Ingeniería

A Possible Classification for Metaheuristic Optimization Algorithms in Engineering and Science

Power Flow in Unbalanced Three-Phase Power Distribution Networks Using Matlab: Theory, analysis, and quasi-dynamic simulation

Abstract Context: The power flow is a classical problem for analyzing and operating power distribution networks. It is a challenging problem due to a large number of nodes, the high r/x ratio -typical in low voltage networks- and the unbalanced nature of the load. Method: This paper review four methods for power flow analysis, namely: the conventional Newton’s method, Newton’s method in a complex domain, the fixed-point algorithm using Y bus representation, and the backward-forward sweep algorithm. It is well-known that Newton’s method has quadratic convergence, whereas the backward-forward sweep algorithm has linear convergence. However, the formal analysis of this convergence rate is less known in the engineering literature. Thus, the convergence of these methods is presented in theory and practice. Results: A set of simulations in the IEEE 900 node test system is presented. This system is large enough to demonstrate the performance of each algorithm. In addition, a Matlab toolbox is presented for making numerical simulations both for the static case and for quasi-dynamic simulations. Conclusions: Fixed point algorithms were faster than Newton’s methods. However, the latter required less number of iterations.

Resumen Contexto: El flujo de potencia es un problema clásico para la operación de redes de distribución de energía. Es un problema desafiante debido a la gran cantidad de nodos, la alta relación r/x típica de las redes de baja tensión y la naturaleza desequilibrada de la carga. Métodos: Este documento revisa cuatro métodos para el análisis de flujo de potencia, a saber: el método de Newton convencional, el método de Newton en un dominio complejo, el algoritmo de punto fijo que utiliza la representación de admitancia nodal (Y bus) y el algoritmo de barrido hacia atrás y hacia adelante. Se presenta la convergencia de estos métodos en teoría y práctica. Es bien sabido que el método de Newton tiene convergencia cuadrática, mientras que el algoritmo de barrido hacia atrás y adelante tiene convergencia lineal. Sin embargo, el análisis formal de esta tasa de convergencia es menos conocido en la literatura de ingeniería. Resultados: se desarrolla una caja de herramientas de Matlab para realizar simulaciones numéricas tanto en el caso estático como en una simulacion cuasi-dinámica usando el sistema de pruebe IEEE de 900 nodos. Conclusiones: Los algoritmos de punto fijo resultaron mas rapidos. No obstante, los algoritmos basados en Newton requirieron menor número de iteraciones.

Optimal Selection of Conductors in Three-Phase Distribution Networks using the Newton Metaheuristic Algorithm

Resumen Contexto: El crecimiento acelerado de las ciudades y áreas rurales requiere de la adecuada expansión del sistema eléctrico de distribución para atender de manera eficiente, confiable y segura los requerimientos de energía eléctrica de usuarios comerciales, residenciales e industriales. Para atender a los diferentes usuarios de la red eléctrica, una metodología típica empleada por los operadores de red corresponde a la asignación óptima de los calibres de los conductores asociados a las rutas de distribución, teniendo en cuenta su costo de inversión y operación para un horizonte de planeación determinando. Método: Para resolver el problema de selección óptima en redes de distribución trifásicas, se propone la aplicación de un algoritmo de optimización de la familia de las técnicas combinatoriales conocido como algoritmo metaheurístico de Newton (AMN). La principal ventaja del AMN es que emplea reglas de evolución basadas en la primera y segunda derivadas de la función objetivo, las cuales se aplican a cada individuo de la población. Además, las reglas de evolución del AMN hacen que este algoritmo tenga un balance adecuando entre la exploración y la explotación del espacio de soluciones a medida que avanza el proceso iterativo. Resultados: Validaciones numéricas en dos sistemas de distribución trifásicos compuestos de 8 y 27 nodos con escenarios de operación balanceada y desbalanceada demuestran que el AMN alcanza la solución óptima reportada en la literatura para el sistema de 8 nodos y mejora los reportes científicos para el sistema de prueba de 27 nodos en ambos escenarios de prueba. Conclusiones: Los resultados obtenidos mediante la aplicación del AMN al problema de selección óptima de conductores en sistemas de distribución demuestran la eficacia de la metodología de solución propuesta para problemas de programación no lineal entera mixta en ingeniería eléctrica con tamaños exponenciales del espacio de soluciones. Además, los resultados reportados para los sistemas de prueba de 8 y 27 nodos constituyen un punto de referencia para futuras investigaciones.

Abstract Context: The accelerated growth of cities and rural areas requires the adequate expansion of electrical distribution systems in order to meet the electrical energy requirements with efficiency, reliability, and safety for commercial, residential, and industrial users. To serve the different users of the electrical network, a typical methodology used by network operators corresponds to the optimal assignment of the calibers of the conductors associated with the distribution routes. This selection is made while considering its cost of investment and operation for a determined planning horizon. Method: To solve the problem regarding optimal selection in three-phase distribution networks, the application of an optimization algorithm of the family of combinatorial techniques known as Newton’s metaheuristic algorithm (NMA) is proposed. The main advantage of the NMA is that it uses evolution rules based on the first and second derivatives of the objective function, which are applied to each individual in the population. In addition, the evolution rules of the NMA cause this algorithm to have a proper balance between the exploration and exploitation of the solution space as the iterative process advances. Results: Numerical validations in two three-phase distribution systems composed of 8 and 27 nodes with balanced and unbalanced operation scenarios show that the NMA reaches the optimal solution reported in the literature for the 8-node system and improves the scientific reports for the 27-node test system in both test scenarios. Conclusions: The results obtained through the application of the NMA to the problem regarding the optimal selection of conductors in distribution systems demonstrate the effectiveness of the proposed solution methodology for mixed integer nonlinear programming problems in electrical engineering with exponential sizes of the solution space. Furthermore, the reported results for the 8-node and 27-node test systems constitute a benchmark for further research.

Methodology for Predictive Maintenance of Distribution Transformers based on Machine Learning

Resumen Contexto: En este artículo describimos una metodología ́ıa que se ha establecido para programar el mantenimiento predictivo de transformadores de distribución en el Departamento del Cauca (Colombia) mediante aprendizaje automático. Método: La metodología propuesta se basa en un modelo predictivo de clasificación que encuentra el número mínimo de transformadores de distribución propensos a fallar. Para verificar esto, el modelo fue implementado y probado con datos reales en el Departamento del Cauca (Colombia). Resultados: Es posible lograr una solución efectiva para programar el mantenimiento predictivo de los transformadores de distribución mediante el uso de aprendizaje automático. Conclusiones: El modelo propuesto es una herramienta eficaz para los problemas de programación del mantenimiento preventivo de los transformadores de distribución.

Abstract Context: In this paper, we describe a methodology set up to schedule the predictive maintenance of distribution transformers in the Department of Cauca (Colombia) by means of machine learning. Method: The proposed methodology relies on a predictive classification model that finds the minimum number of distribution transformers prone to failure. To verify this, the model was implemented and tested with real data in the Department of Cauca (Colombia). Results: It is possible to achieve an effective solution for scheduling the predictive maintenance of distribution transformers by means of machine learning. Conclusions: The proposed model is an effective tool for problems involving the scheduling of preventive maintenance scheduling problems for distribution transformers.

Improvement Opportunities for the Reception, Manufacturing, and Dispatch Processes of Coffee Pulping Machines

Resumen Contexto: El café es una bebida popular que se obtiene de la semilla de un arbusto denominado cafeto, esta es molida y tostada para obtener el polvo que se utiliza para la elaboración de la bebida. Para su transformación es necesario emplear diferentes tipos de máquinas, lo cual es un nicho de mercado importante para la economía del país. Por lo tanto, se hace necesario identificar oportunidades de mejora en las actividades del proceso que comprende pedido, producción y despacho de las máquinas despulpadoras de café en una empresa colombiana. Método: A partir del uso de simulación como herramienta, se procede a construir un modelo que represente apropiadamente la realidad de la empresa, iniciando por la delimitación del problema, siguiendo con la identificación de variables clave, la toma de muestras y su análisis estadístico, la construcción de la simulación con sus respectivos procesos de validación y verificación, y finalmente el análisis de resultados, y las posibilidades de aplicación en la empresa en conjunto con conclusiones del proceso. Resultados: A partir de los escenarios construidos, se recomienda diseñar un área de despacho para acceder a la información de forma rápida y oportuna junto con el desarrollo de un software especializado que permita digitalizar órdenes y remisiones, adicionalmente la planeación de rutas de entrega de pedidos priorizados según las variables clave en el proceso. Con la implantación de las anteriores sugerencias, la cola de máquinas ensambladas y sin ser despachadas se redujo en un 51% y los despachos de las máquinas despulpadoras de café incrementaron en un 49% mejorando la satisfacción del cliente. Conclusiones: La inversión necesaria para implementar el escenario de solución representa retornos a mediano plazo, lo cual. junto con la satisfacción del cliente, permite hacer competitiva a la empresa. Se propone hacer un estudio de la logística de despacho de los pedidos, dado que esta parte del problema se evidencia, pero no se puede resolver mediante simulación.

Abstract Context: Coffee is a popular drink obtained from the seed of a shrub called cafeto, which is ground and toasted in order to obtain the powder used for the elaboration of the drink. For its transformation, it is necessary to use different types of machines, which is an important market niche in the country’s economy. Therefore, it is necessary to identify opportunities for improvement in the activities of the process involving ordering, production, and dispatch of coffee pulping machines in a Colombian company. Method: By using simulation as a tool, a model is built which appropriately represents the reality of the company, starting with the delimitation of the problem, continuing the identification of key variables, the taking of samples and their statistical analysis, the construction of the simulation with its respective validation and verification processes, and ending with the analysis of results and possibilities of application in the company, together with the conclusions of the process. Results: Based on the scenarios elaborated, it is recommended to design a dispatch area to access information quickly and in a timely manner, together with the development of specialized software that allows digitizing orders and referrals, as well as with the planning of delivery routes for prioritized orders according to the key variables of the process. With the implementation of the suggestions above, the queue of assembled and non-dispatched machines was reduced by 51%, and the dispatches of coffee pulping machines increased by 49%, thus improving customer satisfaction. Conclusions: The investment required to implement the solution scenario represents medium-term returns, which, together with customer satisfaction, allows the company to be made competitive. A study of the logistics of dispatching orders is proposed, since this part of the problem is evident, but cannot be solved by simulation.

Household Waste Generation and Composition in Honduras during the Covid-19 Pandemic

Resumen Contexto: La gestión de residuos sólidos durante la pandemia del Covid-19 ha ocasionado efectos ambientales que no han sido lo suficientemente estudiados, especialmente en las ciudades de América Latina. En este estudio se presenta una caracterización de residuos en Honduras durante la cuarentena por Covid-19, utilizando una metodología innovadora que permite recolectar información sin necesidad de realizar trabajo de campo. Método: El estudio se implementó en tres fases (registro de datos, capacitación y generación de información). Todas las actividades se realizaron con apoyo de herramientas virtuales como formularios y llamadas grupales. Los participantes recibieron cuatro sesiones de capacitación y caracterizaron sus residuos durante siete días. Resultados: La generación per cápita fue de 0,475 kg/hab/día a nivel nacional y 0,549 kg/hab/día en el Distrito Central. Se observa un aumento en la proporción de residuos inorgánicos no aprovechables y una disminución de residuos orgánicos y aprovechables. Semanalmente se estima que cada vivienda genera 3,7 mascarillas a nivel nacional y 4 mascarillas en el Distrito Central. Conclusiones: La generación per cápita de residuos domiciliarios disminuyó durante la cuarentena, lo cual puede deberse a una menor capacidad de adquisición de las familias por la reducción en las actividades económicas. Se registra la aparición de un nuevo residuo: las mascarillas y guantes descartables.

Abstract Context: Solid waste management during the Covid-19 pandemic has caused environmental effects that have not been sufficiently studied, especially in Latin American cities. This study presents a characterization of waste in Honduras during the Covid-19 lockdown, which uses a novel methodology that allows collecting information without the need for fieldwork. Method: This study was implemented in three phases (data recording, training, and data generation). All activities were carried out with the support of virtual tools such as forms and group calls. The participants received four training sessions and characterized their residues for seven days. Results: The waste generation per capita was 0,475 kg/inhab/day at the national level and 0,549 kg/inhab/day in Distrito Central (the central district). There is an increase in the proportion of nonusable inorganic waste and a decrease in organic and recyclable waste. It is estimated that each household generates 3,7 masks nationwide and 4 masks in Distrito Central on a weekly basis. Conclusions: The per-capita generation of household waste decreased during the lockdown, which may be due to a decline in families’ purchasing power given the reduction in the economic activities. The appearance of a new residue is recorded: disposable masks and gloves.

Evaluation of Reflective Surfaces for Bifacial Solar Panels using the Response Surface Methodology

Resumen Contexto: Los paneles solares fotovoltaicos bifaciales pueden generar más energía que los monofaciales, ya que, en el primer caso, ambos lados del panel quedan a disposición para captar la irradiancia solar y transformarla en energía eléctrica. La potencia adicional que se puede generar en los paneles bifaciales depende, entre otros factores, de la naturaleza y el tipo de la superficie reflectiva, así como de la orientación del módulo fotovoltaico. Método: En este trabajo se evalúan diversas superficies reflectantes para determinar la configuración óptima de un panel bifacial. Para este propósito, y con base en la metodología de superficie de respuesta, las curvas características del panel fotovoltaico (corriente-voltaje) para diversas elevaciones con respecto a cuatro superficies reflectantes son trazadas experimentalmente. Resultados: Los resultados del estudio revelan que, al instalar un panel bifacial sobre superficies reflectantes de espejo a una elevación del 98,66% del ancho del panel, se logra alcanzar un aumento del 6,6% de la generación de energía eléctrica en comparación con los módulos fotovoltaicos monofaciales. Conclusiones: Con la metodología aplicada, se identificó que la superficie de espejo es la mejor de las cuatro superficies evaluadas para el aprovechamiento de la irradiación reflejada, seguida por el concreto, el agua y la tierra.

Abstract Context: Bifacial photovoltaic solar panels can generate more energy than monofacial ones since, in the case of the former, both sides of the panel are available to capture the solar irradiance and transform it into electrical energy. The additional power that can be generated by bifacial panels depends, among other factors, on the nature and the type of the reflective surface, as well as on the orientation of the photovoltaic module. Method: In this work, several reflective surfaces are evaluated in order to determine the optimal configuration of a bifacial panel. To this effect, and based on the response surface methodology, the characteristic curves of the photovoltaic panel (current-voltage) for different elevation levels with respect to four reflective surfaces are experimentally represented. Results: The results of this study reveal that, by installing a bifacial panel on reflective mirror surfaces at an elevation of 98,66% of the panel width, a 6,6% increase in the electrical energy generation is achieved in comparison with monofacial photovoltaic modules. Conclusions: Through the applied methodology, the mirror surface was identified to be the best among the four surfaces evaluated for the use of reflected radiation, followed by concrete, water, and soil.

Energy Projects in Healthcare: An Opportunity for Continuous Improvement

Resumen Contexto: El cambio climático y los retos que enfrenta la humanidad en términos de la sustentabilidad incentivan a las instituciones de todos los sectores a implementar medidas para reducir el impacto de su actividad. El propósito del artículo es analizar los proyectos energéticos en el ámbito de salud como una oportunidad para la mejora continua. Método: Se emplea un enfoque cualitativo de tipo descriptivo para explorar la literatura reciente sobre los proyectos energéticos en salud. Para ello, se revisaron artículos científicos publicados en los últimos cinco años tanto en inglés como en español. Resultados: La gestión energética en las instituciones de salud está presente como un componente importante de las operaciones a nivel global. Sin embargo, aún quedan aspectos por mejorar en América Latina. El 57 % de los hospitales verdes en Colombia han logrado metas de sostenibilidad energética, de los cuales el Hospital de Cañaveralejo de la ciudad de Cali es el principal referente. Conclusiones: Principios fundamentales como el compromiso ético con el cambio, el carácter de autogestión, la participación y responsabilidad del personal involucrado y el liderazgo y control de la conducción directiva son esenciales para el logro de un modelo del cambio exitoso.

Abstract Context: Climate change and the challenges faced by humanity in terms of sustainability encourage institutions in all sectors to take measures to reduce the impact of their activities. The purpose of the article is to analyze energy projects in the field of healthcare as an opportunity for continuous improvement. Method: A descriptive qualitative approach is employed to explore the recent literature on energy projects in healthcare. To this end, scientific articles published in the last five years in both English and Spanish were reviewed. Results: Energy management in healthcare institutions is present as an important component of global operations. However, there is still room for improvement in but in Latin America. 57% of green hospitals in Colombia have achieved energy sustainability goals, with the Cañaveralejo Hospital in the city of Cali being the main point of reference. Conclusions: Fundamental principles such as an ethical commitment to change, a self-management character, the participation and responsibility of the personnel involved, and the leadership and control of management are essential for achieving a successful change model.

Alternatives to Treat Sludge from Sewage Treatment Plants: A Review

Resumen Contexto: La investigación han demostrado la eficiencia de diversos tratamientos para lodos. Sin embargo, se han presentado nuevas alternativas que ameritan una revisión actualizada. Es por ello que este trabajo tiene como objetivo realizar dicha actualización con respecto a técnicas convencionales y nuevas para tratar los lodos. Método: Este artículo está basado en una revisión de documentos en diversas bases de datos, agrupando en primera instancia las alternativas convencionales y posteriormente las nuevas, constituidas ambas por alternativas de técnicas de espesamiento, estabilización y deshidratación de lodos, y analizándolas con base en criterios económicos, técnicos y ambientales. Resultados: En este estudio se encontró que la ósmosis directa es una de las alternativas más prometedoras en el espesamiento de lodos, la oxidación de agua supercrítica y la pirólisis en la estabilización y la filtración al vacío en la deshidratación de dichos subproductos. Conclusiones: Este artículo permitió la revisión actualizada de alternativas convencionales y nuevas para el tratamiento de lodos, observando que, tanto en el espesamiento como en la estabilización, las nuevas alternativas tienen eficiencias altas, mientras la filtración al vacío, una alternativa convencional, mejoró su rendimiento mediante el uso del floculante modificado, destacándose en la deshidratación de lodos. Es por ello que se requieren más investigaciones que mejoren los desafíos y rendimientos presentes e indaguen sobre la liberación al ambiente de contaminantes al utilizar los biosólidos.

Abstract Context: Research has shown the efficiency of various treatments for sludge. However, new alternatives have been presented which merit an updated review. That is why this work aims to carry out said update with regard to conventional and new techniques to treat sludge. Method: The article is based on a review of documents in various databases, first grouping the conventional alternatives and later the new ones, both consisting of alternatives of sludge thickening, stabilization, and dewatering techniques, and analyzing them based on economic, technical, and environmental criteria. Results: This study found that direct osmosis is one of the most promising alternatives in sludge thickening, supercritical water oxidation, and pyrolysis in stabilization and vacuum filtration during the dehydration of said byproducts. Conclusions: This article allowed an updated review of conventional and new alternatives for sludge treatment, observing that, both in thickening and stabilization, the new alternatives are highly efficient, whereas vacuum filtration, a conventional alternative, improved its performance through the use of modified flocculants, standing out in the dehydration of sludge. This is why more research is required which improve the current challenges and yields and inquire into the release of pollutants into the environment when using biosolids.

Methodology for the Collection and Analysis of Real Estate Data Using Alternative Sources: Case Study in Three Medium-Sized Cities of Colombia

Resumen Contexto: La política pública de Catastro Multipropósito necesita consolidar información inmobiliaria de diferentes fuentes para su análisis, tales como ofertas, transacciones y costos de construcción, entre otros. Las páginas web inmobiliarias forman parte de estas fuentes de información, aunque no han sido incluidas en el análisis comercial. Considerando lo anterior, es necesario revisar una metodología que permita acceder de forma óptima a estas plataformas web y facilite el análisis de las variables que allí se proveen, que son determinantes para el valor comercial de un inmueble. Se realiza un caso de estudio en tres ciudades colombianas: Fusagasugá, Manizales y Villavicencio. Método: El método se desarrolla en dos etapas (i) web scraping. que permite obtener los enlaces de la información de páginas web inmobiliarias y descargar sus datos, y (ii) el análisis de datos inmobiliarios mediante el desarrollo de un flujo de trabajo que inicia con la exploración y la limpieza de los datos, continúa con el pre-modelado y finaliza con el modelado de las variables de interés en la determinación del valor de los bienes inmuebles usando técnicas de machine learning. Resultados: A partir de la aplicación de técnicas de machine learning, fue posible automatizar la recolección, la limpieza, el almacenamiento y el análisis de datos inmobiliarios provenientes de plataformas web, así como delinear dos modelos (Ridge Regression y Random Forest) que, de acuerdo, con su error porcentual medio absoluto (0,34 y 0,35 respectivamente), permiten predecir el valor comercial de un inmueble considerando variables explicativas internas y externas. Conclusiones: Obtener y analizar los datos inmobiliarios de fuentes alternativas como las plataformas web a través de desarrollos tecnológicos contribuye significativamente a atender la alta demanda de información del catastro del país. No obstante, es necesario ampliar el suministro de esta información a los ámbitos rurales, que cuentan con menos acceso y disponibilidad de la misma.

Abstract Context: The Multipurpose Cadastre public policy needs to consolidate real estate information from different sources for analysis, such as offers, transactions, and construction costs, among others. Real estate websites are part of these sources of information, although they have not yet been included in commercial analysis. In light of the above, it is necessary to review a methodology that allows optimal access to these web platforms and facilitates the analysis of the variables provided therein, which are crucial to a property’s commercial value. A study case was carried out in three Colombian cities: Fusagasugá, Manizales, and Villavicencio. Method: The method is implemented in two stages: (i) web scraping, which allows obtaining the information links from real estate web pages and downloading their data, and (ii) analyzing real estate data by developing a workflow that starts with data exploration and cleaning, continues with pre-modeling, and ends by modeling the crucial variables in the determination of real estate value using machine learning techniques. Results: By applying machine learning techniques, it was possible to automate the collection, cleaning, storage, and analysis of real estate data from web platforms, as well as to outline two models (Ridge Regression and Random Forest), which, according to their mean absolute percentage error (0,34 and 0,35, respectively), allow predicting the commercial value of a property while considering internal and external explanatory variables. Conclusions: Obtaining and analyzing real estate data from alternative sources such as web platforms through machine learning techniques contributes significantly to addressing the high information de-mand of the country’s cadastre. However, it is necessary to expand the supply of this information to rural areas, which have less access and availability to it.

On Determining the Stress Intensity Factor Range Threshold and the Factors that Affect It

Resumen Contexto: El umbral del rango del factor de intensidad de tensiones ΔKth es un valor por debajo del cual la propagación de grietas de fatiga es insignificante. Este suele usarse para establecer la vida a fatiga de un elemento ingenieril. Sin embargo, su determinación, la forma en que diferentes factores influyen en su valor y su aplicación aún son temas de discusión. Método: Este trabajo discute sobre los métodos y criterios existentes para la determinación de ΔKth y los factores que lo afectan. Resultados: Los métodos experimentales estándar ASTM son los ensayos más usados. Sin embargo estos pueden resultar inexactos, pues los ensayos de pre agrietamiento a compresión pueden producir resultados conservativos. Recientemente se han propuesto muchos métodos analíticos y numéricos para determinar el umbral. Muchos factores y variables afectan el valor de ΔKth. tales como el cierre de grieta, la geometría, el tamaño de la grieta. las características de la carga, la microestructura, las propiedades del material, el ambiente, las tensiones residuales y las cargas de modo mixto. Conclusiones: El umbral puede determinarse mediante ensayos estándar ASTM o métodos teóricos o numéricos. Se ha avanzado mucho en este campo, pero se requiere más investigación para mejorar los métodos experimentales y obtener métodos analíticos o numéricos que capturen más integralmente las diferentes complejidades, factores y variables que afectan el umbral.

Abstract Context: The stress intensity factor range threshold ΔKth is a value below which fatigue crack propagation is insignificant. This factor is usually employed to establish the fatigue life of an engineering element. However, its determination, the way in which the different factors influence its value, and its application are still subjects of discussion. Method: This paper discusses the methods and criteria for determining ΔKth and the factors that affect it. Results: Standard ASTM experimental methods are the most used tests. However, they may prove to be inaccurate, since compression pre-cracking tests can yield conservative results. In recent years, many sound analytical and numerical methods for the determination of the threshold have been proposed. Many factors and variables can affect the value of ΔKth, such as crack closure, geometry, crack size, load characteristics, microstructure, material properties, environment, residual stresses, and mixed-mode loads. Conclusions: The threshold can be determined via standard ASTM tests or theoretical or numerical methods. Much progress has been made in this field, but more research is required to improve experimental methods and obtain analytical or numerical methods that more comprehensively capture the different complexities, factors, and variables that affect the threshold.