Inteligencia Artificial CON APLICACIONES A LA INGENIERÍA PDF

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Cap preliminares.indd II 10/06/10 07:06 p.m. INTELIGENCIA ARTIFICIAL CON APLICACIONES A LA INGENIERÍA Cap preliminares.indd I 10/06/10 07:06 p.m. Cap preliminares.indd II 10/06/10 07:06 p.m. INTELIGENCIA ARTIFICIAL CON APLICACIONES A LA INGENIERÍA Dr. Pedro Ponce Cruz Buenos Aires • Bogotá • México...

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INTELIGENCIA ARTIFICIAL CON APLICACIONES A LA INGENIERÍA

INTELIGENCIA ARTIFICIAL CON APLICACIONES A LA INGENIERÍA Dr. Pedro Ponce Cruz

Buenos Aires • Bogotá • México DF • Santiago de Chile

Editor Alejandro Herrera

Datos catalográficos Ponce, Pedro Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería

Revisor Dr. David Moisés Terán Pérez

Primera Edición

Corrector de estilo Alejandro Cruz Ulloa

Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México

Gerente editorial Marcelo Grillo Giannetto [email protected]

Formato: 17 3 23 cm

ISBN: 978-607-7854-83-8 Páginas: 376

Diagramación Editec Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería Pedro Ponce Cruz Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México. Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, Julio 2010 © 2010 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: [email protected] ISBN: 978-607-7854-83-8 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro y/o en sus soportes ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Edición autorizada para venta en todo el mundo. Impreso en México. Printed in México. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. – C.P. 03100. Tel.: (52-55) 5089-7740 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [email protected] Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Carrera 15 No. 64 A 29 – PBX (57-1) 2100122, Bogotá, Colombia, Fax: (57-1) 6068648 – E-mail: [email protected] Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – General del Canto 370-Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 235-4248 – Fax: (56-2) 235-5786 – E-mail: [email protected] Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. “11”, Buenos Aires, Argentina, C.P. 1057 – Tel.: (54-11) 4811-7183 / 8352, E-mail: [email protected]

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AGRADECIMIENTOS • Quiero agradecer a cada uno de los profesores que me enseñaron dentro del aula el verdadero significado de ser un ingeniero. • A todas las personas que se toman el tiempo para darme un buen consejo, para mejorar el desarrollo de mi vida profesional. • A todas las personas que conforman mi familia y que me apoyan siempre de manera incondicional, ya que siento su afecto sin importar el lugar. • A mi hijo Pedro Ponce, que es parte fundamental de mi existir. • A mi madre por dejarme usar sus electrodomésticos como juguetes y siempre darme una nueva oportunidad de hacerlo mejor. • A la memoria de la pequeña Sandy quien me enseñó que el tiempo que uno vive es valioso cuando deja recuerdos de las cosas lindas que se hacen. ¡Te extrañaré cada día por siempre Sandy! • A veces las palabras no reflejan sentimientos pero el corazón siembre encuentra la forma más bella de trasmitir cada uno de ellos. Para mi compañero Fluffy. • A Alejandro Herrera, mi editor, por hacer del manuscrito inicial esta obra bibliográfica. • Al Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey Campus Ciudad de México por todo el apoyo brindado para generar esta obra y cada uno de mis proyectos de investigación. Dr. Pedro Ponce Cruz Ciudad de México, julio de 2010.

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NOTA IMPORTANTE Todas las marcas registradas utilizadas en este documento son propiedad de sus respectivos propietarios. El uso de cualquier marca registrada en este texto, no confiere al autor o al editor ningún derecho de propiedad sobre tales marcas. MATLAB®, Real-Time Workshop®, Simulink® son marcas registradas de The MathWorksTM, se mencionan únicamente con fines didácticos y de identificación. Mayor información de MATLAB® puede solicitarse a The Mathworks., Inc. 3 Apple Hill Drive Natick Ma. 017660-2098 USA O en http://www.mathworks.com. El lector podrá solicitar: Versión para estudiantes de MATLAB® y Simulink® en: http://www.mathworks.com/academia/student_version Copia de evaluación para el instructor en: http://www.mathworks.com/programs/academia/eval.html

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MENSAJE DEL EDITOR Los conocimientos son esenciales en el desempeño profesional. Sin ellos es imposible lograr las habilidades para competir laboralmente. La universidad o las instituciones de formación para el trabajo ofrecen la oportunidad de adquirir conocimientos que serán aprovechados más adelante en beneficio propio y de la sociedad. El avance de la ciencia y de la técnica hace necesario actualizar continuamente esos conocimientos. Cuando se toma la decisión de embarcarse en una vida profesional, se adquiere un compromiso de por vida: mantenerse al día en los conocimientos del área u oficio que se ha decidido desempeñar. Alfaomega tiene por misión ofrecerles a estudiantes y profesionales conocimientos actualizados dentro de lineamientos pedagógicos que faciliten su utilización y permitan desarrollar las competencias requeridas por una profesión determinada. Alfaomega espera ser su compañera profesional en este viaje de por vida por el mundo del conocimiento. Alfaomega hace uso de los medios impresos tradicionales en combinación con las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) para facilitar el aprendizaje. Libros como éste tienen su complemento en una página Web, en donde el alumno y su profesor encontrarán materiales adicionales con información actualizada. Esta obra contiene numerosos gráficos, cuadros y otros recursos para despertar el interés del estudiante, y facilitarle la comprensión y apropiación del conocimiento. Cada capítulo se desarrolla con argumentos presentados en forma sencilla y estructurada claramente que lo guía hacia los objetivos y metas propuestas con diversas actividades pedagógicas para asegurar la asimilación del conocimiento y su extensión y actualización futuras. Los libros de Alfaomega están diseñados para ser utilizados dentro de los procesos de enseñanza-aprendizaje, y pueden ser usados como textos guía en diversos cursos o como apoyo para reforzar el desarrollo profesional. Alfaomega espera contribuir así a la formación y el desarrollo de profesionales exitosos para beneficio de la sociedad.

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EL AUTOR Dr. Pedro Ponce Cruz Estudió la carrera de Ingeniería en Control y Automatización en el Instituto Politécnico Nacional (IPN), graduándose 1995. Posteriormente realizó estudios de posgrado en el mismo Instituto, donde obtuvo los grados de Maestro en Ciencias y de Doctor en Ciencias, logrando en este último el mejor promedio del programa en 2001, ambos grados con especialidad en ingeniería eléctrica con opción en control automático. Se desempeñó como ingeniero de campo y diseño en el Departamento de Speed Control AC, así como ingeniero de proyectos de desarrollo industrial Nivel II. Fue profesor del Departamento de Control y Automatización y coordinador de laboratorios de control automático en el Instituto Politécnico Nacional. Es especialista en las áreas de: automatización de sistemas industriales, máquinas eléctricas, accionamientos eléctricos, electrónica de potencia, control convencional continuo y digital, sistemas inteligentes y redes neurales artificiales. Cuenta en su haber con más de 60 publicaciones en revistas y congresos de renombre académico y es autor del libro Máquinas eléctricas y técnicas modernas de control, publicado por este sello editorial. Fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores y ha recibido numerosos reconocimientos, entre los que destacan: • Mejor profesor en el área de la División de Ingeniería y Arquitectura del Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México (2006). • Medalla al mérito académico como mejor profesor de posgrado de la Escuela de Graduados en Ingeniería y Arquitectura, Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México (2005). • Reconocimiento por labor docente en la ESIME, Instituto Politécnico Nacional, México, D.F. • Primer lugar en el Graphical System Design National Instruments 2009 en Austin, Texas, en el área de biotecnología, siendo el primer latinoamericano en ganar el premio. • Primer lugar en el III Concurso Iberoamericano 2009, Nuevo México Actualmente se desempeña como director de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (I.T.E.S.M.), Campus Ciudad de México.

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CONTENIDO A quién está dirigido Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería Acceso al material complementario Prefacio Por qué la inteligencia artificial

CAPÍTULO 1: INTELIGENCIA ARTIFICIAL INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES DE LA INTELIGENCIA ARTIFICIAL RAMAS QUE COMPONEN LA INTELIGENCIA ARTIFICIAL LÓGICA DIFUSA Introducción Historia de la lógica difusa REDES NEURALES ARTIFICIALES Introducción Historia de las redes neurales Perceptrón Redes de retropropagación (backpropagation) ALGORITMOS GENÉTICOS Introducción Historia de los algoritmos genéticos Definiciones Herencia ¿Qué es herencia? El código genético Selección natural Operaciones genéticas en cadenas binarias Selección Cruzamiento Mutación RESUMEN EJEMPLOS APLICACIONES 1. Desentrelazado de señales de video con lógica difusa Procedimiento Conclusiones 2. Marcadores anatómicos de los ventrículos del corazón Procedimiento Resultados Conclusiones 3. Segmentación de imágenes cerebrales de resonancia magnética basada en redes neuronales Procedimiento Resultados y conclusiones Referencias 4. Optimización de sistemas para tratamiento de agua (Austria, lógica difusa) 5. Monitoreo de glaucoma a través de redes neuronales 6. Algoritmos genéticos para el diseño de sistemas de MRI (magnetic resonance imaging) Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería - Ponce

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CONTENIDO

CAPÍTULO 2: LÓGICA DIFUSA

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INTRODUCCIÓN Qué es una variable lingüística Aplicaciones Cámaras de video Reconocimiento Controladores Sistemas de control en lazo abierto Sistema de control en lazo cerrado Uso de lógica difusa en el Transporte Uso de lógica difusa en los sistemas de control CONCEPTOS DE LÓGICA BOOLEANA Y DIFUSA LÓGICA BOOLEANA Axiomas de los conjuntos convencionales Operaciones en la lógica convencional Leyes de De Morgan LÓGICA DIFUSA Lógica simbólica Tautologías y quasi-tautologías Representación de conjuntos difusos discretos Operaciones en la lógica difusa empleando conjuntos difusos Ejemplo de programa de operación difusa realizado en MATLAB® Norma triangular (T) Co-normas T (normas S) Aseveraciones booleanas aplicadas a la lógica difusa Operaciones entre conjuntos difusos Producto de dos conjuntos difusos Potencia de un conjunto difuso Concentración Dilación Intensificación de contraste Corte alfa Propiedades de los conjuntos difusos Funciones de membresía y sus partes básicas Función de saturación Función hombro Función triangular Función trapecio o Pi Función “S” o sigmoidal Descripción matemática de las funciones de membresía Aplicaciones reales de las distintas funciones de membresía Partes de una función de membresía Cálculo de función de pertenencia 1. Método HORIZONTAL 2. Método VERTICAL 3. Método de comparación de parejas (Saaty, 1980) 4. Método basado en la especificación del problema 5. Método basado en la optimización de parámetros 6. Método basado en la agrupación difusa (Fuzzy Clustering) El principio de extensión: generalización

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XI PRINCIPIO DE EXTENSIÓN NÚMEROS DIFUSOS Suma de números difusos RELACIONES NÍTIDAS Y DIFUSAS Producto cartesiano Relaciones nítidas Relaciones difusas Composición Composición sup-estrella Operaciones con relaciones difusas Unión Intersección Complemento Producto cartesiano difuso y composición Reglas difusas Modus ponens y modus tollens CONTROLADORES DIFUSOS Interfaz de difusificación Base de conocimientos Lógica de decisiones Interfaz de desdifusificación Método de centro de área o gravedad Método de centro máximo Método de izquierda máximo Método de derecha máximo Aproximación de sistemas difusos Definición de las entradas y salidas del sistema Ejemplo de un sistema difuso con retardos en la información para aproximaciones difusas Funciones de membresía Reglas lingüísticas Superficie de salida Diseño de controladores con base en Mamdani Ejemplo Aplicaciones reales de controladores difusos Controlador difuso clásico Ejemplo Controladores P Controladores PD Controladores PI Controlador PID Simulación de un Control PID difuso Controlador difuso con PID convencional como respaldo Controlador difuso como sintonizador de PID convencional Concepto de estabilidad Punto de equilibrio Asintóticamente estable Entrada-cero de estabilidad Teorema 1. (Estabilidad de Lyapunov para sistemas autónomos) Estabilidad de Lyapunov para sistemas difusos Teorema La construcción para muestreo de datos Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería - Ponce

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CONTENIDO

Controlador difuso-convencional autosintonizable por lógica difusa Método Ziegler-Nichols Controlador proporcional difuso PD autosintonizable PI autosintonizable PID autosintonizable Análisis de resultados Autosintonización vs. Ziegler-Nichols Controlador difuso como programador de ganancias para PID Estabilidad Diseño con base en Sugeno Ejemplo ALGORITMO DEL RAZONAMIENTO Ejemplo Diseño digital con base en estabilidad Ejemplo EJEMPLO SISTEMA DIFUSO SUGENO EJEMPLO DE MOTOR DC EJEMPLO DE SISTEMA DE 2 ENTRADAS MÉTODOS DE INFERENCIA Método de Tsukamoto Método de Larsen Resumen de mecanismos de inferencia AGRUPAMIENTOS DIFUSOS Validez de un cluster Clusters nítidos Ejemplo Clusters difusos Ejemplo Aplicaciones reales de los agrupamientos difusos Aproximaciones de sistemas reales por el método de Sugeno Aproximación de un deshumidificador desecante Aproximación de un potenciómetro Aproximación de un sensor óptico Ejemplo de aplicación de método para optimización de clusters con lógica difusa tipo Mamdani Calculadora difusa por método Mamdani Caracterización de un controlador tipo PID mediante un controlador tipo Sugeno Controlador difuso basado en control directo del par (DTC) Control de velocidad sin sensores usando control directo del par (DTC) basado en la modulación del ancho de pulso mediante vectores espaciales (SVPWM) Agrupamientos difusos con pesos Segmentación de imágenes médicas a través de agrupamientos difusos Aproximación de un modelado de sentimientos humanos basado en el reconocimiento de expresiones faciales con lógica difusa Aproximación a los sentimientos humanos a través de lógica difusa PROGRAMAS BÁSICOS EN MATLAB® SATURACIÓN HOMBRO TRIANGULAR TRAPEZOIDAL SIGMOIDAL Alfaomega

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XIII CLUSTERS DIFUSOS Y SISTEMA SUGENO CALCULADORA DIFUSA MATLAB®

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CAPÍTULO 3 REDES NEURALES ARTIFICIALES

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REDES NEURALES BIOLÓGICAS Fundamentos biológicos de las redes neurales naturales Máquinas inteligentes Sistema eléctrico neuronal MODELOS DE NEURONAS Ruido Neuronas de dos estados La neurona genérica APLICACIONES DE LAS REDES NEURALES ARTIFICIALES (RNA) DEFINICIÓN DE UNA RED NEURONAL ARTIFICIAL FUNCIONES DE ACTIVACIÓN Función escalón Función lineal y mixta Función tangente hiperbólica Función sigmoidal Función de Gauss TOPOLOGÍAS DE LAS REDES NEURALES Elementos de una red neuronal artificial ENTRENAMIENTO DE LAS REDES NEURALES REDES DE UNA CAPA Perceptrón Separación de variables linealmente separables con el perceptrón ADALINE (Adaptive Linear Neuron) Problema del operador lógico XOR por uso del perceptrón Desarrollo OR AND XOR Control de un motor de pasos con un grupo de perceptrones Teorema de Kolmogorov REDES MULTICAPA Perceptrón multicapa Redes de retropropagación (backpropagation) Principios para entrenar una red multicapa empleando el algoritmo de retropropagación Redes neurales - Retropropagación del error Capas intermedias Algoritmo de retropropagación con momento (Backpropagation with Momentum) DISEÑO DE FILTROS FIR CON REDES NEURALES ARTIFICIALES Filtro Filtros adaptativos digitales Emulación del filtro empleando una red neuronal programada en MATLAB® EJEMPLO RECONOCIMIENTO DE LETRAS EMPLEANDO ENTRENAMIENTO DE RETROPROPAGACIÓN DEL ERROR Resultados REDES AUTOORGANIZABLES Aprendizaje asociativo Inteligencia artificial con aplicaciones a la ingeniería - Ponce

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CONTENIDO

Red de una sola neurona Tipos de estímulos Ejemplo Interpretación de la Regla de Hebb en asociadores lineales TOPOLOGÍA DE REDES NEURONALES EMPLEADAS PARA LA CLASIFICACIÓN, PREDICCIÓN Y RECONOCIMIENTO DE PATRONES Red Instar Red Outstar Redes Competitivas Red de Kohonen Red de Hamming Mapas de Autoorganización (SOM) Learning Vector Quantization (LVQ) Redes Recurrentes Red Hopfield Redes ANFIS Algoritmo de un sistema ANFIS Algoritmo de entrenamiento para ANFIS Arquitectura de ANFIS Método de mínimos cuadrados Mínimos cuadrados recursivos Ejemplo ANFIS con línea de comandos Ejemplo sistema ANFIS empleando ANFIS EDIT de MATLAB® Empleo de función Genfis1 EJEMPLO DE UN SISTEMA ANFIS Y DIFUSO PARA EL MODELADO DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA, EN UN ESQUEMA DE CONTROL VECTORIAL Introducción Etapas del control difuso tipo Sugeno Fusificación Evaluación de reglas Desarrollo Control vectorial Modelo difuso del motor de inducción Fusificación Edición de reglas Modelo ANFIS del motor de inducción Control vectorial difuso APROXIMADOR NEURO-DIFUSO CON CLUSTERS Y REDES NEURALES TRIGONOMÉTRICAS Entrenamiento de retropropagación Redes neurales basadas en Fourier Cálculo de la función de la red neuronal basada en Fourier Establecimiento de los pesos CAPÍTULO 4 ALGORITMOS GENÉTICOS CHARLES DARWIN Y LA TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN ALGORITMOS GENÉTICOS Introducción Algoritmos genéticos Definiciones Alfaomega

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