OPTIMIZACIÓN DE LOS NIVELES DE ILUMINACIÓN EN LOS TÚNELES DE COLOMBIA MEDIANTE EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO CON EL FIN DE DISMINUIR LOS CONSUMOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

ANDRÉS ZAHIR CAMPO VARGAS ANGIE GINETH GÓMEZ HERNÁNDEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS BOGOTA D.C. 2015

OPTIMIZACIÓN DE LOS NIVELES DE ILUMINACIÓN EN LOS TÚNELES DE COLOMBIA MEDIANTE EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO CON EL FIN DE DISMINUIR LOS CONSUMOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

ANDRÉS ZAHIR CAMPO VARGAS ANGIE GINETH GÓMEZ HERNÁNDEZ

TRABAJO DE GRADO PRESENTADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO ELÉCTRICO

DIRECTOR: ING. FREDY MARTINEZ DOCENTE PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS BOGOTÁ D.C. 2015

Nota de aceptación

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Nombre Director del proyecto

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Jurado 1

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Jurado 2

AGRADECIMIENTO

El presente trabajo de tesis inicialmente nos gustaría agradecer a la Universidad Distrital Francisco José de Caladas Facultad Tecnológica por darnos la oportunidad de estudiar y llegar a ser buenos profesionales. A nuestro director de tesis, profesor Fredy H. Martínez S. por su esfuerzo y dedicación, quien con sus conocimientos, su experiencia, y su motivación han logrado que podamos terminar los estudios con éxito. Así mismo agradecer a nuestras familias quienes con su apoyo incondicional hicieron posible la culminación de este trabajo. Finalmente agradecemos a todos los profesores durante toda la carrera de ciclo tecnológico y profesional porque todos han aportado con un granito de arena a nuestra formación. Para todos ellos Muchas gracias.

ÍNDICE GENERAL Resumen ........................................................................................................................................ 1 Abstract ......................................................................................................................................... 1 Introducción .................................................................................................................................. 2 1.

Antecedentes teóricos ............................................................................................................. 3 1.1

Motivación ..................................................................................................................... 3

1.2

Iluminación en túneles .................................................................................................... 6

1.2.1 1.3

Avances tecnológicos ................................................................................................... 11

1.3.1

Luminarias usadas para sistemas de iluminación en túneles ................................... 11

1.3.2

Tecnologías de iluminación eficientes ................................................................... 14

1.3.3

Generalidades para el uso de luminarias LED´s ..................................................... 15

1.4

Problema de investigación ............................................................................................ 17

1.4.1

Objetivo general.................................................................................................... 18

1.4.2

Objetivos específicos ............................................................................................ 18

1.5 2

Organización de la monografía ..................................................................................... 18

Diseño del sistema ............................................................................................................... 19 2.1

Normatividad vigente ................................................................................................... 19

2.2

Perfil del diseño de iluminación .................................................................................... 19

2.2.1

Caracterización de los túneles viales en Colombia ................................................. 20

2.2.2

Consideraciones para la vista en perfil................................................................... 26

2.2.3

Requerimientos de iluminación ............................................................................. 28

2.2.4

Planificación de la iluminación de un túnel............................................................ 30

2.3

Perfil del diseño de control ........................................................................................... 31

2.3.1

Lógica Difusa ....................................................................................................... 33

2.3.2

Control Difuso ...................................................................................................... 35

2.4

Diseño de iluminación .................................................................................................. 36

2.4.1 2.5

3.

Generalidades ......................................................................................................... 8

Geometría del túnel de Occidente fase II ............................................................... 37

Diseño de control.......................................................................................................... 61

2.5.1

Software ............................................................................................................... 62

2.5.2

Hardware .............................................................................................................. 66

Evaluación de desempeño .................................................................................................... 71 3.1

Metodología ................................................................................................................. 71

3.2

Resultados y análisis..................................................................................................... 73 I

4.

5.

Conclusiones y trabajo futuro ............................................................................................... 78 4.1

Conclusiones ................................................................................................................ 78

4.2

Trabajo futuro............................................................................................................... 79

Bibliografía .......................................................................................................................... 80

Anexo B. Códigos control de iluminación. ................................................................................... 83

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas. ................................... 7 Figura 1.2 Tipo de visión del ojo humano....................................................................................... 7 Figura 1.3 Zonas de Alumbrado en Túneles.................................................................................... 8 Figura 1.4 Luminancia. ................................................................................................................ 10 Figura 1.5 Contraste. .................................................................................................................... 11 Figura 1.6 Lámpara de sodio de alta presión. ................................................................................ 12 Figura 1.7 Lámpara Haluro metálico. ........................................................................................... 13 Figura 1.8 Lámpara fluorescente. ................................................................................................. 14 Figura 1.9 Organización de la monografía .................................................................................... 19 Figura 2.1 Porcentaje de Clasificación de los Túneles Viales en Colombia ................................... 25 Figura 2.2 Porcentaje de tipo de revestimiento túneles viales en Colombia ................................... 26 Figura 2.3 Diagrama típico del coeficiente de fricción como una función de la velocidad para pavimento húmedo y seco. ........................................................................................................... 28 Figura 2.4 Planeación diseño iluminación de un túnel................................................................... 31 Figura 2.5 Superficie en 3D, sistema de control mediante lógica difusa. ....................................... 33 Figura 2.6 Esquema general de lógica difusa. ............................................................................... 34 Figura 2.7 Función de membresía................................................................................................. 35 Figura 2.8 Entrada túnel de Occidente .......................................................................................... 39 Figura 2.9 Entrada túnel de Occidente .......................................................................................... 39 Figura 2.10 Determinación de las zonas de iluminación de un túnel. ............................................. 40

II

Figura 2.11 Gráfico escalonamiento de luminancia en la zona de transición para el túnel de occidente fase II ........................................................................................................................... 42 Figura 2.12 Árbol del proyecto software Tunnel V3.0 .................................................................. 44 Figura 2.13 Vista en planta sistema a contra flujo. ........................................................................ 45 Figura 2.14 Vista lateral sistema a contra flujo ............................................................................. 46 Figura 2.15 Esquema general sistema a contra flujo ..................................................................... 46 Figura 2.16 Geometría del túnel. .................................................................................................. 47 Figura 2.17 Definición de parámetros sección transversal del túnel .............................................. 48 Figura 2.18 Sección transversal del túnel ..................................................................................... 49 Figura 2.19 Distribución de luminarias zona de umbral 1 ............................................................. 49 Figura 2.20 Luminaria OMNISTAR, SCHRÉDER ....................................................................... 50 Figura 2.21 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 1000MA WW 347322 ............ 51 Figura 2.22 Distribución de luminarias zona de umbral 2 ............................................................. 51 Figura 2.23 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 700mA CW 347322................ 52 Figura 2.24 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 500mA WW 347322............... 53 Figura 2.25 Fotometría luminaria OMNISTAR 5118 128 LEDS 500mA CW 348632................ 54 Figura 2.26 Fotometría luminaria OMNISTAR 5068 144 LEDS 350mA WW 348572............... 55 Figura 2.27 Luminaria CONTILED, SCHRÉDER........................................................................ 55 Figura 2.28 Fotometría luminaria CONTILED 2 5118 32 LEDS 700mA NW 337532 ............... 56 Figura 2.29 Fotometría luminaria CONTILED 1 5068 32 LEDS 700mA CW 337442 .................. 57 Figura 2.30 Información de la distribución de luminarias en la zona de transición ........................ 57 Figura 2.31 Simulación de la distribución de luminarias en la zona de transición. ......................... 58 Figura 2.32 Curva CIE, % de luminancia vs longitud de las zonas en el túnel. ............................. 59 Figura 2.33 Curva CIE, Luminancia vs longitud de las zonas en el túnel..................................... 59 Figura 2.34 Curva CIE, % Uniformidad vs longitud de las zonas en el túnel. .............................. 60 Figura 2.35 Vista general 3D del túnel en software Tunnel V3.0 .................................................. 60 Figura 2.36 Interfaz de control. .................................................................................................... 62 III

Figura 2.37 Entrada tipo puente túnel de occidente, Colombia. ..................................................... 66 Figura 2.38 Montaje túnel prototipo. ............................................................................................ 67 Figura 2.39 Sección transversal túnel prototipo. ........................................................................... 68 Figura 2.40 Diagrama de conexión foto-resistencias. .................................................................... 69 Figura 2.41 Bloque de LED de 4.5 cm.......................................................................................... 69 Figura 2.42 Bloque de LED de 7.5 cm.......................................................................................... 69 Figura 2.43 Montaje tarjetas Arduino uno. ................................................................................... 70 Figura 2.44 Esquema de conexión tarjeta Arduino con sistema de iluminación. ............................ 71 Figura 3.1 Metodología evaluación del desempeño....................................................................... 72 Figura 3.2 Resultado interfaz de la curva de iluminación en el túnel. ............................................ 73 Figura 3.3 Valor mínimo de dimerización con línea de tendencia polinómica obtenida a partir de la interfaz. ....................................................................................................................................... 73 Figura 3.4 Valor mínimo de dimerización. ................................................................................... 74 Figura 3.5 Valor intermedio de dimerización................................................................................ 75 Figura 3.6 Valor máximo de dimerización. ................................................................................... 76 Figura 4.1 Comparación sistema de iluminación SAP Vs sistema dimerizable LED. ..................... 79

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Comparación en tecnologías de luminarias más usadas en túneles. ................................ 14 Tabla 2.1 Niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación. .................. 20 Tabla 2.2 Descripción de los Túneles en Colombia (Gil, 2010)..................................................... 25 Tabla 2.3 Métodos usados para el control de sistemas de iluminación y sus principales características. ............................................................................................................................. 33 Tabla 2.4 Valores de luminancia en la zona interior (túneles largos). ............................................ 42 Tabla 2.5 Valores de luminancia en la segunda parte de la zona interior (túneles muy largos). ...... 42 Tabla 2.6 Clasificación del caudal de tráfico. ............................................................................... 43 Tabla 2.7 Características generales luminarias Omnistar............................................................... 50 IV

Tabla 2.8 Características generales luminarias Contiled................................................................ 55 Tabla 2.9 Funciones de membresía para conjuntos difusos de entrada........................................... 63 Tabla 2.10 Reglas de lógica difusa ............................................................................................... 65 Tabla 2.11 Rangos funciones de inferencia del conjunto difuso Potencia ...................................... 66 Tabla 2.12 Distribución bandas de LED a lo largo del túnel prototipo.......................................... 70 Tabla 3.1 Comparación entre el consumo de energía al año entre tecnologías SAP y LED ............ 76 Tabla 3.2 Cantidad luminarias diseño Sodio de alta presión SAP. ................................................. 76 Tabla 3.3 Potencia luminarias diseño Sodio de alta presión. ......................................................... 76 Tabla 3.4 Potencia luminarias diseño LED. .................................................................................. 76 Tabla 3.5 Consumo de energía por día (durante 8h diarias para cada escenario) diseño SAP. ........ 77 Tabla 3.6Consumo de energía por día (durante 8h diarias para cada escenario) diseño LED.......... 77

ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1.1 Fórmula para el cálculo de luminancia. ..................................................................... 9 Ecuación 2.1 Distancia de parada ................................................................................................. 27 Ecuación 2.2 Deslumbramiento Perturbador ................................................................................. 30 Ecuación 2.3 Representación matemática conjuntos difusos ......................................................... 34 Ecuación 2.4 Área del centroide. .................................................................................................. 36 Ecuación 2.5 Calculo de la media para la defusificación con el método Sugeno ............................ 36 Ecuación 2.6 Cálculo L20 ............................................................................................................. 38 Ecuación 2.7 Radio de visión desde la distancia de parada............................................................ 39 Ecuación 2.8 Constante de relación entre Lth y L20 ........................................................................ 41 Ecuación 2.9 Ecuación luminancia zona de transición .................................................................. 41 Ecuación 2.10 Variación los niveles de iluminación en función de la tensión en la foto-resistencia. .................................................................................................................................................... 68 V

Resumen Este trabajo de grado tiene como finalidad desarrollar un sistema de control automático para la optimización de los niveles de iluminación en los túneles de Colombia con el fin de disminuir los consumos de energía eléctrica, con base en una amplia investigación del estado del arte de los últimos años, donde se evidencie la investigación y desarrollo en el área hasta el día de hoy. De este modo, conocer los avances tecnológicos que se han venido presentando en los últimos años en cuanto a esquemas de control para sistemas de iluminación, de acuerdo a esto se establecen los parámetros y requisitos de diseño que se deben aplicar a un sistema de iluminación de túneles. Mediante el uso del software Tunnel V3.0 de libre uso de Schréder, se realizará el diseño de un sistema de iluminación de túneles que cumpla con los requerimientos establecidos en la normatividad vigente -RETILAP- ; el cual a su vez, permite establecer las variables de entrada que deben considerarse para el desarrollo de un esquema de control inteligente mediante lógica difusa para la iluminación de túneles que permita contribuir al PRO-URE.

Abstract This thesis aims to develop an automatic control system to optimize light levels in the tunnels of Colombia in order to reduce consumption of electricity, based on extensive research of the state of art in recent years, where research and development in the area become evident until today. Thus meet the technological advances that have been occurring in recent years in terms of control schemes for lighting systems, according to these parameters and design requirements to be applied to, a tunnel lighting system will be established. Using the Tunnel V3.0 software for free use of Schreder, the design of a tunnel lighting system that meets the requirements set forth in current regulations -RETILAP- be held; which in turn, will establish the input variables to be considered in the development of an intelligent control scheme using fuzzy logic for the lighting of tunnels that could contribute to PRO-URE. Palabras Claves: Luminancia, iluminancia, nivel de iluminación, diseño de iluminación, diseño de control y lógica difusa. Key words: Luminance, illuminance, level lighting, lighting design, control design and fuzzy logic.

1

Introducción La historia de la construcción de túneles en Colombia se divide principalmente en dos periodos. El primer periodo comprende desde la década de los 50's hasta el año 2000, tiempo en donde la construcción de túneles se establecía mediante el plan vial, el cual entró en vigencia el año 1950. En la década de los 80's e inicios del siglo XXI el Departamento de Planeación Nacional da a conocer mediante el informe de economía social, la necesidad que tiene el país de implementar infraestructura vial de calidad. Esta infraestructura vial permitió garantizar la gran expansión energética que en su momento experimentó el país, para dar cobertura a poblaciones aisladas. De esta forma, y con el fin de contribuir al plan de desarrollo de la época, se inició la construcción en gran medida de túneles viales. Para el periodo comprendido entre 1970 a 1980 se obtuvo una longitud construida de 10,5 km, los cuales representan un 46,3% de la longitud construida en túneles antes del año 2003. A partir del año 1995 se han construido túneles de más de mil metros de longitud en Colombia, utilizando varios métodos de construcción, debido a las diferentes épocas en que se ejecutaron los proyectos. En ese año se inicia la construcción del túnel Misael Pastrana Borrero (Buenavista) en la vía Bogotá - Villavicencio mediante el método convencional o NATM (Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles). El túnel cuenta con una longitud 4520 m, y se habilitó el tráfico vehicular en Agosto del 2002. En el año 1997 se dio inicio a la construcción de los túneles Argelino Duran Quintero (Boqueron) y el túnel de Occidente. El túnel Boquerón que cruza el Alto de Boquerón hasta descender a Villavicencio, cuenta con una longitud de 2400 m, incluyendo un túnel falso de 80 m en la entrada. Para la construcción de este túnel se utilizó el método convencional (Coviandes, 2015). El túnel de occidente inició obras en noviembre de 1997, y se inauguró en el año 2006. Fue construido usando el método convencional, y está dividido en tres etapas: La sección Occidental, sección Oriental y el Túnel Fernando Gómez Martínez. Este último posee una longitud total de 4603 m y se encuentra ubicado entre Medellín y Santafé de Antioquia (Invias, 2013). Por otro lado, con una longitud de 1710 m, el Túnel Daza conecta la vía Panamericana, ubicado en la variante Rumichaca-Pasto-Aeropuerto en el municipio de Daza-Nariño. Su geometría comprende dos carriles de 3,85 m cada uno. Las obras de excavación dieron inicio en el año 2009 y se construyó mediante el método de perforación y voladura; así mismo, el Túnel de Daza fue impermeabilizado para impedir la filtración de agua y cuenta con un revestimiento de concreto lanzado (Blog 360° en Concreto, 2014). Ubicado en el municipio de Icononzo-Tolima, el Túnel Guillermo León Valencia-Sumapaz tiene una longitud de 4,2 km, cuenta con dos carriles cada uno de 3,65 m de ancho y en sentido unidireccional con flujo vehicular desde Girardot a Bogotá. En Agosto de 2006 inició su construcción y entró en operación en Marzo de 2011. El túnel cuenta con revestimiento en concreto convencional (Camara Colombiana de la Infraestructura, 2011). Observando la evolución en la construcción de los túneles de Colombia y los plantean para el futuro como lo son el Túnel Santa Elena (8200 m, vía Medellín Túneles laterales al río Medellín (5300 m, Autopista urbana de Medellín), se desarrollo en infraestructura vial en el país está en crecimiento. Es por esto instalaciones deben estar diseñadas con los más altos estándares de calidad.

proyectos que se - Rionegro) y los evidencia que el que este tipo de

Dentro de la normatividad vigente y entrando en el contexto del mercado energético, los sistemas eléctricos en los túneles, tales como, sistemas de iluminación, sistemas de ventilación, sistemas de 2

comunicación, control y supervisión y sistemas eléctricos en general representan gran consumo de energía eléctrica. Con base en lo anterior, las últimas tendencias en diseños están enfocadas en garantizar el uso eficiente de los recursos mediante la aplicación de tecnologías que permitan el control y tele-gestión de los diferentes sistemas. De esta forma, al revisar el estado del arte de la tecnología actual para sistemas de iluminación en túneles, se encontró que en Colombia no se está implementando controles automáticos que permitan disminuir el consumo de energía dentro de la instalación. Este trabajo de investigación tiene como finalidad proporcionar una alternativa para el ahorro de energía mediante el uso de luminarias de bajo consumo y el control de iluminación. Actualmente los sistemas de iluminación en túneles se caracterizan por hacer uso de control ON/OFF con luminarias no convencionales como lo son luminarias de sodio de alta presión, obteniendo como resultado altos consumos de energía. El control de iluminación inteligente permite adaptar la iluminación del túnel a los diferentes escenarios que se presentan a lo largo del día, debido a que en la noche se requieren menores niveles de iluminación. Así mismo el uso de luminarias de bajo consumo junto con controles de iluminación inteligentes permiten obtener mayor eficiencia en el sistema y alarga la vida útil de la instalación. Ya que al realizar dimerización de los niveles de iluminación. En este documento se mostrará el desarrollo de diseños de iluminación utilizando luminarias tipo LED y un sistema de control inteligente basado en lógica difusa, resaltando las ventajas que brinda en ahorro energético.

1

Antecedentes teóricos

1.1

Motivación

Con el fin de esclarecer los temas de investigación referentes a los sistemas de iluminación en túneles, a continuación se presentan algunos proyectos de investigación que han contribuido al desarrollo de dichos sistemas. El avance tecnológico de los sistemas de iluminación en túneles en la actualidad va desde la implementación de sensores hasta sistemas de control avanzados. En este sentido los autores Stefano Cattini y Luigi Rovati en el 2012, con el siguiente artículo: “Low-Cost Imaging Photometer and Calibration Method for Road Tunnel Lighting”, presentan el desarrollo y la calibración de un medidor de iluminancia de velo para aplicaciones en sistemas de iluminación en túneles. Allí se propone un instrumento de medición basado en cámaras de iluminación en los túneles de carretera. Este sistema permite apreciar la luminancia de velo que sería percibida por un conductor que se aproxima a un túnel, permitiendo así la estimación de la luminancia óptima en el nivel de entrada de los túneles, por lo tanto, aumentar la seguridad del conductor (págs. 1181-1191)”. Los sistemas de control permiten la interacción hombre-máquina, aunque el desarrollo de los mismos ha llevado a que los sistemas de control sean automáticos, es decir, el control involucra solamente máquinas. Es así como este tipo de control, ha liberado al hombre de realizar tareas repetitivas, tareas que implican riesgo o sistemas complejos de manipular. Así mismo se han implementado diversos sistemas de control y estos han sido aplicados a los sistemas de iluminación, tales como los controles adaptativos, que en el desarrollo del artículo “Is There Light at the Ends of the Tunnel? Wireless Sensor Networks for Adaptive Lighting in Road Tunnels”, expuesto por Matteo Ceriotti y otros en 2011, se presenta: 3

“Un despliegue en el que las redes de sensores inalámbricos (WSN) son un componente clave de un sistema de control de bucle cerrado para la iluminación adaptativa en los túneles de carretera operacionales. Los nodos WSN a lo largo de las paredes del túnel reportan lecturas de la luz a una estación de control, que cierra el bucle mediante el establecimiento de la intensidad de las lámparas para que coincida con los niveles de iluminación preestablecidos (págs. 187-198)”. Por otro lado Giuseppe Parise, Luigi Martirano y Simone Pierdomenico en 2007, con el artículo titulado “An Adaptive Criterion To Design The Lighting System In The Road Tunnels”, sugieren un criterio adaptativo para diseñar el sistema de iluminación de apoyo con el fin de mitigar el costo y el impacto energético (págs. 1244-1248). Dentro de este contexto también se cuenta con controles de lógica difusa, en el 2011 Hong Zeng y Jian Qiu, mediante el artículo “Fuzzy Control of LED Tunnel Lighting and Energy Conservation”, afirman que los sistemas actuales de control de iluminación del túnel de carretera suelen estar controlados de forma manual, lo que resulta un desperdicio de energía significativo. En este artículo se diseña un algoritmo de control difuso para los sistemas de control de energía de iluminación de túneles: “El sistema utiliza LED (Light Emitting Diode) de iluminación, por lo que el algoritmo de control difuso está diseñado para luminarias tipo LED. El tráfico y el nivel de iluminación natural, se utilizan como parámetros en el algoritmo de control de iluminación inteligente. Este sistema se ha implementado en el túnel Lengshui en la carretera provincial 49 ª de la provincia de Zhejiang y operado por más de seis meses. Los resultados de rendimiento muestran que el sistema de conservación de la energía proporciona los niveles de iluminación suficientes para la seguridad del tráfico, con el ahorro de energía significativo (págs. 576-582) ”. De la misma forma Tianshu Huang, Fan Luo y Kui Zhang en el 2006, con el artículo titulado “Application of Fuzzy Control to A Road Tunnel Lighting System”, se ocupan de los graves problemas del sistema de iluminación en un túnel de carretera. “De esta forma se desarrolla el diseño del modelo de un control difuso, un diseño de la configuración del sistema de iluminación incluyendo nodo de detección de luminancia, el nodo de detección de tráfico y se construye nodo de control de lámpara. Todo esto basado en la disposición que ofrece la asignación de nodos de sensores, nodos de control y un modelo de control de lógica difusa. Las funciones de pertenencia de la cantidad de vehículos que transitan por hora y la velocidad del flujo de tráfico en el túnel se presentan físicamente con el fin de configurar las reglas de lógica (págs. 136-139)”. Actualmente se están desarrollando controles inteligentes, como lo expone Domenico Luca Carnì y Domenico Grimaldi en 2013 con el artículo “A Smart Control to Operate the Lighting System in the Road Tunnels”, en el documento se propone: “Un control inteligente capaz de operar y ajustar automáticamente el flujo luminoso emitido por el sistema de iluminación de acuerdo con las señales de entrada de la luminancia externa, las condiciones climáticas y la intensidad de tráfico. Con los objetivos de mejorar la seguridad y comodidad para los conductores, evitando los excesos de luminancia y mitigar el costo y el impacto energético. El diseño del sistema de iluminación de apoyo en el túnel de carretera tiene en cuenta las condiciones críticas para estos parámetros que determinan una alta demanda de energía eléctrica (págs. 786-790)”. 4

Por otro lado se han creado algoritmos genéticos, un ejemplo de esto se expone con Sérgio Leitão, E. J. Solteiro Pires y P. B. de Moura Oliveira en 2009, mediante el artículo “Road Tunnels Lighting Using Genetic Algorithm”, donde: “Se presenta una herramienta para automatizar el diseño de sistemas de iluminación de los túneles de carretera. Los autores señalan que un sistema de iluminación del túnel debe garantizar unos valores mínimos de luminancia con el fin de garantizar una conducción fácil y percepción visual. La distribución de las luces, en diferentes zonas del túnel, se obtiene en la técnica propuesta por el uso de un algoritmo genético. La plataforma de software desarrollada selecciona automáticamente el mejor tipo de luz y su localización, de acuerdo con un objetivo de diseño específico, a lo largo del túnel, independientemente del fabricante de las luminarias (págs. 1632)”. Así mismo Dingyuan Wang y Haifeng Jiang en 2012, mediante el artículo “Dynamic Dimming Control Method Research on Tunnel LED Lighting based on LED Controllability”, desarrollaron: “Un método de control de regulación dinámica de la iluminación LED en un túnel de carretera, basado en la controlabilidad de la luz LED, emprendiendo un análisis exhaustivo de método de control dinámico y principio. A través del análisis de la manifestación del LED en el sistema de iluminación del proyecto y mediante demostración, se indicó que los resultados de la investigación pueden ahorrar de manera significativa el coste de la energía del sistema de iluminación del túnel con las condiciones de una iluminación adecuadas. Con base en esto se proporcionará un ahorro de energía por medio del control dinámico de regulación de túnel en las autopistas que cuenten con un sistema de iluminación LED (págs. 1176-1198)”. Igualmente He Yi, Li Changbin y WuAiguo en 2012, desarrollaron un control basado en iluminación LED, en el artículo “LED Lighting Control System in Tunnel Based on Intelligent Illumination curve”. En este documento se describe “Un sistema de iluminación LED para túneles con base en el bus RS485. Un sistema experto se utiliza para calcular la curva de demanda de iluminación del túnel, basándose en la iluminación fuera del túnel, el flujo vehicular y la velocidad de los carros. La iluminación del túnel es controlada por la curva de iluminación dado. Esto hace que el proceso de adaptación de los ojos del conductor de brillante a oscuro al ingresar al túnel sea más natural y suave. Para convertir la curva de la iluminación de acuerdo a las instrucciones del control a todas las luminarias LED, se presenta una estrategia de alimentación directa y el control de retroalimentación basado en la relación entre el flujo de luz y el brillo en el túnel. Así mismo como se ahorra energía con el sistema de iluminación del túnel (págs. 698-701)”. Finalmente Daza Antonio, 2010, con la tesis titulada “Optimización del Algoritmo de Control del Sistema de Iluminación del Túnel Buenavista de La Carretera Bogotá – Villavicencio”, presenta: “Optimización del algoritmo de control del sistema de iluminación de uno de los dos túneles del tramo 6 de la carretera Bogotá-Villavicencio, siendo el túnel Buenavista el objetivo dada su dimensión, potencia instalada, disponibilidad de información de diseño, disposición para la toma de medidas en sitio y elementos actuadores que facilitaban el control sectorizado de la iluminación al interior del túnel. Ésta actualización se hizo con el fin de fijar parámetros de operación de la 5

iluminación del túnel Buenavista conforme a la resolución 180540 del 30 de marzo de 2010 “RETILAP” la cual a su vez llama al cumplimiento de la norma europea CIE 88:2004 en su SECCIÓN 570 que indica “El objetivo de la iluminación de túneles es suministrar una apropiada visibilidad a los conductores tanto en el día como en la noche” (págs. 5-60)”. Con base en la investigación de los artículos relacionados anteriormente, se observan diferentes métodos para el control de la iluminación en túneles, dentro de los cuales están: • • • •

Control adaptativo. Control de lógica difusa. Control dinámico. Control inteligente.

Utilizados en diferentes países, como ejemplo el control de lógica difusa implementado en un túnel de China en la provincia de Zhejiang. A demás de los tipos de control, se puede observar un común denominador de las variables mencionadas en los diferentes artículos los cuales son factores predominantes al momento de realizar el diseño: • • • •

La luminancia exterior. El flujo de tráfico. Velocidad de los vehículos. Condiciones climáticas.

Por otro lado el principal objetivo en el diseño del control es el ahorro energético en los sistemas de iluminación, de esta forma controlando el flujo luminoso del sistema por medio de dimerización se logra un consumo eficiente de energía, así mismo los artículos hacen mención al uso de tecnologías LED las cuales han demostrado ser más eficientes en el consumo energético que los otros tipos como sodio de alta y baja presión, halogenuros metálicos, mercurio y fluorescentes.

1.2

Iluminación en túneles

Disponer de un adecuado sistema de iluminación implica estudiar con detenimiento las necesidades de los usuarios, adoptar estrategias de iluminación que permita generar ambientes confortables y seguros, los cuales deben ser empleados en cualquier tipo de proyecto. El uso de túneles viales en Colombia ha permitido mejorar el flujo de tráfico y la conexión entre regiones aisladas, debido a las condiciones montañosas propias de la geografía en el país. De igual manera este tipo de infraestructura debe contar con diseños de alta calidad que permita a los usuarios un tránsito seguro. Las necesidades de iluminación en un túnel vial, van enmarcadas al comportamiento visual del conductor, es decir, la forma en que percibe los objetos en la vía. Cuando se discute acerca de la percepción visual de una persona, se debe estudiar el fenómeno de la visión humana y la teoría de la luz. Contar con un sistema de iluminación optimo ayuda al ojo humano a desempeñarse de manera adecuada sin causar fatiga ni esfuerzo en las tareas visuales diarias. Para comprender el comportamiento del ojo humano frente a los cambios de luz, es preciso remitirse a la curva de sensibilidad del ojo (ver Figura 1.1), en ésta se puede analizar que el ojo solo capta la radiación de luz con valores de longitud de onda entre 380 nm y 780 nm, rangos que corresponden al límite del ultravioleta y el infrarrojo respectivamente. Con base en la figura 1.1, se observa que la mayor sensibilidad del ojo se presenta en el día a una longitud de onda de 560 nm 6

aproximadamente, el cual corresponde al color amarillo. En esta zona se produce en el ojo un fenómeno llamado visión fotópica que permite la percepción visual con niveles de iluminación diurnos, gracias a este fenómeno se puede distinguir y captar con claridad los colores, la visión de la luz en el día es adoptada por los conos, células fotorreceptoras muy sensibles que llevan señales al cerebro y están ubicados en la retina principalmente en la fóvea. De acuerdo a lo anterior, la luz emitida por las fuentes de iluminación artificiales son fabricadas dentro de estos límites de radiación. Por otro lado se tiene la visión escotópica y se presenta con niveles de iluminación bajos, generando el Efecto Purkinje, es así como la sensibilidad se desplaza a niveles de longitudes de ondas menores, en los rangos del color violeta y azul. Para este tipo de visión las células que actúan son los bastoncillos y están ubicados en la periferia de la retina lo que permite una percepción visual periférica, para esta zona se tiene un máximo de sensibilidad a una longitud de onda de 510 nm. En este tipo de visión no se puede discriminar el color, por ende es un tipo de visión monocromática y se detectan los movimientos pero no se distinguen los objetos, además tiene menor velocidad de percepción que la visión fotópica. Finalmente la combinación de trabajo entre conos y bastoncillos se le llama visión mesópica, esta visión es empleada principalmente en condiciones de luz artificial, donde se ajustan a un escenario de iluminación exterior como el alumbrado público. En la Figura 1.2, se muestra los tres tipos de visiones y los niveles de luminancia a los cuales pertenecen.

Figura 1.1 Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas.1

Figura 1.2 Tipo de visión del ojo humano.2

1 2

Fuente: http://grlum.dpe.upc.edu/manual/fundamentosIluminacion-laVision.php Fuente:

7

1.2.1

Generalidades

La iluminación en túneles es de gran importancia para la seguridad vial, debido a que los conductores experimentan diferentes condiciones de iluminación en el recorrido, las condiciones climáticas en las cercanías del túnel es un factor fundamental que incide en los conductores al momento de ingresar al túnel, por lo que se debe tener en cuenta para evitar efectos como el denominado “efecto agujero negro”, donde al no contar con una adecuada iluminación en la entrada del túnel los conductores no podrán observar ningún elemento dentro del túnel. Por otro lado al haber demasiada luz en el interior del túnel en las noches, al ingresar los conductores experimentarían deslumbramiento. La norma CIE 88 del 2004 define tres etapas de luminancia: la luminancia externa, luminancia de transición y luminancia interior, de acuerdo a estas tres etapas los sistemas de control de iluminación tienen como objetivo regular el flujo luminoso de las lámparas, para ofrecer un confort visual a los conductores en el momento de ingreso, recorrido en el interior y la salida del túnel. En la Figura 1.3 se observa la curva de luminancia característica de los túneles unidireccionales, para túneles bidireccionales el diseño de la curva características de luminancia en la zona de adaptación y en la zona de transición debe ser la misma tanto al ingreso, como a la salida del túnel.

Figura 1.3 Zonas de Alumbrado en Túneles.3

Luminancia Exterior (zona de aproximación)

http://www.editoressrl.com.ar/revistas/lu/104/vision_mesopica_y_eficiencia_energetica_en_el_alumbrado_publico 3 Manual de Luminotecnia 2002, Indalux. Capítulo 13. Iluminación en Túneles

8

El conductor que se acerca a la entrada de un túnel durante el día, ha de adaptar sus ojos para pasar de un alto nivel de luminancia que prevalece en el exterior, a la luminancia del interior. Por con siguiente, si el túnel es largo y el nivel de luminancia dentro de él es mucho más bajo que el de fuera, el túnel se presenta como un "hueco negro", por lo que no será visible ningún detalle de su interior. Esto se conoce como deslumbramiento por ausencia de luz y su duración fisiológica es mayor que cuando se hace la transición contraria (Ministerio de Minas y Energía, 2010).

Luminancia de la zona de transición Al entrar a un túnel el conductor necesita cierto tiempo para que sus ojos se adapten a un nivel inferior de luminancia. La zona de transición debe proporcionar un nivel de luminancia el cual permita que dicho efecto sea de menor impacto al momento del ingreso al túnel (Ministerio de Minas y Energía, 2010).

Luminancia de la zona de salida La luminancia al interior del túnel no necesariamente es un valor alto como al ingreso del túnel. En el interior la luminancia debe estar dispuesta de modo que el conductor no experimente el denominado efecto estroboscópico (Ministerio de Minas y Energía, 2010).

Fenómeno Estroboscópico En el interior del túnel los conductores pueden experimentar el fenómeno estroboscópico el cual consiste en el centelleo causado por las fuentes luminosas en el túnel, donde el conductor puede presenciar frecuencias hipnóticas (entre 4 Hz y 11 Hz), frecuencias que dependen del distanciamiento de las fuentes luminosas y la velocidad de los vehículos.

Luminancia En un punto de una superficie, en una dirección, se interpreta como la relación entre la intensidad luminosa en la dirección dada producida por un elemento de la superficie que rodea el punto, con el área de la proyección ortogonal del elemento de superficie sobre un plano perpendicular en la dirección dada (ver Figura 1.4). La unidad de luminancia es candela por metro cuadrado (Cd /m2). Bajo el concepto de intensidad luminosa, la luminancia puede expresarse como: =

∗

Ecuación 1.1 Fórmula para el cálculo de luminancia. Las superficies con propiedades de reflexión diferentes tendrán la misma iluminancia, pero diferente luminancia. El principal criterio requerido por la norma para las aplicaciones de iluminación de carretera es la luminancia de la superficie de la carretera (Ministerio de Minas y Energía, 2010).

9

Figura 1.4 Luminancia.4

Dimerización del flujo luminoso La dimerización consiste en la atenuación del flujo luminoso de las fuentes luminosas para evitar cambios bruscos de iluminación. La dimerización manual está limitada por la necesidad de ajustar continuamente el nivel de iluminación con fuentes que lo permitan.

Contraste El conductor tiene que poder observar los obstáculos en cualquier zona al interior del túnel, para ello hay que crear un contraste entre el obstáculo y el fondo sobre el cual destaca (carretera o pared), si el obstáculo destaca porque es más claro que el fondo, es un contraste positivo y si destaca sobre el fondo por ser más oscuro, entonces es un contraste negativo (ver Figura 1.5). Múltiples sistemas de alumbrado sirven para acentuar los contrastes, tanto positivos como negativos: • •

•

4

Alumbrado simétrico: la luz se dirige simétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación. Alumbrado asimétrico a contraflujo (counterbeam): la luz se distribuye asimétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación y la intensidad luminosa máxima se dirige en sentido contrario al tráfico. Este sistema realza los contrastes negativos y refuerza el nivel de luminancia de la calzada que se puede ver desde la posición del conductor. Alumbrado asimétrico a favor del flujo (pro-beam): la luz se distribuye asimétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación y la intensidad luminosa máxima se dirige en el sentido del tráfico. Este sistema realza los contrastes positivos y refuerza el nivel de luminancia del obstáculo que se puede ver desde la posición del conductor (Schréder, 2012).

Fuente:http://www.schreder.com/ess-es/LearningCenter/Esencial-Alumbrado/Pages/default.aspx

10

Figura 1.5 Contraste.5

1.3

Avances tecnológicos

A continuación se muestra una descripción de cada uno de los tipos de luminarias convencionales existentes en el mercado y que en la actualidad son usadas en los proyectos de iluminación de túneles en Colombia, estas son: VSAP-Vapor de sodio de alta presión, FL-Fluorescentes y MHHalogenuros metálicos. Adicionalmente en cuanto a avances tecnológicos se tienen las luminarias tipo LED, su uso se está extendiendo alrededor del mundo debido a sus múltiples ventajas permitiendo sistemas más eficientes como se verá más adelante. Los criterios principales a tener en cuenta en el momento de seleccionar una luminaria son los siguientes: • • • •

1.3.1

Eficacia luminosa Duración de la vida útil Temperatura de color Reproducción cromática de colores

Luminarias usadas para sistemas de iluminación en túneles

Luego de tomar en consideración las características que debe poseer una luminaria, se consultan las características de las lámparas de vapor de sodio de alta presión enunciadas a continuación.

Vapor de sodio de alta presión- VSAP La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otra ventaja que ofrecen es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por contra, su mono cromatismo hace que la reproducción de colores y el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los objetos. 5

Fuente: Schréder. Soluciones de un especialista. Iluminación en Túneles Pág. 4, 2012.

11

La vida útil de estas lámparas es muy elevada, alrededor de 15000 horas, debido a la depreciación que sufren a lo largo de su vida este tiempo se reduce a una vida útil entre 6000 y 8000 horas. Esto junto a su alta eficiencia y las ventajas visuales que ofrece la hacen muy adecuada para usos de alumbrado público, aunque también se utiliza con finalidades decorativas (ver Figura 1.6). En cuanto al final de su vida útil, este se produce por agotamiento de la sustancia emisora de electrones como ocurre en otras lámparas de descarga, aunque también se puede producir por deterioro del tubo de descarga o de la ampolla exterior (Javier García Fernández, 2004).

Figura 1.6 Lámpara de sodio de alta presión.6

Halogenuros metálicos-MH Si se añade en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio, entre otros) se consigue mejorar considerablemente la capacidad de reproducir el color de la lámpara de vapor de mercurio. Cada una de estas sustancias aporta nuevas líneas al espectro (por ejemplo amarillo el sodio, verde el talio y rojo y azul el indio). El resultado de estos aportes es una temperatura de color de 3000 a 6000 K dependiendo de los yoduros añadidos y un rendimiento del color de entre 65 y 85. La eficiencia de estas lámparas ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de 10000 horas aproximadamente. Tienen un periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que se estabiliza la descarga (ver Figura 1.7). Para su funcionamiento es necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V) (Javier García Fernández, 2004).

6

Fuente http://recursos.citcea.upc.edu/llum/

12

Figura 1.7 Lámpara Haluro metálico.7

Fluorescentes-Fl Las lámparas fluorescentes son lámparas de vapor de mercurio a baja presión (0.8 Pa). En estas condiciones, en el espectro de emisión del mercurio predominan las radiaciones ultravioletas en la banda de 253.7 nm. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredes interiores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiaciones visibles. De la composición de estas sustancias dependerá la cantidad y calidad de la luz, y las cualidades cromáticas de la lámpara. En la actualidad se usan dos tipos de polvos; los que producen un espectro continuo y los trifósforos que emiten un espectro de tres bandas con los colores primarios. De la combinación estos tres colores se obtienen una luz blanca que ofrece un buen rendimiento de color sin penalizar la eficiencia, como ocurre en el caso del espectro continuo, la cual da las siguientes cualidades de las lámparas fluorescentes (ver Figura 1.8) (Javier García Fernández, 2004): • • • • • •

7

Muy buena reproducción de colores Alta eficiencia luminosa Colores disponibles 82 (2.700K), 83 (3.000K) y 84 (4.000K) Formatos compactos Larga vida Bajo consumo de energía

Fuente: http://recursos.citcea.upc.edu/llum/

13

Figura 1.8 Lámpara fluorescente.8

1.3.2

Tecnologías de iluminación eficientes

Desde el año 2010 aproximadamente se han venido adoptando la instalación de luminarias tipo LED en los sistemas de iluminación de túneles en el mundo. Debido al gran avance tecnológico en el campo de la luminotecnia, la eficacia de estas luminarias se ha venido incrementado año tras año, alcanzando actualmente una eficiencia de 100 lm/W. Las luminarias LED tienen gran reproducción del color, siendo el más usado el color blanco para alumbrado público y mejorando el confort visual del conductor, ya que permite percibir mejor las formas y los colores dentro de la vía. En comparación con la luz solar la cual permite percibir los colores de forma real, las luminarias LED reproducen de forma real los colores, evita cansancio visual, reduce el tiempo de reacción, garantizando una visión más saludable y segura. Comparación de Tecnologías Luminaria

Eficacia [Lm/W]

Vida Útil [hr]

VSAP

70-150

18000

MH

36-120

14000

Fl

50-93

7500-10000

VSBP

200

16000

LED

100

50000

Tabla 1.1 Comparación en tecnologías de luminarias más usadas en túneles.9 Con respecto a las luminarias convencionales mencionadas anteriormente en la Tabla 1.1, se puede observar el comportamiento de la eficacia del led con respecto a las otras luminarias. Pese a que las luminarias de sodio de alta presión presentan mayor eficacia, el led presenta mayor vida útil. De 8

Fuente http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Luz_fluorescente-LMB.png

9

Fuente: Autores 14

esta forma al realizar un análisis en el tiempo en horas de servicio las luminarias led ofrecen mayor vida útil, evitando que se generen costos por reemplazo de luminarias.

Ventajas de la iluminación con LED Hoy en día los fabricantes ofrecen características como (Consejería de Economía y Hacienda. Comunidad de Madrid, 2015) : • • • • • • •

Larga vida últil: Depende de la calidad de la lámpara y de sus LED. Tienen una duración entre 20.000 y 80.000 horas. Tiempo de energización corto con respecto de las otras luminarias de alta potencia. Elevada reproducción cromática Permiten control y regulación del flujo luminoso Flujo luminoso con luz blanca el cual eleva el confort visual No emite UV ni infrarrojos; muy ecológica no contienen mercurio ni materiales contaminantes. No contienen mercurio.

Desventajas de la Iluminación con LED Esta tecnología tiene algunas limitaciones que los fabricantes pretenden corregir como (ALROMAR, 2014): • • • •

1.3.3

El ángulo de luminosidad es limitado (focalizado), hay bombillas con ángulos entre 30° y 240º. Los fabricantes buscan diseños donde varios LED apunten hacia diferentes partes lo que puede ser un problema de espacio y encarecimiento de las bombillas. Todavía son relativamente caros comparados con las demás tecnologías en iluminación cuando se trata de sistemas de alta potencia. Funciona mejor cuanto más blanca es su luz que emite (temperatura de color 6000 K), ya que para obtener luz amarilla y cálida (temperatura de color 3000 K) se tienen que mezclar con otro color lo que hace que se disminuya su rendimiento ligeramente. Necesitan disipadores de calor eficientes lo que aumenta su costo, ya que requieren temperaturas menores de 70ºC para mantener su vida útil.

Generalidades para el uso de luminarias LED´s

Actualmente el reglamento de iluminación en Colombia –Retilap- establece lo siguiente; “Toda información relativa al producto que haya sido establecida como requisito en el presente reglamento, incluyendo la relacionada con marcaciones, rotulados, catálogos o guías técnicas debe ser verificada dentro del proceso de certificación del producto…10”. Ya que esta es una tecnología reciente, hoy por hoy en el país la gran mayoría de las luminarias que se comercializan no cuentan con certificación del producto. De esta forma es fundamental que en el momento de realizar cualquier tipo de diseño con este tipo de luminarias se exija dichos certificados y promover las

10

RETILAP 2010 de 30 de marzo de 2010. Sección 300.1 Disposición de Información de Productos.

15

buenas prácticas de la ingeniería con el fin de garantizar instalaciones con todos los estándares de calidad del mercado. Con base en lo anterior se ha realizado una investigación de los principales comercializadores de luminarias led para túneles en Colombia:

OSRAM: Luminarias túnel LED Las luminarias LED están destinadas para el uso en túneles y pasajes debido a que cuentan con una alta eficiencia luminosa y son extremadamente eficientes desde el punto de vista energético, requieren un mantenimiento bajo, y son duraderas y fiables, por lo que pueden resistir muy bien las condiciones ambientales excepcionales de los túneles particularmente. A fin de seguir siendo vanguardistas, las luminarias LED deben diseñarse para explotar completamente el potencial futuro de las fuentes de iluminación LED ofreciendo simultáneamente una calidad de luz máxima y confort visual. Las luminarias LED para túneles de OSRAM son soluciones de sistema: Los LEDs, componentes ópticos, gestión térmica, balastos, tecnología de control al igual que el diseño y materiales de las carcasas se combinan para formar un paquete perfectamente adaptado que permite que la potencia de la luminaria LED se desarrolle por completo y satisfaga los exigentes requisitos de este área de aplicación (OSRAM GmbH, 2015).

GENERAL ELECTRIC: Luminaria túnel LED La luminaria del Túnel LED de GE ayuda a crear un ambiente seguro para el tráfico con luz blanca para mejorar la visibilidad y el confort-, así como un destacado seis años / 24 horas al día de operación con la misma fuente de luz (General Electric Company, 2013). • • • • • • • •

Sistema de calificación es de 50.000 horas (Mantención del 80% del lumen) Diseño óptico optimizado basado en túneles de carretera internacional y regulaciones de iluminación paso inferior (JTJ 026.1-1999, CIE 88:2004) Utiliza LED’s de alto brillo, 70CRI 6000K (4300K estará disponible el 2012) 200-240V Voltaje de entrada disponible con controlador electrónico, PF>0.9, Clase I Calificado IP66, adecuado para locaciones húmedas Cumple con las normas ANSI 2G vibración Altura de montaje ideal 4m-8m Temperatura optima de operación: -25℃~40℃

SCHRÉDER: Luminarias túnel LED Las soluciones LED de Schréder para alumbrado de túneles, equipadas con su tecnología única, ofrecen la mejor solución gracias a su: • • • •

eficiencia energética confort visual excelente reproducción cromática incremento de la seguridad, ya que su diseño con vidrio plano mantiene el rendimiento fotométrico a lo largo de tiempo.

16

Preservar la seguridad reduciendo la necesidad de mantenimiento es un gran beneficio para los usuarios. Schréder lo ha comprendido bien y demuestra a diario lo adecuadas que son sus aportaciones técnicas en sus soluciones LED para túneles. (Schréder, 2013)

1.4

Problema de investigación

Desde el 30 de marzo de 2010 en Colombia y bajo la resolución 180540 del Ministerio de Minas y Energía, está rigiendo el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público -RETILAP-. De acuerdo con el reglamento, los sistemas de iluminación que sean nuevos, remodelados o ampliados están en la obligación de cumplir en su totalidad con los parámetros allí establecidos. Un tema de gran importancia en los sistemas de iluminación de Colombia es el mencionado en la Sección 570Iluminación de Túneles, con base en lo estipulado en esta sección, estos sistemas de iluminación deben diseñarse para que los conductores de vehículos tengan una percepción segura, oportuna y una seguridad en los niveles de movilidad. Parámetros que en la actualidad no se han implementado en la mayoría de túneles existentes en el país. La iluminación de un túnel presenta como problema fundamental la adecuación del ojo del conductor desde los cuantiosos niveles de iluminación en la zona exterior, a los bajos o nulos en la zona de entrada del túnel; de esta forma los sistemas de iluminación que no cumplen con los requisitos y medidas establecidos en la normatividad respectiva, están siendo inapropiados para la circulación de los conductores a través del túnel. Esto se ve evidenciado en los bajos niveles de iluminación en la zona inicial del túnel impidiendo al conductor visibilidad para distinguir los obstáculos y el trazado de la carretera con el tiempo preciso para garantizar un ingreso seguro al túnel. Por otro lado en Colombia no se cuenta con un sistema de control adecuado que proporcione un ahorro energético y que garantice a los conductores tanto en el día como en la noche el confort visual necesario para transitar en los túneles, el no contar con un sistema óptimo da lugar al denominado “efecto agujero negro” que impide durante el día, que los conductores vean el interior del túnel cuando se encuentran a cierta distancia de la boca del mismo. A demás cuando se sale del túnel y no se refuerza el nivel de iluminación se produce el efecto de deslumbramiento. Igualmente cuando un automóvil circula por el túnel, se debe evitar molestias causadas por el efecto flicker (Efecto Estroboscópico) el cual se presenta por la velocidad que llevan los vehículos y el espaciamiento de las luminarias lo que conlleva a la fatiga visual, evitando que se garantice una seguridad óptima para los conductores. Actualmente los sistemas de iluminación en túneles están diseñados con luminarias de sodio de alta presión, este tipo de luminarias presenta baja reproducción cromática, adicionalmente bajo contraste entre la vía y los vehículos o las paredes del túnel, también genera aumento de potencia en la instalación y un elevado consumo de energía eléctrica. Así mismo los controles automáticos solo garantizan el encendido y apagado de las luminarias, generando que el costo de suministro de energía sea elevado en comparación con el costo total del túnel, ya que la iluminación en la noche no es tan exigente y deberían atenuarse los niveles para disminuir el consumo. Teniendo en cuenta estos factores, surge la necesidad de desarrollar estrategias que promuevan el Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía y Fuentes No Convencionales (PRO-URE) en los túneles de Colombia, garantizando la seguridad y la salud visual de los usuarios, también se deben aprovechar los desarrollos tecnológicos en las fuentes luminosas como lo son: la tecnología LED que proporciona una solución a energética más eficiente, los dispositivos de control que permiten optimizar el sistema y disminuir los consumos de energía y la disposición de las luminarias y planes de mantenimiento que garanticen atender los requerimientos que deben tenerse en cuenta durante la 17

vida útil de un sistema de iluminación, todo esto para obtener un mejor resultado lumínico luego de optimizar los recursos de energía. Cabe resaltar que mediante la utilización de un control automático en la iluminación de túneles se proporcionará un sistema eficiente con un significativo ahorro energético.

1.4.1

Objetivo general

Diseñar un sistema de control automático para la optimización de los niveles de iluminación en los túneles de Colombia con el fin de disminuir los consumos de energía eléctrica.

1.4.2 •

•

•

Objetivos específicos

Realizar una revisión del estado del arte de los últimos años, donde se evidencie la investigación y desarrollo en el área hasta el día de hoy, identificando los avances tecnológicos que permitan definir el perfil del diseño de un esquema de control automático para sistemas de iluminación en túneles. Diseñar un sistema de iluminación de túneles que cumpla con los requerimientos establecidos en la normatividad vigente, que a su vez permita establecer las variables de entrada para desarrollar el respectivo esquema de control automático y así contribuir con el PRO-URE. Proponer un método de evaluación de desempeño que permita comprobar el correcto funcionamiento del esquema de control.

1.5

Organización de la monografía

Como se observa en la figura 1.9, con el fin de obtener la solución al objetivo general, se llevará a cabo la siguiente metodología, la cual permitirá incluir cada una de las actividades propuestas en el ante proyecto: Capítulo 2. Diseño del sistema: En éste capítulo se presentan las normas que rigen los diseños de iluminación en los túneles tales como el RETILAP y la norma CIE88 del 2004; así mismo se detallan los componentes a tener en cuenta al momento de diseñar el sistema de iluminación de un túnel. Por otro lado se explica los sistemas de control con los que se han trabajado en los túneles alrededor del mundo. Por último se muestra el diseño de iluminación y de control, secciones en las que se detalla la metodología con la que se desarrolló este proyecto. Capítulo 3. Evaluación de desempeño: Se muestran los resultados obtenidos mediante el sistema de control desarrollado para un túnel característico en Colombia. Capítulo 4. Conclusiones y trabajos futuros: En este último capítulo se recopila el análisis de los resultados obtenidos y se establecen temas para futuras investigaciones a partir del desarrollo de este proyecto.

18

Figura 1.9 Organización de la monografía11

2

Diseño del sistema

2.1

Normatividad vigente

En el ámbito normativo de la iluminación de túneles viales en Colombia, actualmente mediante la resolución 181331 del 6 de Agosto de 2009, el Ministerio de Minas y Energía expidió el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público –RETILAP-. El cual fue modificado a través de la resolución 180540 de 2010 dándose así a conocer su última actualización. Allí en el capítulo 570. Iluminación de Túneles, se presenta los parámetros que se deben cumplir para realizar un diseño de iluminación en este tipo de espacios. Así mismo el reglamento toma como normativa de referencia la CIE 88-2004: “Guía para alumbrado de túneles de carretera y pasos inferiores”, de la Comisión Internacional de Iluminación.

2.2

Perfil del diseño de iluminación

En la actualidad la infraestructura vial en Colombia se caracteriza por tener un alto costo de inversión; sin embargo, estas presentan deficiencias en diseños, planificación, supervisión y control, sin mencionar deficiencias constructivas. De esta forma no se presenta racionalidad en los recursos invertidos y no se cuenta con tecnología de punta que permita a los sistemas viales ser más eficientes, estos y otros factores no garantizan un tránsito seguro y eficiente a los usuarios del sistema. En el desarrollo y avance de la tecnología en cuanto a infraestructura vial, una de las aplicaciones conocidas en la ingeniería son las obras subterráneas, dentro de éstas se encuentran los túneles. Y de acuerdo a la actividad que se pretenda desarrollar los túneles pueden ser de tipo vial, hidráulico, comunal, minero y especial. Dentro del desarrollo del presente capítulo, se establecerá las características constructivas y geométricas que debe contar un túnel tipo vial y así obtener información como elemento de entrada para el diseño de un propicio sistema de iluminación para este tipo de infraestructura.

11

Fuente: Autores 19

En la elaboración de un diseño de iluminación como bien se indica en el Retilap, se deben reconocer los espacios a iluminar, teniendo en cuenta las características físicas y arquitectónicas, ya que esto permite desarrollar diseños que se adapten de forma real al entorno donde se pretendan instalar. De igual manera se tiene que determinar los niveles de iluminación para las actividades a desarrollar garantizando un confort visual. La selección de fuentes luminosas eficientes y acordes al sistema son un factor fundamental para el diseño, ya que al seleccionarlas de forma adecuada se puede garantizar la vida útil de la instalación y la disminución de costos de acuerdo al plan de mantenimiento establecido. Con base en lo anterior es necesario discriminar las características físicas de los túneles en Colombia, tales como la orientación, trazado longitudinal, tipo de revestimiento, tipo de tráfico, distancia de parada, entre otras características que sirven de base para realizar un diseño eficiente. A continuación se presenta la descripción de estas características.

2.2.1 Caracterización de los túneles viales en Colombia Ubicación Geográfica El estudio de diseño geométrico determina entre otras cosas la orientación que tendrá el túnel, factor que afecta el diseño de iluminación debido a que los niveles de luminancia en los portales es mayor si éste se encuentra ubicado sentido Este-Oeste. Es así como los conductores experimentan deslumbramiento a la salida del túnel o efecto de agujero negro a la entrada, debido a la incidencia del sol en los portales. Para garantizar el confort visual del conductor es necesario adecuar los niveles de iluminación en los portales. La norma CIE:88 del 2004 muestra un ejemplo de los niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación en el hemisferio sur (Ver Tabla 2.1)

Tabla 2.1 Niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación.12 (V) País montañoso con superficies principalmente empinadas de frente a los conductores (H) Piso más o menos horizontales.

Geometría Básica La construcción de los túneles en Colombia se basa principalmente en el diseño geométrico y las características geológicas del terreno donde se vaya a construir, de esta forma el túnel se define

en secciones transversales, perfil o planta. Con base en lo anterior es necesario identificar la 12

Fuente: CIE88-2004, tabla 6.2.3 Examples of luminances at tunnels portal

20

geometría del túnel para poder establecer el sistema de iluminación a aplicar, ya sea un túnel con flujo vehicular unidireccional o bidireccional. A continuación se determina las principales características que se debe contemplar en la geometría básica: Planta - Perfil (Rueda, 2010): • • • • • • •

Velocidad de Diseño Radio Mínimo Distancia de Parada Distancia de Visibilidad frente al portal Distancia de Visibilidad dentro del túnel Pendiente Longitudinal Peralte Máximo

Sección transversal (Rueda, 2010): • • • •

Carril Sobre-ancho Anden Galibo Vertical

Trazado del Túnel El diseño de iluminación debe iniciarse con la determinación de la longitud del túnel, ya que los requerimientos de iluminación cambian de acuerdo a su longitud. Con base en la clasificación dada en la sección 570.2 del Retilap, los túneles se dividen en dos grupos: túneles cortos y túneles largos. La clasificación del túnel depende principalmente de la capacidad que tiene un conductor de ver la salida mientras está ubicado en un punto fuera de la entrada de éste. En tal sentido sí el conductor puede observar la salida el túnel será clasificado como corto, adicionalmente existen otros parámetros que definen la longitud del túnel tales como: el ancho, alto, curvaturas horizontales y/o verticales del túnel, etc. En relación con la longitud, los túneles pueden clasificarse como: • • • •

Cortos. Si la longitud no supera 500 m. Medianos. Si la longitud se encuentra en el rango de 500 a 2000 m. Largos. Cuando la longitud tiene entre 2 y 5 km. Muy largos. Si la longitud supera 5 km

Con base en lo anterior en la Tabla 2.2, se muestra un resumen de los proyectos de túneles viales construidos en el país. De esta forma se clasifican de acuerdo a su longitud y tipo de revestimiento.

TÚNEL

UBICACIÓN

LONGITUD [m]

DESCRIPCIÓN

CLASIFICACIÓN

21

Buenaventura IV

Dagua-Valle del cauca

89

Totalmente en concreto

El trapiche

MacanalBoyacá

91

Sostenimiento esporádico. revestido

Buenaventura III

Dagua-Valle del cauca

100

Totalmente en concreto

Falso a los Llanos

GuayabetalCundinamarca

118

Soporte estructural

CORTO

Helicoidal

DosquebradasRisaralda

125

Concreto Lanzado

CORTO

127

Pórticos de Acero

CORTO

130

Revestimiento en concreto convencional en los primeros 22,5 m CORTO y 15,5 m finales. 98 m no revestidos (Roca natural).

Peña San Pablo- GirónSantander Túnel falso

revestido

CORTO

No CORTO revestido

CORTO

Buenaventura II

Dagua-Valle del cauca

Muros I

Santa María132 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

Caquetá IV

FlorenciaCaquetá

175

Concreto Convencional

El Espejo

RiosucioCaldas

180

Sostenimiento esporádico. revestido

Bijagual

VillavicencioBogotá

185

Revestimiento en CORTO Concreto convencional

204

Concreto Lanzado. Revestimiento en concreto hacia los CORTO portales en longitud de 67,4 m

205

Concreto Lanzado. Revestimiento en CORTO concreto hacia los portales en longitud de

La Llana

TaminangoNariño

Peñaliza

ChachaguiNariño

No CORTO

CORTO

No CORTO

22

103 m

Las Juntas

SutatenzaBogotá

206

Sostenimiento esporádico. revestido

Caquetá III

Florencia

208

Concreto Convencional

220

Revestimiento en concreto convencional en los primeros 11,5 m CORTO y 15,5 me finales. 193 m no revestidos (Roca natural)

Túnel Guarne- Túnel Guarne235 Ascenso Ascenso

Concreto Convencional y Sostenimiento CORTO esporádico. No revestido

Buenaventura I

BuenaventuraBuga

No CORTO CORTO

El volador

Bogotá-Santa María

236

Sostenimiento esporádico. revestido

Caquetá I

Florencia

240

Concreto Convencional

Pozo azul

GaragoaBoyacá

290

Sostenimiento esporádico. revestido

Túnel Guarne- CopacabanaAntioquia Descenso

295

Concreto Convencional y Sostenimiento CORTO esporádico. No revestido

Buenaventura VIII

Dagua-Valle del Cauca

300

Concreto Lanzado y CORTO Concreto Convencional

Moyas

Santa María350 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

No CORTO

Muros II

Santa María350 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

No CORTO

La esmeralda

Santa María400 Boyacá

Sostenimiento esporádico.

No CORTO CORTO

No CORTO

CORTO No 23

revestido Caquetá II

Florencia

412

Concreto Convencional

CORTO

La Cascada

Santa María420 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

No CORTO

La Llorona

DabeibaAntioquia

435

Sostenimiento esporádico. revestido

No CORTO

La presa

Santa María475 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

No CORTO

Buenaventura V

Dagua-Valle del cauca

480

Concreto Convencional y Sostenimiento CORTO esporádico. No revestido

El Infierno

GaragoaBoyacá

488

Sostenimiento continuo con arcos de acero, malla y concreto lanzado. Sin revestimiento adicional. Este túnel fue destruido en 1997 CORTO debido a la socavación producida por la descarga de aguas del Túnel de Tunjira al embalse de Chivor. El túnel se reconstruyó

El ventarrón

MacanalBoyacá

612

Sostenimiento esporádico. revestido

No MEDIANO

EL Salitre

MacanalBoyacá

634

Sostenimiento esporádico. revestido

No MEDIANO

Quebrada Blanca

GuayabetalCundinamarca

726

Sostenimiento esporádico. revestido

No MEDIANO

Pluma de Agua

Santa

María- 770

Sostenimiento esporádico.

MEDIANO No 24

Boyacá

revestido

El Polvorín

Santa María1640 Boyacá

Sostenimiento esporádico. revestido

Daza

Pasto-Nariño

1735

Concreto Lanzado

LARGO

BoquerónVillavicencioArgelino Duran Bogotá Quintero

2405

Concreto Convencional

LARGO

Guillermo ValenciaSumapáz

VillavicencioBogotá

4206

Concreto Convencional

LARGO

BuenavistaVillavicencioMisael Pastrana Meta Borrero

4520

Concreto Convencional

LARGO

Fernando Gómez MedellínMartínezAntioquia Occidente

4603

Concreto Convencional

LARGO

León

No LARGO

Tabla 2.2 Descripción de los Túneles en Colombia (Gil, 2010).

% Clasificación Túneles Viales en Colombia 15%

10% CORTO MEDIANO LARGO 75%

Figura 2.1 Porcentaje de Clasificación de los Túneles Viales en Colombia13

13

Fuente: Autores

25

Figura 2.2 Porcentaje de tipo de revestimiento túneles viales en Colombia (Gil, 2010). Como se puede observar en la Figura 2.1, la mayoría de túneles en Colombia se caracteriza por presentar un alto porcentaje de túneles de corta longitud, seguido de túneles de gran longitud. En la actualidad los proyectos que se están ejecutando abarcan túneles de gran longitud como lo es el túnel Centenario II- La Línea, su construcción se está realizando entre el departamento del Tolima y Quindío y al ser finalizado contará con una longitud de 8763 m siendo éste el más largo de Latinoamérica. Para establecer si un túnel corto requiere de un sistema de iluminación se determinará si éste no es recto y la cantidad de tráfico que circula por el mismo. De esta forma se deberá dotar de un sistema de iluminación como a un túnel largo y considerando de igual manera un alumbrado diurno, crepuscular y nocturno. En cuanto al tipo de revestimiento usado para la construcción de los túneles, se observa en el Figura 2.2 que prevalece el concreto convencional, seguido del concreto lanzado. Ya que en la actualidad se hace indispensable el concreto lanzado como tipo de revestimiento, debido a su continuo desarrollo tecnológico; para fines de este proyecto de grado se usará como referencia el concreto lanzado para determinar las características físicas de los túneles en Colombia.

2.2.2 Consideraciones para la vista en perfil Velocidad de Diseño Según lo estipulado en el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras INVIAS 2008, que define los criterios modernos para el diseño geométrico de carreteras en Colombia. En la sección 7.2 “DISEÑO GEOMÉTRICO DE TÚNELES”, se muestran los parámetros que deben ser aplicados en la elaboración de este tipo de infraestructura, tales como la velocidad de diseño, vehículo de diseño, distancia de visibilidad, entre otros.

26

En primera medida para definir la velocidad de diseño, se tiene como criterio fundamental proporcionar la máxima seguridad de los usuarios para que puedan realizar de forma segura el recorrido y a lo largo del trazado los conductores no sean sorprendidos por cambios bruscos. Así evitar situaciones de riesgo en el interior y las cercanías a los portales. De esta forma se estipula que el diseño geométrico del túnel debe ser realizado contemplando una velocidad de diseño para todos sus elementos de cien kilómetros por hora (100 km/h). Cabe resaltar que el código de tránsito colombiano establece una velocidad máxima de circulación al interior de los túneles de 60 km/h.

Distancia de Parada Parámetro fundamental en la elaboración del diseño de iluminación del túnel, de esta variable dependen las distancias en las cuales deben ser divididas las diferentes zonas a iluminar. De acuerdo a la normatividad, la distancia de visibilidad de un conductor es aquella longitud que puede percibir en su ángulo de visión cónico hacia delante. Dentro del diseño se cuenta con tres tipos de distancias de visibilidad, Distancia de visibilidad de parada (DP), Distancia de visibilidad de adelantamiento (Da) y Distancia de visibilidad de cruce (DC) según se muestra en el Manual de diseño geométrico de INVIAS. Para la metodología aplicada en el diseño de iluminación la distancia de visibilidad a utilizar es la distancia de parada (DP), ya que esta longitud ofrece al conductor la distancia necesaria para detener el vehículo dada la velocidad específica, si en la vía se encuentra un obstáculo. Para obtener la distancia de parada se debe sumar la distancia recorrida durante un tiempo de percepción y reacción y la distancia recorrida durante el frenado. La distancia de parada (SD), se mide desde la aplicación de los frenos hasta el momento en que el vehículo se detiene totalmente. Esta distancia contempla variables como lo son: la velocidad de viaje del vehículo, tiempo de reacción, el coeficiente de fricción que se da entre en pavimento y el neumático del vehículo y la pendiente de la vía, según la norma CIE88-2004 la ecuación para calcular la distancia de parada SD es: =

+

2 +( ± )

Ecuación 2.1 Distancia de parada En donde: SD: Distancia de parada u= Velocidad de diseño f= Coeficiente de fricción longitudinal s= pendiente de la vía t0 = Tiempo de reacción g= Gravedad

27

El coeficiente de fricción varía en función de la velocidad de diseño y las condiciones del pavimento, ya sea húmedo o seco (Ver Figura 2.3), según lo indicado en la norma CIE88-2004. Por otro lado el tiempo de reacción se toma como un valor promedio de 2 segundos.

Figura 2.3 Diagrama típico del coeficiente de fricción como una función de la velocidad para pavimento húmedo y seco.14 De acuerdo a lo anterior los requerimientos necesarios para establecer el diseño de iluminación en túneles cortos y largos es el siguiente: • • • • •

Nivel de luminancia de la calzada. Nivel de luminancia de las paredes, en particular hasta una altura de 2 m. Uniformidad de distribución de luminancia en calzada y paredes. Limitación del deslumbramiento. Control del efecto Flicker. (INDALUX, 2002, pág. 242)

El perfil de iluminación en un túnel largo se caracteriza por contar con diferentes zonas a lo largo de éste, y tienen como objetivo principal permitir una adaptación visual a los conductores, garantizando que se obtenga una visibilidad tal que se pueda percibir los obstáculos que puedan aparecer y la trayectoria en la vía. Las zonas en mención son las siguientes: zona de umbral, zona de transición, zona interior y salida en el caso de un túnel unidireccional, para un túnel bidireccional la zona de salida es igual a la zona de entrada.

2.2.3 Requerimientos de iluminación Tal como se planteó en la sección 1, la iluminación en un túnel presenta como problema fundamental la adecuación del ojo del conductor desde los cuantiosos niveles de iluminación en la zona exterior durante el día, a los bajos o nulos en la zona de entrada del túnel. Cuando se realiza el diseño de iluminación de un túnel se busca conseguir el confort visual en el conductor. Las necesidades de iluminación van enmarcadas en buscar la seguridad del conductor mientras que éste 14

Fuente: CIEE88-2004, Fig A.2.2 Typical diagrams of the friction coefficient as a function of the speed for dry and wet pavement.

28

transita por el túnel, todo esto se consigue a través del guiado visual, para que el conductor pueda distinguir la dirección de conducción y los posibles obstáculos. En la elaboración de un proyecto de iluminación en túneles se debe determinar con detalle los fenómenos que intervienen y afectan dicha iluminación. La problemática visual de un conductor al acercarse a la boca de un túnel se presenta por el efecto de inducción, efecto de adaptación y la influencia de las luminancias de velo, fenómenos asociados de forma directa en el funcionamiento del ojo humano.

Efecto de inducción El efecto de inducción se presenta cuando la luminancia de una fuente luminosa respecto a un observador es mayor a la luminancia de un objeto en la trayectoria visual del observador, como por ejemplo sucede con las entradas de un túnel sin iluminar a medio día con un clima soleado.

Efecto de adaptación Este efecto fue estudiado inicialmente por el Dr. George Wald donde analiza el comportamiento del ojo a la variación de las condiciones de iluminación del entorno, resaltando que el ojo se adapta más rápido a entornos brillantes, por otro lado le toma más tiempo adaptarse a entornos oscuros. Para el caso de los túneles es necesario iluminar de manera adecuada la transición de un exterior bien iluminado por la luz natural a un entorno encerrado con poca iluminación.

Efecto de luminancia velo La luz parásita presente sobre el ojo de los conductores, el estado de la atmósfera y los reflejos del parabrisas del vehículo se combinan para formar un velo luminoso que reduce la visibilidad de los obstáculos a la entrada de los túneles. (INDALUX, 2002, pág. 234)

Efecto de agujero negro Durante el día, el conductor debe tener una suficiente visibilidad de los objetos situados en el primer tramo interior desde la vía abierta, lo cual exige que la relación entre la iluminancia exterior y la interior se mantenga dentro de ciertos límites, a fin de evitar que el túnel se presente como un "agujero negro". (Horna, 2011)

Efecto de parpadeo o "efecto flicker" Es un fenómeno visual producido por la reflexión de la luz sobre superficies reflectantes en dirección del ojo del conductor en un vehículo y con una determinada frecuencia, que resulta peligroso por lo que conlleva de distracción y perturbación visual. Este efecto se acusa en mayor grado en los tramos interiores de los túneles, dado que para que su efecto sea realmente perjudicial se requiere la permanencia en este estado de parpadeo durante al menos 20 s. Se consideran molestas las secuencias de puntos brillantes que se repitan en las frecuencias comprendidas entre 2,5 a 15 Hz (lo cual limitaría la instalación de aparatos fuera de una interdistancia entre 1,9 y 11 m para una velocidad máxima del tráfico en el interior del túnel de 100 km/h). (INDALUX, 2002, pág. 250)

29

Limitación del deslumbramiento Uno de los factores importantes en el momento de definir la iluminación en un túnel es la limitación del deslumbramiento. Esta consiste en evitar el deslumbramiento perturbador, el cual se define como el incremento de umbral de contraste TI necesario para ver un obstáculo cuando hay deslumbramiento. En un túnel se puede reducir este efecto mediante la utilización de luminarias con una distribución fotométrica adecuada para proporcionar una baja luminancia y evitar que su flujo luminoso pueda molestar al conductor de un vehículo.

= 65 ∗ 0 = 12 ∗

," $% % '()( 0,05 3 ,52 4

67 % 89:9

4

>

> 5 ,-//

> 2 ; /4<

Ecuación 2.2 Deslumbramiento Perturbador Dónde: TI = Incremento de umbral correspondiente al deslumbramiento perturbador. Lv = Luminancia de velo total en cd/m2. Lm = Luminancia media de la calzada en cd/m2. El incremento de umbral (TI) debe ser menor del 15% para: las zonas de umbral, de transición y zona interior durante el día, y para todas las zonas durante la noche. Para la zona de salida durante el día no existe limitación en el deslumbramiento perturbador.

2.2.4 Planificación de la iluminación de un túnel

30

IDENTIFICACIÓN GEOMETRÍA DEL TÚNEL Túnel Corto (Se debe definir si require diseño de iluminación)

Túnel Largo

Tipo de Pavimento

Tipo de Revestimiento

Número de Carriles

DEFINIR DISTANCIA DE FRENADO Se define de acuerdo a la velocidad de diseño del túnel

DEFINIR TIPO DE TRÁFICO Tráfico Unidireccional

Tráfico Bidireccional

ESPECIFICAR ZONAS A ILUMINAR Zona de Acceso

Zona de Umbral

Zona de Transición

Zona Interior

Zona de Salida o exterior ( En caso de túnel con tráfico unidireccional)

DEFINIR MÉTODO DE DISEÑO Método Exacto

Método de Aproximación

DEFINIR TIPO DE LUMINARIA Luminaria Tipo LED

Potencia de Lumiaria

SIMULACIÓN SISTEMA DE ILUMINACIÓN Software Dialux 4.12

Software Tunnel V3

Figura 2.4 Planeación diseño iluminación de un túnel.15

2.3

Perfil del diseño de control

En la actualidad se puede hacer uso de variedad de sistemas de control, es tarea del programador identificar el sistema que más se adapte a sus necesidades. Los sistemas de control automáticos 15

Fuente: Autores

31

permiten la lectura, procesamiento, almacenamiento y muestra de resultados de manera continua. Esto facilita al usuario analizar el comportamiento de un sistema y con esta información tomar acciones preventivas o correctivas. Los sistemas de control automáticos hoy en día se encuentran implementados desde equipos sencillos como electrodomésticos hasta procesos complejos como el desarrollo de automóviles. En el caso de control de iluminación de túneles se destacan los sistemas de control mencionados en la tabla 2.3: TIPO DE CONTROL ADAPTATIVO

CARACTERÍSTICAS -Mide las características dinámicas de un sistema de forma continua y automática. -Comprende un proceso lineal y variante a controlar. -Los coeficientes de su función de transferencia varían con el tiempo. -Identifica parámetros del proceso en tiempo real. -Cálculo de un nuevo regulador en tiempo real. -Es capaz de acomodarse a modificaciones no predecibles de un medio (cambios internos o externos de un sistema). -Matemáticamente independizan el control de las variaciones del modelo.

INTELIGENTE

-Se basa en las técnicas de inteligencia artificial. -Usa procesamiento digital. -Algunas de ellas son la lógica difusa, las redes neuronales y los algoritmos genéticos.

ROBUSTO

-Busca independizar el control de posibles incertidumbres en el modelo de la planta

CLÁSICO

-Está pensado para sistemas: Continuos – Lineales – Invariantes en el tiempo. -Hace uso de los métodos de regulación tales como: sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos y electrónicos. -Todas las señales son continuas y que los sistemas son lineales. Si no son lineales, se realizan estrategias de linealización. -Los sistemas que conforman al control clásico son univariables y lo más importante son invariantes en el tiempo.

MODERNO

-Está pensado para sistemas Digitales - lineales o no lineales. -Generalmente usan técnicas de espacio de estado. -Se diferencia del control clásico desde la llegada de los sistemas digitales. -El procesador es la principal herramienta del Control Moderno, dando la posibilidad de implementar controles de sistemas no lineales y multivariables. 32

-El Control Moderno se forma a partir de varias ramas de estudio, siendo las más importantes: el Control Adaptativo, el Control Robusto y el Control Inteligente.

DIGITAL

-Se hace por medio de herramientas matemáticas como el Espacio de Estado. Una propiedad de esta herramienta es que se hace irrelevante el número de entradas y salidas (Multivariable).

Tabla 2.3 Métodos usados para el control de sistemas de iluminación y sus principales características.16 De acuerdo a la tabla anterior se realiza la revisión de las características que poseen los diferentes tipo de control, de esta forma para el desarrollo del proyecto se selecciona el control inteligente mediante lógica difusa, debido a que facilita la programación de gran cantidad de variables que no necesariamente deben ser valores definidos. Éste tipo de lógica se maneja por medio de conjuntos donde las características de estos y los rangos asignados permiten moldear el sistema para obtener resultados óptimos. El software seleccionado para el control mediante lógica difusa es Matlab, debido a que permite la conexión con múltiples dispositivos para la lectura y procesamiento de datos y ofrece varias herramientas que permiten evaluar el sistema de manera sencilla, por ejemplo, en el caso de la lógica difusa permite observar las gráficas en 3D como se observa en la Figura 2.5

Figura 2.5 Superficie en 3D, sistema de control mediante lógica difusa.

2.3.1 Lógica Difusa La lógica difusa es un método desarrollado por el Dr. Lofti A. Zadeh presentada en la publicación Fuzzy Sets en el año 1965, éste método se desarrolló debido a que los métodos convencionales solo brindaban dos opciones para la toma de decisión: si/no, frío/caliente, arriba/abajo; lo cual no era útil en situaciones reales donde la cantidad de variables a manejar son muchas más. La lógica difusa permite el uso de variables de entradas imprecisas o incompletas, lo cual permite controlar variedad de sistemas de forma más exacta.

16

Fuente: Autores

33

Múltiples investigaciones se han realizado hasta la fecha usando como base la lógica difusa, debido a que se pueden plantear variedad de escenarios y ofrecer niveles de importancia a cada uno según lo defina el usuario. El ejemplo más común al momento de usar la lógica difusa es parquear un automóvil, donde variables como la distancia respecto del vehículo estacionado, velocidad que lleva el vehículo a parquear, cantidad de fuerza necesaria para oprimir el freno, entre otras variables hacen dispendiosa la programación mediante el método convencional; sin embargo, la lógica difusa facilita controlar este tipo de sistemas mediante el uso de grados de pertenencia para cada variable de entrada, formulación de reglas, fusificación, inferencia y defusificación los cuales serán explicados en detalle más adelante. Ver Figura 2.6 Datos de entrada

Fusificación

Evaluación de las reglas

Defusificación

Datos de salida

Figura 2.6 Esquema general de lógica difusa.

Conjuntos Difusos Zadeh define en el artículo Fuzzy Sets el conjunto difuso como: “Un conjunto difuso es una clase de objetos con continuos grados de pertenencia. Tal conjunto es caracterizado por una función de pertenencia (característica) la cual asigna a cada objeto un grado de pertenencia que varía entre cero y uno. Las nociones de inclusión, unión, intersección, complemento, relación, convexidad, etc., son aplicables a tales conjuntos”. Los conjuntos difusos se pueden expresar mediante la siguiente ecuación: = {(>, ? (>))|>AB} Ecuación 2.3 Representación matemática conjuntos difusos DE (F) Función de pertenencia de la variable x o dato de entrada, entre más cercano sea el valor de DE (F) a 1 mayor será el grado de pertenencia de x en el conjunto A G Universo de discurso A Conjunto difuso X Variable de entrada

Funciones de pertenencia. Las funciones de pertenencia, son funciones que permiten relacionar una variable de entrada y el conjunto difuso cuyo valor debe estar entre 0 y 1. De acuerdo al software seleccionado MATLAB proporciona 11 funciones de pertenencia mencionadas a continuación: • • • •

trimf (Triangular Member Function), trapmf (Trapezoidal Member Function), gbellmf (Generallized Bell Member Function), gaussmf o gauss2mf (Gaussian Member Function, las dos funciones se diferencian por la cantidad de parámetros a ingresar) , 34

• sigmf, dsigmf, psigmf (Sigmoidal Membership Function) • pimf (Phi-shaped Membership Function) • smf • zmf Para definir las características en un conjunto difuso es necesario especificar valores como: rango (Range), tipo (Type) y parámetros escalares (Params). El rango de un conjunto difuso comprende el espacio de pertenencia de las variables, es decir, que los valores de Muy Alto, Alto, Normal y Bajo del conjunto difuso tráfico pueden encontrarse entre el 0 y el 100%, tomando para este ejemplo el porcentaje de tráfico como el rango del conjunto. En la lógica difusa se establecen dos tipos de conjuntos; los conjuntos de entrada son aquellos que permiten ingresar en la lógica difusa las condiciones externas que afectan el sistema a controlar, mientras que los conjuntos de salida son los valores que definen el comportamiento del sistema después de la programación. Por último es necesario definir los parámetros escalares de la función de pertenencia. Los parámetros varían de acuerdo a la función de pertenencia seleccionada. De los once tipos de funciones mencionados, los más usados son: trimf, trapmf y gaussmf, debido a su fácil implementación. Por ejemplo la función trimf necesita tres puntos que se encuentren dentro del rango del conjunto difuso para formar un triángulo, así mismo para la función trapmf se requieren cuatro puntos para formar un trapezoide y dos valores para la función gaussmf que representan σ y c dentro de la ecuación gaussiana. Cada una de estas funciones posee un punto máximo el cual representa el mayor grado de pertenencia dentro del conjunto difuso.

2.3.2

Control Difuso

Fusificación La fusificación consiste en transformar los datos de entrada en valores difusos y asignar grados de pertenencia dentro de los conjuntos difusos establecidos. En la Figura 2.7 se observan dos funciones de membresía de tipo trimf del conjunto “Luminancia” que representa el grado de pertenencia de acuerdo al valor de entrada de la luminancia. En el caso de la función “Alto”, éste alcanza el mayor grado de pertenencia cuando la luminancia tiene un valor de 0.3 unidades.

Figura 2.7 Función de membresía.17

17

Fuente: Autores

35

Evaluación de las reglas En esta parte se realiza la interacción entre los conjuntos difusos de entrada y salida mediante las reglas establecidas por el usuario cuya estructura cuenta con los antecedentes como conjuntos de entrada y los consecuentes como conjunto de salida, haciendo uso de la estructura If-Then para unirlos. Dependiendo de las reglas establecidas en la lógica difusa el consecuente o conjunto de salida tendrá un valor al cual se le asigna un grado de pertenencia dentro de las funciones de membresía para el método mamdani propuesto por Ebrahim Mamdani en 1975 y una función en el método sugeno propuesto por Takagi y Sugeno en 1985. Ejemplo método mamdani: If (tráfico is Alto) and (Luminancia is baja) then (Potencia is Media) Ejemplo método sugeno: If (tráfico is Alto) and (Luminancia is baja) then (Potencia is f(Trafico, Luminancia)).

Defusificación Por último la de-fusificación consiste en tomar los valores del conjunto difuso de salida y convertirlos en valores reales. Con el método de mamdani la defusificación se realiza mediante en el cálculo del área del centroide (Ver Ecuación 2.4). H67I:JK 6 =

L >∗M (>) > L M (>) >

Ecuación 2.4 Área del centroide. Por otro lado con el método sugeno se usa un valor puntual dentro de cada función de membresía y cero en cualquier otro punto para convertir la función resultante en un valor escalar, para obtener el valor defusificado se realiza la sumatoria de cada uno de los puntos y se obtiene la media de estos valores como se muestra en la Ecuación 2.5 N6 K9 =

∑(M(PK )∗PK ) ∑ M(PK )

Ecuación 2.5 Calculo de la media para la defusificación con el método Sugeno. La principal diferencia de los dos métodos radica en que el método de mamdani permite la programación de una manera más intuitiva haciendo fácil la programación de situaciones cotidianas, mientras que el método sugeno está desarrollado para ser computacionalmente más eficiente debido a que está enfocado para implementar técnicas de optimización y adaptación.

2.4

Diseño de iluminación

Con base en la investigación sobre las características constructivas y tipos de sistemas de iluminación de los túneles en Colombia, se obtuvo como resultado que en la actualidad no se ha implementado el uso de iluminación tipo LED. De esta forma en esta sección se propone realizar el diseño de iluminación del túnel de Occidente Fase II con tráfico unidireccional, ya que este presenta características constructivas representativas de los túneles en Colombia. Adicionalmente dentro del diseño, este tiene implementado dentro del diseño del sistema de iluminación luminarias con lámparas tipo vapor de sodio de alta presión. Por lo tanto se comparará el sistema de iluminación 36

actual contra los resultados obtenidos en las simulaciones de los diseños de iluminación con luminarias tipo LED.

2.4.1

Geometría del túnel de Occidente fase II

Descripción del túnel El túnel de Occidente Fase I cuenta con una longitud total de 4,6 km, con un sentido de circulación vehicular bidireccional. La primera fase fue construida entre el año 1997 y 2005, entrando en servicio el 20 de Enero de 2006. En Septiembre del año 2013 el Grupo TYPSA Ingenieros Consultores y Arquitectos dieron a conocer los diseños de las instalaciones del túnel de Occidente Fase II. Este nuevo túnel el cual proyecta ser entregado en el año 2019, contará con las mismas características geométricas que la fase I, a excepción del sentido del tráfico el cual será unidireccional. Estas características se tomarán como referencia para la simulación del sistema de iluminación. Datos geométricos (Grupo Typsa, 2013) Boca portal oriental P.K. 9+100 Boca portal occidental P.K. 13+703 Longitud túnel: 4.603m Número de carriles: 2 Ancho de la calzada: 8 m Ancho anden lateral: 1,35 m Sección túnel: 72,06 m2 Perímetro: 33,55 m Altura máxima: 7,9 m Pendiente: 2,3% Tipo de Revestimiento: Concreto Lanzado Tipo de Pavimento: R3- Asfalto Velocidad de Diseño; 60 km/h Vehículos/Día