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Trabajo Final: Aplicación de Fussy para medir el grado de riesgo en lugares inundados
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Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Inteligencia Artificial y Robótica
Catedrático Meza Arrieta Juan
Trabajo Final: Aplicación de Fussy para medir el
grado de riesgo en lugares inundados
Hernández Enríquez Alma Rosa, 2007203100 Saraza Grande, Joel Andrés, 2005126265
Torres Arias, María Franchesca, 2003130953 Manuel González Ballena, 2001104737
La Molina, Lima Perú, 14 de noviembre de 2011
1 Inteligencia Artificial y Robótica
Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 3
Hipótesis .......................................................................................................................................... 3
Marco Teórico ..................................................................................................................................... 3
Inundación ....................................................................................................................................... 3
Causas de las inundaciones ............................................................................................................. 3
Clasificación de Inundaciones: ........................................................................................................ 5
Inundaciones súbitas o repentinas...................................................................................... 5
Inundaciones lentas o progresivas ...................................................................................... 6
Contaminación hídrica .................................................................................................................... 7
Características del agua ....................................................................................................... 7
Temperatura........................................................................................................................ 8
Clasificación de la calidad de las aguas ............................................................................... 8
Defensas, planeamiento, y gerencia de la inundación ................................................................. 10
Sensores ........................................................................................................................................ 11
Características de un sensor ............................................................................................. 12
Resolución y precisión ....................................................................................................... 13
Tipos de sensores .............................................................................................................. 14
Turbidez ......................................................................................................................................... 18
¿Qué es la turbidez? .......................................................................................................... 18
¿Cuáles son las causas de la turbidez? .............................................................................. 19
¿Cuál es la máxima turbidez permitida en el agua para consumo humano? ................... 19
¿Cuáles son las consecuencias de una alta turbidez? ....................................................... 19
¿Cuáles son los impactos de la turbidez?.......................................................................... 20
¿Cómo medimos la turbidez? ........................................................................................... 20
Procedimiento ................................................................................................................................... 21
Definición de las variables Lingüísticas ......................................................................................... 21
Sistema Fuzzy para determinar la cantidad de agua en el lugar inundado .............................. 21
2 Inteligencia Artificial y Robótica
Sistema Fuzzy para determinar la calidad de agua del lugar inundado .................................... 22
Definición de rangos y valores lingüísticos de las variables .......................................................... 22
Asignar la función de pertenencia a los rangos de las variables ................................................... 25
Construcción de base de reglas ..................................................................................................... 31
Resultados ..................................................................................................................................... 33
Defuzzificación .......................................................................................................................... 33
Conclusiones ................................................................................................................................. 37
Bibliografía .................................................................................................................................... 37
.
3 Inteligencia Artificial y Robótica
Introducción
Hipótesis
Por medio de un algoritmo utilizando la lógica Difusa realizaremos la simulación de guiar y
manejar un Robot a través de un área inundada, que mediante cuatro variables como son:
Altura, , Turbidez y Temperatura del agua obtendremos dos variable de resultados:
la cantidad de agua en la zona afectada y el nivel de contaminación del agua.
Marco Teórico
Inundación
Una Inundación es la ocupación por parte del agua de zonas que habitualmente están libres
de ésta, bien por desbordamiento de ríos y ramblas por lluvias torrenciales o deshielo, o
mares por subida de las mareas por encima del nivel habitual o por avalanchas causadas por
maremotos.
Las inundaciones fluviales son procesos naturales que se han producido periódicamente y
que han sido la causa de la formación de las llanuras en los valles de los ríos, tierras fértiles
donde tradicionalmente se ha desarrollado la agricultura en vegas y riberas.
En las zonas costeras los embates del mar han servido para modelar las costas y crear zonas
pantanosas como albuferas y lagunas que, tras su ocupación atópica, se han convertido en
zonas vulnerables.
Causas de las inundaciones
Las grandes lluvias son la causa principal de inundaciones, pero además hay otros factores
importantes. A continuación se analizan todos estos factores:
Exceso de precipitación.- Los temporales de lluvias son el origen principal de las
avenidas. Cuando el terreno no puede absorber o almacenar todo el agua que cae
esta resbala por la superficie (escorrentía) y sube el nivel de los ríos. En España se
registran todos los años precipitaciones superiores a 200 mm en un día, en algunas
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zonas, y se han registrado lluvias muy superiores hasta llegar a los 817 mm el 3 de
noviembre de 1987 en Oliva.
Fusión de las nieves.- En primavera se funden las nieves acumuladas en invierno
en las zonas de alta montaña y es cuando los ríos que se alimentan de estas aguas
van más crecidos. Si en esa época coinciden fuertes lluvias, lo cual no es
infrecuente, se producen inundaciones.
Rotura de presas.- Cuando se rompe una presa toda el agua almacenada en el
embalse es liberada bruscamente y se forman grandes inundaciones muy peligrosas.
Casos como el de la presa de Tous que se rompió en España, han sucedido en
muchos países.
Actividades humanas.- Los efectos de las inundaciones se ven agravados por
algunas actividades humanas. Así sucede:
Al asfaltar cada vez mayores superficies se impermeabiliza el suelo, lo que
impide que el agua se absorba por la tierra y facilita el que con gran rapidez
las aguas lleguen a los cauces de los ríos a través de desagües y cunetas.
La tala de bosques y los cultivos que desnudan al suelo de su cobertura
vegetal facilitan la erosión, con lo que llegan a los ríos grandes cantidades de
materiales en suspensión que agravan los efectos de la inundación.
Las canalizaciones solucionan los problemas de inundación en algunos
tramos del río pero los agravan en otros a los que el agua llega mucho más
rápidamente.
La ocupación de los cauces por construcciones reduce la sección útil para
evacuar el agua y reduce la capacidad de la llanura de inundación del río. La
consecuencia es que las aguas suben a un nivel más alto y que llega mayor
cantidad de agua a los siguientes tramos del río, porque no ha podido ser
5 Inteligencia Artificial y Robótica
embalsada por la llanura de inundación, provocando mayores
desbordamientos. Por otra parte el riesgo de perder la vida y de daños
personales es muy alto en las personas que viven en esos lugares.
Aunque no frecuentes en España, son causa de inundaciones en otros países las
coladas de barro que se forman en las erupciones de los volcanes cuando se
mezclan los materiales volcánicos con agua o nieve. Fueron la causa de las más de
23000 víctimas que ocasionó la erupción del Nevado de Ruiz en Colombia el 13 de
noviembre de 1985. También los huracanes y los ciclones hacen que el agua del
mar invada las zonas costeras en algunos países tropicales originando grandes
inundaciones. Y los deslizamientos de laderas que obstruyen los cauces de los ríos
pueden remansar aguas que cuando rompen el dique que se había formado causan
graves inundaciones.
Clasificación de Inundaciones:
Las inundaciones pueden clasificarse como repentinas o súbitas y como lentas o
progresivas; la principal diferencia frente a la afectación de una estructura, se refiere al
empuje de la corriente o la energía liberada por el mismo.
Inundaciones súbitas o repentinas
Se producen generalmente en cuencas hidrográficas de fuerte pendiente por la presencia de
grandes cantidades de agua en muy corto tiempo. Son causadas por fuertes lluvias,
tormentas o huracanes. Pueden desarrollarse en minutos u horas, según la intensidad y la
duración de la lluvia, la topografía, las condiciones del suelo y la cobertura vegetal.
Ocurren con pocas o ninguna señal de advertencia.
Este tipo de inundaciones puede arrastrar rocas, tumbar árboles, destruir edificios y otras
estructuras y crear nuevos canales de escurrimiento. Los restos flotantes que arrastra
pueden acumularse en una obstrucción o represamiento, restringiendo el flujo y provocando
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inundaciones aguas arriba del mismo, pero una vez que la corriente rompe la represión, la
inundación se produce aguas abajo.
Ilustración 1.- Efecto de las inundaciones súbitas en edificaciones. Tabasco, México 2007.
Inundaciones lentas o progresivas
Se producen sobre terrenos planos que desaguan muy lentamente y cercanos a las riberas de
los ríos o donde las lluvias son frecuentes o torrenciales. Muchas de ellas son parte del
comportamiento normal de los ríos, es decir, de su régimen de aguas, ya que es habitual que
en invierno aumente la cantidad de agua e inunde los terrenos cercanos a la orilla.
En las ciudades las inundaciones lentas como las súbitas causan diferentes efectos sobre las
poblaciones, según la topografía de estas localidades. Las poblaciones ubicadas en
pendientes no se inundan seriamente, pero la gran cantidad de agua y sólidos que arrastran
les afecta a su paso. Por otro lado, las poblaciones ubicadas en superficies planas o algo
cóncavas (como un valle u hondonada) pueden sufrir inundaciones como efecto directo de
las lluvias, independientemente de las inundaciones producidas por el desbordamiento de
ríos y quebradas, las cuales ocasionan el estancamiento de las aguas.
7 Inteligencia Artificial y Robótica
Ilustración 2.-Efecto de inundaciones progresivas en Chiapas, México, 2007.
Contaminación hídrica
Características del agua
“El agua es un líquido incoloro, casi inodoro e insípido, esencial para la vida animal y
vegetal y el más empleado de los disolventes, cuyo punto de fusión es 0 ° C (32° F), su
punto de ebullición es 100° C (212° F), gravedad específica (a 4° C) 1.000, y su peso por
galón (1 galón = 3.785 l US) (a 15° C) es de 8.337 libras (3.799 Kg)”.
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La fórmula del agua es H2O, o sea que contiene en su molécula un átomo de oxígeno y dos
átomos de hidrógeno. En grandes cantidades, retiene las radiaciones del rojo, es por eso que
a nuestros ojos adquiere un color azul.
Se entiende por contaminación del medio hídrico o contaminación del agua a la acción o al
efecto de introducir algún material o inducir condiciones sobre el agua que, de modo
directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación a sus usos
posteriores o sus servicios ambientales.
Según la OMS (Organización Mundial de la Salud) el agua está contaminada cuando su
composición se haya alterado de modo que no reúna las condiciones necesarias para ser
utilizada beneficiosamente en el consumo del órgano y de los animales. En los cursos de
agua, los microorganismos des componedores mantienen siempre igual el nivel de
concentración de las diferentes sustancias que puedan estar disueltas en el medio. Este
proceso se denomina auto depuración del agua. Cuando la cantidad de contaminantes es
excesiva, la autodepuración resulta imposible.
Existen alteraciones en el agua, con lo cual podemos determinar su nivel de contaminación:
a) Alteraciones físicas del agua
b) Alteraciones químicas del agua
c) Alteraciones biológicas del agua
Nos enfocaremos en la Alteración física del agua:
Temperatura
El aumento de temperatura disminuye la solubilidad de gases (oxígeno) y aumenta, en
general, la de las sales. Aumenta la velocidad de las reacciones del metabolismo,
acelerando la putrefacción. La temperatura óptima del agua para beber está entre 10 y 14ºC.
Clasificación de la calidad de las aguas
Hay muchos sistemas de clasificar la calidad de las aguas. En primer lugar se suele
distinguir según el uso que se le vaya a dar (abastecimiento humano, recreativo, vida
acuática).
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Hay directivas comunitarias que definen los límites que deben cumplir un amplio número
de variables físicas, químicas y microbiológicas para que pueda ser utilizada para consumo
y abastecimiento, baño y usos recreativos y vida de los peces y están traspuestas en la
legislación española en el R. D. 927/1988 de 29 de julio.
a) Clasificación para consumo humano.
b) Clasificación para baño y usos deportivos.
c) Otras clasificaciones de calidad de las aguas.
Hay otras formas de definir la calidad de las aguas que se utilizan según lo que interese
conocer. Se puede también determinar y clasificar las aguas según un índice de calidad
físico-químico:
ICG (índice de calidad general), muy utilizado en España.
El ICG se obtiene matemáticamente a partir de una fórmula de agregación que integra 23
parámetros de calidad de las aguas. Nueve de estos parámetros, que se denominan básicos,
son necesarios en todos los casos. Otros catorce, que responden al nombre general de
complementarios, sólo se usan para aquéllas estaciones o períodos en los que se analizan. A
partir de formulaciones matemáticas que valoran, a través de ecuaciones lineales, la
influencia de cada uno de estos parámetros en el total del índice, se deduce un valor final
que se sitúa necesariamente entre 0 y 100 de forma que la calidad del agua se considera:
CALIDAD DEL AGUA ICG
Excelente entre 85 y 100
Buena entre 75 y 85
Regular entre 65 y 75
Deficiente entre 50 y 65
Mala menor que 50
Teniendo en cuenta que, en principio, un índice de calidad entre 50 y 0 implica
prácticamente la imposibilidad de utilizar el agua para ningún uso y que índices por debajo
de 65 comprometen gravemente la mayor parte de los usos posibles, la situación no es del
todo satisfactorio en muchas de las cuencas españolas, sobre todo en aquéllas en las que las
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aportaciones naturales en forma de lluvia son más bajas o es más alta la influencia de los
vertidos industriales o de la contaminación difusa.
Defensas, planeamiento, y gerencia de la inundación
Desde el comienzo del Neolítico, cuando comenzó la sedentarización y, por tanto,
ocupación de zonas llanas costeras o en los valles fluviales, el hombre se ha encontrado con
el reto de hacer frente a las inundaciones. En Egipto y Mesopotamia ya se construyeron
importantes defensas fluviales como diques, canales para desviar las aguas y mejora de los
cauces en los entornos urbanos. Las obras hidráulicas se desarrollaron también en Grecia y
Roma, tanto para obtener agua para el consumo como para evitar los riesgos que
conllevaban los asentamientos en entornos vulnerables. En China la construcción de
grandes motas en los ríos ya se hacía en el siglo XII de modo que se intentaba hacer frente
a las avenidas monzónicas. También en España destacan desde la Edad Media la
construcción de motas y embalses que regulasen los ríos.
Actualmente las defensas contra las inundaciones son muy avanzadas en los países
desarrollados. Los sistemas de prevención se basan en diques, motas, barreras metálicas,
embalses reguladores y mejora de la capacidad de desagüe de los cauces fluviales. También
los sistemas de alerta ante situaciones peligrosas están muy desarrollados por medio de la
predicción meteorológica, la observación de los aforos fluviales que determinan una alerta
hidrológica y los sistemas de detección de maremotos.
La defensa contra las inundaciones marinas provocadas por las mareas está muy
desarrollada en los Países Bajos donde una red de diques regulan las aguas tanto interiores
como exteriores. También Venecia y Londres cuentan con defensas similares. Los embalses
reguladores son muy numerosos en las regiones de clima mediterráneo como California y el
sur de Europa y sirven para almacenar agua en tiempos de sequía y contener las avenidas
fluviales.
Otras actuaciones han ido encaminadas a alejar el peligro de las ciudades mediante el
desvío del cauce fluvial dotándolo a su vez de mayor capacidad de desagüe, como en
Valencia o Sevilla. La canalización de ríos, como el Rin o el Segura, son obras de mayor
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envergadura que han llevado consigo un plan integral para toda la cuenca (aumento de la
capacidad de desagüe, desvíos puntuales, reducción de meandros, construcción y
ampliación de embalses, etc.) Algunas de estas actuaciones han sido controvertidas por sus
efectos adversos, como la eliminación de meandros en el Rin que ha favorecido la mayor
rapidez en la onda de crecida y por tanto su mayor virulencia.
La legislación ha avanzado mucho prohibiendo la edificación en zonas perceptibles de ser
inundadas en un período de retorno de hasta 100 años. La amplia cartografía ha permitido
conocer cuáles son las zonas de riesgo para su posterior actuación en el terreno. La
reforestación de amplias zonas en la cuenca alta y media de los ríos también contribuye a
minimizar el efecto de las fuertes lluvias y por tanto de la posterior crecida. No obstante
quedan zonas de riesgo, básicamente urbanizadas antes de las leyes protectoras, algunas de
ellas de alto valor histórico-artístico como Florencia, que ya sufrió una gran inundación en
1966.
En los países en desarrollo los sistemas tanto de prevención, como de alerta y posterior
actuación están menos desarrollados, como se ha podido ver en los sucesivos tifones que
han asolado Bangladesh o en el tsunami que ha arrasado diversas costas del sureste asiático.
Aun así la cooperación internacional está favoreciendo actuaciones que conlleven una
mayor seguridad para la población en estas zonas de riesgo.
Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar
magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de
instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.
Las variables de instrumentación pueden ser por
ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia,
aceleración, inclinación, desplazamiento, presión,
fuerza, torsión, humedad, pH, etc.
12 Inteligencia Artificial y Robótica
Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una
capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un
termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la
variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que
aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda
interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la
propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura.
Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía
en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial,
Medicina , Industria de manufactura, Robótica , etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el
acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
Características de un sensor
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el
sensor.
Precisión: es el error de medida máximo esperado.
Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de
entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de
entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
Linealidad o correlación lineal.
Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la
variación de la magnitud de entrada.
Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la
salida.
Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la
magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones
de la magnitud de entrada.
13 Inteligencia Artificial y Robótica
Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que
influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales,
como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación,
desgaste, etc.) del sensor.
Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o
controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un
termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través
de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores
detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a
veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento,
como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que
adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
Resolución y precisión
La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en
la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una
distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden
apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que
haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de
resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos
sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es
frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un
valor inferior a la precisión.
14 Inteligencia Artificial y Robótica
Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede
asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de
entrada que puede observarse en la magnitud de salida.
Tipos de sensores
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.
Magnitud Transductor Característica
Posición lineal o angular Potenciómetro Analógica
Encoder Digital
Sensor Hall Digital
Desplazamiento y
deformación
Transformador diferencial de variación
lineal
Analógica
Galga extensiométrica Analógica
Magnetoestrictivos A/D
Magnetorresistivos Analógica
LVDT Analógica
Velocidad lineal y angular Dinamo tacométrica Analógica
15 Inteligencia Artificial y Robótica
Encoder Digital
Detector inductivo Digital
Servo-inclinómetros A/D
RVDT Analógica
Giróscopo
Aceleración Acelerómetro Analógico
Servo-accelerómetros
Fuerza y par (deformación) Galga extensiométrica Analógico
Triaxiales A/D
Presión Membranas Analógica
Piezoeléctricos Analógica
Manómetros Digitales Digital
Caudal Turbina Analógica
Magnético Analógica
16 Inteligencia Artificial y Robótica
Temperatura Termopar Analógica
RTD Analógica
Termistor NTC Analógica
Termistor PTC Analógica
[Bimetal - Termostato ]] I/0
Sensores de presencia Inductivos I/0
Capacitivos I/0
Ópticos I/0 y Analógica
Sensores táctiles Matriz de contactos I/0
Piel artificial Analógica
Visión artificial Cámaras de video Procesamiento
digital
Cámaras CCD o CMOS Procesamiento
digital
Sensor de proximidad Sensor final de carrera
17 Inteligencia Artificial y Robótica
Sensor capacitivo
Sensor inductivo
Sensor fotoeléctrico
Sensor acústico (presión
sonora)
micrófono
Sensores de acidez IsFET
Sensor de luz fotodiodo
Fotorresistencia
Fototransistor
Célula fotoeléctrica
Sensores captura de
movimiento
Sensores inerciales
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por
ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su
aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se
ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa
conocida (patrón).
18 Inteligencia Artificial y Robótica
Turbidez
La turbidez se refiere a lo clara o turbia que pueda estar el agua. El agua clara tiene un nivel
de turbidez bajo y el agua turbia o lodosa tiene un nivel alto de turbidez. Los niveles altos
de turbidez pueden ser causados por partículas suspendidas en el agua tales como tierra,
sedimentos, aguas residuales y plancton. La tierra puede llegar al agua por la erosión o el
escurrimiento de tierras cercanas. Los sedimentos pueden ser revueltos por demasiada
actividad en el agua, ya sea por parte de los peces o los humanos. Las aguas residuales son
el resultado de las descargas de agua y los altos niveles de plancton pueden deberse a
nutrientes excesivos en el agua.
Si la turbidez del agua es alta, habrá muchas partículas suspendidas en ella. Estas partículas
sólidas bloquearán la luz solar y evitarán que las plantas acuáticas obtengan la luz solar que
necesitan para la fotosíntesis. Las plantas producirán menos oxígeno y con ello bajarán los
niveles de Oxígeno Disuelto (OD). Las plantas morirán más fácilmente y serán
descompuestas por las bacterias en el agua, lo que reducirá los niveles de OD aún más.
Las partículas suspendidas en el agua también absorberán calor adicional de la luz solar lo
cual ocasionará que el agua sea más caliente. El agua caliente no es capaz de guardar tanto
oxígeno como el agua fría, así que los niveles de OD bajarán, especialmente cerca de la
superficie.
Las partículas suspendidas también son destructivas para muchos organismos acuáticos
tales como los macro invertebrados que se encuentran en el agua. Pueden obstruir las
branquias de los peces y interferir con su habilidad para encontrar alimento. También
pueden enterrar las criaturas que viven en el fondo y los huevos. Las partículas suspendidas
pueden transportar contaminantes en el agua.
¿Qué es la turbidez?
La turbidez es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia debido a la
presencia de partículas en suspensión.
19 Inteligencia Artificial y Robótica
Cuantos más sólidos en suspensión haya en el agua, más sucia parecerá ésta y más alta será
la turbidez. La turbidez es considerada una buena medida de la calidad del agua.
¿Cuáles son las causas de la turbidez?
Hay varios parámetros que influyen en la turbidez del agua. Algunos de estos son:
Fitoplancton
Sedimentos procedentes de la erosión
Sedimentos re suspendidos del fondo (frecuentemente revueltos por peces que
se alimentan por el fondo, como la carpa)
Descarga de efluentes
Crecimiento de las algas
Escorrentía urbana
¿Cuál es la máxima turbidez permitida en el agua para consumo humano?
Según la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua para consumo
humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU, y estará idealmente por debajo de 1
NTU.
¿Cuáles son las consecuencias de una alta turbidez?
Las partículas suspendidas absorben calor de la luz del sol, haciendo que las aguas turbias
se vuelvan más calientes, y así reduciendo la concentración de oxígeno en el agua (el
oxígeno se disuelve mejor en el agua más fría). Además algunos organismos no pueden
sobrevivir en agua más caliente.
Las partículas en suspensión dispersan la luz, de esta forma decreciendo la actividad
fotosintética en plantas y algas, que contribuye a bajar la concentración de oxígeno más
aún.
20 Inteligencia Artificial y Robótica
Como consecuencia de la sedimentación de las partículas en el fondo, los lagos poco
profundos se colmatan más rápido, los huevos de peces y las larvas de los insectos son
cubiertas y sofocadas, las agallas se tupen o dañan.
¿Cuáles son los impactos de la turbidez?
El principal impacto es meramente estético: a nadie le gusta el aspecto del agua sucia.
Pero además, es esencial eliminar la turbidez para desinfectar efectivamente el agua que
desea ser bebida. Esto añade costes extra para el tratamiento de las aguas superficiales.
Las partículas suspendidas también ayudan a la adhesión de metales pesados y muchos
otros compuestos orgánicos tóxicos y pesticidas.
¿Cómo medimos la turbidez?
La turbidez se mide en NTU: Unidades Nefelométricas de Turbidez. El instrumento usado
para su medida es el nefelómetro o turbidímetro, que mide la intensidad de la luz dispersada
a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de una muestra de agua.
La unidad usada en tiempos antiguos era las JTU (Unidades de Turbidez de Jackson),
medidas con el turbidímetro de vela de Jackson. Esta unidad ya no está en uso estándar.
En lagos la turbidez se mide con un disco secchi
(ver foto). Esto es un disco blanco y negro que se
deja caer en el agua atado a una cuerda. Se anota
la profundidad que el disco alcanza hasta que se
pierde de vista. Esto proporciona una estimación
del nivel de turbidez en el lago.
Una medición de la turbidez puede ser usada para proporcionar una estimación de la
concentración de TSS (Sólidos Totales en Suspensión), lo que de otra forma es un
parámetro tedioso y difícil de medir.
21 Inteligencia Artificial y Robótica
Valores Rango Descripción
RI 0-1 Turbidez Mínima
RP 0.5-2 Turbidez Poca
RR 1.5 -3.5 Turbidez Regular
RS 3-5 Turbidez Suficiente
RE 4-10 Turbidez Excesiva
Tabla 1.- Turbidez del agua en TSS.
Procedimiento
Definición de las variables Lingüísticas
Sistema Fuzzy para determinar la cantidad de agua en el lugar
inundado
Variables de Entrada:
P: La altura del agua, es decir la medida exacta entre el suelo y la altura del agua
expresada en metros.
Q: La medida exacta de la zona afectada expresada en metros cuadrados.
Variables de Salida:
X: La cantidad de agua en la zona afectada expresada en metros cúbicos.
P X
Q
22 Inteligencia Artificial y Robótica
Sistema Fuzzy para determinar la calidad de agua del lugar
inundado
Variables de Entrada:
R: La turbidez del Agua.
S: La temperatura del Agua.
Variables de Salida:
T: El nivel de contaminación del agua.
Definición de rangos y valores lingüísticos de las variables
a. Variable P (Altura del Agua)
El espacio de la altura vertical variara entre 0 y 1.5. Este rango ha sido dividido en 5
niveles segmentados equitativamente.
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
P, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
NB 0-0.3 Nivel bajo
BM 0.3-0.6 Nivel Bajo Medio
NM 0.6-0.9 Nivel Medio
NA 0.9-1.2 Nivel Alto
MA 1.2-1.5 Muy Alto
Variables y Rangos para la variable P
R
S
T
23 Inteligencia Artificial y Robótica
b. Variable Q (Área Afectada)
El espacio del área afectada por la inundación se mide en metros cuadrados y variara entre
0 y 500 metros. Este rango ha sido dividido en 5 niveles segmentados equitativamente.
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
Q, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
AP 0-100 Área Pequeña
MP 100-200 Área Medio Pequeña
AM 200-300 Área Medio
AG 300-400 Área Grande
MG 400-500 Área Muy Grande
Variables y Rangos para la variable Q
c. Variable X(Cantidad de agua)
La cantidad de agua en la zona afectada por la inundación se mide metros cúbicos y
variara entre 0 y 750 metros cúbicos. Este rango ha sido dividido en 5 niveles segmentados
equitativamente
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
X, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
NB 0-150 Nivel Bajo
BM 150-300 Nivel Bajo Medio
NM 300-450 Nivel Medio
NA 450-600 Nivel Alto
MA 600-750 Nivel Muy Alto
Variables y Rangos para la variable X
24 Inteligencia Artificial y Robótica
d. Variable R(Turbidez del Agua)
La turbidez del agua en la zona afectada por la inundación se divide en 5 niveles.
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
R, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
RI 0-1 Turbidez Mínima
RP 0.5-2 Turbidez Poca
RR 1.5 -3.5 Turbidez Regular
RS 3-5 Turbidez Suficiente
RE 4-10 Turbidez Excesiva
Variables y Rangos para la variable R
e. Variable S(Temperatura del Agua)
La tempera del agua en la zona afectada por la inundación se mide en grados centígrados y
variara entre 10 y más de 29 grados.
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
S, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
TE 10-18 Temperatura Excelente
TB 18-20 Temperatura Buena
TR 20-24 Temperatura Regular
TD 24-29 Temperatura Deficiente
TM Más de 29 Temperatura Mala
Variables y Rangos para la variable S
25 Inteligencia Artificial y Robótica
f. Variable T (Contaminación del agua)
La contaminación del agua en la zona afectada por la inundación se mide según la calidad
del agua dependiendo de la temperatura y densidad de la misma.
A continuación se describen en detalle los valores y rangos mencionados para la variable
Y, ver tabla adjunta.
Valores Rango Descripción
CM Menos que 50 Calidad Mala
CD 50-65 Calidad Deficiente
CR 65-75 Calidad Regular
CB 75-85 Calidad Buena
CE 85-100 Calidad Excelente (potable)
Variables y Rangos para la variable Y
.
..
26 Inteligencia Artificial y Robótica
Asignar la función de pertenencia a los rangos de las variables
La función de pertenencia para las variables P, Q, X, R, S e Y las definimos en forma
detallada en las figuras adjuntas.
P Altura del Agua (metros)
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Q Área Afectada (metros cuadrados)
X Cantidad de agua
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R Turbidez de agua
29 Inteligencia Artificial y Robótica
S Temperatura de agua
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Y Contaminación de agua
31 Inteligencia Artificial y Robótica
Construcción de base de reglas
La base de reglas son los comandos u órdenes de medición que se le asigna al robot
según la zona afectada y agua encontrada por la inundación. Estos valores son
especificados completamente en las siguientes tablas adjuntas:
Tabla de Diserción y Reglas para el primer algoritmo utilizando lógica difusa, para las
variables de entrada P, Q y la variable de salida X.
P Q AP MP AM AG MG
NB NB NB BM BM NM
BM NB BM BM NM NM
NM BM NM NM NA NA
NA NM NM NA NA MA
MA NM NA NA MA MA
Las reglas son del tipo: SI P y Q ENTONCES X
32 Inteligencia Artificial y Robótica
Tabla de Diserción y Reglas para el primer algoritmo utilizando lógica difusa, para las
variables de entrada R, S y la variable de salida Y.
R
S
RI RP RR RS RE
TE C E CE CB CR CD
TB CB CB CR CD CD
TR CR CR CD CD CD
TD CR CD CD CM CM
TM CD CD CM CM CM
La Tabla muestra 25 reglas, aunque son necesarias menos reglas, pues algunas pueden
sintetizarse en una única regla.
Las reglas son del tipo: SI R y S ENTONCES Y
33 Inteligencia Artificial y Robótica
Resultados
Esta simulación ha sido implementada en el programa Matlab y podemos apreciar
con precisión como el robot podrá calcular la cantidad de agua y el nivel de
contaminación de la misma en la zona afectada por la inundación.
Defuzzificación
Para simular la cantidad de agua (variables P, Q y X)
Valores de Reglas de inferencias
34 Inteligencia Artificial y Robótica
Graficas correspondientes a las reglas de inferencia
Valores Aleatorios e interpretación para el funcionamiento del sistema
N° P (metros) Valor Q (m 2) Valor
X (m 3) Valor
Interpretación
1 0.695 NM 61.4 AP 225 BM Es aún habitable
2 0.833 NM 143 MP 375 NM Es riesgoso
3 1.04 NA 275 AM 525 NA Es inhabitable
4 0.805 NM 193 MP 375 NM Es riesgoso
5 0.227 NB 56.8 AP 67.5 NB Es habitable
6 0.64 NM 79.5 AP 225 BM Es aún habitable
7 0.213 NB 148 MP 66.5 NB Es habitable
8 0.97 NA 461 MG 685 MA Es inhabitable
9 1.16 NA 384 AG 525 NA Es inhabitable
10 0.131 NB 452 MG 375 NM Es riesgoso
35 Inteligencia Artificial y Robótica
Para simular la cantidad de agua (variables R, S e T)
Valores de Reglas de inferencias
Graficas correspondientes a las reglas de inferencia
36 Inteligencia Artificial y Robótica
Valores Aleatorios e interpretación para el funcionamiento del sistema
No.
R(Turbidez) Valor S(Temperatura) Valor Y Interpretación
1 0 RI 10 TE 94.3 Calidad Excelente (CE)
2 0.5 RP 15 TE 94 Calidad Excelente (CE)
3 0.8 RP 18 TB 70 Calidad Regular (CR)
4 1.5 RR 19 TB 80 Calidad Buena(CB)
5 2 RP 20 TR 70 Calidad Regular (CR)
6 3 RS 22 TR 57.5 Calidad Deficiente (CD)
7 3.5 RR 25 TD 44.4 Calidad Mala (CM)
8 4 RE 12 TE 70 Calidad Regular (CR)
9 5 RS 30 TM 44.5 Calidad Mala(CM)
10 7 RE 27 TD 43.9 Calidad Mala (CM)
37 Inteligencia Artificial y Robótica
Conclusiones
-Las inundaciones pueden afectar demasiado a una población, causando
enfermedades y muchas pérdidas materiales, por lo cual es de vital importancia
poder medir con exactitud la cantidad de agua y nivel de contaminación de la
misma.
-Por medio de una investigación, pudimos elaborar un marco teórico que nos
permitió establecer con coherencia los rangos para cada variable de entrada y salida.
-Gracias a las variables de entrada planteadas podremos obtener con éxito la
cantidad de agua en la zona afectada y nivel de contaminación, para poder así tener
un plan de riesgo según el resultado obtenido gracias a nuestro algoritmo de lógica
difusa y a nuestras reglas planteadas.
-La herramienta que se utilizó para simular fue Matlab, gracias a este aplicativo
pudimos simular con éxito el funcionamiento de nuestro robot, ingresando los
rangos y reglas para obtener los resultados esperados.
-Con nuestras tablas de interpretación, podremos brindar a la población afectada una
respuesta respecto si la zona es habitable o no, o si la cantidad de agua es baja o
alta.
Bibliografía
http://es.wikipedia.org/wiki/Contaminaci%C3%B3n_h%C3%ADdrica
http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/100CoAcu.htm
http://html.rincondelvago.com/contaminacion-del-agua_7.html
http://helid.digicollection.org/en/d/Js13490s/3.2.html
