Sistema Integral para el Análisis de Estabilidad Estructural y de Grandes
Masas Terrestres
Irineu Da Silva
Doctor en Fotogrametría y Geodesia Universidad de Sao Paulo
Sao Paulo, Brasil [email protected]
1. Resumen.
Este documento ilustra cómo un Sistema Integral de Monitoreo (Auscultación) basado en un Sistema de Navegación Global por Satélite (Receptores GNSS) y Sensores Polares de Medición (Estaciones Totales Robóticas) se pueden combinar para proporcionar una visión global y efectiva totalmente automatizada, precisa, eficiente y rentable para las tareas de monitoreo estructural (Puentes, Represas, Edificios en Altura, etc.) y de grandes masas terrestres (Deslindes, Taludes, Grandes Minas a Cielo Abierto, etc.) que a menudo por sus grandes dimensiones alcanzan peligrosas condiciones de inestabilidad estructural pudiendo afectar con ello la integridad de vidas humanas por encontrarse en las cercanías de centros urbanos. Las distintas técnicas de detección y procesamiento de datos existentes hoy en día pueden ser utilizados para analizar y por ende asegurar con una alta precisión la condición inestable de volúmenes naturales o artificiales. Con esto, las organizaciones pertinentes podrían tomar las medidas precautorias para evitar pérdida de vidas humanas ante condiciones naturales de deslizamientos o derrumbes. Actualmente los resultados entregados por el uso de este tipo de sistemas integrales en prospecciones mineras, sitios volcánicos y laderas inestables han demostrado que estos sistemas integrales de monitoreo son herramientas esenciales para prevenir pérdida de vidas humanas ante desastres producidos por condiciones de inestabilidad estructural de grandes masas terrestres.
2. Introducción.
Los sistemas automáticos de Auscultación basados en la medición a elementos reflectores (Prisma) con Estaciones Totales motorizadas han sido utilizados desde principios de los años 90. Estos prismas están montados en cada uno de los sitios a controlar, junto con uno o más sitios de referencia de condición estable, además de una herramienta de software que permite el control automático de las secuencias de detección, medición, alerta y análisis. La Estación Total como sensor polar nos entrega las medidas de ángulo horizontal, ángulo vertical y distancia inclinada de cada prisma desde donde se obtienen los valores de sus correspondientes coordenadas Este, Norte y Altura. Finalmente, a partir de estas variables y su correspondiente procesamiento se obtienen los valores de desplazamiento espacial de los prismas medidos.
Por lo general, las Estaciones Totales se instalan en una ubicación permanente y se sitúan para alinear su eje principal con la dirección de la gravedad local, prestando especial atención a seleccionar sitios estables para garantizar que las coordenadas calculadas de la estación se mantendrán en un marco de referencia constante para simplificar la detección de eventuales movimientos en los puntos (Prismas) de monitoreo. En el caso de prospecciones mineras, por ejemplo, las Estaciones Totales son por lo general instaladas en la parte superior del rajo.
En este tipo de sistemas, a lo menos se debe disponer de un punto estable para orientar la Estación Total y representar las posibles rotaciones debido al calentamiento y enfriamiento desigual del monumento y el instrumento. Si el instrumento no puede ser situado en un pilar estable, entonces debería poder realizarse un cálculo de Estación libre a partir de medidas a múltiples puntos de control situados en condiciones estables (preferiblemente tres puntos o más con buena geometría). Estas medidas inversas se pueden utilizar para dar cuenta de condiciones inestables en el área de instalación de la Estación Total.
La detección de cada prisma se obtiene normalmente de dos maneras: Reconocimiento Automático del Prisma y Rastreo de Señales Reflejadas. El sistema de reconocimiento automático del prisma (ATR) utiliza un dispositivo de carga acoplada (CCD) montado en el telescopio de la Estación Total. Dispositivo este que se utiliza para medir el retorno de una señal láser. La imagen resultante se procesa a fin de identificar cualquier prisma situado en el campo de visión y para el cálculo de las compensaciones entre el centro del prisma y el eje del telescopio. Con el sistema ATR, el sistema detecta el centro del prisma de forma fiable y con una certeza de un unos pocos milímetros, pudiendo alcanzar hoy en día rangos de hasta 3kms. Sin embargo, el sistema de detección ATR está limitado por las condiciones atmosféricas, el diseño de las ópticas, la potencia del láser y (en menor medida) la resolución del CCD. Además, la lluvia, la niebla y el polvo pueden reducir el alcance del sistema ATR. Si los prismas están fuera del rango de detección del sistema ATR, la técnica de Barrido de Señal Reflejada (Signal Scan) puede ser utilizada para detectar los prismas en condición de monitoreo. La técnica de Barrido de Señal utiliza la fuerza de la señal de retorno que recibe el sistema medidor electrónico de distancia (EDM) para identificar los bordes del prisma. Una vez que los bordes izquierda, derecha, superior e inferior del prisma se han encontrado a partir de un barrido horizontal y vertical, el centro del prisma puede ser determinado. Con un adecuado Sistema EDM, la señal de alcance efectivo de exploración es de aproximadamente 4km con un solo prisma. Sin embargo, la precisión angular del método de barrido de señal es proporcional al rango y, debido a las características de las señales provenientes del sistema EDM (ya sea en la banda infrarroja o láser), por lo general se encuentra en el nivel de decímetro. Es importante mencionar que el método denominado como Signal Scan hace que el proceso de medición sea bastante lento, por lo general toma alrededor de dos minutos por cada punto en comparación con los 3 a 4 segundos que presente el sistema ATR.
Otro aspecto importante de mencionar con el sistema de medición polar es la necesidad de línea vista entre el sitio de instrumental (Estación Total) y los prismas de monitoreo (sitio inestable); por tanto, el modelo de solución no se ajusta para todas las necesidades en especial para requerimientos de auscultación en donde se presentan situaciones de inestabilidad global y con presencia de grandes distancias y sin visión entre ellos.
Por esta razón, es que el uso del Sistema de Navegación Global por Satélite (GNSS) para aplicaciones de monitoreo ha resultado de vital importancia dado su flexibilidad y bajo requerimiento de sistemas externos para su funcionamiento. El sistema de auscultación por el uso de sensores GNSS establece la instalación de antenas inteligentes (SmartAntennas) en los sitios con condiciones inestables. Estas antenas envían los trenes de datos recibidos de cada satélite por un sistema de telecomunicaciones que hace llegar los datos de cada antena a una herramienta de software que procesa los vectores resultantes entre la antena considerada como referencia y las antenas localizadas en las áreas inestables. Posteriormente, y a partir de las coordenadas calculadas se pueden determinar los desplazamientos que podrían presentarse en las áreas vigiladas.
En las siguientes secciones se presentarán los modelos de solución que permiten establecer Sistemas Integrales de Auscultación basados en los métodos descritos anteriormente. Se verá que los Sistemas Integrales basados en sensores GNSS ofrecen una solución más conveniente y práctica.
3. Proposiciones conceptuales para instrumentación polar y GNSS para auscultación.
De acuerdo a los requerimientos que se presentan en el estudio de estabilidad estructural o masas terrestres, a continuación se argumentarán dos modelos conceptuales para la instrumentación que podrían utilizarse como modelo de solución para el diseño del sistema de medición de desplazamientos basados en Sensores GNSS y Estaciones Totales Robotizadas.
3.1Modelo conceptual para un sistema de monitoreo con GNSS.
Con este modelo conceptual el sistema establece las coordenadas de los puntos de monitoreo (antenas) mediante procesos de cálculos vectoriales GNSS en post proceso (proceso por paquetes de datos) o tiempo real (proceso RTK) con un herramienta de software para procesamiento de datos GNSS. Posteriormente, las coordenadas calculadas son analizadas por una herramienta de software diseñado específicamente para tareas de análisis de datos de monitoreo. Esta última herramienta permite configurar intervalos de vigilancia como referencias de umbrales los que posteriormente pueden ser utilizados para análisis de cumplimiento de tolerancias y envío de alertas por
mensajería electrónica, celular o accionamiento electromecánico activado por Web Relé.
De acuerdo a lo anterior, se establece que cada punto de monitoreo (Sensor GPS) estaría enviando trenes de datos a una Estación de Trabajo GNSS ubicada en la Oficina de Control, la cual realizaría las tareas de colección de datos GNSS y cálculos vectoriales establecidos entre el sitio designado como Posición Base y los sitios designados como Puntos de Monitoreo (Antenas Móviles) generando con ello una base de datos tipo SQL con la información espacial de cada sitio de monitoreo.
Luego, en la Oficina de Control, una segunda Estación de Trabajo con una herramienta de software tendría la tarea de rescatar la información espacial de cada sitio de monitoreo para su análisis desde el punto de vista de desplazamiento y eventuales alertas. De esta manera, el usuario dispondrá de las opciones de configuración de accesos, umbrales de desplazamiento y eventos de alerta. Además, el usuario tendrá disponible herramientas de análisis gráfico que le permitirán en gabinete generar gráficas de desplazamiento, velocidad y vista en mapa de la situación de estabilidad del sistema.
A continuación se entrega un diagrama conceptual de la solución propuesta que muestra los distintos componentes instrumentales que involucra esta solución.
3.2Proposición conceptual para instrumentación de monitoreo TPS-GeoMoS.
Este modelo de solución se basa en una Estaciones de Robotizada que permitiría al usuario disponer de una herramienta de detección mediante la técnica ATR, SignalScan en las Bandas Infrarroja y Laser y por último mediciones de distancia inclinada en las bandas infrarroja y láser.
El control de posicionamiento de la estación se realizaría mediante una red de prismas en locaciones estables los cuales serán medidos de acuerdo a una cierta periodicidad que permita disponer de los datos suficientes como para poder calcular la posición y orientación de la estación. En este modelo de solución es importante indicar que los vectores establecidos entre la posición de la Estación Total y los prismas ubicados en los distintos sitios inestables representativos del fenómeno a estudiar serán medidos con instrumentación tipo EDM, por tanto, el dato obtenido (Distancia Inclinada) presentará cierta ondulación producto de las variaciones atmosféricas insertando cierto nivel de ruido en los niveles de incertidumbre para los mínimos movimientos a detectar. Es por esta razón que se debe considerar posicionar los puntos de control lo más próximo a la estación instrumental.
La estación total robotizada estaría controlada en la caseta o en forma remota (desde la una oficina central) por una herramienta de control por software. De esta manera, el usuario podrá configurar todas las variables de un ciclo de medición de poder observar y manipular la base de datos. Además, y si la zona de trabajo dispone de un sistema de wireless IP el usuario podría acceder a dichas lecturas utilizando la herramienta de software para análisis en gabinete desde alguna Oficina de Telecontrol, con el objeto de que usuarios externos puedan requerir de criterios propios para análisis de datos e inclusive exportación que el trabajo lo amerita.
A continuación se entrega un diagrama conceptual que muestra los distintos componentes instrumentales que involucra esta solución.
Finalmente y dado que el usuario tendría en la Estación de Trabajo para Control de Instrumentación la base de datos en formato SQL con todo el estado del Sistema de Monitoreo, la cual eventualmente estaría ubicada en la Oficina Central, el modelo de solución podría establecer un Hosting de la información con el propósito de establecer un portal web para visualización remota de toda la información concerniente al estado de situación de inestabilidad del macizo rocoso en estudio. A continuación se entrega un diagrama conceptual de la plataforma TIC para el establecimiento del portal web para visualización remota de la información de monitoreo.
4. Comentarios finales.
A partir de los modelo de solución expuestos, a continuación se exponen algunos aspectos que se originan del flujo de funcionamiento de los Sistemas Integrales de Monitoreo basados en sensores GPS y Estación Total Robotizada.
- Los diagramas conceptuales propuestos están diseñados para cumplir con la mayoría de las necesidades de auscultación tanto para uso de análisis estructural como de masas terrestres.
- Los sistemas de medición por técnicas polares o satelitales no son excluyentes, y pueden ser perfectamente integrados en un tipo de modelo global para monitoreo. - A partir del principio de funcionamiento del sistema polar y del sistema GNSS, este
último presenta ventajas considerables dado que no requiere de línea vista y puede alcanzar largas distancias. Sin embargo, el costo de este último representa su principal desventaja debido a que cada punto de monitoreo representaría una antena, en cambio, en el sistema polar cada sitio de monitoreo representaría el costo de un elemento reflector (prisma).
- El sistema GNSS presenta importantes ventajas en termino de las precisiones en medición, dado que estas no se ven afectadas por condiciones atmosféricas, sin embargo, los tiempos de cálculo entre ciclos dependerá de los tipos de medición a efectuarse lo que podría llevar a que el sistema polar presente características de rapidez más amplia que el sistema GNSS.
5. Referencias.
[1] Van Cranenboeck, J. and Troyer, L. GPS Spider for Deformation Monitoring. In: Proc of 1st FIG Internation Symposium on Engineering Surveys for Construction Works and
Structural Engineering, Lenton and Wortley Hall, The University of Nottingham, United Kingdom, 28 June – 1 July, 2004.
[2] Wernher Ibañez L., Modelos Sistémicos para Soluciones Integrales de Monitoreo en Seminario de Ciencias de la Tierra 2008, Ingeniero Civil Eléctrico, Universidad Católica de Valparaíso, Septiembre 2008.
[3] N. Brown, S. Kaloustian, M Roeckle, Monitoring of Open Pit Mines using Combined GNSS Satellite Receivers and Robotic Total Stations, Leica Geosystems, Switzerland, Heerbrugg, 2007.
