CAPÍTULO III ANÁLISIS

Transcripción

1 CAPÍTULO III ANÁLISIS En esta fase se desarrolla el proceso de clasificación e interpretación de hechos y el diagnóstico del problema para encontrar la mejor forma de mostrar la información. Para lograr concretar de manera eficiente esta etapa es necesaria la aplicación de herramientas de diseño como lo son las reglas de negocios, casos de uso así como identificar a todos y cada uno de los usuarios que harán uso de la aplicación Actual Actualmente el Tecnológico de Nogales, Sonora (ITN) cuenta con 2 estaciones, una que monitorea los datos meteorológicos y la segunda que colocó la comisión de ecología y desarrollo sustentable del estado de Sonora (CEDES) y la secretaria del medio ambiente y recursos naturales (SEMARNAT) para el monitoreo de la calidad del aire. La estación meteorológica actualmente realiza lecturas de parámetros meteorológicos utilizando instrumentos de medición como: (1) termómetro de máxima y mínima (mide temperatura actual, máxima y mínima del aire); (2) psicómetro (mide la humedad relativa del aire); (3) barómetro aneroide (mide la presión atmosférica); (4) pluviómetro Hellmann (mide la cantidad de lluvia caída durante un intervalo determinado de tiempo); y (5) la veleta anemométrica (mide la velocidad y dirección del aire). Utilizando estas lecturas se obtienen variables importantes para el pronóstico del ozono. Los parámetros químicos que afectan los niveles de ozono son definidos por las lecturas de la segunda estación climatológica y de aire ubicadas junto a la primera estación. Esta segunda estación mide variables como la radiación solar máxima, concentración de NO2 máxima y concentración de NOX (NO + NO2) máxima.

2 Por problemas en los datos meteorológicos de la estación de la calidad del aire se tomaron datos climáticos de la estación meteorológica. Los parámetros de estas lecturas recolectadas por ambas estaciones son una serie de datos que únicamente son entendibles e interpretables por personal especializado en estas lecturas, cabe mencionar que actualmente son pocos los especialistas que pueden interpretar la información. Actualmente los parámetros de la estación meteorológica se guardan cada media hora (1/2 hrs.). Y los parámetros de la estación climatológica y de aire se monitorean cada minuto y estos datos se guardan en tiempo real en una base de datos, no se dan a conocer al público en general ni se permite el acceso a ellos. Tampoco se tiene una utilización real que impacte en la región de Nogales, Sonora. Cabe aclarar que la administración de estas estaciones está a cargo de la división de estudios de posgrado e investigación (DEPI) Propuesto El método que será utilizado para la predicción del nivel de ozono será una interfaz que nos permita extraer los datos que se encuentran en la base de datos de estas estaciones, poder analizarlos, y prepararlos para que por medio de esta misma interfaz pueda tener acceso a ellos una Red Neuronal Artificial (RNA) que utilizará para realizar un entrenamiento bajo el algoritmo backpropagation esta RNA también podrá realizar predicciones en base a rangos de fechas. Este proyecto también contará con una opción para consultar los datos de entrenamiento así como los datos que se predijeron, también contará con gráficas para todo esto se pretende utilizar las lecturas de los siguientes parámetros de entrada: (1) velocidad del viento promedio (km/h); (2) temperatura máxima( o C); (3) humedad relativa promedio (%); (4) presión barométrica promedio (mbar); (5) precipitación 47

3 promedio (mm); (6) radiación solar máxima (W/m2); (7) concentración de NO2; (8) concentración de NOX (NO + NO2); y (9) Ozono (O3). El sistema propuesto se desarrollará en la plataforma Microsoft Visual studio utilizando el lenguaje de programación de C#, el manejo de los datos se realizará con Microsoft SQL Server. Esta aplicación pretende dar a conocer los resultados obtenidos a los organismos preocupados e interesado en mejorar la calidad del aire así como a la comunidad en general interesada Diagrama a bloques del sistema propuesto Login Consultas Predecir Documentos Cerrar Sesión Entrenar C. Datos Acerca de Figura 3.1. Diagrama a bloques de la interfaz 48

4 3.4. Requerimientos funcionales por módulos Esta fase es el fundamento de la investigación, ya que se obtiene la descripción de las necesidades del producto; es decir, se deberá identificar y documentar las partes que son necesarias para elaborar el proyecto Módulo Login La tabla 3.1 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo Login. Tabla 3.1. Requerimientos funcionales del Login s Referencia Funciones Categoría L1 La interfaz permitirá validar al tipo de usuario, administrador o supervisor. L2 Se validarán los datos del usuario en la base de datos Oculto L3 Si lo datos son correctos, se permite el acceso, sino se envía un mensaje de datos incorrectos L4 La interfaz permitirá cerrar o salir de ella Módulo Menú Principal La tabla 3.2 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo Menú Principal. Tabla 3.2. Requerimientos funcionales del Menú Principal Referencia Funciones Categoría MP1 MP2 MP3 MP4 MP5 La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar la opción de consultar los diferentes tipos de datos. La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar la opción de entrenamiento Para crear una arquitectura nueva de RNA. La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar la opción predecir para utilizar una RNA de las ya entrenadas y ejecutarla. La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar la opción cargar datos para poder importar datos a la base de datos. Una vez que el usuario administrador y/o supervisor seleccionan la opción importar datos a la base de datos, el sistema ejecuta la limpieza de estos. Oculto 49

5 MP6 MP7 La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar la opción de documentos para poder leer documentos de la calidad del aire. La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor cerrar sesión Módulo Consultas La taba 3.3 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo Consultas. Tabla 3.3. Requerimientos funcionales de las Consultas Referencia Funciones Categoría CD1 CD2 CD3 CD4 CD5 La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor realizar consulta de los diversos tipos de datos guardados en la base de datos. La interfaz solicitará al usuario administrador y/o supervisor el rango de fechas que se requieren para poder realizar dicha consulta. El usuario administrador y/o supervisor seleccionará el tipo de dato a consultar. Se mostrarán los datos según fecha y agrupación seleccionados. La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor regresar al menú principal Módulo Entrenamiento La taba 3.4 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo Consultas. Tabla 3.4. Requerimientos funcionales del Entrenamiento Referencia Funciones Categoría EN1 La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor seleccionar el número de nodos para la capa de entrada. EN2 El usuario administrador y/o supervisor seleccionará el número de nodos para la capa oculta. EN3 El usuario administrador y/o supervisor escoge la función de activación para los nodos y margen de error. EN4 El sistema asignará pesos a los nodos de manera Oculta estocástica. EN5 El sistema entrena la red con el algoritmo backpropagation. Oculta 50

6 EN6 El sistema guarda pesos óptimos para las conexiones y Oculta predicciones. EN7 El sistema muestra los resultados en gráficas. EN8 La interfaz permitirá al usuario administrador y/o supervisor regresar al menú principal Módulo Predicción La taba 3.5 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo Predicción. Tabla 3.5 Requerimientos funcionales de las Predicción Referencia Funciones Categoría PR1 La interfaz te permite seleccionar una arquitectura de red neuronal artificial. PR2 Seleccionar el rango de fechas y el intervalo a predecir. PR3 Elegir los parámetros de entrada (contaminantes). PR4 Utilizar pesos de conexiones obtenidos del entrenamiento. Oculta PR5 Mostrar resultado de la predicción de salida de la red neuronal. PR6 Graficar los datos de salida. PR7 Seleccionar guardar los datos de salida. PR8 La interfaz permitirá regresar al menú principal Módulo Cargar Datos La taba 3.6 muestra los detalles de los requerimientos funcionales del módulo cargar datos. Tabla 3.6. Requerimientos funcionales del Cargar datos Referencia Funciones Categoría CN1 La interfaz permitirá examinar y seleccionar una ruta, para buscar el archivo con formato.xlsx (Excel). CN2 Leer y mostrar el archivo de formato.xlsx seleccionado en la interfaz. CN3 La interfaz permitirá importar los datos del archivo a la base de datos a una tabla temporal. CN4 La base de datos validará si estos datos ya fueron Oculto exportados. CN5 La interfaz recibirá un mensaje de la base de datos, para notificar si los datos fueron cargados o si están repetidos. CN6 El sistema ejecutará un procedimiento que limpia y agrupa Oculto los datos y los guarda en la base de datos. CN7 La interfaz permitirá regresar al menú principal. 51

7 3.5. Casos de uso de Alto Nivel por módulo Los casos de uso son historias o casos de utilización de un sistema; no son exactamente los requerimientos ni las especificaciones funcionales, sino que ejemplifican e incluyen tácitamente los requerimientos en las historias que narran [15] Caso de uso de alto nivel Login La taba 3.7 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo Login. Caso de uso Actores Descripción Tabla 3.7. Caso de uso de alto nivel Login Login. Administrador/ Supervisor. El usuario que desee utilizar la interfaz debe capturar sus datos para que sean validados y se autorice el acceso o se niegue el acceso a través de un mensaje Caso de uso de alto nivel Menú principal La taba 3.8 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo menú principal. Caso de uso Actores Descripción Tabla 3.8. Caso de uso de alto nivel menú principal Menú principal. Administrador / Supervisor. Una vez que el usuario accedió a la interfaz, podrá seleccionar entre varias opciones que se muestran en éste. Que son consultas, entrenamiento, predicciones, datos. También podrá salirse de la interfaz Caso de uso de alto nivel Consultas La taba 3.9 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo consultas. Caso de uso Actores Descripción Tabla 3.9. Caso de uso de alto nivel consultas Consultas. Administrador / Supervisor. El usuario seleccionará el rango de fechas que desea consultar así como el tipo de dato a consultar (Históricos, Meteorológicos, predicciones) una vez que el usuario eligió, se mostrarán los datos. Al terminar la operación, el usuario podrá regresar al menú principal o hacer otra consulta. 52

8 Caso de uso de alto nivel Entrenamiento La tabla 3.10 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo Entrenamiento. Caso de uso Actores Descripción Tabla Caso de uso de alto nivel entrenamiento Entrenamiento. Supervisor. El usuario especificará la arquitectura de la red que desea entrenar e ingresará los parámetros de entrada para comenzar el entrenamiento, también escogerá la función de activación que desee utilizar y margen de error. La red empezará a entrenar. La red repetirá este procedimiento hasta que su salida se acerque lo más posible al output deseado. Al terminar la operación, el usuario podrá regresar al menú principal o hacer otro entrenamiento Caso de uso de alto nivel Predicción La tabla 3.11 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo Predicción. Caso de uso Actores Descripción Tabla Caso de uso de alto nivel predicción Predicción. Administrador / Supervisor. El usuario podrá escoger la arquitectura de la red ya entrenada, seleccionar los parámetros de entrada y función de activación para realizar predicciones del nivel de ozono. Mostrar la predicción de salida en gráficas. Al terminar la operación, el usuario podrá regresar al menú principal o hacer otro entrenamiento Caso de uso de alto nivel Cargar datos La tabla 3.12 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo cargar datos. Caso de uso Actores Descripción Tabla Caso de uso de alto nivel cargar datos Cargar Datos. Administrador / Supervisor. El usuario podrá seleccionar y mostrar el contenido de archivos txt y xlsx utilizando la interfaz de la aplicación C#. Los contenidos serán leídos por una clase para ser exportados a una base de datos SQL donde los datos serán separados y almacenados en intervalos de 1, 8 y 24 horas. 53

9 3.6. Actores del Un actor es un conjunto de roles de una entidad exterior en relación con el sistema de software. Por lo tanto un actor no es la entidad exterior en sí, sino los aspectos que tienen que ver con su interrelación con el sistema de software; podríamos decir que un actor es la visión que el software tiene con la entidad exterior [23]. A continuación se definen los roles de cada uno de los actores del sistema Clientes La tabla 3.13 muestra el perfil del cliente. Nombre: Tabla 3.13 Cliente. Actor de la Interfaz División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPI) Descripción: Esta interfaz es para el uso y administración del Instituto Tecnológico de Nogales; división de Estudios de Posgrado e Investigación s La tabla 3.14 muestra el perfil del actor administrador. Nombre: Tabla 3.14 Administrador. Actor de la Interfaz Administrador Descripción: Es la persona encargada de administrar todas las funciones de configuración de la interfaz y de la base de datos, es responsable de descargar e importar datos históricos con los cuales trabaja la interfaz. La tabla 3.15 muestra el perfil del actor Supervisor. Nombre: Supervisor Tabla 3.15 Supervisor. Actor de la Interfaz Descripción: Es la persona encargada de realizar los entrenamientos con diferentes arquitecturas de RNA y de realizar las predicciones. 54

10 3.7. Diagramas de Casos de Uso Es una forma más sencilla que permite delimitar el sistema y las relaciones entre éste y su entorno, un caso de uso identifica a los actores implicados en una interacción, y nombra el tipo de interacción. Entonces esto se complementa con información adicional que describe la interacción con el sistema. La información adicional puede ser una descripción textual, o bien, uno o más modelos gráficos como una secuencia UML o un gráfico de estado. Los casos de uso identifican las interacciones particulares con el sistema. Pueden ser documentadas con texto o vinculadas a modelos UML que desarrollan el escenario en más detalle [39] Diagrama de caso de uso Login Login Administrador Capturar Datos del Ambos Validar datos del Supervisor Enviar mensaje Figura 3.2. Caso de Uso Login 55

11 Diagrama de caso de Menú principal Principal Consultas Administrador Entrenamiento Ambos Predicciones Supervisor Datos Documentos Figura 3.3. Caso de Uso Menú Principal 56

12 Diagrama de caso de Cargar Datos Datos Examinar y seleccionar archivo.xlsx Administrador Leer y mostrar archivo Ambos Exportar archivo a la BD Supervisor Validar y almacenar parámetros Limpiar y agrupar los datos Figura 3.4. Caso de Uso Cargar Datos 57

13 Diagrama de caso de uso Entrenamiento Entrenamiento Seleccionar nodos de entrada Administrador Seleccionar nodo de oculta Ambos Escoger función de activación Asignar pesos Supervisor Entrenar Red con Backpropagation Guardar Pesos Óptimos Figura 3.5. Caso de Uso Entrenamiento 58

14 Diagrama de caso de uso Predicción Seleccionar Arquitectura de RNA Seleccionar el rango de fechas e intervalo Elegir los parámetros de entrada Supervisor Escoger los pesos de conexión Mostrar resultados de la predicción Graficar Datos de Salida Figura 3.6. Caso de Uso Predicción 59

15 Diagrama de caso de uso Consultas Consultas Seleccionar rango de fechas Seleccionar los tipos de datos Supervisor Mostrar datos elegidos Figura 3.7. Caso de Uso Consultas 60

16 3.8. Caso expandido de uso por módulo Un caso expandido de uso muestra más detalles que uno de alto nivel; este tipo de casos suelen ser útiles para alcanzar un conocimiento más profundo de los procesos y de los requerimientos. A menudo se llevan a cabo en un estilo coloquial entre los actores y el sistema [15] Caso expandido de uso Login La tabla 3.16 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo Login. Caso de uso Login. Actores Administrador/ Supervisor. Descripción El usuario que desee utilizar la interfaz debe capturar sus datos para que sean validados y se autorice el acceso o se niegue. En este caso se mostrará un mensaje al usuario de no autorizado. Referencias L1,L2,L3,L4 Curso normal de los eventos 1.- El usuario elige iniciar o abrir la 2.- El sistema muestra el formulario Login interfaz 3.- El usuario ingresa los datos requeridos por el formulario Login 4.- El usuario hace clic en el botón Iniciar sesión 5.- valida los datos ingresados por el usuario administrador y permite el acceso a nueva opción Menú principal 6.- Si los datos no son correctos, borrar la información ingresada. Y muestra un mensaje 7.- El usuario administrador / supervisor elige la opción Cerrar Sesión Tabla Caso de uso de alto nivel Login de usuario no Autorizado. 8.- El sistema se cierra. SALIR Cursos Alternos LÍNEA 5: El sistema enviará un mensaje al usuario informándole que no existe en la base de datos y solicitando verificar su redacción (usuario y contraseña), regresando a la acción 3. 61

17 Caso expandido uso Menú principal La tabla 3.17 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo menú principal. Caso de uso Actores Descripción Referencias Menú principal. Administrador / Supervisor. Una vez que el usuario accedió a la interfaz, podrá seleccionar entre varias opciones que se muestran en éste. Que son consultar datos, entrenamiento de una RNA, predicciones de un periodo determinado, cargar datos, salir de la Interfaz. MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6. Curso normal de los eventos 2.- La interfaz muestra el menú principal. 1.- Inicia al validar correctamente los datos del usuario (administrador / supervisor). 5.- El usuario puede elegir una de las opciones mostradas. 7.- El usuario administrador / supervisor elige la opción Cerrar Sesión. Tabla Caso de uso de alto nivel menú principal 3.- El sistema muestra menú de módulos, consultas, entrenamiento, predicciones, datos, documentos, Acerca de. 4.- El sistema queda en espera de que se elija una opción. 6.- El sistema inicia la opción elegida. 8.- El sistema se cierra. SALIR. Cursos Alternos 62

18 Caso expandido de uso Cargar datos La tabla 3.18 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo cargar datos. Caso de uso Cargar datos. Actores Administrador / Supervisor. Descripción El usuario podrá seleccionar y mostrar el contenido de archivos txt y xlsx utilizando la interfaz. Los contenidos serán leídos por una clase para ser exportados a una base de datos SQL donde los datos serán sometidos a un ETL y separados, almacenados en intervalos de 1, 8 y 24 horas. Referencia CD1, CD2, CD3, CD4, CD5 Curso normal de los eventos 1. Iniciar cuando el usuario seleccionó la 2.- El sistema abre una carpeta para opción datos. examinar el archivo xlsx. 3.- El usuario elige el archivo que desee 4.- El sistema muestra el archivo cargar a la base de datos. seleccionado. 5.- El sistema queda en espera importar 6. Seleccionar la opción para exportar datos a base de datos SQL El usuario puede seleccionar otro archivo o salir del módulo. Tabla Caso de uso de alto nivel Cargar datos datos 7.- El sistema revisa que los datos no estén repetidos en la base de datos. (Validación) 8.- Si no están repetidos los guarda y envía un mensaje de Datos guardado. 9.- El sistema ejecuta un proceso de limpieza y agrupación de datos en 1hrs., 8hrs., 24hrs. y guarda los datos La interfaz regresa al menú principal. Cursos Alternos 63

19 Caso expandido de uso Entrenamiento La tabla 3.19 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo consultas. Caso de uso Entrenamiento. Actores Administrador / Supervisor. Descripción El usuario especificará la arquitectura de la red que desea entrenar e ingresará los parámetros de entrada para comenzar el entrenamiento, también escogerá la función de activación que desee utilizar y margen de error. Al comenzar el entrenamiento, los pesos de las conexiones serán determinados al azar. En cada iteración, la red comparará su salida con el output deseado y calculará el margen de error para volver a calcular los pesos. La red repetirá este procedimiento hasta que su salida se acerque lo más posible al output deseado. Referencia EN1, EN2, EN3, EN4, EN5, EN6, EN7, EN8. Curso normal de los eventos 1.-Inicia cuando el usuario selecciona la 2.- Muestra la interfaz del módulo opción entrenamiento. entrenamiento. 3.- El usuario elige las capas ocultas que llevará la arquitectura a entrenar. 4.- El usuario elige los parámetros de entrada. 5.- El usuario elige la agrupación de datos que desea entrenar 1hrs, 8 hrs, o 24 hrs. 6.- El usuario elige el número de épocas que desea entrenar y rate de aprendizaje. 7.- El usuario elige una función de activación. 8.- El usuario establece un margen de 9.- Utilizando las características error. seleccionadas empieza a cargar la RNA 10. Asignar peso de conexiones al azar para comenzar cálculos. 11. Utilizar el algoritmo backpropagation para entrenamiento Muestra los resultados de Salida Grafica los resultados El sistema le pregunta al usuario que si desea guardar la arquitectura con los pesos óptimos El usuario elige guardar los datos Guardar la arquitectura con los pesos 17.- El usuario elige salir o realizar otro entrenamiento. Tabla Caso de uso de alto nivel entrenamiento óptimos después de entrenamiento El sistema regresa al menú principal. 64

20 Cursos Alternos Línea 14: si el usuario no desea guardar la arquitectura, se muestra un mensaje de aviso que se perderán esos datos y se regresa a la línea Caso expandido de uso Predicción La tabla 3.20 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo consultas. Tabla Caso de uso de alto nivel Predicción Caso de uso Predicción. Actores Administrador / Supervisor. Descripción Una vez que la red se encuentre entrenada, el usuario podrá escoger la arquitectura de la red en la interfaz, escoger los parámetros de entrada y función de activación para realizar pronósticos del nivel de ozono. La aplicación utilizará los pesos óptimos obtenidos del entrenamiento para mostrar el pronóstico de salida. Referencia PR1, PR2, PR3, PR4, PR5, PR6, PR7, PR8. Curso normal de los eventos 1.-Inicia cuando el usuario selecciona la 2.- muestra la interfaz del módulo opción Predicción. Predicción. 3.- Seleccionar Arquitectura de RNA de las ya entrenadas. 4.- Escoger el rango de fechas para los parámetros. 5.- Seleccionar el intervalo de entrenamiento. 6.- Escoger los parámetros de entrada. 7.- El sistema utiliza los pesos de conexiones óptimos obtenidos por el entrenamiento. 8.- Realiza los procesos de predicción. 9.- Muestra los resultados de la predicción Pregunta al usuario si desea guardar los datos de predicción El usuario elige guardar los datos de 12.- Se guardan los datos. predicción El usuario elige hacer otra predicción 14.- El sistema regresa al menú principal. o salir de la interfaz. Cursos Alternos LÍNEA 10: si el usuario no desea guardar los datos de la predicción, se mostrará un mensaje de notificación que los datos se perderán. 65

21 Caso expandido de uso Consultas La tabla 3.21 muestra los detalles del caso de uso de alto nivel del módulo consultas. Caso de uso Consultas. Actores Administrador / Supervisor. Descripción El usuario seleccionará el rango de fechas que desea consultar así como el tipo de dato a consultar (Históricos, Meteorológicos, predicciones) una vez que el usuario eligió, se mostrarán los datos. Al terminar la operación, el usuario podrá regresar al menú principal o hacer otra consulta. Referencias Curso normal de los eventos 1.- Este módulo inicia cuando el usuario 2.- El sistema muestra la interfaz del módulo elige la opción Consultar del módulo consultas. menú principal. 3.- Esta interfaz muestra, rangos de fechas, tipos de datos a consultar, predicciones y queda en espera de las elecciones del usuario. 4.- El usuario elige un rango de fechas. 5.- Elige un tipo de dato a consultar o predicción. 7.- El usuario elige realizar otra consulta o cerrar el módulo. Tabla Caso de uso de alto nivel consultas 6.- El sistema muestra los datos seleccionados considerando el rango de fechas seleccionadas. 8.- El muestra el menú principal y queda en espera de la elección de otra opción. Cursos Alternos LÍNEA 4: si el usuario elige un rango de fechas que no están guardadas en la base de datos, el sistema mostrará un mensaje notificando que esas fechas no existen en la base de datos, que seleccione otras fechas. 66