Junta Directiva Presidente: Antonio Vivanco Casamadrid, director general de la Comisión Federal de Electricidad Secretario: Hugo Gómez Sierra, presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas Consejeros propietarios: • Sergio Manuel Alcocer Martínez de Castro, subdirector de Planeación Estratégica y Desarrollo Tecnológico, Secretaría de Energía • Luis Carlos Hernández Ayala, director de Operación, Comisión Federal de Electricidad • Francisco Acosta Arredondo, director de Modernización, Comisión Federal de Electricidad • Florencio Aboytes García, subdirector de Programación, Comisión Federal de Electricidad • Jesús Eliseo Ramos, subdirector de Distribución, Comisión Federal de Electricidad • Jaime Francisco Hernández Martínez, director general de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, rector de la Universidad Nacional Autónoma de México • Yoloxóchitl Bustamante Diez, directora general del Instituto Politécnico Nacional • Enrique Fernández Fassnach, rector general de la Universidad Autónoma Metropolitana • José Enrique Villa Rivera, director general del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Carlos Vélez Ocón, consultor • Jaime Parada Ávila, director general, Innovación y Competitividad, S. A. de C. V.

Comisarios públicos: • Samuel Alcocer Flores, delegado y comisario público propietario del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Juan Edmundo Granados Nieto, subdelegado y comisario público suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública Invitados: • Emiliano Pedraza Hinojosa, director general de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Gerardo Lozano Dubernard, Béjar, Galindo, Lozano y Compañía, S. C., socio director • Miguel Vázquez Rodríguez, presidente de la Comisión de Innovación y Tecnología de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas

Comité Técnico Operativo Presidente: Leonardo Beltrán Rodríguez, Secretaría de Energía Secretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas • Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Samuel Alcocer Flores, Secretaría de la Función Pública • Juan Edmundo Granados Nieto, Secretaría de la Función Pública • Jaime Francisco Hernández Martínez, Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Universidad Nacional Autónoma de México • Yoloxóchitl Bustamante Diez, Instituto Politécnico Nacional • Enrique Fernández Fassnach, Universidad Autónoma Metropolitana • José Enrique Villa Rivera, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Emiliano Pedraza Hinojosa, Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Miguel Vázquez Rodríguez, Comisión de Innovación y Tecnología de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas

Comité Editorial • Julián Adame Miranda, director ejecutivo • Ángel Fierros Palacios,

• Francisco Escárcega Rodríguez, coordinador de Comunicación Institucional • Gladys

director de Energías Alternas • Salvador González Castro, director

Dávila Núñez, jefa del Departamento de Difusión • Federico Estrada Arias, coordina-

de Sistemas de Control • Rolando Nieva Gómez, director de

dor editorial • Arturo Fragoso Malacara, diseño gráfico • Verónica García Rodríguez,

Sistemas Eléctricos • José M. González Santaló, director de Sistemas

diagramación, formación y cuidado de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación

Mecánicos • Fernando A. Kohrs Aldape, director de Planeación,

electrónica • Sergio Ortega López, fotografía • Ana María Sámano Ramírez, distribución

Gestión de la Estrategia y Comercialización • José Alfredo Pérez Gil y García, director de Administración y Finanzas Boletín IIE es una publicación trimestral, de distribución gratuita y editada por el Departamento de Difusión, del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. El material de este Boletín sólo puede reproducirse parcial o totalmente, con la autorización escrita del IIE. Certificado de licitud de título 01777. Franqueo pagado, publicación periódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex. El tiraje de esta publicación es de 2,000 ejemplares. Impreso en los talleres de Dicograf, S.A. de C.V. Av. Poder Legislativo 304, colonia Prados de Cuernavaca, C.P. 62239 Cuernavaca, Morelos, México.

Sumario julio-septiembre-2011 Boletín IIE

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Sumario 98

Editorial

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Divulgación





Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico. Israel Galván Bobadilla, Miguel Pérez Ramírez, Salvador González Castro, Gustavo Arroyo Figueroa, Eric Rodríguez Gallegos, Marco Antonio Salgado Martínez, Andrés Ayala García y Jesús Vázquez Bustos Se presenta la terminología, clasificación y variantes de la realidad virtual y se da un panorama general de su uso en el sector eléctrico a nivel mundial y local.

109 Tendencia tecnológica

Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución. Benjamín Eddie Zayas Pérez, Eduardo Islas Pérez, Jessica Liliana Bahena Rada, Jesús Romero Lima, Benjamín Sierra Rodríguez y Humberto Moreno Díaz Se muestra el desarrollo del Sistema para el Diseño de Subestaciones Eléctricas de Distribución (SiDSED), cuyo objetivo es el de optimizar el proceso de diseño de la obra civil y electromecánica, así como el cálculo de costos de subestaciones eléctricas en un ambiente gráfico tridimensional.

117 Artículo técnico



Sistema para la capacitación y entrenamiento para el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D. Israel Galván Bobadilla, Miguel Pérez Ramírez, Andrés Ayala García, Jaime Javier Muñoz Román, Eric Rodríguez Gallegos, Marco Antonio Salgado Martínez y Benjamín Sierra Rodríguez Se presenta un sistema de capacitación basado en realidad virtual desarrollado para la Comisión Federal de Electricidad denominado ALEn3D, el cual permite a los técnicos de mantenimiento capacitarse en ambientes 3D interactivos libres de riesgos.

126 Comunidad IIE

Presentan brazo robótico al Director General de la CFE Transferencia de Tecnología del IIE a la industria nacional IIE-IMP-ININ firman alianza estratégica Presencia del IIE en la conferencia IEA/AIE 2011

128 Breves técnicas

Desarrollo de Maniobras en línea energizada de 230 kV para el SiCaMLT y su implantación en las gerencias regionales de transmisión de la CFE. Rogelio Enrique Martínez Ramírez y Víctor Manuel Jiménez Sánchez Laboratorio de Realidad Virtual del IIE. Israel Galván Bobadilla y Miguel Pérez Ramírez

132 Artículo de investigación

Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral. Miguel Pérez Ramírez y Norma Josefina Ontiveros Hernández Se presentan experiencias en el desarrollo de sistemas basado en realidad virtual no inmersiva y se discute acerca de los factores que hacen de ésta una herramienta para crear contenido y contextos de aprendizaje, de tal modo que la instrucción pueda ser más eficiente. Artículo presentado originalmente en el Workshop in Intelligent Learning Enviroments, WILE09 MICAI 2009, en Guanajuato, Guanajuato, México.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Editorial

Editorial de desarrollo tecnológico, sus tendencias a nivel nacional e internacional, y sus aplicaciones como un instrumento para la capacitación. Hoy en día, la realidad virtual es un tema que continúa vigente y lo seguirá estando, ya que sus aplicaciones se han extendido a todas las áreas: ingeniería, ciencia, industria, automatización, robótica, negocios, finanzas, medicina, biomedicina, bioinformática, ciberespacio y la interacción hombre-máquina. Y es precisamente por este hecho sin precedentes, que el IIE se ha dado a la tarea de dar a conocer una vez más sus avances y desarrollos tecnológicos y cómo han beneficiado a uno de los sectores para los que continúa siendo brazo tecnológico: el sector energético. El artículo de divulgación nos muestra el estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico. Por su parte, el artículo sobre tendencia tecnológica nos habla del sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución con herramientas CAD 3D. El artículo técnico plantea un sistema para la capacitación y entrenamiento para el mantenimiento de líneas vivas de alta y media tensión de la red de distribución, ALEn3D.

C

on orígenes hasta cierto punto inciertos, la realidad virtual se ha convertido en una poderosa herramienta que ha sido utilizada tanto por departamentos de defensa, compañías de videojuegos, productoras cinematográficas, como por empresas, organizaciones e instituciones para la capacitación de sus empleados. Hace poco más de un lustro, el Instituto de Investigaciones Eléctricas dedicó su Boletín IIE a este tema, dando a conocer un panorama general del mismo, así como algunas de sus aplicaciones en el sector eléctrico y energético, planteándolo como una opción

En comunidad IIE se presenta una síntesis de los eventos realizados en el Instituto, así como de los congresos y exposiciones en los que se participó a nivel nacional e internacional, en particular los relacionados al tema en cuestión. Las breves técnicas abordan el desarrollo de maniobras en línea energizada de 230 kV para el SiCaMLT y su implantación en las gerencias regionales de transmisión de la CFE, así como el laboratorio de realidad virtual del IIE. Para cerrar esta edición, el artículo de investigación toca el tema de la realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral. No hay duda: la realidad virtual ha evolucionado y revolucionado al mundo y el lenguaje que en éste se maneja. Realidad virtual inmersiva y no inmersiva, realidad aumentada y virtualidad aumentada son sólo algunos de los términos que conforman la amplia gama de elementos que la integran, cuyo objetivo final es ofrecer una plataforma para el desarrollo de la investigación científica y tecnológica, así como el intercambio de proyectos innovadores relacionados con la aplicación de sistemas inteligentes virtuales en dominios reales a nivel mundial.

Divulgación Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico 99

Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

Israel Galván Bobadilla, Miguel Pérez Ramírez, Salvador González Castro, Gustavo Arroyo Figueroa, Eric Rodríguez Gallegos, Marco Antonio Salgado Martínez, Andrés Ayala García y Jesús Vázquez Bustos

Resumen

S

avances tecnológicos que han permitido el desarrollo de novedosos conceptos y dispositivos de interacción, la creación de montajes de RV más fiables y robustos, así como la mejora en el software de visualización y de modelado. Su uso está presente en muchas industrias como la del entretenimiento, medicina, militar, automotriz y de energía, siendo esta última abordada por instituciones de investigación y desarrollo como el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).

e presenta la terminología, clasificación y variantes de la realidad virtual (RV). Se da un panorama general de su uso en el sector eléctrico a nivel mundial y local. También se describe el estado actual y tendencias de la RV desde el punto de vista del hardware, software y sus aplicaciones. Finalmente se incluye el mapa tecnológico de realidad virtual para el sector eléctrico, que el IIE ha utilizado como guía durante las diferentes etapas de su adopción.

Terminología

Introducción La RV es un área multidisciplinaria que tiene un amplio espectro de aplicaciones como la capacitación, la operación, el diseño y el análisis, y posee características que la convierten en una herramienta ideal para: (1) simulación de situaciones que involucran algún riesgo, ya sea para personas o para equipos, (2) interpretación y análisis de datos científicos mediante visualización de datos, (3) navegación en ambientes virtuales y manipulación de elementos tridimensionales, sin contar con el objeto real o sin estar en el sitio, a fin de explorar y comprender procesos, fenómenos y conceptos. La RV es un área que se encuentra en su etapa de madurez y en los últimos años ha evolucionado ampliamente gracias a los

Con la finalidad de contar con un punto de referencia, el IIE ha adoptado algunas definiciones y conceptos respecto al tema de RV, los cuales son mencionados a continuación:

La realidad virtual es un área que se encuentra en su etapa de madurez y que en los últimos años ha evolucionado ampliamente gracias a los avances tecnológicos.

Realidad virtual. Es la representación completa o parcial de un ambiente real o ficticio, a través del uso de medios electrónicos (Pérez, 2004). Realidad virtual no inmersiva. Permite la interacción a través del ratón y el teclado sobre un monitor gráfico, así el usuario nunca pierde la visión del mundo circundante. Es también conocida como RV de escritorio. Realidad virtual inmersiva. Ofrece al usuario la sensación de estar dentro de un ambiente virtual, para interactuar con los elementos existentes mediante la estimulación de sus sentidos visuales, táctiles y

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Divulgación

auditivos. Puede demandar elementos tales como guantes, visores, rastreadores de posición, joysticks, etc. Realidad aumentada. Es la superposición de sonidos o imágenes generadas por computadora sobre imágenes del mundo real.

Estado actual y tendencias de la RV Desde 2004, año en que el IIE publicó un boletín sobre RV, han surgido muchas mejoras en el hardware y software, principalmente impulsadas por la industria del entretenimiento (cine y videojuegos), las cuales, además de propiciar su uso masivo, han contribuido a la disminución de sus costos. En esta sección se muestra un panorama general de los cambios ocurridos

desde entonces y las tendencias (Rodríguez et al, 2005-2011).

Hardware En los inicios de la RV, el hardware disponible era muy costoso, poco ergonómico y usualmente cerrado a sistemas propietarios. En los últimos años han surgido muchas mejoras, las cuales se resumen en la tabla 1. El hardware de RV se ha utilizado principalmente para ofrecer inmersión visual, rastreo de movimiento y retroalimentación táctil. Respecto a la inmersión visual, el hardware como tarjetas gráficas, lentes, pantallas, proyectores y cámaras ha cambiado, para proveer mejor rendimiento y calidad.

Las tarjetas gráficas incorporan unidades de procesamiento gráfico o GPU (Graphics Prossesing Units), las cuales han permitido el desarrollo de aplicaciones 3D interactivas con un alto nivel de detalle. Una característica importante de las GPU actuales es la incorporación de vertex shaders y pixel shaders, permitiendo el procesamiento de un número mayor de modelos y texturas. Un vertex shader es una función gráfica que deforma en tiempo real la geometría de un objeto 3D (vértice por vértice), logrando efectos como el movimiento de una ola o las expresiones corporales de un personaje. Pixel shader es una función gráfica que calcula los efectos de una imagen (color, transparencia, rugosidad, sombras, explosiones y efectos) pixel por pixel. Las GPU utilizan API gráficas como OpenGL y DirectX, con las que se puede programar directamente en las GPU, inclusive se

Tabla 1. Mejoras y tendencias en el hardware de RV. Antes

Ahora

Tendencias

Hardware poco ergonómico y cableado. Difícil de usar por su tamaño y peso, los movimientos y desplazamiento del usuario se ven limitados por los cables del hardware de RV.

Hardware de RV inalámbrico y ergonómico. Los dispositivos no requieren cables, lo que facilita que el usuario se mueva por donde él quiera, incluyen acelerómetros, giroscopios y cámaras infrarrojas que permiten ubicar la velocidad y posición en que se mueven los controles de usuario. Incluyen, además, motores vibro táctiles que retroalimentan físicamente al usuario en diversas situaciones.

Reducción del hardware. Los usuarios se convierten en el control de la aplicación, el hardware rastrea la posición de sus manos, sus gestos, la dirección de sus ojos, etcétera y luego son traducidos como comandos hacia la aplicación de RV. Los dispositivos que el usuario porta son poco invasivos y muy naturales de usar. Se reduce la necesidad de usar marcadores para rastrear el movimiento y ubicación de los elementos. Las pantallas sensibles al tacto ofrecerán retroalimentación táctil.

Hardware especializado. Poca disponibilidad de drivers y conexión limitada al puerto serial.

Hardware interoperable. Disponibilidad de drivers en diversas plataformas y compatible con diversos lenguajes de programación, además son capaces de conectarse a puertos universales como USB o bluetooth.

La velocidad de conexión y transferencia de datos, así como la cobertura, aumentan.

Divulgación Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

han desarrollado aplicaciones de alto nivel como CUDA, DirectComputing y OpenCL. Hoy en día podemos encontrar tarjetas gráficas no sólo en súper computadoras, sino en computadoras de escritorio, laptops y hasta en teléfonos móviles. Algunos de estos equipos permiten el uso de más de una tarjeta gráfica por medio de tecnología SLI de NVIDIA, o Crossfire de ATI, aumentando de manera considerable el procesamiento gráfico. Estas tecnologías ya cuentan con soporte para el uso de estereoscopia activa (figura 1). Por un lado, las pantallas y los lentes siguen siendo un aditamento importante para la visualización de imágenes en 3D. En la actualidad encontramos una amplia gama de lentes estéreo activos de menor costo, gracias a la gran comercialización que han tenido en años recientes, como los usados en las pantallas 3D que operan a 120 hz y que están disponibles en televisiones, proyectores y monitores de laptops o PC de escritorio, las cuales se pueden encontrar en cualquier tienda

Tarjeta gráfica NVIDIA Quadro FX 4800

Phillips 3D TV

departamental. Una de las tecnologías en vía de desarrollo son las pantallas que no requieren del uso de lentes para desplegar imágenes estereoscópicas, esto ayudará a tener una experiencia virtual más natural, al evitar que el usuario deba portar algún dispositivo electrónico para percibir la inmersión visual. Por otra parte, los lentes también son usados para proyectar imágenes desde un dispositivo móvil (Wrap 920 de Vuzix) o en sistemas de realidad aumentada, incorporando en ellos no sólo pequeñas pantallas sino también cámaras (Wrap 920AR Vuzix). Una tendencia en el uso de lentes es el eye tracking system, dispositivos que permiten interactuar con una computadora mediante el seguimiento del movimiento del ojo o la pupila. Una de las técnicas usadas para lograr el seguimiento de la vista del usuario es mediante cámaras que graban dichos movimientos, y otra que se ha implementado en dispo-

Tarjeta gráfica AMD Radeon™ HD 6970

Videocámara 3D Panasonic

Figura 1. Hardware para inmersión visual y realidad aumentada.

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sitivos recientes es el uso de contraste y de luz infrarroja. Respecto al rastreo de movimiento, el uso de sistemas MOCAP (Motion Capture) se ha vuelto muy popular. Los MOCAP capturan y almacenan los movimientos realizados por una persona, usualmente con trajes que incluyen marcas como referencia, aunque también hay sistemas que no requieren este tipo de marcas, basta con que una cámara especial grabe o refleje los movimientos de la persona. Respecto a la retroalimentación táctil, actualmente existen guantes con o sin ella, equipos de retroalimentación de fuerza y pantallas multi-touch. Los guantes se componen de sensores que miden el movimiento y el ángulo de cada dedo. Algunos de éstos también trabajan con rastreadores 3D para encontrar la posición de la mano del usuario, quien llega a los objetos en el ambiente virtual por medio de señas para sujetar y soltar

Wrap 920 de Vuzix

Proyector 3D DepthQ

Wrap 920AR de Vuzix

Tobii Eyetraking Glasses

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Divulgación

cosas. Al apuntar con el guante en la posición deseada, se puede mover o volar en esa dirección, reconociendo siempre el movimiento de los dedos. Los equipos de retroalimentación de fuerza, como el equipo Phantom, permiten a los usuarios tocar y manipular objetos virtuales con precisión. Cuando un usuario colisiona con un objeto del ambiente virtual, el equipo limita el movimiento del usuario aplicándole fuerza y fricción al apuntador del Phantom. Estos equipos han tenido especial éxito en el campo de la medicina con fines de capacitación (figura 2). Finalmente, con el surgimiento de las pantallas multi-touch, donde el usuario puede manipular la interfaz con base en los movimientos de sus dedos, hay una fuerte tendencia a desarrollar pantallas que den retroalimentación táctil para que los usuarios puedan sentir el volumen de un ícono, la orilla o textura de un objeto, dando una mayor experiencia al usuario final (figura 3). Empresas como Senseg y Teslatouch, actualmente ofrecen soluciones de este tipo, aunque continúa siendo una línea de investigación en desarrollo.

la tensión de alimentación en el guante, el circuito también decodifica y temporiza las señales emitidas por la PC y transforma estos datos en una señal eléctrica que activa los dispositivos vibratorios.

Software Existen varios nichos de aplicación del software de RV, tales como el modelado, texturizado, animación y entornos de desarrollo, conocidos como toolkits o engines, y en cada nicho han surgido mejoras, las cuales se resumen en la tabla 2. En cuanto a los lenguajes de programación más importantes para desarrollo de aplicaciones y engines, C, C++ y Java son los predominantes. Respecto a los dispositivos móviles, hay soporte para gráficos 3D con el estándar OpenGL SE en diversos sistemas operativos, y según Gartner, el sistema operativo Android ocupará más del 40% del mercado de los teléfonos para el 2015, ganándole al sistema operativo iOS, si es que se mantiene su tasa de creci-

miento actual. Así que la combinación Android/Java promete ser popular en los próximos años.

Desarrollo de software en el IIE El IIE está a la vanguardia de estos cambios y ha comenzado a usar y desarrollar herramientas propias enfocadas a estas tendencias, como el uso de OGRE3D, una API de despliegue gráfico, con la que se desarrolló un motor de RV de bajo costo (Salgado et al, 2010), para el proyecto de capacitación en pruebas de puesta a punto y mantenimiento de subestaciones (3DMaPPS). La intención es que el IIE adopte inicialmente un toolkit y que mediante la adecuación y extensión de la funcionalidad de dicho toolkit, pueda contar con tecnología propia. También ha incorporado en sus procesos de desarrollo, el uso de técnicas de modelado orgánico (figura 4), sistemas de huesos y texturizado avanzado, para darle un

Hardware en el IIE El Instituto ha desarrollado un guante de retroalimentación táctil a un costo mucho menor que el comercial con características similares (Ayala y Pérez, 2005). Dicho guante utiliza dispositivos mecánicos de vibración que estimulan cada dedo de la mano, para representar las sensaciones en la piel como cuando se toca un objeto. El guante se conecta a una PC por medio del puerto paralelo y se comunica a través de un circuito especialmente diseñado para este propósito. Además de proporcionar

Figura 2. Guantes con y sin retroalimentación táctil / equipo Phantom de Sensable Technologies.

Figura 3. Ejemplos de pantallas multi-touch con retroalimentación táctil.

Divulgación Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

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Tabla 2. Mejoras y tendencias en el software de RV. Antes

Ahora

Tendencias

Cada toolkit trabajaba con un formato propietario o mediante plugins.

Formatos estándares entre herramientas de modelado y toolkits (ejemplo: OBJ, FBX, DAE-Collada), incluyen información del modelo, sus texturas y sus animaciones.

Formatos universales que puedan ser ejecutados en cualquier plataforma y dispositivo, como es el caso de WebGL. Plugins para cada navegador y plataforma, como es el caso de Flash y Unity.

Flujos de trabajo separados. Los diseñadores digitales creaban contenido y después lo probaban en los engines, mediante la exportación a algún formato de archivo que pudiera ser leído y cargado por la aplicación.

Flujos de trabajo integrados. Los usuarios pueden modelar, iluminar, texturizar, animar, aplicar interactividad y ver su apariencia final en el mismo entorno.

Flujos de trabajo optimizados para reducir al mínimo los procesos de exportar/importar en las distintas fases de desarrollo, contar con herramientas WYSIWYG (What You See Is Wath You Get) en tiempo de diseño.

Texturizado básico. Permite que los objetos 3D tengan una apariencia aceptable (Bump Maps, Difuse Maps).

Texturizado avanzado. Ofrece un nivel de realismo excepcional (Light Maps, Normal Maps, Displacement Maps, Shaders). Reemplazan modelos de alta resolución (con muchos polígonos) por modelos de baja resolución, sin afectar la calidad de su apariencia.

Texturizado dinámico. La iluminación de las texturas deja de ser pre-calculada y ahora es calculada en tiempo real. Los valores de las texturas cambian de forma “interactiva” con otros elementos o eventos dentro de la aplicación.

Animación manual. Hecha cuadro por cuadro con líneas de tiempo.

Animación por procedimientos. Generada a partir de código y considerando motores físicos como Newton y ODE. Para el caso de animación de personajes, mucha de ésta se hace con la tecnología MOCAP y sistema de huesos (riging).

Animación en tiempo real. Combina inteligencia artificial, biomecánica y física, para animar los objetos con base en sus propiedades físicas y obtener animaciones impredecibles con una apariencia muy natural. Por ejemplo, el tropezar de un personaje nunca es idéntico.

Estándares orientados a correr aplicaciones 3D en la web (VRML, X3D, Java3D).

Herramientas orientadas a exportar contenido a múltiples plataformas. Por ejemplo en dispositivos móviles, web, PC/Mac y consolas de videojuegos.

Aumento en el desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles y de realidad aumentada.

Despliegue de gráficos por medio del software.

Despliegue de gráficos por hardware, sacando ventaja de la tecnología GPU programada vía software (ejemplo CUDA C/C++, OpenCL, DirectCompute, etc).

Procesamiento paralelo en aplicaciones de RV a través de procesamiento multihilo que aprovechen el multicore y los GPU.

mayor realismo a los objetos 3D, además de optimizarlos en cuanto a la cantidad de polígonos que los componen, contribuyendo a que los archivos gráficos sean de menor tamaño y puedan desplegarse más rápidamente durante la ejecución de las aplicaciones.

Por otra parte, se han explorado nuevos engines, con la finalidad de ofrecer nuevas funcionalidades en futuros desarrollos, como por ejemplo el Unity, que exporta contenido a múltiples plataformas y jMonkey, el cual usa como base Java3D.

Aplicaciones Como se ha mencionado, la RV puede ser aplicada en una gran variedad de dominios, no obstante, en el área de capacitación, diseño y entretenimiento es donde más éxito ha tenido.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Divulgación

contenidos y empiezan a surgir engines como Copperlicht. Algo que hace aún más interesante al estándar WebGL es que no sólo las PC pueden correrlas, sino los dispositivos móviles más recientes que tengan Android como sistema operativo.

Aplicaciones colaborativas Figura 4. Ejemplo de modelado orgánico de personales y texturizado avanzado de modelos 3D.

Proyecto AIDA

Car Finder

PocketUniverse

Google Navigation Theodolite Pro

Figura 5. Ejemplo de aplicaciones de realidad aumentada con información geográfica.

Sistemas de Información Geográfica Recientemente se ha observado una inclinación hacia los sistemas de información geográfica y hacia los dispositivos móviles. Al combinar la tecnología de visión por computadora, sistemas de posicionamiento global (GPS), los acelerómetros y cámaras integradas en los equipos es posible crear aplicaciones de realidad virtual y de realidad virtual aumentada sensibles al contexto y ubicación geográfica del usuario. Ejemplos de este tipo de

Otra tendencia en esta línea es el desarrollo de aplicaciones colaborativas, que en el caso de entrenamiento ayudan a reducir el tiempo que el personal tiene que estar en la computadora. Ejemplo de esto es el concepto MMO (Masive Multiuser Online), que permite a miles de usuarios introducirse en un mundo virtual de forma simultánea a través de internet, e interactuar entre ellos. En primera instancia se crea un personaje (también conocido como avatar), del que el usuario puede elegir raza, profesión, sobrenombre, etc. Una vez creado, el usuario puede introducirlo en el ambiente virtual e ir aumentando niveles y experiencia, con base en las actividades realizadas con otros usuarios o realizando diversas aventuras o misiones, habitualmente llamadas quest.

Visión por computadora aplicaciones son Google Navigation y el proyecto AIDA, Car Finder, Theodolite Pro, PocketUniverse (figura 5).

Uso de contenido 3D en la web Por otro lado, hay una tendencia en llevar el contenido 3D hacia la web con estándares como WebGL, lo que significa poder tener gráficos 3D acelerados por el hardware de video en el explorador, marcando el inicio de lo que es conocido como HTML5. Actualmente, los navegadores Chrome, FireFox y Opera ya soportan estos

Ésta también ha ganado mucho terreno en el campo de la RV, para detectar gestos y movimientos de los usuarios para sobreponer escenarios virtuales en imágenes de la vida real, sin la necesidad de utilizar marcadores de referencia. Ejemplo de esto son las aplicaciones de entretenimiento que manipulan elementos virtuales, con base en el movimiento de los brazos y piernas del usuario o al desplazamiento de su cuerpo, tal como se ve en las consolas Microsoft XBOX360 Kinect y Sony PSP3 Move.

Divulgación Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

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Los sistemas MOCAP sin marcadores como el de la empresa Organic Motion, son otro ejemplo. La detección de figuras formadas con los dedos de la mano para ejecutar algún comando es otra tendencia, tal como se aprecia en la aplicación HandVu, basada en OpenCV.

Aplicaciones de RV en el sector energético en otras instituciones En otras instituciones, la RV ha sido utilizada en el sector energético, principalmente para capacitar al personal en ambientes libres de riesgo, para detección de errores de diseño antes de la construcción de una instalación y para facilitar la visualización de grandes volúmenes de datos a fin de analizar, evaluar y tomar decisiones. Para más detalles, se pueden consultar las referencias incluidas en Maldonado y Galván, 2005-2011.

Desarrollos del Grupo de Realidad Virtual (GRV) del IIE En los últimos años, el IIE ha incursionado con éxito en el tema de Realidad Virtual como herramienta de apoyo en los procesos de capacitación, inspección y diseño del sector energético, tal como se muestra en la figura 6. METIS. El desarrollo de Modelos Electrónicos Tridimensionales Inteligentes (METIS) inició ante la necesidad de contar con un medio que facilitara la elaboración, integración, resguardo y catalogación de

Figura 6. Aplicaciones de RV desarrolladas por el IIE en los últimos diez años. la información técnica de las instalaciones de plantas industriales terrestres y marinas de PEMEX. Los METIS son utilizados en las diversas etapas del ciclo de vida de una planta industrial, iniciando con la planeación e ingeniería básica para posteriormente continuar con el diseño detallado, construcción, operación, mantenimiento y adecuación, hasta llegar al abandono, cierre y desmantelamiento de la misma, permitiendo reducir costos al agilizar la generación y uso de la documentación de la instalación (Vidrio et al, 2011). ALEn3D. El sistema de Adiestramiento en Líneas Energizadas en ambientes 3D (ALEn3D), marcó el inicio de los desarrollos de los sistemas no inmersivos. Permite a los usuarios el entrenamiento en actividades de alto riesgo sin que estén expuestos a ningún peligro, pueden revisar el contenido 3D las veces que deseen, así como autoevaluarse, y el sistema puede utilizarse para auto-capacitación y para capacitación en cursos formales. ALEn3D de Media Tensión obtuvo el premio CFEINNOVA en 2008. Se ha desarrollado para líneas aéreas de distribución de media y alta tensión y líneas subterráneas de distribución.

SiDSED. El Sistema para el Diseño de Subestaciones Eléctricas de Distribución permite la configuración de arreglos normalizados de subestaciones, visualización tridimensional interactiva y  cálculo de volumetría para la estimación de costos de la obra. Asimismo, permite crear los planos electromecánicos y civiles, lista de equipos y materiales, así como catálogos de conceptos. Ofrece los siguientes beneficios: promueve la estandarización de procedimientos para el diseño de subestaciones; apoya la ingeniería de diseño y la estimación de costos para la toma oportuna de decisiones; disminuye el tiempo y esfuerzo para realizar los proyectos de subestaciones; ofrece visualización previa de proyectos en 3D para la identificación de posibles errores antes de la etapa de construcción. SiCamLT. Es un Sistema de Capacitación para el Mantenimiento de Líneas de Transmisión de 230 kV y 400 kV. Posee un tutor inteligente que guía, facilita y permite el autoaprendizaje. Fue desarrollado para la Subdirección de Transmisión de la CFE (Romero y Martínez, 2011). 3DMaPPS. El sistema de RV para capacitación en pruebas de puesta a punto y

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Divulgación

mantenimiento de subestaciones, establece el inicio de la incursión en el desarrollo de sistemas inmersivos, lo cual cae dentro de la segunda generación de sistemas descritos en la siguiente sección. Actualmente permite la inmersión visual y se espera que en un futuro cercano se puedan incorporar otros periféricos de RV.

Prospectiva de aplicaciones de RV en el sector eléctrico En el IIE se ha desarrollado el ruteo tecnológico sobre RV en el sector eléctrico, el cual ha sido utilizado como guía durante las diferentes etapas de adopción de la RV (Pérez, 2011). Aquí se muestra una actualización. Dicho ruteo tiene como finalidad el proveer una manera de desarrollar, organizar y presentar información sobre los requerimientos críticos de los sistemas de RV que se necesitan y una línea de tiempo indicando los objetivos parciales que se deben ir cumpliendo. También identifica tecnologías que necesitan ser desarrolladas para cumplir con dichos objetivos y provee información necesaria para combinar diferentes alternativas tecnológicas. Identifica objetivos precisos y ayuda a enfocar recursos en las tecnologías que son necesarias para lograrlos. El enfoque principal del mapa tecnológico aquí propuesto es la capacitación, por ser una de las áreas de mayor aplicación de esta tecnología para maximizar las posibilidades de éxito. Se sugieren tres etapas o generaciones de sistemas de RV en una línea de tiempo. Primera generación de sistemas de RV. La característica principal de estos sistemas

es que sean no inmersivos, para de esta forma disminuir los riesgos de la inversión. Éstos deberán estar en uso máximo dentro del segundo año a partir de la fecha del inicio de su desarrollo. Después habrá un periodo de uso y evaluación, acompañado del desarrollo de otros sistemas del mismo tipo (siete años). Actualmente estamos al final de esta primera generación. Segunda generación de sistema de RV. Su característica principal es que los sistemas podrían integrar una inmersión visual y permitir la interacción con guantes y otros dispositivos. En esta etapa también se pretende incursionar en el desarrollo de sistemas de realidad aumentada, desarrollo de sistema de RV para dispositivos móviles y ambientes colaborativos. Tercera generación de sistemas de RV. En esta generación, los sistemas de RV diversificarán aún más sus aplicaciones, incursionando en áreas tales como planeación, simulación, control remoto, retroalimentación táctil y de fuerza.

Conclusiones Gracias a los avances tecnológicos de los últimos años, la RV ha evolucionado. Se cuenta con novedosos dispositivos y conceptos de interacción, y está disponible en muchas industrias, en especial en la del entretenimiento, la cual ha promovido su uso masivo y por consecuencia la reducción de sus costos. Se observa una tendencia en el desarrollo de aplicaciones de realidad aumentada y realidad virtual colaborativa en red, adaptables de acuerdo con la posición geográfica del usuario, disponibles en diversos dispositivos móviles (smarthphones y tablets),

plataformas (PC, Mac, Linux) y consolas de videojuegos. Por otro lado está la tendencia de disminuir o sustituir el hardware de RV, del tal forma que el usuario, con sus gestos o movimientos, sea el que controle las aplicaciones. La RV ha demostrado ser útil en los procesos de capacitación, diseño y simulación, para contribuir a la toma de decisiones.

Referencias Pérez M., Zabre E., Islas E., 2004. Realidad Virtual: un panorama general. Boletín IIE. Instituto de Investigaciones Eléctricas. Vol. 28, No. 2. Rodríguez G., Salgado M., Galván B., 2005-2011. Búsqueda bibliográfica de hardware, software y aplicaciones de RV, periodo 2005-2011, [en línea], http:// www.iie.org.mx:8080/SitioGTI/Folletos/hw_sw_ app_RV_2005_2011.pdf, [Consulta: agosto 2011]. Ayala G., Pérez R., 2005. Tactile Feedback Glove for Virtual Reality Applications. The 9th World MultiConference on Systemics, Cybernetics and Informatics July 10-13. Orlando, Florida, USA. Salgado M., Bahena R., Gallegos E. Diseño y desarrollo de un engine flexible como plataforma para el desarrollo de sistemas de realidad virtual. VIII Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico, Cuernavaca, Morelos, Noviembre 2010. Maldonado A., Galván B. Búsqueda bibliográfica de aplicaciones de RV en el Sector Energético en otras instituciones, periodo 2005-2011 [en línea], http://www.iie. org.mx:8080/SitioGTI/Folletos/app_RV_en_otras_ insituciones_2005_2011.pdf, [Consulta: agosto 2011]. Vidrio L., Gómez C., Maldonado B. Modelos tridimensionales para el diseño de centrales y apoyo en mantenimiento, [en línea], http://www.iie.org.mx:8080/ SitioGCI/producto05.html, [Consulta: agosto 2011]. Romero J., Martínez R. Sistema de capacitación basado en computadora, multimedia, tutor inteligente y realidad virtual 3D, [en línea], http://www.iie.org.mx:8080/ SitioGS/producto04.html, [Consulta: agosto 2011].

Divulgación Estado actual y prospectiva de aplicaciones de realidad virtual en el sector eléctrico

107

Pérez R. Ruta tecnológica de realidad virtual para el sector eléctrico. Komputer Sapiens, año II, Vol. I. enero-junio 2011. ISSN 2007-0691. Sociedad Mexicana de Inteligencia Artificial. Holm R., Priglinger M. Virtual reality training as a method for interactive and experience based learning. Society of Petroleum Engineers - Intelligent Energy Conference and Exhibition: Intelligent Energy 2008, v 1, p 185-191, 2008. Rovaglio M. T. Virtual reality improves training in process industries: VR surrounds employee with situations and feedback, supporting best practices for safety, maintenance, reliability. InTech, v 58, n 3, 7 pp., April-May 2011. De Sousa M. P. A., et. al. Maintenance and operation of a hydroelectric unit of energy in a power system using virtual reality. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, v 32, n 6, p 599-606, July 2010. Li G., Li F. Hong L. Application of the virtual reality technologies in power systems. Proceedings of the 2010 2nd International Conference on Future Computer and Communication, ICFCC 2010, v 3, p V341-V344, 2010.

ISRAEL GALVÁN BOBADILLA

MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ

[[email protected]]

[[email protected]]

Licenciado en Sistemas Computacionales por la Universidad de Occidente Campus Guasave, Sinaloa en 2000. Maestro en Ciencias Computacionales por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, (ITESM) en 2007. Ingresó al IIE en agosto de 2000 como becario de AIT y posteriormente en 2001 como investigador. Ha participado en proyectos como Sistema de Información Corporativa (SICORP), Sistema de Información Geográfica (SIGER) y Portal de Calidad de PEMEX. Sus áreas de interés son el desarrollo de aplicaciones web, bases de datos y multimedia. Recientemente ha incursionado en el campo de las aplicaciones móviles e inalámbricas.

Licenciado en Computación por la Escuela de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Autónoma de Puebla en 1992. Maestro en Ciencias de la Computación con especialidad en Ingeniería de Software por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) en 1996. Doctor en Ciencias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Universidad de Essex, Inglaterra en 2003. Desde 1992 trabaja en la Gerencia de Tecnologías de la Información. Ha participado en diversos proyectos para el desarrollo de sistemas de información, almacenes de datos, administración del conocimiento y sistemas expertos. Ha liderado el desarrollo de sistemas de realidad virtual y su aplicación en el sector energético. Ha publicado diversos artículos en revistas y congresos locales y del extranjero.

SALVADOR GONZÁLEZ CASTRO [[email protected]] Ingeniero Mecánico Electricista por la  Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1974. Maestro en Ingeniería Eléctrica en 1976, Maestro en Ciencias en 1978 y Doctor en Filosofía por la Universidad Rice de Houston, Texas, Estados Unidos. Ingresó a la División de Sistemas de Potencia del IIE en 1980, donde se desempeñó como investigador, Jefe del Área de Control y Jefe del Departamento de Simulación. Posteriormente incursionó en la industria privada ejerciendo cargos directivos en las empresas Kb/TEL Telecomunicaciones, S.A. de C.V. y Mil/TEL XXI Finsat S.A. de C.V. de 1991 a 1996. A partir de 1997 reingresa al IIE como Director de la División de Sistemas de Control, cargo que desempeña a la fecha.

108

Boletín IIE julio-septiembre-2011 Divulgación

GUSTAVO ARROYO FIGUEROA

ERIC RODRÍGUEZ GALLEGOS

MARCO ANTONIO SALGADO MARTÍNEZ

[[email protected]]

[[email protected]]

[[email protected]]

Ingeniero Industrial Químico y Maestro en Ciencias Químicas por el Instituto de Celaya. Obtuvo su Doctorado en Ciencias Computacionales, en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, (ITESM) Campus Cuernavaca. En 1991 ingresó a la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE y desde 1999 es Gerente de Tecnologías de la Información. Autor de más de 100 publicaciones nacionales e internacionales, editor de memorias de Lecture Notes on Artificial Intelligence de Springer Verlag. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI) desde 1991 y es miembro de la Mesa Directiva de la Sociedad Mexicana de Inteligencia Artificial, IEEE Society Computation y CIGRE.

Ingeniero en Sistemas Computacionales egresado del Instituto Tecnológico de Zacatepec. Ingresó al IIE en 2008, a la Gerencia de Tecnologías de la Información, División Sistemas de Control. Se especializa en sistemas de realidad virtual inmersivos y no inmersivos, modelado 3D de alto y bajo nivel de detalle, animación y texturizado. Ha desarrollado sistemas de realidad virtual no inmersivos para la capacitación de personal en situaciones de alto riesgo en el sector eléctrico. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales. Participó en el desarrollo del sistema ALEn3D de líneas de aéreas de media y baja tensión, ganador del Premio de Innovación Tecnológica de la Comisión Federal de Electricidad.

Ingeniero en Sistemas Computacionales, egresado de la Universidad Morelos de Cuernavaca en 2004. Ha estado involucrado con el Grupo de Realidad Virtual del Instituto de Investigaciones Eléctricas desde ese mismo año. Participó en el desarrollo del Sistema de Adiestramiento en Líneas Energizadas (ALEn3D) y el Sistema para el Mantenimiento de Válvulas. También ha colaborado en el diseño de mejores metodologías y flujo de trabajo enfocado al diseño y desarrollo de software para la capacitación usando realidad virtual. Recientemente desarrolló un motor (engine) de realidad virtual, usando diferentes API, con el cual desarrolló el Sistema de Mantenimiento y Puesta a Punto de Subestaciones (3DMaPPS).

ANDRÉS AYALA GARCÍA

JESÚS VÁZQUEZ BUSTOS [[email protected]]

Ingeniero en Sistemas Computacionales con especialidad en redes y bases de datos por el Instituto Tecnológico de Zacatepec en 2003. Ingresó al IIE como becario en la Gerencia de Tecnologías de la Información ese mismo año, para posteriormente participar en el programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT), trabajando en el diseño y desarrollo del guante de retroalimentación táctil para proyectos de realidad virtual. A inicios de 2004 realizó una estancia de investigación en el Institute of Radio Engineering and Electronics en Pragra, República Checa. Ha participado en diversos proyectos de realidad virtual desarrollados para la Comisión Federal de Electricidad. Actualmente se encuentra estudiando una Maestría en Ciencias de la Computación en la Universidad Western Ontario.

Ingeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de la Laguna en 1994 y Maestro en Ciencias con especialidad en Comunicaciones de Datos y Redes por la Universidad de Sheffield, Inglaterra en 2000. Especialista en redes, comunicaciones y sistemas de cómputo. Ha participado en diversos proyectos en las áreas de electrónica, comunicaciones, y sistemas computacionales en el IIE. Ha diseñado, desarrollado e implantando sistemas de cómputo, interfaces hombre-máquina, y sistemas de adquisición de datos en tiempo real. Sus áreas de investigación e interés son: sistemas de adquisición de datos, ingeniería de software, tecnologías internet, comunicaciones y redes de cómputo.

Tendencia tecnológica Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución

Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución 109

Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución

Benjamín Eddie Zayas Pérez1, Eduardo Islas Pérez1, Jessica Liliana Bahena Rada1, Jesús Romero Lima1, Benjamín Sierra Rodríguez2 y Humberto Moreno Díaz2

Introducción

E

ción de la CFE, desarrolló el Sistema para el Diseño de Subestaciones Eléctricas de Distribución (SiDSED), el cual aprovecha las ventajas de la tecnología CAD3D para el desarrollo de la ingeniería de detalle, ingeniería de costos para el cálculo del presupuesto base y realidad virtual para navegación tridimensional interactiva. Cabe destacar que actualmente, este sistema se encuentra en la etapa de implantación en la Subdirección de Distribución de la CFE.

l diseño físico de subestaciones eléctricas implica una variedad de actividades, tales como elaborar, revisar y efectuar modificaciones de diferentes propuestas de diseño, estimar costos y producir documentos, para integrarlos como parte de un proyecto ejecutivo. Estas actividades usualmente se llevan a cabo en las Divisiones de Distribución de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en dos procesos por separado: elaboración de planos de ingeniería con software para diseño asistido por computadora (CAD, ComputerAided Design) y cálculo de la volumetría para la elaboración del presupuesto base, con hojas de cálculo convencionales. Los documentos se elaboran manualmente y de forma individual, sin existir alguna funcionalidad que permita actualizar automáticamente las modificaciones del diseño en todos los planos, y el correspondiente presupuesto base, resultando un proceso tardado, laborioso y factible de inconsistencia entre los documentos. Con la finalidad de optimizar el proceso de diseño de la obra civil y electromecánica de subestaciones eléctricas (SE) en un ambiente gráfico tridimensional (3D), la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE, en coordinación con la Subdirección de Distribu1

Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).

2

Comisión Federal de Electricidad (CFE).

En este artículo se describen brevemente las etapas principales del desarrollo del proyecto, así como la funcionalidad y los componentes principales del sistema.

Análisis de requerimientos

El SiDSED capitaliza las ventajas de la tecnología CAD, ingeniería de costos y realidad virtual, para optimizar el proceso del diseño de subestaciones eléctricas.

Con la colaboración del personal de las Divisiones de Distribución Norte, Peninsular y Golfo Centro, se analizaron los requerimientos funcionales para el desarrollo de la ingeniería de diseño de la obra civil y electromecánica, ingeniería de costos y visualización 3D interactiva. Dicho análisis permitió determinar el alcance funcional y documentar la especificación del sistema (Zayas et al, 2008), cuyos requerimientos principales se resumen a continuación: Apoyar todas las etapas del proceso de diseño físico de subestaciones eléctricas nuevas de distribución, para una tensión de operación en 115 kV.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Tendencia tecnológica

Subestaciones con arreglos de barras normalizados tipo “H”, anillo, barra principal, barra principal–barra de transferencia. Generar los planos que definan la obra electromecánica y civil, así como calcular la volumetría de la obra, crear el catálogo de conceptos y el presupuesto base con costos unitarios. Permitir la navegación interactiva del diseño de la subestación para efectuar recorridos virtuales; navegar en todas las áreas de la subestación para ver detalles de conectores y componentes (equipos, materiales, herrajes de conexiones, cables, tubos, buses, conexión a tierra, mandos de cuchillas, barda perimetral, caseta de control, cimentaciones, etc.) y medir entre componentes para verificar las distancias normalizadas de seguridad.

Selección de herramientas de software Considerando la información del análisis de requerimientos, se evaluó el software que ofreciera la funcionalidad para soportar el ciclo completo para el diseño de subestaciones, así como asegurar la interoperabilidad y la compatibilidad de los datos entre diferentes herramientas de software, incluyendo la selección de la mejor plataforma de diseño en términos técnicos, costo y tiempo de desarrollo. En esta etapa se aplicó una metodología que consiste en seleccionar un conjunto de criterios o parámetros basados en las características técnicas y propiedades funcionales del software, las cuales son ponderadas de acuerdo a un valor de importancia (Islas et al 2007). Los parámetros principales de evaluación de las tres

herramientas fueron: el grado de cumplimiento de la funcionalidad requerida, la capacidad para el desarrollo de funciones propias por medio de una interfaz de programación de aplicaciones, costo y tipo de licencias, así como compatibilidad de formatos de intercambio de entrada y salida. Primeramente se evaluó el software CAD, debido a que sus características determinaron la selección del software de ingeniería de costos y visualización. En esta actividad se revisó Inventor (Autodesk), Catia (Dassault Systemes), Substation Design (Bentley) y Allplan (Nemetschek). El resultado preliminar sugirió que Autodesk y Nemetschek eran los más apropiados para la ingeniería de diseño (Bahena et al, 2008). Sin embargo, Autodesk requería de varios productos independientes para integrar el sistema y demandaba mayores recursos de memoria y procesamiento gráfico. Finalmente se seleccionó Allplan por ofrecer la funcionalidad integrada, compatibilidad de datos, mejor costo y tipo de licencias, así como para el modelado gráfico 3D de subestaciones, la generación de planos y el cálculo de la volumetría (Molina et al, 2008); se seleccionó Opus para cuantificar el costo de la obra y generar el catálogo de conceptos (Zayas et al, 2008); y NavisWorks para el análisis de la obra mediante recorridos virtuales interactivos y verificar distancias de seguridad (Bahena et al, 2008).

Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución El SiDSED consta de tres módulos para el desarrollo de ingeniería de diseño, ingeniería de costos y visualización, cuya

configuración se muestra en la figura 1. A continuación se describe cada uno de los módulos funcionales y se ejemplifica el flujo de trabajo para el diseño de subestaciones.

Módulo de ingeniería de diseño Aloja la biblioteca de componentes del sistema y ofrece la funcionalidad para el modelado gráfico 3D, el diseño del sitio de construcción, configuración de la subestación, elaboración de planos, cálculo de volumetría y exportación de la maqueta virtual.

Biblioteca de modelos 3D Con información y datos de planos de ingeniería, catálogos, manuales y levantamientos físicos se creó una biblioteca de modelos de equipos primarios, comunicación y control, estructuras, cimentaciones, edificaciones, materiales, subestaciones GIS y equipos híbridos en 115 kV. Los modelos se crearon conforme a la normativa de la CFE, y están organizados y agrupados jerárquicamente en elementos individuales, símbolos, módulos y definiciones de elementos constructivos.

Elementos individuales En esta categoría se encuentran modelos de equipos, estructuras (soporte de transición, percha de remate tipo A, etc.), materiales (conectores, cadena de aisladores, etc.), registros, edificaciones y cimentaciones en su representación básica. Los elementos individuales se agrupan en macros para asignarles una clave de concepto y para el cálculo de volumetría. La figura 2-a muestra ejemplos de elementos individuales.

Tendencia tecnológica Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución

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Símbolos Son “ensambles” de elementos individuales que están agrupados de acuerdo a su operación funcional y constructiva. Por ejemplo, un transformador de potencia está “ensamblado” a la percha de transición, a la conexión de la red de tierras y a su respectiva cimentación, y el interruptor de potencia tipo tanque muerto a su cimentación, como se muestra en la figura 2-b.

Módulos Figura 1. Configuración del Sistema para el Diseño de Subestaciones Eléctricas de Distribución.

Son agrupaciones para la configuración de arreglos físicos normalizados de subestaciones, e incluyen los módulos de línea, enlace y banco de transformación, caseta de control, red de tierras, buses aéreos, ductos y registros de control y de potencia, así como la barda perimetral y pisos terminados (figura 2-c).

Elementos constructivos c)

b)

a)

Figura 2. Estructura jerárquica de la biblioteca de modelos.

Un elemento constructivo es un modelo 3D con características asociadas de forma, dimensiones, representación, posición, materiales, etc. Con éstos se construyen componentes que tienen características variables, tales como muros, ductos, castillos y cables. Por ejemplo, para crear una barda de block con altura de 3 m y 20 cm de ancho, se traza una trayectoria en la vista de planta y se construye en forma dinámica. En la figura 3 se muestra el trazo de la barda perimetral, red de tierras, ductos y pisos terminados. Con la configuración modular se puede diseñar fácilmente una subestación eléctrica utilizando diferentes niveles de agrupación predefinidos, con la versatilidad de

112

Boletín IIE julio-septiembre-2011 Tendencia tecnológica

que éstos pueden ser modificados para un diseño en particular. Actualmente, la biblioteca aloja 151 modelos, 20 símbolos y 10 módulos. El contenido incluye modelos para subestaciones encapsuladas para 115 y 230 kV, así como equipos híbridos (arreglos híbridos compactos de desconexión) para 115 kV y equipos para subestaciones de 230 kV (figura  4). El contenido de la biblioteca puede incrementarse con otro tipo y marcas de equipos, con modelos desarrollados por el personal de las Divisiones de Distribución y los entregados por los fabricantes de equipos.

Figura 3. Ejemplo de elementos constructivos: barda perimetral, red de tierras, ductos y pisos terminados.

Diseño del sitio de construcción El flujo de trabajo para el diseño de una subestación inicia con el diseño del sitio de construcción. Basado en datos topográficos de estaciones totales y archivos de planos de curvas de nivel con altimetría en formato dwg, se obtiene la poligonal del área de construcción y el modelo digital del terreno. Con esta información se pueden analizar perfiles, curvas de nivel y calcular el volumen de movimiento de tierra de desmonte y terraplén (figura 5).

Configuración de una subestación Posteriormente, tomando como referencia la poligonal del terreno, se construye la barda perimetral con todos sus elementos civiles y de protección, tales como: muros, cimentaciones, castillos, dalas y concertina. Se insertan los portones con relación a las vialidades de acceso determinadas por el diseño del sitio. Una vez que se ha delimitado el área de la subestación se insertan los módulos

Figura 4. La biblioteca de modelos incluye subestaciones encapsuladas de 115 y 230 kV, así como equipos híbridos para 115 kV y transformadores para 230 kV.

de la bahía eléctrica, caseta de control y el resto de elementos civiles y electromecánicos. Si es necesario, se ajustan las distancias y reconfiguran los elementos, se diseña la red de tierras, los ductos y se insertan los registros. Finalmente se diseñan los diferentes tipos de pisos (vialidades, bahía eléctrica, banquetas, etc.). También se pueden incluir futuras ampliaciones de la subestación en la maqueta virtual, con la finalidad de visualizar el diseño de la ampliación y dimensionar costo y planes de construcción. La figura 6 muestra ejemplos de diseño de subestaciones.

Tendencia tecnológica Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución

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Figura 5. Modelo digital del terreno y perfil para el cálculo de movimiento de tierra de desmonte y terraplén.

Figura 6. Diseño de la subestación La Reyna en bajo perfil barra principal y subestación rural Tlacotalpan, de la División de Distribución Oriente (Departamento de Proyectos y Construcción, 2011).

Elaboración de planos Una vez que se cuenta con el modelo de la subestación (anteproyecto), se generan los planos del diseño, los cuales mantienen una relación con la maqueta digital, de tal manera que cualquier modificación en el modelo se refleja en los planos, asegurando la consistencia entre el diseño 3D y su documentación. La figura 7 muestra el diseño preliminar y los planos de una subestación eléctrica.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Tendencia tecnológica

Módulo de ingeniería de costos Cada modelo de la biblioteca cuenta con una clave de concepto que establece una relación modelo-precio unitario, para el cálculo del costo de la obra. El precio unitario está determinado a través del análisis de una tarjeta de precios en un catálogo de conceptos, con el software de ingeniería de costos. En este proceso, Allplan calcula la volumetría de todos los elementos y exporta los valores con sus respectivas unidades de medición (pieza, m, m2, m3); el software de ingeniería de costos OPUS importa los valores y los asocia a sus respectivos conceptos con precios unitarios y cantidades, para calcular el costo (figura 8). De esta manera se pueden obtener fácilmente presupuestos base de diferentes opciones de diseño, a la vez que se asegura la consistencia entre el modelo de la subestación, los planos de diseño y el catálogo de conceptos.

Módulo de visualización Aunque las herramientas CAD permiten visualizar el modelo de la subestación mediante recorridos a través de la maqueta digital, éstos se llevan a cabo a lo largo de una trayectoria fija, sin permitir la libertad

Figura 7. Los planos del diseño se generan del modelo de la subestación. Subestación La Reyna de la División de Distribución Oriente (Departamento de Proyectos y Construcción, 2011). de visualizar un punto específico. Para este propósito se exporta la maqueta digital a un formato geométrico, el cual puede ser interpretado por un software de navegación interactiva. Con esta herramienta, el diseñador puede explorar la subestación desde cualquier perspectiva, medir distancias, agregar notas, visualizar cortes trasversales o longitudinales, observar detalles y crear animaciones sencillas del proceso de construcción. Esta funcionalidad facilita el compartir información durante el proceso de diseño para diferentes propósitos, tales como: identificar errores de

diseño antes de la etapa de construcción, revisión del anteproyecto, aprobación del proyecto y demostración de la subestación eléctrica con distintas autoridades y contratistas (figura 9).

Conclusiones El SiDSED capitaliza las ventajas de la tecnología CAD, ingeniería de costos y realidad virtual, para optimizar el proceso del diseño de subestaciones eléctricas. Además, ofrece ventajas funcionales que facilitan el proceso de diseño y propor-

Figura 8. La volumetría del modelo se exporta al software de ingeniería de costos para el cálculo de presupuestos.

Tendencia tecnológica Sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución

Aunque el SiDSED está orientado al diseño de subestaciones de distribución, por su metodología y estructura también se puede utilizar para el diseño de subestaciones de transmisión, proyectos de arquitectura (edificios, oficinas, naves industriales) y otro tipo de edificaciones.

Referencias Zayas, B., Molina Marín, M., Uriostegui, C., & Islas Pérez, E. (2008). Reporte Técnico IIE/GSP/13417/ RT/001/P Especificación de requerimientos del sistema para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución. Cuernavaca, Morelos: IIE.

Figura 9. Imágenes renderizadas para visualización de subestaciones.

ciona información valiosa para la toma oportuna de decisiones. Este sistema está dirigido particularmente a promover la estandarización de procedimientos para el diseño de subestaciones en las Divisiones de Distribución de la CFE, facilitar el análisis eficaz de alternativas de diseño, y reducir tiempo y esfuerzo para elaborar la documentación que conforma las bases de licitación. Durante 2011 se implantará el SiDSED en las 16 Divisiones de Distribución, con lo que se estima una reducción de tiempo para el diseño de subestaciones de seis a cuatro semanas a corto plazo, y una reducción a dos semanas a largo plazo. Esta mejora representa un ahorro de aproximadamente 42 millones de pesos anuales por concepto de mano de obra.

Islas, E., Pérez, M., Zayas, B., & Beltrán, R. (2007). Evaluation methodology for selecting virtual reality hardware tools. 5th International Conference on Computing, Communications and Control Technologies: CCCT 2007. Orlando, Florida: CCCT. Bahena, J., Zayas, B., Molina, M., & Islas Pérez, E. (2008). Reporte Técnico IIE/GSP/13417/RT/02/P Evaluación de herramientas CAD para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución. Cuernavaca, Morelos: IIE. Molina, M., Islas Pérez, & E. Zayas, B. (2008). Reporte Técnico IIE/GSP/13417/RT/07/P Estudio de factibilidad técnica para el diseño de subestaciones eléctricas de distribución. Cuernavaca, Morelos: IIE. Zayas, B., Uriostegui, C., & Islas Pérez, E. (2008). Reporte Técnico IIE/GSP/13417/RT/04/P Selección de software para el desarrollo de la ingeniería de costos y precios unitarios en el diseño de subestaciones. Cuernavaca, Morelos: IIE. Bahena, J., Zayas, B., Molina, M., & Islas Pérez, E. (2008). Reporte Técnico IIE/GSP/13417/RT/03/P Evaluación de software de navegación tridimensional. Cuernavaca, Morelos: IIE. Departamento de Proyectos y Construcción, Oficina de Proyectos, División de Distribución Oriente (2011). Diseño de Subestaciones de Distribución. Jalapa, Veracruz, México, 2011.

115

Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo en el desarrollo de este trabajo a: CFE: Juventino Andrés Flores Jesús Ortega Torres Manuel Mota Morales Jesús Baeza Orozco Cornelio Canul Hau Javier Barbosa Castro José A. Huerta Gómez Tito Ramos Durán Jesús Luna Trejo Edson Alán Corral Canales Nicolás Rodríguez López Francisco del Moral Nadal IIE: Martha Abraham Romero Mirna Molina Marín Camelia Uriostegui Arellano Daniel de la Torre y Torres Ecosoft: Fernando Hernández Morales adm Proyectos: Kristabel Carranza David Solórzano Avilés

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Tendencia tecnológica

BENJAMÍN EDDIE ZÁYAS PÉREZ

EDUARDO ISLAS PÉREZ

[[email protected]]

[[email protected]]

Licenciado en Ciencias de la Computación por la Universidad Autónoma de Puebla en 1990. En 1995 obtuvo el grado de Maestro en Sistemas Computacionales Centrados en el Humano y en el 2005 el Doctorado en Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación, ambos grados en la Escuela de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Sussex, Inglaterra. Desde 1990 ha sido investigador del IIE y es miembro del IEEE.

Ingeniero Industrial en Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Pachuca en 1992, Maestro en Ciencias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Facultad de Física de la Universidad Veracruzana y el Laboratorio de Informática Avanzada en 2000, año en el que realizó una estancia en la Universidad de Auburn en Alabama, para el desarrollo de su tesis de maestría. Ingresó a la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE en 1994.

JESSICA LILIANA BAHENA RADA Licenciada en Informática con especialidad en Redes de Computadoras por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) en 2006. Ingresó al IIE en 2007, donde ha participado en el desarrollo de proyectos para el sector eléctrico relacionados con el uso de ambientes tridimensionales y herramientas CAD en la Gerencia de Supervisión de Procesos.

Artículo técnico Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líE neas de la red de distribución, ALEn3D 117

Sistema para la capacitación y entrenamiento para el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

Israel Galván Bobadilla1, Miguel Pérez Ramírez1, Andrés Ayala García1, Jaime Javier Muñoz Román1, Eric Rodríguez Gallegos1, Marco Antonio Salgado Martínez1 y Benjamín Sierra Rodríguez2

Resumen

Introducción

l mantenimiento en líneas energizadas es una actividad compleja y con muchos riesgos inherentes, por lo que la capacitación del personal en esta área es una prioridad para las empresas de energía eléctrica. Este artículo presenta un sistema de capacitación basado en realidad virtual desarrollado para la Comisión Federal de Electricidad (CFE), denominado ALEn3D, el cual permite a los técnicos de mantenimiento capacitarse en ambientes 3D interactivos libres de riesgos, para posteriormente usar esos conocimientos en una instalación real. El trabajo fue validado por expertos electricistas, por lo tanto, el sistema es un acervo de conocimientos y mejores prácticas del mantenimiento a líneas de distribución. ALEn3D fue diseñado como una herramienta de auto capacitación para adultos, por lo que se incluyeron aspectos de usabilidad y e-learning que facilitan el aprendizaje y automatizan el seguimiento del estudiante. El sistema puede ser ejecutado en una computadora personal y es utilizado en las 16 divisiones de distribución de la CFE, su costo es bajo, está optimizado y es fácil de usar.

Las líneas de distribución son una parte importante del Sistema Eléctrico Nacional, ya que se encargan de transportar la energía eléctrica a grandes distancias para hacerla llegar a industrias, poblaciones y ciudades enteras. Una falla puede representar grandes pérdidas para las compañías de electricidad, las empresas y los usuarios finales. Es por ello que anualmente, la CFE realiza un plan de mantenimiento para todas sus instalaciones de la red de distribución, a fin de conservar en buenas condiciones las líneas y garantizar con ello el correcto suministro de energía eléctrica. Dicho plan es ejecutado por técnicos electricistas llamados “linieros”, los cuales realizan maniobras de inspección, mantenimiento y restauración de líneas durante contingencias.

1

Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).

2

Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Necesidades de la CFE

ALEn3D fue diseñado como una herramienta de autocapacitación para adultos, por lo que se incluyeron aspectos de usabilidad y e-learning que facilitan el aprendizaje y automatizan el seguimiento del estudiante.

Muchas de las actividades antes mencionadas son consideradas de alto riesgo, en especial las que son realizadas en altura o en espacios confinados y sobre líneas energizadas. Un simple error puede ser fatal para el personal, además de generar salidas de operación de las líneas. Por tal motivo, los linieros deben estar bien capacitados, a fin de reducir riesgos y evitar daños a equipos y personas.

118

Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo técnico

En el esquema tradicional de capacitación, el entrenamiento de nuevos linieros lo realiza un liniero experimentado, quien actúa como un tutor que transmite sus conocimientos mediante el ejemplo. El nuevo personal aprende la teoría mediante cursos presentados con diapositivas y la lectura de los reglamentos de seguridad impresos, posteriormente es integrado a un grupo de trabajo en donde inicialmente participa en tareas sencillas como inspección y limpieza del área de trabajo, selección, preparación y entrega de herramientas al personal que trabaja en la altura, para después aprender a realizar el ascenso en distintas estructuras y actuar como observador durante la ejecución de maniobras. Gradualmente, el instructor (liniero encargado) asigna a su aprendiz actividades de mayor grado de dificultad y riesgo, hasta que logre tener las habilidades necesarias para trabajar en líneas energizadas.

donde apenas adquiere habilidades. La autocapacitación utilizando computadoras tiene la ventaja de ser segura tanto para el personal como para el equipo, además, este tipo de sistemas ofrecen al alumno la oportunidad de exponerse a una serie de escenarios y condiciones excepcionales, las cuales difícilmente podrían reproducirse (Garant, 1995).

Motivación

Con base en lo anterior se desarrolló el sistema de realidad virtual para la capacitación en el mantenimiento a líneas energizadas, llamado de aquí en adelante ALEn3D, el cual fue concebido como un sistema con el que los nuevos linieros se capacitan de forma segura, para posteriormente usar esos conocimientos en una instalación real.

Algunos de los inconvenientes identificados en el esquema tradicional de capacitación son: Implica que los alumnos conozcan la teoría mediante la lectura en papel, lo cual resulta monótono, poco descriptivo e ineficaz para el aprendizaje; en muchas ocasiones la información está dispersa y no tiene relación directa sobre el mantenimiento. Con un sistema de capacitación multimedia basado en RV, el adiestramiento puede ser más eficiente, al ofrecer una experiencia de usuario más impactante y atractiva. Por un lado, el aprendizaje es reforzado mediante la práctica en campo, lo cual resulta ser riesgoso en etapas tempranas

Por otra parte, la práctica en campo está sujeta a las necesidades de mantenimiento de las líneas, por ejemplo, en zonas con una baja presencia de tormentas eléctricas, puede pasar mucho tiempo para que se presente la oportunidad de que un técnico aprendiz conozca en la realidad el procedimiento para realizar la instalación de un apartarrayos. En cambio, con el sistema de capacitación, los alumnos pueden conocer en cualquier momento la ejecución de una maniobra, sin que ésta se lleve a cabo en la realidad en su zona de trabajo.

Mantenimiento a líneas de distribución El trabajo de mantenimiento en instalaciones eléctricas usualmente debe ser realizado sin interrumpir el suministro eléctrico, por tal motivo es necesario recurrir a técnicas de mantenimiento en línea viva realizadas por humanos (llamadas

“maniobras”), no obstante, estas técnicas pueden incrementar el número de accidentes causados por una descarga eléctrica, ya que los linieros se encuentran expuestos a muchos riesgos, como la necesidad de ascender a estructuras muy altas y en zonas de difícil acceso, distancias de seguridad que respetar, espacios de trabajo reducidos con poca ventilación susceptibles a una inundación, y la presencia de gases tóxicos, entre otros. Los pasos necesarios para realizar las maniobras varían en función de cuatro factores principales: 1. El tipo y configuración de las instalaciones. 2. La técnica de mantenimiento que domina el técnico. 3. El equipo de ascenso/descenso disponible. 4. Herramientas de trabajo disponibles. El sistema ALEn3D tiene como finalidad ofrecer a los nuevos técnicos, una herramienta para aprender la metodología y normatividad relacionada al mantenimiento en un mismo sistema, bajo un ambiente libre de riesgos (figura 1).

Diseño y construccion del sistema ALEn3D El ALEn3D fue concebido como una herramienta de formación continua y reciclaje de conocimientos, ya que en éste se alojan las mejores prácticas y registro de experiencias, las cuales permanecen en la empresa aun cuando sus empleados se jubilan. ALEn3D tiene como objetivo contribuir en la reducción de los riesgos labo-

Artículo técnico Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

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Esta arquitectura permite que el sistema sea flexible y extensible, de tal manera que en el futuro se pueden añadir nuevas maniobras a su base de datos y repositorio de recursos multimedia.

Proceso de desarrollo Figura 1. Diferentes técnicas de mantenimiento.

El desarrollo del sistema ALEn3D fue realizado en cuatro etapas.

Etapa 1: Definición

Figura 2. Arquitectura del sistema.

rales que derivan de este tipo de trabajos, además de incrementar la calidad y eficacia en el mantenimiento a líneas energizadas.

Arquitectura Uno de los principales requerimientos fue que el sistema de capacitación fuera económico y fácil de implementar, y para lograrlo, fue desarrollado como una variante de escritorio o no inmersiva de la RV (Pérez, 2004), capaz de ejecutarse en una computadora personal (PC) con características de rendimiento relativamente medianas, que permitiera reproducir elementos 3D interactivos con un nivel de calidad aceptable. Para lograr esto se diseñó la arquitectura que se muestra en la figura 2.

El sistema ALEn3D es una aplicación de escritorio, la cual lleva el control de los elementos multimedia (texto, audio, escenas 3D) que deben ser presentados, de acuerdo a la secuencia de pasos indicados en la base de datos de maniobras. Esta aplicación registra además, en forma local y remota, el progreso del alumno en el aprendizaje de las maniobras, mediante estadísticas como la última fecha de acceso al sistema, los pasos revisados, los errores cometidos, etc. El administrador de cursos es una aplicación web que permite a los instructores crear cursos, dar de alta alumnos, crear exámenes teóricos y monitorear el progreso en el aprendizaje de maniobras.

Aquí se forma un grupo de especialistas compuesto por expertos de diversas partes del país, los cuales definen qué maniobras deben ser incluidas en el sistema y documentan de manera colegiada, la secuencia de pasos y mejores prácticas para desarrollar en forma segura cada una de ellas. Además, este grupo se encarga de validar el avance del proyecto en sus distintas fases de desarrollo. En esta etapa también se recopila información relacionada con las maniobras como videos, planos, manuales de fabricantes, normas y procedimientos de seguridad asociados. También se videograban y miden las herramientas, materiales y equipo.

Etapa 2: Diseño Aquí se especifica la forma en que las maniobras serán representadas en el ambiente virtual; se diseñan las interfaces de usuario, se dibujan a escala y en tres dimensiones las herramientas, materiales y equipos, así como las instalaciones y personajes que aparecerán en las escenas. Los elementos 3D son modelados con 3DsMax, y coloreados con técnicas avanzadas de iluminación y texturizado para darle una apariencia más realista.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo técnico

En esta etapa se optimizan los modelos para que tengan la menor cantidad de polígonos posibles sin afectar su calidad, y cuando es posible se usan texturas en lugar de modelos, lo anterior se hace con la finalidad de reducir el tamaño de espacio en disco requerido por la aplicación, además de mejorar el rendimiento del sistema a la hora de desplegarse en el equipo de cómputo del usuario final (figura 3). Un reto importante fue la representación de la figura humana - comúnmente llamado avatar (Fu, 2008)- , para ello, el rostro fue creado mediante modelado orgánico (Steed, 2005), lo que permitió, por un lado, usar la menor cantidad de polígonos posibles, pero por otro, obtener figuras de buena calidad, muy parecidas al rostro de los trabajadores, además de personalizar las escenas para que el alumno se sintiera más identificado con el sistema.

El cuerpo del técnico fue creado mediante la técnica box modeling (Derakhshani, 2007) y aplicado a un sistema de huesos, para posteriormente crear distintas poses del liniero de una manera rápida y sencilla.

Etapa 3: Construcción Ésta incluye la creación de animación e interactividad, audio y guion de la maniobra. En esta etapa se desarrolla la capacidad de interactuar con el usuario y para generar sonidos. El guion describe la interacción entre el usuario y el entorno virtual, en otras palabras, describe las acciones requeridas por el usuario para completar la maniobra. La interactividad de los escenarios virtuales 3D fue desarrollada con la herramienta Cult3D, versión 2005. Esta herramienta define los clics válidos para ejecutar una animación, el tipo de navegación permitida (vistas predefinidas, acercar o alejar, la manipulación de objetos), y la selección de objetos

Figura 3. Modelado de equipos e instalaciones a escala.

en el menú de herramientas, materiales, equipos. La interfaz del ALEn3D se desarrolló utilizando conceptos de usabilidad (figuras 4 y 5).

Etapa 4: Implantación Es la última etapa y en ella se incluye la instalación del sistema administrador de cursos en los servidores divisionales de la CFE, la entrega del sistema ALEn3D, la capacitación sobre el uso del sistema y la transferencia tecnológica.

Características principales Almacén virtual Este sistema incluye un almacén virtual de equipos, herramientas y materiales, el cual sirve para familiarizarse con los equipos necesarios en el desarrollo de maniobras, sin necesidad de visitar el almacén, ahorrando tiempo en el aprendizaje.

Figura 4. Representación de linieros en escenas 3D.

Artículo técnico Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

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Figura 5. Ejemplo de modelos 3D incluidos en el sistema ALEn3D.

Figura 6. Catálogo de herramientas.

Figura 7. Interfaz de ejecución de la maniobra.

La visualización de las piezas es interactiva, el usuario puede girar, acercar o alejar los modelos según lo desee y con ello apreciar a detalle cada una de las partes que los componen (figura 6).

La interfaz de ejecución de maniobra (figura  7) está divida en tres zonas principales: (1) información del paso a ejecutar, (2) el menú de herramientas, (3) el escenario virtual. Ésta es el área de trabajo donde los usuarios interactúan con el sistema de capacitación, los elementos 3D funcionan como objetos sensibles al ratón que indican al usuario cuáles áreas son válidas para hacer clic en el paso actual. Los clics válidos activan animaciones 3D que muestran la forma en que deben instalarse los materiales, la manera de operar los equipos y la ubicación en donde deben situarse los linieros.

acercando o alejando la cámara para tener mejores ángulos y apreciar mejor el trabajo que debe realizar.

Junto al modelo 3D se presenta una breve descripción de su uso y características técnicas, por ejemplo: sus dimensiones, el peso y voltaje que soportan. Dado que el sistema es utilizado en todo México, fue necesario estandarizar los nombres de los equipos de acuerdo al nombre oficial provisto por el fabricante, a fin de evitar el uso de una gran variedad de nombres para referirse al mismo equipo.

Escenarios 3D interactivos por maniobra El sistema de realidad virtual diseñado por el IIE enseña paso a paso el desarrollo de diferentes maniobras, mediante escenarios tridimensionales interactivos que apoyados en objetivos, información e instrucciones, facilitan el autoaprendizaje. También incluye consejos, tips y mejores prácticas de expertos, apegados a las nomas de Seguridad e Higiene de la CFE.

La calidad de las animaciones fue estrictamente revisada por técnicos especialistas, y en aquellos pasos donde se trabaja con líneas energizadas, se tomó ventaja del hecho de que con la realidad virtual se pueden mostrar escenarios que en la realidad sería imposibles de representar (por ejemplo, romper las distancias de seguridad permitidas) y se hicieron tomas cercanas que permiten ver con un alto nivel de detalle, la forma de operar de los equipos (figura 8). En algunas escenas, el usuario puede navegar a través de la imagen girando,

Al pasar el ratón sobre las herramientas, éstas despliegan en una etiqueta el nombre del equipo, lo cual ayuda a memorizarse su nombre. El audio también se usa en esta sección, para dar más realismo a las escenas. Se incluyeron sonidos ambientales como el zumbido generado al momento de romper el arco eléctrico, los sonidos producidos por las herramientas y las grúas. El sistema incluye, además, sonidos de acierto (beep) y error (bang) para llamar la atención del usuario y mantenerlo alerta, además de informarle si va haciendo bien su trabajo. Por otro lado, el texto de esta sección es narrado en audio, lo cual es útil para aquellos alumnos que prefieran escuchar en lugar de leer (aprendizaje auditivo). Opcionalmente, el usuario puede ajustar el volumen, habilitar o deshabilitar el sonido, y reproducir la lectura del paso cuantas veces quiera, mediante el control de audio incluido.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo técnico

Figura 8. Toma cercana libre de riesgos. No obstante que la versión actual del ALEn3D no soporta el uso de dispositivos avanzados de RV (como guantes de retroalimentación táctil o gafas con visión estereoscópica), las pistas visuales y auditivas que se ofrecen funcionan de manera efectiva para informarle al usuario sobre el resultado de sus acciones, dentro del escenario virtual.

Sistema de seguimiento del progreso de aprendizaje Los responsables de la capacitación pueden dar seguimiento al proceso de aprendizaje por alumno, zona y división, conocer el detalle del lugar y fecha de los cursos impartidos, así como las maniobras presentadas, a los instructores y los alumnos participantes.

Evaluación práctica y teórica Realizando una evaluación práctica, el sistema registra los errores cometidos por el alumno durante la ejecución de una maniobra, por ejemplo: seleccionar incorrectamente una herramienta, dar clic en una región inválida, entre otros. Asimismo, los instructores diseñan exámenes electrónicos

Figura 9. Aprendizaje de maniobras usando ALEn3D. de opción múltiple a partir de una base de preguntas, para aplicarlos a los alumnos y evaluar sus conocimientos teóricos.

resultados En los últimos siete años, el IIE ha desarrollado tres proyectos con la plataforma ALEn3D, los cuales están instalados a nivel nacional en las 16 divisiones de distribución de la CFE, donde se usan como herramienta de apoyo para que los técnicos instructores capaciten al personal de nuevo ingreso (figura 9).

ALEn3D media tensión Proyecto ganador del premio Innova 2008. Incluye 43 maniobras de mantenimiento a líneas aéreas de media tensión (figura 10), las cuales están agrupadas por maniobras en canastilla, en plataforma y especiales (tabla 1).

ALEn3D alta tensión Incluye 31 maniobras de mantenimiento a líneas aéreas de alta tensión en 115 kV

(figura 11), agrupadas por técnica de mantenimiento con pértigas, técnica de mano desnuda y maniobras especiales. (tabla 2).

ALEn3D de líneas subterráneas Incluye 44 maniobras de mantenimiento a líneas subterráneas, agrupadas alta tensión, media tensión y baja tensión (tabla 3). ALEn3D subterráneas cuenta con diversos escenarios virtuales donde se pueden apreciar redes de 200 y 600A, transformadores trifásicos y monofásicos, seccionadores tipo pedestal y sumergibles, transiciones aéreas-subterráneas, pozos de visita de media y alta tensión, muretes, registros de baja tensión, terminales y empalmes de alta tensión, entre otros.

Beneficios identificados Algunos de los beneficios que se han identificado son: a) El proceso de capacitación en líneas energizadas se ha modernizado y mejorado, dado que se presentan

Artículo técnico Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

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Tabla 1. Resumen de maniobras del sistema ALEn3D de media tensión. Cantidad 3

Cambio de aisladores De suspensión y tipo alfiler

3

Cambio de corto circuito fusible En estructuras TS30/RD3 y 1TR2B

10

Cambio de estructuras con canastilla o plataforma AD30/RD3, TS30/RD3, CT10/CT2, AP30, PS30, RD30/RD3, VS30/RD3 Cambio de postes PS30, DS30 Conversión de estructuras AD30 a TS30, AD30 a VS30, TS30 a AD30, etc. Instalación de cuchillas En AD30 con 2 canastillas o 2 plataformas Instalación de estribos En TS30 con canastilla o plataforma Especiales Cambio de apartarrayos Cambio de cruceta Cambio de remate preformado Cambio de una cadena de aisladores Conexión de cuchillas de operación en grupo Falla de línea caída en media tensión Instalación de equipo de puesta a tierra Instalación de transformador de distribución Instalación de un empalme tubular Reposición de un fusible en un ramal Rescate de liniero accidentado

2 10 2 2 11

Figura 10. Maniobras de mantenimiento a líneas de media tensión en diversos ambientes virtuales.

43

Figura 11 Maniobras de mantenimiento a líneas de alta tensión en diversos ambientes virtuales.

Tipo de maniobra

Maniobras totales

elementos multimedia que atraen la atención y mejoran la experiencia de aprendizaje de los alumnos. b) El uso de este sistema también ha permitido ahorrar costos en viáticos y transportación asociados a la capacitación, ya que los técnicos pueden aprender desde una PC, sin necesidad de trasladarse a centros especializados ubicados en zonas geográficas remotas. c) Se ha contribuido a reducir accidentes durante y después de la capacitación. d) Dado que en la etapa de especificación del sistema, las maniobras fueron diseñadas en conceso por un grupo nacional de expertos, se ha contri-

buido a la normalización y estandarización de procedimientos de mantenimiento a líneas energizadas. e) El ALEn3D se ha convertido en repositorio de mejores prácticas y registro de experiencias que permanecen en la empresa, aun cuando sus empleados se jubilan. f) Gracias a su tecnología escalable, el ALEn3D puede ser ligado como otros sistemas que asisten al operador, a fin de mostrarle visualmente cómo pueden llevarse acabo ciertas actividades y con base en ello asesorar al personal de campo, sobre la ejecución de ciertas maniobras.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo técnico

Tabla 2. Resumen de maniobras del sistema ALEn3D de alta tensión. Cantidad Tipo de maniobra 15 Cambio de aislamiento (vidrio, porcelana, sintético) 12 - Con pértiga 3 - Procedimiento mano desnuda 9 Cambio de accesorios y estructuras 2 - Apartarrayos tipo Alea 2 - Conector a compresión 2 - Sustitución de amortiguador 1 - Sustitución de poste de madera 1 - Sustitución de estructura IS 1 - Sustitución de cola de rata en cable de guarda 7 Maniobras especiales 2 - Rescate de liniero accidentado 1 - Apertura y cierre de puentes en subestación 1 - Elevación de crucetas en estructuras IS 2 - Lavado de aislamiento 1 - Medición al sistema de tierras 31 Maniobras totales

Se espera que al contar con técnicos bien capacitados, se incremente la calidad y eficacia en el mantenimiento a líneas y por consecuencia mejorar los índices de disponibilidad de las instalaciones de distribución.

Conclusiones En este artículo se ha presentado la arquitectura del sistema de capacitación de linieros en el mantenimiento a líneas energizadas basado en realidad virtual no inmersiva, su proceso de desarrollo y sus características principales.

Tabla 3. Resumen de maniobras del sistema ALEn3D de líneas subterráneas. Cant. 4

4

27

5

4

44

Tipo de maniobra Cambio de equipos por mantenimiento 1 - Seccionador de pedestal 1 - Transformador trifásico de pedestal 1 - Transformador monofásico de pedestal 1 - Transformador monofásico sumergible Inspección y detección de puntos calientes 2 - Detección de puntos calientes en empalmes y terminales de AT 2 - Inspección a pozo de visita de AT, mantenimiento preventivo a empalme AT en muerto Cambio de accesorios y reposición de niveles: 5 - Terminales de 200 y 600 A (termo-contráctil, en frío y pre-moldeada) 6 - Empalmes rectos de 200 y 600 A (termo-contráctil, en frío y pre-moldeada) 4 - Boquillas (de extensión 600, doble inserto, reductora 600/200, tipo inserto) 2 - Apartarrayos (tipo boquilla estacionaria y tipo codo) 3 - Conectadores tipo codo (sencillo de 200, portafusible de 200, tipo T de 600) 1 - Tapón aislado de 600 1 - Conector tipo unión de 600 1 - Conectador múltiple de media tensión 2 - Fusibles (de rango completo en transformador trifásico 300kva y limitador de corriente en transformador monofásico) 2 - Reposición de niveles de aceite y gas en seccionadores Maniobras correctivas 2 - Cambio de empalmes de AT por falla (pre-moldeado y termo-contráctil) 1 - Cambio de terminal contráctil en frío de AT por falla 1 - Localización de falla en baja tensión (en acometida o secundario) 1 - Cambio de conectador múltiple de baja tensión de 600 V en fase en vivo Actividades variadas 1 - Rescate de liniero accidentado en pozo de visita 1 - Cambio de posición de cambiador de derivaciones (TAPS) en T1F 1 - Maniobra de seccionamiento en T1F configuración en anillo 1 - Maniobra de seccionamiento en seccionadores configuración en anillo Maniobras totales

En muchas ocasiones, el trabajo de mantenimiento a líneas de distribución se debe llevar a cabo sin interrupciones en el suministro eléctrico, por lo que se tienen que realizar maniobras en línea viva, incrementando el riesgo de accidentes por descargas eléc-

tricas, por tal motivo, es importante que los técnicos electricistas estén bien capacitados. El sistema propuesto provee a la CFE una herramienta de capacitación de bajo costo y fácil de usar, que contribuye a garantizar

Artículo técnico Sistema para la capacitación y entrenamiento en el mantenimiento de líneas de la red de distribución, ALEn3D

la seguridad del personal y los equipos durante las etapas de entrenamiento. Dicho sistema ha sido adoptado como una alternativa para modernizar y mejorar el esquema de entrenamiento tradicional de la empresa, además de ser una herramienta de apoyo en la certificación de conocimientos y habilidades del personal operativo de las líneas de distribución. El sistema ALEn3D ha recibido reconocimientos por su grado de innovación como herramienta de apoyo a la seguridad y la capacitación.

Agradecimientos Agradecemos a los ingenieros José del Razo Contreras y Jorge Gutiérrez Requejo de la CFE; al Dr. Salvador González Castro y al Dr. Gustavo Arroyo Figueroa del IIE, que impulsaron la ejecución de estos proyectos. También agradecemos a los coordinadores técnicos del proyecto por parte de la CFE: Ing. Feliciano Ochoa Sosa e Ing. Víctor Manuel López Ortiz. Agradecemos además a los linieros e ingenieros participantes de las distintas Divisiones de Distribución de la CFE: Oriente, Norte, Golfo Norte, Centro Sur, Centro Occidente, Centro Oriente y Peninsular, por brindar el apoyo, conocimientos y tiempo necesario para el desarrollo de este trabajo. El IIE hace un especial reconocimiento a los linieros: Felipe Castellanos Elvira (ALEn3D MT), Lucio González Domínguez (ALEn3D AT), Manuel Libreros Morales y Antonio Durán Callejas (ALEn3D subterráneas) por su liderazgo y compromiso demostrado en estos proyectos.

Referencias

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MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ Ver currículum en la pág. 107.

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ANDRÉS AYALA GARCÍA Ver currículum en la pág. 108. ERIC RODRÍGUEZ GALLEGOS Ver currículum en la pág. 108. MARCO ANTONIO SALGADO MARTÍNEZ Ver currículum en la pág. 108.

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ISRAEL GALVÁN BOBADILLA Ver currículum en la pág. 107.

JAIME JAVIER MUÑOZ ROMÁN [[email protected]] Ingeniero en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico de Zacatepec. Ingresó al IIE en 2008 a la División de Sistemas Control. Su área de especialidad está relacionada con el desarrollo de realidad virtual. Sus actividades principales están relacionadas con los aspectos de modelado, texturizado y animación de objetos y escenarios en 3D, así como la generación de interactividad entre el modelo 3D y el usuario, para ser manipulado en un sistema de capacitación. Ha desarrollado y aplicado tecnologías para la capacitación y entrenamiento de personal de la CFE en el mantenimiento de líneas de media, alta tensión y subterráneas. Actualmente trabaja en el sistema basado en realidad virtual para entrenamiento de personal en la puesta a punto y mantenimiento de subestaciones de distribución. Ha participado con los siguientes artículos: sistema de realidad virtual para la capacitación en el mantenimiento a líneas de alta tensión y Virtual Reality System for Training of Operators of Power Live Lines.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Comunidad IIE

Presentan brazo robótico al Director General de la CFE

Como parte de la ceremonia conmemorativa del 30 aniversario del Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM), encabezada por el Director General de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Antonio Vivanco Casamadrid, se presentó el proyecto: “Sistema de inspección de discos y raíces de álabes”, que incluye el desarrollo de un brazo robótico por parte de la Gerencia de Turbomaquinaria del IIE. Los investigadores a cargo de la presentación del sistema fueron Rodolfo Muñoz Quezada, Antonio Carnero Parra, Gloria María García Gómez, Pavel Pascacio de los Santos, Alejandra Salazar Reyes y Arturo Reyes Carnero, quienes recibieron felicitaciones y reconocimientos por el trabajo realizado.

Transferencia de Tecnología del IIE a la industria nacional

El pasado 28 de junio de 2011 se firmó el contrato de transferencia de tecnología a la empresa mexicana PROTECSA INGENIERÍA, el cual incluye la fabricación y comercialización del sistema SIM-IV en el continente americano, con una vigencia de 10 años. El SIM-IV es un sistema de infraestructura de medición avanzada y detección de uso indebido de la energía eléctrica y uno de los componentes clave en las redes eléctricas inteligentes, con lo cual se mejora su operación con economía, seguridad y eficiencia. Entre sus características principales destacan: la medición de consumos, el balance de energía, la detección de pérdidas, la localización de fallas, la comunicación bidireccional, la instalación en poste o en tablero, además de que es interoperable, modular y escalable.

Comunidad IIE julio-septiembre-2011 Boletín IIE

El 23 de agosto de 2011, Julián Adame Miranda, José Raúl Ortiz Magaña y Bonifacio Efrén Parada Arias, Directores Generales del IIE, ININ e IMP respectivamente, firmaron un Convenio Marco General de Colaboración que le permite a los tres centros de investigación, trabajar proyectos conjuntos para beneficio del país.

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IIE-IMP-ININ firman alianza estratégica

Las Partes acordaron que el objetivo de esta alianza consiste en establecer el marco general de colaboración para llevar a cabo proyectos específicos y trabajos en los campos de la docencia, investigación, el desarrollo tecnológico, así como en la formación y profesionalización de los recursos humanos y la difusión de la cultura en las áreas que sean de interés común, así como encontrar la solución de los retos del país, principalmente en los sectores de la energía eléctrica, nuclear y del petróleo, atendiendo a las grandes industrias nacionales como PEMEX, CFE y la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde (CNLV) y del extranjero.

Del 28 de junio al 1 de julio de 2011 se llevó a cabo la 24th. International Conference on Industrial, Engineering and Other Applications of Applied Intelligent Systems, IEA/AIE 2011, en la ciudad de Syracuse, Nueva York, Estados Unidos. Por parte del IIE participó Liliana Argotte, de la GTI, quien presentó la ponencia: SI-Aprende: An Intelligent Learning System based on SCORM Learning Objects for Training Power Systems Operators, en el que se presentó la arquitectura de un sistema inteligente de capacitación denominado SI-APRENDE, el cual promueve un ambiente dinámico e interactivo de capacitación para operadores de centrales eléctricas, mediante la utilización de objetos de aprendizaje SCORM y de modelos inteligentes de secuencia adaptativa. Dicho trabajo fue publicado en un volumen de la serie Lecture Notes in Artificial Intelligence, por la editorial Springer-Verlag.

Presencia del IIE en la conferencia IEA/AIE 2011

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Breves técnicas

Desarrollo de maniobras en línea energizada de 230 kV para el SiCaMLT y su implantación en las gerencias regionales de transmisión de la CFE Rogelio Enrique Martínez Ramírez y Víctor Manuel Jiménez Sánchez

Las líneas de transmisión forman parte importante del Sistema Eléctrico Nacional (SEN), su operación confiable depende en gran medida de una inspección adecuada, así como de un mantenimiento oportuno. Por sus características mecánicas y el medio ambiente en la cual se instalan, están expuestas a continuas deformaciones por factores ambientales como vientos, tormentas eléctricas, bajas temperaturas y factores de fabricación como el material empleado para su construcción, el esfuerzo generado para soportar su propio peso, así como el proceso de desgaste natural por envejecimiento o corrosión. Todos estos factores nos llevan a una revisión y atención oportuna que garantice su continuo servicio y minimice sus salidas de operación por fallas. La ejecución de estas tareas de mantenimiento llevan implícito un alto riesgo para el personal que las desarrolla, por lo que requieren de un excelente conocimiento de las herramientas necesarias y de su correcto uso, así como del conocimiento detallado de los procedimientos que desglosan paso a paso la ejecución de las maniobras requeridas, teniendo siempre en cuenta los factores de seguridad para su ejecución en campo. El personal encargado del mantenimiento de las líneas de transmisión, denominados “linieros”, realiza labores de mantenimiento que implican un trabajo con alto grado de dificultad, aunado al riesgo por las labores en grandes alturas y sobre todo cuando se trata de mantenimiento a líneas energizadas o en condiciones climáticas adversas. Un sistema de realidad virtual para el entrenamiento en mantenimiento de líneas de transmisión, permite capacitar a los linieros minimizando los riesgos, permitiéndoles explorar e interactuar con las herramientas y procedimientos de forma libre, antes de exponerse a las situaciones riesgosas de la práctica. Además, a través de este sistema se pueden simular situaciones de contingencia, de forma controlada, que difícilmente podrían ser reproducidas en la realidad. En 2010, la Gerencia de Simulación del IIE realizó la implantación del Sistema de Capacitación para el Mantenimiento de Líneas de Transmisión (SiCaMLT) en la Gerencia de Líneas de Transmisión de la Subdirección de Transmisión de la CFE, el cual es utilizado para la capacitación y entrenamiento del personal liniero que realiza el mantenimiento a las líneas de alta tensión de 400 kV energizadas y de 230 kV energizadas/desenergizadas. El SiCaMLT es un producto que utiliza la tecnología de realidad virtual no-inmersiva, similar a otros productos desarrollados por el IIE como el ALEn3D de alta y media tensión, personalizado de acuerdo a las necesidades y requerimientos de la Gerencia de Líneas de Transmisión.

El objetivo principal del SiCaMLT es proporcionar un ambiente virtual, donde el personal encargado de la supervisión y mantenimiento pueda adquirir el conocimiento de las herramientas, materiales y equipos utilizados en dichas maniobras, así como estar familiarizado y capacitado para su realización, incluidas las medidas de seguridad que se deben considerar para su ejecución.

Componentes del SiCaMLT Catálogo de Herramientas, Materiales y Equipos (CHEMA) Está integrado por un total de 90 modelos tridimensionales de las herramientas empleadas en las maniobras de mantenimiento. Cuenta con un visualizador 3D, que permite al usuario interactuar con los modelos 3D, con la finalidad de conocer sus características físicas, mecánicas y su descripción técnica. Cada elemento del CHEMA es evaluado para retroalimentar al usuario respecto al grado de conocimiento que tiene de las herramientas, previo al aprendizaje de los procedimientos de mantenimiento.

Breves técnicas Desarrollo de maniobras en línea energizada de 230 kV para el SiCaMLT ...

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Escenarios virtuales en 3D Es la representación en escenas tridimensionales de la secuencia de acciones para la realización de los procedimientos de operación, complementadas con información textual y auditiva. En estos escenarios virtuales se realiza el aprendizaje, práctica y evaluación de cada uno de los pasos que integran a estos procedimientos. Actualmente, el SiCaMLT cuenta con 9 maniobras: • Tres para el cambio de aislamiento dañado en líneas energizadas de 400 kV. • Tres para el cambio de aislamiento dañado en líneas desenergizadas de 230 kV. • Tres para el cambio de aislamiento dañado en líneas energizadas de 230 kV.

Gestión de alumnos A través de este módulo de administración, el personal encargado de la capacitación realiza la gestión de alumnos, la creación de cursos, el mantenimiento del banco de reactivos para la evaluación del CHEMA, y lleva a cabo el seguimiento detallado del proceso de aprendizaje de los alumnos en los procedimientos de mantenimiento. El SiCaMLT ha sido instalado en las nueve Gerencias Regionales de Transmisión de la CFE: Baja California, Noroeste, Norte, Noreste, Occidente, Central, Oriente, Sureste y Peninsular, y está considerado en los programas de formación del personal de nuevo ingreso. Los beneficios principales que la CFE espera obtener con el uso de este sistema son: • • • •

Conocer los equipos y procedimientos de operación, y practicarlos las veces que se requiera. Ahorro en el tiempo de impartición de la capacitación. Optimización del tiempo para la ejecución de la maniobra real. Estandarización del lenguaje para nombrar los equipos.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Breves técnicas

Laboratorio de Realidad Virtual del IIE Israel Galván Bobadilla y Miguel Pérez Ramírez

Antecedentes En los últimos años, el Instituto de Investigaciones Eléctricas ha incursionado con éxito en el desarrollo de sistemas de realidad virtual como herramienta de apoyo en la capacitación, entrenamiento y diseño de procesos del sector energético. Como ejemplo podemos mencionar los sistemas de entrenamiento y capacitación para el mantenimiento de líneas de baja, media y alta tensión en redes áreas y subterráneas de distribución, así como de líneas de alta tensión en redes áreas de transmisión. Como resultado del desarrollo e implantación de sistemas de realidad virtual no-inmersivos para la capacitación y entrenamiento de personal de la CFE, y con la finalidad de continuar innovando en esta línea de investigación, el IIE definió e implementó un Laboratorio de Realidad Virtual con el objetivo de ofrecer productos y servicios innovadores con tecnologías de realidad virtual inmersiva y realidad aumentada, sistemas de realidad virtual en ambientes web, sistemas de realidad virtual colaborativos y simulación dinámica virtual, entre otras. Las aplicaciones potenciales que contempla el laboratorio son: • En el desarrollo de sistemas interactivos de capacitación y entrenamiento de operadores en procesos operativos y de mantenimiento de alto riesgo o estratégicas. • En el desarrollo de interfaces gráficas basadas en realidad virtual, para el diseño de equipos y sistemas, así como en la supervisión de procesos. • En el desarrollo de maquetas electrónicas y recorridos virtuales de plantas industriales, para la inspección y prueba en instalaciones de difícil acceso o alto riesgo en ambientes 3D seguros. • En el desarrollo de sistemas 3D interactivos (detección de colisiones, reactivos, navegables en primera persona y con conexión a BD) manipulados por teclado y ratón, joystick o control Wii.

Figura 1. Equipo utilizado por el sistema de visualización avanzada.

• Simulación y animación de procesos de alta complejidad, que requieran el manejo visual de información para la toma de decisiones. • En el diseño e implementación de cursos de especialización que imparte el Centro de Posgrado del IIE.

Infraestructura Actualmente, el Laboratorio de Realidad Virtual cuenta con una infraestructura que permite desarrollar sistemas de realidad virtual inmersiva, entendiendo por ésta la sensación de estar dentro de un ambiente virtual y poder interactuar con los elementos existentes mediante la estimulación de nuestros sentidos visuales, táctiles y auditivos. Los componentes más importantes de la infraestructura son: 1. Sistema de visualización avanzada. Permite visualizar imágenes 3D en alta definición, está compuesto por proyector 3D estéreo-activo, pantalla flexible de gran formato (6 x 3.4 m), espejo de retroproyección, lentes

Breves técnicas Laboratorio de Realidad Virtual del IIE 131

esteroactivos, y emisores infrarrojos (figura 1). 2. Equipo de inmersión. Son dispositivos especializados que permiten la visualización 3D y manipulación de objetos virtuales. Está compuesto por guante inalámbrico, guante cableado, casco 3D o Head Mounted Display (HMD), lente iglasess, y lentes estero pasivos (Anaglyph) (figura 2). 3. Sistema de rastreo. Permite conocer la posición de un dispositivo en sus coordenadas X, Y y Z, para posteriormente determinar si el usuario ha desplazado o rotado un objeto. Este sistema está compuesto por rastreador cableado e inalámbrico (figura 3). 4. Equipo de navegación. Estos dispositivos facilitan la interacción hombre máquina en ambientes virtuales. Los equipos disponibles son: mouse 3D, control alámbrico tipo Playstation, Wii mote y Nunchuck de Nintendo (figura 4). 5. Sistema de audio profesional. Ofrece un sistema de sonido de alta calidad, está compuesto por receptor de audio y video Dolby, reproductor de Vds., 2 bocinas y 1 subwoofer, y sistema de micrófonos inalámbrico (figura 5).

Figura 2. Equipo de inmersión.

Figura 3. Equipo utilizado por el sistema de rastreo.

Figura 4. Equipo de navegación.

Figura 5. Equipo utilizado por el sistema de audio profesional.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo de investigación

Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral Miguel Pérez Ramírez1, Norma Josefina Ontiveros Hernández2 Artículo presentado originalmente en el Workshop in Intelligent Learning Enviroments, WILE09 MICAI 2009, en Guanajuato, Guanajuato, México. Abstract: Se presentan aquí algunas experiencias en el desarrollo de sistemas basados en realidad virtual no inmersiva. Se discute acerca de los factores que hacen de la RV una herramienta para crear contenido y contextos de aprendizaje, de tal modo que la instrucción pueda ser más eficiente. Los sistemas de RV permiten el entrenamiento sin riesgos, aun cuando las actividades involucradas sean de alto riesgo, como es el caso de los procedimientos de mantenimiento a líneas energizadas de media tensión. Por otro lado, estos sistemas también han sido habilitados para registrar el progreso de los estudiantes, entre otras cosas. Palabras clave: Realidad Virtual (RV), entrenamiento, proceso de aprendizaje.

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Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Instituto Tecnológico de Zacatepec (ITZ).

Artículo de investigación Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral

Introducción El objetivo de este artículo es describir la arquitectura seguida en el desarrollo de diferentes sistemas basados en realidad virtual (RV) y mostrar que este tipo de sistemas permite la integración de diferentes factores o dimensiones que influencian a un proceso de aprendizaje. En otras palabras, la RV no sólo es útil en la creación de contenido instruccional, sino también en la integración y creación de contextos de aprendizaje, los cuales son concebidos como la suma de factores que intervienen en un proceso específico de aprendizaje. Desde este punto de vista y a diferencia de la instrucción tradicional, que usualmente es considerada incompleta y menos eficiente, aquí se sigue el enfoque integral, donde se asume que entre más dimensiones o factores sean integrados en un proceso de aprendizaje, más eficiente es la instrucción para alcanzar una meta de aprendizaje específica.

Enfoques de aprendizaje: discusión Algunos autores [7] critican los métodos de instrucción tradicionales del dominio cognoscitivo basados en libros de texto y lecciones prácticas básicas, diciendo que éstos poseen varias limitaciones para asistir a los estudiantes a recordar o reconocer cierto conocimiento y desarrollar su entendimiento, sus capacidades intelectuales y sus habilidades. Intuitivamente, teniendo a un grupo de estudiantes, todos ellos con diferentes habilidades, podemos ver que el método instruccional tradicional será apropiado para las habilidades de un subconjunto

de estudiantes del grupo, pero no para el resto del mismo. A lo más habrá algunos estudiantes a quienes para lograr el mismo aprovechamiento que los del subgrupo mencionado, les costará un esfuerzo extra, otros podrían simplemente renunciar. Diferentes enfoques y teorías han surgido para mejorar el aprendizaje. Teorías y métodos tales como el conductismo, el constructivismo y otros podrían ser incluidos aquí, pero a partir de las intuiciones mencionadas arriba, se puede observar que el proceso de aprendizaje requiere un enfoque más integral, de tal modo que la instrucción pueda tener impacto en una audiencia mayor. Uno de los problemas aquí es que usualmente, el diseño instruccional no va dirigido a grupos de estudiantes con las mismas habilidades, más bien son aplicados a una audiencia heterogénea donde cada estudiante tiene diferentes habilidades. Así, existen también los enfoques integrales, por ejemplo, Chen et al. [6] proponen un marco teórico basado en metas integrativas y algunos principios de multimedia. Aquí las metas integrativas para diseño instruccional [10] están basadas en la idea de que el diseño inicia con la identificación de metas de aprendizaje (ej. preparar un pastel). A veces, las metas son concebidas como objetivos que deberán reflejar cierto

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rendimiento humano y algunas veces como las capacidades que deben adquirirse para llegar a cierto rendimiento, de tal modo que las metas tienen que ver con una combinación de varios objetivos individuales que tienen que integrarse en una meta de aprendizaje de tal modo que las metas tienen que ver con una combinación de varios objetivos individuales que tienen que integrarse en una meta de aprendizaje.

Enfoque multidimensional del aprendizaje Siguiendo los enfoques integrales y el uso de la tecnología, en lo referente a la instrucción, hay una variedad de dimensiones o factores que intervienen en el proceso de aprendizaje (figura 1) y que deben ser considerados, si queremos lograr la meta principal que es la transferencia de conocimiento. Estas dimensiones pueden variar de acuerdo a diferentes situaciones, algunos ejemplos son mencionados aquí. • Dimensiones aprendiz-instructor: De acuerdo a las personas involucradas, se pueden identificar dos dimensiones que deben intervenir colaborativamente para lograr la meta de transferencia de conocimiento. En el caso de los estudiantes, esta meta consiste en acomodar una nueva pieza de información o una nueva organización de la información,

Figura 1. Diferentes dimensiones intervienen en la meta de transferencia de conocimiento.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo de investigación

dentro de su repositorio de conocimiento en sus cerebros. Cuando esto se lleva a cabo, los aprendices podrían modificar su comportamiento o puntos de vista, aumentar sus habilidades, etc. Para los instructores, esta meta debe ser enseñar y contar con evidencia de que el conocimiento ha sido realmente transferido al cerebro de los estudiantes. Estas submetas involucran dimensiones quizá simplemente asumidas, pero decisivas, a fin de lograr un esfuerzo combinado para alcanzar la meta de aprendizaje, es decir, los aprendices realmente deben querer aprender y los instructores realmente deben querer enseñar. • Dimensión del modelo instruccional: El modelo instruccional es otra dimensión, diferentes modelos han sido propuestos (ej. conductivismo, constructivismo, etc.), cada uno de ellos con fortalezas y debilidades. Todos ellos proveen alguna verdad y algún enfoque para mejorar el aprendizaje (ej. aprendizaje centrado en instructores, aprendizaje centrado en los estudiantes, aprendizaje centrado en la interacción de instructores y estudiantes, etc.). Puede haber casos en los que un modelo sea usado tan efectivamente, que aun estudiantes sin interés son involcrados y guiados hacia una meta de aprendizaje específica, sin embargo, dependiendo del dominio, un modelo o combinación de modelos deben ser seleccionados a fin de hacer eficiente la instrucción. • Dimensión del dominio instruccional: Esta es otra dimensión; no es lo mismo entrenamiento de futbol, el cual incluye principalmente una actividad física, que lecciones de física, las cuales podrían ser principalmente teóricas. Es claro que cada dominio demanda habili-

dades específicas a los aprendices, pero también determina qué método instruccional puede ser mejor para alcanzar una meta instruccional. • Dimensión de los canales de aprendizaje: Una dimensión más está dada por los diferentes tipos de estudiantes, de acuerdo a los canales de aprendizaje que ellos prefieren usar cuando están aprendiendo, o que les hace más fácil el aprendizaje. Usualmente se identifican tres tipos de aprendices, de acuerdo a su canal de aprendizaje dominante, éstos son: auditivos, aquéllos que aprenden mejor escuchando; visuales, los que aprenden mejor mediante la visualización, y kinestésicos, aquéllos que aprenden mejor mediante la manipulación de objetos. Los estudiantes también tienen diferentes estados de ánimo, diferentes habilidades, etc., las cuales, en combinación con los canales de aprendizaje intervienen en la eficiencia del mismo. No usamos sólo un canal de aprendizaje, la mayoría de la gente aprende mejor al usar más de un canal a la vez. Si el diseño instruccional y el contenido incluye elementos de estímulo para estos tres canales de aprendizaje, la eficiencia alcanzará a una audiencia mayor. Otras dimensiones pueden estar presentes en el proceso de aprendizaje. El término Contexto de Aprendizaje1 (CA) podría

1 Aquí el término “contexto” es tomado prestado de la comunidad de PLN, donde es definido como un conjunto consistente de proposiciones describiendo el conjunto de creencias de una persona. Así, a diferencia de un ambiente de aprendizaje que incluye elementos externos que influencian el proceso de aprendizaje [15], un contexto de aprendizaje pretende ser una vista personal interna de un ambiente y así una vista más precisa y completa de los factores de aprendizaje que influencian tal proceso.

ser usado para agrupar las diferentes dimensiones involucradas en cualquier proceso de aprendizaje. Un CA puede incluir Contextos de Aprendizaje Personales (CAP), que son subconjuntos de dimensiones asociados a personas específicas, ya sea aprendices o instructores. También podemos identificar los Contextos de Aprendizaje de Grupo (CADG), los cuales pueden ser restringidos a la suma de los CAP de los aprendices e instructores que participan en un proceso específico de aprendizaje. Los enfoques integrales del aprendizaje están basados en teorías tales como la de las metas integrativas. Siguiendo estos enfoques, el identificar, integrar y considerar los CA dentro del proceso de aprendizaje, proveería una herramienta más completa y eficiente para lograr la transferencia de conocimiento. Los métodos de instrucción tradicionales pueden ser considerados incompletos, en el sentido de que no incluyen diferentes dimensiones que intervienen en el proceso de aprendizaje. Por ejemplo, en algunos países latinoamericanos hay instituciones educativas que evalúan la eficiencia de los instructores, con base al porcentaje de estudiantes graduados y reprobados. Este punto de vista es incompleto, ya que no considera todas las dimensiones involucradas; los estudiantes podrían pensar que el proceso de aprendizaje sólo es responsabilidad de los instructores. Esta posición parece cargar toda la responsabilidad a los instructores, lo cual es un criterio incompleto para evaluar la eficiencia del aprendizaje y peor aún, podría enviar un mensaje equivocado a algunos estudiantes y a algunas autoridades educativas. Incluso el uso de la tecnología podría

Artículo de investigación Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral

proveer métodos incompletos. El aprendizaje a distancia puede ser una alternativa para problemas de falta de acceso a la educación, sin embargo, si en un curso a distancia el contenido instruccional únicamente se entrega a los estudiantes junto con alguna instrucción a seguir, y después se aplican algunas evaluaciones, la interacción estudiante-instructor puede verse reducida. Podría ser apropiada para gente con orientación autodidacta, pero deja fuera a otros tipos de aprendices. Por otra parte, el contexto de aprendizaje ideal podría ser casi imposible, a menos que la instrucción sea personalizada, en cuyo caso podría ser menos práctica y seguramente costosa. Tenemos que conformarnos con incluir tantas dimensiones como nos sea posible en el proceso de aprendizaje, pero quizá más importante es estar consciente de las diferentes dimensiones que intervienen en procesos de aprendizaje específicos.

Tecnología y el proceso de aprendizaje La tecnología ha probado ser útil como herramienta de aprendizaje, ya que ha contribuido a alcanzar metas para este fin, proporcionando herramientas tales como objetos y repositorios de aprendizaje, sistemas de administración del aprendizaje (LMS), sistemas de administración de contenidos (CMS), sistemas tutoriales inteligentes (ITS) y realidad virtual para entrenamiento, entre otros. Además, hay un punto clave en el uso de la tecnología en los enfoques integrales: nos permite la integración de diferentes dimensiones involucradas en el proceso de aprendizaje, por ello provee las herramientas para aumentar la eficiencia del proceso. La RV

está entre las tecnologías exitosas para entrenamiento.

Realidad Virtual para entrenamiento Aunque la RV puede ser aplicada en diferentes campos tales como diseño, juegos, películas, simulación, visualización, etc., también permite la integración y creación de diferentes contextos de aprendizaje que la hacen exitosa como una herramienta de entrenamiento. Para Burdea y Coiffet [5], el entrenamiento es uno de los mayores campos de aplicación de la RV. Esta tecnología provee beneficios para entrenamiento, que en la instrucción tradicional son limitados. Por ejemplo, la RV es ideal para entrenamiento peligroso sin ningún riesgo, permite la visualización desde diferentes perspectivas, muchas de ellas inaccesibles en el medio real, permite la visualización virtual de equipos, el diseño de la interactividad permite el aprendizaje activo, provee a los aprendices el sentido de control, ya que pueden repetir la lección tantas veces como lo necesiten y progresar a su propio paso. También se ha observado que los ambientes 3D animados e interactivos son frecuentemente más atractivos a los aprendices que los manuales con fotos y esto juega un rol positivo en el aprendizaje. En lo que respecta a las compañías que dedican gran cantidad de recursos al entrenamiento de su personal, se ha observado que los sistemas de RV para este fin atacan el problema del alto costo del entrenamiento, debido a gastos de viaje y estancias del personal que tiene que moverse de su lugar de trabajo a los centros de

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capacitación. Además ayuda a incrementar el limitado número actual de personas entrenadas.

Realidad Virtual

Antes de proseguir, vale la pena decir lo que es RV. Este concepto ha sido enfocado desde diferentes perspectivas y con variedad de términos, empezando con Jaron Lanier, quien acuñó el término realidad virtual en 1989, como un ambiente 3D interactivo generado por computadora, en el cual una persona está inmersa [3]. Otros ejemplos son “ciberespacio”, usado por William Gibson [11] en su Neuroromancer. Aquí Gibson describe un universo virtual compartido, operado dentro de la suma de todas las redes de computadoras en el mundo. “Ambientes virtuales”, consisten de un despliegue interactivo de imágenes realzado por audio y retroalimentación táctil, a fin de convencer a los usuarios de que están inmersos en un espacio sintético [8]. Nosotros hemos adoptado la siguiente definición de Realidad Virtual: Representación completa o parcial de un ambiente real o ficticio, a través del uso de medios electrónicos, la cual puede incluir gráficas en 3D o imágenes, tiene la propiedad de ser interactiva y puede ser o no inmersiva [12]. A diferencia de la definición de Lanier, hemos visto que la inmersión no es obligatoria para decir que un sistema está basado en RV. De hecho, hay una gran variedad de grados de inmersión, cuyos extremos son la RV no inmersiva (figura 2) y la RV inmersiva (figura 3). En la primera, un usuario puede interactuar con los sistemas de RV utilizando solamente un ratón y el teclado; en la otra, un sistema podría requerir

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Figura 2. RV no inmersiva. una variedad de dispositivos, de tal modo que los sentidos del usuario puedan ser estimulados y sus acciones puedan ser monitoreadas dentro de un ambiente virtual. Entre los dos extremos también podemos encontrar la llamada realidad aumentada (figura 4), en la cual se superponen imágenes virtuales a imágenes reales, que proveen al usuario una visión tipo terminator. Dependiendo del campo de aplicación, algunas veces la inmersión puede ser mejor que la no inmersión y viceversa, sin olvidar que un sistema no inmersivo es menos costoso, ya que no necesita dispositivos periféricos de RV para que un usuario sea capaz de interactuar con un ambiente virtual.

Figura 5. Modo aprendizaje.

Figura 3. RV inmersiva.

Arquitectura de los sistemas de RV para entrenamiento En el IIE se han desarrollado diferentes sistemas de RV para entrenamiento libre de riesgo para la CFE, en su mayoría son sistemas para entrenamiento de procedimientos de mantenimiento de alto riesgo, como es el caso de mantenimiento de líneas de media y alta tensión. Estos sistemas operan en tres modos: aprendizaje, práctica, y evaluación (figura  5). Antes de que un usuario entre a cualquiera de estos modos, el sistema le permite visualizar y manipular catálogos de modelos 3D, que contienen todas las herramientas y equipos requeridos para el trabajo de mantenimiento y sin estar en el almacén de la compañía (figura 6).

Figura 4. Realidad aumentada. La característica principal en el modo aprendizaje es que el sistema tiene el control, e indica al usuario paso a paso lo que tiene que hacerse, a fin de completar de manera segura un procedimiento de mantenimiento. Se debe tener cuidado con el orden de los pasos, ya que una omisión puede ser fatal. El modo práctica da a los usuarios más libertad y pueden ir al paso que deseen para resolver cualquier duda. En el modo de evaluación práctica, un usuario debe realizar una prueba de mantenimiento sin ayuda y los errores son registrados en una base de datos, para que pueda monitorear su progreso. Los sistemas también incluyen evaluaciones teóricas basadas en exámenes con preguntas de opción múltiple, cuyos resultados también son registrados en una base de datos.

Figura 6. Catálogo de herramientas.

Artículo de investigación Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral

Los sistemas siguen la misma arquitectura, la cual incluye los siguientes módulos: administrador de usuarios y cursos; procedimientos de mantenimiento; administrador de licencias, e interfaz para el usuario. • Administrador de usuarios y cursos. Es usado por la interfaz para determinar si un usuario está registrado y puede usar el sistema. Existen tres roles de usuarios que pueden ser registrados en el sistema: administradores, instructores (facilitadores) y estudiantes (participantes). • Procedimientos de mantenimiento. Contiene los escenarios y animaciones virtuales complementados con audio, información adicional y explicaciones en texto (scripts). Incluye los tres modos: aprendizaje, práctica y evaluación. • Administrador de licencias. Está reservado sólo para administradores del sistema. Otorgar una licencia a un usuario requiere de información personal del mismo, tal como adscripción de su empleo, para asegurar que la licencia está siendo solicitada por un empleado de la compañía.

Figura 7. Medición de equipos.

Etapas de desarrollo de un sistema de RV El desarrollo de un sistema de RV sigue las etapas reportadas en la literatura de ingeniería de software. Una vez que tenemos la especificación de requerimientos y el diseño del sistema (interfaz de usuario, ya que el diseño del ambiente virtual podría ser guiado por el escenario real), éstas son las etapas de desarrollo que seguimos: 1. Recopilación de información. Dependiendo del campo de aplicación, primero se tiene que determinar el número de objetos que serán parte del ambiente virtual y su complejidad. La información es grabada en video, de tal modo que las imágenes y las dimensiones físicas de los objetos quede a disposición de los desarrolladores (figura 7). Si se cuenta con las especificaciones técnicas de los equipos (u objetos), la medición física de éstos podría no ser necesaria. 2. Modelado 3D. Aquí todos los objetos son representados a escala en 3D (figura 8). 3. Creación de escenas. En esta etapa, todos los modelos 3D previamente elaborados son integrados en los escenarios o ambientes virtuales (figura 9).

Figura 8. Modelo 3D.

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4. Animación. Aquí se elaboran las animaciones propias de cada modelo 3D, por ejemplo, el movimiento de un helicóptero, el girar de las aspas de un ventilador o el operar de una grúa. 5. Elaboración de un guion. Es similar al guion de una película, contiene explicaciones e instrucciones para la interacción usuario-sistema. 6. Interacción y audio. Se agrega sonido a la escena de acuerdo a los objetos incluidos. También se desarrolla la interacción entre el usuario y el sistema y así, de acuerdo a las acciones del mismo, diferentes comportamientos de la escena son elaborados, de tal modo que los usuarios pueden percibir las reacciones del ambiente de acuerdo a su interacción. 7. Desarrollo de la interfaz. Integra la escena virtual, los menús, las explicaciones y las instrucciones, de tal modo que la interacción de los usuarios es guiada todo el tiempo (figuras 5 y 6). Estas etapas también son útiles para recopilar información acerca del número y complejidad de los objetos que serán modelados y animados, lo que a la vez es útil para elaborar el análisis costo-beneficio y por lo tanto determinar si el sistema es viable o no.

Figura 9. Escena virtual.

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Boletín IIE julio-septiembre-2011 Artículo de investigación

Figura 10. Evaluación teórica.

Estudio preliminar de la eficiencia de la RV Se ha realizado un estudio preliminar para ver qué tan útiles son estos sistemas de RV para entrenamiento. En este estudio, dos grupos de 10 participantes fueron aleatoriamente definidos: GrTrad y GrALEn. El primero fue entrenado bajo el modo tradicional y el segundo usando el sistema de realidad virtual. Ambos grupos tenían que aprender una maniobra de mantenimiento a líneas energizadas. Después se aplicaron dos evaluaciones a todos los participantes, una teórica (figura 10) consistente en un examen escrito y una práctica (figura 11), donde se les solicitó que realizaran en parejas, algunos pasos clave de la maniobra de mantenimiento. Estos resultados podrían no ser suficientemente precisos todavía, debido a la experiencia previa de los participantes. El requisito para ser parte del estudio fue que los participantes no deberían tener ningún conocimiento sobre mantenimiento a líneas energizadas, sin embargo, durante el estudio se pudo observar que aunque los participantes designados por la CFE

Figura 11. Evaluación práctica.

eran principiantes, ya tenían nociones en diferentes niveles sobre mantenimiento a líneas energizadas y esto pudo haber afectado los resultados.

primera aproximación al mantenimiento real de líneas energizadas (uso del conocimiento adquirido), lo cual puede ser mejor observado en sitios de entrenamiento.

Sistemas de RV para entrenamiento vs contexto de aprendizaje

• Dimensión aprendiz-instructor. Aunque esta dimensión es más bien subjetiva, se observa que aun en la etapa de validación, cuando el sistema estaba incompleto, el contenido llamaba la atención no solo de la audiencia objetivo (linieros), sino también de diferentes tipos de personas, incluyendo directivos, secretarias, niños, etc. Los sistemas son útiles para que los instructores enseñen y para que los estudiantes aprendan, incluso si no pertenecen a la audiencia objetivo de los sistemas. • Dimensión del dominio instruccional. Como se mencionó previamente, el dominio instruccional de estos sistemas es el entrenamiento libre de riesgos, sobre actividades altamente peligrosas de mantenimiento a líneas energizadas e incluye conocimiento teórico, como son algunos principios de electricidad y principalmente una secuencia de actividades peligrosas.

Para empezar, los tres modos incluidos en la arquitectura de los sistemas de RV desarrollados, proveen a los estudiantes con una herramienta que refuerza las tres etapas del proceso de aprendizaje [13], es decir: a) reciben información mediante texto, audio y despliegue de animaciones, b) pueden practicar, de tal modo que procesan la información y la retienen en memoria, y c) aplican el conocimiento adquirido, en primera instancia, a través de evaluaciones teóricas y prácticas. En el modo aprendizaje, los estudiantes reciben información provista por el sistema; el modo práctica ayuda a los estudiantes a revisar la información y a procesarla, y por lo tanto a retenerla en la memoria. La evaluación práctica podría ser considerada únicamente como una

Artículo de investigación Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral

• Dimensión de los canales de aprendizaje. Un estudio realizado en 2009 [14], muestra que tenemos casi la misma preferencia por los tres canales de aprendizaje: a) 37% del aprendizaje es táctil o kinestésico, a través de movimiento de cosas, tocar y hacer. b) 29% del aprendizaje es visual, a través de fotos e imágenes c) 34% del aprendizaje es auditivo, a través de sonidos y palabras. Sin embargo, es sabido que mientras aprendemos utilizamos más de un canal sensorial. Dentro de la literatura de estrategias de estudio, a esto se le conoce como estrategia de estudio multimodal y según Fleming [9], la mayoría, aproximadamente el 60% de cualquier población, entra dentro de esta categoría. Cada estilo de aprendizaje usa diferentes partes del cerebro, así que entre más canales se involucren durante el aprendizaje, más se recuerda lo que aprendemos [2]. Aunque en la literatura del aprendizaje [1;9] se mencionan diferentes estilos tales como lectura/escritura, lógica, verbal, etc., aquí nos enfocamos en los canales sensoriales primarios [4], cuyos porcentajes de preferencia fueron listados arriba. Un sistema de RV para entrenamiento puede ser capaz de estimular, en cierto grado, estos canales de aprendizaje y puede incluir imágenes, texto y animaciones para aquellos estudiantes visuales. Todas las explicaciones provistas en texto también son reproducidas en audio para aquéllos que prefieren el estilo aural (aunque el audio puede apagarse bajo demanda). En lo que respecta a los estudiantes kinestésicamente orientados, por ahora pueden interactuar con el sistema mediante el uso del teclado y del ratón.

• Dimensión del modelo instruccional. Las capacidades de los sistema de RV desarrollados, provistos por el modo práctica, la interacción y la repetición, así como las facilidades que provee para el autoaprendizaje, no sólo son de utilidad para construir el conocimiento del usuario dentro del dominio instruccional, sino que en cierto grado también permiten el aprendizaje activo y estimulan el canal de aprendizaje kinestésico de los estudiantes. • Dimensión de la compañía. El dominio instruccional es establecido por la compañía, que también demanda el entrenamiento libre de riesgo, incluso cuando las actividades de mantenimiento real son altamente peligrosas. También demanda el monitoreo del progreso de los aprendices, el acceso controlado a los sistemas y a su contenido instruccional, facilidades para el autoaprendizaje y capacitación en cursos formales, entre otros factores. La arquitectura descrita arriba cubre todas estas demandas.

Conclusiones El trabajo más parecido que hemos encontrado, relacionado al tipo de sistemas de RV para entrenamiento en mantenimiento dentro del sector eléctrico [17], describe un prototipo inmersivo que incluye sólo uno de los procedimientos. A diferencia de este prototipo, los sistemas que hemos desarrollado se utilizan para entrenamiento real e incluyen al menos 40 diferentes maniobras de mantenimiento. La experiencia en el desarrollo del sistema de RV no inmersiva para entrenamiento,

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muestra que ésta es útil en la integración de contextos de aprendizaje, sin importar si los estudiantes son niños o adultos, o si son profesionales o no. Se ha observado que la introducción de la realidad virtual en entrenamiento, no solamente impacta el entrenamiento mismo, sino también los costos y modifica la manera en la que el entrenamiento es administrado, principalmente en las compañías. Podría haber dominios instruccionales donde los aprendices pueden aprender por sí mismos, usando un sistema cuyo contenido esté completo y bien hecho, en tal caso, la presencia de un instructor podría no ser determinante, sin embargo, para los sistemas mencionados aquí, éste no es el caso. El mantenimiento a líneas energizadas involucra un riesgo muy alto y los instructores concuerdan en que un primer error podría ser el último, debido a que los accidentes pueden ser fatales. Asimismo demanda actividad física que no es provista por sistemas de entrenamiento basados en RV no inmersiva, quizá un sistema inmersivo que incluya dispositivos periféricos tales como un poste, herramientas, cables, etc., podría incluir esta capacidad. El punto aquí es que estos sistemas no tienen la autoridad para emitir certificados para licenciar a una persona, de tal forma que pueda realizar el mantenimiento a líneas energizadas, esto debe ser responsabilidad de un instructor humano, quien tendrá que cubrir un entrenamiento físico y práctico, y asegurar que el estudiante está realmente capacitado para llevar a cabo este tipo de actividades de alto riesgo.

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MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ [[email protected]] Licenciado en Computación por la Escuela de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Autónoma de Puebla en 1992. Maestro en Ciencias de la Computación con especialidad en Ingeniería de Software por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) en 1996. Doctor en Ciencias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Universidad de Essex, Inglaterra en 2003. Desde 1992 trabaja en la Gerencia de Tecnologías de la Información. Ha participado en diversos proyectos para el desarrollo de sistemas de información, almacenes de datos, administración del conocimiento y sistemas expertos. Ha incursionado en el desarrollo de prototipos de realidad virtual y su aplicación en el sector energético. Ha publicado diversos artículos en revistas y congresos locales y del extranjero.