qué no nos ponemos de acuerdo?

Para resolver esta cuestión, dos investigadores norteamericanos, David Wolpert y William Macready, publicaron un artículo en 1997 donde establecieron un teorema denominado “No free lunch“, que traducido sería algo así como “no hay comida gratis”. Dicho teorema establece que, por cada par de algoritmos de búsqueda, hay tantos problemas en el que el primer algoritmo es mejor que el segundo como problemas en el que el segundo algoritmo es mejor que el primero.

Este teorema revolucionó la forma de entender el rendimiento de los algoritmos. Incluso una búsqueda aleatoria en el espacio de soluciones podría dar mejores resultados que cualquier algoritmo de búsqueda. La conclusión es que no existe un algoritmo que sea universalmente mejor que los demás, pues siempre habrá casos donde funcione peor que otros, lo cual significa que todos ellos se comportarán igual de bien (o de mal) en promedio.

De hecho, se podría decir que un experto en algoritmos genéticos podría diseñar un algoritmo genético más eficiente que, por ejemplo, un recocido simulado, y viceversa. Aquí el arte y la experiencia en un problema y en una familia de algoritmos determinados, suele ser decisivo. En la Figura 2 se puede ver cómo un algoritmo muy especializado, que conoce bien el problema, puede mejorar su rendimiento, pero pierde la generalidad de poder usarse en cualquier tipo de problema de optimización que no sea para el que se diseñó.

Figura 2. El uso del conocimiento del problema puede mejorar el rendimiento, a costa de la generalidad. https://medium.com/@LeonFedden/the-no-free-lunch-theorem-62ae2c3ed10c

¿Qué consecuencias obtenemos de este teorema? Lo primero, una gran decepción, pues hay que abandonar la idea del algoritmo inteligente capaz de optimizar cualquier problema. Lo segundo, que es necesario incorporar en el algoritmo cierto conocimiento específico del problema, lo cual equivale a una “carrera armamentística” para cada problema de optimización. Se escriben y escribirán miles de artículos científicos donde un investigador demuestre que su algoritmo es mejor que otro para un determinado problema.

Una forma de resolver este asunto de incorporar conocimiento específico del problema es el uso de la inteligencia artificial en ayuda de las metaheurísticas. Nuestro grupo de investigación está abriendo puertas en este sentido, incorporando “deep learning” en el diseño de los algoritmos (Yepes et al., 2020; García et al., 2020a; 2020b), o bien redes neuronales (García-Segura et al., 2017). Incluso, en este momento, me encuentro como editor de un número especial de la revista Mathematics (primer decil del JCR) denominado: “Deep Learning and Hybrid-Metaheuristics: Novel Engineering Applications”, al cual os invito a enviar vuestros trabajos de investigación.

Si nos centramos en un tipo de problema determinado, por ejemplo, la optimización de estructuras (puentes, pórticos de edificación, muros, etc.), el teorema nos indica que necesitamos gente formada y creativa para optimizar el problema concreto al que nos enfrentamos. Es por ello que no existen programas comerciales eficientes capaces de adaptarse a cualquier estructura para optimizarla. Tampoco son eficientes las herramientas generales “tools” que ofrecen algunos programas como Matlab para su uso inmediato e indiscriminado.

Por tanto, no se podrá elegir entre dos algoritmos solo basándose en lo bien que trabajaron anteriormente en un problema determinado, pues en el siguiente problema pueden optimizar de forma deficiente. Por tanto, se exige conocimiento intrínseco de cada problema para optimizarlo. Es por ello que, por ejemplo, un experto matemático o informático no puede, sin más, dedicarse a optimizar puentes atirantados.

Referencias:

GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020a). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics,  8(4), 555.

GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020b). The buttressed  walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics,  8(6):862.

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.

WOLPERT, D.H.; MACREADY, W.G. (1997). No Free Lunch Theorems for Optimization. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 1(1):67-82.

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12(7), 2767.

A continuación os dejo el artículo original “No Free Lunch Theorems for Optimization”. Se ha convertido en un clásico en optimización heurística.

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