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Sistemas expertos aplicados en ingeniería y negocios - Dr. Nicolas Kemper
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SISTEMAS EXPERTOS APLICADOS EN INGENIERIA Y NEGOCIOS
DR. NICOLAS KEMPER VALVERDE
Grupo de Sistemas InteligentesUniversidad Nacional Autónoma de
México
e-mail: [email protected]
CONTENIDO
1. INTRODUCCION
2. INTELIGENCIA ARTIFICIAL Y SISTEMAS
INTELIGENTESINTELIGENTES
3. SISTEMAS EXPERTOS
4. DESARROLLO DE SISTEMAS EXPERTOS
5. HERRAMIENTAS
6. APLICACIONES
1. INTRODUCCION
NECESIDADES ACTUALES
Mejorar la productividad
Incorporar las mejores prácticas basadas en conocimiento experto
Mejora continua manteniendo los estándares de ejecución operacional
Gestión de las condiciones anormales: detección de eventos, Gestión de las condiciones anormales: detección de eventos, preventivo y no correctivo.
Independizar el proceso del operardor
Equipos con inteligencia embebida
Planeación predictiva y optimización
Simplificar la integración con sistemas de interfaces de usuario
Automatización inteligente
Aplicar modelos y técnicas de Inteligencia Artificial para desarrollar SISTEMAS INTELIGENTES (SI) que brinden soluciones eficientes a problemas de monitoreo y control de procesos de manufactura.
Desarrollar equipos y procesos con INTELIGENCIA embebida (empotrada), con capacidad para la autoregulaciónpreventiva, bajo ciertas condiciones anormales.
Un SISTEMA INTELIGENTE (SI) permite: ahorros en costos operativos, mejorar la estabilidad y disponibilidad de los procesos y mejora la calidad de los productos.
VISIÓN AMPLIA DE LA AUTOMATIZACION Y CONTROL
INTELIGENTE
Integrar software y hardware, para brindar soluciones de monitoreo y control de procesos que emulen el RAZONAMIENTO y APRENDIZAJE de los operadores humanos, tal como ellos:operadores humanos, tal como ellos:
- evalúan, diagnostican y responden a situaciones de funcionamiento inusual de un proceso
- o cuando tratan de optimizar las operaciones en tiempo real de la planta, equipo o proceso industrial.
Componentes de una Automatización Inteligente
� Monitoreo y Optimización de procesos
� Análisis de la operación de la planta y unidades de procesode proceso
� Análisis económico para la optimización de la planta
� Optimización de la programación
� Tecnologías de avanzadas de control: control difuso, neurocontrol, control evolutivo
2. INTELIGENCIA ARTIFICIAL
YY
SISTEMAS INTELIGENTES
INTELIGENCIA ARTIFICIAL
Rama de las Ciencias Computacionales que estudia la conducta o también llamado Comportamiento Inteligente , con el fin de Comportamiento Inteligente , con el fin de emularlo o simularlo a través de una computadora.
La meta de la IA es desarrollar sistemas y máquinas que piensen y actúen racionalmente: SISTEMAS INTELIGENTES
SISTEMA INTELIGENTE
PERCEPCIONES(SENSORES)
PROCESO INTELIGENTE
•RAZONAMIENTOLOGICO
•APRENDIZAJE
AMBIENTE
(MUNDO REAL )
?
ACCIONES(EFECTORES)AGENTE
ASPECTOS FUNCIONALES DE UN “SI”
Un SI incorpora conocimiento especializado extraído de la experiencia de expertos humanos.
Un SI proporciona el manejo total y coordinado de todas las tareas operacionales y corporativas dentro de la planta.
Un SI permite incrementar la productividad y confiabilidadad, Un SI permite incrementar la productividad y confiabilidadad,
Un SI que permite transformar los datos operativos en información útil, de tal forma que así se pueden tomar las acciones correctas en los tiempos debidos. Utiliza todos los datos que un operador observa cuando toma una decision.
Continuamente supervisa la posible ocurrencia de problemas, antes de afectar adversamente el funcionamiento de la planta (gestión de situaciones anormales)
ASPECTOS FUNCIONALES DE UN “SI”
Tomar decisiones en tiempo real en base a datosoperacionales y datos históricos, empleando para ellomodelos de razonamiento y aprendizaje para analizar yrelacionar tales datos.
Diagnosticar la causa de un problema en tiempo-crítico yDiagnosticar la causa de un problema en tiempo-crítico ytomar las acciones correctas para la normalización de lasfunciones operativas.
Mantener condiciones óptimas de funcionamiento yoperación del proceso.
Coordinar las actividades, manejo de información y toma de decisiones respecto al funcionamiento de la planta.
SISTEMA INTELIGENTE
PARTE INTERNA DEL SI: Modelos de percepción, modelos del mundo real, procesos inteligentes (razonamiento y aprendizaje), modelos de actuacióninteligentes (razonamiento y aprendizaje), modelos de actuación
PARTE EXTERNA DEL SI: Sensores, trasmirores, microntroladores, microprocesadores, PI, PD, PID, SCADA, OPC, memorias, PLC´s, actuadores, etc.
INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS
Interfaces de operador
Registros
PID
SCADA
Control Avanzado
Lógica Difusa
Secuencias de control
Alarmas Inteligentes
SISTEMASEXPERTOS
PLC Redes Neuronales
Adquisición de datos
OPTIMIZACION INTELIGENTE DE LA COMBUSTION
Sistema inteligente que examina las variables crìticas del proceso de combustión de una caldera y crea un modelo neuronal para la operación de la caldera, considerando los rangos operativos.caldera, considerando los rangos operativos.
Este modelo inteligente, es usado para optimizar el control de los set points, o para asesorar al operador los cambios recomendados en los elementos de control de la caldera.
3. SISTEMAS EXPERTOS3. SISTEMAS EXPERTOS
Bajo el término de Sistemas Expertos seentiende un nuevo tipo de software queimita el comportamiento de un expertohumano en la solución de un problema.Pueden almacenar conocimientos dePueden almacenar conocimientos deexpertos de un campo o dominiodeterminado y emplear sus estrategias derazonamiento para dar solución a unproblema específico.
EXPERTO HUMANO
MEMORIA A LARGO PLAZO
Conocimiento en el dominio, experiencia, expertisia.
ASESORIAPROCESO DE
RAZONAMIENTO
MEMORIA A CORTO PLAZO
Hechos, casos, reglas, conclusiones.
ASESORIA
Recomendaciones, conclusiones, casos
resueltos.
SISTEMA EXPERTO
BASE DE CONOCIMIENTOS
Conocimiento en el dominio, experiencia, expertisia.
ASESORIAMAQUINA DE INFERENCIA
MEMORIA DE TRABAJO (RAM)
Hechos, casos, reglas, conclusiones.
ASESORIA
Recomendaciones, conclusiones, casos
resueltos.
Estructura del equipo
Pendiente de la carga, deslizándose
Cociente del CO/CO2
Distribución del gas
Reconocimiento de situaciones anormales
Balance del hogar
Balance del calor
Perdidas de presión
Juicio en fenómeno A
Juicio en fenómeno B
Juicio en fenómeno C
Análisis de situación
Reconocimiento del fenómeno
Determinación de la
Alto Horno
Determinación de la acción
Juicio finalacción
Más allá del fenómeno Más allá de la acción
Información del sensor
Cambios de los valores absolutos, variaciones
operador
SE
Tecnología del razonamiento
Proceso
Producción, negocios, cadenas de suministro, redes, finanzas, transporte, energía, agricultura, aerospacial…
eventos
Cual es la En que
Entradas Salidas
Asesoría y accionesautomáticas
EvaluarDiagnosticarResponder
Modelos basados en el conocimiento permiten el
razonamiento
Mmodelo
Cual es la importancia de éste evento?
Eevaluar
En quecondición está
el proceso?
Ddiagnostic
Cómo llevar el proceso a la condiciónrequerida ?
Rrespuesta
SISTEMA EXPERTO
Un Sistema Experto es una herramienta informática con pericia y habilidad en la solución de problemas. Esto es, un sistema que posee:
(1) conocimientos y expertisia humana suficientes acerca de (1) conocimientos y expertisia humana suficientes acerca de un dominio particular que le permite comprender los problemas que ocurran dentro de dicho dominio y
(2) Estrategias de análisis: métodos de razonamiento para manipular este conocimiento y resolver tales problemas en la misma forma en que lo haría el experto humano (gerente, ingeniero, operario, juez, etc.).
EXPERTISIA HUMANA: EXPERTO
Desempeño correcto y rápido dentro de un dominio limitado y específico.
Capacidad para justificar un resultado y explicar el proceso de razonamiento realizado.razonamiento realizado.
Capacidad para aprender de la experiencia
Capacidad para resolver casos únicos o inusuales basándose en principios básicos, un modelo, un conjunto de experiencia
estructurada, un conjunto de casos o reglas, etc.
Capacidad para razonar bajo condiciones de incertidumbre e información incompleta y aplicar su sentido común o conocimiento
general del mundo.
Módulo de adquisición de conocimiento
Módulo de explicación
COMPONENTES DE UN SISTEMA EXPERTO
Base de Conocimiento
Motor de inferencia
Interfaz al mundo exterior (GUIS)
Seres humanos Hardware Datos Otro software
COMPONENTES DE UN SISTEMA EXPERTO
La Base de Conocimientos de un Sistema Expertocontiene el conocimiento de los hechos y de lasexperiencias de los expertos en un dominiodeterminado . Hay diversas estructuras de computodeterminado . Hay diversas estructuras de computopara ello :
REGLAS DE PRODUCCION:SI: CondicionesENTONCES: Acciones
FRAMES:Aplicación de la POO en IA.
COMPONENTES DE UN SISTEMA EXPERTO
El Motor de Inferencia de un Sistema Experto puedesimular la estrategia de razonamiento del experto paradar solución a un problema específico.
Modelos de razonamiento:
-RAZONAMIENTO CON ENCADENAMIENTO HACIA ADELANTE
-RAZONAMIENTO CON ENCADENAMIENTO HACIA ADELANTE
-RAZONAMIENTO OPORTUNISTICO
RAZONAMIENTO
RAZONAMIENTO PROBABILISTICO: REDES BAYESIANAS
RAZONAMIENTO ANALOGICO: RAZONAMIENTO BASADO EN CASOS
RAZONAMIENTO APROXIMADO: LOGICA DIFUSA
COMPONENTES DE UN SISTEMA EXPERTO
La Interfaz de Usuario sirve para que éste puedarealizar una consulta en un lenguaje lo más naturalposible .
Es el conjunto de pantallas interactivas, conpreguntas que hace el sistema experto y alternativaspara las respuestas del usuario.
GUIS: Interfaces Gráficas de usuario.
¿Por qué utilizar un Sistema Experto?.
Con la ayuda de un Sistema Experto, personas con po ca experiencia pueden resolver problemas que requieren un “conocimiento formal especializado”.
Los Sistemas Expertos pueden obtener conclusiones y Los Sistemas Expertos pueden obtener conclusiones y resolver problemas de forma más rápida que los expe rtos humanos .
Los Sistemas Expertos razonan en base a un conocimiento adquirido y no tienen sitio para la subjetividad .
Se ha comprobado que los Sistemas Expertos tienen a l menos, la misma competencia que un especialista humano.
Beneficios� Mayor rapidez en la toma de decisiones� Incremento en la productividad.� Mayor calidad en la toma de decisiones� Solución de problemas complejos.� Solución de problemas complejos.� Confiabilidad y robustez.� Preservación del conocimiento.� Mejoramiento de la calidad (decisiones,
productos, etc).� Integración del conocimiento.
4. DESARROLLO DE SISTEMAS EXPERTOSSISTEMAS EXPERTOS
EQUIPO DE DESARROLLO
El experto: La función del experto es la de poner susconocimientos especializados a disposición del SistemaExperto.
El ingeniero del conocimiento: Es quien plantea lasEl ingeniero del conocimiento: Es quien plantea laspreguntas al experto, estructura sus conocimientos y losimplementa en la base de conocimientos.
El usuario: El usuario aporta sus deseos y sus ideas,determinado especialmente el escenario en el que debeaplicarse el Sistema Experto.
INGENIERIA DEL CONOCIMIENTO
ETAPA 1: Adquisición de conocimiento: MAPA DE CONOCIMIENTOS
ETAPA 2: Representación de conocimiento:ETAPA 2: Representación de conocimiento:BASE DE CONOCIMIENTOS
ETAPA 3: RazonamientoMAQUINA DE INFERENCIA
ETAPA 4: Implementación en situ.
Regla Estado de membresía
Razones Problema Conclusión de recomendación del nivel de atención
A1 miembro caso_nuevo serio nivel_1
A2 miembro caso_nuevo no_serio nivel_2
A3 miembro seguimiento serio nivel_1
TABLA DE DECISION
A4 miembro seguimiento no_serio nivel_3
A5 miembro info_otros s erio info_otros
A6 miembro info_otros no_serio info_otros
A7 no_ miembro caso_nuevo serio sin_membresía
A8 no_ miembro caso_nuevo no_serio sin_membresía
A9 no_ miembro seguimiento serio sin_membresía
A10 no_ miembro seguimiento no_serio sin_membresía
A11 no_ miembro info_otros serio sin_membresía
A12 no_ miembro info_otros no_serio sin_membresía
REGLA 1:
SI: estado_membresía = miembro
Y razones = caso_nuevo
O razones = seguimiento
Y problema = serio
ENTONCES: atención = nivel_1;ENTONCES: atención = nivel_1;
REGLA 2:
SI: estado_membresia = miembro
Y razones = caso_nuevo
Y problema = no_serio
ENTONCES: atención = nivel_2;
THEN atención = nivel_3;
…. ETC.
MONITOREO Y CONTROL PREVENTIVO DE ENFERMEDADES
DIAGNOSTICO Y CONTROL DE PLAGAS
Construir una interfaz de usuario del SISTEMAEXPERTO.
Estas son las diversas pantallas interactivas que elEstas son las diversas pantallas interactivas que elusuario ve cuando corre la consulta. Consiste en unmensaje inicial, mensaje de término de la sesión deconsulta, así como las preguntas realizadas durante lasesión .
Construir las conexiones del SISTEMA EXPERTO aotras aplicaciones externas, que pueden ser otrossistemas expertos, bases de datos, otros programas etc.
Integrar el SISTEMA EXPERTO y elaborar elejecutable respectivo para su distribución e instalaciónen las maquinas de los usuarios.
5. HERRAMIENTAS
HERRAMIENTAS
EXYS CORVID: WWW.EXSYS.COM
XPEWRTRULE: WWW.XPERTRULE.COM
G2: WWW.GENSYM.COMG2: WWW.GENSYM.COM
VISUAL PROLOG: WWW.VISUAL-PROLOG.COM
CLIPS: HTTP://CLIPSRULES.SOURCEFORGE.NET
JESS: WWW.JESSRULES.COM
WINPROLOG: WWW.LPA.CO.UK
APLICACIONES
MEDICINA
ENERGIA
PETROLEO
AGRICULTURA
CRANIUM
SISTEMA EXPERTO PARA EL SISTEMA EXPERTO PARA EL MONITOREO DE PACIENTES
CON TRAUMATISMOS CRANEO-ENCEFALICOS
LAPEM GEO
INTEGRACIÓN DE UN SISTEMA HARDWARE - SOFTWARE EN TIEMPO REAL QUE PERMITA CONOCER EL
DESEMPEÑO DE LAS UNIDADES GEOTERMOELÉCTRICAS PARA LA TOMA DE DECISIONES, PARA MEJORAR LA PARA LA TOMA DE DECISIONES, PARA MEJORAR LA OPERACIÓN DE LOS ACTIVOS DE CFE A TRAVÉS DEL
USO EFICIENTE DEL VAPOR, PROPORCIONAR INFORMACIÓN PARA EL DESPACHO ECONÓMICO DEL
SISTEMA ELECTRICO NACIONAL, DOCUMENTAR ESTUDIOS DE REHABILITACIÓN Y ANALIZAR LOS
BENEFICIOS DE LOS MANTENIMIENTOS
PLANTA GEOTERMOELECTRICA VIRTUAL
� Sistema totalmente interactivo basado en la tecnología deinstrumentación virtual para permitir que en cada unidad se realicenconfiguraciones, monitoreo, consultas y reportes respecto a laoperación.
� El sistema tendrá la capacidad para administrar la adquisición dedatos, control de instrumentos, análisis de mediciones, generación de
� El sistema tendrá la capacidad para administrar la adquisición dedatos, control de instrumentos, análisis de mediciones, generación dereportes y comunicación de la información por medios electrónicos,para cada unidad, y apoyar en la toma de decisiones relacionadas conla operación y mantenimiento de la central.
� El sistema estará constituido de diversos componentes, entre los quedestaca la interfaz humano-máquina, la cual será un sistema deinstrumentos virtuales interactivos integrados a hipergráficos de loscomponentes principales de la planta (turbina, condensador,eyectores, generador eléctrico, etc.) y donde se muestren en tiemporeal los indicadores operativos de la planta. De ese modo se permite aloperador el manejo en línea de todos los equipos de cada unidadgeotermoeléctrica.
MODULO INTELIGENTE
� Este modulo esta compuesto de una base de conocimientos, deuna máquina de inferencia, y de una interfaz de usuario.
� La base de conocimientos contiene reglas de decisión basadasen la experiencia de los operarios y de personal experto enplantas geotermoeléctricas. El propósito de construir estasreglas expertas es que el sistema cuente con la capacidad dereglas expertas es que el sistema cuente con la capacidad depoder definir decisiones a priori respecto al rendimiento de laplanta, a predecir posibles desviaciones de operación y aestablecer periodos de mantenimiento preventivo.
� La máquina de inferencia es un algoritmo que modela lamanera en como un operario de plantas termoeléctricas razonarespecto a un problema. De ese modo este algoritmo seencarga de utilizar las reglas expertas contendidas en la basede conocimiento para brindarle al usuario una decisiónapropiada respecto a un problema de operación.
LAPEM TERMO
El sistema inteligente es capaz de realizar la Auditoria Energética de una Central Termoeléctrica, permitiendo disponer del rendimiento energético y termoeconómico de todos y cada uno de los equipos base en cualquier momento, así como del rendimiento global de la central cuando se requiera.
-Mejor control, mantenimiento y operación de la planta con vistas al incremento continuo del rendimiento y al uso eficiente de la energía.
-Aplicación del análisis de costos con un método más exacto de participación -Aplicación del análisis de costos con un método más exacto de participación de equipos y aplicación del análisis económico energético.
-Estudio de la sensibilidad necesaria de los equipos de medición sobre el número que expresa el rendimiento o consumo específico de un equipo o de la planta en conjunto.
-Cuantificación de la simulación real de la planta, para evaluar el efecto de la modificación de un parámetro sobre toda la instalación y/o sobre cada equipo.
-Permitir la obtención de una “fotografía” del estado de los equipos de la planta en cualquier momento, es decir de una imagen del comportamiento real de la planta.
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
Selección de la Planta de Manzanillo II
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
Selección de la Unidad II
DIAGRAMA DEL BALANCE GENERAL DE LA PLANTA
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
MONITOREO DE LA CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA UNIDAD II, MANZANILLO II
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
MONITOREO DE LA EFICIENCIA DE EQUIPOS DE LA UNIDAD II, MANZANILLO II
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
MONITOREO DE CADA UNO DE LOS EQUIPOS DE LA UNIDAD II, MANZANILLO II
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
MONITOREO DE LA TURBINA DE LA UNIDAD II, MANZANILLO II
SOMI XXIII MONITOREO DEL RENDIMIENTO DE CENTRALES TERMOELECTRICAS VIA WEB
SISTEMA INFORMÁTICO PARA LA GESTIÓN DE MODELOS Y GESTIÓN DE MODELOS Y
PROCESOS DE LA INGENIERÍA DE YACIMIENTOS
Sistema Informático para la Gestión de Modelos y procesos de la Ingeniería de Yacimientos
El sistema es una herramienta que reúne una seriede módulos o programas destinados a resolver ysimular algunos problemas del ámbito petrolerocomo son cálculos para Balance de Materia,Simulación de Yacimientos, Pruebas de Presión paraSimulación de Yacimientos, Pruebas de Presión paratiempos o periodos largos, Simulación de Gas Seco yAceite, entre otros, todo esto combinado con unaserie de elementos gráficos y técnicos que la hacenuna herramienta muy poderosa en su genero.
Módulos: � Ingeniería de Yacimientos � Simulador de Gas Seco
� Modelo de Pruebas de Presión
El Sistema de Ingeniería de Yacimientos es unametodología basada en la experiencia y elconocimiento de los ingenieros del área, con el fin deproponer un análisis capaz de caracterizar lascondiciones del yacimiento, y así obtenerlainformación necesaria para poder tomar acciones parael mejoramiento de la explotación.
� Sub-módulos del Sistema:� Propiedades del Fluido
(gas, aceite, agua).� Compresibilidad de la
formación (arenas, carbonatos).
� Balance de Materia (gas no asociado, gas y condensado, aceite y y condensado, aceite y gas).
� Análisis de Declinación.
� Avance de contacto agua-aceite.
� Comparación Volumétrica.
� Pronósticos de Producción.
SIPPEM: SISTEMA INTELIGENTE SIPPEM: SISTEMA INTELIGENTE PARA LA PREDDICON DE PLAGAS Y ENFERMEDADES EN FRUTAS Y HORTALIZAS EN MICHOACÁN
OBJETIVO:
Desarrollar un sistema experto quepermita predecir el comportamiento dediversas enfermedades y plagas queatacan el ciclo productivo de frutas yatacan el ciclo productivo de frutas yhortalizas y a través de un sistema dealertas realizar una gestión adecuada demonitoreo y control de las mismas, a finde evitar en lo posible daños económicos.
Sistema Alarmas
Bases de Datos
SistemaInteligente
Alarmas
Estaciones demonitoreo
ARQUITECTURA DEL SIPPEM
PANTALLA INICIAL
PANTALLAS CREAR UN
NUEVO CULTIVO
PANTALLA CULTIVO CREADO
PANTALLA GENERACION DE ALERTA DE ENFERMEDAD
PANTALLAS
REVISION DE
ALERTAS DE
ENFERMEDADES
PANTALLAS
DIAGNOSTICO
DE PLAGAS
PANTALLAS
RECOMENDACIONES
DEL DIAGNOSTICO
DE PLAGAS
PANTALLAS
SEGUIMIENTO DE
LAS
RECOMENDACIONES
DEL DIAGNOSTICO
DE PLAGASDE PLAGAS
PANTALLAS DEL
DIAGNOSTICO DE
ENFERMEDADES
PANTALLAS
SEGUIMIENTO DE LAS
RECOMENDACIONES
DEL DIAGNOSTICO DE
ENFERMEDADES
PANTALLAS
CONSULTA Y REPORTES
DE DIAGNOSTICOS DE
PLAGAS
8 CULTIVOS YA DESARROLLADOS
CONCLUSIONES
(1) El uso de sistemas expertos como una herramienta integrada para conservar y transferir el conocimiento y experiencia de expertos humanos, proporciona un medio poderoso para maximizar el potencial de utilidades de una empresa.
(2) Un SE es totalmente flexible y puede ser modificado, o actualizado según las necesidades del usuario, en línea o fuera de línea. Estas modificaciones pueden hacerse más rápidamente que con lenguajes tradicionales.
(3) Reduce costos y tiempo en la toma de decisiones: Productividad y Competitividad
CONCLUSIONES
(4) Mejora calidad
(5) Incrementa la confiabilidad
(6) Mejora la atención a clientes
(7) Se cuenta con “Conocimiento Experto” para decidir
(8) Integra todas las operaciones de la empresa y a todo el personal
(9) Se pueden desarrollar sistemas expertos para diseño, diagnóstico, optimización, planeación, programación, control, modelado y simulación de escenario, pronóstico, clasificación, etc.
Muchas gracias
DR. NICOLAS KEMPER VALVERDE
Sistemas Inteligentes
Universidad Nacional Autónoma de México
e-mail: [email protected]