Simulación 4

Evolución: herramienta software para

modelado y simulación con dinámica de sistemas Msc. Hugo Hernando Andrade Sosa *, Msc. Emiliano de Jesús Lince

Mercado +, Alexander Elias Hernandez Cuadrado y Adriana Judith

Monsalve Quintero °

* Profesor Titular Escuela de Ingeniería de Sistemas e Informática, Universidad Industrial de Santander, [email protected] + Ingeniero de Sistemas UIS, Universidad Industrial de Santander ° Estudiante X Semestre de Ingeniería de Sistemas, Universidad Industrial de Santander Revista de Dinámica de Sistemas Vol. 4 Núm. 1 (Abril 2010) Recibido: 5/10/2010 Aceptado : 3/12/2010

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Resumen Este documento presenta una herramienta para el modelado y simulación con Dinámica de Sistemas llamada EVOLUCIÓN, este software es un desarrollo colombiano que se ha llevado a cabo en el grupo SIMON de Investigación en Modelado y Simulación de la Universidad Industrial de Santander. Evolución es una herramienta desarrollada para la comunidad latinoamericana brindando la posibilidad y flexibilidad de adaptarla a las necesidades específicas de investigación y aplicación en la región. Este artículo describe las características de Evolución a la luz de otras herramientas de su tipo, su historia y lo que viene para la herramienta en un futuro Palabras clave: Software, Dinámica de Sistemas, Modelado, Simulación, Evolución . Abstract This paper presents a tool for modeling and simulation with System Dynamics called EVOLUTION, this software is a Colombian development that has taken place in the group SIMON Research on Modeling and Simulation of Industrial University of Santander. Evolution is a tool developed for the Latinoamerican community by providing the opportunity and flexibility to adapt to the specific needs of research and application in the region. This article describes the characteristics of Evolution in light of other tools of its type, its history and what comes to the tool in the future. Keywords: Software, System Dynamics, Modeling, Simulation, Evolution.

Andrade et al.: Evolución

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Introducción

Una de las disciplinas cobijadas por el marco general del pensamiento

sistémico es la Dinámica de Sistemas (DS), la cual se plantea como “una

forma o un paradigma de pensamiento que se expresa a través de cierto

sistema de convenciones, es decir a través de un lenguaje particular” [1].

En la actualidad existen herramientas computacionales que permiten apoyar

el proceso de modelado y simulación con DS. Las herramientas software

para DS han posibilitado el uso y la difusión de la DS en diversos sectores

como en la educación, investigación, la empresa, lo ambiental, lo sociales,

entre otros.

El grupo SIMON de la Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga

Colombia; ha desarrollado la herramienta software llamada EVOLUCIÓN,

la cual posee diferentes características para apoyar el proceso de modelado

y simulación con DS en cada una de sus etapas. Esta herramienta es un

esfuerzo académico e investigativo que el grupo de investigación ha

realizado durante los últimos 15 años.

Los modelos realizados en Evolución pueden ser importados desde los

Micromundos para el Aprendizaje de la Ciencias (MAC). Los MAC son

software especializados para la educación (ver ítem 5.2) que implementan

la propuesta de inclusión del modelado y simulación en los procesos

pedagógicos de la educación básica y media [2]. Igualmente, el software

Visor de Simulaciones, posibilita la realización de simulaciones y la

interacción con modelos de Evolución, por medio de una interfaz diseñada

por el modelador en Evolución.

El grupo SIMON continúa la investigación con y en DS, junto con el

desarrollo de Evolución, en procura de satisfacer las necesidades de los

usuarios de la herramienta y facilitar la inclusión de la DS en nuevas aéreas

de aplicación.


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Modelado y simulación en dinámica de sistemas y el desarrollo de Evolución

El desarrollo de Evolución esta las siguientes ideas básicas sobre el

modelado y la simulación con DS. La forma de entender un fenómeno, está

representado por la imagen o modelo mental que de éste nos hacemos,

modelo que cambia continuamente, ya sea porque, al estar en contacto con

el fenómeno se crean nuevas percepciones y experiencias, o porque

reinterpretamos experiencias y conceptualizaciones al verlas desde otra

perspectiva.

El modelo mental no solamente representa el fenómeno desde nuestro

punto de vista, sino que además actúa como filtro en nuestra relación con

el fenómeno. Es decir, condiciona tanto nuestras percepciones como

nuestras acciones sobre el fenómeno. Esta interacción, mediada por el

modelo mental, se puede representar mediante el ciclo externo fenómeno-

modelo mental [1] (ver Figura 1).

Figura 1: Modelado y Simulación con la Dinámica de Sistemas

Además, el papel del modelado y la simulación con DS puede entenderse

como el de un medio para la construcción de mundos virtuales, con los

cuales podemos establecer una interacción simulada que nos ayuda a


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comprender mejor el mundo real, esto es, a modificar de manera dirigida

nuestros modelos mentales acerca de la realidad.

Junto a este proceso natural de cambio en las imágenes mentales que están

expuestas a la interacción con el fenómeno, también puede plantearse un

proceso dirigido de reformulación del modelo mental: un proceso dirigido

de aprendizaje acerca del fenómeno. Es este precisamente el propósito del

modelado y la simulación con la DS [1].

Desde la perspectiva propuesta en [1], para elaborar modelos con Dinámica

de Sistemas se hace uso habitualmente de los siguientes lenguajes (Figura

1): El primero es el lenguaje en prosa, donde se hace una descripción verbal

del sistema haciendo uso del lenguaje natural. El segundo el lenguaje de la

representación o formulación del modelo por medio de un diagrama causal

o de influencia, en el cual se identifican los elementos del sistema y las

relaciones de influencia y realimentación entre estos. El tercer lenguaje

corresponde a la representación del modelo en términos de flujos y niveles.

Un cuarto lenguaje corresponde al lenguaje de las ecuaciones las cuales

surgen a partir del diagrama flujo nivel. Un último lenguaje, el del

comportamiento, permite considerar los resultados de la simulación

haciendo uso de diversas herramientas, como lo son las graficas y análisis

de sensibilidad, entre otras.

Una vez concluido el proceso de modelado se procede a realizar

simulaciones con propósitos diversos, estas simulaciones pueden presentar

los resultados de múltiples formas, las más comunes son las tablas como un

modo de representación fundamentalmente cuantitativo y las gráficas como

mecanismo algo más cualitativo. Estos elementos nos permiten analizar el

comportamiento de la dinámica del sistema modelado.

Herramientas software para la dinámica de

sistemas

El avance en los sistemas computacionales facilitó el desarrollo de entornos

software de modelado y simulación con DS. En sus inicios, estas

herramientas facilitaban la labor de la simulación permitiéndole al

modelador introducir las ecuaciones diferenciales o sistema de ecuaciones,


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para poder ser resueltos con sus algoritmos de métodos numéricos y luego

entregar los resultados de la simulación.

Posteriormente, estas herramientas evolucionaron para brindar soporte, no

solo para la simulación, sino además para el modelado y el análisis de

sensibilidad, entre otras. Igualmente, se han adaptado a las necesidades

específicas de los usuarios; por ejemplo, para el modelado y simulación de

diversos fenómenos organizacionales, lo cual facilitó extenderse a sectores

como el empresarial e industrial.

Dentro de las herramientas más utilizadas en el ámbito académico y

empresarial, podemos nombrar, en orden alfabético, a:

• AnyLogic [3]

• Evolución [4]

• iThink/Stella [5]

• Powersim [6]

• Simile [7]

• Vensim [8]

Actualmente estas herramientas software ofrecen diferentes servicios, por

medio de un entorno intuitivo para el usuario. Entre las principales

prestaciones se encuentran: herramientas para el modelado, como los

editores para la creación de diagramas causales 1 y diagramas de flujo-

nivel 2 y el uso de funciones matemáticas. Herramientas para realizar y

controlar la simulación del modelo. Al momento de realizar el análisis del

modelo y su comportamiento, se observa que existen diferentes

herramientas para este propósito. Para modelos complejos estos

mecanismos de análisis son de gran de ayuda para el entendimiento del

comportamiento, depuración y ajuste del modelo.

En la Tabla 1 se muestra las principales características de los software

listados. Para poder realizar la comparación, es necesario tener presente las

siguientes equivalencias:

1 Los diagramas causales también se conocen como diagramas de influencia. 2 Se hace uso del término diagrama de flujo-nivel en lugar de diagrama de Forrester, debido a que varias de estas herramientas incluyen elementos adicionales a los utilizados originalmente en los diagramas de Forrester.


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• Nivel ≈ Stock

• Variable Auxiliar ≈ Auxiliar ≈ Conversor

• Parámetro ≈ Constante

• Relación ≈ Enlace ≈ Conector

• Submodelo ≈ Módulo

• Clon ≈ Snapshot

• Diagrama de Flujos ≈ Diagrama de Forrester ≈ Diagrama de Flujo-

Nivel

• Diagrama de Influencias ≈ Diagrama Causal ≈ Diagrama de Ciclos

Causales

Software / versión

revisada Organización Diagrama de influencias Diagrama flujo- nivel Simulación Herramientas de análisis Costo Idioma

ANYLOGIC

Versión: Professional Edition 6.5.0

XJ Technologies Company (Rusia)

No Permite dibujar diagramas de flujo-nivel en el editor de diagramas gráficos, usando elementos como: - Stock - Flujo - Variable Auxiliar - Parámetro - Conector - Función Tabla

Soporta las siguientes formas de presentación de resultados: - Diagrama de Gantt - Histograma - Estadísticas - Gráfico

Presenta varias herramientas de análisis como son: - Comparación de corridas: Compara los resultados de simulación para diferentes parámetros establecidos. -Análisis de Sensibilidad: Explora que tan sensibles son los resultados de simulación a la variación de los parámetros del modelo. - Montecarlo: ejecuta una simulación (estocástica) un número de veces, obteniendo la colección de salidas y viéndolo como un histograma. - Calibración: Ajusta los parámetros del modelo para que su comportamiento en condiciones particulares coincida con un patrón conocido (observado). Experimento de encargo: Desarrolla su propio escenario usando AnyLogic API.

US $ 6,199 Inglés Ruso

EVOLUCIÓN

Versión: 4.0

Grupo SIMON de Investigación en Modelamiento y

Simulación. (Colombia)

Cuenta con un Editor de Diagrama de Influencias. Tiene diferentes vistas y puede crear el diagrama con sus elementos, ciclos, clones, sectores y relaciones de material o de información entre ellos. Permite generar un bosquejo del Diagrama de Flujo Nivel.

Cuenta con un Editor de Diagrama de Flujo Nivel. Presenta diferentes vistas y una barra de herramientas con los elementos que forman el diagrama de flujo nivel para crear el modelo de simulación.

Presenta los resultados de la simulación en forma de gráficos en 2D y 3D, de tablas y gráficos con animadores.

Realiza el análisis de sensibilidad de dos formas: - Por Variación de Escenarios. - Por Variación de Parámetros. En el Análisis por Variación de Escenarios se selecciona el elemento a analizar y se pueden manipular los escenarios existentes para el modelo. El Análisis por Variación de Parámetros define el comportamiento de la variable a analizar, al modificar el valor de uno de los parámetros

Software Gratuito para uso académico e investigativo.

Español


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del modelo.

Ithink

Versión: 9.1.4

Stella

Versión: 9.1.4

Isee systems (estados unidos)

Se pueden crear diagramas de ciclos causales o de influencia de dos tipos: - diagramas de ciclos causales o de influencias híbridos: se utilizan para comunicar los bucles de realimentación en un modelo existente, ellos requieren al menos un stock. - diagramas de ciclos causales o de influencias regulares: son usados para crear mapas de relaciones causales de alto nivel, mostrando palabras (nombres) y flechas que indican la dirección de causalidad. Estos diagramas no requieren un stock.

Permite elaborar modelos dinámicos que simulan sistemas experimentales con los elementos del diagrama de flujo- nivel como son: - stocks o acumulaciones que recogen los flujos que llegan y salen de ellos. - flujos que permiten llenar y vaciar las acumulaciones. - conectores que conectan los elementos del modelo. - conversores que tienen valores de constantes, define entradas externas al modelo, calcula relaciones algebraicas y sirve como depósito para funciones gráficas. - módulos son modelos independientes que se pueden conectar a otros modelos.

Permite presentar los resultados a través de diferentes formas como tablas, gráficas, animaciones, películas QuickTime y archivos; estas representaciones pueden ser agregados al modelo, o se pueden crear interfaces que permite interactuar con la simulación a través de controles como: - Regulador de dispositivos entrada - Lista de dispositivos entrada - Botón de dispositivos de entrada - Gráfico de dispositivos de entrada - Switch - Botón - Ciclo

El Análisis de Sensibilidad revela puntos de apalancamiento claves y condiciones óptimas del modelo.

Ithink 9.1.4 US $ 1.899

Stella 9.1.4 US $ 1.899

Inglés

POWERSIM

Versión: STUDIO 8

Powersim Software AS

(Noruega)

Se pueden realizar, con etiquetas de textos y líneas pero que no se conectan entre sí (no es propiamente un modelo sino un dibujo).

Permite elaborar modelos con los elementos propios del Diagrama de Flujo-Nivel, entre ellos incluye los elementos: nivel, flujo continuo y discreto, constante, enlace, auxiliar, snapshot, submodelo, depósito, variables de vectores y otros elementos adicionales.

Plasma la presentación de resultados de diversas formas: - Gráficas de tiempo - Tablas de tiempos - Gráficos - Gráficos de dispersión - Tabla - Indicador - Deslizador - Switch

Posee varias herramientas de análisis para estudiar y mejorar el comportamiento de la dinámica de los modelos creados con este software, estas son: - Análisis de riesgo. - Control de escenarios. - Optimización de políticas. - Gestión de riesgos.

• Enterprise • Expert • Professional • Executive • Cockpit • SDK US

$1442/usuario • GIS • Academic US

$226/usuario

Multi-lenguaje.

Le permite mantener versiones en múltiples idiomas de todos los textos de un modelo.

SIMILE

Versión: 5.7

Simulistics Ltd (Reino Unido)

No Se pueden crear los elementos del diagrama flujo-nivel (compartimientos, flujos, variables) y las relaciones o influencias entre ellos.

Realiza la presentación de los resultados a través de gráficas, tablas o animaciones.

No

• Enterprise Edition

US $ 1195 • Standard

Edition US $ 595

• Evaluation Edition FREE

Inglés

VENSIM Versión:

PLE 5.10a

Ventana System, Inc.

(Estados Unidos)

Se pueden dibujar los elementos pertenecientes al Diagrama de Influencias en la ventana del editor, con sus respectivas variables, relaciones de influencia, bucles de realimentación y signos de polaridad (+ ó -). Se pueden imprimir y exportar los esquemas al portapapeles para su uso en otras aplicaciones.

Posee una zona de dibujo para crear el modelo con los elementos del Diagrama de Flujo Nivel, como son nivel, flujo, variable auxiliar, constante, flecha. Los diagramas pueden ser personalizados de diferentes maneras. La norma para esquemas de Vensim es mostrar los niveles (acumulaciones) como una caja, con el nombre dentro de la caja. Los flujos se muestran con el nombre de la válvula de forma explícita, aunque a veces un flujo no tiene nombre (se muestra sólo una válvula). Las variables auxiliares, las constantes, tablas, los datos variables (externos), etc., se muestran sólo con su nombre.

Presenta los resultados de simulación en: - Gráficos - Tablas - Tablas de Tiempo - Tira de causas

Presenta varias Herramientas de Análisis como son: - Diagramas de Árbol de Causas y Diagramas de Árbol de Usos: Permiten investigar la estructura del modelo. - Ciclos: Muestra todas las variables en todos los ciclos de realimentación. -Documento: Proporciona la documentación de todo el modelo, mostrando todas las ecuaciones del modelo en un formato de texto simple. - Gráfico y Tabla: Muestran el comportamiento de las variables. - Tira de Causas: Es una herramienta rápida y poderosa que nos ayuda a determinar qué

• DSS US $1995/usuario

• Professional US $1195/usuario

• PLE Plus US $169/usuario

• PLE (Personal Learning Edition) US $50/usuario

Chino Inglés

Japonés


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porciones de un modelo están causando cuál tipo de comportamiento. - Comparación de Simulaciones: Lista todas las diferencias en Constantes y Funciones Gráficas (diferencias en las primeras dos simulaciones de la simulación cargados). - Análisis de Sensibilidad: Realiza cientos o miles de simulaciones de Montecarlo con las constantes modificadas a lo largo de un rango de valores y después guarda los resultados para un análisis posterior.

Tabla 1: Comparación de herramientas software para el modelado y simulación con DS

Evolución: herramienta software para el modelado

y simulación con dinámica de sistemas

Evolución es un software que permite modelar y simular fenómenos

complejos con Dinámica de Sistemas, para su desarrollo se han utilizado

técnicas de Programación Orientadas a Objetos (POO), diseño basado en

componentes, patrones de diseño y el Lenguaje Unificado de Modelado

(UML).

Evolución brinda la posibilidad de crear, editar y guardar Diagramas de

Influencias, como parte de la representación del modelo y eslabón

importante en el proceso de modelado con DS; el diagrama de influencias

es una representación de carácter cualitativo en la cual se hace énfasis en

las estructuras cíclicas (realimentadas) que presentan las relaciones de

influencia entre los elementos de un sistema y que explican su dinámica

Además Evolución facilita la construcción del modelo en el lenguaje de

Flujos y Niveles, mediante un editor de Diagramas de Flujo-Nivel; la

definición de las ecuaciones de cada una de las variables de los elementos

del diagrama de flujo-nivel proporciona el modelo en el lenguaje de las

ecuaciones, soportado principalmente en la ecuaciones diferenciales

asociadas a cada nivel y los flujos que le afectan. El modelo en el lenguaje

de las ecuaciones lo recibe el núcleo de Evolución, el Motor de simulación,

éste resuelve el sistema de ecuaciones diferenciales, según el escenario y


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las condiciones de simulación establecidas por el modelador. Los

resultados de la simulación se visualizan por medio de un Presentador de

Resultados, utilizando diversos componentes y controles como gráficas en

dos y tres dimensiones, tablas, dial, barras de desplazamiento, etiquetas,

etcétera para presentar el modelo en el lenguaje del comportamiento.

El análisis de los resultados de la simulación es una importante herramienta

para la evaluación del modelo; Con tal fin es necesario realizar diferentes

simulaciones teniendo en cuenta condiciones sobre las cuales el modelo

tiene comportamientos específicos, así como analizar cualitativamente las

trayectorias temporales, identificando las tendencias que se observan en las

mismas. En este sentido, Evolución cuenta con herramientas que facilitan la

realización de dos tipos de Análisis de Sensibilidad: por variación de

escenarios y por variación de parámetros.

Evolución es una herramienta de DS que circula actualmente a nivel

internacional en idioma Español. Es de resaltar el diseño basado en

componentes que permite la reutilización de unidades de software como

parte de otras aplicaciones.


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La evolución de “Evolución”

El software Evolución inició como una propuesta del ingeniero Hugo

Hernando Andrade Sosa profesor titular de la Universidad Industrial de

Santander, fundador del grupo SIMON de Investigación en Modelamiento

y Simulación.

La idea de los que posteriormente será Evolución, surge en el año de 1990

cuando se desarrolla el proyecto de maestría en informática titulada

“Dinámica de sistemas aplicada a la simulación de algunos fenómenos de

transporte” [9] en este proyecto se desarrolló el SDS (software de DS), que

consistió básicamente en una rutina de simulación implementada en

lenguaje Basic y que luego fue utilizada como medio didáctico en la

enseñanza del tema de DS en el marco de la asignatura Sistemas Dinámicos

II.

Evolución nace propiamente en el año 1994, con la aparición de Evolución

1.0. versión desarrollada por integrantes del grupo SIMON de la UIS. Esta

versión facilitaba al modelador digitar las ecuaciones, las cuales se

introducían utilizando una sintaxis particular, para que el software las

ordenara y resolviera numéricamente, para presentar los resultados por

medio de gráficas. Utilizando la programación orientada a objetos se crea

hacia el año de 1995, la herramienta software para construir y analizar

modelos mediante DS: “Evolución 2.0” que facilita la construcción del

diagrama flujo-nivel y a partir de éste, se generan las rutinas de código con

las ecuaciones ordenadas, se desarrolla la solución numérica de las

ecuaciones y la representación gráfica de los resultados, bajo un ambiente

Windows [10].

Posteriormente, se siguieron desarrollando proyectos encaminados a las

mejora del software, tales como la implementación de la interfaz gráfica

para Evolución 2.0 [11] y el análisis y diseño de Evolución 3.0 que

contempló la especificación de requerimientos, el diseño a nivel general, la

formulación de orientaciones metodológicas para la construcción del

software y la creación de un simulador prototipo enlazable a una interfaz

gráfica que permite visualizar resultados por medio de animaciones [12].


11

Más tarde en las versiones 3.0 y 3.5 de Evolución, se integran todos los

anteriores aportes, para crear facilidades para todo el proceso de modelado

y simulación con DS, cambiando el diseño del software por uno orientado a

componentes, incluyendo además un módulo de presentación de resultados

en 2D, 3D mediante controles y animaciones, para que Evolución

interactuara con cualquier otra aplicación [13].

Actualmente el software Evolución se encuentra en la versión 4.0 y muestra

la viabilidad de implementar la integración entre la DS y la lógica borrosa

(también conocida como lógica difusa), permitiendo agregar un elemento

en el diagrama de flujo-nivel de un modelo en DS, dicho elemento

representa un modelo en lógica difusa denominado FIS (Fuzzy Inference

System) [14]. Al mismo tiempo se está desarrollando un proyecto de

encargado de realizar el mantenimiento del software, orientado a la

depuración del software y a su documentación para desarrolladores y para

usuarios finales.

Desde su primera versión, se destacan por su circulación: Evolución 1.0,

Evolución 2.0, Evolución 2.0a, Evolución 3.5 y Evolución 4.0 actualmente

se encuentra en desarrollo su versión Evolución 4.5.

Esta herramienta ha venido siendo utilizada fundamentalmente en la

comunidad Iberoamericana por especialistas y aprendices de la DS. En

particular, en Colombia, ha tenido una difusión masiva en el marco del

proyecto Computadores Para Educar – Universidad Industrial de Santander

(CPE-UIS) con el fin de integrar la DS en la educación primaria y

secundaria [15] [16] [17].

El desarrollo del software Evolución es el resultado del trabajo de

proyectos de maestría, pregrado y especialización, en el marco de los

lineamientos de investigación en modelado y simulación del grupo SIMON

de Investigación de la Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga,

Colombia.


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Características de Evolución

A continuación se presenta las características más representativas de la

herramienta Evolución, al tiempo que se comparan con las de software

similares.

Administración Esta característica le permite al usuario asignar un nombre al proyecto

desarrollado, una descripción, la cual es comúnmente utilizada para

describir el modelo en términos del lenguaje natural o lenguaje en prosa,

registrar el nombre del autor y establecer una contraseña, restringiendo el

acceso al modelo. Entre estas restricciones se encuentran: no permitir ver

el modelo, no modificarlo o crear nuevas ventanas de presentación de

resultados. Además, la administración muestra las estadísticas del proyecto

relativas al número de sectores, elementos y relaciones que hacen parte del

modelo y cantidad de cada tipo de variable. Esta característica de

administración es similar a la presentada en el software Powersim, que

también posee una ventana para la información del proyecto (título, autor,

compañía, etc.) y ofrece seguridad para poder crear una contraseña con el

propósito de proteger el proyecto de simulación, de igual forma, muestra

las estadísticas como el número de componentes.

Modelado Evolución cuenta con dos espacios de trabajo fundamentales para la

formulación del proyecto, el Editor de Diagramas de Influencias y el Editor

de Flujo-Nivel.

El Editor de Diagramas de Influencias facilita la descripción de las

relaciones de influencia entre las variables del modelo; distinguiendo las

relaciones de material de las de información, para una lectura rigurosa de

las relaciones y ciclos. La relación de material representa la transmisión de

una magnitud que se conserva de un elemento al otro (asociada a un Nivel)

y la de información es utilizada cuando simplemente la información que

contiene el valor de una variable tiene efectos sobre otra. El modelador

decide si desea hacer estas distinciones en el diagrama. Además, se puede


13

agregar elementos de tipo informativo como son los signos (+ -) en las

relaciones y los ciclos de realimentación. Un ejemplo de este editor se

muestra en la Figura 2.

Figura 2: Editor de Diagrama de Influencias

Para facilitar la organización del modelo, el Editor de Diagramas de

Influencias permite agrupar elementos por medio de sectores; además

permite generar copias o “clones” de un elemento y de esta manera evitar

las relaciones cruzadas o demasiado extensas; estos dos mecanismos

facilitan la construcción de diagramas complejos y de gran tamaño. Así

mismo, Evolución facilita una matriz que muestra de forma tabulada las

relaciones existentes entre los elementos del diagrama de influencias.

Además, es posible generar un bosquejo preliminar del Diagrama de Flujo-

Nivel a partir del Diagrama de Influencias.

Los Diagramas de Influencias en Evolución son informativos y por lo tanto

no son obligatorios para realizar una simulación. Estos diagramas,

constituyen un mecanismo de apoyo en el desarrollo y la documentación

del modelo, presentando de manera explícita las relaciones entre sus

elementos y los ciclos de realimentación que definen la hipótesis dinámica


14

del modelo sobre el fenómeno explicado. Se han identificado diferentes

formas de abordar la representación de modelos a través de los Diagramas

de Influencias ofrecidos por las herramientas software revisadas.

• Sin editor de diagrama de influencias, ejemplo AnyLogic.

• Con editor de gráficos el cual puede ser utilizado para elaborar

cualquier diagrama pero sin los elementos propios del diagrama de

influencias, ejemplo Powersim.

• Con editor de diagrama de influencias para elaborar un modelo de

tipo informativo, ejemplo Evolución.

• El editor de Flujo-Nivel que permite modificar la presentación de los

diferentes elementos que conforman el diagrama (eliminar el icono que

representa al elemento y dejar únicamente el nombre), con el propósito de

presentarlo a modo de un diagrama de influencia. Para que el modelo

desarrollado sea un modelo de simulación, al menos se deben identificar los

flujos (Vensim) o los flujos y niveles (Stella/Ithink).

En Evolución el Editor de Flujo-Nivel permite elaborar el diagrama que

genera el modelo de simulación, es decir, el modelo suministrado al motor

de Evolución para realizar la simulación. Además de los elementos

pertenecientes al Diagrama de Forrester, el modelador puede introducir

otros elementos que contribuyen a que el modelo sea más explícito en su

definición como son los parámetros, variables exógenas y de valor anterior,

no linealidades (tablas), submodelos y componentes como el FIS. Una

imagen de este editor se puede ver en la Figura 3.


15

Figura 3: Editor del Diagrama de Flujo-Nivel

Evolución permite el uso de los elementos tradicionales de DS (flujos,

niveles, retardos, no linealidades, parámetros, variables auxiliares y

variables exógenas) y además, incluye otros elementos más como: los que

denomina valor anterior, los cuales entregan a la variable que influyen el

valor en la interacción anterior de la variable de la cual recibe la

información; esto implica un retardo de la información por un delta de

tiempo.

Las herramientas software tienen diferentes formas de organización de los

modelos. Por ejemplo Powersim permite crear otros modelos en un mismo

archivo pero en editores separados, los cuales son integrados en un modelo

principal. Evolución ofrece una característica similar a través del

componente denominado submodelo, el cual permite incluir modelos

ubicados o almacenados en otros archivos.

Además, al igual que en el Editor de Diagramas de Influencias, el Editor de

Flujo-Nivel permite agregar elementos para el ordenamiento (presentación,

documentación) del modelo, como los sectores y clones. De igual forma,


16

brinda al modelador diferentes vistas del modelo como lo es la vista de

ecuaciones, que muestra la definición de cada elemento y la vista de mapa

de sectores, que presenta el modelo en término de los sectores que lo

conforman y las relaciones existentes entre ellos, ocultando el detalle de los

elementos en cada sector. Stella ofrece una característica similar, que

permite ocultar el detalle al interior del sector, es decir, los elementos que

agrupa. Esto para modelos complejos que implican numerosos elementos y

relaciones, facilita la comprensión del modelo a un nivel mayor de

abstracción, como se muestra en la Figura 4.

|Figura 4: Mapa de Sectores del Diagrama de Flujo-Nivel

Análisis de sensibilidad Software como Vensim y Powersim ofrecen diferentes herramientas para

realizar análisis tanto en tiempo de modelado como en tiempo de

simulación. Por ejemplo, Vensim cuenta con Diagramas de Árbol de

Causas, Diagramas de Árbol de Usos, Ciclos, Documento, Gráfico, Tabla,

Tira de Causas, Comparación de Simulaciones y Análisis de Sensibilidad

por el método de Montecarlo; entre tanto, Powersim posee varias

herramientas de análisis para estudiar y mejorar el comportamiento de la


17

dinámica de los modelos, estas son: Análisis de riesgo, Control de

escenarios, Optimización de políticas, Gestión de riesgos.

Evolución cuenta con un módulo que apoya al modelador en la realización

de Análisis de Sensibilidad. De acuerdo a los criterios que se tienen para

comparar los comportamientos resultantes, este módulo presenta dos

opciones: la de realizar un Análisis de Sensibilidad por variación de

Escenarios y un Análisis de Sensibilidad por variación de Parámetros.

Este modulo de Evolución, permite generar una simulación en la cual se

seleccionan las variables o parámetros a evaluar y los criterios de

simulación definidos por el usuario. Los resultados de esta simulación se

despliegan en una sola gráfica, para poder comparar el efecto de la

variación de los parámetros o los comportamientos en escenarios

diferentes, el usuario puede elegir la manera de ver los datos, ya sea en

forma tabulada o gráfica (ver Figura 5).

Figura 5: Análisis de Sensibilidad en Evolución

Inclusión de funciones La versión actual de Evolución cuenta con más de 65 funciones, incluidas

en el paquete básico, además de los signos de operaciones y de

condiciones.


18

Adicionalmente, permite agregar nuevas funciones desarrolladas por el

usuario. De esta forma, el usuario puede crear su propia biblioteca de

funciones, que posibilita extender el uso de la herramienta a nuevos campos

de aplicación. Así mismo, este mecanismo brinda la posibilidad de incluir

datos externos al modelo en tiempo de simulación.

Esto es posible a través de una Biblioteca de Vínculos Dinámicos (DLL),

implementadas en cualquier lenguaje de programación de alto nivel como

C++, Visual C++, Visual Basic, Delphi, etc.

Un ejemplo del uso de esta característica es el resultado de un proyecto

realizado en la Universidad del Magdalena, el cual permitió desarrollar una

estructura FIS en el software UNFUZZY y generar su código en un

lenguaje de programación, para de esta manera, crear una función

compilada o una DLL e integrarla al software Evolución [18]. En la ayuda

evolución orienta detalladamente a los usuarios como hacer uso de la

inclusión de funciones.

Componente FIS El componente FIS es el resultado de desarrollar e integrar a Evolución un

componente software, que permitiera la implementación de Sistemas de

Inferencia Difusa (FIS) para la definición de variables de DS en el

diagrama de flujo-nivel. Este componente es una característica de

Evolución y no está presente en otras herramientas de modelado y

simulación de su tipo.

El componente FIS le permite al modelador implementar relaciones de no

linealidad entre variables en términos verbales, es decir, tratar información

imprecisa como por ejemplo, estatura media, temperatura baja o mucha

fuerza, en términos de conjuntos borrosos o difusos. Un elemento FIS se

define con la misma facilidad como se hace con un nivel, un flujo un

retardo u otro de los elementos del Diagrama Flujo-Nivel. Este elemento le

brinda al usuario la posibilidad de integrar la Lógica Difusa a la DS, sin

que tenga que realizar algún tipo de programación o de utilizar otra

herramienta software para crear los FIS [19].


19

Presentación de resultados Ciertas herramientas permiten agregar controles al modelo para presentar

los resultados de la simulación, por ejemplo Vensim; otros software

permiten crear módulos o ventanas aparte, en las cuales se colocan

controles para la presentación de resultados, como son Powersim y Stella.

Evolución permite crear ventanas o interfaces con la posibilidad de

diferentes vistas para la visualización de los resultados de simulación, las

que denomina animadores. El módulo de creación de animadores en

Evolución facilita construir diferentes formas de presentación de

resultados, haciendo uso de imágenes (estáticas y/o con movimiento regido

por el resultado de la simulación), etiquetas, diales, tablas, etc. Además de

esto, permite incluir controles para interactuar con la simulación como por

ejemplo pausar, detener, continuar con la simulación o cambiar valores de

algunas variables en tiempo de ejecución (tracks, Dial). Estos animadores

brindan la posibilidad de ser ejecutados desde otro software, como por

ejemplo el Visor de Simulaciones o los MAC.

Otras características de Evolución Evolución es un software con licencia gratuita, para uso académico e

investigativo y puede ser descargado desde el sitio web

http://simon.uis.edu.co/joomla/evolucion

Evolución es una herramienta en español, lo cual facilita su uso por parte

de la comunidad latinoamericana, permitiendo la realización de proyectos

en los que se promueve el uso de la DS por sus comunidades, en donde la

utilización de herramientas software en otros idiomas, puede ser una

barrera o dificultad. Por ejemplo en el caso del proyecto CPE-UIS en el

que se promueve el uso de la DS en más de dos mil (2000) instituciones

educativas de básica y media en Colombia.

Evolución es el resultado del desarrollo de un software por componentes

que conforman el Framework de la herramienta, como son el Editor, el

Motor y el Graficador, los cuales facilitan la reutilización del código en la

construcción de ambientes de aprendizaje y toma de decisiones apoyados

en simulación, es decir, el ensamble de dichos componentes prefabricados

para la construcción de otros software. Ejemplo de esto, son software


20

orientados al sector agroindustrial (ganadería y agricultura), la educación y

el medio ambiente. Como ejemplo se encuentra a AGRODISI, SIPROB

1.0, SIPROB 2.0, APHORIS, GAIA, SEAS, DINAMICO [20].

Evolución en su actual versión es compatible con sus versiones anteriores

de la herramienta, permitiendo de esta manera abrir archivos de modelos

realizados en versiones anteriores.

6 APLICACIONES RELACIONADAS

Visor de simulaciones Es un software que permite realizar simulaciones basadas en modelos

desarrollados en Evolución, posibilita abrir una ventana o interfaz de

presentación de resultados desarrollada en Evolución (ver sección 5.6),

permitiendo de esta forma realizar una simulación y obtener una

representación de sus resultados. Esto posibilita llevar la DS a otros

espacios, por ejemplo la educación. Este software permite que el

modelador interactúe con la simulación y de esta forma iniciar, pausar o

detener la ejecución de la misma; además es posible realizar corridas bajo

diferentes escenarios y modificar los valores de los parámetros o variables

del modelo durante la ejecución de la simulación.

Un ejemplo del uso del visor es el simulador de la gripe AH1N1 (ver

Figura 6). Este simulador fue publicado por el Ministerio de Educación

Nacional de la Republica de Colombia a través de su portal Colombia

Aprende [21] y [22], acompañado de una guía para el desarrollo de

actividades que integran las tecnologías informáticas con el área de ciencias

en la educación, específicamente la tecnología del modelado y la

simulación.


21

Figura 6: Visor de Simulaciones

MAC Los MAC son Micromundos de Simulación para el Aprendizaje de

Ciencias de la Naturaleza de 1 a 11 grado. Los MAC están orientados por

un modelo educativo que integra el paradigma de pensamiento sistémico, la

DS y el enfoque pedagógico constructivista [23].

Los software MAC permiten agregar contenidos, es decir, son software

abiertos. Entre los contenidos que se pueden agregar, se encuentran los

presentadores de resultados o animadores realizados en Evolución (ver

Figura 7), con los cuales es posible motivan el aprendizaje conceptual del

estudiante mediante la experimentación, a través de modelos dinámico-

sistémicos recreados en un laboratorio virtual [24]. Estos software fueron

utilizados en las escuelas beneficiadas por el convenio Computadores Para

Educar - Universidad Industrial de Santander, muestra de ello se puede

consultar las diferentes actividades diseñadas por los profesores de la

escuelas de básica y media, sistematizadas en el sitio web Redescuela [25].


22

Figura 7: Software MAC

7 EL FUTURO DE EVOLUCIÓN

En la actualidad el grupo SIMON se encuentra desarrollando un nuevo

entorno de modelado y simulación con DS que permitirá la realización de

modelos en otras representaciones matemáticas, facilitando diferentes tipos

de integración entre estas y la DS [26].

Esta herramienta software se ha denominado “Entorno Software de

Modelado y Simulación de Modelos Integrados (ESMS-MI)” y

actualmente se encuentra en etapa de diseño arquitectónico.

Debido a la integración de diferentes herramientas matemáticas (lógica

difusa, redes neuronales, algoritmos genéticos, agestes, dinámica de

sistemas, entre otros) y al tamaño y dimensiones del software, el grupo

SIMON propone que el desarrollo de esta herramienta se realice en

conjunto por diferentes grupos de investigación y desarrollo

geográficamente distribuidos [27].

El ESMS-MI permitirá construir modelos con DS en los que se podrá

incluir modelos en otras representaciones matemáticas, como por ejemplo

la lógica difusa. El modelo en otra representación matemática actuará


23

como un submodelo dentro de un modelo realizado en DS. (Un ejemplo de

cómo sería un modelo ESMS-MI se muestra en la Figura 8).

Figura 8: Modelo ESMS-MI

Un segundo objetivo a futuro es la Presentación de resultados con

tecnología de Realidad Virtual que básicamente es pasar de la abstracción

del modelado a poder palpar con nuestros sentidos la simulación (de lo

cualitativo a lo cuantitativo), con lo cual se ampliaría el uso de la DS (ver

Figura 9).

Figura 9: De lo Cualitativo a lo Cuantitativo

Como tercer objetivo, no menos importante a los dos anteriores, es el lograr

que Evolución pueda interactuar en un ambiente cliente servidor, se tiene


24

ya definido dos configuraciones de este tipo, la configuración A (ver Figura

10) se refiere a que en los equipos clientes se corren simulaciones

independientes, pero los cálculos, tablas y resultados de los modelos son

procesados y almacenados en el equipo servidor. La configuración B (ver

Figura 11) se refiere es a un único modelo ejecutándose desde el equipo

servidor, pero en los equipos clientes se muestran vistas de diferentes

instancias de la simulación o se pueden definir y asumir diferentes roles

dentro de esta.

Figura 10: Configuración A

Figura 11: Configuración B


25

Referencias

[1] ANDRADE, H., DYNER, I., ESPINOSA, A., LOPEZ, H., y SOTAQUIRA, R. Pensamiento Sistémico: Diversidad en búsqueda de Unidad. División de Publicaciones UIS. 2001. 423 p.

[2] ANDRADE, H., GOMEZ, L. Tecnología Informática en la Escuela. 3° Edición. División de Publicaciones UIS. 2008. 461 p.

[3] Sitio oficial del software AnyLogic http://www.xjtek.com/ [Citado 15 de Septiembre de 2010].

[4] Sitio oficial del software Evolución http://simon.uis.edu.co/joomla/evolucion [Citado 15 de Septiembre de 20109].

[5] Sitio oficial del software Stella e Ithink http://www.iseesystems.com [Citado 15 de Septiembre de 20109].

[6] Sitio oficial del software Powersim http://www.Powersim.com [Citado 15 de Septiembre de 2010].

[7] Sitio oficial del software Simile http://www.simulistics.com [Citado 15 de Septiembre de 2010].

[8] Sitio oficial del software Vensim http://www.vensim.com [Citado 15 de Septiembre de 2010].

[9] ANDRADE, H., GOMEZ, L. Dinámica de Sistemas aplicada a la simulación de algunos fenómenos de transporte. Tesis de Maestría. Universidad Industrial de Santander. 1990.

[10] ARDILA, C., DURAN, P. Herramienta software para construir y analizar modelos mediante dinámica de sistemas: "Evolución 2.0". Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander. 1995.

[11] PINEDA, A., RUEDA, B. Interfaz gráfica para Evolución 2.0 y Simuis 1.0. Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander. 2000.

[12] TORRES, D., SOLORZANO, G. Análisis y diseño de Evolución 32, herramienta software para la simulación con dinámica de sistemas. Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander. 2000.

[13] CUELLAR, M., LINCE, E. Evolución 3.5 herramienta software para el modelamiento y simulación con dinámica de sistemas. Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander. 2003.

[14] MACHADO, G., GONZALEZ, C. Componente de Sistema de Inferencia Difusa (FIS) para Evolución 3.5. Tesis de Pregrado. Universidad Industrial de Santander. 2006.

[15] Andrade, H, Maestre, G. Posibilidades y limitaciones para llevar la Dinámica de Sistemas a la escuela - reflexión sobre una experiencia Colombiana-. Quinto Encuentro Latinoamericano de Dinámica de Sistemas, Buenos Aires, Argentina. 2007.

[16] Andrade, H, Maestre, G, Lopez, G. La lúdica y las redes humanas como estrategia para promover la sostenibilidad de la incorporación


26

de la dinámica de sistemas en las escuelas colombianas. Sexto encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas. 2008.

[17] Andrade, H, Maestre, G, Gómez, M. La Dinámica de Sistemas en la escuela, construyendo modelos mentales para la toma de decisiones cotidianas - una experiencia Colombiana. Séptimo Congreso Latinoamericano y Séptimo Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas. 2009.

[18] ALCAZAR, J., LUBO, S., URIBE, J., ZUÑIGA, N. Integrando Dinámica de Sistemas y Lógica Fuzzy, en Tiempo de Modelado y de Simulación, un Ejercicio de Clase. Memorias del II Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas. Santa Marta, Agosto de 2004.

[19] ANDRADE, H., MACHADO, G., GONZÁLEZ, C. Integración de la Dinámica de Sistemas y la Lógica Difusa. Evolución con FIS. Memorias del V Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas, Medellín, Agosto de 2007.

[20] ANDRADE, H., LINCE, E., GÓMEZ, U. Framework para el Desarrollo de Ambientes Software de Aprendizaje y Toma de Decisiones con Modelos en Dinámica de Sistemas. XIII Congreso de Informática en la Educación.

[21] Sitio oficial de ColombiaAprende. Prevención frente al Virus de la Influenza AH1N1 – Guía de actividades. http://www.colombiaaprende.edu.co/html/mediateca/1607/article-192468.html [Citado 15 de Septiembre de 2010]

[22] Sitio oficial de ColombiaAprende. Simulador Gripe AH1N1. http://www.colombiaaprende.edu.co/html/mediateca/1607/article-192469.html [Citado 15 de Septiembre de 2010]

[23] ANDRADE, H., NAVAS, X. La Informática y el Cambio en la Educación. Una Propuesta Ilustrada con Ambientes de Modelado y Simulación con Dinámica de Sistemas: Proyecto MAC. Memorias del I Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas: Dinámica de Sistemas en la Práctica. Medellín. 2002.

[24] Proyectos MAC: Micromundos de Simulación para el Aprendizaje de Ciencias.

[25] Sitio oficial de Redescuela. http://simon.uis.edu.co/redescuela/ [Citado 15 de Septiembre de 2010]

[26] Andrade Sosa, Rey, Rivera, & Sarmiento, 2005. Rivera, Sarmiento Villamizar, & Andrade Sosa, 2004.

[27] MORENO CHAUSTRE, Jorge Jair. Diseño de una Arquitectura para un Entorno de Modelamiento-Simulación y Creación de un Proceso para su Desarrollo por una Comunidad (I+D). Tesis de Maestría. Universidad Industrial de Santander. 2006.


27

Apéndice: abreviaturas

MAC: Micromundo para el Aprendizaje de las Ciencias.

CPE: Computadores Para Educar.

DS: Dinámica de Sistemas.

DLL: Biblioteca de Vínculos Dinámicos.

ESMS-MI: Entorno Software de Modelado y Simulación de Modelos

Integrados.

FIS: Sistemas de Inferencia Borrosa.

POO: Programación Orientada a Objetos.

UML: Lenguaje Unificado de Modelado.

AGRODISI: Ambiente software para el aprendizaje y experimentación de

sistemas de producción agroindustriales representables en dinámicas

poblacionales.

SIPROB: Modelo de simulación de los sistemas de producción bovina.

APHORIS: Proyecto para el sector agroindustrial, enfocado a la agricultura

en especial a la producción de la caña panelera.

GAIA: herramienta software para el estudio de fenómenos ambientales,

mediante el modelado y la simulación con DS.

SEAS: herramienta software de apoyo a la educación afectiva y sexual.

DINAMICO: Herramienta que permite la representación de los resultados

de la simulación a partir de un modelo realizado en Evolución y

representarlos por medio de objetos y/o personajes animados.

Simulación 4

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