Sistema ciberfísico de monitorización de la temperatura del pavimento. Diseño e implementación

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Texto completo

(1)

 

Sistema

 

Ciberfísico

 

de

 

Monitorización

 

de

 

la

 

Temperatura

 

del

 

Pavimento.

 

Diseño

 

e

 

Implementación.

 

 

 

 

 

Álvaro

 

García

 

1,

*,

 

Jorge

 

Godoy

 

,

 

Rodolfo

 

E.

 

Haber

 

y

  

Juan

 

Jesús

 

Muñoz

 

4

 

1‐3 Center for Automation and Robotics, Consejo Superior de Investigaciones Científicas—Universidad 

Politécnica de Madrid (CSIC—UPM), Madrid, Spain; alvaro.garcia.r@car.upm‐csic.es  

rodolfo.haber@upm.es;  jorge.godoy@car.upm‐csic.es;  

4  GEOCISA Geotecnia y Cimientos S.A. Los Llanos de Jérez, 1012 28820 Coslada ‐ Madrid, Spain; 

jmunozn@geocisa.com 

 

 

(2)

RESUMEN

 

Hoy en día, la preservación, el mantenimiento, la rehabilitación y la mejora de la red de  carreteras son cuestiones clave. Muchos de los parámetros que definen las condiciones de la  superficie  de  la  carretera  están  influenciados  por  diversos  factores  ambientales,  principalmente  la  temperatura.  De  ahí  la  importancia  de  contar  con  bases  de  datos  enriquecidas a partir de sistemas de monitorización en tiempo real que permitan el análisis y  modelado de las propiedades de la carretera. El objetivo principal de este trabajo es el diseño  y desarrollo de un sistema ciberfísico de monitorización inteligente de la carretera para la  medición de la temperatura a diferentes profundidades del pavimento, capaz de transmitir la  información a un vehículo en movimiento. La realización práctica requiere un dispositivo  modular, de fácil instalación, bajo coste y con un consumo de energía reducido. El sistema  ciberfísico propuesto facilita el procedimiento de auscultación, mejorando la confiabilidad de  las medidas realizadas que, a su vez, son la base para estimar la vida útil del pavimento y el  mantenimiento  requerido.  Los  resultados  de  las  pruebas  y  la  validación  del  prototipo  propuesto en un sistema estático con dos tipos de pavimento (asfalto y hormigón) y en  situaciones reales de conducción demuestran el buen rendimiento y la precisión del sistema   ciberfísico propuesto. 

Introducción

 

Hoy en día, la preservación, mantenimiento, rehabilitación y mejora de la red viaria es un  factor fundamental para el desarrollo socio‐económico de un país. Por esta razón, se realizan  evaluaciones periódicas del estado del pavimento basadas en la auscultación con vehículos  especiales, además de en inspecciones visuales del mismo. Este procedimiento consiste en la  medición,  recolección  y  análisis  de  los  diferentes  parámetros  funcionales  (regularidad  superficial, resistencia al deslizamiento, uniformidad, etc.) y estructurales (relacionados con la  capacidad resistente) con el objetivo de diagnosticar el estado actual de la carretera e incluso,  su posible evolución. 

Algunos de estos parámetros están influenciados por las condiciones ambientales (humedad,  temperatura), como la deflexión, por lo que será  necesario corregir o estandarizar los  resultados obtenidos. Para su cálculo, se utilizan principalmente dos dispositivos dependiendo  del tipo de carretera evaluada (composición y capas de pavimento, y trazado), deflectómetro  de impacto y curviámetro. Para el registro de temperatura se utilizan termómetros de  infrarrojos, pero se ha demostrado que la magnitud de temperatura superficial no es la más  idónea para la corrección de las medidas de deflexión puesto que se ve influenciada por  determinados efectos puntuales como sombras, viento, nubosidad, precipitaciones. Por esta  razón, la normativa exige que se tome a 5 cm de profundidad, lo que hace que el proceso sea  más complejo, ya que se debe taladrar el firme, introducir el sensor y añadir un fluido de  contacto y esperar  a la estabilización del  resultado.  Además,  para otros  estudios  más  minuciosos es necesaria la medición del gradiente de temperatura en la sección completa del  pavimento. 

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El proyecto SOVITEMP (Sonda Virtual para la Temperatura interna de un pavimento) propuesto  por GEOCISA pretende dar solución a esta temática, abordando el planteamiento de dos líneas  de actuación:  a. Obtención de una base de datos con datos meteorológicos y temperaturas del firme a  distintas profundidades con el fin de desarrollar un modelo matemático de estimación  de la temperatura representativa del firme de la carretera. 

b. Desarrollo de un sensor de bajo coste que proporcione al vehículo evaluador una  medida precisa de la temperatura del pavimento a una determinada profundidad.  Por tanto, los resultados que se pretenden alcanzar con la realización del proyecto son:  

‐ Optimizar el rendimiento de los equipos y el proceso de auscultación mejorando la  fiabilidad de las medidas obtenidas.  ‐ Reducir los riesgos laborales asociados al proceso de auscultación.  ‐ Contar con una base de datos fiable para su explotación en futuros trabajos.  ‐ Posible futura comercialización del sistema de medición de temperatura.  A continuación se exponen los trabajos efectuados en sendas vías de investigación.   

1.

Base

 

de

 

datos

 

La primera parte del proyecto consiste en la generación de una base de datos de temperatura  recogidos a través de la instalación de sensores en el pavimento a distintas profundidades.  Para ello se desarrolla un sistema de adquisición de medidas de temperatura que cumpla con  los requisitos de precisión y fiabilidad propuestos.   Estos datos se combinarán con los obtenidos por la estación meteorológica para el desarrollo  de un modelo matemático, que permita estimar  la temperatura representativa del firme de la  calzada, que será la base para predecir la vida útil de la misma.   

1.1.

Diseño

 

del

 

sistema

 

El sistema se compone de una tarjeta controladora y una serie de sensores agrupados  formando nodos. Como se busca fiabilidad en las medidas, la alimentación viene dada por la  propia red y, además, se coloca una unidad UPS como complemento. La información recogida  por los sensores es almacenada en ficheros en la propia tarjeta y, cada día, es transmitida a un  servidor remoto como copia de seguridad. 

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Figura 1. Diagrama del sistema.   

1.2.

Hardware

  

Tras la prueba de varios controladores (raspberry, arduino, teensy, edison…) se decide utilizar  una Raspberry Pi 3 como unidad central del sistema.  Como sensores de temperatura se opta por el ds18b20 (versión encapsulada) ya que el rango  de temperaturas y precisión que ofrecen son los adecuados para los requisitos del proyecto.  Además cuentan con el protocolo One‐Wire, con el que solo un puerto es necesario para las  comunicaciones (envío y recepción) y es posible la instalación de los dispositivos en serie. Por  lo tanto la conexión de las sondas es alimentación, comunicaciones y tierra (Figura 2a). Entre  los dos primeros se coloca una resistencia como “pull‐up” de al menos 4.7 kΩ.    (a)  (b)  Figura 2. (a) Esquema de conexiones. (b) Unidad controladora.   

1.3.

Software

 

El objetivo del programa es la generación de un archivo (en este caso de tipo .log) en el que se  vayan almacenando las medidas obtenidas con un  determinado número de sondas  de  temperatura. 

El programa, desarrollado en C (para la utilización de las sondas de temperatura, es necesario  la utilización de los drivers w1‐therm y w1‐gpio), se ejecuta cada cierto intervalo de tiempo,  prepara los sensores, los lee, comprueba si hay algún tipo de error (de dirección, CRC ‐cyclic 

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redundancy check‐, lectura de temperatura  ‐85°C‐), toma las medidas y las guarda en un  archivo diario (que debe crear si no existe, en un determinado directorio) con un formato de  “Fecha (año/mes/dia) – Hora (hora/minutos) – ID sensor – temperatura (en grados Celsius)”. El  fichero se envía a un servidor remoto al finalizar el día.  Figura 3. Ejemplo de archivo de datos.    Para la ejecución de estos procesos a intervalos regulares se implementan dos crontab, en los  que se especifica la propia tarea a realizar así como el momento de ejecución. Además es  posible la configuración del envío de emails como notificaciones del estado de funcionamiento  de los mismos.  */5 * * * * /home/pi/test/pruebamultiple >/dev/null  59 23 * * * /home/pi/test/mandardatos.sh   

1.4.

Comunicaciones

  

Dado que la finalidad de esta parte del proyecto es la generación de una base de datos de las  temperaturas  recogidas  por  los  sensores  y  la  estación  meteorológica  (y  su  posterior  comparación), es necesaria cierta precisión en el momento de la toma de medidas. Como la  propia placa no cuenta con una pila con la que poder mantener la fecha y hora actualizadas  (reinicios), se configura un cliente NTP para la sincronización del dispositivo con un servidor  local. 

$ sudo nano /etc/ntp.conf   

# pool.ntp.org maps to about 1000 low‐stratum NTP servers. Your server will 

# pick a different set every time it starts up. Please consider joining the 

# pool: http://www.pool.ntp.org/join.html 

server 161.111.121.136 iburst 

# server 0.debian.pool.ntp.org iburst 

# server 1.debian.pool.ntp.org iburst 

# server 2.debian.pool.ntp.org iburst 

# server 3.debian.pool.ntp.org iburst   

… 

# By default, exchange time with everybody, but don’t allow configuration. 

Restrict ‐4 default kod notrap nomodify nopeer noquery 

Restrict ‐6 default kod notrap nomodify nopeer noquery 

…   

(6)

Por otro lado, se genera un script con el que realizar una copia de seguridad (a través del  protocolo  sftp)  a  un  servidor  remoto  para  evitar  la  pérdida  de  datos  ante  cualquier  eventualidad que pudiera ocurrir en el dispositivo.  $ nano /home/pi/test/mandardatos.sh    #!/bin/bash  fecha=`date +%Y%m%d`  scp –p /home/pi/test/medidas/medidas_$fecha.logsovitemp@161.111.121.138:~/logs/   

1.5.

Estación

 

meteorológica

 

Con los datos recogidos por la estación meteorológica se generan archivos mensuales con la  siguiente información:    Figura 4. Datos meteorológicos.   

1.6.

Resultados

 

Una vez calibrados y configurados los sensores y controladores, y desarrollados los programas  de lectura, se seleccionan dos puntos (nodos, círculos rojos) en la pista de prueba del Centro  de Automática y Robótica del CSIC‐UPM en Arganda del Rey (Madrid) en los que se instalan 4  sensores de temperatura a distintas profundidades (superficial, 5 cm, 10 cm y 15 cm). Estos  nodos se cablean hasta el interior de una caseta (círculo azul) en la que se sitúa la unidad  central (Raspberry Pi 3). La razón de la elección de estas dos zonas es la posibilidad de observar  la variación en el comportamiento de la temperatura ante dos tipos de pavimento, asfalto y  hormigón. 

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Figura 5. Mapa de pruebas del Centro de Automática y Robótica en Arganda del Rey (Madrid).  Detalle de los nodos instalados.    La instalación se lleva a cabo a finales de junio de 2016 con el objetivo de empezar a recabar  datos en julio, con una frecuencia de muestreo de 5 minutos, y extender este proceso durante  al menos 1 año (julio 2017).    (a)  (b)  (c)    (d)  (e)  (f)    (g)  (h)  (i)  Figura 6. Instalación de los nodos.   

(8)

Tras varios días de funcionamiento del sistema de adquisición de temperatura, se detectan  problemas de comunicación con los sensores, que se traducen en la pérdida aleatoria de  datos. Estos problemas son causados, posiblemente, por la elevada temperatura del cableado  y/o del microcontrolador (periodos más calurosos del día), por lo que tras varias pruebas e  intentos por subsanar los problemas (colocación de aislante térmico al cableado, climatización  de la cabina, etc.), se decide instalar un nuevo microcontrolador, un Arduino Due. Éste, será el  nuevo encargado de leer los sensores y mandar la información al anterior dispositivo para su  almacenamiento y posterior envío al servidor remoto.  (a)  (b)  Figura 7. Soluciones adoptadas. (a) Aislante térmico. (b) Instalación UPS y Arduino   

Esta parte del proyecto sirve también para determinar la funcionalidad y resistencia de los  dispositivos seleccionados en una primera toma de contacto ante   condiciones reales de  funcionamiento. 

Una vez recogidos los datos generados en el nuevo periodo de lectura (agosto ’16 / ’17) se  observa una tasa de error menor al 1%, lo que demuestra la fiabilidad y robustez del sistema. 

Figura 8. Evolución de la temperatura media diaria medida en dos nodos en diferentes  pavimentos. 

(9)

Figura 9. Evolución de la temperatura del pavimento en ambos nodos en diferentes estaciones    Los ficheros diarios de temperatura de las pistas  junto con los archivos mensuales de datos de  la estación meteorológica del centro se van insertando en un servidor para posibilitar el acceso  a los mismos desde GEOCISA.     

2.

Prototipo

 

dinámico

 

La  segunda  parte del proyecto  consiste en  el  diseño de un prototipo  de medidas  de  temperatura  del  pavimento  a  distinta  profundidad  y  su  transmisión  a  un  vehículo en  movimiento. Los objetivos para el diseño del sistema son la fiabilidad y precisión en las  medidas obtenidas con un dispositivo modular y de fácil instalación, con un bajo coste y  consumo energético reducido que permita aumentar el rendimiento de los equipos  de  auscultación mediante una mejora en las correcciones de las mediciones de capacidad de  carga. 

2.1.

Diseño

 

del

 

sistema

 

El prototipo está formado por una unidad central y por nodos en los que se instalan varios  sensores  acoplados  a  un soporte  que  va  insertado  en  la  calzada.  La  alimentación  es  suministrada por una batería externa que a su vez es cargada mediante un panel solar. 

La  información recogida  por estos sensores es transmitida a la unidad central, que se  encuentra a bordo del vehículo auscultador cuando éste circula por las proximidades del nodo.  Con la colocación de varios nodos (a lo largo de la vía) es posible la monitorización del  gradiente de temperatura del firme de la carretera. 

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(a)  (b)  Figura 10. Diagrama conceptual del sistema de monitorización propuesto incluyendo los 

principales subsistemas.   

2.2.

Nodo

 

Cada nodo se compone de una placa controladora, varios sensores de temperatura, y una  batería y panel solar como alimentación. Utilizando la experiencia de la primera parte del  proyecto a la hora de la selección de dispositivos, se opta por los Waspmote v1.1 de Libelium  (basado en Arduino con librerías propias) con módulo de comunicaciones XBEE‐PRO 802.15.4  EU y los mismos sensores de temperatura DS18B20. 

Cada nodo dispone de 4 sensores (tipo transistor) colocados en un soporte separados 5 cm  entre sí, volviendo a permitir medidas de temperatura superficiales y hasta una profundidad  de 15 cm. La colocación en el bastidor simplifica la instalación o reemplazo y proporciona  modularidad  al  conjunto.  Además  se  añade  un  recubrimiento  resinoso  que  mejora  la  orientación y el contacto con la sección pavimento y actúa también como capa protectora. Por  último se selecciona una batería de 6600 mAh y 3.7 V y un panel solar de tipo rígido de 234 x  160 x 17 mm, 7V y 500 mA.    (a)  (b)  (c)  Figura 11.  (a) Soporte de sensores. (b) Conjunto de sensores. (c) Wasmote de Libelium con  módulo XBEE.      

(11)

2.3.

Unidad

 

a

 

bordo

 

 

comunicaciones

 

Del lado del vehículo, se encuentra un Gateway de Libelium con un módulo XBEE similar al de  los nodos, cuyo objetivo es la transmisión y recepción de los mensajes correspondientes a la  computadora para su posterior uso o almacenamiento a través de un puerto USB. 

En cuanto a las comunicaciones, se apuesta por el empleo del protocolo 802.15.4, a pesar de  que el más extendido en los entornos vehiculares sea el IEEE 802.11p (amplios rangos de  operación y velocidad de transmisión), ya que la cantidad de información en ser transmitida no  es elevada y la distancia proporcionada sería a priori suficiente. Las ventajas de utilizar este  protocolo,  aparte  del  menor  coste  económico,  son  la  facilidad  de  la  transmisión  y  enrutamiento  del  mensaje.  Además  se  cuenta  con  una  amplia  experiencia  del  equipo  investigador  de la  UPM con esta  tecnología en  el campo de  los sistemas  inteligentes  obteniendo resultados satisfactorios. 

Figura 12. Gateway de Libelium.   

2.4.

Software

 

El factor fundamental a tener en cuenta para el diseño de los programas de comunicación y  medida del prototipo es la ventana de tiempo para transmitir la información requerida,  además del tamaño de ésta. El proceso de medición de cada sensor puede extenderse hasta  los 750 ms (a máxima resolución) y si se añade a éste las etapas de petición, procesado,  formación, transmisión y recepción del mensaje, el tiempo total sería considerable. Esto podría  afectar  significativamente  a  la  velocidad  del  vehículo  ya  que  el  alcance  real  de  las  comunicaciones puede verse reducido drásticamente ante determinadas condiciones del  entorno. 

(12)

  Figura 13. Esquema inicial de funcionamiento. Problemática de tiempos.   

Para solventar este problema se valoran dos posibilidades (además de una disminución de la  precisión con la que medir la temperatura). La primera, seguir con el enfoque de lectura  inmediata bajo demanda realizando una modificación de las librerías proporcionadas por el  fabricante para que los sensores trabajen de forma paralela, con lo que la solicitud de medida  se produce al mismo tiempo a todos los sensores del nodo, se espera el tiempo oportuno para  la conversión y posteriormente, se realiza la lectura de la medida. Este enfoque requeriría más  tiempo de desarrollo y sería susceptible de introducir errores en los sensores.  Figura 14. Enfoque de lectura inmediata con funcionamiento en paralelo.    Por otro lado, la segunda posible solución a tener en cuenta, es la de efectuar mediciones de  forma  periódica,  con  independencia  de  haber  recibido  petición  de  lectura  y,  una  vez  almacenados, transmitirlos con posterioridad. Esto sería posible gracias a que no se producen  cambios significativos de temperatura en cortos periodos de tiempo. De esta manera, el nodo  estaría preparado para  transmitir la última medición registrada por los sensores en el  momento de recibir la petición por parte del vehículo. Otra ventaja de esta propuesta es la  posibilidad de transmitir determinados periodos de interés para su posterior análisis al ir  almacenando toda la información recabada. 

  Figura 15. Enfoque de lectura periódica. 

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Una vez valorados las ventajas e inconvenientes de cada enfoque, se decide adoptar la  segunda opción. Esta parte se desarrolla en el IDE propio del Waspmote. En cambio, el  software de la unidad coordinadora se desarrolla en C/C++ y su función es la de hacer la  petición a los nodos. Está implementado en un ordenador a bordo del vehículo de evaluación  de carreteras. (Ver anexo 1).  (a)  (b)  Figura 16. Diagrama de bloques del prototipo (lectura y comunicaciones). (b) Captura del  software de adquisición de datos.    Figura 17. Esquema de funcionamiento.   

2.5.

Resultados

 

Después de desarrollar los programas de medición y transmisión y de realizar pruebas de  funcionamiento en laboratorio, se realizan diversas pruebas de campo para verificar que los  datos son enviados y recibidos bajo diferentes circunstancias, variando las velocidades y  simulando la presencia de obstáculos que reducen el rango de transmisión del dispositivo. 

(14)

Figura 18. Vista general de las pruebas de campo.   

Así mismo se podrían añadir otras características a la información transmitida por los nodos  para aumentar su funcionalidad, como el punto kilométrico de la carretera en el que está  instalado, nivel y estado de la batería y del panel fotovoltaico. 

3.

Conclusiones

 

El objetivo del trabajo ha sido el diseño e implementación de un sistema ciberfísico de  monitorización de temperatura del pavimento de carreteras a distintas profundidades y la  transmisión de datos a un vehículo en movimiento. Se ha generado además una base de datos  con las medidas recogidas por los sensores y la estación meteorológica. La finalidad del  prototipo diseñado es optimizar el proceso de auscultación de carreteras, permitiendo una  mejor corrección de las mediciones de su capacidad portante, clave en la estimación de la vida  útil del pavimento. 

Los resultados de las pruebas a las que se ha sometido al prototipo propuesto en diferentes  pavimentos y situaciones de conducción muestran que se han cumplido los requerimientos en  términos económicos, de consumo energético, precisión, fiabilidad y facilidad de instalación y  sustitución de componentes.  

 

4.

Referencias

 

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