Digitalización de los procesos constructivos, drones e IoT. Análisis de avance mediante inteligencia artificial (IA)

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 97)

Jorge Zayas; Director Técnico BIGM Civil Engineers
Javier Peñafiel; BIGM Civil Engineers

Al igual que en otros muchos sectores, en el de la Obra Civil también está teniendo gran repercusión la digitalización, siendo habitual el uso de dispositivos que automatizan la adquisición de datos de diferentes elementos que conforman la obra (IoT). Los drones están siendo claves para la digitalización de diferentes procesos constructivos. En este artículo nos vamos a centrar en su utilización para el seguimiento de la evolución de las obras y vamos explicar cuáles son sus principales ventajas, entre las que se pueden destacar:

• Velocidad de captura de datos
• Costes muy inferiores a cualquier otra tecnología que pretenda conseguir información equivalente.
• Obtención de documentación digital de fácil interpretación, así como de un testimonio claro de la evolución de las unidades de obra en sus diferentes fases.

Por otra parte, describiremos como se comparten los datos y sobre todo el análisis de toda esta información, entre los diferentes integrantes de la obra. Para ello nos centraremos en el Geoportal Web BIGMonitor, que permite una difusión categorizada y jerarquizada.

Este geoportal además se va a encargar de analizar, mediante un sistema de aprendizaje automático (IA), los datos procedentes de la instrumentación instalada en la obra en el entorno IoT, gestionando la monitorización de zonas sensibles y el seguimiento de la producción de la maquinaria.

2. “DIGITAL TWIN” o “GEMELO DIGITAL” Los Drones como elemento digitalizador en la Obra Civil

El campo de utilización principal de esta tecnología con drones, en el que nos vamos a centrar, es su aplicación a las técnicas fotogramétricas. Bien es cierto que en la fase inicial de la obra es recomendable hacer un vuelo con un sistema Lídar, ya que la vegetación es enemigo de la fotogrametría cuando se pretende levantar el terreno, mientras que el sistema lidar permite hacer un filtrado de la misma, pero en el resto de las fases de la obra el terreno ya estará desbrozado, haciendo de la fotogrametría una solución óptima.

Hoy en día existen soluciones con drone en el mercado que nos permiten hacer levantamientos fotogramétricos con un coste muy contenido, sobre todo si se compara con lo que hubiera sido conseguir ese nivel de información mediante tecnologías tradicionales. Es posible conseguir una Ortofotografía, una nube de puntos en 3D y el modelo digital del terreno de una superficie de cientos de hectáreas en pocas horas de trabajo y con la intervención de un único técnico especializado, al fin y al cabo buscamos ese “Digital Twin”. Y si se trata de observaciones recurrentes en la misma zona, como es característico del control de la evolución de una obra, los rendimientos aumentan exponencialmente.

Todo esto es posible gracias al nivel de desarrollo actual de las tecnologías que intervienen en este tipo de trabajos, entre las que podemos destacar:

• Drones con cámaras digitales de alta resolución y sistemas LIDAR, provistos de sistemas de navegación embarcados tipo GNSS RTK, que nos proporcionan una precisión centimétrica en la determinación de la imagen, eliminando o minimizando los puntos de apoyo sobre el terreno.
• Ordenadores que permiten el proceso de la información digital capturada a gran velocidad.
• Software de proceso avanzado que permite su tratamiento de forma ágil.
• Disponibilidad en el mercado de empresas que ofrecen estos servicios.

Como ya hemos anticipado, los productos que nos ofrece esta tecnología son los típicos de un trabajo fotogramétrico digital, pero con un nivel de precisión, rapidez y coste impensable antes de existir esta tecnología. En los siguientes apartados vamos a ver con más detalle que nos aporta cada uno de ellos.

2.1. Ortofotografías aéreas de alta resolución

La Ortofotografía es una imagen obtenida mediante el tratamiento de varias imágenes de una misma zona con un nivel de solape suficiente (entre el 70% sería adecuado para un modelo optimo, en la mayoría de los casos). La principal ventaja es que permiten realizar mediciones en 2D sobre las mismas como si se tratara de planos o cartografía. Debido a las cámaras de alta resolución y la posibilidad de volar a altura muy baja, es fácil obtener imágenes con una resolución inferior a 1 cm por pixel. Esto proporciona un testimonio gráfico del estado de la obra con gran detalle, permitiendo ver su evolución temporal con gran fiabilidad.

2.2. Nube de puntos en 3D

El primer producto que se obtiene del tratamiento de estas imágenes aéreas solapadas es, precisamente, esta nube de puntos con coordenadas X,Y,Z. Se obtiene con una densidad muy alta, permitiendo la visualización en 3D del terreno con un nivel de realismo cercano a visitar físicamente la obra, ayudando a interpretar lo que se observa en la Ortoimagen en 2D descrita en el apartado anterior. Este tipo de producto también se obtiene mediante drones que transportan sistemas LIDAR, superando las limitaciones que la fotogrametría tiene en zonas de gran vegetación, y obteniendo de este modo la superficie del terreno real sobre la que proyectar las diferentes estructuras.

2.3. Modelos Digitales del Terreno

A partir de esta nube de puntos en 3D se obtienen modelos digitales con información altimétrica, en esencia es un producto similar a la Ortofotografía digital, pero en la que se ha sustituido la información del color de cada pixel por la de la altura de ese punto sobre el terreno. Esto permite el cálculo de volúmenes y, como consecuencia, controlar el movimiento de tierras propio de una obra civil de una manera rápida y sencilla.

2.4. Información Multimedia

También es posible la toma de imágenes panorámicas, imagen de detalle desde una perspectiva distinta y videos de gran calidad, facilitando el seguimiento visual de los avances de la obra tanto a personal técnico como a la propiedad. Esta información también se comparte en las plataformas web, permitiendo su acceso desde cualquier parte del mundo.

3. Geoportal web para seguimiento de Obra Civil

El extraordinario avance en las comunicaciones y el desarrollo de herramientas de visualización en la nube, ha permitido la creación de plataformas Web transversales especializadas, que dan acceso a esta información desde cualquier dispositivo, (pe: PC, Tablet, smartphone). De este modo, es posible compartir fácilmente la información y los análisis de la misma entre los técnicos que ejecutan la obra y sus responsables, la propiedad e incluso los proveedores de ambos, ya que permite la clasificación y jerarquización de toda la información obtenida y analizada.

En este apartado vamos a describir las diferentes funcionalidades ofrecidas por el Geoportal Web BIGMonitor, que es una solución adoptada por diferentes empresas constructoras trabajando en diferentes localizaciones del mundo, en canteras, minas, empresas de energía para el control de la construcción de sus infraestructuras, etc.

3.1. Estructura del Geoportal web

En la ilustración se muestra el flujo de información dentro de la plataforma BIGMonitor. Como se puede observar, no solo se contempla la información procedente de drones, también se integran los datos procedentes de la sensorización de diferentes elementos (IoT) en el escenario de la obra, como puede ser el control de maquinaria mediante GPS, sistemas de auscultación o monitoring, análisis de modelos BIM o hasta el acceso a datos vectoriales, como podrían ser los procedentes de la topografía tradicional o del programa de trazado. De este modo es posible la creación de diferentes Dashboard adaptados a cada escenario, facilitando un reporting sencillo e incluso, en tiempo real.

3.2. Visualización y análisis de datos espaciales

El geoportal BIGMonitor permite visualizar y comparar las ortofotografías de gran tamaño mediante visores muy sencillos, de este modo es fácil analizar las imágenes tomadas en distintas fechas, siendo posible tanto su contraste visual como la realización de mediciones de distancias, áreas e incluso volúmenes, gracias a los Modelos Digitales del Terreno obtenidos con los datos de drones.

En cuanto a la visualización y análisis de las nubes de puntos en 3D, el geoportal cuenta con un visor en el que es posible cargar información vectorial del proyecto. De este modo se puede compartir esta información con los diferentes integrantes de la obra. También se dispone de herramientas de medición sobre la nube de puntos 3D, agilizando consultas por personal sin perfil técnico avanzado. En resumen, permite democratizar la información digital haciéndola útil sin la dependencia de técnicos y herramientas muy especializados.

3.3. Analizador BIM

Cada vez es más habitual la metodología de trabajo BIM (Building Information Modeling), y la obra civil no es una excepción. Atendiendo esta necesidad, BIGMonitor incorpora un visor para analizar el modelo BIM que permite compartir entre los usuarios esta información, pudiendo consultar los modelos generados de la obra, descomponerlos y realizar mediciones de entidades, secciones sobre los tres ejes, descomposición de los elementos constructivos.

3.4. Reporting y control de avance de obra

La disponibilidad de los gemelos digitales del terreno periódicos, (normalmente coinciden con los periodos de certificación) permite controlar el avance de cada una de las unidades de obra. BIGMonitor proporciona una herramienta para analizar el estado de avance en la que se consideran los siguientes modelos digitales:

• Modelo Digital Inicial (Vuelo inicial)
• Modelo Digital actual (Último vuelo dron)
• Modelo Digital final (Diseño final)

Mediante el análisis de estas tres entidades, es posible determinar la diferencia de volumen de tierras movidos (desmonte y terraplén) entre ellos, de este modo se consigue saber cuánto se ha avanzado con respecto al inicio y cuanto queda para llegar al diseño final. Si en la plataforma se incluye la información del plan de obra, es posible analizar las desviaciones con respecto al mismo e incluso generar avisos automáticos. En cualquier caso, el usuario recibe una información individualizada del avance de cada unidad de obra.

3.5. Control de producción de maquinaria en obra

La imagen anterior nos proporciona la situación precisa e instantánea en el momento de la toma (muy importante pues nuestra certificación para propiedad y proveedores se basará en esta información). Pero nos faltaría analizar la información en tiempo real para evitar producciones no adecuadas para la ejecución correcta de la obra.

Para este fin, analizamos los datos proporcionados por las maquinas del movimiento de tierras. Muestra la información de la maquinaria encargada de ejecutar los trabajos, centrada principalmente en el movimiento de tierras. De este modo, es posible contrastar si el nivel de actividad de la misma se corresponde con el avance real de la obra cada minuto. Para ello se instala en la maquinara dispositivos de geolocalización (Trackers GNSS) que incluso pueden conectarse al CANBUS del vehículo.

Estos dispositivos, además de informarnos de la posición en cada momento de la maquinaria, proporcionan datos de consumo, velocidad, horómetro y ubicación de cargas y descargas de material entre otros. Siendo posible particularizar cualquier control relacionado con estas magnitudes, por ejemplo saber si se ha superado una velocidad máxima en un determinado tramo, si se ha salido de un área de trabajo, si se ha cargado o descargado material en zonas erróneas, pudiéndose configurar alarmas automáticas a los responsables si se ha superado alguna tolerancia o ámbito espacial.

La principal misión de este sistema es obtener la producción (en Tm o m3) de cada una de las maquinas, equipos o contratas, obteniendo en tiempo real los listados de producción. Otra misión importante es obtener desviaciones de la producción con alarmas predictivas, para detectar, por ejemplo, baja productividad de una máquina.

Con toda esta información se genera un informe extendido de la actividad de producción en tiempo real de la maquinaria de obra: Camiones, Rodillos, Bulldozer, cargadoras, etc.

Todo este sistema se alimenta de manera automática, y el sistema es capaz de aprender de sí mismo mediante la IA.

4. Conclusiones

La digitalización está revolucionando los modos de trabajo en la mayoría de los sectores, y para el sector de la Obra Civil está siendo clave. Los drones, que nos permiten realizar Gemelos Digitales, así como todos los dispositivos de IoT que son susceptibles de utilizarse en la obra tales como los tracker GPS en maquinaria, o los sistemas de monitorización de cualquier otra unidad de obra, proporcionan un nivel de información que es necesario gestionar y analizar.

La utilización de IA para este análisis proporciona niveles de control y de reporte extraordinario, y cada día se van creando herramientas más avanzadas que contribuyen a la distribución de los análisis obtenidos de una manera más rápida y eficaz.

BIGMonitor es una herramienta que mediante el concepto de los DIGITAL TWIN y la IA, unido a su capacidad de interaccionar con los diferentes dispositivos IoT, consigue hacer llegar a todos los integrantes de la obra civil la información que necesitan de una manera inmediata, sencilla y personalizada.

Un aspecto importante es que su instalación y puesta en marcha no interfiere en los procesos constructivos.

Estos sistemas son confiables, toda la información analítica es fidedigna y está disponible en cualquier lugar mediante diferentes dispositivos cotidianos con acceso a internet. Además, en su diseño ha primado la inmediatez en el acceso a la información y la facilidad de uso, convirtiéndolo en una herramienta útil e imprescindible.

www.bigm.es