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Razonamiento basado encasos aplicado al diagnósticode generadores eléctricosH. Octavio de la Torre VegaArturo García TevilloRoberto Campuzano MartínezErnesto López Azamar

El CADIS consta de cuatromódulos, una base de datos(DBGEN), un generadorautomático de reportes(SARE), un módulo derazonamiento basado enexperiencias (SiRBE) y unmódulo de comunicación víaIntranet con un servidor debase de datos localizado enlas instalaciones delLaboratorio de Pruebas deEquipos y Materiales de laComisión Federal deElectricidad.

Resumen

Se presenta el desarrollo de unsistema de diagnóstico degeneradores eléctricos que

aplica técnicas de inteligenciaartificial, como es el razonamientobasado en casos, para apoyar lalabor del ingeniero de diagnóstico.

Este sistema es parte de unsistema denominado CADIS,dedicado al diagnóstico degeneradores eléctricos fuera de línea ymotivo de artículos anteriores (De laTorre, O. et al., 1999). En estaocasión se resaltan las característicasdel módulo de razonamiento basadoen experiencias (SiRBE), indicandocómo realizar un diagnósticoutilizando casos similares y cómoeditar la base de experiencia delsistema utilizando el editor interactivode casos. Se incluye, además, unejemplo resumido de lo querepresenta un caso para SiRBE ycómo el sistema ayuda a realizar undiagnóstico.

IntroducciónEl diagnóstico de los generadoreseléctricos fuera de servicio ha sidouna herramienta muy eficaz para losingenieros de operación ymantenimiento de centralesgeneradoras. A través de estosestudios se han logrado identificarlos procesos más comunes dedeterioro, que se presentan en losgeneradores, que al ser corregidoshan evitado la salida por falla.

La gran demanda de losservicios de diagnóstico y, enparticular, resolver el cuello debotella que representa laelaboración de los reportes finalesde diagnóstico, ha motivado laimplantación de nuevos métodos deoperación que permitan hacer máseficientes estos servicios. Por talmotivo, la Gerencia de EquiposEléctricos del Instituto deInvestigaciones Eléctricas (IIE)desarrolló, con apoyo delLaboratorio de Pruebas de Equiposy Materiales (Lapem) de la

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El SiRBE es el módulo delsistema CADIS que ayudará arealizar el diagnóstico delestado de generadoreseléctricos.

Comisión Federal de Electricidad(CFE), el sistema CADIS, que esuna alternativa para la elaboraciónde diagnósticos acertados yeficientes.

Como soporte de estesistema se tiene la experienciaadquirida por más de diez años detrabajo de grupos dedicados aldiagnóstico de generadores, comoson los del Lapem y del Instituto deInvestigaciones Eléctricas.

En términos generales, elCADIS consta de cuatro módulos,una base de datos (DBGEN), ungenerador automático de reportes(SARE), un módulo derazonamiento basado enexperiencias (SiRBE) y un módulode comunicación vía Intranet con unservidor de base de datos localizadoen las instalaciones del Laboratoriode Pruebas de Equipos y Materiales.

Este artículo centra suatención en el módulo derazonamiento basado enexperiencias denominado SiRBE.

Concepto del razonamientobasado en casosEn un artículo anterior (De la Torre,O. et al., 1999), se presentó el ciclobásico del razonamiento basado encasos (RBC), aquí se retomanalgunos de esos conceptos y seasocian con el procedimientoaplicado por los ingenieros deservicio en el diagnóstico degeneradores eléctricos.

El ciclo del RBC estáformado por los siguienteselementos:1. Recuperación de casos.

2. Adaptación.3. Crítica y justificación.4. Evaluación.5. Almacenamiento.

La recuperación de casoses la selección, en la base deconocimientos, de aquellos casoscuya descripción se ajusta más a lainformación presentada en el nuevocaso.

Esta recuperación se puedeasociar con la búsqueda de reportesde diagnóstico de serviciosanteriores, de ese equipo o equipossimilares. Con esto, el ingeniero deservicio cuenta con información quele permite considerar posiblescausas de falla (casos similares) delequipo motivo de estudio.

La adaptación consiste enadecuar la solución del caso másparecido a las condiciones delnuevo caso. Esto es necesario dadoque normalmente los fenómenos osíntomas que se presentan en undiagnóstico no son idénticos a losocurridos en los casos anteriores.

La etapa de crítica yjustificación consiste en lavalidación de la solución propuesta.Esta validación se realizacontrastando diferentes soluciones osimulando la solución para estimar

qué tan acertada es. En el caso dediagnóstico de generadoreseléctricos es una etapa difícil,porque normalmente no se cuentacon simuladores con el grado decomplejidad requerido para simularlos diferentes fenómenos quesuceden durante una falla delgenerador. Por lo tanto, esta etapaestá altamente influenciada por elgrado de conocimiento que tiene elexperto sobre el fenómeno ocurrido,y es él quien juzga la efectividad dela solución propuesta a partir de suexperiencia.

En la etapa de evaluaciónse aplica la solución propuesta y seanaliza el resultado de suaplicación. Si los resultados son losesperados, se confirma la solución,pero si existen diferencias debeaveriguar por qué ocurrieron talesdiferencias y cómo pueden evitarse.Esta información debe servir paramejorar la definición del caso.

Finalmente, elalmacenamiento consiste enregistrar, en la base deconocimiento, la informaciónderivada del nuevo caso, ya seacomo un caso nuevo o un casomejorado. La clave en el proceso dealmacenamiento radica en la forma

Figura. 1. Diagrama conceptual del proceso de razonamientobasado en casos.

Problema

Recuperación

Almacenamiento

Base de casos

Crítica y justificación

Evaluación Solución propuesta

Ada

ptac

ión

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El sistema no está restringidoa una solución única, encambio, presenta un conjuntode posibles solucionesclasificadas por orden deprobabilidad, y es el usuarioquien decide finalmente cuáles el diagnóstico que a suparecer es más acertado.

en que se estructura el conocimientopara que pueda recuperse conrapidez y con la mayor aportación alcaso nuevo.

En contraste con el casopráctico del ingeniero de servicio,esta etapa se relaciona con ladocumentación (reporte final)emitida del diagnóstico, y donde elnuevo documento representa unelemento o un caso más para futurasreferencias o consultas.

El concepto derazonamiento basado en casos,desde el punto de vistacomputacional, sigue siendo motivode estudio (Watson, I., 1997). Sinembargo, para resolver el problemade diagnóstico se han desarrolladosistemas académicos como elPROTOS, CASEY, CASCADE,PAKAR (Kolonder, J., 1993) y otrostantos comerciales como ART,CaseAdvisor, CasePower, CBRExpress, Help!CPR, etcétera. Unode los conceptos más socorridospara la aplicación del razonamientobasado en casos es el problema de“servicio a clientes”. Por ejemplo, sies una compañía de computadoras yun cliente llama solicitando apoyopara resolver algún problema con suequipo, el recepcionista da unasolución con base en las respuestasemitidas por el cliente a una serie depreguntas realizadas por elrecepcionista. Si el recepcionista nopuede resolver el problema lo turnaa un experto en computadoras. En

este esquema no se requiere que setengan expertos en computadorascomo recepcionistas, en cambio seles dota con un sistema que lespermite resolver la mayoría de losproblemas. Y si existiese unproblema no considerado, puede seralimentado por un experto parafuturas consultas.

Este concepto de “servicioa clientes” también puede aplicarseal diagnóstico de equipo, porquepara llegar a un diagnóstico hay queresponder una serie de preguntas(descubrir síntomas) que conduzcana la detección de un problemaparticular.

Para el sistema SiRBE seha utilizado un software comercialdentro de esta línea denominadoHelp!CPR de la compañía HaleyEnterprise (The Haley Enterprise,Inc.). En la sección siguiente sedarán algunas de sus características.

Help!CPR (ActivFiX)El Help!CPR proporciona unainterfaz en Windows aplicable aservicios de ayuda inteligente ydiagnóstico. Contiene un sistema derecuperación que facilita la tarea delusuario, porque solamente tiene queescribir un texto en lenguaje naturaldonde describa el problema o lossíntomas y el sistema recupera loscasos que mayor similitud tienencon el problema presentado, ademásde que los ordena conforme con laprobabilidad de importancia para elcaso. La base de casos se crea coninformación proporcionada porotros usuarios (casos anteriores) yse depura con la experiencia deexpertos.

Con el objetivo de guiarhacia un buen diagnóstico, elHelp!CPR permite agregar una seriede preguntas y acciones a los casos,lo que facilita seguir una ruta lógicahacia el diagnóstico correcto.

Además, el Help!CPR, por cadarespuesta dada por el usuario,reordena los casos; con ello elusuario puede confirmar o rechazarun diagnóstico conforme alimenta lainformación obtenida de la serie depruebas aplicadas al equipo y quearrojan información de lascondiciones de operación delequipo.

Este sistema incluyeinterfaces que permiten a un expertoincluir su experiencia al sistema,agregando documentación clara yprecisa del caso, asociandopreguntas relevantes al caso y quéacciones se realizarán para susolución. Lo anterior permite que elsistema no sea estático, sino quepuede crecer tanto como casosdistintos se encuentren durante losservicios de diagnóstico.

Finalmente, además decontar con sus interfaces paramanipulación del sistema, contieneun componente ActiveX,denominado ActivFix, el cualcontiene los algoritmos derecuperación y almacenamiento,pero que permite la personalizaciónde las interfaces para adecuarlas auna aplicación particular. Estaherramienta fue la que se utilizópara desarrollar el SiRBE que sedescribe a continuación.

Sistema SiRBEEl SiRBE es el módulo del sistemaCADIS que ayudará a realizar eldiagnóstico del estado degeneradores eléctricos.

Este módulo cuenta con loscriterios básicos que el ingeniero dediagnóstico aplica cuando realiza unservicio. Esto no significa que lalógica que aplica el algoritmo delSiRBE sea estática, por el contrario,estos algoritmos puedenenriquecerse con la experiencia delingeniero, pues permiten incluir o

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modificar los criterios que lamáquina de inferencia utilizacuando busca una solución alproblema presentado.

El sistema no estárestringido a una solución única,en cambio, presenta un conjuntode posibles soluciones clasificadaspor orden de probabilidad, y es elusuario quien decide finalmentecuál es el diagnóstico que a suparecer es más acertado.

Qué es un CasoAntes de entrar a conocer lamecánica de operación delsistema, se define qué es un casopara SiRBE.

Un caso es la definicióncompleta, clara y precisa de lascaracterísticas de un problemaparticular que incluye criterios quelo distinguen de entre otrosproblemas, y las acciones que sedeben tomar para su corrección.

Acorde con lo anterior,un caso debe contar con:• Título.• Descripción de problema.• Criterios de evaluación(preguntas a contestar).• Acciones de solución.

DiagnósticoLa interfaz que el sistema SiRBEpresenta al usuario que requiere de

un diagnóstico se muestra en lafigura 2. En la carpeta Casos, en laparte inferior de la pantalla se listan,en orden de probabilidad deocurrencia, los problemas que puedetener el equipo bajo estudio, acordecon la información recabada de laspruebas. Esto significa que elproblema que aparece en primerlugar es el más probable, y en ordendescendente se muestran los demás.En el ejemplo mostrado en lapantalla, donde los primeros doscasos tienen el mismo valor de 80%,significa que dada la información depruebas se cumplen los criterios queinducen a ambos problemas,indicando además que se requieremayor información (pruebas) paradiscriminar entre ambos casos o siel equipo realmente tiene ambosproblemas. La decisión final se haráa partir de la experiencia delusuario.

Como un apoyo al usuarioen la discriminación de casosparecidos se tiene una ventana dellado derecho, donde se muestra untexto con la descripción del

problema seleccionado. De estamanera el usuario puede leer eltexto y tratar de relacionarlo con loshechos reales y particulares, y tomarla decisión más acertada.

Otro elemento de apoyo esel conjunto de carpetas que tienecomo título: Preguntas adicionales,preguntas fijas y preguntasponderadas.

En la primera carpeta seobserva una lista de preguntas quepueden ser contestadas por elusuario en forma interactiva, y conello incrementar la posibilidad dediscriminar entre problemassimilares.

Para contestar cualquierpregunta sólo se da doble clic sobrela pregunta, mostrándose un cuadrode diálogo donde se introduce lainformación solicitada. Cada vezque el usuario hace esto, el sistemareordena los casos considerando lanueva información.

Si el usuario selecciona uncaso de la lista de casos posibles yse posiciona en la carpeta soluciónpropuesta, observará la acción o

Figura 2. Interfaz de diagnóstico en el sistema SiRBE.El SiRBE, cuenta con todoslos elementos para facilitartanto el diagnóstico de unequipo como para aumentarla experiencia del sistema através de la inyección denuevo conocimiento derivadodel análisis profundo denuevos casos presentados enla realidad y que no se ajustana los ya existentes en la basede conocimiento.

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acciones sugeridas para resolver elproblema y su documentación. Aúnmás, si se posiciona en la carpetapreguntas asociadas, el usuariotiene acceso a las preguntasrelevantes al caso seleccionado. Conesto, el usuario puede saber quéinformación adicional requiere paraverificar, que se trata o no, de eseproblema (caso) particular.

Aceptar o rechazar undiagnósticoEn la pantalla de Diagnóstico seencuentran en la parte inferior dosbotones: Aceptar caso y Crearnuevo caso.

El primer botón indica quese ha seleccionado uno de los casosexistentes en la base deconocimiento y está de acuerdo conel diagnóstico que ahí se indica. Sepodrá usar esa información comoparte del informe final dediagnóstico.

El concepto Rechazar undiagnóstico, no existe como tal, másbien significa que la lista deproblemas mostrada por el SiRBEno contiene la definición delproblema que se está presentando enel servicio de diagnóstico actual,por lo tanto se tiene necesidad decrear un nuevo caso o depuraralguno de los ya existentes, para queincluya las nuevas condiciones orestricciones.

Si este es el caso, lainformación debe analizarseminuciosamente antes de crear unnuevo caso o modificar alguno yaexistente a través de las facilidadesdel sistema, las cuales se presentana continuación.

Cómo aumentar laexperiencia del SiRBEDurante la realización de serviciossiempre existe la posibilidad deencontrar problemas o casos que no

han sido documentados dentro delSiRBE o aunque están en el sistemarequieren algún ajuste para hacermás certera la recuperación deldiagnóstico correcto. Para esoscasos se han incluido una serie deinterfaces que ayudan a aumentar laexperiencia y confiabilidad delsistema.

Como se mencionóanteriormente, un caso está definidopor:• Título.• Descripción de problema.• Criterios de evaluación (preguntasponderadas).• Acciones de solución.

Es recomendable,entonces, que antes de entrar amodificar un caso o crear uno nuevose realice un estudio a fondo de lascaracterísticas y criterios deevaluación del nuevo caso,elaborando un documento quecontenga todas las partes de queconsta un caso, y hecho esto seproceda a introducir la informaciónal sistema SiRBE.

Como un ejemplo de estetipo de documentación se incluye enforma resumida el siguiente caso:

Titulo del casoDelaminación del aislamientoprincipal de los devanados delestator.

Descripción del casoLa delaminación es un mecanismo

de deterioro donde las capas delaislamiento principal se vanseparando en forma de láminas ocapas.

La delaminación se generadebido a que el conductor de losdevanados tiene un coeficientetérmico mayor al del aislamientoprincipal. Por lo tanto, el conductorse calienta y se enfría másrápidamente que el aislamiento.Cuando el conductor alcanza sutemperatura de operación, elaislamiento todavía se encuentra enel proceso de calentamiento yviceversa. Cuando el conductor yalogró enfriarse, el aislamientotodavía no logra disipar totalmentesu energía calorífica. Estecomportamiento ocasionaesfuerzos mecánicos que tienden aseparar las capas aislantes delconductor. Posteriormente, segeneraliza la separación entre lascapas aislantes.

En condiciones normalesde operación y con los paros yarranques normales de un generadorla delaminación puede generarsedespués de un largo periodo dentrodel proceso normal deenvejecimiento; sin embargo, ladelaminación puede acelerarse porlas siguientes condicionestransitorias:1. Sobrecalentamiento delgenerador ocasionado porproblemas en el sistema deenfriamiento o por una sobrecarga.2. Sobrecalentamiento de una zonade los devanados ocasionado porcortocircuitos en las laminacionesdel núcleo del estator o porfrecuentes corrientes de Inrush.3. Ciclos de carga. Constantesarranques y paros súbitos de lamáquina.4. Calentamiento por voltajes defase desbalanceados.5. Por un diseño deficiente.

Actualmente el sistema seencuentra en la fase deaprendizaje y validación. Peroseguramente será unaherramienta invaluable parael ingeniero de servicios dediagnóstico de generadoreseléctricos fuera de línea.

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Criterios de evaluación opreguntas asociadas• Índice de polarización mayor quecinco.• Que el nivel máximo de ionizaciónen las ranuras sea mayor que 20mA.• Valor de (tan δ a 1.2 Vn – tan δ a0.2 Vn) mayor de 2%.• Valor de la tangente de pérdidas en0.2 Vn mayor que 4%.• Cambio importante de pendienteen la curva de tan δ entre los4 y 5 kV.• Valor máximo de DP’s entre4 y 5 kV mayor que 25 nC.• Valor máximo de DP’s entre6 y 8 kV mayor que 30 nC.• Entre 4 y 5 kV, los pulsospositivos son mayores que lospulsos negativos, del patrón deDP’s.• Hay ionización audible encabezales entre 7 y 8 kV en laprueba de DP’s.

Acciones recomendadas alcasoa) Extraer un bastón y aplicarprueba de rompimiento dieléctrico.b) Si se cuenta con un bastón derepuesto, evaluarlo para compararlocon el resto de los bastonesinstalados. Realizar la prueba depotencial aplicado y después medirdescargas parciales.c) En caso de que la bobina conaislamiento delaminado muestre uncomportamiento dieléctricosignificativamente pobre se debencambiar todas las bobinas quepresenten delaminación en suaislamiento.d) En caso de que la delaminaciónse encuentre generalizada en todo eldevanado, se debe programar lasustitución de todas las bobinas.

Este ejemplo dedocumentación del caso no es

restrictivo en el estilo, se puedeutilizar mayor o menor informaciónsin perder de vista que entre más claraesté, menos confusión provocará.

Cómo editar la base de casosUna vez que se ha creado la base depreguntas y acciones (ver secciónsiguiente), es posible editar loscasos existentes o crear nuevos.Para ello se utiliza la interfaz de lafigura 3.

Para editar la descripción ydocumentación de un caso se dadoble clic sobre el nombre del caso,presentándose una pantalla deedición. Una vez introducida lainformación se oprime el botón deAceptar o Cancelar si se deseandescartar los cambios.

En la pantalla principalpara la Edición de problemas ocasos se muestran en la parteinferior dos carpetas tituladas:

Figura 3. Interfaz para edición de casos.

Figura 4. Interfaz para definición de respuestas y niveles decredibilidad.

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Asociar acciones y Asociarpreguntas.

La asociación de preguntasy acciones a un caso es fundamentalpara que el SiRBE pueda recuperarel caso correcto con base en lasrespuestas a la serie de preguntasque contiene el sistema.

Para asociar una acciónpreviamente definida se debecolocar el cursor sobre el nombre dela acción y dar doble clic. Sepresentará un cuadro de diálogopara confirmar o cancelar laasociación.

Para la asociación depreguntas a un caso, primero seactiva la carpeta que contiene lalista de preguntas, se localiza elcursor sobre el nombre de lapregunta que quiere asociar y se dadoble clic sobre ella, esto presentaráuna pantalla como la de la figura 4.

En la sección inferior de lapantalla se muestra una lista con lasrespuestas esperadas a esa preguntay qué nivel de credibilidad se le haotorgado a la respuesta.

Este nivel de credibilidadestá en el rango de 0 a 100% eindica qué tan seguro se está.

Bajo estas circunstancias,una pregunta puede tener variasrespuestas o rangos de respuesta ycada uno de ellos contar con unnivel de credibilidad distinto.

También puede ocurrir queuna pregunta aporte información adiferentes casos y con diferentenivel de credibilidad.

Lo importante aquí es queel usuario sea capaz de asociarpreguntas y acciones con unproblema particular y que losniveles de credibilidad sean talesque lo distingan de los demásproblemas, por muy parecidos quesean.

Para ajustar el nivel decredibilidad de alguna de las

respuestas de la lista se debe dardoble clic sobre ella y sepresentará una nueva pantalladonde se indicará el rango de lasrepuestas, si es una pregunta tipoentero o real, o deberá seleccionaruna opción en caso de preguntasde tipo selección e indicar el nivelde credibilidad en la barradeslizable (figura 5).

Para el caso particular depreguntas tipo Sí/No, la pantalla deedición es como la figura 6.

Edición de preguntas yaccionesLa edición de preguntas y accionesse realiza sobre interfaces dedicadascomo la mostrada en la figura 7.

En esta interfaz se puedencrear nuevas preguntas, indicando eltítulo, la documentación quedescriba claramente el objetivo de lapregunta, el tipo de pregunta (sí/no,entera, real o de selección), y losvalores o rangos posibles derespuesta.

Figura 5. Interfaces para la definición de respuestas y nivel decredibilidad de preguntas tipo real y selección.

Figura 6. Interfaz para ajuste del nivel de credibilidad depreguntas tipo Sí/No.

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ConclusionesEl SiRBE, como parte del sistemade diagnóstico de generadoreseléctricos (CADIS) cuenta contodos los elementos para facilitartanto el diagnóstico de un equipocomo para aumentar la experienciadel sistema a través de la inyecciónde nuevo conocimiento derivado delanálisis profundo de nuevos casospresentados en la realidad y que nose ajustan a los ya existentes en labase de conocimiento.

Actualmente el sistema seencuentra en la fase de aprendizajey validación, pero seguramente será

una herramienta invaluable para elingeniero de servicios dediagnóstico de generadoreseléctricos fuera de línea.

ReferenciasDe la Torre, H. O., O. Escorsa, A. Castañeda,R. García-Colón y E. López Azamar, “Sistemade diagnóstico de generadores asistido porcomputadora integrado a un LaboratorioMóvil”, Boletín IIE, año 23, enero-febrero de1999, vol. 23, núm. 1, pp. 25-33.

Kolonder, J., Case-based reasoning, Ed.Morgan Kaufmann Publishers, Inc, SanFrancisco, California, 1993.

Robles, E., O. Escorsa, E. López,Laboratorio Móvil para diagnosticar

Figura 7. Interfaz para edición de preguntas.generadores en sitio integrando un sistemade razonamiento basado en casos, IEEESección México, Reunión de VeranoRVP’98, julio 1998.

Watson, I., Applying case-based reasoning:techniques for enterprise systems, EditorialMorgan Kaufmann Publishers, Inc, SanFrancisco, California, 1997.

H. Octavio de la Torre VegaIngeniero industrial electricista (1979) delInstituto Tecnológico de Morelia y maestro eningeniería (1985) por el Instituto Tecnológico yde Estudios Superiores de Monterrey (ITESM).Ingresó al IIE en 1981. Actualmente esinvestigador de la Gerencia de EquiposEléctricos. Su área de especialidad versa sobreel desarrollo de sistemas para el diseño ydiagnóstico de equipo eléctrico.hotv@iie.org.mx

Arturo García TevilloIngeniero en eléctrica (1988) egresado de laUniversidad Autónoma del Estado de Morelos(UAEM), y maestro en ciencias (1992) por laUniversidad de Salford, Reino Unido. En 1998ingresó al IIE, en donde es investigador de laGerencia de Equipos Eléctricos. Se especializaen el diagnóstico en línea y fuera de línea demáquinas eléctricas rotatorias.tevillo@iie.org.mx

Roberto Campuzano MartínezIngeniero electricista (1989) por la UniversidadAutónoma del Estado de Morelos (UAEM) ymaestro en ciencias (1994) por la Universidadde Salford, Reino Unido. En 1998 ingresó alIIE, en donde es investigador de la Gerencia deEquipos Eléctricos. Se especializa en eldiagnóstico y la rehabilitación de sistemasaislantes de máquinas rotatorias de altatensión.rcm@iie.org.mx

José Ernesto López AzamarVer currículum en la página 26.