Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Aplicaciones de la lógica borrosa

Hace ya algún tiempo se celebró en Kobe, Japón, un Congreso Internacional sobre Células Pigmentadas al que nuestro grupo de Investigación había sido invitado para presentar unas ponencias. Lo que, de modo más inmediato e intenso, nos impresionó no fue ningún templo exótico japonés, sino que el Metro que nos trasladaba desde el centro de la ciudad al Palacio de Congresos no tenía conductor humano, aunque era conducido inteligentemente.

¿Qué significa que un sistema artificial actúe inteligentemente, con los esquemas de la Inteligencia Artificial?. Que no lo hace con la forma binaria verdadero / falso, sino de un modo parecido al razonamiento humano, con reglas de la forma "si...., entonces...", usando los principios, que en la divulgación de la semana pasada exponíamos, como propios de los conjuntos borrosos. La lógica borrosa o difusa transforma entradas en salidas, un conjunto borroso en otro. Las reglas de un conjunto borroso definen un conjunto de zonas que se solapan entre sí, relacionando una serie completa de entradas con otra serie completa de salidas

Ello se consigue aplicando los Sistemas Expertos, que utilizan la información previamente suministrada por expertos en cada campo concreto. De este modo, el sistema funciona flexiblemente en respuesta a las situaciones concretas tales como serían, en el caso del Metro, las variaciones en el número de viajeros, las condiciones del trayecto, las características de las vías, los imprevistos, etcétera. En realidad, la primera aplicación práctica de la lógica borrosa ya tuvo lugar en 1973, cuando el científico británico Ebrahim H. Mamdani inventó un controlador borroso para un motor de vapor controlado por 24 reglas. Pero el primer éxito espectacular japonés de la aplicación de la lógica borrosa se situó unos años después, con el Metro de la ciudad japonesa de Sendai.

METRO DE SENDAI. El proyecto era difícil, ya que un Metro es un sistema que funciona en tiempo real y, por tanto, los sistemas de control deben regular los cambios no solo en el momento de producirse sino anticipándose a ellos. El tema fue abordado por los investigadores Shoji Miyamoto y Seiji Yasunobu y el 15 de julio de 1987 tuvo lugar la inauguración. La conducción resultó ser más suave que cualquier otra previamente conocida controlada, humana o mecánicamente. La precisión de la frenada fue de 7 cm, mientras que la realizada por un conductor suele superar los 20 cm. Las aceleraciones y desaceleraciones resultaron ser mucho más suaves. El número de cambios de marcha se redujo a un tercio de los de la conducción humana o de los controlados informáticamente por sistemas no borrosos. Todo ello redundó, además, en un ahorro del 10% de energía. No es de extrañar que pronto el Ayuntamiento de Tokio contratase a Hitachi para que instalase sistemas borrosos de control en buena parte de la gran red del Metro de Tokio.

Tampoco fue ilógico el que en Japón, hacia 1988, se produjese una especie de "boom" de la lógica borrosa. En consecuencia, actualmente más de cien empresas, entre ellas muchas de las mayores, realizan Investigación y desarrollo en estos campos, con miles de patentes realizadas, de las que, aproximadamente, un millar están en explotación.

CHIPS BORROSOS. Los productos borrosos ejecutan algoritmos borrosos de inferencia. Para ello usan sensores que miden las condiciones de entrada variables así como microprocesadores especiales diseñados para almacenar y procesar las reglas borrosas suministradas por los Sistemas Expertos. El primer circuito digital borroso se produjo en 1985 en los laboratorios AT&T BELL. Procesaba unas 80.000 inferencias lógicas borrosas por segundo. Diez años después la capacidad se había multiplicado por un factor de 30.

La mayoría de las empresas de microprocesadores investigan el desarrollo de circuitos borrosos, aunque una buena parte de los productos ofrecidos comercialmente siguen basándose en microprocesadores corrientes a los que los ingenieros programan con unas pocas líneas de códigos de inferencia borrosa. A pesar de ello, el mercado mundial de los microprocesadores borrosos alcanza cuantías superiores a los miles de millones de dólares anuales.

En cualquier caso, las reglas de los sistemas borrosos, su dependencia de instrucciones confeccionadas por expertos, constituye su punto débil. Para automatizar el proceso se intentan construir sistemas adaptativos basados en las conocidas como redes neuronales artificiales que puedan llegar a ser capaces de afinar, o incluso formular, las reglas iniciales. Constan de "neuronas" y "sinapsis" (componentes de silicio o ecuaciones escritas en soportes lógicos), que simulan el comportamiento neuronal, modificándose los valores en respuesta a los estímulos procedentes de sinapsis y neuronas circulantes, de modo que cada "neurona" procesa todas las señales de entrada procedentes de otras "neuronas" y emite una señal en forma de respuesta numérica.

APLICACIONES. Las aplicaciones de los sistemas borrosos inteligentes se han ido haciendo innumerables, en cualquier campo que consideremos. Así, a partir de 1975, en Europa se desarrollaron sistemas de control borroso, iniciados con una planta de agua caliente en Holanda, sistemas intercambiadores de calor en Dinamarca, o una planta de sinterización para la BRITISH STEEL Co. en el Reino Unido. También en Dinamarca el científico Holmblad desarrolló un sistema de control borroso para un horno cementero que constituyó el primer gran éxito industrial al ahorrar combustible y mejorar a los operadores humanos. Desde 1982 se pudo aplicar un lenguaje especial de programación numérico sustitutivo de las previas reglas lingüísticas de control, con lo que el proceso se aplicó a centenares de instalaciones industriales.

En Japón, la ingeniería borrosa se hizo realidad con el control de una planta de purificación de agua, para la compañía FUJI ELECTRIC, en 1982. Otro hito fue el desarrollo de un robot (un automóvil en miniatura) con capacidad de reconocimiento del habla y de comprensión, adaptando las instrucciones "con sentido común", a las condiciones concretas de la conducción. En 1988 se lanzó el primer producto borroso mundial de consumo: un aparato para regular a voluntad la temperatura de salida del agua de un grifo con suministro de agua fría y caliente. Las válvulas correspondientes obedecen a un controlador borroso, un microprocesador de 4 bits, que determina la temperatura y flujo de salida en respuesta a un mando manual exterior.

Actualmente existen todo tipo de instrumentos, máquinas y procedimientos controlados borrosamente, adaptándose "inteligentemente" a cada situación particular: acondicionadores de aire, frigoríficos, lavadoras / secadoras, aspiradoras, hornos microondas, mantas eléctricas, ventiladores, autoenfoques fotográficos, estabilizadores de imágenes en grabadoras de vídeo, transmisiones de automóviles, suspensiones activas, controles de ascensores, dispensadores de anticongelantes para los aviones en los aeropuertos, sistemas de toma de decisiones industriales o económicas, y un largo etcétera en el que se incluye hasta un helicóptero no tripulado, cuyo prototipo, de más de 4 m. de envergadura ha sido capaz de mejorar al convencional, consiguiendo su estabilización tras perder una pala, cosa que ningún piloto humano ha logrado jamás.

Una vez más la experiencia nos demuestra, pues, como un concepto inicialmente básico, tan abstracto como el de los conjuntos o la lógica borrosa, puede convertirse, en relativamente poco tiempo, en aplicaciones útiles para nuestra vida diaria y el progreso de la Humanidad.