modelo de simulación basado en agentes de software inteligentes para el aprendizaje de ...

173 Pages·2007·2.26 MB·Spanish

MODELO DE SIMULACIÓN BASADO EN AGENTES DE SOFTWARE
INTELIGENTES PARA EL APRENDIZAJE DE ESTRATEGIAS DE
COMERCIALIZACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN COLOMBIA

Tesis de Maestría en Ingeniería de Sistemas
Línea de investigación en Inteligencia Artificial

JULIÁN MORENO CADAVID

Director
DEMETRIO ARTURO OVALLE C. PhD.

Co Director
JUAN DAVID VELÁSQUEZ H. PhD. (c)

Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Facultad de Minas – Escuela de Sistemas
2007
NOTAS DE ACEPTACIÓN

ii
iii
iv
AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

El director y codirector de esta tesis, los profesores Demetrio Ovalle y Juan David Velásquez de la
Escuela de Sistemas por su acompañamiento y valiosos aportes en la elaboración de este trabajo.

A Carlos Jaime Franco, Mónica Henao y Alejandro Uribe, jurados de esta tesis, por sus oportunos
comentarios, sugerencias y correcciones.

A todos los profesores y compañeros de la maestría por su apoyo y críticas constructivas.

Y en general a todas aquellas personas que de una u otra manera fueron una ayuda en la realización
de este trabajo.

v
RESUMEN

El alto nivel de competencia introducido en los mercados eléctricos alrededor del mundo a raíz de
su liberalización ha obligado a las diversas empresas que hacen parte estos mercados, y en
particular a aquellas que se dedican al negocio de la comercialización, ha desarrollar estrategias
inteligentes que les permitan posicionarse de manera eficiente y perdurable. El mercado eléctrico
colombiano no es ajeno a este panorama por lo que en esta tesis se proponen una serie de modelos
que, ha partir de la estadística, la algoritmia y la inteligencia artificial, permiten la evaluación de
estrategias de comercialización y el impacto de la evolución de las mismas dentro de un ambiente
de simulación que considera las principales características del mercado colombiano. Entre estas
características se considera la alta dependencia hidráulica para la formación de los precios, así como
la alta volatilidad de estos en la bolsa de energía, entre otras.

Para lograr este objetivo se propone emplear la simulación basada en sistemas multi-agente cuyos
fundamentos la hacen adecuada para el problema abordado en esta tesis. Sin embargo, para poder
emplear este enfoque, fue necesario definir una metodología formal con la que se pudiera abordar
cada una de las fases requeridas en este tipo de proyecto. Una vez definida la arquitectura del
modelo general de simulación, se procedió a la modelación de las principales decisiones que deben
tomar los comercializadores así como de las variables involucradas en dicho procesos.
Posteriormente se definió un modelo de inferencia basado en lógica difusa que permite brindar una
recomendación de cara al comercializador respecto a su proceder en contratación a partir de las
condiciones actuales del mercado y de su expectativa en el futuro cercano. Así mismo, se definió un
modelo de aprendizaje que permite simular la manera en la que los comercializadores alteran sus
creencias respecto a la utilidad de tranzar en bolsa, esto es, como cambian el nivel de credibilidad
con el que valoran el sistema de recomendación de acuerdo a los resultados que perciben al usarlo.

Finalmente, se presentan varios casos de estudio en los que se simulan distintos escenarios que
consideran la naturaleza del mercado eléctrico colombiano. A partir de tales pruebas fue posible
determinar el rendimiento obtenido por agentes con perfiles de riesgo diferentes, así como la
conveniencia en términos de eficiencia económica del uso de los modelos de inferencia y
aprendizaje propuestos.
vi
ABSTRACT

The high level of competence that was introduced in the electric markets around the world due to
their liberalization has forced the companies, and particularly those which are dedicated to trading
process, to develop intelligent strategies that allow them to position in an efficient and lasting way.
The Colombian market is not the exception. Because of this, and based on statistics, algorithms and
artificial intelligence; a set of models that allows the evaluation of trading strategies and the impact
of their evolution within a simulation environment that considers the main features of the
Colombian market were proposed in this thesis. Among these features it was considered the high
hydraulic dependence in the prices formation and the high volatility of prices in the spot market.

To reach this goal a multi-agent based simulation approach was used whose principles are suitable
to the studied problem, but first it was necessary to define a formal methodology to undertake each
one of the required phases in this kind of project. Once the architecture of the general simulation
model was defined, the main decisions that trading agent must take as well as the involved variables
were modeled. Later on, a fuzzy inference model that gives a recommendation to the trading agent
about its contracting level was defined considering the current market conditions as well as close
future expectations. Likewise, a learning model that simulates the way in which trading agent alters
their beliefs about the convenience of trading electricity in the spot market was defined, this is, how
they change the credibility level that is used to value the recommendation system according to the
results they perceive.

Finally, several study cases that simulate different scenarios considering the Colombian market
nature were presented. Starting from that tests it was possible to determine the profits that are
achieved by agents with different risk profiles, as well as the usefulness in terms of economic
efficiency of the use of de proposed inference and learning models.

vii
TABLA DE CONTENIDO

Pag.

CAPÍTULO 1.....................................................................................................................................1
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................1
1.1 Introducción.......................................................................................................................1
1.2 Motivación.........................................................................................................................1
1.3 Aportes...............................................................................................................................3
1.4 Definición del problema de investigación.........................................................................3
1.5 Preguntas de investigación.................................................................................................5
1.6 Alcance..............................................................................................................................6
1.7 Objetivos............................................................................................................................7
1.8 Metodología de trabajo......................................................................................................8
1.9 Organización del documento...........................................................................................10
1.10 Difusión de resultados.....................................................................................................10
CAPÍTULO 2...................................................................................................................................12
APROXIMACIONES AL MODELADO DEL MERCADO ELÉCTRICO COLOMBIANO 12
2.1 Generalidades sobre el mercado eléctrico Colombiano...................................................12
2.2 Aproximaciones para el aprendizaje de estrategias de comercialización........................15
2.2.1 Teoría moderna de inversión...................................................................................16
2.2.2 Teoría de arbitraje...................................................................................................17
2.2.3 Teoría moderna de portafolios................................................................................17
2.2.4 Teoría formal de negociación..................................................................................18
2.2.5 Teoría de juegos......................................................................................................18
2.2.6 Teoría de decisión...................................................................................................19
2.3 Simulación de sistemas....................................................................................................19
2.4 Trabajos realizados..........................................................................................................23
2.5 Reflexión..........................................................................................................................26
CAPÍTULO 3...................................................................................................................................27
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS DE
SIMULACIÓN BASADOS EN SISTEMAS MULTI-AGENTE................................................27
4.1 Enfoques y metodologías existentes............................................................................27
4.1.1 Simulación de sistemas...........................................................................................28
4.1.2 Ingeniería de software.............................................................................................28
4.1.3 Ingeniería de software orientada a agentes.............................................................30
4.2 Metodología propuesta................................................................................................31
4.2.1 Fase de captura de requerimientos..........................................................................31
4.2.2 Fase de conceptualización.......................................................................................32
4.2.3 Fase de análisis........................................................................................................35
4.2.3.1 Modelo de roles..................................................................................................35
4.2.3.2 Modelo de entorno..............................................................................................37
viii
4.2.3.3 Modelo de tareas.................................................................................................37
4.2.3.4 Modelo de razonamiento y aprendizaje..............................................................38
4.2.3.5 Modelo de ontología...........................................................................................39
4.2.3.6 Modelo de coordinación.....................................................................................40
4.2.4 Fase de diseño.........................................................................................................41
4.2.4.1 Modelo de agentes..............................................................................................41
4.2.4.2 Modelo de comunicación....................................................................................42
4.2.4.3 Modelo de plataforma.........................................................................................42
4.2.5 Fase de implementación y verificación...................................................................43
4.2.6 Fase de validación...................................................................................................43
4.2.7 Fase de estudio de resultados..................................................................................47
4.2.8 Fase de replicación..................................................................................................48
4.3 Reflexión.....................................................................................................................48
CAPÍTULO 4...................................................................................................................................49
MODELO DE SIMULACIÓN BASADO EN AGENTES DEL MERCADO ELÉCTRICO
COLOMBIANO..............................................................................................................................49
4.1 Fase de captura de requerimientos..............................................................................49
4.2 Fase de conceptualización...........................................................................................49
4.3 Fase de análisis............................................................................................................53
4.3.1 Modelo de roles.......................................................................................................53
4.3.2 Modelo de entorno..................................................................................................56
4.3.3 Modelo de tareas.....................................................................................................57
4.3.4 Modelo de razonamiento y aprendizaje..................................................................58
4.3.5 Modelo de ontología...............................................................................................60
4.3.6 Modelo de coordinación..........................................................................................60
4.4 Fase de diseño.............................................................................................................61
4.4.1 Modelo de agentes..................................................................................................61
4.4.2 Modelo de comunicación........................................................................................61
4.4.3 Modelo de plataforma.............................................................................................62
4.5 Reflexión.....................................................................................................................62
CAPÍTULO 5...................................................................................................................................64
TOMA DE DECISIONES DE LOS AGENTES COMERCIALIZADORES DE ENERGÍA.64
5.1 Decisiones de la actividad de comercialización..........................................................64
5.1.1 Factor de contratación.............................................................................................65
5.1.2 Estrategia de compra...............................................................................................69
5.1.3 Precio de venta........................................................................................................71
5.1.4 Otras consideraciones..............................................................................................71
5.2 Mecanismo de razonamiento.......................................................................................72
5.2.1 Proyección de la demanda.......................................................................................73
5.2.2 Evaluación de la disponibilidad hídrica..................................................................74
5.2.3 Análisis de la dinámica de precios..........................................................................75
5.2.4 Precio de compra.....................................................................................................76
5.2.5 Propensión a transar en bolsa..................................................................................76
5.2.6 Distribución de contratos........................................................................................77
5.2.7 Factor de contratación.............................................................................................78
5.2.8 Margen de utilidad..................................................................................................78
ix
5.3 Reflexión.....................................................................................................................79
CAPÍTULO 6...................................................................................................................................80
MECANISMO DE INFERENCIA DIFUSO PARA LA CONTRATACIÓN DE LOS
AGENTES COMERCIALIZADORES DE ENERGÍA..............................................................80
6.1 Aspectos a considerar..................................................................................................80
6.2 Análisis de la evolución de precios.............................................................................81
6.3 Evaluación de la disponibilidad hídrica.......................................................................83
6.4 Determinación del factor de contratación....................................................................86
6.5 Desempeño del modelo...............................................................................................90
6.6 Reflexión.....................................................................................................................93
CAPÍTULO 7...................................................................................................................................94
MECANISMO PARA MODELAR EL APRENDIZAJE DE ESTRATEGÍAS DE
COMERCIALIZACIÓN DE ENERGÍA .....................................................................................94
7.1 Decisiones de los agentes............................................................................................94
7.2 Generalidades de los métodos de aprendizaje de máquina..........................................94
7.3 Aprendizaje reforzado.................................................................................................96
7.3.1 Modelo general.......................................................................................................96
7.3.2 Medida de la optimalidad........................................................................................98
7.3.3 Medida de rendimiento del aprendizaje..................................................................99
7.4 Mecanismo de aprendizaje propuesto..........................................................................99
7.5 Desempeño del modelo.............................................................................................104
7.6 Reflexión...................................................................................................................106
CAPÍTULO 8.................................................................................................................................107
VALIDACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS....................................................................107
8.1 Caso 1........................................................................................................................107
8.2 Caso 2........................................................................................................................118
8.3 Reflexión...................................................................................................................124
CAPÍTULO 9.................................................................................................................................125
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO...............................................................................125
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................131
ANEXO A......................................................................................................................................139
MODELOS PARA LA SIMULACION DE ESCENARIOS.....................................................139
A.1 Aportes de los ríos.....................................................................................................139
A.2 Embalse ofertable......................................................................................................141
A.3 Precio promedio mensual de contratos......................................................................143
A.4 Precio promedio mensual de bolsa............................................................................144
A.5 Demanda de energía..................................................................................................145
A.5.1 Modelado de la demanda del sistema....................................................................146
A.5.2 Modelado de la evolución de demanda propia del comercializador.....................147
ANEXO B.......................................................................................................................................150
DETALLES DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO...................................................150
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