Multi-agent system for flood forecasting in tropical river basin

Resumen

Como se sabe, los problemas relacionados con la generación de inundaciones, su control y manejo, han sido tratados con herramientas tradicionales de modelado hidrológico enfocados al estudio y análisis de la relación precipitación-escorrentía, proceso físico que es impulsado por el ciclo hidrológico y el régimen climático y este esta directamente proporcional a la generación de crecidas. Dentro de la disciplina hidrológica, clasifican estas herramientas de modelado tradicionales en tres grupos principales, siendo el primer grupo el de modelos empíricos (modelos de caja negra), modelos conceptuales (o agrupados, semi-agrupados o semi-distribuidos) dependiendo de la distribución espacial y, por último, los basados en la física, modelos de proceso (o "modelos de caja blanca", y/o distribuidos). En este sentido, clasifican las aplicaciones de predicción de caudal fluvial en la ingeniería de recursos hídricos en dos tipos con respecto a los valores y parámetros que requieren en: modelos de procesos basados en la física y la categoría de modelos impulsados por datos. Los modelos basados en la física proporcionan una descripción detallada de la dinámica relacionada con los aspectos físicos que ocurren internamente entre los diferentes sistemas de una cuenca hidrográfica determinada. Sin embargo, aparte de ser complejos de implementar, se basan completamente en algoritmos matemáticos, y la comprensión de estas interacciones requiere la abstracción de conceptos matemáticos y la conceptualización de los procesos físicos que se entrelazan entre estos sistemas. Además, los modelos impulsados por datos no requieren conocimiento de los procesos físicos que gobiernan, sino que se basan únicamente en ecuaciones empíricas que necesitan una gran cantidad de datos y requieren calibración de los datos en el sitio. Los dos modelos difieren significativamente debido a sus requisitos de datos y de cómo expresan los fenómenos físicos. La elaboración de modelos hidrológicos para el pronóstico de inundaciones ha dado grandes pasos, pero siguen sin resolverse algunos contratiempos importantes, dada la naturaleza estocástica de los fenómenos hidrológicos, es el desafío de implementar sistemas de pronóstico fáciles de usar, reutilizables, robustos y confiables, la cantidad de incertidumbre que deben afrontar al intentar resolver el problema de la predicción de inundaciones. Sin embargo, en las últimas décadas, con el entorno creciente y el desarrollo del campo de la inteligencia artificial (IA), algunos investigadores rara vez han intentado abordar la naturaleza estocástica de los eventos hidrológicos con la aplicación de algunas de estas técnicas. Dados los contratiempos en el pronóstico de inundaciones hidrológicas descritos anteriormente, esta investigación de tesis tiene como objetivo integrar los modelos hidrológicos, basados en la física, hidráulicos e impulsados por datos bajo el paradigma de Sistemas de múltiples agentes para el pronóstico de inundaciones por medio del bosquejo y desarrollo del marco de trabajo del sistema multi-agente (MAS) para los eventos de predicción de inundaciones en el contexto de cuenca hidrográfica tropical. Con la aparición de las tecnologías de agentes, se han emprendido algunos enfoques de simulación recientes en la investigación hidrológica con modelos basados en agentes y sistema multi-agente, principalmente en alerta por inundaciones, seguridad y planificación de inundaciones, control y gestión de inundaciones y pronóstico de inundaciones, todos estos enfocado a simulacros de evacuación, y este último no dirigido a la cuenca tropical, cuyo régimen hidrológico es extremadamente único. En este enfoque de entorno de modelado de cuencas, se aplican los enfoques de sistemas multi-agente como un sustituto del modelado hidrológico convencional para construir un sistema que opera a nivel de cuenca con estaciones hidrométricas desplegadas, que utilizan los datos de redes de sensores hidrométricos (por ejemplo, lluvia , nivel del río, caudal del río) capturado, almacenado y administrado por una organización de agentes interactuantes cuyo objetivo principal es realizar pronósticos de caudal y concientización para mejorar las capacidades de soporte en la formulación de políticas a nivel de cuenca hidrográfica. La primera sección de este documento analiza el estado del arte sobre la investigación actual en modelos hidrológicos para la tarea de pronóstico de inundaciones. Es un viaje a través de los antecedentes preocupantes relacionadas con el proceso hidrológico, las ontologías de inundaciones, la gestión y la predicción. El apartado abarca, en cierta medida, las técnicas, métodos y aspectos teóricos y métodos del modelado hidrológico y sus tipologías, desde los modelos convencionales hasta los prototipos de inteligencia artificial actuales, haciendo hincapié en los sistemas multi-agente, como un enfoque de simulación reciente en la investigación hidrológica. Sin embargo, se destaca que esta sección no contribuye a una revisión integral, sino que su propósito es servir de marco para este tipo de trabajos y una guía para subrayar los aspectos significativos de los trabajos. En la sección dos del documento, se detalla el marco de trabajo propuesto para el sistema multi-agente para el pronóstico de inundaciones. Los trabajos realizados comprendieron el diseño y desarrollo del marco de trabajo del sistema multi-agente con la arquitectura (modelo Creencia-Deseo-Intención) para la predicción de eventos de crecidas dentro del concepto de cuenca hidrográfica tropical. Las contribuciones de esta arquitectura propuesta son el reemplazo del modelado hidrológico convencional con el uso de sistemas multi-agente, lo que agiliza la administración de las series de tiempo de datos hidrométricos y el modelado del proceso de precipitación-escorrentía que conduce a la inundación en el curso de un río. Otra ventaja es el entorno amigable proporcionado por la interfaz gráfica de la plataforma del sistema multi-agente propuesto, la generación en tiempo real de gráficos, cuadros y monitores con la información sobre el evento inmediato que tiene lugar en la cuenca, lo que lo hace fácil para el espectador con algo o sin experiencia en análisis de datos y su interpretación para tener una idea visual de la información disponible con respecto a la cognición de las inundaciones. Los agentes necesarios desarrollados en este marco de modelado de sistemas multi-agente para el pronóstico de inundaciones han sido entrenados, probados y validados en una serie de tareas experimentales, utilizando la información de la serie hidrométrica de datos de lluvia, nivel del río y flujo del curso de agua recolectados por los agentes sensores hidrométricos de los sensores hidrométricos de campo.