Ingeniería basada en Conocimiento: KBE (Knowledge Based Engineering)

La evolucion lógica de este conjunto de herramientas es hacia un punto de unión que permita integrarlas bajo una línea de acción común, iluminada precisamente por el proceso creativo. La “captura” del conocimiento individual, en lo que se refiere a proceso de desarrollo, y su implementación en entornos multidisciplinares enfocados a una determinada aplicación, es lo que se conoce como KBE o KBE Generativo.

En el primer caso, la idea natural es añadir “primitivas” al software CAD, de forma que se automatice la reproducción de elementos geométricos corrientes, como por ejemplo tornillos. La siguiente idea, que ha causado una verdadera revolución en estos paquetes, es la parametrización del modelo, y así en lugar de contar con extensas bibliotecas de objetos más o menos parecidos, se puede disponer de un elemento básico que altera sus dimensiones relativas mediante relaciones variables.

Esta aproximación permite tener geometrías pre-creadas, que se adaptan a cada nuevos imperativos de diseño con la simple modificación de unos determinados parámetros, permitiendo una reducción considerable del tiempo de proyecto.

A estas funciones se añaden otras de auto corrección, como alineado automático, cierre de curvas o superficies, búsqueda automática de intersecciones, etc., que permiten una primera abstracción del hecho mismo del dibujo, y una mayor concentración en el diseño como tal.

Los Sistemas Expertos introducen una nueva dimensión, al catalogar los conocimientos en forma de reglas de una expresión relativamente sencilla. Esto permite una captura real de “best practices”, regulaciones y cálculos sencillos y, fundamentalmente, una validación del diseño contra los mismos, de manera que no puedan deslizarse errores inadvertidos o se pueda entregar un proyecto que viole la legislación pertinente.

La forma de trabajo de esta aproximación es fundamentalmente la labor de un motor de inferencia que explora un proyecto realizado contra un conjunto de reglas, elaborando una lista de desviaciones, que se utiliza en la práctica para corregir manualmente el proyecto original. Aunque las reglas pueden ir actualizándose, se trata de un sistema pasivo; y en todo caso, defensivo, ya que exige la elaboración previa del proyecto a examen.

Probablemente uno de los puntos fundamentales es “romper” la dependencia respecto al diseño geométrico que se ha venido imponiendo como núcleo central de un proyecto, colocándolo en su justa medida: como “resultado” de un proceso holístico de desarrollo.

A su vez, siguiendo una dirección “descendente” en el sentido del flujo de los requisitos de diseño, se parte de las especificaciones de un sistema para llegar con su estudio a un diseño conceptual, que a su vez derivará en un diseño industrial hasta llegar al máximo grado de detalle. Los detalles finales alcanzan el estado de mediciones, incluyendo por tanto los costes del proyecto.

La base documental en que se apoyan ambas aproximaciones es la misma, lo que permite establecer flujos en ambas direcciones, respetando las relaciones de dependencia. En consecuencia, la línea teórica se aparta de un avance lineal, para convertirse en un proceso evolutivo dinámico con múltiples realimentaciones.

La representación del árbol jerárquico de los objetos que constituyen el proyecto en su totalidad, es una forma visual de captar globalmente el entorno para adaptar el propio proceso de diseño a cualquier iniciativa emergente. Las mismas propiedades físicas se pueden modelar como objetos; los objetos pueden tener subobjetos a diversos niveles, y mantener relaciones de dependencia que se propagan a lo largo de la estructura.

Una estructura orientada a objetos se basa en el concepto de Clase, como abstracción de una determinada realidad; la “instanciación” de una clase genera un objeto. Cada clase tiene propiedades y métodos (operaciones) asociados; el otro concepto fundamental es el de Herencia, mediante el cual un objeto adquiere las propiedades y métodos de la clase de la que deriva, en primer lugar, así como de las clases superiores en la cadena jerárquica. Esta es una forma práctica de establecer las relaciones de dependencia entre variables, que en realidad constituye una parte importante de la “captura” del conocimiento.

De una forma simplificada, se puede decir que un proyecto no es más que la instanciación de una serie de objetos en una estructura de árbol jerárquico, una vez que se aplican las condiciones de entorno específicas en forma de valores concretos de sus propiedades, y se permite su propagación a lo largo de la estructura de conocimiento, mediante las relaciones de dependencia.

Sin embargo en otros momentos más avanzados -en círculos cada vez más interiores de la espiral-, esta aproximación no es suficiente, y hay que especificar los detalles geométricos, por ejemplo la orientacion de los conectores, puesto que va a influir en como se trazan las tuberías o los distintos cableados. En otras ocasiones, convendrá disponer de mallas de elementos finitos para analizar determinados comportamientos, etc.

Este enfoque permite derivar el tipo de modelo y su alcance a partir de un modelo único: simplemente se trata de un paso jerárquico superior de la estructura en árbol. La relación de dependencias hace que se propaguen dinámicamente los cambios eventualmente derivados de cada rama de actuacion, actualizando todo el proyecto en consecuencia.

Precisamente ésta es una de las mayores ventajas de KBE: uno de los puntos de mayor ineficacia en la aproximación convencional es la existencia de “islas” de software, cada una dedicada a un particular dominio. Por tanto, se genera la necesidad de convertir datos, añadir o suprimir características y reintroducir información entre aplicaciones dispares, lo que consume mucho tiempo.

Otra ventaja de la aproximación KBE, es que no es necesario “instanciar” un resultado en cada momento, sino que solo se entrará en proceso de cálculo en el momento que se “rompa” una relación de dependencia necesaria para continuar con un proceso, o en el momento que sea necesario disponer de resultados explícitos. Por tanto, se ahorra mucho tiempo y recursos utilizando solo cálculo bajo demanda.

Para clarificar esta importante característica, valga de nuevo el ejemplo de trazado de tuberías: considerando una relación de dependencia puramente topológica entre orígenes y destinos (que pueden ser múltiples y ramificados), más una relación de cálculo de diámetros en función de las pérdidas de carga asumibles por longitud (véase que el modelo se puede sofisticar con otras restricciones, como radios de curvatura permisibles, estandarizacion de tramos, pérdidas térmicas, etc.), cualquier desplazamiento de un elemento conectado, como un depósito, bomba o intercambiador de calor, va a provocar el recálculo de toda la tubería. Con el cálculo bajo demanda, se pueden aplicar distintos algoritmos de optimización de las posiciones relativas de los elementos, con tantas iteraciones como sea necesario, y solamente proceder al cálculo cuando se alcance la solución considerada definitiva.

De hecho, cada uno de los campos concurrentes es realmente la aportación de conocimiento de dominio que el sistema captura y “digiere”: cada aportación se propagará en todas las direcciones del modelo, de forma que se cumplan todos los requisitos de diseño impuestos desde los diversos puntos de vista que apliquen (técnicos, economicos, sociales, estéticos, ...), armonizados en el mismo instante de la “instanciación” bajo demanda.

Una parte importante de esta colaboracion distribuida, es el uso de los recursos de Internet: no es necesaria la proximidad física para el trabajo simultáneo, lo que potencia aún más la contribución de personas y centros de alta especialización.

Esta aproximación permite introducir curvas de aprendizaje y factores de capacitación desde las primeras fases de desarrollo, de forma que en cada momento se conozca la repercusión económica de cualquier decisión técnica.

La clave, de nuevo, es la generación de un modelo único que integra todas las relaciones de dependencia: esta estructura automatiza el flujo de datos entre las distintas herramientas de optimización, promoviendo un conjunto de óptimos de diseño y eliminando la tediosa labor de interrelacionar diversos procesos.

• Equipo de expertos en el(los) dominio(s) de conocimiento
• Equipo de usuarios finales
• Equipo de analistas y desarrolladores de software

Estos equipos tienen que consensuar las especificaciones de entorno, incluyendo las funcionales, la interfaz de usuario y la gestión de datos.

La estructura es modular, abarcando diversos módulos. Típicamente los siguientes:

• Módulo de Diseño
• Módulo de Análisis
• Módulo de Optimización
• Módulo de Presentación y Documentación

El Módulo de Diseño integra un entorno de modelado de sólidos/superficies: permite la configuración y diagrama de los elementos estructurales, definición de sus dimensiones, parámetros topológicos y propiedades de los materiales. Durante la etapa conceptual, los componentes son sólo una representación. Sus propiedades detalladas se derivarán automáticamente conforme el proceso evolucione, mediante los métodos de análisis integrados para el dimensionado estructural, y los métodos de fabricación para refinar las formas.

Así, el entorno soporta una evolución del diseño eficiente y efectiva. La bondad de esta aproximación radica en la posibilidad de crear representaciones conceptuales de las piezas, en coexistencia con representaciones preliminares y detalladas, que se irán perfilando a lo largo del proceso de diseño.

El Modulo de Análisis incluye métodos personalizados de generación de mallas paramétricos, basados en reglas, estructurados e híbridos. Los atributos de cargas, entorno y condiciones iniciales se pueden vincular a la geometría de las piezas y asociarse automáticamente con los grupos de mallas definidos.

Una característica única de este entorno es el etiquetado y propagacion de atributos. El proceso de etiquetado de atributos sigue las variaciones y mejoras en la topología del modelo durante el proceso de generación de la geometría, y la modifica mediante operaciones booleanas.

El Módulo de Optimización soporta y gestiona métodos de exploración y estudios de viabilidad. Captura las interacciones entre diversas especialidades y, por consiguiente, cuantifica las relaciones ínter disciplinares. Proporciona un entorno visual único para armonizar el diseño del modelo y los métodos de optimización.

Los métodos de optimización, variables y restricciones pueden alterarse en modo de ejecución, siguiendo las directrices del usuario en cada momento.

El Módulo de Presentación y Documentación gestiona las versiones y variantes del modelo y soporta la visualizacion de datos y resultados. Organiza y almacena los parámetros de configuración y resultados del modelo. Cuando diversos usuarios hacen estudios de viabilidad tipo “qué pasaría si”, interactuando en diseño colaborativo “off-line”, el sistema mantiene la trazabilidad de estas acciones. Adicionalmente, este módulo soporta en entorno de red la definición, gestión y publicación de todos los aspectos de un proyecto de ingeniería, facilitando la colaboración entre todos los participantes.

Este entorno mejora notablemente el proceso global de ingeniería. Los estudios de detalle están completamente automatizados para reducir tiempos y costes de ingeniería, a la vez que expande el espacio de exploración permitiendo más iteraciones y, en definitiva, la optimización del diseño.