Áreas de oportunidad para la Ingeniería de Transporte, Logística y en la Operación de Autopistas Inteligentes
Todos estamos de acuerdo que los diferentes países de todo el mundo están trabajando para convertir su infraestructura y sistemas en ciudades inteligentes.
Los expertos en transporte así como los desarrolladores urbanistas, coinciden en que el futuro de la ingeniería estará basada en el uso y aprovechamiento de la gran cantidad de datos que se genera día con día por el movimiento del transporte de carga y pasajeros y la propia infraestructura instalada o venidera.
El avance acelerado de la tecnología como el Internet de las cosas (IoT) y el Big Data, desempeñan un papel muy importante en el desarrollo de proyectos para ciudades inteligentes. Además de que proporciona a los que planean este tipo de ciudades, disponer de información muy importante sobre los patrones de tráfico, y otros contenidos para ayudar a que las ciudades sean más seguras y eficientes.
La aplicación de estas tecnologías como sensores, identificación por radio frecuencia y dispositivos Bluetooth, permiten recopilar y compartir datos a través de los sistemas de servicios conectados a la red. Compartir esta información pública abre nuevas vías para alcanzar la visión, los principios y los requisitos que demanda una ciudad inteligente.
Este tipo de vida con esta forma modernizada e “inteligente”, ha presentado una mayor demanda para la industria de la tecnología de la información. A medida que las ciudades dependen de la tecnología, existe una necesidad más importante de administrar bytes (unidad de información digital) de datos y procesar esos datos para tener un impacto significativo en la vida de la ciudad.
Un ejemplo interesante en el uso y aprovechamiento de los datos públicos abiertos que cada minuto se generan en una metrópoli, es Helsinki una de las ciudades inteligentes líderes que utiliza para afrontar los problemas de transporte que los ciudadanos enfrentan cada día.
Para resolver los problemas de tráfico, utiliza una herramienta denominada Mobility As A Service (MaaS). Que permite al usuario aprovechar al máximo el sistema de transporte integral compuesto por sistemas de transporte multimodal que incluye autobuses, taxis y sistemas ferroviarios, entre otros medios de movilidad (bicicletas, etc.), y realizar cambios de modo de transporte a su conveniencia en cualquier momento y a cualquier hora del día. Esto ha dado como resultado reducir el tráfico y contar con un sistema de transporte más rápido y eficiente que circula por toda la ciudad para beneficio de todos los ciudadanos.
Otro ejemplo, es el manejo más eficiente y sostenible de residuos (Estocolmo), mediante una flota de camiones equipados con herramientas de aplicación inteligente para la gestión de este tipo de materiales y reducir el tráfico en la ciudad (que es un ITS).
Otra tecnología usada (Copenhague) es la basada en Blockchain, con aplicaciones para la gestión de espacio y tráfico en las ciudades. Estacionamientos inteligentes para aparcamientos temporales, que permita encontrar el más barato y favorable para tu destino; y, que por supuesto podrás reservarlo y/o contratarlo vía telefónica, mediante un monedero electrónico.
Este tipo de soluciones tecnológicas aplicadas de diferentes maneras facilitarán la creación de un nuevo esquema de gestión del espectro para mejorar el medio ambiente, sus ciudadanos y la seguridad vial en ciudades inteligentes.
Ahora bien, qué hacer en la infraestructura de transporte para llevar a las carreteras y autopistas del país a otro nivel y acercarnos a las autopistas inteligentes.
El incremento en el uso de vehículos autónomos en todo el mundo también ha dado lugar a la idea de planear autopistas inteligentes.
Considerando que el uso de las energías renovables está creciendo, y se prevé que la demanda de las mismas aumentará en más del 25 por ciento para 2040, por la disminución en el consumo de combustibles fósiles (no renovables), nos lleva a pensar que aumentará la necesidad de generar mayores fuentes de energía renovable.
Las autopistas inteligentes pueden ser una oportunidad para el desarrollo de energía sostenible, permitiendo la generación de energía, mediante el uso del espacio territorial (derecho de vía) para producir energía y tener la capacidad de suministrar no sólo la infraestructura específica de la autopista, sino también las áreas potencialmente cercanas, como pueblos, ciudades e incluso plantas de energía.
Existen muchas reseñas que definen el término “autopista inteligente”, que en esta ocasión no revisaremos, pero si en general podemos concluir que este modelo permitirá con la aplicación de diversas tecnologías basadas en TIC para cumplir con un propósito como el de ofrecer mejor seguridad, información clave a los usuarios y administradores de transporte (logística) de la vía; así como la generación de energía limpia (paneles solares), y para los vehículos autónomos herramientas tales como seguridad de detención total en caso de una conductor incapacitado; sensores y otras tecnologías integradas para este tipo de vehículos como recargar los vehículos eléctricos mientras se conducen.
Durante los últimos años, se le ha dado un apoyo importante al desarrollo de Sistemas de Transporte Inteligente (ITS). La aplicación de la tecnología que ofrece este tipo de Sistemas permite el uso y aprovechamiento de una extensa gama de aplicaciones y servicios, para que los recorridos en las autopistas sean más seguros y eficientes.
Entre las ventajas que se pueden recibir destacan: la disminución del tiempo de viaje de los usuarios, los niveles de contaminación, al mismo tiempo permite realizar las operaciones de la vía sean más eficientes, como:
– Aumento de la seguridad para usuarios con equipos de video y comunicaciones (radiofrecuencia, Internet), tableros de control, siempre activas a todo lo largo de la red de autopistas.
– Acopio de información en tiempo real para compartir con conductores, pasajeros y vehículos sobre las condiciones actuales del tráfico, posibles retrasos en obras de construcción, rutas alternas, condiciones climáticas y más.
Sin embargo, para lograr que todo esto funcione, las diversas aplicaciones deberán trabajar, operar y/o funcionar ligadas al Sistema sin problemas desde video, estaciones meteorológicas, sistemas de monitoreo de tráfico y más. Sin olvidar los arcos instalados por el gobierno federal para un mayor control y seguridad, para los usuarios y los operadores de las vías concesionadas, cuyas capacidades son la medición electrónica del peso y dimensión de los vehículos, escáner de velocidad, reconocimiento de matrículas, etc.
Afortunadamente, gracias al avance de la tecnología, actualmente las redes de comunicaciones ahora pueden admitir una multitud de servicios a la vez, brindando beneficios operativos y de costos relativamente accesibles.
La gestión del tráfico en las carreteras es uno de los principales desafíos que enfrenta el desarrollo de Sistemas de Transporte Inteligentes (ITS) y eficientes. Recientemente, las redes inalámbricas han recibido una atención significativa para enfrentar este desafío. Sin embargo, las tecnologías inalámbricas enfrentan el conocido problema de escasez de espectro (electromagnético) por la gran demanda de recursos de radio durante los últimos años.
Para superar este desafío, a la fecha se están realizando diversos estudios que permitirán construir una comunicación inalámbrica rentable de corto alcance para monitorear el tráfico y permitir a los conductores intercambiar mensajes de advertencia y, por lo tanto, mejorar la seguridad vial.
Lo anterior, define los objetivos que persiguen este tipo de estudios, que entre otros son minimizar la probabilidad de choque, utilizar el espectro no utilizado y permitir que los propietarios del espectro generen ingresos adicionales.
Ya hemos descrito lo beneficios que ofrece el uso y aprovechamiento de los Sistemas de Transporte Inteligente (ITS) a los usuarios de las autopistas. Pero no hay que olvidar los productos que ofrece también este tipo de Sistemas a los diferentes actores involucrados con la planeación, desarrollo y operación de la infraestructura carretera.
Como ejemplo, podemos citar que los métodos de predicción de flujo de tráfico existentes utilizan principalmente modelos de predicción de tráfico superficial, los cuales a la fecha aún son insatisfactorios para muchas aplicaciones del mundo real.
Actualmente, se están desarrollando nuevas metodologías que faciliten predicción del flujo de tráfico basado en modelos de arquitectura profunda con grandes datos de tráfico (Big Data) que considera las correlaciones espaciales y temporales de manera inherente. Se utiliza un modelo de autocodificador apilado para aprender características de flujo de tráfico genérico, y se ensaya de una manera dinámica por capas. Además, los experimentos demuestran que el método propuesto para la predicción del flujo de tráfico tiene un rendimiento superior.
Proyectos de autopistas inteligentes en proceso
Se han realizado diversos proyectos (Modelos) para desarrollar una autopista inteligente con generación de energía y proyectos de basados en Sistemas de Tráfico Inteligente. Sin embargo, muchos de estos esfuerzos se han encontrado con resultados mixtos, con una variedad de problemas que incluyen, entre otros, la verdadera eficiencia energética y el costo de su implantación.
Los Países Bajos establecieron el proyecto piloto SolaRoad (2014), creando un carril de bicicleta de 70 metros. Este proyecto se encontró con un éxito rotundo, produciendo cerca de 10,000 kWh en su primer año. Se están desarrollando más proyectos a partir de este programa específico, que se trasladará a áreas de tráfico más intenso para realizar pruebas en 2019. Sin embargo, este proyecto se centra específicamente en el desarrollo de caminos solares y no en autopistas solares totalmente integradas, a fin de aumentar el consumo de energía renovable en el área.
Solar Roadways, con sede en Idaho, construyó una carretera (2016), de casi 14 metros cuadrados en Sandypoint, Idaho. Sin embargo, el propio informe de Solar Roadways al Departamento de Transporte de los Estados Unidos, descubrió que sus paneles “utilizaron aproximadamente un tercio de la electricidad que generan para alimentar sus LED incorporados”, lo que afectó drásticamente la eficiencia de la energía creada, generando apenas 52.39 kWhs en seis meses.
Un escenario real se encuentra en el sureste de los Estados Unidos, entre West Point y LaGrange, Georgia (Interstatal-85), existe una carretera de 29 km de longitud que se autodenomina la autopista del futuro.
La colaboración entre las empresas Colas (Francesa) y The Ray dio como resultado la primera carretera de Estados Unidos con energía solar y que está abierta al público. En 2017 los paneles solares llamados Wattway produjeron casi 6 MWh., de electricidad.
COLAS es una empresa Francesa que fabrica módulos (paneles) solares llamados Wattway. Están hechos de silicio cristalino, material de gran resistencia al peso de los vehículos, con apenas medio centímetro de espesor y pueden ser pegados sobre el pavimento de la carretera a fin de aprovechar la energía solar para generar electricidad limpia y renovable, su cableado eléctrico va integrado en el asfalto y la superficie está fabricada con vidrio antideslizante.
The Ray se ha convertido en una de las autopistas inteligentes más completas en la actualidad, y abarca una estación de carga de vehículos con energía solar, una estación de control de seguridad de neumáticos y la propia vía solar.
Además de contribuir a la red eléctrica, esta energía se puede emplear para los puntos de recarga de los coches eléctricos y también de las bicicletas. Otra posibilidad es alimentar señales de LED en la carretera o incluso sistemas de recarga inalámbricos por inducción magnética, como los vehículos mientras estos se mantienen en movimiento.
Otro escenario real es en China en la ciudad de Jinan, esta nueva carretera solar se ha instalado a lo largo de un tramo de dos kilómetros. La compañía responsable del proyecto fueron, Pavenergy y Quilu Transportation Development Group. Se tenía proyectado conectar la carretera hacia inicios de 2018 para arrancar operaciones.
Uno de sus puntos fuertes es que usa, por primera vez, “hormigon transparente”, el cual, posee casi las mismas propiedades estructurales que el asfalto convencional, además de que permiten una mejor ubicación de las células solares delgadas, a diferencia del sistema de carreteras estadounidense basado en asfalto.
La carretera está formada por tres capas. La superior es el mencionado hormigón que sirve para ofrecer la fricción suficiente a los vehículos y de paso, proteger la segunda capa, esta capa central está compuesta por los paneles solares con un recubrimiento capaz de soportar el peso de un camión de tamaño mediano, y por último, la tercera capa permite separar y proteger los paneles de la tierra húmeda que hay debajo, además de que aquí están colocadas las conexiones y el cableado.
Se desconocen los detalles o especificaciones de los paneles, cuánta energía generarán al día y para qué será usada, lo que si podemos decir es que podrán cargar los futuros coches eléctricos por inducción magnética incluso estando en movimiento.
La construcción de este tipo de autopistas solares, son bastante costosas de $310 a $460 dólares por metro cuadrado (producción en serie), si consideramos que el repavimentar una carretera con asfalto es de aproximadamente de 120 dólares por metro cuadrado.
Por otra parte, ya hemos descrito algunas de las características que se están aplicando en el desarrollo de este tipo de autopistas. Sin embargo, no hay que olvidar algo muy importante de considerar en la implantación de este tipo de infraestructura inteligente; y, que son los retos que enfrentarán las ciudades y las autopistas inteligentes en materia de administración de la información que se genera día con día.
Este tipo de desarrollos, no solo necesitarán administrar una gran cantidad de información segura y confiable (pública y confidencial), sino que también deberán de disponer de sistemas que ayude a los modelos analíticos a comprender y procesar (recopilación, análisis y respaldo) los datos para que las tecnologías utilizadas permitan el desarrollo de este tipo de instalaciones inteligentes.
Afortunadamente las tecnologías apoyadas en la nube continúan mostrando mejoras y su uso para la integración de ciudades inteligentes presenta actualmente varios problemas en la administración de la seguridad que los administradores deberán tener en cuenta.
Un tema muy importante y que no hay que dejar de lado en todo lo que es la administración de la información, es la seguridad. A qué nos referimos con este término, a los impactos negativos que trae la piratería (cracker[1]) con acciones como ataques cibernéticos, que podría vulnerar toda la información que se administra en estas infraestructuras.
Por último como el título de este artículo señala, ¿Qué áreas de oportunidad tenemos los ingenieros? Para enfrentar los retos que presenta el uso y aprovechamiento de este tipo de tecnologías.
- Proporcionar productos y servicios en los campos de la inteligencia artificial, (Big Data, Internet de las Cosas (IoT), aplicaciones basadas en la Nube).
- Diseño, desarrollo y gestión en áreas exclusivas para la instalación de paneles solares en sus diferentes tecnologías (pasivas o activas según cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar), como puede ser el aprovechamiento del Derecho de Vía en autopistas de cuota.
- Construcción (diseño y desarrollo); Supervisión, Mantenimiento y Operación de tramos o bien carreteras inteligentes.
- Suministro e instalación de equipo especializado en autopistas (tecnologías láser, electrónica, vigilancia, entre otras).
Como puede observarse, el uso y aprovechamiento de las Tecnologías de la Información y comunicaciones, ofrecen un sin número de posibilidades a la Ingeniería (en sus diferentes especialidades) comenzando con desarrollar estudios y proyectos, así como en el campo de la Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico, hasta el de operación de infraestructura.
Lo importante de todo esto es que el talento de nosotros, los Ingenieros, aprovechemos esta tecnología para su aplicación en los muchos proyectos que desarrollamos y continuar participando activamente en el desarrollo de nuestro país.
[1] Es importante diferenciar claramente entre hacker y cracker, ya que, si bien ambos son expertos en colarse en sistemas, el segundo lo hace con propósitos ilícitos