Chisme del Lince 63: simulador de incendio forestal

Aquella tarde de octubre el aire de Sierra Bermeja olía a jara seca y el Lince de la Noche no paraba de mirar al cielo. No había nubes. Tampoco había viento. Y aun así, el Lince tenía las orejas tiesas y el rabo corto muy quieto, que en un lince es señal de preocupación.

—Llevas diez minutos sin parpadear —dijo la Gata Montesa, sentada sobre una roca con su portátil en equilibrio precario—. ¿Qué estás vigilando?

—Todo —respondió el Lince—. Esta sierra ha ardido antes, Gata. Y los Centuriones de la Verdad me han pedido una cosa imposible: que les enseñe a decidir dónde abrir un cortafuegos antes de que haya fuego.

—¿Y cómo piensas hacerlo? ¿Prendiendo fuego a un monte para ver qué pasa?

—Hombre, tanto como eso… —El Lince carraspeó—. Había pensado en una réplica a escala del pinar, un mechero…

—Lince.

—…y quizá una cubeta de agua, por si acaso.

—Lince. —La Gata cerró los ojos con paciencia—. Nadie va a encender nada. Tenemos la Cámara de la Verdad, ¿recuerdas? Esa sala donde las pruebas son virtuales y los errores no cuestan nada. Metemos el monte en un ordenador, lo dividimos en cuadraditos, le damos unas reglas muy sencillas y dejamos que arda dentro de la simulación. Mil veces si hace falta. Sin un solo árbol de verdad en peligro.

—¿Y se puede saber algo real con unas reglas tan sencillas?

—Más de lo que crees. Y lo mejor es lo que no esperas: que hay una densidad de bosque por debajo de la cual el fuego se apaga solo, y por encima de la cual lo arrasa todo. Una frontera casi mágica. Vamos a encontrarla.

El Lince miró por última vez la sierra, bajó las orejas y sonrió.

—Pues a la Cámara de la Verdad. Pero la humedad la controlo yo.

SIMULACIÓN EDUCATIVA. Este chisme es un modelo de ordenador con reglas muy simplificadas. No predice ningún incendio real ni sirve para tomar decisiones sobre el monte. Si ves humo o fuego en el campo, llama al 112, aléjate y no intentes apagarlo. En un incendio forestal real, quien decide y actúa son los profesionales.

Introducción

En este chisme 63 construimos un simulador de incendio forestal: un bosque virtual de 80 × 60 celdas donde puedes elegir cuánta vegetación hay, cuán húmeda está y desde dónde sopla el viento, prender una chispa y ver qué pasa. Después le pedimos al ordenador que repita el experimento cien veces y nos diga qué es lo normal y qué es la excepción.

Es el primer chisme de la serie dedicado a la simulación de fenómenos naturales. Hasta ahora medimos cosas con sensores. Ahora no medimos nada del mundo real: construimos un mundo pequeño y lo interrogamos. Es otra forma, igual de científica, de aprender.

Por qué este chisme

Un incendio no se puede repetir. Nadie va a quemar un pinar veinte veces para comparar qué habría pasado con un cortafuegos o sin él. Una simulación sí se puede repetir, y es justo lo que la hace útil:

• Podemos cambiar una sola variable (la humedad, por ejemplo) y dejar las demás quietas, algo casi imposible en el monte.
• Podemos repetir el mismo escenario con la misma semilla aleatoria y comprobar que el resultado es idéntico.
• Podemos comparar decisiones: ¿qué pasa con un cortafuegos vertical?, ¿y con uno inclinado?
• Podemos hacerlo sin riesgo, sin gasolina y sin sobresaltos para el Lince.

Es, además, un clásico de la ciencia computacional: un autómata celular con reglas de vecindad, muy parecido a los modelos con los que se estudian de verdad los incendios, las epidemias o el tráfico. Los de verdad son mucho más complejos. El nuestro es suficientemente sencillo para que un alumno lo lea entero y suficientemente rico para que sorprenda.

Cómo funciona

—Dime tres cosas —pidió la Gata—: qué hay en el modelo, qué les pasa y quién manda sobre quién.

Es la forma de empezar cualquier simulación: identificar los agentes, sus estados y sus reglas. En nuestro modelo el “agente” es cada celda del terreno, y puede estar en uno de cinco estados:

Estado	Qué representa	Qué le puede pasar
Claro	Suelo sin vegetación	Nada: no arde
Árbol	Vegetación que puede arder	Pasa a fuego si un vecino arde y sale la probabilidad
Fuego	Celda ardiendo	Dura un paso y pasa a ceniza
Ceniza	Vegetación quemada	Nada: no vuelve a arder
Cortafuegos	Franja abierta por el usuario	Nada: se comporta como un claro

La regla de contagio cabe en una frase: en cada paso de tiempo, un árbol con al menos un vecino ardiendo (arriba, abajo, izquierda o derecha) se enciende con una probabilidad p. Las diagonales no cuentan.

Y esa probabilidad depende de dos cosas:

• La humedad. Para viento nulo, p = 1 − humedad/100. Con una humedad del 15 %, p = 0,85, es decir, un 85 % de posibilidades de contagio por cada vecino ardiendo. Cuanto más húmedo, más difícil prender.
• El viento. El contagio se multiplica por un factor que crece si el fuego avanza en la dirección del viento y baja si va en contra: p × (1 + 0,8 × fuerza × cos θ), siempre acotado entre 0 y 1. θ es el ángulo entre la dirección en que se propaga el fuego y la del viento.

¿Y la suerte? Cada decisión “¿se enciende o no?” se toma con un número aleatorio. Pero los ordenadores no tiran dados de verdad: usan un generador pseudoaleatorio a partir de una semilla. Misma semilla, mismo bosque y mismo incendio; semilla distinta, bosque distinto. Por eso un compañero puede reproducir exactamente lo que tú has visto con solo decirle el número.

Todo esto está en unas pocas funciones: crearBosque, probabilidades, paso, simular y barrido. La propia página las muestra con una breve explicación en el apartado El programa del modelo, y el código que ves es el que se está ejecutando, no una copia.

El simulador: juega aquí mismo

Puedes abrir el simulador de incendio forestal en pantalla completa o usarlo aquí, dentro de la entrada. No necesita instalar nada, no pide permisos de cámara ni micrófono, no envía datos a ningún servidor y funciona en el móvil.

Código para pegar en WordPress (bloque HTML personalizado):

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Cuatro pasos para empezar:

1. Planta el bosque. Elige densidad (por defecto, 70 %), humedad (15 %), dirección y fuerza del viento. Si quieres repetir un experimento, apunta la semilla.
2. Enciende y observa. Haz clic en un punto del bosque para prender una chispa, o pulsa Rayo para que caiga en un sitio al azar. Con Play el fuego avanza solo; con Paso lo haces avanzar tú.
3. Abre un cortafuegos. Activa el modo cortafuegos y pinta con el dedo o el ratón una franja de celdas sin vegetación. Después vuelve a encender.
4. Predice y decide. Pulsa 100 chispas para que el programa prenda cien igniciones al azar y muestre el histograma de superficie quemada. Pulsa Densidad crítica para ver, en una gráfica, a partir de qué densidad el fuego deja de ser local y atraviesa el bosque. Todo se puede descargar en CSV.

Si la página no se ve completa dentro de tu tema de WordPress, ajusta el valor de height o usa el enlace a pantalla completa.

Qué estamos midiendo realmente

Aquí el Lince se llevó la primera sorpresa.

—Lo he lanzado cien veces con los mismos parámetros —dijo— y no sale un resultado, salen dos. A veces el fuego se muere enseguida y a veces se come medio bosque.

—Eso es lo que quería que vieras —respondió la Gata—. En una simulación con azar, un resultado no es un dato: es una muestra. Por eso existe el método de Monte Carlo: repetir muchas veces y mirar la distribución.

En nuestras pruebas, con densidad del 70 % y humedad del 15 %, cien chispas dieron una media de alrededor del 46 % del bosque quemado, y más de la mitad de las veces el fuego superó el 50 %. Pero la media engaña: el histograma tiene dos montañas, la de los fuegos que se apagan pronto y la de los que arrasan. Ningún incendio concreto se parece a “la media”.

El umbral crítico

La segunda sorpresa es la densidad crítica. Al subir poco a poco la densidad del bosque, el fuego no crece de forma gradual: hay una zona estrecha donde pasa de quedarse en un rincón a cruzar todo el bosque. En el caso ideal (contagio seguro y sin viento) esa frontera está cerca del 59 %. Con humedad, los árboles prenden con menos facilidad y el umbral sube hacia el 70 % en nuestro modelo. Es un fenómeno conocido en física como percolación: la conexión a gran escala aparece de golpe cuando hay suficientes piezas conectadas.

Lo que el modelo NO sabe

Aquí va la parte más importante del chisme. Un modelo no es la realidad. El nuestro ignora:

• el relieve (el fuego sube mucho más rápido por una ladera);
• las especies y el estado del combustible (pinar, matorral, pasto);
• las brasas que el viento lanza lejos y saltan cortafuegos;
• los cambios de viento y la temperatura;
• la extinción y los medios auténticos de los equipos profesionales.

Por eso el simulador sirve para entender una idea (azar, umbral, efecto de un cortafuegos), no para decir qué va a pasar en Sierra Bermeja. Con los datos reales de un sensor ambiental, como el que vimos con el sensor BME280 y el halcón, podríamos alimentar un modelo mejor; pero seguiría siendo un modelo.

Y una regla que el Lince repitió en voz alta para que se le quedara: la simulación responde a la pregunta que le hacemos, no a la que deberíamos haber hecho.

Para el aula

El simulador sirve tanto para un primer contacto con la simulación como para trabajar con datos en Ciencia de Datos o Computación. Algunas actividades:

• Identifica el modelo. Antes de abrir la página, que el alumnado liste los agentes, los estados y las reglas, y después lo compare con el panel Qué hay dentro del modelo.
• Una variable cada vez. Fija la semilla y cambia solo la humedad. Anota la superficie quemada para humedades de 0, 15, 30, 45 y 60 %. ¿La relación es lineal?
• Misma semilla, mismo resultado. Una pareja apunta su escenario y semilla; otra lo reproduce sin verlo. ¿Coinciden? ¿Por qué?
• Una chispa no es un experimento. Repetir cinco veces un fuego a mano y compararlo con las cien chispas del programa. ¿Qué media y qué dispersión sale en cada caso?
• Diseña un cortafuegos. Cada grupo dibuja el suyo con un límite de celdas. Gana el que, con cien chispas, reduce más la media de superficie quemada. Luego discutir: ¿mejor un cortafuegos largo o varios cortos?
• Lee la gráfica. ¿En qué densidad cruza el 50 % de superficie quemada? ¿Qué pasa con esa cifra si sube el viento?
• Sentido crítico. ¿Qué tres cosas del monte real faltan en el modelo? ¿Cuál cambiaría más los resultados?

Retos

1. Haz que funcione. Planta el bosque por defecto, prende una chispa y observa cómo avanza el frente.
2. Modifica algo. Cambia la humedad y el viento y describe qué forma toma el área quemada.
3. Añade una variable. Copia la página y añade en probabilidades un efecto del relieve: el fuego sube mejor una ladera que baja.
4. Guarda los datos. Descarga el CSV de las cien chispas y ábrelo en una hoja de cálculo.
5. Representa los datos. Dibuja tu propio histograma y calcula media, mediana y desviación típica. ¿Por qué la media no describe bien el resultado?
6. Automatiza el proceso. Haz un script (en Python, por ejemplo) que repita el barrido de densidades con más bosques por punto y compara la curva con la de la página.
7. Haz que participe otro dispositivo. Usa un sensor de temperatura y humedad (como el BME280 o el DHT22 que ya conoces) para que sea la humedad medida en el instituto la que alimente el modelo.
8. Conviértelo en investigación. Formula una hipótesis, por ejemplo “un cortafuegos inclinado protege mejor que uno vertical cuando hay viento”, diseña el experimento, repite lo bastante y concluye qué se puede afirmar y qué no. Y pásale tu informe a otro grupo para que intente refutarlo.

Qué hemos aprendido

Al caer la tarde, el Lince cerró la Cámara de la Verdad y se quedó un rato en silencio mirando la sierra.

—Mañana les cuento a los Centuriones que el cortafuegos no se decide con una chispa, sino con cien —dijo al fin.

—Y que el modelo no manda —añadió la Gata—. Ayuda a pensar. A decidir, mejor, los que saben del monte.

—Y que si huelen humo…

—…llaman al 112. Ya lo sé, Lince.

Lo que nos llevamos de este chisme:

• Una simulación se construye con agentes, estados y reglas, y se hace preguntas que la realidad no deja repetir.
• Con azar, un resultado es una muestra: hay que repetir (Monte Carlo) y mirar la distribución, no un caso.
• Hay umbrales: pequeños cambios de densidad pueden convertir un fuego local en uno que lo arrasa todo.
• Un cortafuegos cambia la distribución de resultados, y eso se puede medir.
• Un modelo no es la realidad: sirve para entender una idea, y conviene saber qué ignora.

Para seguir investigando

• Autómata celular, el tipo de modelo que hemos usado.
• Teoría de la percolación, la idea matemática detrás del umbral crítico.
• Sensor BME280, por si quieres medir temperatura y humedad reales para alimentar el modelo.

Y si quieres seguir entrenando en la Cámara de la Verdad, tienes dos chismes anteriores: el laberinto que se resuelve inclinando el móvil (chisme 61) y El espejo del Lince, la instalación generativa con cámara (chisme 62).

En el siguiente chisme seguiremos con la simulación, pero con seres vivos: ahora los agentes se moverán, comerán y se reproducirán.