Desarrollo y evaluación de modelos para la toma de decisiones: caracterización de la producción de anguilas (Anguilla anguilla L.) en sistemas intensivos

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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA DEPARTAMENTO DE PRODUCCIÓN ANIMAL DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE MODELOS PARA LA TOMA DE DECISIONES. CARACTERIZACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ANGUILAS (Anguilla anguilla L.) EN SISTEMAS INTENSIVOS Tesis Doctoral presentada por Juan Carlos Gutiérrez Estrada, en satisfacción de los requisitos necesarios para optar al grado de Doctor en Ciencias Biológicas. Dirigida por el Dr. Emiliano de Pedro Sanz, Profesor Titular de la Universidad de Córdoba, y por el Dr. Rafael López Luque, Profesor Titular de la Universidad de Córdoba Los directores, El doctorando, Emiliano de Pedro Sanz Rafael López Luque Juan Carlos Gutiérrez Estrada Córdoba, 2003 A Inma... evidentemente ¿Qué sabe el pez del agua donde nada toda su vida? A. Einstein Agradecimientos Como suele ocurrir con casi cualquier aspecto de la vida, ‘al final todo se acaba’. Tras esa meta y al echar la vista atrás, es inevitable recordar vivencias, situaciones y personas que, de una forma u otra, han contribuido a la finalización de esta memoria de Tesis. No me gustaría olvidarme de ninguno de los que me han asesorado y ayudado de muy diversas formas, entre otras cosas, porque a pesar de ser yo el autor de este trabajo, ellos forman parte íntegra de él.

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Publié le 01 janvier 2004
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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
DEPARTAMENTO DE PRODUCCIÓN ANIMAL




DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE MODELOS
PARA LA TOMA DE DECISIONES.
CARACTERIZACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE
ANGUILAS (Anguilla anguilla L.) EN
SISTEMAS INTENSIVOS

Tesis Doctoral presentada por Juan Carlos
Gutiérrez Estrada, en satisfacción de los
requisitos necesarios para optar al grado de
Doctor en Ciencias Biológicas. Dirigida por
el Dr. Emiliano de Pedro Sanz, Profesor
Titular de la Universidad de Córdoba, y por
el Dr. Rafael López Luque, Profesor Titular
de la Universidad de Córdoba

Los directores, El doctorando,


Emiliano de Pedro Sanz Rafael López Luque Juan Carlos Gutiérrez Estrada

Córdoba, 2003










































A Inma... evidentemente











































¿Qué sabe el pez del agua donde nada toda su vida?

A. Einstein
Agradecimientos
Como suele ocurrir con casi cualquier aspecto de la vida, ‘al final todo se acaba’. Tras
esa meta y al echar la vista atrás, es inevitable recordar vivencias, situaciones y personas
que, de una forma u otra, han contribuido a la finalización de esta memoria de Tesis. No
me gustaría olvidarme de ninguno de los que me han asesorado y ayudado de muy
diversas formas, entre otras cosas, porque a pesar de ser yo el autor de este trabajo, ellos
forman parte íntegra de él.
En primer lugar mi reconocimiento a los directores de este trabajo, Emiliano de
Pedro Sanz y Rafael López Luque, sin los cuales no se podría haber concebido,
desarrollado y terminado. Sus meditadas aportaciones, comentarios, correcciones y
críticas constructivas, me han servido de aliciente y motor para centrar y afinar muchos
aspectos, que de otra forma hubieran quedado oscuros o demasiado simplistas. Quiero
destacar el entusiasmo de ambos al afrontar el desafío de la dirección de un trabajo
enmarcado en una incipiente línea de investigación, con todo lo que ello supone. No
dudaron en apoyarme en mi intento de expresarles la ilusión, aprecio e importancia que
yo sentía por el tema de esta Tesis.
En la misma línea, es inevitable recordar a las personas que dirigían y
gestionaban la empresa Hidrorecursos S.A en el año 1998, cuya grata actitud facilitó la
concesión de la beca de investigación. Carlos Blanco (Director General) acogió con
expectación mis ideas, retándome en multitud de ocasiones a llevarlas a la práctica. Con
Ana Landa (Directora Técnica) tuve la oportunidad de aprender los aspectos básicos de
la producción de anguilas en sistemas intensivos. A los dos mi agradecimiento por su
generosa disposición a proporcionarme sin reservas un espacio donde trabajar y cuanto
material necesité de la piscifactoría.
Como olvidarme del resto de trabajadores de Hidrorecursos. Rafael Membrives,
los otros ‘Rafas’, José Antonio, Juan, Pepe y Julián. Siempre estuvieron dispuestos a
ayudarme cuándo y cuánto les necesité. Nunca tuve un ‘no’ por respuesta a pesar de la
‘apretada’ jornada de trabajo. Buena parte del desarrollo de esta investigación dependía
de entender el funcionamiento de las instalaciones, y sin ellos no hubiera sido posible.
Hago extensivo también este sentimiento al conjunto de la familia Jurado: Antonio
(padre), Carmen (madre), Antonio, Juan, Rogelio, Guadalupe, Diego y los ‘peques’.
La veterinaria de Hidrorecursos, Soledad González, se interesó por este trabajo
durante su elaboración y contribuyó en el desarrollo del sistema experto. Tuve además,
la magnífica oportunidad de aprender y discutir amablemente con ella sobre aspectos
relacionados con la patología de los peces. En la fase de validación del sistema experto,
tengo que destacar la colaboración de Noelia Molina, ‘una auténtica todo terreno’. No
me puedo olvidar de los muchos becarios que durante mi estancia en la piscifactoría
aportaron su granito de arena, especialmente de Marta.
Un agradecimiento especial y un reconocimiento personal se lo debo a Pieter de
Visser Van Bloemen, cuya paciencia conmigo ha sido ilimitada. Pieter es una de las
pocas personas que he conocido que poseen esa virtud que consiste en comprender las cosas a la primera y hacer fácil lo difícil. No me equivoco al afirmar que es uno de los
mejores especialistas en producción de anguilas en Europa y yo he tenido la suerte de
trabajar con él.
Las gestiones para la obtención de los datos procedentes de la Central Térmica
de Puente Nuevo han sido complejas y difíciles, al extremo de haberme llegado a
aburrir... ¡Al final no he conseguido todos los datos que quería!. Debo reconocer que
nunca he entendido cuál ha sido la razón última de este comportamiento, aunque..., ¡lo
sospecho!. No sería justo, de todas maneras, si no reconociera que también he
encontrado a técnicos dispuestos a ayudarme. Debo agradecer su comprensión a Angel
Zafra, Juan Luís Pina y Sixto Rodríguez.
También deseo resaltar mi gratitud al Ministerio de Educación y Cultura, que me
concedió una Beca de Formación de Personal Investigador para la realización de esta
Tesis Doctoral, en el Departamento de Producción Animal de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Agrónomos y de Montes de la Universidad de Córdoba. A todos
los profesores de este Departamento, y en particular a Ana Garrido y Pablo Lara, por su
entusiasmo y amabilidad. Los amigos y compañeros que he tenido durante mi estancia
en el Departamento merecen recuerdo por los buenos ratos y experiencias que hemos
compartido: Juanito, Víctor y Nieves.
A la Universidad de Huelva que me ha permitido comenzar mi labor docente y
continuar mi investigación. Mención aparte merecen los profesores, amigos y
compañeros del Departamento de Ciencias Agroforestales que de una u otra manera,
técnica o humana, me han brindado su apoyo, y entre ellos quiero destacar la ayuda en
la validación del sistema experto de Ignacio de la Rosa y Luís Angel Zarazaga.
Mi asistencia al ‘V Curso de Introducción a las Redes Neuronales y Sistemas
Borrosos’ en la Universidad de Verano de Teruel, marcó un punto de inflexión en el
tratamiento de algunos de los modelos utilizados. El intercambio de impresiones con el
profesor Bonifacio Martín del Brío (Universidad de Zaragoza), me facilitó la comprensión
de los aspectos más oscuros de las Redes Neuronales. Asimismo, su asesoramiento sobre
la predicción de algunas de las variables ha sido particularmente valioso. En este mismo
sentido, también recordar la gentileza del profesor Victor Prybotuk (Universidad de
Texas).
La buena disposición de los profesores Sebastián Ventura y César Hervás
(Universidad de Córdoba), que me proporcionaron muchas de las referencias y me
resolvieron diversos aspectos relacionados con las Redes Neuronales Computacionales.
No quisiera dejar de citar al Profesor Titular de la Universidad de Córdoba, Dr.
Carlos Fernández Delgado, quien me introdujo en el mundo de la ictiología, y del que
aprendí que la investigación y la educación consisten en enseñar no lo que se debe
pensar, sino a pensar. El Catedrático de Escuelas Universitarias de la Universidad de
Huelva, Dr. José Prenda Marín, me inició en el estudio de las relaciones entre las
poblaciones de peces y su entorno, aunque de nuestras horas de trabajo en común su principal enseñanza fue que la amistad termina donde empieza el interés. A ambos por
igual, muchas gracias.
A Unicaja y Analistas Económicos de Andalucía por la concesión de un accésit
en la convocatoria del IV Premio Unicaja de Investigación sobre Desarrollo Económico
y Estudios Agrarios, al trabajo ‘SEDPA: Sistema Experto de Ayuda al Diagnóstico de
Patologías y de Asesoramiento Técnico en Piscifactorías de Anguilas’, inspirado en el
capítulo 3 de la presente Tesis. Por favorecer y potenciar la investigación la cual es, sin
duda alguna, la base del desarrollo de cualquier sociedad.
Mis amigos y compañeros de piso, Ramón y Salas, y sus respectivas ‘flores’,
Isabel e Inmaculada, merecen una especial dedicatoria por esos días de trabajo y charlas
compartiendo alegrías y desilusiones. Y por supuesto, a pesar de la distancia, no me
quiero olvidar de los amigos de siempre, con los que he compartido muchas horas y
cosas: José Carlos (el ingeniero industrial) a quien pude convencer de que un sistema
biológico no se comporta como una máquina, Víctor, Jesús,... y todos los demás que
estuvieron o están y en algún momento u otro se interesaron por mi trabajo.
A mi familia, biológica y política, por su apoyo, estímulo, paciencia y confianza
sin límites a lo largo de demasiados años. Por ese escaso tiempo que he tenido para
dedicarles, ya que toda Tesis es en cierto modo como un hijo, y como tal exige su cuota
de participación.
Por último, y sin embargo, el más importante de mis agradecimientos va dirigido
a Inmaculada. Ella ha conocido, vivido y sufrido todas y cada una de las etapas de la
presente Tesis. Ha soportado estoicamente mis divagaciones (a veces casi metafísicas)
sobre los resultados, los interminables enfados con el soporte informático, mis
constantes despistes, esos días en los que el ánimo se encuentra a ras de suelo y por qué
no decirlo, aquellos en los que se encontraba demasiado elevado. Nunca hubo una
palabra de queja después de escuchar miles de veces la canción ‘Hide in your shell’, y
siempre estuvo a mi lado cuando las cosas salían bien y cuando salían mal. Es evidente
que este trabajo no sería lo mismo sin ti.
A todos ellos, las más sinceras gracias, como expresión de la extraordinaria
valoración que doy a su ayuda. Índice

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................................1
1.1. Objetivos generales .......................................................................................................................... 5
1.2. Objetivos específicos..................................................................................................... 6
1.3. Referencias ....................................................................................................................................... 7

CAPÍTULO 2. HIDRORECURSOS S.A. Y SU PRODUCTO...........................................................................9
2.1. La anguila europea ......................................................................................................................... 11
2.1.1. Descripción y posición taxonómica ....................................................................................... 11
2.1.2. Ciclo biológico............... 12
2.1.3. Anguilicultura......................................................................................................... 13
2.2. Hidrorecursos S.A.................. 14
2.2.1. Marco geográfico........... 14
2.2.2. Antecedentes .......................................................................................................................... 17
2.2.3. Situación actual 19
2.2.3.1. Zona de alevinaje ......................................................................................................... 20
2.2.3.2. Zona de preengorde...................................................................................................... 21
2.2.3.3. Zona de engorde........................................................................................................... 22
2.2.3.4. Biofiltros ...................................................................................................................... 23
2.2.3.5. Sistemas de control....................................................................................................... 27
2.3. El programa de control en diferido CONTROLPLANT 1.0........................................................ 27
2.3.1. Inicio del programa ................................................................................................................ 29
2.3.2. Ventana principal de CONTROLPLANT............................................................................ 29
2.3.2.1. Barra de herramientas................................................................................................... 30
2.3.2.2. Sección superior de la ventana principal...................................................................... 35
2.3.2.3. Sección infe. 36
2.4. Referencias. .................................................................................................................................... 36

CAPÍTULO 3. SISTEMA EXPERTO DE DIAGNÓSTICO PATOLÓGICO PARA ANGUILAS
(SEDPA)............................................................................................................................................................39
3.1. Introducción..................... 41
3.1.1. Los sistemas expertos como métodos de diagnóstico ............................................................ 42
3.1.2. Formulación del problema del diseño de un sistema experto para el diagnóstico
clínico..................................................................................................................................... 44
3.2. Descripción del sistema en estudio................................................................................................. 45
3.3. Agentes patológicos reconocidos por el sistema ............................................................................ 45
3.3.1. Componentes del medio ambiente ......................................................................................... 48
3.3.2. Virus.................... 49
3.3.3. Bacterias................................................................................................................................. 49
3.3.4. Hongos ................................................................................................................................... 51
3.3.5. Parásitos.................. 51
3.4. Material y métodos......................................................................................................................... 52
3.4.1. Bases de conocimiento del dominio....................................................................................... 52
3.4.2. El motor de inferencia............................................................................................................ 54
3.4.2.1. Análisis morfológico-sintáctico. Red de Transición Aumentada (RTA)..................... 55
3.4.2.2. El controlador borroso.................................................................................................. 59
3.4.2.2.1. Lógica borrosa y teoría de conjuntos borrosos. Conjuntos borrosos
y funciones de inclusión................................................................................. 59
I 3.4.2.2.2. Reglas de inferencia borrosa y Memoria Asociativa Borrosa (MAB).
Asignación de niveles de creencia individuales y globales............................ 62
3.4.2.3. Teoría de Dempster-Shafer para la transmisión de incertidumbre............................... 68
2 3.4.2.4. Test χ modificado como elemento diferenciador de los grupos patológicos
con mayor aportación a la creencia global ................................................................... 72
3.4.3. Subsistema explicativo........................................................................................................... 73
3.4.4. Subsistema de sugerencia o motor proposicional................................................................... 75
3.4.5. Subsistema de aprendizaje ..................................................................................................... 77
3.4.6. Valoración del diagnóstico..................................................................................................... 77
3.4.7. Validación del sistema......... 78
3.5. Resultados ...................................................................................................................................... 81
3.5.1. Información contenida en las bases de datos del dominio principal y secundario................. 81
3.5.2. Número de casos utilizados para la evaluación...................................................................... 83
3.5.3. Análisis de las respuestas aportadas por los expertos humanos............................................. 83
3.5.4. Análisis preliminar de las Memorias Asociativas Borrosas................................................... 96
3.5.5. Análisis de las respuestas de SEDPA .................................................................................... 97
3.5.6. Agrupación de diagnósticos individuales de SEDPA.......................................................... 109
3.5.7. Diagnóstico de los expertos frente al diagnóstico de SEDPA 115
3.5.8. Selección de la mejor configuración de SEDPA ................................................................. 119
3.5.9. Análisis de las respuestas de SEDPA con reducción de información.................................. 121
3.5.10. Respuesta del subsistema sugerencia o motor proposicional............................................. 123
3.6. Discusión...................................................................................................................................... 125
3.6.1. Respuestas de los expertos humanos 126
3.6.2. Lenguaje natural................................................................................................................... 128
3.6.3. Respuestas de SEDPA: creencias y valoraciones. Conclusiones del motor de
inferencia y proposicional.................................................................................................... 129
3.6.4. Expertos humanos frente a SEDPA ..................................................................................... 131
3.7. Referencias ................................................................................................................................... 133
3.8. ANEXO III.1. Glosario ................................................................................................................ 143
3.9. ANEXO III.2. Manual del usuario ............................................................................................... 147

CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN Y PREDICCIÓN DE LOS PRINCIPALES PARÁMETROS
FÍSICO-QUÍMICOS DEL AGUA .................................................................................................................... 165
4.1. Introducción ................................................................................................................................. 167
4.1.1. Descripción de los factores físico-químicos críticos............................................................ 167
4.1.1.1. Oxígeno disuelto 167
4.1.1.2. Amoniaco, nitritos y nitratos................................................................................... 169
4.1.1.3. Temperatura............................................................................................................ 171
4.1.1.4. Carácter ácido-básico (pH) ..................................................................................... 172
4.1.2. Aprovechamiento de los efluentes de refrigeración de las centrales térmicas ..................... 173
4.1.3. El problema de la predicción................................................................................................ 174
4.1.4. Desarrollo histórico de las Redes Neuronales Computacionales (RNCs) ........................... 174
4.1.5. Aplicaciones de las Redes Neuronales Computacionales .................................................... 176
4.1.5.1. Biología, producción vegetal, producción animal, química y medicina ................. 177
4.1.5.2. Hidrología, hidráulica e ingeniería.......................................................................... 178
4.1.5.3. Comparación con otras metodologías ..................................................................... 178
4.2. Material y métodos....................................................................................................................... 179
4.2.1. Fuente de los datos ............................................................................................................... 179
4.2.2. Métodos tradicionales de predicción: análisis multivariante (regresión múltiple) y
análisis univariante (descomposición y ARIMA) ............................................................... 179
II 4.2.2.1. Análisis de regresión múltiple................................................................................. 179
4.2.2.2. Métodos de suavizado y modelos ARIMA ............................................................ 180
4.2.3. Predicción de los principales factores físico-químicos críticos mediante la
aplicación de Redes Neuronales Computacionales ............................................................. 182
4.2.3.1. Función de transferencia ......................................................................................... 184
4.2.3.2. Entrenamiento de la Red Neuronal ......................................................................... 184
4.2.3.3. Arquitectura de las Redes Neuronales .................................................................... 187
4.2.3.4. Patrones de entrenamiento durante la calibración................................................... 188
4.2.4. Generalización de los modelos............................................................................................. 188
4.2.5. Pretratamiento de la información ......................................................................................... 191
4.3. Resultados .................................................................................................................................... 192
4.3.1. Variables de la Central Térmica de Puente Nuevo. Análisis de producción bruta............... 192
4.3.2. Variables de planta............................................................................................................... 194
4.3.2.1. Temperatura en la serie 'A'...................................................................................... 194
4.3.2.2. Temp'B' 203
4.3.2.3. Temperatura en las series 'E' y 'F' ........................................................................... 208
4.3.2.4. Amoniaco en la serie 'A'. Estimación a partir de las concentraciones de
amoniaco en los días previos .................................................................................. 214
4.3.2.5. Amoniaco en la serie 'A'. Estimación a partir de otras variables implicadas.......... 222
4.3.2.6. Am. Estimación a partir de la serie filtrada ........................... 226
4.3.2.7. Amoniaco en las series 'B', 'E' y 'F'......................................................................... 233
4.3.2.8. Nitritos en la serie 'A'.............................................................................................. 237
4.3.2.9. Nitritos en las series 'B', 'E' y 'F' ............................................................................. 245
4.3.2.10. Nitratos en la serie 'A' ........................................................................................... 250
4.3.2.11. Nitratos en las series 'B', 'E' y 'F'........................................................................... 259
4.3.2.12. pH en la serie 'A' ................................................................................................... 263
4.4. Discusión...................................................................................................................................... 266
4.4.1. Temperatura......................................................................................................................... 266
4.4.2. Amoniaco............................................................................................................................. 269
4.4.3. Nitritos y nitratos.................................................................................................... 271
4.4.4. pH......................................................................................................................................... 272
4.5. Referencias 272
4.6. ANEXO IV.1. Glosario ............................................................................................................... 289
4.7. ANEXO IV.2. Manual del usuario del simulador de Redes Neuronales Computacionales
(REDGEN 1.0).............................................................................................................................. 293

CAPÍTULO 5. CARACTERIZACIÓN Y PREDICCIÓN DE PARÁMETROS BIOLÓGICOS.
ESTRATEGIA DE PRODUCCIÓN................................................................................................................. 303
5.1. Introducción ................................................................................................................................. 305
5.1.1. Modelación del crecimiento y las estrategias de producción ............................................... 306
5.1.2. Crecimiento de la anguila..................................................................................................... 307
5.2. Material y métodos....................................................................................................................... 308
5.2.1. Caracterización de la biomasa y mortalidad real.................................................................. 308
5.2.2. Estimación de la desviación típica o estándar. Derivación de los modelos de
varianza.............. 310
5.2.3. La tasa de crecimiento.......................................................................................................... 313
5.2.4. La tasa de mortalidad ........................................................................................................... 316
5.2.5. Modelación de la cosecha .................................................................................................... 317
5.2.6. Proceso de simulación dinámica. Valoración económica inicial ......................................... 319
5.3. Resultados .................................................................................................................................... 321
III5.3.1. Error de predicción del gestor .............................................................................................. 321
5.3.2. Análisis de las muestras del tanque 'A1'. Relación longitud-peso ....................................... 322
5.3.3. Estimación de los rangos de variación de la desviación típica. Aplicación de los
modelos de varianza............................................................................................................. 324
5.3.4. Caracterización de la biomasa.............................................................................................. 325
5.3.5. Caracterización de la mortalidad.......................................................................................... 335
5.3.6. Análisis de los resultados obtenidos con el Programa Operativo de Simulación
(POS)................................................................................................................................... 338
5.3.6.1. Simulaciones de referencia 339
5.3.6.2. Simulación de referencia 1 340
5.3.6.3. Simulación de referencia 2 342
5.3.6.4. Simulación 3. Incorporación de una nueva cohorte................................................... 344
5.3.6.5. Simulación 4. Tres cohortes, tres años e incorporación del factor de
crecimiento debido a la temperatura ........................................................................ 347
5.3.6.6. Simulación 5. Incorporación del factor de crecimiento debido a la
concentración de amoniaco ...................................................................................... 350
5.3.6.7. Simulación 6. Iniento debido a la
concentración de nitritos .......................................................................................... 350
5.3.6.8. Simulación 7. Incorporacióniento debido a la tratos 353
5.3.6.9. Simulación 8. Incorporación del factor de crecimiento debido al pH ...................... 357
5.3.6.10. Simulación 9. Factores de crecimiento debidos a la temperatura y
amoniaco. Influencia de los porcentajes iniciales en cada subgrupo de
crecimiento............................................................................................................. 357
5.3.6.11. Simulación 10. Influencia del lote de cosecha......................................................... 362
5.3.6.12. Simulación 11. Influencia del cambio del lote de cosecha durante la
simulación ............................................................................................................... 362
5.3.6.13. Simulación 12. Influencia del tamaño de cosecha................................................... 364
5.3.6.14. Simulación 13. Aplicación de los modelos de predicción de las variables
temperatura y amoniaco ........................................................................................... 366
5.3.6.15. Simulación 14. Conexión con SEDPA 1.0 a través de las reglas A-A de
CONTROLPLANT 1.0 ......................................................................................... 367
5.4. Discusión...................................................................................................................................... 369
5.4.1. Variación de la biomasa y mortalidad.................................................................................. 370
5.4.2. Comportamiento y robustez del modelo .............................................................................. 370
5.4.3. Inclusión de factores de crecimiento debidos a parámetros físico-químicos ....................... 371
5.4.4. Conexión con SEDPA y reglas A-A de CONTROLPLANT ............................................ 373
5.5. Referencias ................................................................................................................................... 373
5.6. ANEXO V.1. Glosario ................................................................................................................. 379
5.7. ANEXO V.2. Manual del usuario del Programa Operativo de Simulación (POS)...................... 381

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 389


IV