Metodología Ingenieril: Modelado, Experimentación y Optimización de Sistemas

Metodología Ingenieril de Trabajo

La ingeniería, con su vasta experiencia en el estudio de los fenómenos naturales, emplea dos tipos principales de técnicas:

• Las consistentes en obtener un modelo matemático (teórico) de los fenómenos.
• Las experimentales, desarrolladas para obtener información directa, ya sea del sistema real o de un modelo físico del mismo.

Aunque estas técnicas parecen ser diferentes en su naturaleza, con frecuencia se combinan, dando lugar al método ingenieril de trabajo científico.

De esta manera, en una primera etapa, se busca describir el fenómeno bajo estudio a través de registros de parámetros adecuados, de modo que los datos puedan sugerir una teoría para explicarlo. Esta teoría se puede utilizar para predecir la respuesta en condiciones determinadas. El experimento, entonces, nos puede asegurar hasta qué punto los resultados teóricos son idénticos a los experimentales.

Así, en primer lugar, los propósitos son describir las relaciones de entrada y salida, lo que al mismo tiempo contribuye a:

• Predecir respuestas del sistema ante una amplia variedad de entradas.
• Distinguir entre estados normales y anormales del mismo.
• Describir en términos matemáticos su estructura, entre otros.

En segundo lugar, se busca simular el sistema para validar o descartar una hipótesis, sugerir nueva experimentación y estudiar la posibilidad de una mejor modelación.

Conceptos Clave en el Modelado de Sistemas

Dentro del estudio de sistemas, es fundamental comprender la distinción entre:

• Caja Blanca (White Box): Se refiere a aquellos elementos donde se conoce toda la estructura interna. Por ejemplo, un circuito eléctrico.
• Caja Negra (Black Box): Se refiere a aquellos elementos donde no se conoce nada de su estructura interna. Por ejemplo, la psicología.

Técnicas del Método Ingenieril

El método ingenieril de trabajo se fundamenta en dos técnicas principales:

1. Técnicas de Modelado Matemático

Estas técnicas parten de una ley física, donde se manipulan los datos para obtener conclusiones. Se pretende conseguir una expresión matemática que explique un conjunto de experiencias (como prever el peso). Es importante destacar que la relación no tiene por qué ser una gráfica lineal; puede presentar diversas curvas.

Con estas técnicas, no es imprescindible conocer la estructura interna de un sistema. Simplemente se busca establecer una relación entre variables (por ejemplo, entre X e Y, o entre más variables), lo que se asemeja al concepto de caja negra.

En general, las condiciones en que se realizan estas experiencias no pueden ser del todo controladas, por lo que la respuesta del sistema real (S.R.) se verá influenciada por perturbaciones externas y/o internas, lo que introduce niveles de probabilidad.

Identificación Paramétrica

Cuando se busca conocer la estructura interna de un sistema, hablamos de identificación paramétrica. Estos son los procesos que conducen a desvelar la estructura interna de un sistema real, transitando desde un estado de caja negra hacia uno lo más cercano posible a caja blanca, pasando por todos los "grises" intermedios. Las técnicas empleadas para este fin se denominan técnicas de optimización paramétrica.

Este proceso continúa hasta que se encuentra un valor mínimo de error (e) y se obtiene el modelo deseado. La calidad de la aproximación dependerá del ámbito de la investigación; por ejemplo, en el desarrollo de medicamentos, el margen de error es extremadamente pequeño.

2. Técnicas Experimentales

Las técnicas experimentales son cruciales para demostrar hipótesis y comprobarlas empíricamente. Si bien tienen el inconveniente de que el instrumental suele ser muy costoso y se requiere personal altamente especializado para realizar las mediciones, al mismo tiempo ofrecen una mayor precisión.

Estas técnicas constan de:

• Construcción de un Modelo Físico

  Un modelo físico es una entidad representativa del sistema sobre la cual se realiza un experimento para extraer información relevante sobre el sistema original.

• Simulación

  La simulación consiste en experimentar directamente con un modelo (ya sea físico o matemático).