logística – El blog de Víctor Yepes

Maquinaria y procedimientos de construcción: Problemas resueltos

Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.

Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.

El libro tiene 562 páginas. Este libro lo podéis conseguir en la propia Universitat Politècnica de València o bien directamente por internet en esta dirección: https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_376-7-1

Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.

Referencia:

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

A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.

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Gestión de la cadena de suministro en obras

Una cadena de suministro es un sistema integral que crea y entrega un producto o servicio, desde el suministro de materias primas hasta la entrega al usuario final. Abarca el flujo de materiales, productos, información y capital, lo que lo convierte en un área compleja de la cadena de valor de la construcción. El término se originó en la industria manufacturera, pero su esencia se remonta a años atrás. Esta cadena supervisa todos los aspectos del proceso de producción, incluidas las actividades, la comunicación, los recursos y los componentes.

La cadena de suministro es una red complicada de organizaciones colaboradoras que trabajan juntas para proporcionar a los consumidores bienes y servicios. La gestión de la cadena de suministro comenzó en la fabricación con la idea de la entrega «justo a tiempo». El objetivo es reducir el inventario y gestionar las interacciones entre los proveedores y la línea de producción. Al integrar los procesos empresariales, el objetivo es mejorar la estructura y la gestión de la cadena mediante el reconocimiento de la interdependencia. Esto implica gestionar las operaciones y las relaciones en toda la cadena de suministro de manera integral.

El contratista principal es responsable de la empresa constructora y depende de subcontratistas y proveedores para llevar a cabo su ejecución. Una buena comunicación y colaboración entre las partes es crucial para garantizar la productividad. El promotor contrata directamente al contratista principal, quien a su vez se encarga de contratar a sus propios proveedores y subcontratistas. Su principal deber es asegurar la correcta ejecución de todos los contratos.

La subcontratación ofrece una serie de beneficios. En primer lugar, el subcontratista posee habilidades técnicas, de ingeniería y de construcción especializadas, mientras que la empresa constructora contratista generalmente tiene competencias más generalizadas. Además, los servicios subcontratados se pueden proporcionar de manera más rentable, ya que se espera que la empresa subcontratada tenga una mayor productividad en su especialidad o reduzca los gastos generales. Otra ventaja es que la subcontratación ofrece la posibilidad de aumentar la mano de obra a un costo reducido, lo que permite al contratista principal prescindir del personal permanente y gestionar de manera más eficiente los picos temporales de trabajo. Además, la subcontratación permite la utilización de recursos humanos ocasionales para un proyecto específico, sin la necesidad de contratarlos de forma permanente dentro de la empresa. Asimismo, al transferir parte de los riesgos comerciales al subcontratista, los riesgos asociados pueden minimizarse hasta cierto punto. Por último, la subcontratación mejora la capacidad empresarial para entrar en mercados inusuales, ya sea por consideraciones geográficas o por la diversificación de los servicios.

La práctica de subcontratación puede resultar en la pérdida de beneficios, sin embargo, los gerentes de proyectos pueden considerarla rentable debido a la exención de los gastos generales. Sin embargo, este enfoque solo funciona si la fuerza laboral de la empresa se emplea a tiempo completo y es capaz de realizar las tareas subcontratadas.

Las empresas que subcontratan suelen ser más pequeñas y tienen capacidades financieras limitadas. El trabajo in situ puede ser difícil de gestionar debido a la gran cantidad de mano de obra que implica. Las empresas más pequeñas pueden carecer de procedimientos de trabajo establecidos, lo que genera dudas sobre la calidad de su trabajo. Por lo tanto, los contratistas principales deben supervisar de cerca a los subcontratistas para garantizar que se cumplan los requisitos del proyecto.

En la industria de la construcción, es común contratar empresas externas para mano de obra, maquinaria, equipos y materiales. Esta práctica conocida como «contratación externa» puede representar más de las tres cuartas partes de la producción en la actualidad.

Durante la construcción, el contratista principal decide utilizar recursos internos o contratar empresas especializadas. En este último caso, se contrata a subcontratistas y también se les denomina «proveedores» si proporcionan materiales o equipos.

Los subcontratistas se enfrentan a decisiones similares a las de los contratistas principales a la hora de formar una cadena de suministro. La cadena puede tener varios niveles de subcontratación, hasta el cuarto o quinto nivel en algunos países. Los principales contratistas dependen cada vez más de otros participantes de la cadena. En España, la subcontratación tiene un máximo de tres niveles, a excepción de obras excepcionalmente complejas.

Las cadenas de suministro de la construcción presenta una serie de características. En primer lugar, los suministros se canalizan al sitio de construcción para ensamblar los componentes. Es diferente de los sistemas de fabricación convencionales. Por otra parte, la cadena de suministro de la construcción es temporal y requiere reconfiguraciones repetidas. Esta característica lo hace inestable y fragmentado. Además, es una cadena hecha a medida donde cada proyecto genera un nuevo producto. Hay muy poca repetición.

La planificación inadecuada y las medidas improvisadas pueden dañar la eficiencia de la cadena de suministro. Los pedidos tardíos de material generan dudas sobre la demanda entre los proveedores y requieren amplios márgenes de seguridad. Las solicitudes urgentes de material conducen a un almacenamiento in situ prolongado, con el riesgo de que se deteriore y se produzcan problemas de recogida y custodia.

Se recomiendan varias iniciativas pragmáticas para mejorar la cadena de suministro en la construcción. La interfaz entre las actividades de producción in situ y la cadena de suministro se puede ampliar mediante la aplicación de metodologías como la «cadena crítica» o el «último planificador». Es imperativo mejorar la cadena de suministro en sí misma, aunque la naturaleza impredecible de las actividades del desarrollador impide este esfuerzo. La transferencia de actividades del sitio de construcción a la cadena, facilitada por la prefabricación o la industrialización, es otra alternativa, aunque requiere un diseño más meticuloso y podría estar sujeta a cambios. El objetivo es integrar el trabajo con la cadena de suministro, donde el proyecto y el contrato de construcción podrían servir como un primer paso en esta dirección, aunque requiere un nivel de integración más completo.

Os paso algunos vídeos al respecto.

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Recomendaciones para la distribución de las instalaciones de obra

Figura 1. Vista aérea de septiembre de 2017 de las obras del estadio de Los Ángeles en Hollywood Park. https://commons.wikimedia.org/

Las instalaciones temporales son elementos colocados durante una obra para garantizar la seguridad y eficiencia de los trabajos. Al finalizar, se retiran. Es crucial realizar un estudio previo para evitar retrasos y problemas, como acceso dificultoso o falta de infraestructuras.

Las instalaciones temporales deben cumplir con la normativa vigente y pueden incluir vallas de obra para protección, instalaciones auxiliares con baños portátiles, áreas de descanso y espacios de primeros auxilios. La señalización es relevante para informar sobre los peligros y prevenir accidentes. Estas instalaciones deben ser adecuadas al tamaño y tipo de obra, y es importante que los trabajadores estén debidamente informados y capacitados. La presencia de señales es tan valiosa como la formación de los trabajadores.

La distribución eficiente y segura de las instalaciones de obra es de vital importancia. Para lograr este objetivo, se recomienda una adecuada planificación, pues optimizará el flujo de trabajo y garantizará un entorno seguro.

En general, cuando se dispone de espacio suficiente, se pueden considerar las siguientes recomendaciones para la distribución de las instalaciones de obra que facilite su gestión eficiente:

a) Las oficinas de obra deben situarse en zonas elevadas para tener una vista panorámica de la entrada y salida de la obra.

b) Los vestuarios y barracones para el personal obrero deben ubicarse fuera de la zona de trabajo, preferiblemente fuera de la vista de los tajos.

c) Los almacenes y talleres también deben estar alejados del área de trabajo para no obstaculizar la llegada y salida de suministros, así como el tráfico normal de la instalación. Los almacenes deben tener fácil acceso desde el exterior y salida fácil hacia los talleres.

d) Es recomendable que las obras importantes dispongan de una báscula propia para camiones cerca de la entrada para facilitar el control por peso de los aprovisionamientos.

e) Si hay un gran número de vehículos en uso, se debe considerar la instalación de una gasolinera o almacén-surtidor de combustible.

f) En la medida de lo posible, se debe considerar la posibilidad de reutilizar las instalaciones después de la obra o, al menos, evitar la necesidad de demolerlas.

g) Siempre que sea posible, se debe diseñar las instalaciones aprovechando la gravedad y reducir el trabajo necesario aprovechando la orografía o las pendientes del terreno.

h) Las instalaciones deben ajustarse a la duración prevista de la obra, y su ubicación debe ser tal que no se necesite un cambio de emplazamiento durante la obra. Si un cambio es imprescindible, debe tenerse en cuenta desde el principio y planificarse cuidadosamente para evitar interrupciones en el trabajo.

Os dejo un par de vídeos al respecto, que espero os sea de interés.

https://www.youtube.com/watch?v=w4igd66aJcU

https://www.youtube.com/watch?v=n_-HbPfpL_E

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Estudio del layout o de la distribución en planta de los almacenes en obra

Figura 1. Aspecto de una instalación de obra y acopios de material al aire libre. https://es.dreamstime.com/foto-de-archivo-editorial-kaliningrado-rusia-almac%C3%A9n-temporal-del-almacenamiento-de-los-productos-y-de-los-materiales-de-la-construcci%C3%B3n-image58934568

Los almacenes de materiales y maquinaria, tanto en una obra como en los parques de maquinaria, deben considerar una gran variedad de problemas interrelacionados relacionados con la sistematización física y contable. Es por ello que un almacén debería diseñarse para reducir costes y retrasos, así como interferir lo menos posible en el proceso productivo. Para ello, un sistema de almacenamiento debería cumplir los siguientes requisitos:

Posibilidad de una recepción cómoda de los materiales.
Instalaciones adecuadas al tipo de material almacenado y a sus exigencias de manipulación.
Posibilidad de una fácil distribución.
Minimizar los registros contables correspondientes a los movimientos físicos.

Para proyectar correctamente un almacén, deberíamos realizar un estudio del layout o de la distribución en planta, siendo los elementos de inventario y el espacio disponible los factores más importantes a tener en cuenta.

En la asignación del espacio de almacenamiento se deben considerar una serie de criterios relacionados con el tipo de existencias y el movimiento de materiales o maquinaria:

Separar las áreas destinadas a los materiales que, por su naturaleza, vayan a ser manipulados en grandes lotes o con gran frecuencia, de los que se mueven con poca frecuencia o en pequeños lotes, aunque de forma reiterada.
Reservar las zonas más accesibles o más próximas a los puntos de carga y descarga para el almacenamiento de los elementos de desplazamiento más frecuente.
Considerar qué elementos pueden almacenarse al aire libre, con o sin cobertura protectora.

Figura 2. Almacenamiento mediante estantes, con pasillos para transporte. https://www.ohra.es/sectores/materiales-de-construccion

Un buen estudio planimétrico debe considerar, entre otros, los siguientes objetivos:

Las instalaciones deben proyectarse para asegurar su máxima utilización.
Debe minimizarse los tiempos muertos y reducir la congensión del flujo de trabajo.
Debe preverse un mantenimiento eficiente de las áreas e instalaciones del almacén, que no obstaculice el desarrollo de los trabajos.
Debe garantizarse la mayor velocidad del flujo de materiales y la reducción de los tiempos de trabajo.
Se deben considerar las condiciones del trabajo del personal, respetando las exigencias de seguridad e higiene, así como la ergonomía.

Los almacenes de materiales en obra o en el parque de maquinaria normalmente utilizan sistemas con silos y cisternas, sistemas de estanterías de diversas clases (Figura 2) o sistemas paletizados (Figura 3). Sin embargo, también son habituales los almacenes al aire libre o en áreas no provistas de edificios. En este último caso, en las obras encontramos depósitos desordenados o a granel de materiales tales como los áridos.

Figura 3. Almacenamiento paletizados de sacos de cemento. https://www.cuevadelcivil.com/2013/03/almacenamiento-de-materiales.html

Para realizar un almacenamiento adecuado se debe planificar la distribución o layout incluyendo las actividades que se indican en la Figura 4 (Serpell, 2002). De esta forma, se conseguirá una distribución eficiente de los sistemas de almacenaje que contribuirá a la mejora de la productividad en la ejecución de la obra.

Figura 4. Diseño de la distribución en obra de los materiales (Serpell, 2002).

Analicemos brevemente cada uno de los elementos indicados en la Figura 3 (Serpell, 2002):

Materiales necesarios para la ejecución de la obra: la naturaleza de los materiales influye en el espacio requerido en el almacén.
Formas de almacenamiento y otras exigencias: el material que entra en un almacén pasa por varios movimientos que van desde el envío y descarga en la obra hasta el despacho y carga para llevarlo al tajo correspondiente. Por tanto se pueden usar tres tipos de almacenes en obra: un área temporal que minimice la distancia al tajo, un área de acopio de materiales, de mayores dimensiones y para materiales a granel no afectados por las condiciones ambientales, y almacenes cerrados o bodegas. A parte también se encuentran en obra otras instalaciones como talleres de fabricación (ferralla, encofrados, prefabricados, etc.).
Cantidad a almacenar y tamaño de la instalación: la cantidad de materiales a almacenar determinará el tamaño del almacén. Sin embargo, la planificación de la obra lamina el volumen necesario. En el layout, deberá minimizarse las áreas dedicadas a acceso, manipulación y otras actividades complementarias al propio almacenaje.
Calidad de las instalaciones: las características, y por tanto, el coste del almacén será función, entre otros factores, del tipo y duración de la obra, de las condiciones ambientales, de la protección contra el fuego, disponibilidad de material, reutilización de la instalación, la protección de los materiales o las exigencias de la propiedad.
Cercanía relativa: Se refiere a la proximidad de la instalación a los tajos y a la facilidad para recibir los materiales que llegan a obra.
Relaciones entre áreas de almacenamiento: Se trata de reducir al máximo el movimiento de operarios, materiales y equipos entre las distintas instalaciones.
Consideraciones varias: la flexibilidad de las instalaciones y la seguridad ante el robo como las correspondientes a los operarios, deberá considerarse en la planificación de los almacenes.

Os dejo un vídeo donde se explica el diseño de layout orientado al proceso.

Referencias:

PÉREZ GOROSTEGUI, E. (2021). Dirección de empresas. Editorial Universitaria Ramón Areces, 754 pp.

YEPES, V. (2008). Productivity and Performance, in Pellicer, E. et al.: Construction Management. Construction Managers’ Library Leonardo da Vinci: PL/06/B/F/PP/174014. Ed. Warsaw University of Technology, pp. 87-101. ISBN: 83-89780-48-8.

SERPELL, A. (2002). Administración de operaciones de construcción. Alfaomega, Ediciones Universidad Católica de Chile, Colombia.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Control eficiente de almacenes en obras: El método ABC

Figura 1. Método ABC para gestionar los inventarios

Ya hemos hablado de los almacenes de obra y su gestión en un artículo anterior. Ahora vamos a explicar brevemente cómo se pueden gestionar de forma eficiente a través del conocido método ABC.

Todos los sistemas de inventarios presentan un sistema de control cuya función es mantener un registro actualizado de los elementos almacenados, informar sobre el nivel de existencias, notificar las situaciones anormales y elaborar informes (Pérez Gorostegui, 2021). Sin embargo, un control minucioso solo sería necesario en unos pocos artículos, atendiendo al Principio de Pareto, según el cual, unos pocos artículos tienen mucha importancia, y muchos de ellos, poca. Este principio también suele llamarse como regla 80/20, que aplicado a un inventario significa que el 20 % de los elementos supone el 80 % de la inversión total, mientras que el 80 % de todos ellos, apenas supone el 20% de toda la inversión en stocks.

Se puede aplicar el Método ABC para controlar los elementos almacenados. Para ello se clasifican según su valor de uso anual (podría ser cualquier otro periodo), agrupándolos de acuerdo con el coste de su gasto anual: cantidad utilizada (consumida, vendida, empleada, etc.) coste unitario (o precio unitario). Para ello se dividen los elementos en tres grupos:

Grupo A: Suponen un porcentaje alto de la inversión total, de forma que, controlando este grupo, se tiene controlado casi todo el almacén. Representa generalmente el 10 % de los artículos, estando su valor de uso entre el 60 % y el 80 % del total.
Grupo C: Son aquellos cuyo control es poco interesante, pues siendo muy numeroso, su valor es pequeño. Suele ser el 50-70 % del total de artículos, significando solo entre el 5-10 % del valor total de uso
Grupo B: Tienen una importancia en relación al número de unidades del almacén parecida a la que tienen con referencia al valor total de la inversión del inventario. Abarca generalmente al 25 % de los artículos, y representa entre el 15-30 % del valor total de uso.

Lo sorprendente en este tipo de análisis es la similitud de la forma de las curvas ABC. En efecto, si el número de variedades es lo suficientemente grande, es similar con independencia del tipo de elementos almacenados.

Os dejo un vídeo explicativo al respecto.

Referencias:

PÉREZ GOROSTEGUI, E. (2021). Dirección de empresas. Editorial Universitaria Ramón Areces, 754 pp.

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Diagrama de recorrido como herramienta de estudio de métodos

Figura 1. Diagrama de recorridos (Velasco, 2014)

El diagrama planimétrico de flujo o diagrama de recorrido es una representación gráfica sobre plano del área en la cual se desarrolla la actividad, con las ubicaciones indicadas de los puestos de trabajo y el trazado de los movimientos de los hombres y/o de los materiales.

Por cierto, el material de este artículo forma parte del curso que puedes seguir en línea, en el siguiente enlace: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-gestion-de-costes-y-produccion-de-la-maquinaria-empleada-en-la-construccion/

Es un diagrama que se emplea para establecer el recorrido de un solo producto o proceso. Tiene en cuenta las operaciones, inspecciones, demoras, transporte y almacenamiento. Se utiliza la misma simbología que la de un diagrama de proceso.

Este diagrama permite identificar las posibles áreas congestionadas, determinar los avances y retrocesos del proceso y facilitar el desarrollo de una mejor distribución de la planta. El objetivo, por tanto, es la mejora de métodos, eliminando o reduciendo los recorridos mediante la adecuada distribución en planta. El diagrama de recorrido puede ser bidimensional, o incluso tridimensional.

El diagrama de recorrido normalmente puede disponer dos formatos, uno referido al operario o la máquina, y otro relacionado con el material.

La manipulación de los materiales incrementa el coste de producción sin añadir valor al producto. Por tanto, para reducirla se recomienda lo siguiente:

Disponer los materiales a la altura en la que se va a trabajar con ellos.
Disminuir en lo posible las distancias que recorre el material manipulado.
Aprovecharse de la gravedad cuando sea posible.
Transportar la máxima cantidad posible.
Mantener despejados los lugares de paso.

Una buena disposición en planta del lugar de trabajo depende, entre otros, de los siguientes factores:

Peso, tamaño y movilidad del producto. Un producto pesado es difícil de manipular, requiriendo maquinaria específica. Por tanto, se debe mover lo menos posible.
Complejidad del producto. Un producto con muchas piezas pasará por distintos sitios, con más recorrido. En consecuencia, la disposición en planta tratará de reducir tiempo y energía reduciendo los transportes.
Duración del proceso. Si se dedica mucho tiempo al transporte, cualquier disminución del recorrido mejorará la productividad.

Normalmente, se aconseja utilizar el diagrama de análisis del proceso con el de recorrido cuando los procesos tienen un gran número de operaciones. En una obra normalmente los procesos son suficientemente sencillos para no ser necesario representar gráficamente lo que ocurre. Por tanto, el diagrama de recorrido sería de mayor utilidad en talleres y factorías.

Veamos a continuación algunos vídeos explicativos sobre el diagrama de recorridos.

Referencias:

HARRIS, F.; McCAFFER, R. (1999). Construction Management. Manual de gestión de proyecto y dirección de obra. Ed. Gustavo Gili, S.A., Barcelona, 337 pp. ISBN: 84-252-1714-8.

JORDAN, M.; BALBONTIN, E. (1986). Organización, planificación y control. Escuela de la Edificación, UNED, Madrid. ISBN: 84-86957-39-7.

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

VELASCO, J. (2014). Organización de la producción. Distribuciones en planta y mejora de los métodos y los tiempos. 3ª edición, Ed. Pirámide, Madrid. ISBN: 978-84-368-3018-7.

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Los algoritmos genéticos

Charles Darwin en una fotografía tomada por J.M. Cameron en 1869.

Resulta fascinante comprobar cómo aplicando los mecanismos básicos de la evolución ya descrita por Darwin en su obra fundamental, El origen de las especies por medio de la selección natural, o la preservación de las razas preferidas en la lucha por la vida, publicada en 1859, se pueden generar algoritmos capaces de optimizar problemas complejos. Este tipo de metaheurísticas inspiradas en la Naturaleza ya se comentaron en artículos anteriores cuando hablamos de la optimización por colonias de hormigas o de la cristalización simulada. Aunque es un algoritmo ampliamente conocido por la comunidad científica, voy a intentar dar un par de pinceladas con el único afán de divulgar esta técnica. La verdad es que las implicaciones filosóficas que subyacen tras la teoría de Darwin son de una profundidad difícil de entender cuando se lleva a sus últimos extremos. Pero el caso es que estos algoritmos funcionan perfectamente en la optimización de estructuras de hormigón, problemas de transporte y otros problemas difíciles de optimización combinatoria.

Para aquellos interesados, os paso en las referencias un par de artículos donde hemos aplicado los algoritmos genéticos para optimizar rutas de transporte aéreo o pilas de puente huecas de hormigón armado.

Sin embargo, para aquellos otros que queráis un buen libro para pensar, os recomiendo “La peligrosa idea de Darwin”, de Daniel C. Dennett. A más de uno le hará remover los cimientos más profundos de sus creencias. Os paso la referencia al final.

Básicamente, los algoritmos genéticos “Genetic Algorithms, GA”, simulan el proceso de evolución de las especies que se reproducen sexualmente. De manera muy general, se puede decir que en la evolución de los seres vivos, el problema al que cada individuo se enfrenta diariamente es el de la supervivencia. Para ello cuenta, entre otras, con las habilidades innatas provistas en su material genético. A nivel de los genes, el problema consiste en la búsqueda de aquellas adaptaciones beneficiosas en un medio hostil y cambiante. Debido en parte a la selección natural, cada especie gana cierta “información” que es incorporada a sus cromosomas.

Durante la reproducción sexual, un nuevo individuo, diferente de sus padres, se genera a través de la acción de dos mecanismos fundamentales: El primero es el cruzamiento, que combina parte del patrimonio genético de cada progenitor para elaborar el del nuevo individuo; el segundo es la mutación, que supone una modificación espontánea de esta información genética. La descendencia será diferente de los progenitores, pero mantendrá parte de sus características. Si los hijos heredan buenos atributos de sus padres, su probabilidad de supervivencia será mayor que aquellos otros que no las tengan. De este modo, los mejores tendrán altas probabilidades de reproducirse y diseminar su información genética a sus descendientes.

Holland (1975) estableció por primera vez una metaheurística basada en la analogía genética. Un individuo se puede asociar a una solución factible del problema, de modo que se pueda codificar en forma de un vector binario “string”. Entonces un operador de cruzamiento intercambia cadenas de los padres para producir un hijo. La mutación se configura como un operador secundario que cambia, con una probabilidad pequeña, algunos elementos del vector hijo. La aptitud del nuevo vector creado se evalúa de acuerdo con una función objetivo.

Los pasos a seguir con esta metaheurística serían los siguientes:

Generar una población de vectores (individuos).
Mientras no se encuentre un criterio de parada:
1. Seleccionar un conjunto de vectores padre, que serán reemplazados de la población.
2. Emparejar aleatoriamente a los progenitores y cruzarlos para obtener unos vectores hijo.
3. Aplicar una mutación a cada descendiente.
4. Evaluar a los hijos.
5. Introducir a los hijos en la población.
6. Eliminar a aquellos individuos menos eficaces.

Normalmente este proceso finaliza después de un numero determinado de generaciones o cuando la población ya no puede mejorar. La selección de los padres se elige probabilísticamente hacia los individuos más aptos. Al igual que ocurre con en la Naturaleza, los sujetos con mayor aptitud diseminan sus características en toda la población.

Esta descripción de los GA se adapta a cada situación concreta, siendo habitual la codificación de números enteros en vez de binarios. Del mismo modo se han sofisticado los distintos operadores de cruzamiento y mutación.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que he elaborado para mis clases de “Modelos predictivos y de optimización heurística de estructuras de hormigón“, del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, de la Universitat Politècnica de València.

Referencias:

DENNETT, D.C. (1999). La peligrosa idea de Darwin. Galaxia Gutenberg. Círculo de Lectores, Barcelona.

HOLLAND, J.H. (1975). Adaptation in natural and artificial systems. University of Michigan Press, Ann Arbor.

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)

MEDINA, J.R.; YEPES, V. (2003). Optimization of touristic distribution networks using genetic algorithms. Statistics and Operations Research Transactions, 27(1): 95-112. ISSN: 1696-2281. (pdf)

PONZ-TIENDA, J.L.; YEPES, V.; PELLICER, E.; MORENO-FLORES, J. (2013). The resource leveling problem with multiple resources using an adaptive genetic algorithm. Automation in Construction, 29(1):161-172. DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2012.10.003. (link)

YEPES, V. (2003). Apuntes de optimización heurística en ingeniería. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2003.249. Valencia, 266 pp. Depósito Legal: V-2720-2003.

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18 años de la lectura de mi tesis doctoral: Optimización heurística económica aplicada a las redes de transporte del tipo VRPTW

Hoy 4 de septiembre, pero del año 2002, tuve la ocasión de defender mi tesis doctoral titulada “Optimización heurística económica aplicada a las redes de transporte del tipo VRPTW“. La tesis la dirigió el profesor Josep Ramon Medina Folgado, el tribunal lo presidió José Aguilar, acompañado por José Vicente Colomer, Francesc Robusté, Francisco García Benítez y Jesús Cuartero. La calificación fue de sobresaliente “cum laude” por unanimidad.

Por tanto, mi tesis ya ha cumplido la mayoría de edad. Es un buen momento de reflexionar sobre lo que este trabajo supuso para mí. Fue una tesis tardía, pues la leí con 38 años, teniendo ya una buena trayectoria profesional en la empresa privada (Dragados y Construcciones) y en la administración pública (Generalitat Valenciana). De alguna forma, ya tenía la vida más o menos solucionada, con experiencia acumulada, pero con muchas inquietudes. En aquel momento era profesor asociado a tiempo parcial y, en mis ratos libres, me dediqué a hacer la tesis doctoral. Ni decir tiene las dificultades que supone para cualquiera el sacar tiempo de donde no lo hay para hacer algo que, en aquel momento, era simplemente vocacional. No hubo financiación de ningún tipo, ni reducción de jornada laboral, ni nada por el estilo. En aquel momento ni se me ocurrió que acabaría, años después, como catedrático de universidad. Del 2002 al 2008 seguí como profesor asociado trabajando en la administración pública. Por último, por el sistema de habilitación nacional, accedí a la universidad directamente de profesor asociado a profesor titular, cosa bastante rara en aquel momento. Gracias a que era una verdadera oposición con el resto de candidatos, tuve la oportunidad de mostrar mis méritos ante un tribunal. Luego la cátedra vino por el sistema de acreditación, y la plaza, tras una penosa espera a causa de la crisis y por las cuotas de reposición. Pasé en 6 años de ser profesor asociado a tiempo parcial a estar habilitado como catedrático de universidad (12 de mayo del 2014). Todo eso se lo debo, entre otras cosas, a la gran producción científica que pude llevar a cabo y que tuvo su origen en esta tesis doctoral.

Por cierto, en aquella época la tesis doctoral tenía que ser inédita, es decir, no tenía que haberse publicado ningún artículo de la tesis. Hoy día es todo lo contrario, conviene tener 3-4 artículos buenos antes de pasar por la defensa. Luego publiqué al respecto algunos artículos en revistas nacionales e internacionales, pero sobre todo, comunicaciones a congresos.

La tesis supuso, en su momento, aprender en profundidad lo que era la algoritmia, el cálculo computacional y, sobre todo, la optimización heurística. En aquel momento, al menos en el ámbito de la ingeniería civil, nada o muy poco se sabía al respecto, aunque era un campo abonado a nivel internacional. Luego comprobé que todo lo aprendido se pudo aplicar al ámbito de las estructuras, especialmente a los puentes, pero eso es otra historia.

Os dejo las primeras páginas de la tesis y la presentación que utilicé en PowerPoint. Para que os hagáis una idea del momento, la presentación también la imprimí en acetato, pues aún se empleaba en ese momento en las clases la proyección de transparencias.

Referencia:

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.

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Revisión de los métodos de optimización aplicados al consumo de energía en ferrocarriles

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte donde se analizan 52 artículos científicos relacionados con el consumo energético en ferrocarriles. Se analizan dos áreas principales: las técnicas de modelización utilizadas para simular el movimiento de los trenes y el consumo de energía, y los métodos de optimización utilizados para conseguir una circulación ferroviaria más eficiente. Se describen brevemente los métodos más utilizados en cada caso y se analizan las principales tendencias encontradas. Además, se ha realizado un estudio estadístico para reconocer las relaciones entre los métodos y las variables de optimización. Se encontró que los modelos determinísticos basados en la ecuación de Davis son, con diferencia (85% de los trabajos revisados), los más comunes en términos de modelización. En cuanto a la optimización, los métodos meta-heurísticos son la opción preferida (57,8%), en particular los Algoritmos Genéticos. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar las infraestructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 3 de mayo de 2019 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/a/1YjHX3QCo9Uqa3

Abstract:

Railways are a rather efficient transport mean, and yet there is increasing interest in reducing their energy consumption and making them more sustainable in the current context of climate change. Many studies try to model, analyse and optimise the energy consumed by railways, and there is a wide diversity of methods, techniques and approaches regarding how to formulate and solve this problem. This paper aims to provide insight into this topic by reviewing up to 52 papers related to railways energy consumption. Two main areas are analysed: modelling techniques used to simulate train(s) movement and energy consumption, and optimisation methods used to achieve more efficient train circulations in railway networks. The most used methods in each case are briefly described and the main trends found are analysed. Furthermore, a statistical study has been carried out to recognise relationships between methods and optimisation variables. It was found that deterministic models based on the Davis equation are by far (85% of the papers reviewed) the most common in terms of modelling. As for optimisation, meta-heuristic methods are the preferred choice (57.8%), particularly Genetic Algorithms.

Keywords:

Railways

Energy efficiency

Modelling

Optimisation

Meta-heuristics

Reference:

MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA-SANCHÍS, I.; INSA-FRANCO, R.; YEPES, V. (2019). A review of modelling and optimisation methods applied to railways energy consumption. Journal of Cleaner Production, 222:153-162. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.03.037

Optimización heurística mediante aceptación por umbrales

En algunos posts anteriores hemos comentado lo que es un modelo matemático de optimización, qué son las metaheurísticas, o cómo poder optimizar las estructuras de hormigón. A continuación os presentamos un Polimedia donde se explica brevemente cómo podemos optimizar siguiendo la técnica de optimización heurística mediante aceptación por umbrales. Podréis comprobar cómo se trata de un caso similar a la famosa técnica de la cristalización simulada. Espero que os sea útil.

Podéis consultar, a modo de ejemplo, algunos artículos científicos que hemos escrito a ese respecto en las siguientes publicaciones:

CARBONELL, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V. (2011). Heuristic optimization of reinforced concrete road vault underpasses. Advances in Engineering Software, 42(4): 151-159. ISSN: 0965-9978. (link)
MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2010). Heuristic Optimization of RC Bridge Piers with Rectangular Hollow Sections. Computers & Structures, 88: 375-386. ISSN: 0045-7949. (link)
YEPES, V.; MEDINA, J.R. (2006). Economic Heuristic Optimization for Heterogeneous Fleet VRPHESTW. Journal of Transportation Engineering, ASCE, 132(4): 303-311. (link)

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