Inteligencia artificial para la maquinaria de obras públicas

Los elementos utilizados en la automatización son:

• Sensores que proporcionan información sobre la situación de la máquina (tanto posición, como orientación) sobre la superficie terrestre. Encontramos sistemas con dos tipos de referencias: globales, basados en satélites que emiten señales de referencia y complementados con software de información geográfica; y locales, mediante estaciones de posicionamiento local basadas en láser y sistemas ópticos de precisión.

• Sensores que proporcionan información referente al entorno de la máquina. Encontramos sistemas basados en visión artificial y en láser siendo los más destacados y novedosos los escáneres láser 3D (Lader).

• Sensores que aportan información sobre la propia máquina, podemos encontrar: sistemas inerciales basados en giróscopos, acelerómetros e inclinómetros; sistemas para la medida de cargas y esfuerzos (su utilidad en maquinaria de construcción es principalmente de seguridad, aunque podrían ser utilizados como elementos de captura de datos para estudios de productividad); sistemas de medida de posición y ángulos utilizados para medir la posición relativa de las articulaciones y ejes de la máquina y sensores de medición de consumos, tiempo de trabajo, esfuerzos realizados, etc., que nos aportan información sobre el rendimiento energético de la máquina que ayudan en la seguridad y mantenimiento.

• Un sistema que recoja la información de los sensores, esto incluye tanto el cableado (ya sea en forma de bus o punto a punto o mediante red inalámbrica) y la electrónica que transforma la información de los sensores en datos digitales.

• Un sistema de interface con el operario (HMI), que incluye tanto las pantallas de presentación de datos (tanto táctiles como convencionales) y los mandos (joy-sticks, teclados, etc.) utilizados para comunicar a la máquina la consigna.

• Un sistema de procesado de los datos (ECU). Para que la máquina realice tareas de forma automática es necesario que este sistema realice la función de control, calculando las acciones que deben ser ejecutadas de acuerdo a la consigna que el operario ha establecido y a la información aportada por los sensores. Si solo se están realizando funciones de supervisión e información al operario, el sistema sólo tiene que procesarlos para mostrar la información de forma útil a dicho operario.

• Si se desea una monitorización o control remoto se deberá incorporar algún sistema de comunicaciones inalámbricas: radio, Wifi, infrarrojos, Bluetooth, Zigbee, etc.

• Los actuadores, normalmente hidráulicos, deben ser adaptados para poder ser manejados por el sistema de control. De esta forma se cierra el bucle de control.

Para que funcione el sistema de control es necesario un software que realice una función inteligente de actuar sobre los elementos de trabajo de la máquina de acuerdo a una consigna, para la realización de la función deseada, con la información capturada de los sensores. Estos algoritmos los podemos dividir en las siguientes categorías:

• Sistemas de control tradicional, basados en bucles de realimentación que siguen las leyes de los servomecanismos tradicionales. Basado principalmente en bucles de tipo proporcional, integral y derivativo (PID).

• Sistemas de control adaptativos, que modifican los parámetros de control de acuerdo a la evolución de las propiedades del entorno o de la propia máquina.

• Sistemas de toma de decisiones basados en sistemas expertos, redes neuronales y metodologías de reconocimiento de patrones.

Todos estos sistemas manejan información que obtienen a través de sensores y detectores, permitiendo que ésta se expanda en varios niveles como información a nivel interno de la máquina (sistema de control automático), información al operario de la misma (sistemas de supervisión y monitorización del trabajo), información hacia el gestor del proceso (sistemas de gestión del trabajo e información a nivel de gerencia (sistemas de gestión de proyectos).

Las tecnologías para conseguir los sistemas de automatización en máquinas están disponibles y en el mercado se encuentran los productos adecuados para ser incorporados en éstas. El reto actual está en la integración de estos sistemas para conseguir realizar tareas más inteligentes y seguras. Por lo que muchas de las investigaciones se centran en el software de procesado de datos y de toma de decisiones.

Muchas de las tecnologías que son susceptibles de ser aprovechadas en la automatización de máquinas en el sector de las obras públicas van a ser tomadas de otros sectores tecnológicamente más avanzados, como el sector del automóvil (centralitas electrónicas, redes de sensores...), la robótica industrial (sistemas de control por buses de campo, visión artificial, manipuladores...) o incluso de las nuevas tecnologías de Guiado Automático de Vehículos (AVG).

Por otro lado los elementos que más innovación están aportando a la automatización de la maquinaria de obras públicas son los referentes a la relación de la máquina con el entorno de trabajo.

Así encontramos:

• Ultrasonidos: son de corto alcance y son utilizados en sensores de medida de distancia de los elementos de la máquina a la zona de trabajo, como puede ser la posición de las palas en la nivelación de un terreno.

• Sistemas de posicionamiento global: son sistemas basados en la información de posición aportado por una constelación de satélites. GPS es el sistema americano, Glonass el ruso y Galileo el futuro sistema europeo. La precisión es buena para localizar una máquina, pero no para hacer un guiado automático. Por lo que para aumentar la resolución a niveles sub-centimétricos es necesario utilizar como complemento estaciones terrestres, junto con un sistema de comunicaciones y un software especial. Trimble ha venido incorporando sistemas GPS desde 1998, siendo pionero en la aplicación de estos sistemas a la maquinaria de obras pública y construcción. Últimamente se ha desarrollado un tipo de GPS de mucha mayor precisión llamados GPS RTK, o GPS cinemático en tiempo real, con precisiones de +/- 2 cm. Su utilidad resulta fundamental en los actuales proyectos de construcción de carreteras y en el control del movimiento de tierras.

• Láser: se utilizan para determinación del nivel, perfiles, alineamientos y distancias. Se utilizan láseres giratorios que pueden usarse como referencias verticales, horizontales o marcar pendientes.

• Sistemas ópticos: sistemas de supervisión de obra llamados Estación Total. El sistema compara posiciones, permitiendo una supervisión de precisión de la localización de cada elemento, con el láser se pueden completar las medidas de distancia. La tecnología hace uso de software y micro motores de precisión para el posicionamiento preciso de las lentes internas.

• Sistemas de visión artificial: sistemas de reconocimiento del entorno mediante procesado de la señal. La imagen únicamente aporta información en dos coordenadas, por lo que son utilizados para la identificación de ciertos parámetros de los materiales sobre los que la máquina debe trabajar: grietas en cemento, pavimento, etc. Para navegar se necesita información de la tercera coordenada, la profundidad o distancia. Para esto es necesario utilizar dos cámaras preparadas para visión estereoscópica o complementar la información con un sistema de medición de distancia (láser o ultrasonidos).

• Sensores especiales para la caracterización del comportamiento del material. Son sensores que informan a la máquina sobre datos del material utilizado, tales como grado de compactación de pavimentos, densidad de asfalto, etc. Los sistemas de posicionamiento han evolucionado a otros más completos que recogen un conjunto de datos, ligados a la posición GPS, como pueden ser células de carga, posiciones de brazos articulados, etc.

Cuando se multiplican los sensores se recurre a buses de campo (redes de comunicación para sistemas electrónicos en entornos industriales o vehículos), siendo el más extendido el Buscan, aunque diversos fabricantes tienen su propio protocolo.

La automatización de una máquina de obra pública supone la capacidad de la misma para realizar ciertas tareas de forma autónoma, sin la intervención directa del operario. Hay dos caminos para lograr este objetivo:

• Construir máquinas diseñadas con este propósito a modo de robots específicos para ciertas tareas.

• Adaptar las máquinas ya existentes para su automatización.

Respecto a los robots, las máquinas diseñadas para realizar una función especial de forma inteligente, que se suelen denominar robots para la construcción u obras públicas, no suponen actualmente una actividad industrial, como tal, sino que se circunscriben al ámbito experimental y a soluciones puntuales para problemas muy específicos. Los sistemas totalmente autónomos están en fase de investigación, debido a los grandes problemas de navegación que presentan los entornos no estructurados, como son los de una máquina de obras públicas. Al necesitar mucho procesado de información no son capaces de realzar el trabajo a la misma velocidad que un operario experto las aconsejan únicamente donde el trabajo con operarios es peligroso o difícil por tamaño o alcance.

Ejemplos de estas máquinas son: robot para demolición en centrales nucleares, robots para inspección y trabajos en tuberías, robots para inspección de túneles y robots para mantenimiento de estructuras y pavimentos.

Para la supervisión del estado de las paredes de túneles se han desarrollado sistemas basados en robots móviles con sensores de proximidad a la pared y de cámaras para visión artificial.

Por otra parte, la adaptación de máquinas a la automatización supone un mayor interés para la industria de la maquinaria de obras públicas, por dos motivos principales:

• Se trabaja sobre máquinas ya conocidas, tanto para el fabricante, como para el usuario.

• Es más fácil delimitar el alcance de la automatización, incorporando de forma escalonada elementos que cada vez realizan las operaciones de forma más autónoma.

Se desarrollan modelos de la máquina en 3D, se incorporan sensores en las articulaciones y se incorporan los sistemas de tratamiento de la información y comunicaciones.

Otra adaptación es la incorporación de sistemas de control remoto como son las máquinas teleoperadas. Éstas permiten al operario situarse en una posición segura, además le permite obtener el mejor punto de vista para la realización de la operación y por último le evita estar sometido a las vibraciones que le transmitiría la máquina.

Estos sistemas están desarrollados para máquinas de tipo grúa, compactadores de hormigón y máquinas especiales para demoliciones.

Los sistemas de información al usuario indican al operario como está realizando el trabajo, tanto desde un punto de vista geográfico y geométrico, como sobre el avance del proceso, aportando información sobre la modificación de las propiedades de los materiales utilizados.

Así, en el campo de la compactación se monitorizan las trayectorias para registrar el número de pasadas del compactador, tanto como para ayudar al operario como para gestionar la obra, se utilizan sistemas GPS, láser y comunicaciones inalámbricas.

Para un control más eficaz se trabaja en sistemas que integran tanto el terreno, como la máquina, llamándose a esta tecnología: ‘geomecatrónica’, permitiendo así un sistema de control integral adaptados al entorno. En algunos se monitoriza de forma continua el estado del proceso de compactación de suelos en base a frecuencia de vibraciones, amplitud de los esfuerzos y la velocidad de avance.

La tendencia internacional es la de incorporar de forma cada vez más estándar elementos de control e información sobre la máquina de obras públicas y construcción. A nivel nacional hay una preocupación por estas tecnologías, aunque el sector presenta una gran inercia. El impacto de estas tecnologías a nivel nacional será progresivo, hasta alcanzar los niveles internacionales. Se elegirán objetivos parciales de automatización que ayudarán a asimilar estas tecnologías y a aumentar su fiabilidad y confianza. Estos objetivos podrían ser:

• El control de los sistemas internos de la máquina para el ahorro energético o el aumento de rendimiento.

• Incorporación de sistemas de registro de datos para la ayuda en la localización de averías y para mantenimiento.

• Incorporación de sistemas que miden la calidad del trabajo desarrollado, capturando datos sobre el comportamiento de los materiales.

• Incorporación de sistemas de información al operario sobre el trabajo que realiza y su ajuste a lo previsto en el proyecto.

• Sustitución de controles eminentemente mecánicos o hidráulicos por otros eléctricos, dando paso a sistemas servocontrolados con mejora de su usabilidad.

• La teleoperación de máquinas por motivos de seguridad y confortabilidad del operario.

• Integración de sistemas de posicionamiento global y comunicaciones como ayuda a la gestión de grandes proyectos de obras públicas.

• Automatización de subtareas, siendo ejecutada la tarea principal por el operario.

Las dificultadas que se encuentran en la penetración de los sistemas de automatización en estas máquinas son los siguientes:

• A nivel de desarrollo: necesidad de incorporación en las empresas de técnicos expertos en estas tecnologías.

• Aumento del coste de la máquina. Evidentemente la incorporación de sensores, sistemas de control, de comunicaciones y de monitorización, suponen una aumento en el coste de la máquina, pero también en el valor de la misma y en sus capacidades.

Si se logra transmitir esta información al comprador, el proceso de evolución será posible.

El I+D+i necesario para la incorporación de estos sistemas está totalmente relacionado con las nuevas tecnologías (GPS, láser, sensores inteligentes, redes de sensores, sistemas de decisión, sistemas de comunicación, etc.) lo que supone un campo de trabajo muy diferente al I+D tradicional de la maquinaria de obras públicas (materiales resistentes, recubrimientos, mecánica, etc.).