Realidad virtual como una herramienta de aprendizaje integral

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
97
Sumario
98
Editorial
99
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
100
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.
101
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
102
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
103
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.
104
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
105
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
106
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
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panorama general. Boletín IIE. Instituto de Investigaciones Eléctricas. Vol. 28, No. 2.
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Divulgación
Estado actual y prospectiva de aplicaciones
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technologies in power systems. Proceedings of the 2010
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and Communication, ICFCC 2010, v 3, p V341-V344,
2010.
ISRAEL GALVÁN BOBADILLA
MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ
[igalvan@iie.org.mx]
[mperez@iie.org.mx]
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
[sgc@iie.org.mx]
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
[garroyo@iie.org.mx]
[erg@iie.org.mx]
[masm@iie.org.mx]
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
[jvazquez@iie.org.mx]
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.
110
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
111
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
113
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.
114
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
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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).
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Reporte Técnico IIE/GSP/13417/RT/04/P Selección de software para el desarrollo de la ingeniería
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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
116
Boletín IIE
julio-septiembre-2011
Tendencia tecnológica
BENJAMÍN EDDIE ZÁYAS PÉREZ
EDUARDO ISLAS PÉREZ
[zayas@iie.org.mx]
[eislas@iie.org.mx]
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
119
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.
120
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
121
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.
122
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
123
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.
124
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
125
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[5
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Ver currículum en la pág. 108.
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Ver currículum en la pág. 108.
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Ver currículum en la pág. 108.
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Un panorama general. Boletin IIE No 2. Abril-Junio
2004: Realidad Virtual. ISSN0185-0059.
Sánchez C. y García V. (I.T.P.). 2006. REVIEN.
Realidad Virtual Aplicada al Entrenamiento. IV
Congress in Virtual Reality Applications.
Steed Paul, 2005. Modeling a Character in 3DS Max.
Wordware Publishing, Inc.; 2nd edition.
Walker Ch., Walker E. 2001. Game Modeling Using
Low Polygon Techniques. Charles River Media; 1
edition.
ISRAEL GALVÁN BOBADILLA
Ver currículum en la pág. 107.
JAIME JAVIER MUÑOZ ROMÁN
[jjmunoz@iie.org.mx]
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.
126
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.
127
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
128
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 ...
129
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.
130
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.
132
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.
1
2
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
133
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.
134
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
135
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
136
Boletín IIE
julio-septiembre-2011
Artículo de investigación
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.
137
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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Boletín IIE
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Artículo de investigación
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MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ
[mperez@iie.org.mx]
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.