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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2
Las carreteras del futuro: Industria 4.0 y sostenibilidad
Jose Solís Hernández
Área de infraestructuras del transporte y digitalización en el Dpto. de I+D+i de CEMOSA. Coordinador de OMICRON.
Aníbal Ollero Baturone
Director del Grupo de Robótica, Visión y Control (GRVC) de la Universidad de Sevilla. Director Científico de FADA-CATEC.
Angelos Christos Bavelos
Laboratory for Manufacturing Systems and Automation (LMS) en la Universidad de Patras, Grecia.
Jesús Rodríguez Santiago
Chairman del External Advisory Board de OMICRON. Profesor titular de estructuras en Universidad Politécnica de Madrid.
Ander Ansuategi Cobo
Coordinador de la línea de especialización de robótica de Tekniker.
El objetivo de OMICRON es el desarrollo de una plataforma inteligente de gestión de carreteras basada en una cartera de tecnologías innovadoras para mejorar la construcción, el mantenimiento, la renovación y la rehabilitación de la red europea de carreteras. El proyecto abarca toda la cadena de gestión de activos centrándose en cuatro pilares: construcción modular de puentes, digitalización de la inspección, mantenimiento predictivo y ejecución automatizada de las actividades de conservación. Esta plataforma inteligente hará posible la digitalización y automatización de un gran número de tareas de gestión de carreteras que aún requieren de mucha mano de obra. Pretende así allanar el camino hacia las carreteras del futuro, fomentando la Industria 4.0 y la sostenibilidad.
Palabras clave: Carreteras, gestión de activos, digitalización, gemelo digital, robótica.
The objective of OMICRON is to develop an Intelligent Asset Management Platform with a broad portfolio of area specific innovative technologies to enhance the construction, maintenance, renewal and upgrade of the European road network. The project improves the whole asset management pipeline focusing on four pillars: modular construction of bridges, road inspection digitalisation, predictive maintenance and smart execution of intervention actions. OMICRON’s Intelligent Platform will enable the digitalisation and automation of a relevant portfolio of road management tasks which are still very labour intensive. Thereby, OMICRON aims to pave the way to the roads of the future, fostering Industry 4.0 and sustainability.
Keywords: Roads, asset management, digitalisation, digital twins, robotics.
La Red Trans-Europea de Transporte (conocida en inglés como la Trans-European Transport Network, TEN-T) representa un conjunto de redes prioritarias de transporte pensadas para facilitar la comunicación tanto de personas como de mercancías dentro de la Unión Europea. Esta estrategia está basada en un conjunto de objetivos y directrices promovidos por la Unión Europea con diferentes prioridades, tales como el sistema europeo de gestión del tráfico ferroviario (European Rail Traffic Management System, ERTMS), las autopistas del mar (Motorways of the Sea) o la red central de transporte (Core Network, incluyendo carreteras), la cual debe estar completada en 2030 (TEN-T, 2022).
En este contexto de madurez y desarrollo en nuestro Viejo Continente, la inversión en infraestructura de transporte en general y en infraestructura viaria en particular se centra principalmente en la gestión integral de activos viarios existentes. Aparte de las tareas ordinarias de conservación de carreteras, el envejecimiento de una gran parte de las infraestructuras existentes hace muy necesaria la ejecución de grandes intervenciones de rehabilitación, teniendo en mente sucesos recientes como el colapso del puente Morandi en Génova.
Lo cierto es que buena parte de las infraestructuras de transporte europeas se construyeron entre 1960 y 1970 y se diseñaron para una vida útil de 50 años. Por lo tanto, hoy en día disponemos de un elevado porcentaje de activos que han excedido su vida útil de diseño y que requieren de mantenimiento y actuaciones para mantener su funcionalidad y adaptarse a los nuevos y crecientes requisitos técnicos y de servicio.
La Industria 4.0, con el auge de la robotización, la digitalización y la inteligencia artificial, y la lucha contra el cambio climático, con el objetivo de reducir emisiones, cambian de igual forma el prisma tanto de los requisitos técnicos en carreteras como de las técnicas que se deben de emplear en la conservación de activos.
De esta forma, el sector requiere de tecnologías para la gestión y la conservación de infraestructuras viarias que sean capaces de:
- mejorar los servicios en cuanto a seguridad y conectividad;
- reducir los costes derivados del alto volumen de actividades de conservación que serán necesarias en los próximos años;
- aumentar la capacidad de la red, haciendo un uso más inteligente de esta; y
- permitir una gestión sostenible de los activos, avanzando hacia la de acuerdo al Pacto Verde Europeo (Comisión Europea, 2019).
descarbonización
En este contexto, surge el proyecto OMICRON (OMICRON H2020, 2021), financiado por el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, con el objetivo de responder a las necesidades de los procesos de diseño, construcción y conservación de carreteras, y coordinando un abanico de tecnologías innovadoras de inspección, digitalización de activos y ejecución de actividades de conservación. El proyecto OMICRON se inició en el mes de mayo del 2021 y finalizará en el mes octubre del 2024.
OMICRON. Plataforma inteligente de gestión de carreteras
El objetivo del proyecto OMICRON es el desarrollo de tecnologías que hagan frente a los retos enumerados anteriormente de una forma integral.
Así, OMICRON propone una plataforma de gestión de activos viarios en aras de automatizar, robotizar y optimizar su gestión. De esta forma, la plataforma se basa en cuatro pilares fundamentales.
- Pilar 1. Construcción modular de puentes.
- Pilar 2. Digitalización de la inspección.
- Pilar 3. Mantenimiento predictivo.
- Pilar 4. Intervención inteligente en carretera.
El desarrollo de un porfolio de tecnologías tan transversal requiere del trabajo de equipos interdisciplinares. El proyecto OMICRON está integrado por 16 organizaciones de 7 países europeos, donde destaca la colaboración entre pymes, grandes corporaciones, centros tecnológicos y universidades, entre las que destacan las organizaciones de investigación españolas.
Las secciones que se presentan a continuación entran más en detalle en cada uno de los pilares enumerados anteriormente.
Construcción modular de puentes
El proyecto busca mejorar la metodología de construcción de pasos superiores en carreteras, en concreto de puentes de tipología híbrida formados por una viga central metálica y vigas de hormigón armado en los extremos. El objetivo es trabajar en las uniones entre las vigas metálicas y de hormigón y proponer directrices de proyecto para fomentar una construcción modular más efectiva de este tipo de puentes.
OMICRON ha llevado a cabo un estudio general de pasos superiores, seguido de varias campañas de monitorización sobre un puente de tipología similar. Finalmente, se han llevado a cabo pruebas en laboratorio en prototipos a escala 1:2 para tres soluciones diseñadas en el proyecto, empleando diferentes soluciones de uniones, combinando, según los casos, pretensado, conectores metálicos y diafragmas.
El estudio pretende proveer directrices para mejorar tanto el comportamiento mecánico de esta tipología de puente como su fabricación y puesta en obra, en comparación con soluciones más tradicionales. De esta forma se busca responder a algunas demandas imperantes en el sector relacionadas con la construcción ágil y digitalizada, la prevención de accidentes, la gestión del ciclo de vida y la reducción de los efectos en el tráfico.
OMICRON propone una plataforma de gestión de activos viarios para automatizar, robotizar y optimizar su gestión
Digitalización de la inspección
OMICRON desarrolla tecnologías de inspección avanzada con el objetivo de evitar la exposición del personal de mantenimiento al tráfico, aumentar la disponibilidad de la red mediante la automatización de tareas repetitivas, y reducir los costes derivados de la inspección de carreteras.
El proyecto impulsa el desarrollo de nuevos sistemas para vehículos aéreos no tripulados (UAV), mejorando la eficiencia de los procesos actuales de inspección de activos viarios. En primer lugar, OMICRON desarrolla un sistema para la cooperación de múltiples UAV en la ejecución de inspecciones. El uso y coordinación de drones en procesos de inspección con varios activos y con amplias extensiones aumenta la eficacia de la inspección, incrementa la fiabilidad y la calidad del proceso, y reduce el tiempo de inspección. Del mismo modo, el proyecto desarrolla tecnologías de detección y evasión (en inglés, detect and avoid) para drones, las cuales actúan como facilitadoras para el uso conjunto del espacio aéreo con otras aeronaves (Alarcón et al., 2022).
La principal ventaja de la integración de dichas tecnologías en sistemas de inspección aéreos es la capacidad para realizar vuelos de inspección remotos, de más largo alcance y de baja altitud, que permiten cubrir áreas más amplias. Estos sistemas de inspección aérea se emplean para adquirir imágenes de alta calidad y obtener mapas 3D de la infraestructura.
OMICRON también desarrolla tecnologías alternativas integradas en vehículos de inspección terrestre. El proyecto desarrolla un sistema que emplea una nueva combinación de sensores, incluyendo un miniescáner láser, aparte de otros tipos de sistemas de visión. El vehículo de inspección es capaz con este sistema de integrar automáticamente la captura de datos espaciales, visuales y térmicos, permitiendo captar el estado del pavimento y de los activos circundantes. Además, las geometrías de los activos (incluyendo el pavimento, las señales, etc.) se capturan como objetos individuales, en aras de proveer la información y las relaciones entre estos elementos para la generación del gemelo digital.
Dentro de las tecnologías relacionadas con vehículos de inspección terrestres, OMICRON desarrolla un sistema basado en inteligencia artificial para controlar la trayectoria en los procesos de medición de parámetros tradicionales en carreteras como el IRI y el CRT. El control del trazado en estos casos es clave para asegurar la calidad y la veracidad en el cálculo de parámetros que más adelante se emplean para guiar la toma de decisiones en el mantenimiento.
Finalmente, OMICRON explota las capacidades de las comunicaciones V2X (vehículo a todo) para la coordinación entre el mantenimiento y los usuarios y conductores en carretera. Esta tecnología permite enviar información clave para mejorar la movilidad en entornos específicos, garantizando las máximas condiciones de seguridad, mejorando la eficiencia de la conducción y, por ende, tratando de minimizar las emisiones. De esta forma, se trabaja en el empleo de tecnologías de comunicación C-ITS (Cooperative Intelligent Transport Systems) y el apoyo de Road Side Units (RSU) para proporcionar comunicaciones de corto alcance según la normativa europea ITS-G5. Así, el centro de control recoge información de diversas fuentes, incluyendo localización y estado de trabajos de mantenimiento, meteorología o tráfico, entre otros. Esta información se transmite a los usuarios de la carretera mediante el despliegue de servicios C-ITS estandarizados.
Mantenimiento predictivo
La información captada por las tecnologías de inspección desarrolladas en el proyecto, así como los datos procedentes de sistemas heredados se explotan para la generación del gemelo digital de la carretera de OMICRON, concebido como una réplica digital de la infraestructura en un entorno que aúna (i) la representación BIM de activos singulares, (ii) la representación GIS de activos lineales, (iii) los datos dinámicos procedentes de la infraestructura, y (iv) la información y el análisis llevados a cabo sobre dichos datos.
El sistema de gestión de datos del gemelo digital actúa como un elemento clave para asegurar que los datos sean interoperables y facilitar su uso e integración. De este modo, el sistema incorpora datos relacionados con las características geométricas de los activos, el estado de los diferentes subsistemas y la información histórica de mantenimiento, entre otras fuentes de datos relacionadas.
Estas fuentes de información proporcionan grandes volúmenes de datos para generar esta representación digital de la infraestructura. De este modo, se ha definido un flujo innovador de trabajo en el gemelo digital a partir de una base de datos orientada a grafos para imitar a los activos viales reales en todos sus aspectos relevantes, incluyendo su geometría, su estado y toda la información necesaria para su análisis exhaustivo.
Así, las tecnologías de inspección digital se coordinan de tal manera que el vehículo de inspección proporciona una representación detallada del pavimento, mientras que los UAV proporcionan una visión general del resto de activos, incluidos puentes y estructuras circundantes. Se han definido las cadenas de procesamiento necesarias (incluyendo diferentes capas de gestión de datos, integración y servicios) para procesar y almacenar datos procedentes de actividades de inspección y demás fuentes, y convertirlos en información disponible en el gemelo digital y en los distintos flujos de análisis.
La información de la infraestructura procedente del gemelo digital se emplea para alimentar el sistema inteligente de apoyo a la decisión de OMICRON. El objetivo último de este sistema es gestionar las intervenciones de mantenimiento en infraestructuras viarias, coordinándose con el resto de soluciones de intervención inteligente del proyecto (Consilvio et al., 2022). OMICRON desarrolla una herramienta para la planificación óptima de las intervenciones y los recursos teniendo en cuenta las diferentes fuentes de incertidumbre, entre las que se incluye la predicción del estado de los activos y otros factores del entorno operativo. Este sistema mejora los flujos de trabajo de planificación de intervenciones ya existentes y busca crear un vínculo estable entre la recopilación de datos, la extracción de información y conocimiento sobre la red viaria, y la ejecución automatizada de intervenciones.
Las bases de este sistema en desarrollo en OMICRON son la predicción del estado de la infraestructura, la evaluación del riesgo de fallo y la creación de un procedimiento de planificación para mejorar la disponibilidad y fiabilidad de la infraestructura, manteniendo los niveles de seguridad. Además, se considera el impacto en el tráfico y la optimización de los recursos en sintonía con la información procedente del gemelo digital.
El sistema emplea algoritmos de inteligencia artificial tanto para la evaluación del estado de la infraestructura como para el proceso de toma de decisiones. Además, se emplean técnicas avanzadas de optimización para progresar en la automatización de dicho proceso. Finalmente, el sistema de apoyo a la decisión debe adaptarse a los procedimientos de planificación a corto, medio y largo plazo de forma flexible para diversos activos como pavimentos, señalización o viaductos.
Ejecución de tareas de conservación
La última área de innovación del proyecto se centra en la ejecución automatizada y robotizada de las actividades de conservación de carreteras, empleando tecnologías de diversa índole de forma coordinada.
En primer lugar, OMICRON desarrolla una plataforma robótica modular con la capacidad de llevar a cabo múltiples actividades de conservación en carretera, abordando un caso de negocio robusto para la implementación de la robótica en este tipo de tareas poco automatizadas. En OMICRON la plataforma provee soporte a las siguientes actividades de conservación, aunque el concepto modular del sistema reside en que se podrá adaptar a otras tareas en el futuro.
a. Actividades de emergencia. La plataforma incluye un módulo robótico para la instalación o sustitución automatizada de biondas.
b. Actividades rutinarias. El sistema apoya este tipo de intervenciones desde dos perspectivas. Por un lado, en relación a la seguridad vial, el sistema permite llevar a cabo una instalación automatizada de señales y conos. Además, se ha desarrollado un módulo con el objetivo de limpiar señales e iluminación en carreteras y túneles.
c. Actividades extraordinarias. La plataforma incluye módulos para (i) la instalación de señalización en obra; (ii) la eliminación de marcas viales mediante láser (evitando el empleo de otros medios tradicionales como la pintura negra); y (iii) el sellado de grietas en pavimentos.
La plataforma robótica se ha desarrollado para ser operada de forma remota mediante sistemas de realidad virtual (RV) o realidad aumentada (RA), dependiendo del tipo de intervención. Así, las aplicaciones de RV y RA han sido seleccionadas cuidadosamente con el objetivo de reducir la exposición de los trabajadores a situaciones de peligro, manteniendo el rendimiento de las actividades de conservación.
Además, OMICRON desarrolla una herramienta de realidad aumentada para apoyar a los trabajadores en carretera con el fin de (i) proporcionar información procedente del sistema V2X mencionado anteriormente y (ii) facilitar instrucciones paso a paso sobre las actividades de mantenimiento a efectuar. La
herramienta permite a los trabajadores cobrar una mayor conciencia sobre la situación en carretera y sobre los posibles peligros que se aproximan al área de trabajo.
Finalmente, OMICRON desarrolla una herramienta de apoyo a la decisión para proporcionar información en los procesos de extendido, compactación y evaluación de pavimentos. El sistema integra diferentes dispositivos como cámaras térmicas, GPS, estaciones climáticas o escáneres para monitorizar la macrotextura con el fin de captar la información necesaria para mejorar la eficacia y la calidad de estos procesos. Además, uno de los fines del sistema es apoyar el uso de mezclas ultradelgadas (AUTL) y con un alto porcentaje de material reciclado.
OMICRON desarrolla una herramienta de realidad aumentada para apoyar a los trabajadores en carretera
Demostración
El objetivo último de OMICRON es impulsar la digitalización y la sostenibilidad de la red europea de carreteras mediante la implantación de la plataforma de gestión de activos presentada anteriormente. La demostración y evaluación de la plataforma está prevista en tres etapas con el objetivo de alcanzar TRL 7 (demostración en entorno operacional) en distintos pilotos en Portugal, España e Italia.
a. Fase 1. Las primeras pruebas del proyecto se están llevando a cabo entre los TRL 4 y 5, a nivel de laboratorio, abordando los distintos desarrollos de OMICRON. El principal objetivo es el de enriquecer las tecnologías basadas en datos del proyecto.
b. Fase 2. La segunda fase se centra en la demostración técnica de tecnologías de forma individual con el objetivo de permitir la transición entre TRL 5 (pruebas de laboratorio) y TRL 7 (pruebas en entorno operacional). Estos pilotos se realizarán en la autopista A3 en Portugal; en la A-2 en Guadalajara; en la A-92 en Sevilla; y en la A-7 en Valencia.
c. Fase 3. La demostración final del proyecto se realizará en la autopista A1 entre Florencia y Bolonia, Italia. Este piloto evaluará la plataforma de gestión de activos al completo, incluyendo el gemelo digital y el sistema de apoyo a la decisión.
En conclusión, OMICRON pretende tener un impacto relevante en la gestión de carreteras en diferentes ámbitos, los cuales se pueden resumir en cuatro áreas principales: (i) la reducción de los accidentes mortales relacionados con los trabajos de conservación; (ii) la reducción de la congestión del tráfico derivada del mantenimiento; (iii) la reducción de los costes de conservación; y (iv) la mejora de la capacidad de la red con respecto a los niveles medidos sin el uso de las tecnologías del proyecto.
Agradecimientos
El presente proyecto ha recibido financiación del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de subvención n.º 955269, firmado entre las siguientes partes: CEMOSA, Tekniker, AISCAT, Strada dei Parchi, CATEC, Universidad de Sevilla, Universidad de Cambridge, Panepistimio Patron (LMS), Universidad de Génova, Eiffage Infraestructuras, Pavasal, Indra, Regens, ESCI, Armando Rito Engenharia, Teixeira Duarte y CINEA, con competencias delegadas de la Comisión Europea.
El objetivo último de OMICRON es impulsar la digitalización y la sostenibilidad de la red europea de carreteras
Referencias
1
Alarcón, V., Santana, P., Ramos, F., Pérez-Grau, F., Viguria , A., & Ollero, A. (2022). Benchmark on Real-Time Long-Range Aircraft Detection for Safe RPAS Operations. ROBOT2022: Fifth Iberian Robotics Conference, 341-352.
2
Comisión Europea (2019). Pacto Verde Europeo. Retrieved from https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_es.
3
Consilvio, A., Solis-Hernandez, J., Chen, W., Brilakis, I., Bartoccini, L., Di Gennaro, F., & Van Welie, M. (2022). Towards a digital twin-based intelligent decision support for road maintenance. AIIT 3rd International Conference on Transport Infrastructure and Systems, TIS ROMA 2022.
4
OMICRON H2020 (2021). OMICRON H2020. Retrieved from https://omicronproject.eu/
5
TEN-T (2022). Trans-European TransportNetwork. Retrieved from https://transport.ec.europa.eu/transport-themes/infrastructure-and-investment/trans-europeantransport-network-ten-t_ens