Volumen 16, Numero 63

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA

DIRECTORIO DE LA REVISTA UNIVERSIDAD, CIENCIA Y TECNOLOGÍA Directora: Dra. Minerva Arzola

Vol. 16, Nº 63, junio 2012 Revista trimestral editada por la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz.

INDIZADA EN:  Actualidad Iberoamericana  Aluminium Industry Abstracts  Corrosion Abstracts  CSA Engineering Research Database  CSA Materials Research Database with METADEX  CSA Recent References Related to Technology  CSA Technology Research Database  Environment Abstracts  LATINDEX  Mechanical & Transportation Engineering Abstracts  METADEX  REVENCYT  Colección SciELO Venezuela (www.scielo.org.ve) REGISTRADA EN:  Ulrich΄s Internacional Periodicals Directory

Nuestra Portada:

Convertidor Estático.

Convertidor estático para aplicaciones específicas: control de máquinas eléctricas, mejora de la calidad de la energía eléctrica, ahorro energético, equipos de test para componentes eléctricos de potencia y micro-convertidores Harvest altamente eficientes.

Fuente: Pagina web del Grupo de investigación IE3P de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona (EUETIB).

Editor: Dr. Luis Rosales Comité Editorial (en orden alfabético): Dr. Angel Custodio Dra. Mayra D’Armas Dr. Herman Fernández Dra. Linda Gil Dr. Luis Rosales Dr. Ovidio León MSc. Sady Zurita Autoridades Nacionales de la UNEXPO Rectora: Lic. Rita Añez Vice-Rectora Académica: Dra. Fraisa Codecido Vice-Rectora Administrativa: Msc. Mazra Morales Secretaria: Ing. Magly de Peraza Autoridades Regionales, Vicerrectorado Puerto Ordaz Vice-Rector: Dr. Ovidio León Director Académico: Ing. Carlos Pietri Director Administrativo: Msc. Miguel Leyton Directora de Investig. y Postgrado: Dra. Minerva Arzola Administración y transcripciones TSU Zorelys Romero Diseño Portada Tec. Miguel Torres Composición: Dra. Mayra D’Armas Impresión: Dirección de Investigación y Postgrado, UNEXPO Puerto Ordaz

Publicación Financiada por:  Dirección de Investigación y Postgrado, UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz.

Los artículos, opiniones y colaboraciones que se publican en esta revista no representan necesariamente la filosofía informativa ni institucional de la UNEXPO y podrán ser reproducidos previa autorización del Editor. En caso de reproducción se agradece citar la fuente y enviar ejemplares del medio utilizado a la UNEXPO, a la siguiente dirección: Dirección de Investigación y Postgrado, UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Alta Vista Sur, Urb. Villa Asia, Final Calle China, Apdo. Postal 8050. Puerto Ordaz, Estado Bolívar, Venezuela. Telf./fax (0286) 9625245-9611382. Email: uripo.revista.uct@gmail.com, zorelysromero874@hotmail.com

CONTENIDO

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 16, Nº 63, Junio 2012 ISSN 1316-4821

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Árbitros AMBIENTE

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Galván Rico Luis, Ademir Clemente, Reyes Gil Rosa. Diagnóstico Ambiental en el sector Industrial de Paraná Brasil.

EDUCACIÓN 85

Rojas Néstor Gregorio, Carretero Torres María de los Reyes, Álvarez Valdivia Ibis M. Estrategia Colaborativa de enseñanza de las matemáticas para Estudiantes de Ingeniería.

ELECTRICIDAD 93

Caraballo J., Bermúdez Omar. Herramienta Computacional para monitorear la estabilidad de tensión en sistemas de potencia empleando tecnología de medición sincronizada de Fasores.

Rivera Ch. Mariam., Bermúdez Omar. Estudio y modelación de dispositivos FACTS para el 104 control de tensión y potencia reactiva en el sistema Eléctrico Nacional.

ELECTRÓNICA DIGITAL Hernández Ernesto, Cabrera Alejandro, Sánchez Santiago. Implementación hibrida hardware 114 software del algoritmo de detección de rostros de Viola-Jones sobre FPGA.

MECÁNICA Mendoza Jesús Alberto, Caraballo Simón, Solís Daniela, Gómez Orlando. Influencia de las 125 dilataciones térmicas en la descalibración del movimiento paralelo de las tres cuchillas de puesta a tierra de un seccionador eléctrico.

NOTA TÉCNICA 142

149

Barrios Marianna. Categorización del desgaste laboral en una unidad de negocio.

Normas de Publicación 74

Árbitros Dr. Genni Aguilar-Hospital de Clínicas Caroní, Puerto Ordaz

Dr. Dimas Mavares- UNEXPO Barquisimeto

Dr. Alberto Jesús Andrade-LUZ

Dr. Agustín Mejías- Universidad de Carabobo

Dra. Minerva Arzola-UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Fernando Mora- USB

Dr. Orlando Ayala-UDO, Puerto la Cruz

MSc. Scandra Mora- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Máximo Benavides-UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Luis Moreno- Royal Institute of Technology, Suecia

Dra. Ingrid Berrueta-UNEXPO, Barquisimeto

Dr. Jorge Mostany- USB

Dr. Ali Bahsar-ULA

MSc. Ángel Olivier- UNEXPO Puerto Ordaz

Dra. María Carolina Blanco-UNEXPO Barquisimeto

Dr. Adelmo Ortiz Conde- USB

MSc. José Borjas-UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Gianfranco Passariello- USB

MSc. Antonio Bravo-UNET MSc. Edwuin Carrasquero- UCV

Dr. Rafael Pérez Jiménez-Univ.de las Palmas, Gran Canarias

Dr. José Contreras-ULA Dr. Roberto Corral-Universidad de La Habana

Dr. Dester Perdomo- CUJAE, La Habana Dra. Olga Prado- SIDOR

Dr. Julio Cruz- USB

Dr. Eli Saúl Puchi- UCV

Dr. Ángel Custodio-UNEXPO Puerto Ordaz

MSc. Richard Resplandor- UNEXPO Puerto Ordaz

Dra. Mayra D’Armas- UNEXPO Puerto Ordaz Dr. Ramón Depool- UNEXPO Barquisimeto

Dra. Rosa Reyes- USB Dr. Ernesto Rodríguez Denis- ISPJAE, La Habana

Dr. Héctor Fernández- UNEXPO Puerto Ordaz

MSc. Gonzalo Rodríguez- EDELCA, Caracas

Dr. Herman Fernández- UNEXPO Puerto Ordaz

Ing. Luis Rojas Malavé- UNEXPO Barquisimeto

Dr. José Folgueras- ICID, La Habana

Dr. Rubén Rojas- ULA

MSc. Zulay Franco- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Francisco Javier Rosas-ULA

Dr. Luis Galván- USB

Dr. Luis Rosales- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Francisco García Sánchez- USB

Dr. Augusto Ruiz- USB

Dr. Luis García- UNEXPO Puerto Ordaz MSc. Charlo González- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. José Ramón Rus- Fundación Instituto de Ingeniería, Caracas

Ing. Dosinda González- USB

MSc. Luz Esther Salazar- UNEXPO Puerto Ordaz

Dra. Gema González- IVIC

Dr. Eugenio César Sánchez-ISPJAE, La Habana

MSc. Jesús González- UNEXPO Puerto Ordaz Dr. Leonardo González- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. Miguel Sánchez Gómez-LUZ

Dr. Rafael Guevara- UNEXPO Puerto Ordaz

Dr. José Sarabia- UNEXPO Barquisimeto

Lic. Huáscar Guilarte-UNEXPO, Puerto Ordaz

Dr. Benjamín Scharifker- USB

Dr. Víctor Guzmán- USB Dr. Diego Jugo- ULA

Dr. José Manuel Sierra-Universidad de Oviedo, España

Dr. Jesús López- UNEXPO Puerto Ordaz Dra. Gertrudis Márquez- VENALUM Dr. Jairo Márquez- ULA

Dr. Nando Troyani- UDO Puerto La Cruz

Dra. Olga Márquez- ULA

Dra. Sara Wong- USB

Dr. Franklin Mendoza- UNEXPO Puerto Ordaz

Ing. José Sánchez Medina- UNEXPO Puerto Ordaz

Dra. Mariana Staia- UCV Dra. Carmen Luisa Vásquez- UNEXPO Barquisimeto Dr. Vijande-Universidad de Oviedo, España

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012

DIAGNÓSTICO AMBIENTAL EN EL SECTOR INDUSTRIAL DE PARANÁ, BRASIL Galván Rico, Luis1 Clemente, Ademir1 Reyes Gil, Rosa1 (Recibido febrero 2012, Aceptado mayo 2012) 1

Universidad Simón Bolívar rosa.reyes@gmail.com

Resumen: La legislación ambiental vigente en los países de Latinoamericana y el mundo, así como la creciente preocupación de la población por los problemas ambientales, ha obligado a muchas empresas a buscar soluciones a los problemas generados por sus actividades. En este trabajo se presenta la evaluación de los principales mecanismos de gestión ambiental, la disposición a invertir en conservación y la adopción de la producción limpia del sector industrial de Paraná, Brasil. La investigación involucró a 393 empresas, las cuales respondieron a un cuestionario estructurado para tal fin. Los resultados indican que las empresas estudiadas defienden la importancia de generar productos ecológicamente amigables, pero en líneas generales, no pretenden invertir en los mismos. Las industrias analizadas (65,4%) perciben que las mejores políticas a favor de la conservación ambiental son los controles rígidos de efluentes y emisiones. El 71,9% de las empresas estudiadas están dispuestas a realizar cambios en los procesos y productos por razones que beneficien al ambiente. Sin embargo, el 46,9% de ellas los consideran muy costosos y sostienen que los consumidores no distinguen los productos amigables con el ambiente. El 73,7% de las empresas estudiadas utiliza principalmente el entrenamiento como mecanismo para la conservación ambiental.

Palabras clave: Conservación/ Estrategias Ambientales/ Gestión Ambiental/ Sector industrial/ Paraná/ Brasil.

ENVIRONMENTAL DIAGNOSIS IN THE INDUSTRIAL SECTOR OF PARANÁ, BRASIL Abstract: The environmental policies in Latin America and the world, and the growing public concern about environmental problems have forced many companies to adopt procedures for improvement solutions to the problems generated by their activities. This paper presents the evaluation of the main mechanisms for environmental management, the willingness to invest in environmental conservation and the adoption of cleaner production in the industrial sector of Parana, Brazil. The research involved 393 companies, which responded to a structured questionnaire for this purpose. The results indicate companies advocate the importance of creating environmentally friendly products, but in general, are not intended to invest in them. Industries (65,4%) perceive that the best policy for environmental conservation is a tight control of effluents and emissions. 71.9% of the sampled companies are ready to make changes in products and processes for environmental reasons. However, the 46,9 of them consider too expensive and evaluate that consumers do not distinguish between environmentally friendly products and those who are not. 73,7% of the companies used training as a mechanism for environmental conservation.

Keywords: Conservation/ Environmental Strategies/ Environmental Management/ Industrial Sector/ Paraná/ Brazil

I. INTRODUCCIÓN El progresivo deterioro del ambiente como consecuencia de las múltiples actividades industriales y la posibilidad tangible del agotamiento de los recursos, ha conducido a estudiar el impacto depredador del ser humano y sus actividades sobre el ambiente, en un intento por entender sus dimensiones y proponer medidas preventivas, de control y/o de remediación [1, 2]. Muchas industrias generan graves problemas ambientales, por la gran cantidad y diversidad de sus procesos de producción y por la naturaleza contaminante de los mismos, lo cual ha

incrementado la preocupación por mantener y mejorar la calidad del ambiente.

Simultáneamente, la posición crítica de las comunidades receptoras de los efectos negativos de la producción industrial, tales como: la crisis de la basura y los desechos peligrosos, el efecto invernadero, la lluvia ácida y la disminución de la capa de ozono, ha obligado a las empresas a tomar decisiones para remediar la situación de rechazo social generada por el sector industrial [3]. Estas soluciones se han manifestado a través de diversas líneas de acción, entre las que destacan el establecimiento de controles, el desarrollo de políticas y legislaciones en

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 materia ambiental que buscan resguardar el ambiente mundial, la difusión de campañas formativas e informativas, el establecimiento de programas de educación ambiental y la adopción de herramientas de gestión ambiental por parte de las empresas [7, 8, 9].

Para los países en desarrollo, que necesitan seguir promoviendo las actividades económicas para mejorar el nivel de vida de sus habitantes, la percepción inicial que el respeto al ambiente imponía una limitación a la actividad económica ha cambiado [4, 5, 6]. Los consumidores de bienes y servicios y la sociedad en general son cada vez más exigentes hacia las empresas en cuanto a la protección del ambiente y a la solución de problemas ambientales.

La aplicación de herramientas de gestión ambiental constituye un elemento fundamental dentro de las modernas estrategias empresariales, ya que permiten mejorar el desempeño ambiental de una empresa, sin afectar su rentabilidad e inclusive aumentándola, ya que su adopción lleva implícitos conceptos de calidad y eficiencia técnica [10, 11, 12]. Sin embargo, la solución total de los problemas ambientales generados, representa una considerable inversión financiera como capital de riesgo con los costos asociados a ella. Se necesitan varios factores para que se perciba un incremento en la rentabilidad de las empresas con la adopción de estrategias de gestión ambiental. Entre estos factores se encuentran la legislación ambiental vigente, la reacción de los consumidores, la opinión pública y el efecto que tiene esta inversión sobre otras empresas competidoras [13].

Al final de la década de los años 80 del siglo pasado, muchos países tomaron conciencia de la necesidad de preservar y proteger el ambiente y de explotar sus recursos naturales con criterios de sostenibilidad [14, 15, 16]. Esta nueva actitud representa un reto para las industrias modernas, convirtiéndola en un valor agregado que les otorga una ventaja competitiva al comercializar exitosamente sus productos y al garantizar a la opinión pública que, aunque realizan “actividades susceptibles de degradar el ambiente”, éstas se manejan con criterios adecuados. En tal sentido, el entramado industrial mundial ha venido adoptando progresivamente la utilización de Sistemas de Gestión Ambiental (SGA). Aunque en Europa son muy utilizados tanto el Estándar Británico (BS) como el Esquema de Eco-gestión EMAS de la Unión Europea, en Asia y América la herramienta más utilizada es la Norma o Estándar ISO 14001[17], especialmente por las industrias manufactureras y de procesos [11].

Particularmente en el caso de Brasil, país donde se realizó la presente investigación, la toma de conciencia ecológica está lejos de ser fuerte y generalizada. Desde la última década de este siglo, el consenso oficial es que los peores problemas del país son el hambre y la miseria, restando importancia a los graves problemas de contaminación generados por la actividad industrial [18, 19]. Esto quiere decir que los consumidores generalmente no exigen

productos ecológicamente correctos y no están dispuestos a pagar ningún diferencial incremental de precio por ellos [18]. A diferencia del comportamiento observado en las sociedades desarrolladas con altos niveles de ingresos, la faja de consumidores brasileños con poder adquisitivo semejante, no considera importante el reconocer el valor de los productos amigables con el ambiente [19, 20, 21].

En Brasil, como en todo el mundo, se generalizó el discurso oficial relativo a la responsabilidad ambiental de las empresas, al mismo tiempo que se informó sobre la posibilidad inminente de la destrucción de varios ecosistemas importantes y sobre los costos astronómicos de recuperación del ambiente. A pesar de estos hechos, raramente son implementadas las estrategias empresariales centradas en el ambiente y el marketing ambiental de las empresas [18, 22, 23]. Una explicación para este hecho, podría ser que la configuración de las cadenas productivas de las actividades industriales que ejercen los mayores impactos sobre el ambiente está situada lejos del consumidor final. Sin embargo, esa posibilidad solamente confirmaría la incapacidad casi absoluta del consumidor para reconocer y valorizar los productos ecológicamente correctos [11, 24]. También debe destacarse que la globalización de la economía y la integración de los mercados presentan un alcance restringido sobre la industria brasileña respecto al valor estratégico de las políticas ambientales. La adopción de las normas ISO 14000 puede ser un factor importante y necesario para la exportación de los productos brasileños, pero estos patrones sólo se extienden a la producción destinada al mercado externo [21, 25, 26, 27].

El objetivo de la presente investigación es diagnosticar el estado del arte de las empresas del sector industrial de Paraná en materia ambiental. Específicamente, este trabajo busca respuestas a preguntas tales como: ¿Ser ecológicamente amigable es un requisito de calidad que debe fomentar su empresa? ¿Las empresas deberían hacer inversiones en conservación ambiental? ¿Por cuales razones? ¿Cuál es la mejor política empresarial para conservar el medio ambiente? ¿Adoptar rígidos controles de efluentes y emisiones? ¿Invertir en investigación y tecnologías limpias? ¿Realizar campañas publicitarias? ¿Reducir costos? ¿Cuáles mecanismos específicos posee su empresa para la conservación ambiental? ¿Su empresa haría cambios en los procesos y productos por razones ambientales? ¿Su empresa adopta alguna política de uso racional y sustentable de sus insumos? ¿Cuáles son las principales ventajas económicas de la adopción de procesos de producción amigables con el ambiente por las empresas? ¿Y los obstáculos? ¿Qué nivel de la estructura organizacional de su empresa se encarga de la gerencia ambiental? ¿Su empresa promueve el entrenamiento ambiental? ¿Para cuales sectores? ¿Por qué las empresas, independientemente del ramo de actividad, raramente adoptan una actitud firme y clara de conservación ambiental?

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 En esta investigación se utilizó como herramienta de recolección de datos, un cuestionario diseñado por los autores y validado para tal fin por expertos de varias universidades en el área ambiental. Este cuestionario fue aplicado a las empresas registradas en la Federación de Industrias del Estado de Paraná (FIEP) y los resultados que se presentan corresponden a las respuestas ofrecidas aleatoriamente por 393 de estas empresas. Este trabajo está estructurado en cuatro apartados: la introducción que presenta una panorámica del problema ambiental a nivel general y el caso particular de Brasil; el desarrollo del trabajo subdividido en la metodología utilizada para la realización de la investigación, los resultados y la discusión de los mismos; las conclusiones del trabajo, y por último las referencias bibliográficas consultadas que dan sustento teórico a la investigación.

mostraron como evidentes los problemas de contaminación hasta entonces prácticamente desconocidos. La mayor parte de los grandes proyectos industriales recientemente instalados son de propiedad extranjera, las mayores inversiones tuvieron decisiva participación del gobierno estatal y trajeron consigo la cultura de las empresas de origen [18, 26, 27].

II. DESARROLLO

Levantamiento de información. Esta investigación fue realizada entre los años 2004 y 2008. La Tabla I, muestra el cuestionario utilizado. Este cuestionario se elaboró considerando los siguientes elementos de interés: calidad del producto, modificación de los procesos, mecanismos de conservación ambiental, políticas para la protección ambiental, sectores para el entrenamiento ambiental, inversiones en materia ambiental, productos ecológicamente amigables, estrategias para la gestión ambiental y manejo adecuado de los recursos.

1. Metodología Sitio de estudio. La presente investigación fue realizada en las zonas industriales del Estado de Paraná, ubicado al sur de Brasil. Este estado cuenta con una población aproximada de 10 millones de habitantes y se destaca por el acelerado crecimiento industrial observado en las tres últimas décadas. El paisaje económico de la región se alteró profunda y definitivamente en los últimos años y se

Composición de la muestra. El universo del estudio está formado por las empresas registradas en la Federación de Industrias del Estado de Paraná (FIEP). Para colectar la información se diseñó un cuestionario contentivo de 14 preguntas, el cual fue validado por expertos de la Universidad Federal de Paraná y la Universidad Simón Bolívar y posteriormente aplicado al conjunto de empresas registradas en el FIEP. Los resultados que se presentan corresponden a las respuestas ofrecidas voluntaria y aleatoriamente por 393 de estas empresas.

Tabla I. Cuestionario utilizado en la investigación involucrando a 393 empresas del sector industrial de Paraná e identificación de las preguntas.

1.

2.

3.

PREGUNTA ¿Cuál es la estrategia de mayor importancia para su empresa en el año 2005? a) ( ) Satisfacción del cliente b) ( ) Desarrollo de negocios c) ( ) Innovación y desarrollo de productos d) ( ) Flexibilidad para incorporar nuevos productos e) ( ) Satisfacción de los empleados f) ( ) Capacitación de los empleados g) ( ) Responsabilidad social h) ( ) Impacto ambiental i) ( ) Ingeniería/Diseño j) ( ) Servicio al usuario k) ( ) Otra ¿Cuál es la situación de su empresa en cuanto a la calidad? a) ( ) No hubo mejoras en la calidad del producto b) ( ) Existen esfuerzos para la mejora de la calidad de los proveedores c) ( ) Los empleados están participando en algún proceso de mejora continua d) ( ) Hubo mejoras significativas en la calidad del producto en los últimos años. ¿Cuáles mecanismos específicos para la conservación ambiental posee su empresa? a) ( ) Entrenamiento b) ( ) Programas de acción c) ( ) Manual de procedimientos d) ( ) Evaluaciones de impacto ambiental e) ( ) Indicadores ambientales f) ( ) Auditorias g) ( ) Sistemas de Gestión Ambiental (SGA) h) ( ) Convenios i) ( ) Programas de investigación j) ( ) Otras

IDENTIFICACIÓN

ESTRATEGIA DE LA EMPRESA

CALIDAD

MECANISMOS PARA LA CONSERVACION AMBIENTAL

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13. a) b) c) d) e) f) 14.

PREGUNTA IDENTIFICACIÓN Su empresa promueve el entrenamiento ambiental para: a) ( ) Directores ENTRENAMIENTO b) ( ) Empleados AMBIENTAL c) ( ) Subcontratados d) ( ) No promueve En relación con las inversiones en conservación ambiental, las empresas deberían: a) ( ) Evitarlas tanto como sea posible INVERSIONES EN b) ( ) Sólo para atender las exigencias legales CONSERVACION c) ( ) Invertir porque es lucrativo AMBIENTAL d) ( ) Invertir porque es ético Ser ecológicamente amigable es un requisito de calidad que usted considera: a) ( ) Muy importante PRODUCTOS b) ( ) Poco importante ECOLOGICAMENTE c) ( ) Básico AMIGABLES d) ( ) Irrelevante ¿Cuál es la mejor política para conservar el medio ambiente? a) ( ) Adoptar rígidos controles de efluentes y emisiones.

POLITICAS PARA LA b) ( ) Invertir en investigación y tecnologías limpias CONSERVACION c) ( ) Realizar campañas publicitarias DEL AMBIENTE d) ( ) Reducir costos En su opinión, ¿por qué las empresas, independientemente del ramo de actividad, raramente adoptan una actitud firme y clara de conservación ambiental? a) ( )Falta de información AUSENCIA DE b) ( )Falta de capital para invertir POLÍTICAS c) ( )Falta de interés d) ( )La estructura de la empresa no lo permite e) ( ) Otra ¿Usted haría cambios en los procesos y productos de su empresa por razones ambientales?

CAMBIOS EN a) ( ) Si PRODUCTOS Y b) ( ) No PROCESOS c) ( ) Tal vez La capacidad del mercado consumidor para percibir la diferencia de los productos ecológicamente amigables es: PERCEPCION DE a) ( ) Despreciable PRODUCTOS b) ( ) Incierta ECOLOGICAMENTE c) ( ) Moderada AMIGABLES d) ( ) Elevada ¿Cuál es el principal obstáculo para la adopción de procesos de producción amigables con el ambiente OBSTACULOS PARA por las empresas?

ADOPTAR a) ( ) Son muy caros PROCESOS b) ( )La estructura organizacional de las empresas no lo permite ECOLOGICAMENTE c) ( )Demanda mano de obra especializada AMIGABLES d) ( ) No son lucrativos ¿Cuál es la principal ventaja de la adopción de procesos de producción amigables con el ambiente por las empresas?

VENTAJAS DE LA a) ( ) Conservación del ambiente para las generaciones futuras ADOPCION DE b) ( ) Mejor imagen de la empresa en el mercado PROCESOS c) ( ) Cumplimiento con la leyes ECOLOGICAMENTE d) ( ) Reducción de costos, mano de obra materia y energía.

AMIGABLES e) ( ) Otra.

La gestión ambiental en su empresa es realizada a través de: ( ) División de Seguridad Industrial ( ) Unidad de Gestión Ambiental GESTION ( ) Personal contratado AMBIENTAL ( ) Asesoría externa ( ) No posee ( ) Otro ¿Su empresa adopta alguna política de uso racional y sustentable de sus insumos?

USO RACIONAL DE a) ( ) Si LOS RECURSOS b) ( ) No

2. Resultados y Discusión 2.1. Estrategia de la empresa Vs. Calidad.

Los resultados obtenidos para las primeras dos preguntas del instrumento utilizado indican que para las empresas estudiadas es muy importante satisfacer a sus clientes; sin embargo, no se registraron mejoras en la calidad de los

productos (ver Figura 1). Esto representa una contradicción importante, ya que aunque para las industrias es sumamente importante mantener contentos a sus clientes, no se aplican mejoras al producto que puedan satisfacer aún más a los mismos.

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67,45 % de los encuestados no mejoró la calidad del producto

k j

64,58% Piensa que lo más importante para el 2005 es la satisfacción del cliente.

i

Opciones

h g f

Calidad

e

Estrategia

d c b a 0

10

20

30

40

50

60

70

Porcentaje (%) Figura 1. Estrategia de la empresa Vs. Calidad

2.2. Mecanismos para la conservación, Entrenamiento en Inversiones a nivel Ambiental Vs. Productos ecológicamente amigables.

La Figura 2 muestra que el 73,7% de las empresas utiliza el entrenamiento como mecanismo para la conservación ambiental. Sin embargo, las respuestas a esta pregunta son heterogéneas y gran parte de los encuestados sugieren otros mecanismos tales como: programas de acción, manual de procedimientos y evaluaciones de impacto ambiental. La menor parte de la muestra estudiada prefiere utilizar la vía de convenios, programas de investigación y otros mecanismos.

Se evidencia que el entrenamiento para la conservación ambiental va dirigido principalmente a los directivos de las empresas (47,1%). Por otra parte, las industrias evitan tanto como sea posible invertir en la conservación ambiental. Estos resultados indican que aunque las empresas parecen ofrecer cierto entrenamiento dirigido a la conservación ambiental, no están dispuestos a invertir como se debería en la misma. Con base en esto, se puede presumir que para evitar los gastos a nivel de ambiente,

las industrias sólo llevan el entrenamiento a directivos y no a empleados, de este modo la información con respecto a la conservación del ambiente esta reducida a unos pocos. Si el entrenamiento se dirigiera a todo el personal la conservación ambiental sería más evidente y efectiva.

Es muy importante resaltar que aunque las industrias en su mayoría defiende que es de gran importancia generar productos ecologicamente amigables, no pretenden invertir en los mismos (66,7%) y no aportan el entrenamiento necesario para que esto se concrete.

2.2. Políticas para la conservación ambiental Vs. Ausencia de ellas.

La Figura 3 evidencia que en su mayoría las industrias perciben que las mejores políticas a favor de la conservación ambiental son los controles rígidos de efluentes y emisiones (65,4%). Por otra parte, esta misma mayoría indica que la ausencia de políticas para la conservación se debe a la falta de información de las empresas (50%).

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 i 26,56 % utiliza el entrenamiento como mecanismo para la conservación.

h 47,14 % promueve el entrenamiento a directores.

Opciones

g

44,01 % evita tanto como sea posible la inversión a nivel ambiental.

f

66,67 % evita tanto como sea posible la inversión a nivel ambiental.

e d c b a 0

10

20

30

40

50

60

70

Porcentaje (%) Pdtos. ecologicamente amigables

Inversiones

Entrenamiento

Mecanismos

Figura 2. Mecanismos para la conservación, Entrenamiento e Inversiones a nivel Ambiental Vs. Productos ecológicamente amigables.

65,36 % indica que la mejor política para la conservación es el control rígido de efluentes y emisiones.

e

Opciones

d

50 % cree que la ausencia de políticas se debe a la falta de información.

c

b

a 0

10

20

30

40

50

60

70

Porcentaje (%) Ausencia de políticas

Políticas

Figura 3. Políticas para la conservación ambiental Vs. Ausencia de ellas.

2.4. Cambios en Productos y Procesos.

Como los resultados indican (Figura 4), el 71,9 % de la muestra estudiada está dispuesta a realizar cambios en los

productos y procesos por razones que beneficien al medio ambiente, mientras que cerca del 20% de la muestra aún no está segura de hacerlo.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012

c

e Inversiones a nivel Ambiental Vs. Productos ecológicamente amigables (Figura 2), evidencia que las empresas no están dispuestas a invertir en lo relacionado a la conservación ambiental.

Opciones

71,88 % están dispuestos a cambiar sus productos y procesos por razones ambientales.

b

2.5. Percepción, Obstáculos y Ventajas de Productos y Procesos Ecológicamente Amigables.

En la Figura 5 se puede observar que las empresas están concientes de la ventaja de la adopción de procesos ecológicamente amigables, sin embargo la mayoría lo consideran muy costosos y piensan que los consumidores no distinguen entre productos amigables con el ambiente y los que no lo son. Con este diagrama de barras se puede presumir que la razón por la cual las industrias no quieren inventir en la conservación ambiental es, porque además de gastar mucho dinero en estos procesos, los productos amigables con el medio ambiente no difieren, según los consumidores, de aquellos que no lo son.

a 0

20 40 Cambios en pdtos. y procesos

60 Porcentaje (%)

Figura 4. Cambios en Productos y Procesos.

Si bien estos resultados indicarían una posición pro – ambientalista de las empresas, los resultados relacionados con los Mecanismos para la conservación, Entrenamiento

41,93 % cree que la percepción ante productos ecológicamente amigables es despreciable.

e

46,88 % dicen que el obstáculo para adoptar procesos ecológicamente amigables es que son muy costosos.

d Opciones

los

c

73,18 % indican que la ventaja de los procesos amigables con el ambiente es la conservación.

b

a 0

10

20

30 Ventajas

40

50

Obstáculos

Percepción

60

70

80

Porcentaje (%)

Figura 5. Percepción, Obstáculos y Ventajas de los Productos y Procesos Ecológicamente Amigables.

2.6.Gestión ambiental Vs. Uso Racional de los Recursos.

La Figura 6 indica que el 42,5% de las empresas estudiadas no tienen políticas de uso racional y sustentable de los insumos. Sin embargo, gran parte de la muestra dice tener en sus empresas entidades encargadas

de la gestión ambiental como División de Seguridad Industrial, Unidad de Gestión Ambiental, personal contratado u otro. La minoría de los encuestados parece no tener ningún método de gestión ambiental o contrata asesoría externa.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 f 30,99 %realiza la gestión ambiental por medio de una División de Seguridad Industrial.

Opciones

e d

42,45 % no adopta políticas de uso racional de los recursos.

c b a 0

5

10

15

20

Uso Racional de los Recursos.

25

30

35

Gestión Ambiental

40

45

Porcentaje (%)

Figura 6. Gestión ambiental Vs. Uso Racional de los Recursos.

III. CONCLUSIONES 1. En su mayoría, las empresas estudiadas defienden la importancia de generar productos ecologicamente amigables, pero no pretenden invertir en los mismos y no aportan el entrenamiento necesario para que esto se concrete.

2. Las industrias perciben que las mejores políticas a favor de la conservación ambiental son los controles rígidos de efluentes y emisiones. El 71,9 % de las empresas estudiadas están dispuestas a realizar cambios en los productos y procesos por razones que beneficien al medio ambiente. Sin embargo la mayoría los consideran muy costosos y piensan que los consumidores no distinguen entre productos amigables con el ambiente y los que no lo son.

3. El 42,5% de las empresas estudiadas no tienen políticas de uso economicamente racional y sustentable de los insumos. Sin embargo, gran parte de la muestra dice tener en sus empresas entidades encargadas de la gestión ambiental como División de Seguridad Industrial, Unidad de Gestión Ambiental, personal contratado u otro.

4. La mayoría de las empresas estudiadas utiliza el entrenamiento como mecanismo para la conservación ambiental. Sin embargo, gran parte de los encuestados seleccionaron otros mecanismos tales como: programas de acción, manual de procedimientos y evaluaciones de impacto ambiental.

5. La importancia de esta investigación radica en conocer como se encuentra el sector industrial en cuanto a sensibilización y aplicación de las principales estrategias dirigidas a la protección del ambiente. Esta información puede ser utilizada como punto de partida o línea base, que permita la comparación con estudios futuros para evaluar si a cambiado la situación ambiental en el sector. De igual modo, como informació inicial, para la realización de auditorías internas que permitan la adopción de estrategias efectivas para la protección del ambiente, o auditorias gubernamentales para el cumplimiento de la normativa ambiental vigente en Brasil para el sector industrial.

IV. REFERENCIAS 1. Banco Interamericano de Desarrollo y Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (BID-PNUD).

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012

ESTRATEGIA COLABORATIVA DE ENSEÑANZA DE LAS MATEMÁTICAS ENTRE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA Rojas, Néstor 1 Carretero Torres, María De los Reyes 2, Álvarez Valdivia, Ibis 3 (Recibido marzo 2012, Aceptado junio 2012) 1

Centro de Investigación de Matemática Educativa Pura y Aplicada, UNEXPO, Puerto Ordaz, Venezuela 2 Universidad de Girona 3 Universidad Autónoma de Barcelona

ngrojas@unexpo.edu.ve Resumen: Este artículo resume una investigación realizada en el contexto universitario, cuyo propósito

es introducir una alternativa de enseñanza de las matemáticas y asignaturas afines, en diferentes carreras de ingeniería. En concreto se valida una estrategia de enseñanza y aprendizaje entre iguales como alternativa a la clase magistral que suele aplicarse en las aulas. La investigación se realiza a través de la metodología de investigación acción participante. En total participaron 60 estudiantes (dos secciones), 2 preparadores como facilitadores, y 2 profesores, en la asignatura matemática I, como materia básica de 5 carreras de ingeniería. Como resultado se logra proponer una metodología para estudiar programas de apoyo académico estudiantil y se concreta una estructura de clases basada en grupos colaborativos.

Palabras clave: Colaboración/ Aprendizaje entre iguales/ Enseñanza de las matemáticas/ Educación universitaria/ Investigación Acción Participante

COLLABORATIVE MATHEMATICS TEACHING STRATEGY AMONG ENGINEERING STUDENTS Abstract: The present article sums up a research which was made at the university context and its

purpose is to present, from a collaborative strategy in the classroom, an alternative of teaching mathematics and related subjects. This experience was developed on the base of a program called tutorship program (an academic tutorial among students), at which “star” students realize the teaching function at different engineering careers participating in an alternative learning space grounded on the relation among peers. Through a qualitative research design, it gets to propose certain methodology for studying programs of academic scholar support and it is set a structure of classes for the subject Mathematics I, based on collaborative groups.

Keywords: Collaboration/ Peer learning/ Mathematics education/ Higher education/ Participatory action research.

I. INTRODUCCIÓN Los sistemas de potencia están sometidos a perturbaciones ya sean de corta o larga duración, ante estos efectos se debe La problemática que atraviesa la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” (UNEXPO), Puerto Ordaz, Venezuela, relacionada con altos índices de repitencia, deserción y bajo rendimiento en asignaturas tipificadas como “críticas” (matemáticas, física, química, álgebra y computación), motivó el desarrollo de una iniciativa investigativa enmarcada en una tesis doctoral del Programa de Doctorado Intervención Psicopedagógica en Contextos Educativos de la Universidad de Girona, dirigida al

aprovechamiento de un espacio alternativos para la enseñanza y el aprendizaje [1].

A través del programa de preparadurías, los estudiantes se relacionan en un ambiente de aprendizaje, sin la presencia del profesor, en condiciones de igualdad y con procesos de comunicación más dialógicos que en sus clases habituales. El propósito de la investigación, se relaciona con explotar positivamente esas asimetrías, en procura de encontrar una metodología de enseñanza – aprendizaje en las matemáticas, extrapolable a otras asignaturas, generadora de espacios participativos, donde el alumno pueda potenciar su condición activa en pro de su formación y avance académico.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 En los anuarios estadísticos de esta institución universitaria, se evidencia que más del 65% de los estudiantes se encuentran represados en los tres primeros semestres de las carreras de ingeniería, dificultando su ingreso al ciclo profesional. Esta situación afecta de forma determinante el tiempo de egreso que, en varias oportunidades, se ha registrado en índices de productividad graduacional mayores a 7 años y medio, en carreras diseñadas para ser culminadas en cinco años.

Así mismo, pueden observarse indicadores sostenidos por más de quince años, donde más del 50% de los estudiantes que cursan matemática I, física I, química general, entre otras materias, resultan reprobados, generando una alta repitencia académica, sin detallar el bajo rendimiento obtenido por aquellos que son promovidos. La complejidad de este problema obligó a la UNEXPO, por ejemplo, a aperturar catorce secciones compuestas por estudiantes en situación de repitencia en matemática I, durante el semestre 2010-1 de un total de 23. Estos rasgos del desempeño estudiantil, a pesar de que no representan la totalidad y menos aún la complejidad estructural de la problemática académica que existe en la UNEXPO, constituyen un factor de preocupación que motiva a realizar un proceso de investigación – acción de cara a un cambio educativo.

Esta particularidad de la UNEXPO, la podemos relacionar con los problemas y exigencias más complejas que afectan hoy a la educación universitaria, como son la masificación, el fracaso académico, la poca pertinencia social en la formación profesional, la caducidad del conocimiento y los retos que plantea la sociedad del siglo XXI a estas instituciones, especialmente los vinculados a las nuevas relaciones que se dan hoy en el mundo laboral, la penetración de las TIC en la vida cotidiana, la sociedad de la información y la competitividad.

En la Sociedad de la Información y la competitividad está en función de lo que se sabe, de cómo se utiliza lo que se sabe y de la capacidad para aprender cosas nuevas y, en esto, la formación universitaria ha quedado un poco rezagada. A pesar de que se han promovido cambios de las estructuras universitarias, dentro y fuera de las universidades, la conciliación universidad-sociedad actual, no marcha al ritmo de las exigencias [2].

En este sentido, las instituciones universitarias requieren de un cambio profundo, pero el cambio, es un proceso complejo, no dependiente de voluntades individuales o reformas estructurales, este requiere de la concienciación de los miembros de la comunidad y de su formación para movilizar sus energías en una dirección innovadora que pueda institucionalizarse y esto va más allá de las voluntariedades o del trabajo en solitario [3]. Desde esta perspectiva, soportamos nuestra propuesta para ir abordando las dificultades en la UNEXPO, con la participación de los actores, hasta que la cultura institucional las asimile.

El proceso de cambio que se está promoviendo, parte de las transformaciones en el aula, donde se trata de poner en

práctica principios socioculturales y constructivistas, en los cuales se valora, por una parte, la influencia que ejercen el contexto, las relaciones sociales y los procesos de comunicación en la enseñanza - aprendizaje y, por la otra, las capacidades del alumno, otorgando preponderancia a su condición activa, conocimientos previos y la autonomía [4].

A partir de esta concepción sociocultural constructivista, se revaloriza la necesidad de generar ambientes colaborativos como espacios que contribuyan a facilitar el cambio educativo y promover el aprendizaje. En este sentido, en esta investigación, se ha asumido la colaboración como fundamento esencial para el hecho de aprender, pero más que aprender, para promover la formación para la independencia, la autonomía, la contribución entre las personas, sin dejar de lado la condición individual de cada alumno.

La colaboración se ha convertido en una herramienta para desarrollar la dinámica del aula, provocar mayores y mejores interacciones entre los alumnos y superar problemas académicos.

Este mecanismo tiene una multiplicidad de aplicaciones educativas: “enfatizar las técnicas del pensamiento y el incremento de un aprendizaje de orden superior; como una alternativa para capacitar agrupaciones; clases de recuperación o educación especial; como una forma de mejorar las relaciones raciales y la aceptación de alumnos discapacitados ubicados en escuelas regulares, etc". [5].

Estas orientaciones nos hacen comprender que es posible promover cambios educativos teniendo como fundamento las condiciones mediadas que se generan en el aula a partir de la colaboración. Estos cambios pasan necesariamente por tener significados compartidos en el que los roles de los estudiantes y profesores en redes, son mucho más dinámicos y tendentes a profundizar los mecanismos de comunicación y de apoyo mutuo [6].

En contraposición a estos planteamientos, una metodología centrada en el papel del profesor que transmite conocimientos a “estudiantes que supuestamente no saben nada”, donde los contenidos y el ritmo programático curricular de los exámenes determinan la naturaleza de la enseñanza, son características de una formación limitadora. Este estilo de docencia es predominante en las preparadurías, especialmente en asignaturas críticas de la UNEXPO y no está muy alejado de la práctica pedagógica de los profesores.

Las consecuencias derivadas de este tipo de docencia, se manifiestan en los indicadores del desempeño académico antes descritos, profundizados por Rojas (2003), en una investigación sobre los factores relacionados con las asignaturas críticas y por Morales (2008) en una intervención para la mejora de procesos evaluativos en matemática I, en esta institución [7] [8].

Entre los resultados que arrojaron ambas investigaciones, es coincidente identificar ciertas deficiencias en el funcionamiento del programa de preparadurías como mecanismo de apoyo institucional al servicio de los

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 estudiantes para enfrentar sus dificultades de aprendizaje y prosecución. Dada la importancia que la comunidad estudiantil y el profesorado otorgan a este programa y el conocimiento sobre posibles alternativas de cambio basadas en la colaboración, se emprendieron los esfuerzos para investigar e intervenir esta instancia de enseñanza aprendizaje no convencional, desde la acción de sus propios actores.

El objetivo general de la investigación está dirigido a promover la mejora de los procesos de enseñanzaaprendizaje de las preparadurías a través de la reflexión y acción de los mismos preparadores y estudiantes que intervienen en el programa. Se partió del supuesto de que si se aprovechaban las relaciones entre pares que se daban en este escenario estudiantil, se generaba una forma colaborativa de realizar las clases en las asignaturas críticas y, se potenciaba el liderazgo del preparador, se estaría iniciando un proceso de cambio, a la vez que se generaba una opción de trabajo en el aula, potencialmente extrapolable hacia los profesores u otros contextos de aprendizaje.

Describir el funcionamiento del programa de preparadurías; caracterizar la dinámica de enseñanza aprendizaje que se desarrolla en sus aulas; diseñar e implementar un procedimiento de intervención sobre la base a la colaboración; valorar su pertinencia y aplicabilidad, fueron objetivos específicos que se plantearon para desarrollar la propuesta.

II. DESARROLLO 1. Metodología A partir de las orientaciones que ofrece la metodología cualitativa y de la investigación interpretativa, se desarrolló la investigación, considerando como fundamento para los resultados, las perspectivas de los sujetos y sus capacidades transformadoras.

En

consecuencia, fue necesario estructurar tres fases del proceso que se definieron como: fase descriptiva, fase de intervención y la fase de valoración.

En la fase descriptiva, fue útil obtener información sobre lo que se decía y lo que se hacía en las preparadurías, así como la revisión de documentos institucionales que regulaban dicho programa.

Producir información descriptiva, con los actores, en esta fase, supuso el uso de técnicas de generación de información como entrevistas cualitativas no estructuradas a preparadores y profesores, grupos de discusión, participación en reuniones de trabajo y la observaciones en las sesiones de clase de los preparadores. Aquí se fue focalizando el interés del proceso investigativo hacia matemática I, como una de las asignaturas con mayor criticidad, adscrita al departamento académico con mayor número de estudiantes y problemas académicos.

En cada una de las técnicas de generación de información se definieron criterios metodológicos, resaltando como factor común, la identificación de informantes clave que dieran respuesta a los objetivos y definición de tópicos conversacionales, entre otros.

En la fase de intervención, se tomaron en cuenta los puntos fuertes y débiles del programa identificados en la fase descriptiva previa y se jerarquizaron las prioridades de acción, abordando cuestiones neurálgicas como la actualización y adecuación de la reglamentación del programa, su funcionamiento administrativo, la formación de los preparadores y la construcción progresiva de una práctica reflexiva con dos preparadores en los salones de matemática I. El trabajo realizado con los preparadores en el aula, para construir una estrategia de clase colaborativa, implicó una metodología de trabajo inspirada en la investigación acción y constituyó el epicentro de este esfuerzo investigativo, nivel operacional al cual dedicaremos la atención en el presente artículo.

Figura 1. Diseño metodológico, fase de intervención, contexto de las aulas.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 2. Resultados y Discusión Valorar los resultados generados fue un proceso progresivo donde, en cada sesión de clase y reunión reflexiva posterior, se iba evaluando con los preparadores, verbalmente y por escrito (a través de conversciones, revisión de notas de campo y cuestionarios al final de la sesión), las opiniones de los estudiantes y de los mismos preparadores y, a partir de estas valoraciones, se reajustaban las deciciones o acciones. No obstante, al final del proceso, también hubo necesidad de tener una apreciación de conjunto de estos actores para conocer las debilidades y fortalezas de la estrategia de clases y su posible aplicabilidad.

El desarrollo de las tres fases generó importantes volúmenes de información, donde predominó la codificación y categorización, en base a unidades y dimensiones, mediante análisis de contenido temático categorial [9]. Para esto fue necesario diseñar una base de datos que organizó los textos contentivos de parlamentos, eventos recurrentes y relevantes, recogidos a través de notas de campo.

Se comenzó a reflexionar conjuntamente sobre la forma en que los preparadores realizaban las clases de matemática I. Esta fase arrojo como resultados que las clases de preparadurías consistían en una réplica de lo que sus profesores supervisores hacían: uso de una estrategia magistral, un único recurso de apoyo didáctico (pizarrón), comunicación unidireccional, donde los estudiantes se comunicaban poco entre sí; práctica centrada en la realización de grandes cantidades de ejercicios cuyo norte era aprobar los exámenes.

El preparador era un “ayudante” del profesor, preocupado más en colaborar con el avance programático de la materia que en el aprendizaje significativo de los estudiantes. A partir de la autocrítica y reflexión conjunta de esta práctica en uso, se comenzó a sistematizar, conjuntamente con dos preparadores incorporados a la investigación, la planificación de las clases y se fueron añadiendo progresivamente recursos como formatos de programación de encuentros, el programa de la asignatura, formularios de ejercicios previamente resueltos, programas informáticos para la ejercitación matemática, formatos de evaluación para conocer las opiniones de los estudiantes, nuevos textos, etc. Estos son rasgos de una práctica reflexiva en educación [10].

Lo más significativo de las nuevas clases con estos dos preparadores, era el aprovechamiento de ese espacio entre estudiantes, para potenciar sus relaciones, utilizando al máximo la ascendencia del preparador como par, mediante la conformación de grupos colaborativos heterogéneos.

Los resultados en la experiencia de 12 sesiones de clase, durante un semestre, indicaban que los grupos que mejor funcionaban eran aquellos conformados entre 5 y 6 participantes, con diferentes niveles en el manejo de conocimientos matemáticos y rendimiento académico y con responsabilidades previamente asignadas (roles).

A cada grupo colaborativo el preparador le solicitaba la resolución de un ejercicio matemático, se asignaba un estudiante “aventajado” por grupo, el cual fungiría como guía voluntario, así mismo, se seleccionaba a un estudiante que no fuese el guía, para que realizara una exposición detallada a todos sus compañeros sobre los procedimientos utilizados por el grupo y los resultados alcanzados en la resolución del ejercicio. Antes de la acción grupal, se trataba de lograr que cada estudiante resolviera un ejercicio de la misma tipología para activar sus conocimientos previos.

Igualmente, antes de la conformación de los grupos, el preparador realizaba las explicaciones previas sobre el tipo de ejercicios a trabajar, resolviendo con detenimiento uno o dos ejemplos matemáticos relacionando teoría y práctica. Con una explicación interactiva, verificando que todos hubiesen comprendido, se negociaba la dinámica de trabajo, para comenzar la acción grupal.

Las plenarias consistían en lo siguiente: cada uno de los representantes por grupo, presentaban los logros del equipo, el preparador y los estudiantes prestaban atención, mientras que podían realizar comentarios, aportar otras opciones de solución y corregir errores. Por su parte, el preparador se encargaba de realizar una síntesis o cierre del proceso y al finalizar la clase, se realizaba una evaluación para recoger la opinión de los estudiantes sobre la estrategia desarrollada. Seguidamente se presenta en la Tabla I, una aproximación a la estructura general de las clases.

A pesar de las ventajas comparativas de esta metodología, se tuvo como inconveniente que en las clases que realizaban los profesores paralelamente, se avanzaba relativamente rápido en comparación con lo que se hacía en las preparadurías. Los profesores titulares realizaban mayor cantidad de ejercicios en una clase y abordaban nuevos contenidos, mientras los preparadores hacían menos ejercicios con mayor profundidad, pero se perdía el ritmo programático de la asignatura. Por su parte, los estudiantes solicitaban realizar mayor cantidad de ejercicios porque estaban acostumbrados a responder a las demandas de los exámenes tradicionales y trabajar “aceleradamente”.

Un elemento importante para lograr la participación de los alumnos fue despertar su motivación, era importante tratar de mantener el ánimo en las clases. En este sentido, en la apertura, al inicio de cada sesión, se dedicaban momentos específicos para motivar y lograr la atención de los estudiantes y definir conjuntamente, la direccionalidad del encuentro.

La intencionalidad de generar un ambiente de trabajo integrador y una estructura social del aula que contribuyera con la estrategia adoptada y con el aprendizaje; tiene correspondencia con la significación que se le otorga a los escenarios socioculturales, en los cuales las relaciones sociales influyen de forma determinante en el aprendizaje [11]. Es decir, un entorno espacio – temporal, conformado por una asociación de

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 personas con intenciones, motivos y metas que ejecutan tareas significativas, que en una dinámica interactiva (en nuestro caso, las preparadurías colaborativas en

matemática I) y discursos, “negocian” una representación compartida del contenido trabajado.

Tabla I. Estructura general de las clases de preparaduría ACTIVIDAD

PROPÓSITO

Saludo, comentarios generales.

Presentación de temas, negociación de contenidos y competencias a desarrollar.

Exposición, resolución de uno o dos ejercicios por el preparador, Intercambio (preguntas, aclaratorias, aportes, discusión)

Promover un ambiente de confianza con los estudiantes.

Definir los contenidos a trabajar y las metas de aprendizaje del día.

Presentar un marco de referencia teórico y procedimental relacionado con los contenidos a trabajar durante la sesión de preparaduría.

Intercambio de ideas sobre una dinámica de colaborativo (indicaciones).

Negociar una estrategia de trabajo colaborativo con los estudiantes donde quede claro el papel de cada uno de los participantes.

Distribuir los ejercicios a trabajar en el aula Aprovechar el liderazgo y desarrollo cognoscitivo de estudiantes “aventajados” en la interacción y producción grupal.

Promover la colaboración entre estudiantes y preparador para el desarrollo de competencias matemáticas.

trabajo

Entrega de formularios de ejercicios; Identificación de estudiantes guías de apoyo para el trabajo grupal.

Conformación de grupos de trabajo (entre cinco y seis participante) Resolución de problemas matemáticos de manera individual por cada estudiante, previo a la conformación de grupos.

Resolución de problemas matemáticos de manera grupal contando con el apoyo de un estudiante guía por grupo y la rotación del preparador por cada grupo.

Exposición, en plenaria, por parte de un representante por cada grupo (no guía) del problema matemático resuelto.

Potenciar los conocimientos previos de cada estudiante en la resolución de problemas matemáticos seleccionados.

Exposición del preparador, aclaratorias, conclusiones, recomendaciones, anuncio de temas a estudiar.

Promover la colaboración entre estudiantes y preparador en el aprendizaje para la resolución de problemas matemáticos.

Promover el liderazgo en los estudiantes Intercambiar los conocimientos y logros obtenidos en pequeños grupos con el resto de los compañeros corrigiendo errores, omisiones, confrontando puntos de vista.

Promover el liderazgo y capacidad expositiva de los alumnos.

Ratificar los conceptos y procedimientos desarrollados durante la clase.

Evaluación de las estrategias desarrolladas en la sesión de clase. Despedida.

Valorar la pertinencia de los procedimientos didácticos empleados durante la sesión de clase.

En los escenarios socioculturales quien aprende desempeña un rol dinámico, lo cual se relaciona directamente con el modelo de educación basado en la participación activa que propone Bruner, el cual se supera la función del enseñante experto en conocimientos y valores inamovibles y supone que los que aprenden son recipientes vacíos, con menor conocimiento o pueden aprender sólo a través de estímulos - respuestas [12].

Las preparadurías ofrecen un espacio alternativo y apropiado para emprender estas prácticas participativas, ya que con el hecho de ser un ambiente compartido, sólo por estudiantes (pares), sin la figura, muchas veces autoritaria del profesor, se rompe con el modelo tradicional y con las “relaciones asimétricas” [13]. No obstante, se debe cuidar, en el preparador, el ejercicio de conductas autoritarias y tratar de superar algunos esquemas tradicionales aprendidos: “Un sistema es tradicional, en el peor sentido de la palabra, si predominan en él discursos autoritarios y formatos comunicativos rígidos, unidireccionales” [14].

Por otra parte, en esta estrategia colaborativa, no se trata

de abolir la explicación magistral, más bien el propósito es realizar un trabajo combinado o mixto. A través de la explicación magistral se pueden desarrollar aprendizajes significativos, si la explicación se convierte en un proceso de mediación e intercambio, dándole la oportunidad al que aprende de, además de escuchar, participar, aclarar dudas, comprender demandas de aprendizaje, etc. [15].

Por este motivo y, en base a la necesidad de ejemplificar, explicar procedimientos matemáticos, conceptos, algoritmos, etc., antes de realizar trabajo en grupo, fue indispensable que el preparador comenzara las clases realizando una especie de explicación magistral breve, no mayor a 15 minutos.

Fue constante la negociación de la estrategia de trabajo colaborativo con los estudiantes y el preparador para internalizarla y acostumbrarse a ella, era muy importante que su significado y aplicación tuviera acogida como parte del cambio en las aulas.

“El concepto de negociación con frecuencia denota alcanzar un acuerdo entre dos o más personas, como en la frase “negociar un acuerdo”, pero no se limita a esta aceptación. (…) el

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 termino negociación transmite una idea de interacción continua, de un logro gradual y de un proceso de toma y daca” [16]. Por esto, negociar la estrategia tenía como propósito compartirla, reconstruirla, legitimarla, hacerla de todos e incorporarla como factor natural a la vida en el aula.

Negociar también implicó la distribución de responsabilidades y la definición de roles con función de complementariedad en los grupos y estar conscientes de los diferentes niveles de conocimiento que tenían sus participantes. Esta diversidad debe aprovecharse, no para la acumulación del poder, sino para la colaboración, ya que es muy difícil que en un grupo no se encuentren estas diferenciaciones, donde algunas personas desarrollen mejores destrezas, habilidades o conocimientos que otros [17].

Utilizar las potencialidades de estos líderes en la acción grupal, contribuye en la producción de interacciones y la solución de problemas, en nuestra experiencia, el mecanismo de “estudiantes guías voluntarios” ofreció los resultados esperados ya que ejercieron influencias en la activación de sus compañeros [18]. Aquí el papel activo de los estudiantes guías, el preparador y los representantes por cada grupo, se pusieron al servicio de las metas de aprendizaje y de la colaboración. Se trataba de una conjunción de talentos, potencialidades y conocimientos para beneficio común.

Otro aspecto destacado, en la nueva estrategia fue el uso de medios didácticos alternativos, como recursos de apoyo para desarrollar la actividad de enseñanza en el contexto del aprendizaje matemático.

Dada las características y contenidos de la asignatura, fue necesario el uso de medios como formularios, guías, textos, materiales, páginas web, entre otros, armonizados con recursos lingüísticos, propios del vocabulario matemático, como medio de comunicación por excelencia.

Sobre la enseñanza de la matemática, “es necesario disociar dos niveles: por una parte, el lenguaje formal ajeno al contexto inmediato, y por la otra, el lenguaje natural. El carácter formal de la matemática exige la búsqueda de “mediadores” que, entre otras funciones, permiten establecer puentes entre esos dos niveles” [19].

Por esto, se hacía un esfuerzo permanente por llevar situaciones matemáticas, con cierto nivel de abstracción, a ejemplificaciones concretas que condujeran a los alumnos a planos más cotidianos y significativos.

Los medios utilizados, según las valoraciones de los actores, fueron útiles, accesibles y adecuados a los contenidos y competencias promovidas, pero desde nuestro punto de vista, no necesariamente los mejores y únicos que se puedan utilizar en la enseñanza de la matemática. En cada caso, nivel y contexto se deben adoptar los medios, lenguaje, ejercicios y ejemplificaciones adecuados a las circunstancias.

La resolución de problemas matemáticos, se basó en la negociación y/o asignación de enunciados (ejercicios), para que los estudiantes discutieran y acordaran los

procedimientos de resolución y resultados. El aprendizaje se promovió a través de procesos de modelación y mediación en el que, en primer lugar, el preparador resolvía un ejercicio, luego, con otro, el alumno trataba de comprender y solucionar solo, posteriormente, el grupo lo acompañaba, con un estudiante guía y él participaba activamente. Al final, un estudiante de su grupo, exponía para todos (reafirmación del aprendizaje) y el alumno podía observar a muchos más de otros grupos. Así mismo, participaba en la discusión de las plenarias, en las observaciones y aclaratorias que hacía el preparador.

Las características que deben tener los problemas matemáticos, para que sean realmente motivadores, en correspondencia es sobreponer su condición de “problemas hipotéticos” a una condición más profunda de “dilemas”. La diferencia entre ambas condiciones es que el dilema compromete realmente al que aprende y debe ser un “problema con sentido”, dirigido a la actividad de la persona.

Normalmente, este tipo de problemas requieren operaciones matemáticas asociadas al entorno y eso fue, lo que en las clases, se trató de realizar: escoger ejercicios con sentido, para los estudiantes y ejemplificaciones significativas compartidas en un lenguaje comprensible. [20].

Esta forma de realizar los ejercicios, con diversas rutinas de reafirmación de conocimientos, permitieron al estudiante participar, escuchar y observar la resolución de problemas más de una vez (carácter reiterativo), en distintos escenarios, con diferentes mecanismos, participantes y recursos, reforzado de actividades sugeridas para que las realizara fuera del aula (carácter contextual). Esta es una opción para sustituir las típicas, largas y aburridoras explicaciones de matemática donde solo habla el profesor.

La estructura de clases propuesta, ejecutada en su conjunto, trata de integrar los medios con los aspectos teóricos conceptuales de los contenidos matemáticos, las estrategias de resolución de problemas (ejercitación) y las relaciones teoría – práctica, con otros contenidos y problemas matemáticos, a través de procesos mediados por estudiantes guías y preparadores.

III. CONCLUSIONES El aporte de esta investigación, visualiza el trabajo colaborativo como una herramienta de gran utilidad para la consecución de objetivos matemáticos, especialmente cuando se trata de ambientes dirigidos por los mismos estudiantes. Precisamente, por el carácter “abstracto” de los contenidos matemáticos, la estrategia de trabajo grupal colaborativa que se ha propuesto, apunta hacia la dinamización de la estructura social del aula, sin perder la mirada en la promoción de los procesos metacognitivos individuales.

Durante las exposiciones de los estudiantes se dio participación a los alumnos en un nivel conversacional, despertando intereses y habilidades relacionadas con la expresión oral y expositiva. El surgimiento de la

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 controversia entre estudiantes, reconocida por diferentes autores como situación socioeducativa que aporta a los procesos metacognitivos y de aprendizaje, formó parte de la discusión natural sobre los procedimientos, fórmulas y conceptos a considerar en la resolución de problemas matemáticos. Este es un elemento concluyente que contribuye a reforzar la condición activa del estudiante en contraposición a un papel contemplativo en el aula.

A partir de las valoraciones de estudiantes y preparadores, se determinó que con la metodología propuesta, ellos se sintieron más satisfechos y motivados en las clases de matemáticas y que su capacidad de adaptación hacia esta forma de trabajo es rápida. Así mismo, que se provee de un ambiente armónico, dinámico y de compañerismo que promueve la participación y el aprendizaje.

Las características de la asignatura matemática I y especialmente sus contenidos, permiten la adopción de este tipo de metodologías colaborativas que, según estudiantes y preparadores, impactan positivamente sus aprendizajes y el desarrollo de competencias matemáticas.

En tanto que al preparador, le ayuda significativamente en su desempeño y como futuro docente. Estas conclusiones permiten ofrecer este mecanismo de trabajo en el aula como una metodología inspiradora para otros ambientes de aprendizaje.

Es por eso que la aplicabilidad de este método, según estos actores, es extrapolable a las aulas de profesores, especialmente en las asignaturas: matemática, física, química general y computación, lo que apertura posibilidades de continuar profundizando en su utilidad a través de otras investigaciones o experiencias de intervención.

En cuanto a las calificaciones obtenidas por los estudiantes de las dos secciones trabajadas, durante el semestre de intervención, se encuentran en los grupos de “mejor” rendimiento académico en comparación con otras secciones de ese período lectivo, no obstante, sigue siendo preocupante que, en ambos casos, el nivel de reprobados es mayor al 58%. No se puede atribuir que, mediante la metodología de trabajo colaborativo empleada, las calificaciones de los alumnos se incrementarían o disminuirían automáticamente puesto que, el estudio, estaba centrado en el análisis de la estrategia colaborativa como medio y no en las notas de los alumnos como un fin. Por otra parte, la evaluación es un fenómeno complejo donde, en esta ocasión, intervinieron otras variables, actores y circunstancias que no formaron parte de nuestra investigación, ya que este proceso estuvo en manos de los profesores y en otro contexto.

No obstante, consideramos que si estas prácticas colaborativas en el aula se desarrollan de manera sistemática, en diferentes asignaturas, con preparadores y también en las aulas de los profesores, efectivamente, se produciría un impacto en los procesos de aprendizaje y, como consecuencia, por lo menos, el porcentaje de aplazados podría bajar y el nivel de rendimiento de los estudiantes eventualmente, podría aumentar. Esto forma

parte de una de las prospectivas se dejan abiertas en esta investigación, de cara al cambio educativo.

Otras prospectivas que emergen de esta investigación motivan a continuar investigando sobre nuevas metodologías en la enseñanza de las matemáticas en contextos universitarios y la posibilidad de aplicación y ajuste de la metodología que hemos propuesto en otros contextos. Así mismo, en base a las dificultades que se han encontrado en esta intervención, también es de interés realizar otros estudios sobre los tiempos de ejecución de las metodologías colaborativas en matemáticas v/s las exigencias y ritmos curriculares en la universidad.

IV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Rojas, N. “Preparadurías estudiantiles como proceso de aprendizaje colaborativo entre estudiantes de ingeniería de la UNEXPO, Vicerrectorado de Puerto Ordaz”.

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HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA MONITOREAR LA ESTABILIDAD DE TENSIÓN EN SISTEMAS DE POTENCIA EMPLEANDO TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN SINCRONIZADA DE FASORES Caraballo, José1 y Bermúdez, Omar1 (Recibido abril 2012, Aceptado mayo 2012) 1

CORPOELEC omarbermudez5@gmail.com Resumen: En los Sistemas de Potencia ocurren eventos de naturaleza dinámica y transitoria los cuales

son monitoreados por los Centros de Control, con el propósito de evitar escenarios de colapsos que pongan en riesgo la estabilidad de la red. Entre las técnicas de monitoreo de áreas extensas está la medición sincronizada de fasores, la cual es insumo para aplicaciones como Curvas PV y márgenes de estabilidad de tensión, que facilitan la identificación del sistema basado en la región de estabilidad y el punto de colapso de la red. El siguiente documento es el desarrollo de una herramienta computacional que muestra las Curvas PV y el Índice de Estabilidad de Tensión, usando medición sincronizada de fasores. La herramienta desarrollada fue validada con información de los fasores de tensión y corrientes en régimen dinámico de los Extremos de las Subestaciones Morochas II y Buenavista 230 kV obtenidos con simulaciones. Adicionalmente, en orden de facilitar los patrones para esta herramienta se realizaron simulaciones para observar las regiones seguras e inseguras en la operación de la red del Sistema Occidente desde el punto de vista de estabilidad por tensión.

Palabras clave: Herramienta computacional/ Régimen permanente/ PMUs/ Regiones de estabilidad de tensión, Curvas PV

COMPUTATIONAL TOOL TO MONITOR VOLTAGE STABILITY IN POWER SYSTEMS USING TECHNOLOGY SYNCHRONIZED PHASOR MEASUREMENTS Abstract: In Power Systems occur events dynamic and transient which are monitored to prevent possible collapse scenarios that could lead to risk the stability of the network. Among the techniques to monitor large areas is Synchronized Phasor Measurement accompanied by techniques such as PV curves and voltage stability margins, which facilitate the identification system based on the stability regions and collapse point of the network. This paper presents a computational tool that displays PV curves and voltage-stability indexes (EIT), using synchronized phasor measurement. The tool developed was validated with dynamic information system of transmission line, Morochas II - Buenavista 230 kV, which can be used for subsequent applications of control centers using synchronized phasor measurement. Additionally, in order to serve as a pattern for this tool was obtained from simulations safe and unsafe regions in the operation to the area under study.

Keywords: Computational tool/ Permanent regime/ PMUs/ Voltage stability regions/ PV Curves.

I. INTRODUCCIÓN Los sistemas de potencia están sometidos a perturbaciones ya sean de corta o larga duración, ante estos efectos se debe mantener el balance entre generación y carga a fin de operar la red en condiciones seguras. Cuando ocurren incrementos acelerados de la demanda o fallas, sin poseer soporte de tensiones, el sistema trata de mantener la estabilidad y puede ser afectado si se alcanzan condiciones donde el balance entre generación carga no

pueda ser sostenido, originándose condiciones de inestabilidad y dando origen a un colapso de tensiones de la red. Esto ha ocurrido en Países como: Suecia, Francia, México, Italia, Malasia, Estados Unidos, Canadá y Venezuela. Para ello, muchos autores han realizado recomendaciones para superar estas dificultades en los sistemas de potencia. [1]- [2][3].

El presente proyecto de investigación presenta un desarrollo de una herramienta computacional para

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 monitoreo de la estabilidad de tensión a partir de registros sincronizados del fasores de tensiones y corrientes, de dos extremos de un corredor de línea de transmisión tipo radial. Cabe destacar que disponer de medición de ambos extremos, ambas deben estar sincronizadas para ello se emplean las unidades de medición fasorial (PMU’s – por sus siglas en inglés). Este tipo de tecnología permite elevar la precisión con el cual se monitorean las variables eléctricas como: tensiones y corrientes, ya que su principio radica en la medición sincronizada de fasores, estableciendo en diferentes localidades la estampa de tiempo basado en el sistema de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en ingles).

Este estudio tiene una gran importancia ya que se logra desarrollar un algoritmo computacional que permite identificar el punto de operación de un sistema, en las regiones de estabilidad de tensión, lo cual es útil para los analistas de sistemas y operadores de la red, siendo insumo para identificar condiciones inseguras o de riesgo para la estabilidad de un sistema eléctrico y logrando predecir condiciones de la red y a su vez tomar acciones correctivas. En tal sentido se plantea la necesidad de disponer de esta herramienta basado en una alta precisión en el tiempo de sincronización entre dos extremos, empleando la tecnología de medición sincronizada de fasores, conocido como mediciones de áreas amplias (WAMs por sus siglas en inglés).

Con el desarrollo de este proyecto de investigación se estima alcanzar hasta el desarrollo de un algoritmo computacional para evaluar estabilidad de tensión, así como la determinación de las regiones de operación de un sistema a partir de las curvas PV, conociendo las zonas de colapso de un caso piloto del SEN (Sistema Eléctrico Nacional) como lo es el Sistema asociado a CADAFE Occidente, ENELCO y ENELVEN, lo que corresponde al sistema de la región Andina y Occidente.

El objetivo que se desea alcanzar con este proyecto es desarrollar una herramienta computacional para monitorear la estabilidad de tensión en sistemas de potencia, empleando información proveniente de las unidades de medición fasorial, a fin de disponer de un algoritmo que ayude a identificar el punto de operación en la región de estabilidad de áreas pilotos asociadas al SEN, a partir de información obtenida de tensiones sincronizadas en ambos extremos de un corredor de línea de transmisión.

II. DESARROLLO 1. Breve descripción del área bajo estudio y metodología básica para determinación de las regiones de estabilidad en régimen permanente 1.1 Breve descripción del área bajo estudio El SEN, se encuentra dividido en 14 zonas del sector eléctrico identificadas eléctrica y geográficamente. Estas zonas son: CADAFE Occidente, CADAFE Centro, CADAFE Oriente, ELEVAL, ENELBAR, SEMDA, ELEBOL, SENECA, ENELVEN, ENELCO, EDC,

EDELCA Centro, EDELCA Oriente y EDELCA Guayana. A su vez las zonas de suministro se agrupan en las siguientes 6 áreas: Occidente, Centro, Oriente, Zulia y Capital, como se muestra en la Figura 1.

1.2 Metodología para determinación de las regiones de estabilidad en régimen permanente.

Para la determinación de las regiones de estabilidad de tensión empleando curvas PV de un Sistema Eléctrico donde la disponibilidad de la generación es cambiante, establecer regiones de estabilidad no es una tarea fácil por las condiciones cambiantes, pero se puede obtener una aproximación, siguiendo una metodología. [4], [5]

Figura 1. Área en estudio del Sistema Eléctrico Nacional.

Para el análisis de las curvas potencia vs tensión se puede seguir la siguiente metodología:  Revisar el caso base examinando condiciones de disponibilidad del parque de generación así como de las condiciones de intercambio de flujos de potencia de la red bajo estudio, se realizan flujos de cargas preliminares para observar su convergencia.  Se establecen los casos de estudio partiendo del caso base donde se consideren condiciones de baja carga hasta trasladarse hasta una condición de alta carga, considerando un factor lambda el cual identifica los aumentos progresivo de la transferencia de potencia, con el propósito de obtener el punto de colapso por tensiones de la red. Se debe tomar en consideración las barras más importantes dentro del sistema, es decir las barras donde existan mayor nivel de transferencia de potencia, ya que son las barras que por lo general tienden a colapsar más rápido.  Seguidamente establecer las condiciones iníciales del caso, para ello se realiza una corrida de flujo de potencia, empleando cualquiera de los métodos conocidos, emplearemos el método de Newton Raphson, buscando los flujos a través de las líneas de transmisión y los perfiles de tensiones en barras.  Una vez establecidos las condiciones iníciales, se

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 selecciona el área de la red que es fuente y cual es carga (ver Figura 2), a fin de evaluar cual es el área de la red que tendría aumento de carga y generación. Los generadores del extremo fuente elevan su potencia hasta su capacidad nominal de potencia, en la práctica esto lo condiciona el Control automático de generación.

segura es definida como la región donde el sistema opera sin violación de límites de transmisión, es decir en un estado normal. La región insegura es donde el sistema opera con violación de límites y los escenarios por lo general se presentan bajo condiciones de inestabilidad de larga duración, es decir donde el efecto por incremento de la carga hace colapsar el sistema durante largos periodos, por lo general cualquier contingencia dentro de esta zona bajo esta condición genera una inestabilidad por tensión.

1,2

1,0

 Se inicia la simulación de transferencia hasta máxima potencia, de esta manera logrando a través de este método llevar el sistema a un punto de máxima cargabilidad, lo cual es el punto donde el sistema tiende al colapso por tensiones, las barras que colapsan primero son conocidas como barras criticas.

Este punto es conocido como punto de bifurcación silla-nodo o el punto de la singularidad del jacobiano.[7], [9]

Tensión (PU)

Figura 2. Esquema de evaluación de curvas PV definiendo áreas en estudio.

 Luego para definir regiones de estabilidad de tensión de la red superponemos las curvas considerando casos de aumento de la carga así como casos de contingencia, como se muestra en la Figura 3, la diferencia entre las curvas limitado por la contingencia desde los puntos de colapsos del sistema es definidos como zonas inseguras y es donde cualquier perturbación pone en riesgo la estabilidad de la red, lo cual es definida como regiones de inestabilidad.[4] Se conocen entonces dos regiones de estabilidad de tensión de un sistema, una región segura y una región insegura, como se muestra en la Figura 4. La región

0,8

Postcontingencia

0,6

0,4

Margen

Potencia Transferida (MW)

Diferentes autores refieren el uso del flujo de carga continuado para determinar condiciones de inestabilidad de tensiones en las redes con este método se observa cuando el sistema después del punto de colapso comienza a descender sin tener problemas de convergencia, para este estudio utilizaremos el método de máxima transferencia de potencia y se alcanzaría solo el punto de colapso, ya que lo que se origina después del punto de colapso es incierto.[6],[7]

Caso base

Limite de cargabilidad Limite de cargabilidad Pre contingencia Post contingencia

Figura 3. Identificación del margen de operación de Sistemas de potencia a partir de Curvas PV.

Región de operación Región de operación segura insegura 1,2

Tensión (PU)

 Para determinar regiones de estabilidad debe ejecutarse simulaciones considerando contingencia N1 y N-2, ya que son las que presentan mayor grado de criticidad, permitiendo de esta manera obtener las barras más vulnerables desde el punto de vista de estabilidad de tensión y de esta manera obtener el margen de estabilidad.

Precontingencia

1,0

Postcontingencia

0,8

Operación Normal

0,6

Contingencia 0,4

Potencia Transferida (MW) Caso base

Limite de cargabilidad Limite de cargabilidad Pre contingencia Post contingencia

Figura 4. Identificación de Regiones de Operación de un Sistema de Potencia.

 Se establecen recomendaciones a fin de mejorar los perfiles de tensión de la red, tales como: aplicaciones de dispositivos de compensación reactiva, botes de carga selectivos por baja tensiones, ajustes de tensión con control de cambiadores de toma, coordinación de

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 protecciones y control.[10],[11].

Carga Cadafe-Occidente

El Flujograma para seguir esta metodología puede ser visualizado en la Figura 5, donde se notan los procesos y decisiones para finalmente obtener las regiones de estabilidad de tensión empleando curvas PV.

Carga

FUENTE Resto del Sistema de Potencia

Inicio

 Se realiza la revisión del caso base

ENELCO

 

Condiciones de disponibilidad del parque de generación.

Condiciones de intercambio de flujos de potencia.

Actualizar condiciones del sistema .

Carga Enelven

No

Figura 6. Identificación del área fuente y carga del sistema bajo estudio.

Convergencia del caso.

Si Se establecen los casos de estudio Se establecen las condiciones iniciales

Se selecciona el área de la red que es fuente y cual es carga

Determinar regiones de estabilidad

El área fuente del sistema en estudio se puede visualizar en la Figura 7, es lo referente al todo el sistema de potencia excluyendo el extremo carga. El área asociada al extremo CADAFE Occidente se visualiza en la Figura 8 y el área de ENELVEN en la Figura 9.

Si Se identifican las contingencia n-1 o n2 en barras criticas

YARACUY HORQUETA

Se ejecuta la corrida de incremento de la transferencia de potencia hasta que se obtenga el limite

Se Grafican las curvas PV entre el sistema fuente y carga seleccionado

Se ejecuta la corrida de incremento de No la transferencia de potencia hasta que se obtenga el limite con contingencias

ARENOSA

SANTA. TERESA

SUR

2x450 MVA

JOSE

Se grafican las curvas y se obtiene el margen entre contingencia y operacion normal (caso base)

2x120 MVA

3x300 MVA 2x450 MVA

2x1500 MVA

SAN GERONIMO

Mostrar resultados de Curvas PV

BARBACOA

SAN GERONIMO

EL TIGRE FURRIAL

2x450 MVA

MALENA

CANOA

Fin

3x1500 MVA

Figura 5. Flujograma de la metodología propuesta para la determinación de regiones de estabilidad de tensión del SEN.

1.3 Descripción del sistema a emplear en la simulación.

Para el caso en estudio consideraremos dos sistemas el extremo fuente y carga, el extremo fuente se ubicaran las barras asociadas al sistema de generación y transmisión.

El extremo carga consideraremos el sistema asociado a CADAFE Occidente, ENELVEN y ENELCO (ver Figura 6), los cuales en los casos de estudios aumentara la demanda con el factor lambda expresado en MW.

BOLIVAR

PALITAL

GURI 765 kV 400 kV 230 kV 115 kV

GUAYANA A

1x1000 MVA

1x450 MVA

GURI 11 - 20

~

GURI

4 - 10

~

1- 3

~

Figura 7. Área asociada al sistema fuente (sistema de generación y transmisión)

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 VALERA YARACUY 765/400/230 kV PTA. PIEDRA SAN LORENZO

ARREAGA

MOROCHAS II

CUESTECITAS

RINCON CUATRIC. TERMOZULIA

URDANETA

TABLAZO

115KV 138KV 230KV 400KV 800KV

MW, las tensiones de operación pasan a zonas con perfil de tensión bajo y cuando alcanza los 190 MW, el sistema colapsa definitivamente por tensiones, es decir alcanza el límite de operación ( P V  0 ). En la Figura 10, se visualiza que ante el Incremento de la Importación en el área CADAFE Occidente, el sistema colapsa en la barra Machiques de 115 kV, esta condición es desfavorable cuando en este extremo se obtienen tensiones de 0.825P.U. En el área ENELCO y ENELVEN a nivel de 230 kV, como se muestra en la Figura 11 y Figura 12, ante el incremento de lambda, se observa que las barras en estudio no colapsan por tensiones inferiores a 1.0 P.U, solo por el colapso de las barras del área CADAFE Occidente descritas anteriormente, en la Figura 10.

Curva Potencia Vs Tension medido en el área 6(230 kV) con incrementos de la importación del área 6

TRINIDAD

1.1

Figura 8. Área asociada a las cargas. (Área de ENELVEN del Sistema Occidente).

1.05

RED DE CADAFE OCCIDENTE

SAN LORENZO

VALERA CEMENTO ANDINO

1

4x3

BNV VIGII PLTPAEZ URIB COROZ BARIV FLORES MACHIQUES

Tension (P.U)

MOROCHAS MONAY

LA PLATA

TRUJILLO

~ 2x6

~

2x100

0.95

BUENA VISTA

CASIGUA

0.9

SANTA BARBARA

CAJA SECA

1x3

EL VIGIA II

~

1x42

PEÑA LARGA

2x100 1x100

1x32 1x20

ACARIGUA

0.85

BUENA VISTA

GUANARE

PLANTA PAEZ

ACARIGUA

EL VIGIA II SAN CARLOS

EL VIGIA

~

~

1x6

0.8

BARINAS

MUCUBAJI

0

20

40

60

4x3

MERIDA II COLOMBIA

TOVAR

TIBU

BARINAS I

MERIDA 2x6

EL TOREÑO BARINAS II

2x6

METALURGICA ANDINA

LA FRIA II

LA LIBERTAD

LA GRITA

2x6 SOCOPO

1x1.5

80 100 120 Lambda(MW)

140

160

180

Figura 10. Curva PV obtenida en las principales barras de 230 kV del Área CADAFE Occidente ante incrementos de la importación del Área CADAFE Occidente.

BARINAS III

PLANTA TACHIRA

SAN CRISTOBAL II

~ SAN CRISTOBAL

PALO GRANDE

~

COROZO SAN 230 kV ANTONIO 115 kV 24 kV 13.8 kV

2x6

LA CONCORDIA

SAN AGATON

3x100

COLOMBIA

SAN MATEO

2x3 1x6

EL VIGIA II URIBANTE 2x50

LA PEDRERA

Curva Potencia Vs Tension medido en el área 7(230 kV) con incrementos de la importación del área 6

1.05

STA. BARBARA DE BARINAS GUASDUALITO

2. Resultados obtenidos considerando incrementos de la importación 2.1 Resultados obtenidos del casos con incremento de la importación en el área CADAFE Occidente.

Para este el caso, considerando el incremento de la importación en el área CADAFE Occidente, se observa que en las barras de Uribante, Vigía II y el Corozo de 230 KV, cuando el valor de lambda o incremento en la importación en esta área es de aproximadamente 100

Tension (P.U)

1

Figura 9. Área asociada a las cargas. (Área de CADAFE Occidente del Sistema Occidente)

TRINIDAD P.PALMA RINCON PEONIAS P.PIEDRA P.IGUANA MACHIQUES

0.95

0.9

0.85

0.8

0

20

40

60

80 100 120 Lambda(MW)

140

160

180

Figura 11. Curva PV obtenida en las principales barras de 230 kV del Área ENELCO ante incrementos de la importación del Área CADAFE Occidente.

Caraballo, J. y Bermúdez, O. Herramienta computacional para monitorear la estabilidad de tensión. pp. 93-103

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 2.2 Descripción del caso con incremento de la importación en el área CADAFE Occidente bajo contingencia para determinar las regiones de operación.

Curva Potencia Vs Tension medido en el área 9 (230 kV) con incrementos de la importación del área 6

1.05

Tension (P.U)

1

TBLZO MORII CABIMAS MACHIQUES

0.95

0.9

0.85

0.8

0

20

40

60

80 100 120 Lambda(MW)

140

160

Para la evaluación de las regiones de estabilidad se realizaron diferentes contingencias, descritas en la Tabla I, lo cual sirve de insumo para conocer las regiones seguras e inseguras para la operación, obteniéndose diferentes curvas PV con el incremento de la importación en el área CADAFE Occidente, para lo cual se monitorearon los comportamientos de la estabilidad de tensión en las barras de 230 kV con mayor importancia debido a que es un corredor radial donde se pueden instalar mediciones fasoriales a corto plazo, entre las cuales destacan: Morochas y Buenavista.

180

Figura 12.Curva PV obtenida en las principales barras de 230 kV del Área ENELVEN ante incrementos de la importación del Área CADAFE Occidente.

Tabla I. Máximos Lambdas obtenidos para cada unas de las contingencias evaluadas Tipo de contingencia

En el área CADAFE Occidente para el sistema de 115 kV ante el incremento de la importación entre 20 y 80 MW, las barras de este sistema operan por debajo de 0.95 P.U, dado es el caso de los extremos Tovar, La Grita, Mérida I y II, luego con un aumento de la importación de 70 MW adicionales, es decir, hasta alcanzar valores máximos de 160 MW, comienzan a operar ciertas barras por debajo del rango del rango de operación segura en los siguientes extremos: Valera, Trujillo, Corozo y Valera II, finalmente colapsando con una importación de 190 MW aproximadamente, donde las tensiones alcanzan un límite de operación de 0.82 a 0.93 P.U, como se observa en la Figura 13.

Curva Potencia Vs Tension medido en el área 6 (115 kV) con incrementos de la importación del área 6 1.05

1 VIGII BNV P.PAEZ COROZO MERIDA II TOVAR GRITA VALERA TRUJILLO BARIV MERIDA I MACHIQUES

Tension (P.U)

0.95

0.9

0.85

0.8

0

20

40

60

80 100 120 Lambda(MW)

140

160

Lambda máximo obtenido (MW)

Simple Contingencia 1 Apertura de la línea 1 Vigia II Buenavista 230 kV

80,625

Simple Contingencia 2 Apertura de la línea 1 Vigía II Uribante 230 kV

181,25

Simple Contingencia 3 Disparo del Transformador 1 Vigia II 230/115/13.8 kV

186,87

Simple Contingencia 4 Apertura de la línea 1 Planta Páez – Mérida II 115 kV

166,25

Simple Contingencia 5 Apertura de la línea San Gerónimo – Arenosa 765 kV

190.00

Doble Contingencia 6 Apertura de la línea 1 Vigía II – Buenavista 230 kV Apertura de la línea 1 Vigía II Uribante 230 kV

65.00

Doble Contingencia 7 Apertura de la Línea 1 Vigia II Buenavista 230 kV Apertura de la Línea 1 Mérida II Tovar 115 kV

50.00

180

Figura 13. Curva PV obtenida en las principales barras de 115 kV del Área CADAFE Occidente ante incrementos de la importación del Área CADAFE Occidente.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 3. Resultados con contingencia para determinar las regiones de operación en Subestación Morochas II, área CADAFE Occidente.

En el caso de la barra de la subestación Morochas II de 230 kV, como se visualiza en la Figura 14, la apertura de la línea 1 Vigía II - Buenavista 230 kV (contingencia 1), cuando la importación del área CADAFE Occidente es de 80 MW aprox. este sistema operaria en una zona insegura desde el punto de vista de estabilidad por tensión, al igual ocurre con la apertura simultánea de la Línea 1 Vigia II Buenavista 230 kV y Vigía II - Uribante 230 kV (contingencia 6), con 65 MW de importación, lo cual genera que el sistema bajo estas condiciones alcance el colapso por tensiones. Dentro de la zona segura con baja probabilidad de ocurrencia la apertura de la Línea 1 Vigia II – Buenavista 230 kV y la línea 1 Mérida II - Tovar 115 kV (contingencia 7) provocarían un colapso de esta barra solo con 6 MW de importación.

Curva PV para observar el margen de estabilidad de tension en Morochas II 230kV con incrementos de la importación del área 6 1.1

Region Segura

transferencia de potencia en el área Cadafe Occidente alcanzaría un valor de 160 MW, con un perfil de tensión en la subestación Buenavista inferior a los 0.95 P.U. De igual manera ocurre con la apertura de la línea San Gerónimo – Arenosa 765 kV (contingencia 5), se alcanzarían un límite de importación de 190 MW adicionales, con perfiles de tensión en esta subestación bajo, inferior a 0.95 P.U, en ambas contingencias se operaria zonas inseguras.

5. Descripción de la herramienta computacional 5.1 Descripción General de la Herramienta computacional.

La herramienta computacional se desarrolló empleando el programa computacional para cálculos, Matlab, el cual permitió determinar gráficamente las curvas PV y el Índice de Estabilidad por tensión (IET), desde las ecuaciones deducidas matemáticamente, permitiendo obtener una grafica que puede ser empleada con información proveniente de mediciones de tensiones de ambos extremos de corredores de líneas de transmisión, esta herramienta puede ser empleadas para sistemas netamente radiales.

Region Insegura

1.05

Inicio 1 MorochasII-Contig.1 MorochasII-Contig.2 MorochasII-Contig.3 MorochasII-Contig.4 MorochasII-Contig.5 MorochasII-Contig.6 MorochasII-Contig.7 Machique-Contig.1 Merida I-Contig.2 Merida I-Contig.3 Merida I-Contig.4 Machique I-Contig.5 Machique I-Contig.6 Merida I-Contig.7

0.95

Tension (P.U)

0.9

0.85

0.8

0.75

0.7

Ejecutar archivo Algoritmo.m

Cargar archivo asociado al extremo Fuente (Vmag y Ang)

Cargar archivo asociado al extremo Fuente (Vmag y Ang)

Identifique el archivo asociado al sistema Fuente

Identifique el archivo asociado al sistema Fuente

Revisar los archivos de entrada para el sistema en estudio

0.65

0.6

0

50

100 Lambda(MW)

150

200

Figura 14. Curva PV que describe la región de estabilidad de tensión de la barra de la Subestación Morochas II con incrementos de la importación del área CADAFE Occidente.

4. Resultados con contingencia para determinar las regiones de operación en Subestación Buenavista, área CADAFE Occidente.

En la subestación Buenavista ante la ocurrencia de un disparo simultáneo de la Línea 1 Vigía II - Buenavista 230 kV y Vigía II - Uribante 230 kV (contingencia 6), el limite se alcanzaría 65 MW, un perfil de tensión de 0.985 P.U, iniciando una zona insegura para esta red, seguidamente se visualiza el decremento de la tensión en 0.98 P.U hasta un límite de 80 MW, con la apertura de la línea 1 Vigía II - Buenavista 230 kV (contingencia 1)..

Ante la ocurrencias de la apertura de la línea 1 Planta Páez – Mérida II 115 kV (contingencia 4), el límite de

Cargar las impedancias de la Linea en secuenciapositiva en Ohms

Identifique el corredor de linea de transmision bajo estudio Calcular Potencia Activa, Reactiva y Potencia maxima y almacenar en variables

Esta cargado la informacion completa ?

No

Calcular Potencia Activa, Reactiva y Potencia aparente maximas y almacenar en variables

Si Calculamos los margenes de Potencias (Pmargen, Qmargen y Smargen) Los archivos de ambos extremos estan sincronizados es T1=T2 ?

No Determinamos los Indices de Estabilidad por Tension (IET)

Mostrar Curvas PV y IET

Fin

Figura 15. Flujograma del desarrollo computacional.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 La herramienta permite calcular las curvas PV en un instante cualquiera a partir de información proveniente de las unidades de medición fasorial, estas se determinan a partir de registros recabados o almacenados en tiempo de ejecución o fuera de línea para un sistema de potencia.

Estos dos archivos son obtenidos de la data sincronizada que ya ha sido previamente almacenada en un concentrador o unidad de almacenamiento el cual deben estar sincronizados a partir del GPS, para disponer la información de ambos extremos en una misma estampa de tiempo.[15],[16],[17].

5.2 Descripción matemática del algoritmo computacional.

El algoritmo computacional fue desarrollado partiendo de las deducciones matemáticas, partiendo desde un sistema de potencia reducido como se visualiza en la Figura 16.

[21], [22].

Vr 

Vs 2  Q  X  P  R   A 2

(4)

Simplificando obtenemos A, como se visualiza en la ecuación (5), A

Vs 4 2  Q  X  P  R  Vs 2   P  X  Q  X  4

(5)

A, es una función polinómica de cuarto grado dependiendo de partes reales lo cual es una función mayor o igual a cero para tener una solución real, como se muestra en la ecuación (6).

(6) A0 Con A mostrada en la ecuación (5) se obtiene de la máxima potencia transferida a través de una línea de transmisión con los parámetros de tensión del extremo fuente, como se visualiza en la Figura (4).

Las máximas potencias obtenidas en función de las potencias activas, reactivas, las impedancias de línea y la tensión del extremo fuente se pueden describir en (7), (8) y (9).

2   2  Q  R   Vs  R   ZL VS  VS  4  Q  X   Pmax      2  2  2 X  X   2  X    

(7) Figura 16. Identificación de un sistema de potencia empleado para el algoritmo.

La potencia activa y reactiva en las cargas puede ser representada como se muestra en la ecuación 1 y 2.

  P  X   VS  X   ZL VS  Qmax      2   R   2  R   

V

 4P R    2R  2

S

2

(8)

R X   P  Vs  cos( )  Vr   2  Vs  sin( )  2 Vr R  X2 R  X 2  

(1) X R   Q  Vs  cos( )  Vr   2  Vs  sin( )  2  Vr R  X2 R  X 2  

(2) Donde: Vs: Tensión del extremo fuente. δ: Angulo en el extremo fuente.

Vr: Tensión del extremo carga.

R: Resistencia de línea de secuencia positiva.

X: Reactancia de línea de secuencia positiva.

P: Potencia activa en la carga.

Q: Potencia reactiva en la carga.

La máxima potencia transferible entre el corredor de la línea de transmisión puede ser determinado por la ecuación (3).

(3) Smax  P  jQ Combinando las ecuaciones (1) y (2) y eliminando, la tensión en el extremo de la carga si no es conocida la tensión en el extremo carga, puede ser representada en función de la tensión de la fuente con la impedancia de la línea, calculada en cantidades físicas con una solución real, como se muestra en la ecuación (4).

Smax 

VS 2   ZL   sin    X  cos    R  2   cos( )  X  sin( )  R 

(9)

2

El margen de estabilidad de tensión para la barra del extremo carga puede ser calculada entre el valor máximo y la potencia en la carga.

Pm arg in  P max P

(10)

Qm arg in  Q max Q

(11)

Sm arg in  S max S

(12)

Una vez conocidos los márgenes de potencias descritos en las ecuaciones (10), (11) y (12), calculamos el índice de estabilidad por tensión que puede ser simplificado en la siguiente nomenclatura IET, como se muestra en la ecuación (13).  Pm arg in Qm arg in Sm arg in  IET  min  , , Q max S max   P max

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(13)

100

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 El IET representa un indicativo de estabilidad de tensión para un momento dado de la medición en la barra de carga basado en la cargabilidad, pequeños valores del IET alrededor de cero (IET = 0), alcanza un punto de operación marginalmente estable, lo cual causa que el sistema colapse en la primera contingencia ya que operaria en zonas cercanas a sus límites de operación o en zonas inseguras. Si IET=1 es el punto donde existe holgura en el punto de máxima cargabilidad, es decir el sistema opera en regiones seguras en la operación de la barra.

5.3 Presentación de la herramienta computacional.

La herramienta computacional fue desarrollada empleando Matlab, para ello se programaron las ecuaciones anteriormente descrita y llevado a una interfaz gráfica, como se muestra a partir de la Figura 17.

Figura 18. Ventana secundaria de pre-procesamiento de la herramienta donde se introduce la información de entrada.

En la ventana de la Figura 19, se visualiza la información procesada por el algoritmo computacional, es decir es el post-procesamiento, en ella se observa en la primera grafica la Curva PV obtenida del corredor que se está evaluando y en la parte inferior se visualiza la grafica del Índice de estabilidad de tensión, el cual indica en la posición que se encuentra el corredor de línea basado en su cargabilidad, es un calculo que depende del margen entre la potencia marginal y la potencia máxima.

Figura 17. Ventana principal de entrada a la herramienta desarrollada.

En la Figura 18, se observa la ventana de entrada fundamental al algoritmo computacional, en ella se ubica botón Registro del Extremo fuente así como registro extremo Carga son los dos accesos a la información de la data sincronizada de fasores, así como los parámetros de secuencia positiva de la impedancia del corredor de línea que se desea evaluar.

Figura 19. Ventana secundaria de post-procesamiento de la herramienta.

En la Figura 20 se visualizan la ventana complementaria acerca del software así como la pregunta de salida para abandonar la herramienta una vez realizado el cálculo.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 en otras consideraciones de incremento de importación en diferentes áreas de la red pero con otros métodos de análisis de estabilidad por tensión. Considerar nuevos algoritmos para sistemas en anillo considerando el cálculo de equivalentes de Thévenin dinámicos, basados en el principio de este mismo algoritmo.

V. REFERENCIAS

Figura 20. Ventana secundaria de salida de la herramienta.

III. CONCLUSIONES Con base a los resultados obtenidos de acuerdo al trabajo realizado, se puede concluir los siguientes: Se estableció una metodología para la determinación de las regiones de estabilidad de tensión empleando curvas PV. Se realizaron simulaciones a fin de obtener los límites de importación para el área CADAFE Occidente, lo cual permitió determinar las tensiones en diferentes barras de esta red en el punto de colapso, como insumo para la determinación de curvas PV, cuando es monitoreado en línea. Se establecieron regiones seguras e inseguras de las barras Morochas II y Buenavista, ante el aumento de la importación en el área CADAFE Occidente. De la validación de las simulaciones con los registros históricos para un caso de alta carga del SEN, el área CADAFE Occidente opera a su vez muy cerca al límite de máxima transferencia de potencia de colapso por tensiones, es decir en regiones inseguras en comparación con las contingencias evaluadas. Se desarrolló una herramienta que permite visualizar Curvas PV e índice de estabilidad por tensión (IET) empleando medición sincronizada de Fasores, validado con el corredor de línea Morochas Buenavista de 230 kV, a partir de información obtenida de simulaciones en régimen dinámico con perturbaciones.

IV. RECOMENDACIONES Con base a los resultados obtenidos de acuerdo al trabajo realizado, se puede establecer las siguientes recomendaciones: Implementar la aplicación desarrollada con alguna herramienta de centro de control a partir de la herramienta desarrollada con información de los casos de simulación desarrollados. Realizar otros estudios basados

1. P. Kundur. “Power System Stability and Control“, EPRI Editors McGraw-Hill Inc, New York, (1993).

2. T. Van Cutsem, C. Vournas. “Voltage Stability of Electric Power Systems”, 1era edition, Luwer Academic Publishers, March (1998).

3. G. Andersson. “Dynamics and Control of Electric Power Systems” EEH - Power Systems Laboratory ETH Zurich, Switzerland, March (2003).

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5. P. Kundur, J.Paserba, V. Ajjarapu, G. Andersson, A. Bose, C.Canizares, N.Hatziargyriou, D.Hill, A.Stankovic, C.Taylor, T.V. Cutsem and V. Vittal "Definition and Classification of Power System Stability", IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, Pp 1387- 1401, IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 19, No. 2, May (2004).

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Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Dirección de Investigación y Postgrado. Unidad Regional De Postgrado. (2011)

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 11. J.Caraballo. “Estabilidad de Tensión en Sistemas de Potencia Teoría y Aplicaciones” Centro de Investigaciones aplicadas EDELCA, NOT-08-117, Puerto Ordaz, Diciembre (2008).

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20. H. Ghasemi. “On-line Monitoring and Oscillatory Stability Margin Prediction in Power Systems Based on System Identification” trabajo de tesis doctoral coordinado en la evaluacion por el Prof. Claudio Cañizares. Universidad de Waterloo, Waterloo Canada. Abril (2006).

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23. S. Virmani, D. Vickovic, S.Savulescu, “Real-Time Calculation of Power System Loadability Limits”, paper No. 576 presented at IEEE Powertech 2007 Conference, Lausanne, Switzerland, 2 July (2007) 24. Siemens Power Transmission & Distribution, Power Technologies International “PSS™E 31.0 Users Manual” December (2007).

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ESTUDIO Y MODELACIÓN DE DISPOSITIVOS FACTS PARA EL CONTROL DE TENSIÓN Y POTENCIA REACTIVA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL Rivera Ch, Mariam C1 Bermúdez R, Omar E1 (Recibido abril 2012, Aceptado mayo 2012) 1 CORPOELEC riveramariamc@gmail.com, omarbermudez5@gmail.com Resumen: Con el continuo avance del crecimiento de la demanda eléctrica nacional, genera que disminuya los niveles de tensión y del flujo de potencia reactiva a lo largo del sistema. Para controlar esos niveles de voltaje y de la potencia reactiva existen diversos métodos. Uno de esos métodos es la aplicación de dispositivos de electrónica de potencia Sistemas de Transmisión Flexibles de Corriente Alterna por sus siglas en ingles (FACTS). Este trabajo se fundó sobre el estudio y la modelación de los dispositivos FACTS para el control de tensión y potencia reactiva en el Sistema Eléctrico Nacional. Realizando una metodología para la localización de los FACTS en un sistema de potencia, basándose en un sistema IEEE 14 Barras, para luego analizar el Sistema de potencia.

Palabras clave: Control de Tensión/ Estabilidad del Sistema de Potencia/ FACTS/ Potencia Reactiva/ Sistemas de Potencia

STUDY AND MODELING OF FACTS DEVICES FOR THE CONTROL OF VOLTAGE AND REACTIVE POWER IN THE NATIONAL ELECTRIC SYSTEM Abstract: Abstract: With the continued advancement of the growth in national electrical demand, generated to decrease the voltage levels and reactive power flow throughout the system. To control these levels of voltage and reactive power are various methods. One such method is the application of power electronics devices, systems Flexible Alternating Current Transmission by its initials in English (FACTS). This work was founded on the study and modeling of FACTS devices for voltage control and reactive power in the national electricity system. Making a methodology for the location of FACTS in power system, a system based on IEEE 14 bus, and then analyze the behavior in the National Electric System.

Keywords: Voltage Control/ Power System Stability / FACTS / Reactive Power / Power Systems.

I. INTRODUCCIÓN El aumento de la demanda en los sistemas de potencia es un factor que debe estar ligado al incremento de la generación, al no ocurrir esta relación entre generación vs demanda, provoca que los niveles de tensión y flujos de potencia reactiva se vean afectados de manera desfavorable en ciertas zonas de un sistema eléctrico. Para controlar los niveles de tensión y de potencia reactiva existen diversos métodos, entre los cuales destacan los FACTS, los cuales son dispositivos empleando electrónica de potencia que permiten compensar reactivamente, ya sea inductivo o capacitivo, con el propósito de mejorar el perfil de tensión en la red.

El estudio y la modelación de los dispositivos FACTS para el control de tensión y de potencia reactiva para el Sistema Eléctrico Nacional, se realizó con el fin de

mejorar el comportamiento del sistema de potencia actual, con la actuación de los Dispositivos FACTS. El alcance de este trabajo partió del desarrollo del estudio del sistema IEEE 14 Barras simulado en MATLAB y de la herramienta Power System Analysis Toolbox, (PSAT, por sus siglas en ingles) para el análisis de sistema de potencia, a partir de allí se realizó una metodología para la localización de los dispositivos FACTS en el Sistema Interconectado Nacional y se observó su comportamiento en régimen permanente y en régimen dinámico.

II. METODOLOGÍA GENERAL PARA LA LOCALIZACIÓN DE DISPOSITIVOS FACTS EN SISTEMAS DE POTENCIA. Para el desarrollo de la metodología se debe partir de las siguientes premisas para su inicialización:

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012  Identificación y selección de barras con perfiles de tensión por debajo de 0.95 p.u, en régimen permanente.

 Identificación de barras en puntos de intercambio de potencia con alta cargabilidad de la red en estudio.

A. Estudio en Régimen Permanente: Selección de Barras Factibles: Para la selección de las barras factibles a la evaluación de los FACTS, se basó el estudio en barras con niveles de tensión bajo, menor a 0.95 p.u.

B. Selección de Barras con Niveles de Tensión Bajo: Al efectuar la revisión del Sistema de Potencia, ejecutar el flujo de carga empleando el método Newton Raphson, para observar los niveles de tensión, flujo de potencia activa y reactiva en dicho sistema. Identificando con estos los valores de voltaje por debajo del nivel de tensión máximo permitido de operación del sistema.

C. Barras que Muestran Máxima Cargabilidad: Obtenidos los valores de los flujos de potencias en las líneas del sistema, se identifican las líneas que poseen mayor cargabilidad, se grafican los perfiles de tensión y de potencia activas. Prontamente se identifican las barras críticas del sistema, seleccionando de esta manera las barras que presentan la peor condición.

D. Estudio en Régimen Permanente: Colocación de los (SVC) en las Barras Seleccionada del Sistema de Potencia: Después de seleccionadas las barras que poseen los perfiles de tensión bajo se procede a colocar los compensadores estáticos, para visualizar el comportamiento de los SVC, ejecutándose nuevamente el flujo de carga para observar su comportamiento en régimen permanente.

E. Análisis de Barras Seleccionadas con la Incorporación de los FACTS: Para observar el comportamiento de las barras del sistema que presentan problemas de tensión, se debe visualizar los niveles de tensión resultantes del flujo de carga. Si los niveles de tensión no mejoraron a los niveles de operación deseados, de forma empírica, se ajusta la potencia inyectada al sistema hasta que de forma efectiva se observe como el nivel de tensión mejora en la red bajo estudio.

F. Análisis de Barras que Presentaron Máxima Cargabilidad: Seguidamente de analizar los niveles de tensión se procede a visualizar el comportamiento de los FACTS y cómo influyen en las barras que presentaron mayor cargabilidad.

A Estudio en Régimen Dinámico: Estabilidad de Tensión en el Sistema ante una Perturbación, con la Actuación de los Dispositivos FACTS. Después de analizar el sistema en régimen permanente con la incorporación de los FACTS, se realizan perturbaciones para observar el comportamiento de la red ante la incorporación de estos dispositivos cuando son sometidos a eventos para observar su actuación desde el punto de vista de estabilidad de tensión.

B. Estudio en Régimen Dinámico con Evaluación de

Escenarios de Alta Carga del Sistema con Variaciones de Carga, con la Actuación de Dispositivos FACTS. Para la evaluación de este caso se realizan dos tipos de evaluaciones: aumentos y disminución de carga, a fin de observar la compensación reactiva de los FACTS. Aumento de Carga: El primer caso será elevar la carga de forma porcentual y observar el comportamiento de las tensiones y de la potencia reactiva aportada por los compensadores.

Disminución de la Carga: El segundo caso se trata de realizar disminuciones porcentuales de la carga, para luego observar el comportamiento de las tensiones y las potencias reactivas inyectadas por los compensadores.

Figura 1. Metodología General para la Localización de Dispositivos FACTS, en un Sistema de Potencia.

C. Estudio en Régimen Dinámico con Evaluación de Escenarios de Baja Carga del Sistema, con Variaciones de Carga con la Actuación de Dispositivos FACTS. Para la evaluación de baja carga se considera un sistema de potencia con bajos niveles de exportación, es decir un sistema que esté funcionando con baja carga.

Aumento de Carga: El primer caso será elevar la carga de forma porcentual y observar el comportamiento de las tensiones y de la potencia reactiva aportada por los compensadores.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Disminución de Carga: El segundo caso se realiza con disminuciones porcentuales de la carga para luego observar el comportamiento de las tensiones y las potencias reactivas inyectadas por los compensadores.

HACIA COLOMBIA

III. DESCRIPCIÓN DE ÁREA BAJO ESTUDIO El caso de estudio considerado fue el sistema occidente, específicamente el asociado a los estados andinos, debido que esta zona presenta barras con perfiles de tensión bajos.

CUATRICENTENARIO

ISIRO P. PALMA EL TABLAZO

ENELVEN

PLANTA CENTRO

BARQUISIMETO P. IGUANA

E.de C.

SIST. CABUDARE

CENTRAL

MOROCHAS

CABIMAS

YARACUY

D. LOSADA

LA ARENOSA BUENA VISTA

EL VIGIA II

JOSE

CUMANA II

CASANAY

GUANTA II BARBACOA I INDIO

BARBACOA II

LA HORQUETA

EL FURRIAL

* PLANTA PAEZ

*

ACARIGUA II

SANTA TERESA

SUR

EL TIGRE

BARINAS IV

CALABOZO

SAN GERONIMO

LA CANOA

PALITAL

GUAYANA

URIBANTE SAN AGATON HACIA COLOMBIA

CABRUTA

EL COROZO

765 kV

EL CALLAO II

MALENA GURI

LOS PIJIGUAOS LAS CLARITAS

400 kV 230 kV

AISLADA A 230 kV OPERA A 115 kV

*

AISLADA A 400 kV OPERA A 230 kV SANTA ELENA

HACIA BRASIL

Figura 2. Descripción del área de estudio dentro del SEN.

IV. RESULTADOS OBTENIDOS DEL CASO DE ESTUDIO EN EL SISTEMA CADAFE OCCIDENTE. A. Estudio en Régimen Permanente: Selección de Barras Factibles.

En la Figura 3 se muestra la gráfica de los perfiles de tensión en (p.u) del Sistema Occidente antes de la

incorporación de los dispositivos FACTS, donde se puede observar que existen diversas barras con perfiles de tensión que se encuentran por debajo de los valores de operación optimo. Asimismo, se muestran la Figura 4 donde se visualiza la gráfica de las lineas que presentaron mayor cargabilidad en el sistema Occidente.

Figura 3. Perfiles de Tensión de Barras del Sistema Cadafe Occidente, antes de la incorporación de los dispositivos FACTS.

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Figura 4. Potencias Activas en las Barras del sistema Cadafe Occidente, antes de la incorporación de los dispositivos FACTS. B. Estudio en Régimen Permanente: Colocación de los Compensadores Estáticos (SVC) en las Barras Seleccionada del Sistema de Potencia.

Después de analizar el sistema y de ubicar las barras que presentaron problemas de tensión se procede a la ubicación de los dispositivos FACTS del sistema. Las barras seleccionadas para la ubicación de los dispositivos, fueron las que por su ubicación mejoraron los niveles de tensión en las barras que presentaron el perfil de tensión de rango bajo de operación.

En la Tabla I se tiene los valores de los compensadores (SVC) calculados y las barras seleccionadas, según los criterios descritos anteriormente. En la Figura 5 se muestra el diagrama unifilar donde se observan las barras donde fueron ubicados los dispositivos FACTS.

Tabla I. Barras Factibles para Colocar Compensadores Estáticos en el Sistema Cadafe Occidente.

BARRAS MÉRIDA II BUENA VISTA BARINAS I

SINY (MVA) 50 50 80

ZSS (%) 3,46 3,46 0,395

C. Análisis de Barras Seleccionadas con los FACTS Incorporados en el Sistema.

Después de la ubicación de los dispositivos estratégicamente en las barras seleccionadas, se procede a realizar nuevamente el estudio de los perfiles de tensión en estado permanente en el sistema.

Figura 5. Diagrama Unifilar de la Red Cadafe – Occidente a Nivel de tensión de 115 kV y 230 kV. Con los Dispositivos FACTS.

En la Figura 6 se muestran las magnitudes de los perfiles de tensión en las barras analizadas anteriormente, con los compensadores ya incorporados. En esta grafica se puede observar se mejoran los perfiles de tensión en las que se ubicaron los dispositivos y en las barras que se encuentran aguas abajo del sistema.

En la Figura 7 se visualiza la grafica con ambas curvas de los perfiles de tensión antes y después de la incorporación de los compensadores (SVC). Donde se puede observar la actuación de los compensadores estáticos en el sistema en régimen permanente y como mejoran los perfiles de tensión en las barras donde fueron ubicados.

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Figura 6. Perfiles de Magnitudes de Tensiones en las Barras en el sistema de Potencia Cadafe Occidente, con la incorporación de los dispositivos FACTS.

Figura 7. Comparación de los Niveles de Tensión en el Sistema.

D. Estudio en Régimen Dinámico: Estabilidad de Tensión en el SEN Ante Perturbaciones, con la Actuación de los Dispositivos FACTS. Evaluación de una Falla Monofásica para Caso de Alta

Carga con Exportación 8021 MW. Para la evaluación en régimen dinámico se realizaron varias perturbaciones en el sistema Cadafe Occidente. De los criterios descritos en la metodología se desarrolló una

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 falla monofásica en el extremo Yaracuy 230 kV entre las líneas de Yaracuy – Morocha a 230 kV. En la Figura 8 se observa el diagrama unifilar donde se realizó una falla muy cercana a la barra, la línea que fue despejada para un tiempo de 0,067 ms, para un tiempo de simulación de 10 seg. Esta falla fue realizada para un sistema de alta carga para un nivel de exportación de 8021 MW.

inductivos para luego inyectar reactivos capacitivos, hasta que comienzan a estabilizarse los compensadores de Mérida II y Buena Vista.

Figura 10. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores Estáticos Cuando ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre Yaracuy – Morocha a 230 kV, Exportación 8021 MW.

Figura 8. Diagrama Unifilar de Falla Monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre Yaracuy – Morocha a 230 kV. En la Figura 9 se puede observar que para el momento que es despejada la línea fallada, las tensiones en las barras monitoreadas, (Mérida II, Barinas I y Buena Vista), se elevan hasta 1.13 p.u, para luego descender hasta 0,9924 p.u. para luego comenzar a estabilizarse para un tiempo transcurrido de los 200 ms.

E. Evaluación de una Falla Monofásica de Baja Carga con Exportación 6483 MW. Aplicando la misma falla monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre la línea Yaracuy – Morocha a 230 kV, pero con un sistema a baja carga para un nivel de exportación de 6483 MW. En la Figura 11 se tiene los perfiles de tensión de las barras que fueron colocados los compensadores, (Mérida II, Barina I y Buena Vista). Donde se puede observar que después de transcurrida la falla las tensiones se elevan hasta 1,017 p.u pero luego descienden hasta 0,991 p.u, para luego comenzar a estabilizarse a los 100 ms.

Figura 9. Estabilidad de Tensión ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre Yaracuy – Morocha a 230 kV, con la actuación de los Dispositivos FACTS, Exportación 8021 MW.

En la Figura 10 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva aportada por los compensadores al momento de ocurrir la falla los reactores aportan reactivos

Figura 11. Estabilidad de Tensión ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre Yaracuy – Morocha a 230 kV, con la actuación de los Dispositivos FACTS, Exportación 6483 MW.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 En la Figura 12 se muestra la grafica de la actuación de los compensadores estáticos en las barras bajo estudio, donde se observa que luego de transcurrida la falla a los 0,067 ms, la potencia se eleva buscando como compensar al sistema inyectando reactivos capacitivos, para luego ir estabilizando al sistema, la barra donde se observa mayor actuación del compensador es la barra Barinas I.

estabilizarse. Llevando los niveles de tensión a valores de operación deseados.

Figura 13. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Alta Carga Exportación de 8021 MW.

Figura 12. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores Estáticos Cuando ante una Falla monofásica en Yaracuy a 230 kV, entre Yaracuy – Morocha a 230 kV, Exportación 6483 MW.

F. Evaluación de Variaciones de Carga para un Sistema de Alta Carga del Sistema con Exportación 8021 MW. Para realizar este tipo de perturbación se comenzó con un aumento de la carga de un 2,94 % para una exportación de 8021 MW. En la Figura 13 se muestra el comportamiento de las tensiones en las barras donde fueron colocados los compensadores estáticos y se puede visualizar que al momento de ocurrir la perturbación a los 0,5 ms la tensión post falla da hacia abajo indicando que el sistema necesita reactivos inductivos. Alcanzando un valor de tensión de 0,986 p.u en la barra Buena Vista.

Figura 14. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Alta Carga Exportación de 8021 MW.

En la Figura 14 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva, donde se puede observar que al momento de ocurrir la elevación de la carga de 2,94% el dispositivo para compensar inyecta reactivos inductivos para elevar los perfiles de tensión a niveles óptimos de operación. Para este caso se observó una elevación de los niveles de exportación de CORPOELC - EDELCA a 8030 MW. Para la disminución de la carga se realiza un bote de carga de -2,94% para una exportación de 8021 MW. En la Figura 15 se tiene la gráfica con los perfiles de tensión en las barras donde fueron colocados los compensadores estáticos donde se visualizar que las tensiones luego de ocurrir la perturbación a los 0,5 ms las tensiones se elevan hasta 1,056 p.u, indicando que el sistema necesita reactivos inductivos. Luego el sistema comienza a

Figura 15. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Alta Carga para un Nivel de Exportación de 8021 MW.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 En la Figura 16 se observa el comportamiento de las potencias reactivas asociadas a los compensadores instalados en las barras del sistema de Cadafe Occidente, donde se puede observar que al momento de hacerse el bote de carga los compensadores inyectan reactivos inductivos como en el caso anterior, el compensador que más aporta reactivos es el que se encuentra ubicado en la Barra Barinas I.

Figura 16. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Alta Carga para un Nivel de Exportación de 8021 MW.

G. Evaluación de Variaciones de Carga para un Sistema de Baja Carga del Sistema con Exportación 6483 MW. Para la evaluación de Baja carga se consideró un sistema de potencia con un nivel de exportación de 6483 MW con un aumento de la carga de un 2,94%. En la Figura 17 se tiene la grafica con los perfiles de tensión donde se puede observar que después de transcurrido el evento a los 0,5 ms las tensiones descienden alcanzando valores de 0,977 p.u, indicando que necesitan reactivos capacitivos para poder llevar los perfiles de tensión a sus niveles de operación deseados.

En la Figura 18 se muestra la grafica donde se visualiza el comportamiento de las potencias reactivas de los compensadores instalados en las barras donde fueron colocados. En la figura se puede observar que los compensadores inyectan reactivos capacitivos. Para este caso se observó una disminución de los niveles de exportación de 6478 MW

Figura 18. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW.

En la Figura 19 se tiene la gráfica del comportamiento de los perfiles de tensión ante una disminución de carga de un -2,94% de la carga para un sistema de baja carga con de exportación de 6483 MW. donde se puede observar que transcurridos los 0,50 ms, la curva de la tensión se eleva hasta 1,043 p.u, indicando que el sistema necesita reactivos capacitivos.

Para este caso se observó una disminución de los niveles de exportación de 6483 MW a 6478 MW.

Figura 19. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW. Figura 17. Comportamiento de la Tensión Cuando hay Aumento de la Carga de un 2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW.

En la Fgura 20 se tiene el comportamiento de las potencias reactivas en los compensadores estáticos en las

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 barras bajo estudio, donde se puede observar que los dispositivos inyectan reactivos capacitivos al sistema y disminuyendo el nivel de exportación a 6478 MW.

Figura 20. Comportamiento de la Potencia Reactiva en los compensadores estáticos Cuando hay Disminución de la Carga de un -2,94 % para un caso de Baja Carga para un Nivel de Exportación de 6483 MW.

V. CONCLUSIONES 1. Se elaboró una metodología para la localización de los en sistemas de potencia, empleando su validación con el modelo IEEE 14 Barras.

2. En el sistema Cadafe Occidente existen barras afectadas con bajos perfiles de tensión donde los dispositivos FACTS son una alternativa para mejorar los perfiles de tensión de esta red.

3. En el sistema Cadafe Occidente se pueden implementar dispositivos FACTS tipo SVC en tres subestaciones los cuales logran mejorar el perfil tensión alcanzando los niveles de operación deseados.

4. En el análisis de estabilidad de tensión ante perturbaciones como lo es el aumento o disminución de la demanda del SEN, los SVC inyectan reactivos capacitivos o inductivos dependiendo de la condición logrando controlar el perfil de tensión dentro de los rangos de operación para la red Cadafe Occidente y mejorando de esta manera la estabilidad de tensión.

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IMPLEMENTACIÓN HÍBRIDA HARDWARE SOFTWARE DEL ALGORITMO DE DETECCIÓN DE ROSTROS DE VIOLA-JONES SOBRE FPGA Hernández, Ernesto del Toro 1, Cabrera Sarmiento, Alejandro 2, Sánchez Solano, Santiago 3 (Recibido enero 2012, Aceptado abril 2012) 1

Centro de Investigaciones en Microelectrónica, CUJAE 2 Departamento de Automática Computación, CUJAE 3 Instituto de Microelectrónica de Sevilla, IMSE-CNM, CSIC ernesto@electrica.cujae.edu.cu, alex@electrica.cujae.edu.cu, santiago@imse-cnm.csic.es Resumen: En este trabajo se describe el diseño e implementación de un sistema que se utilizará para realizar la detección de rostros siguiendo el algoritmo propuesto por P. Viola y M. Jones. En el diseño se ha utilizado una placa que contiene un FPGA Virtex-II Pro acoplado con un sensor de visión tipo CMOS. Se han implementado estructuras hardware que permiten la aceleración de la ejecución de este algoritmo en un 37%. Una de las ventajas de este diseño radica en la posibilidad de utilizar imágenes con un tamaño variable para realizar la detección de rostros.

Palabras clave: Análisis de manchas/ FPGA/ Procesamiento de Imágenes/ Viola-Jones

HYBRID HARDWARE SOFTWARE IMPLEMENTATION OF VIOLA-JONES FACE DETECTION ALGORITHM USING AN FPGA Abstract: This work presents a design strategy for face detection using the P. Viola and M. Jones proposal. The system uses a Virtex-II Pro FPGA and a CMOS vision sensor connection in order to fulfill usual requests of image processing algorithms. Hardware implementation of some parts of the algorithm allows a 37% gain in performance over the equivalent software solution. One on the main advantages of this design relies on the possibility of using multiple size images in the face detection process.

Keywords: Algorithm Acceleration/ FPGA/ Image Processing/ Viola-Jones

I. INTRODUCCIÓN La extracción automática de información en secuencias de imágenes constituye una de las principales características de muchos sistemas de visión artificial dirigidos a diferentes campos de aplicación [1, 2]. En particular, los algoritmos y procedimientos de identificación y localización de rostros en imágenes o vídeos son ampliamente utilizados en sistemas de seguridad y otras aplicaciones orientadas al consumidor, como autofocalización de los rostros en cámaras digitales, juegos de ordenador que requieran tele-presencia o cámaras web que realizan seguimiento de individuos [1].

En los últimos años se han publicado muchas propuestas de algoritmos para detección de rostros basados en diferentes estrategias. Schneiderman y Kanade en [3] proponen un método estadístico para detectar rostros utilizando histogramas para representar una gran variedad de atributos visuales. Otro método de detección de rostros puede ser visto en [4], donde H. Rowley, S. Baluja y T.

Kanade entrenan dos sistemas de clasificación basados en redes neuronales: el primero realiza una estimación de la pose de un rostro en una imagen y el segundo se encarga de la detección de rostros en sí. Existen otras propuestas donde se realiza la detección de rostros teniendo en cuenta las texturas y colores de la piel [5, 6].

Una de las técnicas de detección de rostros más ampliamente utilizada es la propuesta por P. Viola y M. Jones en [7]. Este algoritmo, basado en etapas de clasificación de complejidad creciente, es valorado como uno de los mejores en cuanto a tiempo de ejecución y efectividad de detección [1, 2, 8, 9].

Una característica común a la mayoría de los algoritmos de detección de rostros es que requieren una elevada carga computacional. Aunque esta circunstancia no representa un inconveniente importante para los procesadores disponibles en los ordenadores actuales, sí puede suponer un serio inconveniente para su aplicación en sistemas empotrados con velocidades de operación y recursos de

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 cálculo limitados. Para abordar con éxito el desarrollo de nuevas aplicaciones para sistemas empotrados cuya función será la de sensores de visión distribuidos, surge, por tanto, la necesidad de adaptar este tipo de algoritmos y buscar implementaciones eficientes que combinen componentes hardware y software para acelerar su ejecución.

Por la forma en que se afronta el problema de detección de rostros y por la relativa alta velocidad de ejecución del algoritmo propuesto por Viola y Jones en comparación con otras propuestas, se ha podido encontrar en la bibliografía consultada muchos autores que han abordado la implementación y aceleración del mismo [10-16].

G. Changjian y L. Shih-Lien en [10] utilizaron una tarjeta que contaba con un conector PCIe y un FPGA Virtex 5 LX110T de Xilinx. En conjunto con un software que se ejecuta en un procesador Intel Core 2 Duo a 2.66 GHz con 8 GB de memoria RAM los autores reportan una velocidad de detección de 37 imágenes por segundo. En este trabajo las imágenes deben ser grabadas al FPGA como paso previo a la detección y su tamaño de 256x192 puntos no puede variar.

L. Hung-Chih et al. en [11] utilizan un módulo hardware para implementar una pirámide de imágenes que le permita realizar el barrido en distintas resoluciones.

Luego utilizan un buffer para calcular la imagen integral de la ventana que están procesando y a continuación realizar el proceso de cálculo de los clasificadores. Los autores utilizan una placa que contiene un FPGA Virtex-II Pro XC2VP30 e implementan 52 clasificadores en una sola etapa. Las imágenes donde se realiza la detección deben tener un tamaño fijo de 640x480 puntos y el conjunto de los clasificadores no puede ser modificado.

J. Cho, B. Benson, S. Mirzaei y R. Kastner en [12] utilizan un FPGA de Xilinx Virtex-5 LX330 y en él implementan la interfaz para capturar las imágenes directamente de un sensor de visión. Como el cálculo de los clasificadores se realiza utilizando una ventana de tamaño fijo, los autores implementan el hardware necesario para disminuir progresivamente este tamaño de la imagen para poder realizar el barrido de la misma. Al realizar esta implementación, se fijan los factores de escalas por los cuales será modificada la imagen. En imágenes de 320x240 puntos se realiza el barrido en 14 escalas pre-fijadas que no se pueden modificar. En el trabajo se reporta el procesamiento de 61.02 imágenes por segundo y en comparación con una realización software equivalente los autores logran acelerar el proceso de detección. Una de las desventajas de esta implementación es que el tamaño de las imágenes a procesar es fijo y un cambio en el tamaño de las mismas representaría un cambio en todo el sistema.

En otros trabajos consultados se realiza la aceleración del proceso para un tamaño de imagen prefijado que no puede ser modificado luego de implementar el sistema [13-16].

En este trabajo se describe una sistema híbrido hardware software para realizar la implementación y aceleración del

algoritmo de detección de rostros propuesto por P. Viola y M. Jones en [7]. El uso de una plataforma de desarrollo que contiene un FPGA resulta fundamental para llevar a cabo las distintas etapas de verificación funcional, ajuste de parámetros, revisión algorítmica y comparación de las distintas soluciones en cuanto a rendimiento, costo y efectividad de la implementación. Para la implementación del sistema de detección de rostros en este trabajo, se ha tenido particular cuidado en la posibilidad de modificar el tamaño de las imágenes luego de su implementación. Con este objetivo se ha diseñado hardware específico que acelere el proceso de detección siempre que no afecte las características de flexibilidad requeridas.

Las principales características del algoritmo de detección de rostro utilizado, así como las modificaciones realizadas para facilitar su implementación, son introducidas en la Sección II. La Sección III describe los detalles de implementación del sistema de detección, basado en una placa de Xilinx que contiene un FPGA Virtex-II Pro [17] a la que se ha conectado un sensor de visión Omnivision 6620 [18]. El sistema utiliza un procesador Microblaze, junto con un periférico para adquisición y visualización de imágenes, que servirá de base para la implementación software del algoritmo. En la Sección IV se proponen dos propuestas de implementación en hardware mediante la utilización de módulos de propiedad intelectual (IP) con el objetivo de acelerar el proceso de detección de rostros.

Por último, la sección V contiene las principales conclusiones obtenidas de la realización del trabajo.

II. DESARROLLO 1. Algoritmo de Detección de Rostros Viola-Jones La detección automática de rostros en na imagen digital es un problema que presenta numerosos inconvenientes, ya que no existe información a priori sobre el tamaño del rostro o su localización dentro de la imagen. Por estos motivos, los algoritmos de detección tienen que estar preparados para manejar rostros con múltiples tamaños y distinta apariencia, que pueden cambiar drásticamente según la posición, iluminación y expresión facial. En imágenes donde aparecen muchos individuos, o donde el vestuario cubre parte del rostro de las personas, es posible que se oculte parcialmente un rostro y se produzcan fallos en los algoritmos.

Descripción del algoritmo La técnica de detección propuesta por Viola y Jones utiliza una serie de clasificadores, agrupados en etapas sucesivas, que responden a un conjunto de rasgos (features) para detectar la presencia en la imagen de un rostro. Siguiendo la propuesta de [7], en la descripción de este algoritmo se describirán primero las tres características fundamentales del mismo: A) Imagen integral El primer paso que se propone para la ejecución del algoritmo de detección de rostros es la elaboración de una imagen integral. Los autores definen una imagen integral

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 como aquélla en la cual cada punto contiene el resultado de la suma de los valores de todos los puntos situados por encima y a su izquierda en la imagen original, como se muestra en la Figura 1.

1

1

1

1

2

3

1

1

1

2

4

6

1

1

1

3

6

9

a

B) Construcción de los clasificadores La construcción de los clasificadores para realizar la detección de rostros está basado en la selección, utilizando el algoritmo de entrenamiento denominado AdaBoost [19], de un pequeño número de rasgos, correspondientes a estructuras simples formadas por dos, tres o cuatro rectángulos como las que aparecen en la Figura 2. El proceso de aprendizaje excluye una gran cantidad de rasgos no esenciales y centra su atención en un pequeño conjunto de rasgos críticos para la detección de rostros. La evaluación de cada rasgo requiere el cálculo de la diferencia entre las suma de los puntos de las regiones blancas y grises, el cual puede ser realizado de forma muy eficiente al disponer de la imagen integral.

b

c Figura 1. Cálculo de la imagen integral. (a) imagen original, (b) imagen integral, (c) Cálculo de la suma en una imagen integral.

a

b

A partir de la imagen integral se puede calcular la suma de todos los puntos contenidos en un rectángulo de la imagen a procesar utilizando solo los cuatro valores que se muestran en la Figura 1-c. Esta característica permite que el cálculo de la suma de los puntos contenidos en un rectángulo de tamaño arbitrario pueda ser realizado en un tiempo constante.

c

d

Figura 2. Ejemplo de los rasgos de 2 (a y b), 3 (c) y 4 (d) rectángulos utilizados para realizar la detección de rostros.

C) Creación de la estructura de los clasificadores La tercera característica de este algoritmo de detección es la combinación en cascada de grupos de clasificadores cada vez más complejos (con mayor número de rasgos).

Esta estrategia incrementa de forma considerable la velocidad de ejecución del algoritmo, ya que permite detectar rápidamente las zonas de la imagen que no contienen rostros y dedicar mayor esfuerzo a aquéllas en que hay más probabilidad de existencia de rostros en las primeras etapas.

De forma empírica P. Viola y M. Jones determinaron que la resolución inicial de la ventana para el entrenamiento fuera de 24x24 puntos. A partir de esta elección, los autores del algoritmo utilizaron una variante del algoritmo de entrenamiento AdaBoost, para agrupar los clasificadores en un conjunto de etapas como aparece en la Figura 3.

En cada etapa se evalúan los rasgos de los clasificadores y se comparan los resultados con valores umbrales obtenidos mediante el proceso de entrenamiento. Si el valor de un determinado clasificador es mayor que el

umbral el resultado es un valor alpha determinado; si no, el resultado es cero. Los valores obtenidos se van acumulando en la etapa correspondiente y luego se comparan con un valor umbral de la etapa para decidir si la ventana en cuestión no es un rostro. Si se sobrepasa el valor umbral de la etapa, la ventana será transferida hacia otra etapa más compleja que volverá a repetir el proceso hasta que se evalúen todas las etapas.

Figura 3. Descripción esquemática de una cascada de clasificadores. Los números representan la cantidad de rasgos que se evalúan en cada etapa.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Para completar el proceso de detección de rostros que encajen en la escala de referencia inicial, la ventana de tamaño 24x24 puntos mencionada con antelación debe desplazarse por toda el área de la imagen. A continuación es necesario aumentar el tamaño de la ventana y volver a realizar la operación de barrido. No obstante, la utilización de la imagen integral hace que el tiempo requerido para calcular los valores de los rasgos permanezca constante a medida que éstos aumentan de tamaño, de acuerdo a la ventana que se esté utilizando.

Los valores empleados para escalar la ventana, los valores correspondientes a los pasos de barrido de la imagen completa y el tamaño final de la ventana se definen según la aplicación y el nivel de eficiencia o velocidad que se requiera. Al finalizar la evaluación de todas las etapas, las ventanas que no hayan sido descartadas en el proceso serán consideradas como rostros.

2. Implementación de un sistema para la ejecución del Algoritmo de Detección de Rostros El desarrollo de algoritmos de procesado de imágenes suele llevar asociado una importante etapa experimental que permita verificar la funcionalidad de las implementaciones alternativas y comparar sus prestaciones. Por este motivo, el uso de una plataforma de desarrollo que facilite el particionado hardware-software de los algoritmos y proporcione mecanismos para adquirir y mostrar las imágenes constituye una importante herramienta para abordar el diseño de este tipo de sistemas.

Para la realización de este trabajo se ha utilizado una placa de Xilinx que incorpora una FPGA Virtex-II Pro xc2vp30 e incluye, entre otras características, un módulo de memoria DDR-RAM, interfaz VGA y conectores de entrada/salida al que se conectará un sensor de visión.

La Figura 4 muestra el diagrama de bloques de la plataforma de desarrollo, implementada mediante el entorno Xilinx Platform Studio y basada en un módulo IP del procesador Microblaze [20] conectado a distintos módulos IP que actúan como periféricos. Estos son: controlador de memoria, temporizador, puertos de entrada/salida paralelos y controlador de interrupciones.

Esta interconexión se realiza a través de un bus de conexión de propósito general denominado PLB (Processor Local Bus) [21].

Para completar el diseño de la plataforma fue necesario, construir un periférico, denominado direct_video en la figura 4, capaz de comunicar el sensor de visión utilizado con el procesador Microblaze y que, además, pudiera utilizarse para mostrar las imágenes a través del puerto VGA dejando libre al procesador para efectuar otras tareas. Las descripciones de los diferentes componentes de la plataforma se detallan en los siguientes apartados.

Interconexión para el sensor de visión y salida VGA El chip OV6620 es un sensor de visión que incorpora dispositivos ópticos capaces de capturar hasta 60 imágenes por segundo de 352x288 puntos. Puede ser programado mediante una interfaz SCCB (Serial Camera Control Bus) para controlar parámetros como el tiempo de exposición, la ganancia, el balance de blanco y la matriz de colores, entre otros [10]. Dispone de un puerto de salida de 16 bits que se utiliza para transferir la imagen utilizando distintos formatos. El sensor proporciona también las señales de sincronismo clásicas para la transmisión de imágenes (sincronismo vertical, horizontal y reloj de píxel).

Para el desarrollo de los algoritmos de detección de rostros se ha utilizado el formato CIF (Common Intermediate Format) con una codificación YCbCr tipo 4:2:2. Utilizar este tipo de codificación facilita mucho el trabajo con algoritmos que utilizan solo la componente de luminancia de las imágenes. Teniendo en cuenta que la resolución de color del sensor de visión empleado no es muy grande, el uso de esta codificación para algoritmos basados en texturas de la imagen o diferenciación de colores no sería muy eficiente.

El diagrama de bloques del periférico direct_video desarrollado aparece en la Figura 5. En su realización se utilizó una memoria de doble puerto implementada con los componentes BRAM de la FPGA. La capacidad de esta memoria permite alojar la imagen transmitida por el sensor de visón (101376 puntos de 16 bits). La escritura en el puerto de datos A es controlada por una máquina de estados denominada Write Sync FSM. Esta máquina de estados está sincronizada con la señal de inicio de imagen generada por el sensor, que escribe ordenadamente los datos correspondientes a cada punto (8 bits de luminancia y 8 bits de croma U o V, según corresponda con el formato). El proceso de escritura en el puerto se realiza a la velocidad en que es transmitida la imagen por el sensor (8.86 MHz), mientras que para el proceso de lectura se utiliza el reloj del sistema (100 MHz). Se utilizan en el puerto A 17 bits de direcciones, una señal de habilitación de escritura y el reloj.

Figura 4. Diagrama de bloques de la plataforma de desarrollo.

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Figura 5. Diagrama del periférico direct-video (Los nombres de los bloques corresponden con los utilizados en el diseño).

Para mostrar la imagen en el puerto VGA, la máquina de estados VGA Sync se encarga de efectuar la lectura por el puerto de salida B de la memoria y realizar el cambio de formato de 4:2:2 a 4:4:4 necesario para mostrar correctamente los píxeles. El puerto B de la memoria es de sólo lectura y se utilizan 16 bits de direcciones y la señal de reloj. El cambio en la cantidad de bits de direcciones está dado por el hecho de que se leen 32 bits de datos (o sea el dato de dos puntos consecutivos) para poder realizar el cambio de formato mencionado anteriormente. Esta máquina de estados (VGA Sync) incluye además un conjunto de registros de escritura que permiten añadir un rectángulo a la imagen (desde el software ejecutado en Microblaze) con el objetivo de incluir en tiempo real referencias a los rostros detectados.

Tras el cambio de formato, se utiliza un módulo IP proporcionado por Xilinx para convertir el tipo de dato YCrCb a RGB [22]. Todo el proceso de lectura en el puerto B está sincronizado con el reloj VGA que funciona a 50MHz. Finalmente, el puerto de salida A será utilizado por Microblaze para leer la imagen almacenada en la memoria, a la que se aplicará el algoritmo de detección de rostros. Se ha empleado una estructura sencilla de multiplexado en combinación con otra máquina de estados (Read Sync FSM) que actúa sobre el bus de direcciones y las señales de lectura para no sobrescribir la memoria.

El diseño e implementación del sistema se llevó a cabo utilizando Xilinx Platform Studio versión 10.1.03. Para la síntesis del procesador Microblaze se habilitaron todas las opciones que permiten obtener mejor rendimiento, como uso de Barrel Shifter, multiplicación y división de enteros utilizando hardware específico y empleo de 5 etapas de pipeline. También se incluyeron 8 kB de cache de instrucciones y datos, respectivamente, el módulo IP de

depuración de Xilinx (XMD) y un controlador de memoria externa necesario para utilizar los 256 MB de DDR-RAM disponibles en la placa. En la Figura 6 se muestra una fotografía del sistema en funcionamiento.

Figura 6. Sistema base para la implementación y prueba de algoritmos de detección de rostros

El sistema básico descrito ocupa el 54% de los Slices de la FPGA Virtex II-Pro (xc2vp30), el 5% de los bloques de multiplicación de 18x18 bits y 132 de los 136 bloques de memoria BRAMB (97%). La elevada utilización de bloques de memoria se debe en gran medida a la implementación de la memoria de doble puerto del periférico direct_video (99 en total, incluyendo los utilizados en la interfaz PLB-IPIF).

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Análisis de la ejecución del algoritmo de reconocimiento facial El sistema descrito fue utilizado, en primer lugar, para llevar a cabo una realización software del algoritmo de detección de rostros con el objetivo de detectar las partes críticas en la ejecución del mismo para acelerarlas mediante la transportación de estas funcionalidades hacia hardware implementado en el FPGA. La variante del algoritmo Viola-Jones implementada utiliza los datos de la cascada de clasificadores elaborados para CMUcam [23]. Estos contemplan 244 rasgos de clasificación distribuidos en 5 etapas de 9, 10, 25, 100 y 100 clasificadores, respectivamente. Entre los motivos por los que se decidió utilizar esta variante cabe destacar que está concebida para trabajar con el sensor de visión utilizado, por lo que al hacer la implementación se dispondrá de un modelo funcional con el cual comparar los resultados obtenidos.

Los datos correspondientes a los rasgos de clasificación fueron reescritos y compilados para el procesador Microblaze como constantes. Se utilizaron los mismos tamaños de ventanas que en el código original, predefinidos en: 30x30, 38x38, 48x48 y 60x60 puntos. El escalado de los rasgos para los nuevos tamaños de ventana se calcula con anterioridad para disminuir el tiempo de ejecución y se incluye en el código fuente junto con los valores de umbral y otros datos necesarios para ejecutar el algoritmo.

El cálculo de la imagen integral se realiza coincidiendo con la fase de adquisición de la imagen al iniciarse la ejecución del algoritmo. La aplicación incluye de forma independiente una funcionalidad que permite transmitir la imagen y su componente integral mediante el puerto serie.

Esto posibilita la comprobación del algoritmo en más de una plataforma y permite utilizar los mismos datos al comparar diferentes alternativas de implementación.

Para calcular el tiempo de ejecución de este algoritmo, se realizaron una serie de 20 mediciones con distintas imágenes que incluían solo un rostro. El tiempo promedio de ejecución medido fue de 1940 milisegundos. Con objeto de evaluar la distribución del tiempo de ejecución entre las distintas partes del algoritmo e identificar las más adecuadas para una posible implementación hardware con el objetivo de acelerarlas, se utilizó la herramienta de análisis de rendimiento (profiling) que incorpora el software de desarrollo de Microblaze. Se trata de una herramienta intrusiva que hace que el compilador añada al código del programa funciones que interrumpen la ejecución del mismo con una frecuencia determinada y guardan en un espacio de memoria reservado el contenido del contador de programa. Una vez terminada la ejecución se realiza un análisis de estos datos y se determina qué función o parte del programa corresponde con cada valor del contador de programa. A partir de este análisis se determina cuánto tiempo estuvo el procesador ejecutando cada una de las funciones, cuántas llamadas a la función se hicieron y otros datos estadísticos. Los resultados se

pueden visualizar en un gran número de formatos, como el diagrama de tarta que se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Análisis de rendimiento de la implementación software del algoritmo de detección de rostros.

La Figura 7 muestra el porcentaje de tiempo que está ejecutándose cada función en relación con el tiempo total de ejecución del programa. El número 1 corresponde a la función que realiza el cálculo de los rasgos en cada uno de los clasificadores, que ocupa casi la mitad del tiempo total de ejecución. El número 2 corresponde a la función que realiza el cálculo de la imagen integral. El número 3 al resto del algoritmo de detección de rostros donde se realiza el desplazamiento y cambio de tamaño de la ventana de detección y se guardan las ventanas marcadas como rostros. El número 4 está asociado a otras funciones no directamente relacionadas con la detección de rostros (comunicación con el puerto serie, muestra de los resultados, etc.).

Como se mencionó anteriormente, el diseño hardware inicial de la plataforma de desarrollo ocupa poco más del 50% de los recursos disponibles en la FPGA utilizada, lo cual hace pensar que es viable la implementación de un coprocesador que libere a Microblaze de la ejecución de determinadas partes del algoritmo con el objetivo de acelerar la ejecución del mismo. El análisis de rendimiento realizado permite llegar a la conclusión de que se ganaría en velocidad de ejecución si se acelera el cálculo de los valores de los rasgos de clasificación. A este razonamiento hay que añadir que dicho cálculo tendría que realizarse un mayor número de veces si se decidiera aumentar la base de datos de los clasificadores, con lo que amentaría aún más el tiempo invertido en la ejecución de esta función.

El cálculo de la imagen integral podría ser una segunda función candidata a ser acelerada mediante hardware.

Incluso podría pensarse en realizar una modificación a la máquina de estados del periférico direct_video, para calcular la imagen integral al mismo tiempo que

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Microblaze lee los puntos de la imagen a procesar. Sin embargo, los resultados obtenidos muestran que el cálculo de la imagen integral no demora tanto como la aplicación de todo el conjunto de clasificadores. Además hay que considerar que este cálculo se realiza solo una vez por cada imagen.

3. Aceleración del algoritmo mediante implementación hardware La implementación software del algoritmo utilizando Microblaze permitió verificar su funcionalidad y ajustar los parámetros necesarios. Posteriormente, y con objeto de acelerar la velocidad de ejecución, se procedió a implementar la etapa correspondiente al cálculo de los clasificadores mediante una estructura hardware diseñado utilizando VHDL (Very-high-speed-integrated-circuit Hardware Description Language) y conectada como un módulo IP a Microblaze. Para llevar a cabo la implementación híbrida hardware software del algoritmo de detección de rostros se consideraron dos alternativas: 1.- Un coprocesador conectado mediante la interfaz FSL (Fast Simplex Link) [24].

2.- Un periférico con capacidad de acceder directamente a la memoria externa.

Coprocesador conectado mediante FSL Como una primera alternativa para acelerar la ejecución del algoritmo se utilizaron las facilidades de Xilinx para el diseño e implementación de periféricos para construir un coprocesador conectado al procesador Microblaze mediante la interfaz de conexión rápida punto a punto denominada FSL. Este coprocesador se encarga de realizar las siguientes operaciones: 1.- Recibir los valores de los puntos de la imagen integral que corresponden al clasificador a evaluar en cada momento.

2.- Realizar el cálculo correspondiente a este clasificador utilizando los datos obtenidos en la etapa de entrenamiento. Este cálculo puede llegar a requerir 9 multiplicaciones enteras y 18 operaciones de suma.

3.- Realizar la multiplicación del valor anterior por el factor de escala correspondiente.

4.- Enviar al procesador el resultado obtenido tras la realización de las operaciones anteriores.

Los valores de los coeficientes (pesos) para el cálculo de los clasificadores son almacenados en memoria de bloque.

La implementación del sistema se basa en una máquina de estados que controla la comunicación con el procesador Microblaze a través de puertos FSL. Este sistema ocupa el 69% de los recursos de la FPGA y 133 bloques de memoria de 136 disponibles. Se utilizan 12 bloques de multiplicación debido a que el coprocesador está concebido para realizar las multiplicaciones en serie con lo cual no hace falta utilizar muchos de estos elementos.

Utilizando el mismo conjunto de imágenes de test que en el caso de la implementación completamente software, el tiempo de promedio de ejecución se reduce a 1600 milisegundos utilizando el coprocesador para realizar las operaciones descritas anteriormente.

Periférico con capacidad de acceder directamente a la memoria externa El núcleo de procesado de los clasificadores descritos en el apartado anterior es capaz de acelerar el proceso de cálculo debido a que disminuye el número de accesos a la memoria externa que contiene los parámetros del algoritmo. Una vez que se han leído por software los valores de los puntos de las esquinas de un rectángulo determinado, el coprocesador realiza la operación de multiplicación-suma en conjunto con los datos que tiene almacenados en memoria de bloque en el FPGA. La otra alternativa propuesta en este trabajo para acelerar la ejecución del algoritmo de detección implica reducir los accesos a memoria y, si no es posible, al menos independizarlos del microprocesador.

Para cubrir este objetivo se ha diseñado un periférico con interfaz maestro PLB capaz de conectarse al controlador de memoria externa a través de un bus de conexión PLB independiente. Además, este periférico se conecta mediante una interfaz esclavo PLB al bus del sistema para recibir la orden de ejecución y comunicar el resultado de la operación.

Las operaciones realizadas por el nuevo periférico son equivalentes a las del coprocesador descrito anteriormente, salvo las correspondientes a la etapa de inicialización de datos: 1.- Recibe el número del clasificador, el número de la cascada, la escala utilizada y la dirección base de la ventana con la cual se está trabajando.

2.- A partir de estos datos se generan las direcciones de memoria de los puntos que se evaluarán y se realiza la lectura de los valores correspondientes a dichos puntos utilizando el acceso directo al controlador de memoria.

3.- El proceso continúa con las mismas operaciones que en el caso anterior.

El periférico diseñado se denominó mem_connection y su diagrama en bloques se puede apreciar en la figura 8.

Para una mejor comprensión se ha dividido el diagrama en bloques en dos procesos: 1. El proceso de generación de las direcciones y su lectura en memoria externa.

2. El proceso del cálculo del rasgo.

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Figura 8. Diagrama de conexión del periférico mem_connection.

Para el proceso de generación de las direcciones, el periférico recibe mediante la escritura en un registro esclavo PLB de 32 bits (slv_reg0) el número del clasificador (feature_number), la escala a la que se está trabajando (current_scale) y el número de la etapa en donde se encuentra el clasificador (current_stage).

Además el periférico recibe también la dirección base de la ventana deslizante en vez del punto de la imagen integral.

Esta es la principal diferencia con relación al software que se ejecuta en Microblaze. Como el periférico tiene un acceso propio a la memoria externa, desde el software es necesario enviarle la dirección base de la ventana deslizante.

Para realizar la acción correspondiente al paso dos (lectura de los puntos significativos de los rasgos) se utiliza la interfaz de control maestro de PLB y se ejecuta una orden de lectura en la dirección que corresponde a la dirección base de la ventana deslizante. Esta dirección se almacena en el registro Mst_ip2bus_addr. La máquina de estados para el control de la interfaz maestro ha sido modificada para ignorar el contenido de la primera lectura y luego efectuar nueve lecturas consecutivas que corresponden a las nueve posibles esquinas del rasgo que se va a calcular en ese momento. Estas lecturas se realizan calculando mediante los datos almacenados en la memoria interna del FPGA (BRAM de extremos del rasgo) el desplazamiento que hay que aplicarle a la dirección base para leer cada esquina determinada. En los casos en donde sólo es necesario utilizar seis u ocho puntos (debido al tipo de rasgo que se está evaluando) las restantes lecturas son ignoradas debido a que en los datos se ha grabado el valor de multiplicación cero que no influye en el resultado de la operación de multiplicación suma.

Para generar las nueve direcciones de lectura para la memoria externa a partir de los datos almacenados en la memoria de bloque en el FPGA se utilizan los 16 bits menos significativos del registro slv_reg1 para modificar

los registros de desplazamiento por filas y columnas. En la figura 8 aparecen estos dos registros nombrados xdisp y ydisp. Los datos que se encuentran almacenados en la memoria de bloque son relativos a la ventana y el desplazamiento por filas y columnas depende del tamaño de la matriz que contiene la imagen integral. Por ejemplo, a partir de las coordenadas relativas (x, y) el cálculo de la dirección absoluta de la memoria se realizaría con la siguiente operación: Addr = base + [(x*xdisp)+ (y*ydisp)] (1) Para una matriz de 120 filas y 176 columnas que corresponde a la imagen el valor de xdisp sería 480 y ydisp tomaría el valor de 4. Este desplazamiento está directamente relacionado por la forma en que el compilador de C/C++ para Microblaze distribuye una matriz en la memoria. Los datos en las columnas (ydisp) son ordenados de forma consecutiva y por este motivo cada cuatro bytes (para el caso de un tipo de datos de 32 bits) se encontrará uno nuevo. Los datos en un desplazamiento por las filas dependen del tamaño de la ventana (específicamente de la longitud de las columnas) y como estos datos son de cuatro bytes es necesario tenerlo en cuenta (120*4).

Los registros xdisp y ydisp son modificables mediante el software que se ejecuta en Microblaze y permite que se pueda realizar la detección de rostros utilizando un tamaño de imagen variable sin modificar el hardware sintetizado. El registro de desplazamiento por las filas xdisp tiene un tamaño de 12 bits lo cual permite acceder imágenes con una altura de hasta 1024 puntos para tipos de datos de 32 bits. El registro de desplazamiento por las columnas ydisp tiene un tamaño de 4 bits lo cual permite que el tipo de dato utilizado en la imagen integral pueda ser 8, 16 o 32 bits; las restantes combinaciones en este registro quedarían reservadas para futuras implementaciones que pudieran incluir tipos de datos de 64 y 128 bits. El tamaño mínimo de las imágenes para poder realizar la detección de rostros sería de 30x30

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 puntos dado por la base de datos de los clasificadores utilizada.

Además de generar las direcciones de los puntos significativos para cada rasgo, la máquina de estados de control maestro se encarga también de generar el conjunto de señales necesarias para efectuar la lectura en memoria externa. Por ejemplo, estas señales son bus_lock para ganar acceso exclusivo al bus, busy para informar que se está en un estado ocupado, byte_enable para marcar los datos válidos entre otras.

Después de que cada punto en la imagen integral es leído, se activa el proceso de cálculo del rasgo correspondiente mediante la utilización de un bloque de memoria que se denomina BRAM de pesos del rasgo en donde se encuentra almacenado el valor de los pesos de los rasgos de clasificación. Como se puede apreciar en la Figura 8 este proceso es una operación de multiplicación-suma en donde se va acumulando el resultado de estas nueve operaciones. El valor del rasgo correspondiente queda almacenado en el registro esclavo slv_reg4 que puede ser leído por el programa que se ejecuta en Microblaze. El resto del algoritmo es ejecutado por el software en Microblaze hasta que sea necesario realizar un nuevo cálculo de un rasgo para otro clasificador.

La interconexión de este periférico con el resto del sistema se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 9.

Figura 9. Diagrama del sistema con el nuevo periférico.

El sistema implementado sin el periférico direct_video ocupa 5751 Slices del FPGA utilizado (41%) y 37 bloques de memoria RAM (27%).

Para comparar las prestaciones de las diferentes opciones de implementación se volvió a realizar un análisis de rendimiento procesando el mismo conjunto de imágenes mediante un sistema que incluye las tres alternativas de diseño. Las diferentes zonas del diagrama de la Figura 10 muestran los tiempos de ejecución correspondientes al cálculo de los clasificadores cuando se utiliza una implementación totalmente software (1), el coprocesador conectado a través de los puertos FSL (2) y el periférico conectado directamente a memoria (3). La zona marcada con el número 4 representa el porcentaje de tiempo empleado en la elaboración de la imagen integral (8.3%).

Las zonas que restan en sentido anti-horario equivalen al

resto del algoritmo ejecutado en software (11%), utilizando el coprocesador (11%) y utilizando la conexión directa a memoria (10.4%). La zona que ocupa el 4.4% del tiempo de ejecución corresponde a otras funciones que no están relacionadas con el algoritmo (comunicación por puerto serie, atención a interrupciones entre otras).

Figura 10. Análisis de rendimiento comparativo de las tres variantes de realización del algoritmo.

El análisis anterior pone de manifiesto la mejora que representa la utilización del periférico conectado directamente a memoria. El tiempo medio de ejecución del algoritmo completo para la detección de rostros utilizando el mismo conjunto de imágenes fue de 1220 milisegundos frente a los 1940 medidos en la ejecución software. Las mediciones realizadas permiten comprobar que se ha aumentado un 37% la velocidad de ejecución del algoritmo frente a la realización software. Una medición fina del proceso de cálculo de los rasgos (sólo la porción implementada en hardware) muestra una aceleración de diez veces con respecto a su contraparte software.

III. CONCLUSIONES 1. La implementación eficiente de algoritmos de procesado de imágenes de elevada carga computacional sobre sistemas empotrados con recursos limitados requiere el empleo de técnicas de diseño híbridas, que permitan acelerar la ejecución de las tareas críticas del sistema mediante su implementación en hardware dedicado.

2. En este sentido, el uso de hardware reconfigurable acelera en gran medida las etapas de elaboración del algoritmo, ajuste de parámetros y verificación funcional, y facilita la comparación entre las distintas opciones de diseño.

3. En este trabajo se ha descrito un sistema basado en FPGA para el desarrollo de un algoritmo de detección de rostros basado en la técnica de Viola-Jones. Se han propuesto dos alternativas para la aceleración del algoritmo que contemplan, respectivamente.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 4. El empleo de un coprocesador conectado por FSL y el desarrollo de un periférico con capacidad de acceso directo a memoria. Los resultados obtenidos muestran una reducción del 17% en el tiempo de ejecución para el coprocesador y un 37% para una conexión directa a memoria.

5. Aunque en comparación con la literatura consultada este incremento en velocidad pudiera no apreciarse como significativo, la ventaja de la realización descrita en este trabajo radica en que en ambos casos la aceleración del proceso de detección no está condicionada por un tamaño de imagen prefijado.

6. El cálculo de los rasgos de clasificación se acelera hasta 10 veces de forma tal que no se relaciona con el tamaño de la imagen y se han creado estructuras hardware que permiten el acceso a los puntos significativos en un rango de tamaños de la misma.

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INFLUENCIA DE LAS DILATACIONES TÉRMICAS EN LA DESCALIBRACIÓN DEL MOVIMIENTO PARALELO DE LAS TRES CUCHILLAS DE PUESTA A TIERRA DE UN SECCIONADOR ELÉCTRICO Mendoza, Jesús Alberto1 Caraballo, Simón Antonio1, Solis, Daniela de Jesús1 Gómez, Orlando José1 (Recibido febrero 2012, Aceptado mayo 2012) UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Dpto. de Ingeniería Mecánica Email: jesus_mendozaq@yahoo.com, simoncaraballo@hotmail.com; dscasillas@hotmail.com, ogomez_17339210@yahoo.es Resumen: Entre otros tipos de seccionadores eléctricos, CORPOELEC usa, en la subestación de Macagua 400 kV, seis seccionadores Hapam modelo HAC-EV, fabricados en Los Países Bajos e instalados en 2002. Cada uno de estos seccionadores eléctricos tiene un mecanismo secundario de palancas, de accionamiento manual, usado para la puesta a tierra, constituido por dieciséis elementos móviles más un bastidor. Los elementos de salida del mecanismo son tres brazos mecánicos comúnmente denominados cuchillas, cada una de las cuales tiene dos etapas de movimiento. La etapa inicial es de rotación pura en un plano vertical y la etapa final es de traslación pura ascendente en el mismo plano. Este trabajo presenta el desarrollo del modelo matemático que permite calcular cómo las dilataciones térmicas de los eslabones del mecanismo pueden desajustar el movimiento simultáneo y paralelo de las tres cuchillas y producir un atasco de las partes en movimiento. Como resultado del análisis se concluye que debido a su principio de operación, éste mecanismo es susceptible de desajustarse debido a las dilataciones térmicas y se aconseja modificar su diseño, tomando en cuenta la influencia de estas dilataciones en su desajuste, antes de usarse como mecanismo de puesta a tierra en nuestras latitudes.

Palabras clave: Ajuste/ Calibración/ Mecanismos de Puesta a Tierra/ Seccionador Eléctrico/ Dilatación Térmica.

INFLUENCE OF THERMAL EXPANSIONS ON THE DECALIBRATION OF THE PARALLEL MOVEMENT OF THE THREE KNIVES OF A GROUNDING SWITCH MECHANISM Abstract: Among other types of grounding switches, CORPOELEC uses six Hapam HEC-EV switch operating mechanisms at Macagua 400 kV electrical substations, manufactured in the Netherlands and installed in 2002.

Each of these devices has a secondary mechanical linkage for grounding, which is manually operated. The mechanism consists of sixteen mobile elements plus a frame, which work together to move simultaneously a set of three rotary output links, currently called knives, each of which has two stages of movement. The initial stage is a pure rotation in a vertical plane and the final stage is a pure upward translation at the same plane. This paper presents a development of a mathematical model to find out how the thermal expansion of the grounding linkage may disarrange the simultaneous and parallel movement of the three knives and produce a blockage of the moving parts. The results show that this mechanism is susceptible of disarranging due to thermal expansions and is advised to modify the original design, taking into account the influence of these expansions before using this mechanism for grounding in this latitude.

Keywords: Adjust/ Calibration/ Grounding Mechanism, Switch Operating Mechanism/ Thermal Expansion

I. INTRODUCCIÓN Un seccionador eléctrico es un artificio mecánico de seguridad usado durante las maniobras de operación y mantenimiento de una subestación eléctrica y sirve para separar físicamente de la red eléctrica, cada uno de los tres cables de conducción principal que han sido primero previamente desconectados del sistema de alimentación por otro dispositivo mecánico conocido con el nombre de

interruptor eléctrico. Cada uno de estos seccionadores tiene, adicional al propio mecanismo principal de seccionamiento, un mecanismo secundario de seguridad usado para la puesta a tierra.

Entre otros tipos de seccionadores eléctricos, CORPOELEC usa, en la subestación de Macagua 400 kV, seis seccionadores Hapam modelo HAC-EV, fabricados en los Países bajos e instalados en el año 2002. Tres de

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 estos han presentado roturas en sus mecanismos manuales secundarios de puesta a tierra.

Los elementos de salida del mecanismo secundario son tres brazos ranurados numeradas como 5, 9 y 13 en la Figura 1, en cuyos extremos superiores se fijan las cuchillas de puesta a tierra, no representadas en el

esquema. Cada brazo (en adelante se usará el término cuchilla para designar a estos brazos) tiene dos etapas de movimiento: una inicial de rotación pura y otra posterior de traslación ascendente.

Figura 1. Mecanismo de puesta a tierra del seccionador Hapam HAC-EV. Los pares A, D, O y O´ son fijos. Los eslabones 14, 15 y 16 son los rodillos seguidores. Los pares L, T y T´ son pares de contacto puntual entre los rodillos y las levas. Las cuchillas se fijan a los brazos 5, 9 y 13.

Las cuchillas están vinculadas al bastidor por los pares especiales de doble propósito G, R, y R´. Estos pares son de doble propósito porque durante la primera etapa de movimiento de las cuchillas, son rotatorios y durante la segunda, son cilindro-plano. La separación nominal entre los centros de los nodos cinemáticos de estos pares es de 7 m a lo largo de la horizontal. Las cuchillas deben moverse siempre paralelas en un plano vertical para cerrar y abrir cuando sea necesario, el circuito de puesta a tierra.

Los eslabones 2, 6 y 10 del mecanismo son los tres eslabones de calibración longitudinal que corrigen los errores de posicionamiento de las cuchillas con el fin de lograr que estas marchen simultáneamente paralelas durante su operación.

Además de una ranura, cada una de las tres cuchillas tiene en su pie una prolongación protuberante como se indica en la Figura 2. En la zona protuberante del pie de cada cuchilla se articula un rodillo seguidor que rueda sobre una leva fija en el bastidor. La leva fija tiene un perfil compuesto por un tramo curvo semicircular y por un tramo de línea recta vertical. La zona de transición de la leva fija es aquella que marca su cambio de perfil.

El subconjunto bastidor 0, brazo o cuchilla 9 y rodillo 15, de la Figura 2 conforma durante la primera etapa de movimiento de esta cuchilla, un tren epicíclico en el que la cuchilla 9 en movimiento de rotación pura transporta consigo al rodillo seguidor 15. De esta manera, en este tren epicíclico, la cuchilla 9 tiene la entrada de movimiento y es el portasatélite del tren. La leva fija funge de sol detenido y en consecuencia es parte del bastidor. Los otros subconjuntos cinemáticos de este tipo son los conformados por los eslabones 0-14-5 y 0-16-13.

Figura 2. Subconjunto contentivo del segundo brazo.

El par O es un par rotatorio fijo. El par R es de doble propósito.

Una vez que cada rodillo seguidor recorre, arrastrado por su cuchilla correspondiente, todo el tramo circular del perfil de cada leva fija y se encuentra justo en posición vertical teórica, entonces está listo para iniciar la segunda etapa de movimiento en la que cada cuchilla se moverá sólo en traslación ascendente vertical a lo largo de la ranura practicada en el brazo portador de cada cuchilla.

Para lograr el correcto funcionamiento del mecanismo de puesta a tierra, las tres cuchillas deben iniciar la segunda etapa de movimiento, al mismo tiempo, y esto sólo ocurre si las cuchillas están verticales y paralelas entre sí y todos los rodillos han finalizado simultáneamente sus carreras de rodadura sobre sus correspondientes tramos circulares de leva. Sin embargo, esto dependerá de la precisión de fabricación y montaje de los eslabones del mecanismo y de la influencia o no de las dilataciones térmicas.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 La sincronización y paralelismo del movimiento de las tres cuchillas cuando sus rodillos están moviéndose en torno a la zona de transición de las levas es fundamental porque un error de paralelismo entre ellas, fuera de los límites permitidos, hace que al menos uno de los rodillos seguidores se atasque alrededor de esta zona, ocasionando la rotura de la cuchilla trabada, en su región más débil. El atascamiento se debe a que el rodillo trabado no ha terminado de finalizar su carrera sobre el perfil curvo de la leva cuando los otros dos rodillos si lo han hecho, de modo que estos se encuentran libres para ascender sobre sus correspondientes perfiles rectos pero el trabado todavía no lo está y al intentar ascender choca contra la superficie curva.

Este trabajo presenta el desarrollo del modelo matemático que permite encontrar cómo las dilataciones térmicas que ocurren principalmente sobre los eslabones más grandes del mecanismo de puesta a tierra estudiado, desajustan durante el verano la calibración previa del mecanismo.

Como resultado, se llega a la conclusión de que este mecanismo, fabricado en Los Países Bajos, es susceptible de desajustarse al calor del trópico y de trabarse y por lo tanto no debería ser adquirido por CORPOELEC a menos que sea modificado su diseño para evitar la trabadura durante su operación.

II. DESARROLLO Se determinará a continuación la influencia que tiene las dilataciones térmicas de los eslabones más grandes del mecanismo sobre la posición angular precisa de cada cuchilla de puesta a tierra, cuando estas alcanzan la posición vertical teórica. Para ello es necesario definir el conjunto de coordenadas generalizadas  qi , y el geométricos

pi 

del

eslabonamiento de palancas estudiado.

De acuerdo con la Figura 3, el conjunto

 qi 

cuyos

conjunto

de

parámetros

elementos son las coordenadas generalizadas que definen la posición angular q i de todos los eslabones del mecanismo de palancas, está dado por (1):

 1 ,  2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6 ,  7 ,  8 ,  (1)  9,11 , 12 , 13 

 qi   

A su vez, cada coordenada generalizada

q i del

mecanismo tiene asociado un error angular posicional, definido por el conjunto  q i , señalado en (2).

1 ,  2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6 ,  7 , q     ,  ,  ,  ,  ,  i



8

9

10

11

12

13



(2) Estos dos conjuntos  qi  y  q i  tienen 13 elementos.

Por otra parte, el conjunto

p  j

de parámetros

geométricos que definen la geometría funcional del mecanismo de palancas se obtiene también de la figura 3 y está dado en la ecuación (3).

 l1 , l 2 , r3 , a1 , b1 , l3 , l 4 , l5 , a 2 , b2 , l6 , l7 ,   p j   a3 , b3 , r7 , l8 , l9 , a4 , b4 , 1 ,  2 , l10 , l11, (3) a , b , r , l , l , a , b ,    5 5 11 12, 13 6 6 3  Cada uno de los 31 parámetros geométricos p j , del conjunto

p  j

dado en (3) y en el apéndice A tiene

asociado en la práctica una variación dimensional p j debido a múltiples factores, dentro de los cuales los más importantes son los errores de fabricación y montaje y las dilataciones térmicas. El mecanismo se diseña para que las variaciones longitudinales controladas, l 2 , l 6 , l10 , de los eslabones de calibración 2, 6 y 10 respectivamente, contrarresten durante el montaje y el mantenimiento estos inevitables errores.

Sin embargo, las dilataciones térmicas que pueden ocurrir en la dirección longitudinal de los eslabones debido a las temperaturas elevadas del trópico, pueden desajustar la calibración lograda durante el montaje inicial, en especial si el montaje se hace durante una época fresca del año, ya que en estas circunstancias el gradiente de temperatura entre el verano y la época en la que pudo haberse hecho el montaje, es mayor.

Todas las variaciones dimensionales longitudinales posibles p j , quedan expresadas en este mecanismo por los 31 términos definidos en (4).

 l1 , l 2 , r3 , a1 , b1 , l3 , l 4 , l5 ,  a , b , l , l , a , b , r , l ,  p j   l 2, a 2, b6 , 7 , 3 , l3 , 7l , 8  (4) 4 4 1 2 10 11  9  a5 , b5 , r11 , l12, , l13 , a6 , b6 ,  3   

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012

Figura 3. Treinta y un parámetros geométricos y trece coordenadas generalizadas del mecanismo de puesta a tierra.

1. Análisis Cinemático 1.1. Ecuaciones de restricción cinemática Las proyecciones [1], [2], sobre el eje x y sobre el eje y de cada uno de los seis ciclos cinemáticos independientes del eslabonamiento de puesta a tierra de la figura 3 dan el conjunto de 12 ecuaciones de restricción cinemática  i indicadas en (5):

p j respecto a sus valores nominales y los errores posicionales qi de todas las coordenadas generalizadas respecto a las posiciones nominales teóricas de todos los eslabones.

El conjunto (6) de doce ecuaciones diferenciales totales obtenidas de las doce ecuaciones de restricción cinemática dadas en (5), es:

1  l1 cos  1  l2 cos  2  r3 cos 3  1   a1  0  2  b1  l1 sin 1  l2 sin  2  r3 sen 3  1   0

 3  l3 cos 3  l4 cos  4  l5 cos 5   (a2  a1 )  0  4  - b2  l3 sin 3  l4 sin  4  l5 sen5  0  5  r3 cos 3  1   l6 cos  6  l7 cos  7 

1  cos1l1  cos2l2  cos3  1 r3  a1  l1 sin 11  l2 sin 2 2  r3 sin 3  1 3  r3 sin 3  1 1  0

 (a3  a1 )  0

 6  b3  r3 sin 3  1   l6 sin  6  l7 sen  7   0  7  r7 cos  7   2   l8 cos 8  l9 cos 9   (a3  a4 )  0

 8  - b4  r7 sin  7   2   l8 sin 8  l9 sen9  0

 9  l7 cos  7  l10 cos 10  l11 cos 11   3   (a5  a4 )  0 10  l7 sin  7  l10sen10  l11sen 11   3   b5  0

11  r11 cos 11  l12 cos 12  l13 cos 13   (a6  a5 )  0 12  r11sen11  l12sen12  l13sen 13   b6  0 ;

al sistema de doce ecuaciones de restricciones  i , designadas como (6). Este conjunto de ecuaciones (6), contiene las relaciones entre las posibles variaciones longitudinales p j de todos los parámetros geométricos

(5)

1.2 Diferenciales totales de las ecuaciones de restricción cinemática Las diferenciales totales de las doce ecuaciones de restricción cinemática dadas en la ecuación (5), conduce

 2  b1  sin 1l1  sin 2l 2  sin 3  1 r3  l1 cos 11  l 2 cos 2 2  r3 cos 3  1  3  r3 cos 3  1  1  0

 3  cos 3l3  cos 4l 4  cos 5 l5  a2  a1  l3 sin 3 3  l 4 sin  4 4  l5 sin 5  5  0  4  b2  sin 3l3  sin 4l 4  sin 5 l5  l3 cos 3 3  l 4 cos  4 4  l5 cos 5  5  0

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012  5  cos 3  1 r3  cos  6l 6  cos  7 l 7  a3  a1  r3 sin 3  1  3  r3 sin 3  1  1  l 6 sin  6  6  l 7 sin  7  7  0  6  b3  sin 3  1 r3  sin 6l 6  sin 7 l 7  r3 cos 3  1  3  r3 cos 3  1  1  l 6 cos  6  6  l 7 cos 7  7  0

 7  cos  7   2 r7  cos 8l8  cos 9 l9  a3  a 4  r7 sin  7   2  7  r7 sin  7   2  2  l8 sin 8  8  l9 sin 9  9  0  8  b4  sin 7   2 r7  sin 8l8  sin 9 l9  r7 cos 7   2  7  r7 cos 7   2  2  l8 cos 8  8  l9 cos 9  9  0

 9  cos 7l7  cos 10l10  cos 11   3 l11  a5  a3  l7 sin 7 7  l10 sin 1010  l11 sin 11   3 11  l11 sin 11   3  3  0 10  sin 7l7  sin 10l10  sin 11   3 l11  b5  l7 cos 7 7  l10 cos 1010  l11 cos 11   3 11  l11 cos 11   3  3  0

11  cos 11r11  cos 12l12  cos 13 l13  a6  a5  r11 sin 1111  l12 sin 1212  l13 sin 13 13  0 12  b6  sin 11r11  sin 12l12  sin13 l13  r11 cos 11 11  l12 cos 12 12  l13 cos 13  13  0 (6)

p j    k  q    q qi   0  1  i 

p   qi   B A  j      k  q1   qi  1

p    Eij  j  q1 

 

1

  k  p j      p j  q1 

(8)

Para esta aplicación práctica sólo interesan los errores posicionales  5, 9 y  13 de las cuchillas de salida 5 (primera), 9 (segunda) y 13 (tercera) respecto a sus posiciones nominales verticales, porque es en esta posición que alguno de los tres rodillos pudiera trabarse.

Luego, sólo los errores  5 ,  9 y  13 son explícitamente requeridos de la ecuación (8).

 

Para este mecanismo, la matriz A tiene doce filas (el número de ecuaciones diferenciales totales) y treinta y dos columnas (el número de parámetros geométricos más la coordenada generalizada de entrada), mientras que las

 

matrices B y B 1 son ambas de doce filas y doce columnas. No hay espacio en esta sección del trabajo para mostrar los términos completos de las matrices A , B y

   

B de la ecuación (8). Sin embargo, estas matrices se muestran completas en los apéndices B, C y D. 1.4. Error posicional de la primera cuchilla debido a las dilataciones térmicas Mediante la multiplicación de las matrices [B]-1 y [A] y obteniendo explícitamente  5 de la ecuación (8), se 1

tiene el error posicional (  5 ) de la primera cuchilla de puesta a tierra respecto a las posiciones nominales teóricas de esta cuchilla, debido a las dilataciones térmicas de todos los eslabones constituyentes del mecanismo. Éste error está dado por la ecuación (9).

 5 

1.3. Forma matricial del sistema de ecuaciones formado por las diferenciales totales de las ecuaciones de restricción cinemática Fogarasy y Smith [3] muestran que el conjunto de ecuaciones dadas en (6) puede ser compactado en forma matricial como lo expresa la ecuación (7),

  k     p j 

del error en la coordenada de entrada [q1 ] , están dados por la ecuación (8),

(7)

En esta ecuación (7), los errores posicionales [qi ] de todos los eslabones, como una función de los 31 cambios longitudinales [p j ] de sus parámetros geométricos, y

 c41a11  c42a21 l1  c41a12  c42a22 l2

 c41a13  c42a23 r3  c41a14  c43a34 a1  c42a25b1  c43a36  c44a46 l3  c43a37  c44a47 l4

 c43a38  c44a48 l5  c43a39 a2  c44a4,10 b2  0l6  0l7  0a3  0b3  0r7  0l8  0l9  0a4  0b4  c41a1, 20  c42a2, 20  1  0 2  0l10  0l11  0a5  0b5  0r11  0l12  0l13  0a6  0b6  0 3  c41a1,32  c42a2,32  1;

(9)

Cada término entre paréntesis de la ecuación (9), incluyendo los que son iguales a cero, representa el

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 coeficiente de influencia  5, j que tiene cada unidad de cambio dimensional p j de cada parámetro geométrico en la posición angular de la primera cuchilla, numerada como 5.

El último término entre paréntesis de la ecuación (9) que multiplica al error posicional de entrada  1 , de la coordenada de entrada  1 , es el coeficiente de influencia,

 5, 

i

de dicho error de entrada  1 , en el error

posicional de la cuchilla 5.

Los factores  anm y  cnm de la ecuación (9) provienen

 

de los términos de las matrices A y B1 respectivamente y se desarrollan completos en el apéndice E. Es de hacer notar que los factores  anm y  cnm son variables y dependen de las longitudes nominales de los parámetros geométricos y de la posición particular del eslabón de entrada del mecanismo. Sin embargo, en el caso aquí estudiado interesa saber los valores de  anm y

 cnm

cuando el ángulo de entrada respecto a la

horizontal positiva es 1  315 porque es para éste ángulo que las tres cuchillas alcanzan durante su movimiento, sus posiciones verticales teóricas, que son las posiciones críticas en las que pudieran trabarse.

1.5. Error posicional de la segunda cuchilla debido a las dilataciones térmicas Mediante la multiplicación de las matrices [B]-1 y [A] y obteniendo explícitamente  9 de la ecuación (8), se tiene el error posicional (  9 ) de la segunda cuchilla de puesta a tierra respecto a las posiciones nominales teóricas de esta cuchilla, debido a las dilataciones térmicas de todos los eslabones constituyentes del mecanismo.

El error posicional de la segunda cuchilla, cuando se toma en cuenta las posibles dilataciones térmicas de todos los eslabones constituyentes del mecanismo, viene dado por: 

 9 

 c81a11  c82 a 21 l1  c81a12  c82 a 22 l 2  c81a13  c82 a 23  c85a53  c86 a 63 r3

 c81a14  c85a54 a1  c82 a 25b1  0l3  0l 4  0l5  0(a 2 )  0b2  c85a5,11  c86 a 6,11 l 6

 c85a5,12  c86 a6,12 l 7  c85a5,13  c87 a 7 ,13 a3  c86 a6,14b3  c87 a7 ,15  c88a8,15 r7

 c87 a 7 ,16  c88a8,16 l8  c87 a 7 ,17  c88a8,17 l9  c87 a7 ,18a 4  c88a8,19b4

 c81a1, 20  c82 a 2, 20  c85a5, 20  c86 a 6, 20  1

 c87 a 7 , 21  c88a8, 21  2  0l 10 0l 110a 5 0b 5  0r 110l 12 0l 130a 6 0b 6 0 3  c81a1,32  c82 a 2,32  1

(10)

1.6. Error posicional de la tercera cuchilla debido a las dilataciones térmicas De manera similar, el error posicional  13 de la tercera cuchilla debido a las dilataciones térmicas puede ser escrito como se señala en (11).

 13 

 c12,1 a11  c12, 2 a 21 l1  c12,1 a12  c12, 2 a 22 l 2  c12,1 a13  c12, 2 a 23  c12,5 a53  c12, 6 a63 r3

 c12,1 a14  c12,5 a54 a1  c12, 2 a 25b1  0l3  0l 4  0l5  0(a 2 )  0b2  c12,5 a5,11  c12, 6 a6,11 l 6  c12,5 a5,12  c12, 6 a6,12 l 7  c12,5 a5,13 a3

 c12, 6 a6,14b3  0r7  0l8  0l9  0a 4  0b4

 c12,1 a1, 20  c12, 2 a 2, 20  c12,5 a5, 20  c12, 6 a6, 20  1  0 2  c12,9 a9, 22  c12,10 a10, 22 l10  c12,9 a9, 23  c12,10 a10, 23 l11  c12,9 a9, 24  c12,11a11, 24 a5

 c12,10 a10, 25b5  c12,11a11, 26  c12,12 a12, 26 r11  c12,11a11, 27  c12,12 a12, 27 l12

 c12,11a11, 28  c12,12 a12, 28 l13  c12,11a11, 29 a6  c12,12 a12,30 b6  c12,9 a9,31  c12,10 a10,31  3  c12,1 a1,32  c12, 2 a 2,32  1 ;

(11)

En la Figura 4, si una cuchilla cualquiera, la tercera por ejemplo (cuchilla numerada como 13), se retrasa un ángulo 13 respecto a las cuchillas que ya han alcanzado la posición de ascenso vertical, entonces se creará una interferencia horizontal perjudicial de valor d  d´ , entre el rodillo seguidor 16 de esta cuchilla y la leva fija sobre la cual se mueve este rodillo. La magnitud de esta interferencia depende de la geometría y viene dada por la ecuación (12). Debido a esta interferencia, el rodillo que marcha retrasado respecto a los demás, se incrusta contra la cara curva de la leva, en lugar de avanzar como las otras cuchillas ascendiendo sobre la cara plana, causando el atascamiento del mecanismo y sentando las bases para una eventual rotura.

Para las dimensiones nominales [4], del tren epicíclico de la figura 4, se puede decir que cuando  13  0,70 ° se alcanza una interferencia horizontal de d  d´ 1 mm.

La relación entre el error angular  13 respecto a la posición nominal vertical de la cuchilla 13, y la interferencia horizontal d  d´ se puede calcular a partir de la figura 4, dando como resultado la ecuación (12), d  d ´  Rsen  Rsen   13  ;

(12)

En esta ecuación (12), la magnitud del ángulo  es una constante igual a 34, siendo además el radio R igual a 20

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

130

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 mm. El ángulo  representa el ángulo entre la vertical negativa y la línea imaginaria que une el centro del nodo cinemático R´ y el centro teórico del rodillo, cuando la cuchilla está perfectamente vertical y su rodillo se encuentra posicionado sin interferencia con la leva para iniciar el ascenso.

bastidor no se dilata significativamente. Tampoco se ha tomado en cuenta, por su bajo valor relativo esperado, la influencia de la variación angular de los parámetros 1, 2 y 3 en el error de posicionamiento de las cuchillas.

Finalmente, el cálculo de los errores de posicionamiento de cada uno de las tres cuchillas alrededor de la posición vertical también depende de las relaciones geométricas existentes entre las coordenadas generalizadas de salida de las tres cuchillas y la coordenada de entrada 1 . Estas relaciones se desarrollan en detalle en [4].

Si se hace esto se obtiene el conjunto de resultados dados en (13):

 5  0,34883 ;10  0,75072 ;13  1,12370 ; (13) Los signos negativos y positivos de estos resultados indican que debido a las dilataciones térmicas, la primera cuchilla y la tercera cuchilla se adelantan en su movimiento a la segunda, con lo que es esta segunda cuchilla la que potencialmente tenderá a atascarse.

Figura 4. Geometría para el cálculo de la interferencia horizontal d-d'.

III. RESULTADOS Y DISCUSIONES Los errores posicionales  5 ,  9 ,  13 de cada una de las tres cuchillas de puesta a tierra, debido a las dilataciones térmicas de los eslabones del mecanismo, cuando las cuchillas arriban a sus posiciones verticales teóricas, pueden ser calculados usando un programa computacional escrito para tal fin. Para ello, de acuerdo con las ecuaciones (9), (10) y (11) es necesario tomar en cuenta en primer lugar, la longitud nominal de cada eslabón, las cuales pueden ser consultadas en el apéndice A. En segundo lugar, se debe conocer también la magnitud de la dilatación térmica asociada a cada uno de estos eslabones, las cuales se indican también en el apéndice A. La figura 5 muestra una corrida efectuada con un programa de elementos finitos que permite hallar la dilatación longitudinal del eslabón 10 del mecanismo, fabricado en Acero AISI 1045. De acuerdo con estos resultados, los eslabones más largos, esto es, los eslabones 10 y 6, (ambos de 7 m de longitud, hechos de acero y de igual sección transversal) son los que tienen mayor influencia en el error de posicionamiento de las cuchillas, al dilatarse en mayor medida que el resto de los eslabones. Este resultado arroja una dilatación longitudinal de 1,4280 mm para un gradiente de temperatura de 17C. El apéndice A muestra una tabla con las dilataciones térmicas de todos los eslabones del mecanismo. Se ha considerado que el

Figura 5. Dilatación del elemento más largo del mecanismo (longitud del elemento = 7 m).

Por otra parte, la diferencia entre los valores absolutos de los resultados dados en (13) se debe a que el error de posicionamiento de cada cuchilla crece conforme nos alejamos del elemento de entrada. Esto es así porque el error de posicionamiento de cada cuchilla, calculado a través de las ecuaciones (9), (10) y (11), depende cada vez de más parámetros geométricos a medida que nos alejamos del elemento de entrada.

De acuerdo con (12), los valores de  5 ,  10 y  13 generan una interferencia horizontal máxima de aproximadamente d  d´ 1 mm, suficiente para producir un atasco no deseado del rodillo retrasado.

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

131

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 wagon using adjustable members”. ESDA2006-95102, Proc. 8th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, ASME, Turin, Italy, 2006.

IV. CONCLUSIONES 1. La formulación de las doce ecuaciones diferenciales de restricción cinemática del mecanismo de puesta a tierra Hapam HAV-EV permite encontrar cómo las dilataciones térmicas afectan la calibración del mecanismo.

2. Un gradiente de temperatura de 17C puede producir en una barra de acero de 7 m de longitud una dilatación longitudinal de aproximadamente 1,428 mm.

3. Los errores de posicionamiento esperados alrededor de la posición vertical de la primera, segunda y tercera cuchilla, debidos a las dilataciones térmicas en el mecanismo son: -0,34883, +0,705072 y -1,12370 , respectivamente.

4. La cuchilla que tiene durante su movimiento y debido a las dilataciones térmicas, una mayor tendencia a retrasarse respecto a las otras, es la segunda.

5. La interferencia horizontal esperada entre el rodillo de la segunda cuchilla y la leva que éste rodillo recorre, debido a las dilataciones térmicas es aproximadamente igual a 1 mm.

6. El mecanismo de puesta a tierra Hapam HAV-EV tiene una tendencia a trabarse cuando sus tres cuchillas alcanzan la posición vertical simultánea.

V. REFERENCIAS 1. Fogarasy A., and Smith M., “The case for a general method of kinematic analysis of plane mechanisms based on equations of constraint”. Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. Proc. Instn. Mech.

Engrs. 209. pp. 337-343, United Kingdom, 1995.

2. Mendoza Jesús, and Otero Luis, “Influence of clearances on the positioning error of the discharge mechanism doors on a rail wagon”. ESDA200859320, Proc. 9th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, ASME, Haifa, Israel, 2008.

3. Fogarasy A., and Smith, M. “The influence of manufacturing tolerances on the kinematic performance of mechanisms”. Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. Proc. Instn. Mech.

Engrs. 209. pp. 35-45, United Kingdom, 1998.

4. Mendoza Jesús, “Influencia de los errores dimensionales en la exactitud de posicionamiento del mecanismo de puesta a tierra de un seccionador eléctrico”. Trabajo de ascenso a la categoría de profesor titular. UNEXPO. Puerto Ordaz, Venezuela, 2010.

5. Mendoza Jesús, “Influencia de las tolerancias dimensionales y las holguras en la exactitud de posicionamiento de un mecanismo de cuatro barras”.

Tesis de doctorado, CUJAE, La Habana, Cuba, 2003.

6. Mendoza Jesús, and Otero Luis, “Calibration of the tight seal of the discharge mechanism doors on a rail

NOMENCLATURA A, B, C, D, E, H, ................O´, Q´: Pares Cinemáticos

a i Longitud constante en la dirección x bi Longitud constante en la dirección y  i Ecuación i-ésima de restricción cinemática l i Longitud del eslabón i-ésimo p i Parámetro geométrico i-ésimo p j Variación dimensional del parámetro geométrico jésimo.

q 1   1 Error posicional de la coordenada de entrada. qi

i-ésima coordenada generalizada.

qi

Error posicional del i-ésimo componente.

i

Ángulo constante i-ésimo.

 ij

Coeficiente de influencia de la variación longitudinal j-ésima sobre geométrico i-ésimo (1/mm).

el

parámetro

E ij Matriz de los coeficientes de influencia

i Orientación angular del eslabón i-ésimo.

R r

Distancia entre el centro de un rodillo seguidor y el centro del pasador fijo que sirve para articular cada cuchilla al bastidor.

Radio del rodillo

d

Máxima distancia horizontal entre el centro de un rodillo y el centro del pasador fijo que sirve para articular cada cuchilla al bastidor.

d´

Distancia horizontal real entre el centro de un rodillo y el centro del pasador fijo que sirve para articular cada brazo al bastidor debido a un error  i en el iésimo eslabón de salida.



Ángulo entre la vertical negativa y la línea que une el centro del pasador fijo que articula cada brazo al bastidor con el centro del rodillo, cuando el rodillo se encuentra idealmente posicionado para iniciar el ascenso.

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

132

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 APÉNDICE A Tabla I. Dimensiones nominales de los parámetros geométricos del mecanismo y dilataciones térmicas esperadas para estos parámetros si se da un gradiente de temperatura 17C. Parámetro

Dimensión nominal

Dilatación térmica

l1 l2

400 mm

0,0816 mm

350 mm

0,0714 mm

r3

180 mm

0,0367 mm

a1 b1

500 mm

0 (Bastidor)

0 mm

0 (Bastidor)

l3

250 mm

0,0510 mm

l4

165 mm

0,0367 mm

l5

245 mm

0,0499 mm

a2 b2

560 mm

0 (Bastidor)

104 mm

0 (Bastidor)

l6

7000 mm

1,428 mm

l7

180 mm

0,0367 mm

a3

7500 mm

0 (Bastidor)

b3

0 mm

0 (Bastidor)

r7

250 mm

0,0510 mm

l8

165 mm

0,0367 mm

l9

245 mm

0,0499 mm

a4 b4

7560 mm

0 (Bastidor)

104 mm

0 (Bastidor)

300 grados

No considerado

210 grados

No considerado

l10

7000 mm

1,428 mm

l11

180 mm

0,0367 mm

a5

14500 mm

0 (Bastidor)

b5

0 mm

0 (Bastidor)

r11 l12

250 mm

0,0510 mm

165 mm

0,040 mm

l13

245 mm

0,0367 mm

a6

14560 mm

0 (Bastidor)

b6

104 mm

0 (Bastidor)

3

300 grados

No considerado

1 2

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

133

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 APÉNDICE B Matriz  A  a11  .   .   .  .    k   . A      .  p j    .   .  .   . a  12,1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a1,32  .  .   .  .   .  .   .   .  .   .  a12,32 

1232

Los términos de la Matriz [A] 1232 son:

Primera fila a11  cos 1 ;

a12  cos  2 ;

a1, 20  r3 sin( 3   1 );

a13   cos( 3   1 );

a14  1 ;

a 23   sen ( 3   1 );

a 25  1;

a1,32  l1 sen1 ;

Segunda fila a 21  sen1 ;

a 22  sen 2 ;

a 2, 20  r3 cos( 3   1 ) ;

a 2,32  l1 cos 1 ;

Tercera Fila a 34  1;

a 36  cos  3 ;

a 37  cos  4 ;

Cuarta fila a 46  sen 3 ;

a 47  sen 4 ;

a 48   sen ( 5 ) ;

a 4,10  1;

Quinta Fila a 53  cos( 3   1 );

a 54  1;

a 5,11  cos  6 ;

a 5,12   cos  7 ; a 5,13  1;

a 38   cos( 5 ); a 39  1;

a 5, 20  r3 sin( 3   1 );

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

134

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Sexta fila a63  sen (3  1 );

a6,11  sin 6 ;

a6,12   sin 7 ;

a6,14  1;

a6, 20  r3 cos(3  1 );

Séptima Fila a7,15  cos(7   2 );

a7,13  1;

a7,16  cos 8 ;

a7,17   cos 9 ; a7,18  1;

a7, 21  r7 sin(7   2 ); Octava fila a8,15  sen (7   2 );

a8,16  sin 8 ; a8,17   sin 9 ;

Novena fila a9, 22  cos 10;

a9, 23   cos 11   3  ;

Décima fila a10, 22  sin 10 ; Undécima fila a11, 24  1; Duodécima fila a12, 26  sin 11 ;

a10, 23   sin11   3  ;

a11, 26  cos 11 ; a11, 27  cos 12 ; a12, 27  sin 12 ;

a8,19  1 ; a8, 21  r7 cos(7   2 );

a9, 24  1 a9,31  l11 sin11   3 ; a10, 25  1; a10,31  l11 cos 11   3 ; a11, 28   cos 13; a11, 29  1;

a12, 28   sin 13 ;

a12,30  1

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

135

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 APÉNDICE C Matriz [B]





B    k   qi 

b11 b  21 0  0 0  0 B 0  0 0  0  0  0

b12 b22

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

b32 b42

b33 b43

b34 b44

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

b52 b62

0 0

0 0

b55 b65

b56 b66

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

b76 b86 b96

b77 b87 0

b78 b88 0

0 0 b99

0 0 b9,10

0 0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

b10, 6 0

0 0

0 0

b10,9 0

b10,10 b11,10

b11,11

0

0

0

0

0

0

0

0

b12,10

b12,11

Siendo:

0

0  0  0   0  0   0  0   0  0   0   b11,12  b12,12  1212

b12  r3 sin 3  1 

b11  l 2 sen 2

b21  l 2 cos 2

b22  r3 cos 3  1 

b32  l3sen 3

b33  l 4 sen 4

b42  l3 cos 3

b43  l 4 cos 4

b52  r3 sin3  1 

b55  l6 sin 6

b62  r3 cos 3  1 

b65  l 6 cos  6

b34  l5 sen 5 b44  l5 cos 5 b56  l7 sin 7

b66  l 7 cos  7

b76  r7 sin 7   2 

b77  l8 sin 8

b86  r7 cos 7   2 

b87  l8 cos 8

b78  l9 sin  9 b88  l9 cos  9

b96  l 7 sen 7

b99  l10sen10

b9,10  l11 sin11   3 

b10,6  l 7 cos 7

b10,9  l10cos10

b10,10  l11 cos11   3 

b11,10  r11 sin 11

b11,11  l12 sin 12

b12,10  r11 cos 11

b12,11  l12 cos 12

b11,12  l13 sin 13 b12,12  l13 cos 13

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

136

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 APÉNDICE D Matriz [B]-1

B 1

 c11 c  21  c31   c 41  c51   c 61  c  71  c81 c  91 c10,1  c11,1 c12,1

c12 c 22

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

c32 c 42

c33 c 43

c34 c 44

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

c52 c 62

0 0

0 0

c55 c 65

c56 c 66

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

c 72 c82 c92

0 0 0

0 0 0

c 75 c85 c95

c 76 c86 c96

c 77 c87 0

c 78 c88 0

0 0

0 0

c9,9

c9,10

0 0 0

c10, 2 c11, 2

0 0

0 0

c10,5 c11,5

c10, 6 c11, 6

0 0

0 0

c10,9 c11,9

c10,10 c11,10

c11,11

c12, 2

0

0

c12,5

c12, 6

0

0

c12,9

c12,10

c12,11

0

0  0  0   0  0   0  0   0  0   0   c11,12  c12,12 

Términos de la primera columna de la matriz [B]-1

c11 

cos( 3  1 ) cos  2 ; c 21  l 2 sen( 3  1   2 ) r3 sen( 3  1   2 )

c31 

 l3 cos( 2 ) sen( 5   3 ) r3l 4 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 )

c41 

 l3 cos( 2 ) sen( 4   3 ) r3l5 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 )

c51 

cos( 2 ) sen( 3  1   7 ) l 6 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 )

c61 

cos( 2 ) sen( 3  1   6 ) l 7 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 )

c 71 

r7 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen( 7   2   9 ) l 7 l 8 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c81 

r7 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l 9 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c91 

 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(11   3   7 ) l10 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(11   3  10)

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

137

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 c10,1 

 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) l11sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(11   3  10)

c11,1 

 r11 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) sen(13  11 ) l11l12 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

c12,1 

 r11 cos( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) sen(12  11 ) l11l13 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

Términos de la segunda columna de la matriz [B]-1

sin( 3  1 ) sin  2 ; c 22  l 2 sen( 3  1   2 ) r3 sen( 3  1   2 )  l3 sin( 2 ) sen( 5   3 )  r3l 4 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 )

c12 

c32

 l3 sin( 2 ) sen( 4   3 ) r3l5 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 ) sin( 2 ) sen( 3  1   7 ) c52  l 6 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 ) sin( 2 ) sen( 3  1   6 ) c62  l 7 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 ) c42 

c 72 

r7 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen( 7   2   9 ) l 7 l 8 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c82 

r7 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l 9 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c92 

 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(11   3   7 ) l10 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(11   3  10)

c10, 2 

 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) l11sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(11   3  10)

c11, 2 

 r11 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) sen(13  11 ) l11l12 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

c12, 2 

 r11 sin( 2 ) sen( 3   1   6 ) sen(10   7 ) sen(12  11 ) l11l13 sen( 3   1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

Términos de la tercera columna de la matriz [B]-1

c33

cos( 5 )  l 4 sen( 5   4 )

cos( 4 ) c43  l5 sen( 5   4 )

sin( 5 ) l 4 sen( 5   4 ) sin( 4 )  l5 sen( 5   4 )

c34  c 44

Términos de la cuarta columna de la matriz [B]-1 Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

138

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 Términos de la quinta columna de la matriz [B]-1

c55 

cos( 7 ) l6 sen( 7   6 )

c65 

cos( 6 ) l 7 sen( 7   6 )

c75 

r7 cos( 6 ) sen( 7   2   9 ) l 7 l8 sen( 7   6 ) sen( 9   8 )

c85 

r7 cos( 6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l9 sen( 7   6 ) sen( 9   8 )

c95 

cos( 6 ) sen(11   3   7 ) l10 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 )

c10,5 

cos( 6 ) sen(10   7 ) l11sen( 7   6 ) sen(11   3  10 )

c11,5 

r11 cos( 6 ) sen(10   7 ) sin 13  11  l11l12 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

c12,5 

r11 cos( 6 ) sen(10   7 ) sin 12  11  l11l13 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

Términos de la sexta columna de la matriz [B]-1

sin( 7 ) l 6 sen( 7   6 ) sin( 6 ) c 66  l 7 sen( 7   6 ) r sin( 6 ) sen( 7   2   9 ) c76  7 l 7 l8 sen( 7   6 ) sen( 9   8 ) c56 

c86 

r7 sin( 6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l9 sen( 7   6 ) sen( 9   8 )

c96 

sin( 6 ) sen(11   3   7 ) l10 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 )

c10, 6 

sin( 6 ) sen(10   7 ) l11sen( 7   6 ) sen(11   3  10 )

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 c11, 6 

r11 sin( 6 ) sen(10   7 ) sin 13  11  l11l12 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

c12, 6 

r11 sin( 6 ) sen(10   7 ) sin 12  11  l11l13 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

Términos de la séptima columna de la matriz [B]-1

cos( 9 ) l8 sen( 9   8 ) cos( 8 )  l9 sen( 9   8 )

c77  c87

c9,10 

Términos de la octava columna de la matriz [B]-1

sin  9 ) l8 sen( 9   8 ) sin( 8 )  l9 sen( 9   8 )

c78  c88

Términos de la novena columna de la matriz [B]

c9 , 9 

cos(11   3) l10 sen(11   310 )

c10,9 

cos(10 ) l11sen(11   310 )

c11,9 

c12,9 

Términos de la décima columna de la matriz [B]-1

-1

r11 cos(10 ) sin 13  11  l11l12 sen(11   3  10 ) sen(12  13 ) r11 cos(10 ) sin 12  11  l11l13 sen(11   3  10 ) sen(12  13 )

sin(11   3) l10 sen(11   310 )

c10,10 

sin(10 ) l11sen(11   310 )

c11,10 

r11 sin(10 ) sin 13  11  l11l12 sen(11   3  10 ) sen(12  13 )

c12,10 

r11 sin(10 ) sin 12  11  l11l13 sen(11   3  10 ) sen(12  13 )

Términos de la undécima columna de la matriz [B]-1

c11,11 

cos(13 ) l12 sen(13  12 )

c12,11 

cos(12 ) l13 sen(13  12 )

Términos de la duodécima columna de la matriz [B]-1

c11,12 

sen(13 ) l12 sen(13  12 )

c12,12 

sen(12 ) l13 sen(13  12 )

Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

140

UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 APÉNDICE

E

Los términos de las ecuaciones (13), (14) y (15) son:

a12  cos 2 ; a22  sen2 c41 

 l3 cos( 2 ) sen( 4   3 ) r3l5 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 )

c42 

 l3 sin( 2 ) sen( 4   3 ) r3l5 sen( 3  1   2 ) sen( 5   4 )

c81 

r7 cos( 2 ) sen( 3  1   6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l 9 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c82 

r7 sin( 2 ) sen( 3  1   6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l 9 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 ) sen( 9  8 )

c85 

r7 cos( 6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l9 sen( 7   6 ) sen( 9   8 )

c86 

r7 sin( 6 ) sen( 7   2   8 ) l 7 l9 sen( 7   6 ) sen( 9   8 )

a5,11  cos  6 a6,11  sin  6 c12,1 

 r11 cos( 2 ) sen(3  1   6 ) sen(10   7 ) sen(12  11 ) l11l13sen(3  1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

c12, 2 

 r11 sin( 2 ) sen( 3  1   6 ) sen(10   7 ) sen(12  11 ) l11l13 sen( 3  1   2 ) sen( 7   6 ) sen(12  13)

c12,5 

r11 cos( 6 ) sen(10   7 ) sin 12  11  l11l13 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

c12, 6 

r11 sin( 6 ) sen(10   7 ) sin 12  11  l11l13 sen( 7   6 ) sen(11   3  10 ) sin 13  12 

c12,9 

r11 cos(10 ) sin 12  11  l11l13 sen(11   3  10 ) sen(12  13 )

c12,10 

r11 sin(10 ) sin 12  11  l11l13 sen(11   3  10 ) sen(12  13 )

a9, 22  cos 10

a10, 22  sin 10 Mendoza, J. et al. Influencia de las dilataciones térmicas en la descalibración. pp. 125-141

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NOTA TÉCNICA

CATEGORIZACIÓN DEL DESGASTE LABORAL EN UNA UNIDAD DE NEGOCIO Barrios León, Marianna1 (Recibido septiembre 2011, Aceptado febrero 2012) 1

Dpto. de Ingeniería de Métodos. Escuela de Ingeniería Industrial. Universidad de Carabobo marianna.barrios@gmail.com.

Resumen: En la complejidad propia de las unidades de negocio, la categorización del desgaste laboral

también referido en la literatura como Síndrome de Burnout, permite identificar oportunidades de mejora en las estrategias organizacionales para resguardar el bienestar del capital humano sin afectar la productividad; por lo que esta investigación tiene como objetivo identificar las dimensiones del desgaste percibidas por la fuerza laboral. La profundidad de este estudio lo clasifica como explicativo con diseño de campo y tomó como Unidad de Análisis a una empresa comercializadora, donde se hicieron entrevistas estructuradas y se aplicó el Maslach Burnout Inventory (MBI); obteniendo en las subescalas confiabilidad con alfa de cronbach entre 0,5 y 0,7; y la validación estadística. Se aplicó el Análisis de Factores y la Extracción de Componentes principales categorizando el desgaste laboral como: 1) Afinidad en las Relaciones Laborales, 2) Conceptualización de las Relaciones Laborales, 3) Manejo de las Relaciones Laborales, 4)Realización Profesional, 5) Bienestar Personal y Transferencia Emocional; dando evidencia de que las dimensiones originales del MBI sufren modificación al cambiar el contexto de aplicación, e identificando a las relaciones laborales y al bienestar personal como principales factores en la percepción del desgaste.

Palabras clave: Síndrome de Burnout/ Desgaste Laboral/ Maslach Burnout Inventory.

CATEGORIZATION OF WEAR WORK IN A BUSINESS UNIT Abstract: The inherent complexity of the business units, the categorization of burnout in the literature also referred to as burnout syndrome, to identify opportunities for improvement in organizational strategies to safeguard the welfare of human capital without affecting productivity at this research aims to identify the dimensions of the wear seen by the labor force. The depth of this study was classified as explanatory design field and taken as unit of analysis for a marketing company, where interviews were structured and applied the Maslach Burnout Inventory (MBI) subscales obtained in reliability with Cronbach's alpha between 0.5 and 0.7, and statistical validation. We applied factor analysis and principal component extraction burnout categorized as: 1) Affinity Industrial Relations, 2) Concept of Industrial Relations, 3) Management of Industrial Relations, 4) Professional Conduct, 5) Welfare Transfer personal and emotional, giving evidence that the original dimensions of MBI suffer amendment to change the application context, and identifying labor relations and staff welfare as main factors in the perception of wear..

Keywords: Burnout Syndrome/ Burnout/ Maslach Burnout Inventory

I. INTRODUCCIÓN Las interacciones existentes entre los componentes organizacionales, las habilidades del trabajador, el grado de presión al que éste se encuentre sometido para la toma de decisiones, la sinergia de las relaciones laborales y las condiciones de trabajo, entre otros; ocasionan que los empleados desarrollen agotamiento emocional, que a su vez lleva a la actitud de despersonalización hacia las personas con quienes éste interactúa; perdiendo así el nivel de compromiso y de realización en el empleo; dando origen al desgaste o fatiga laboral crónica, también

conocida como Síndrome de Burnout.

En [1], señalan que las condiciones que sobrepasen la posibilidad de control por parte del trabajador se transformarán en estresores que potencialmente pueden generar una respuesta de fatiga tanto física como mental; estando ésta sujeta a la experiencia e interpretación que el empleado presente y de su manera de afrontarlo.

De acuerdo a la revisión bibliográfica, la sensación de fatiga crónica persiste seis o más meses de manera oscilante y sin causa aparente específica; interfiere con las actividades habituales, no disminuye con el reposo,

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 empeora con el ejercicio y se asocia a manifestaciones sistémicas generales, físicas y neuropsicológicas [2].

El efecto de la fatiga a nivel organizacional, ha dado apertura a la evaluación de los niveles de Burnout (desgaste profesional) para valorar el desempeño del personal; por ser determinante en la ejecución de las actividades y que además se relaciona con enfermedades, como: trastornos musculoesqueléticos, depresión, trastornos psiquiátricos leves, etc [3]; que a su vez limitan la asignación de la carga de trabajo y el logro de los objetivos organizacionales.

El Síndrome de Burnout es un estrés laboral asistencial que afecta a los profesionales de diversas ramas, se implica con gente que se encuentra en una situación problemática que se carga de sentimientos de turbación, frustración, temor o desesperación [4].

En la Tabla I, se muestra un resumen de las definiciones que realizan algunos autores sobre el síndrome de Burnout [5].

Tabla I. Resumen de Definiciones sobre Burnout Autor (es)

Año

Maslach

2003

Maslach et al.

1996

Maslach y Jackson

1981

Freudenberger

1974

Definición Respuesta prolongada a estresores crónicos emocionales e interpersonales en el trabajo Síndrome de agotamiento emocional, despersonalización y baja realización personal Síndrome de agotamiento emocional que se produce en respuesta a los factores estresantes y tensiones de la vida profesional Condición psicológica específica en la que la gente sufre agotamiento emocional

En la Tabla II se señalan los factores organizacionales que algunos autores asocian a la presencia del Burnout [6].

Tabla II. Factores Organizacionales Asociados al Burnout Factores relacionados con Autor (es)/año Burnout Haro et al., 2007 Jornada laboral Carga de trabajo, Ruido, Quevedo et al,2005 iluminancia Leiter, 1991 Cantidad de trabajo Leiter y Maslach,1988

Clima Organizacional

Schein, 1988

Cultura corporativa

Schwab y col.,1986

Conflicto y ambigüedad del rol Relación entre el profesional y los clientes

Maslach y Jackson, 1984 Jackson, 1983

Toma de decisiones

Maslach y Jackson, 1982

Condiciones de trabajo

Entre los indicadores del Síndrome de Burnout en la organización, se encuentran el ausentismo y la rotación del personal, los cuales afectan los niveles de productividad, convirtiéndose así en un factor clave a evaluar para definir las estrategias organizacionales y en el objeto de esta investigación para identificar las dimensiones del desgaste laboral en una unidad de negocio.

El cuerpo principal de este artículo se estructura en tres secciones; la primera donde se hace referencia a la metodología e instrumento utilizados en el estudio, la segunda donde se muestra la confiabilidad y validez del instrumento, así como la definición de las dimensiones del desgaste laboral para el caso en evaluación con las discusiones asociadas, y la tercera parte donde se señalan las conclusiones y recomendaciones.

II.DESARROLLO 1. Metodología De acuerdo con la profundidad con la cual se abordó el problema, este estudio se desarrolló bajo una metodología que lo define como una investigación de tipo explicativa [7]; pues busca evaluar la relación entre las variables del Síndrome de Burnout; con un diseño de campo clasificado, de acuerdo con [8], en un estudio no experimental, pues el comportamiento de las variables en estudio es tomado de su ambiente natural sin manipulación intencional de las variables.

Los estudios relacionados con el Síndrome de Burnout se asocian generalmente al sector salud y al sector educación, pero sus repercusiones en el sector industrial son de importancia para evaluar el desempeño del personal, por esta razón como una primera aproximación, se tomó como unidad de análisis a todo el personal que conforma la nómina de los trabajadores de una comercializadora de telas (46 personas); excluyéndose de este primer estudio la evaluación de las características personales de los individuos entrevistados, por formar parte de otra investigación en proceso por la autora.

Para recabar la información, se realizaron entrevistas estructuradas en su modalidad focalizada a todo el personal de la organización, con el fin de identificar las percepciones de los mismos con respecto al trabajo y a la forma en que ellos lo ejecutan; posteriormente se les explico que se utilizaría el MBI para medir el desgaste que ellos presentan al realizar sus funciones y se les entregó el instrumento adaptado al caso; tal y como se señala a continuación.

1.2. Instrumento para Medir el Síndrome de Burnout en una Unidad de Negocio Para el desarrollo de esta investigación, se partió del Maslach Burnout Inventory (MBI), el cual esta conformado por las siguientes dimensiones: 1. Cansancio o agotamiento emocional (ítems: 1, 2, 3, 6, 8, 13, 14, 16 y 20): que se refiere a la pérdida

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 progresiva de las energías vitales y una desproporción creciente entre el trabajo realizado y el cansancio que se experimenta.

2. Despersonalización (ítems: 5,10,11,15 y 22 ): donde se evalúan los sentimientos de impotencia, indefensión y desesperanza personal 3. Abandono de la Realización Personal (ítems: 4, 7, 9, 12, 17, 18, 19 y 21): asociado a la pérdida de

ideales y apartamiento de actividades familiares, sociales y recreativas).

Se realizaron las adaptaciones pertinentes de acuerdo al tipo de empresa y se incluyeron 2 ítems como criterios externos para la validación del instrumento.

Los ítems utilizados para el instrumento de medición con su respectiva adaptación al caso en estudio, se muestran en la Tabla III [9].

Tabla III. Instrumento de Medición de Síndrome de Burnout 1.Debido a mi trabajo me siento emocionalmente agotado 2.Al final de la jornada me siento agotado 3.Me encuentro cansado cuando me levanto por las mañanas y tengo que enfrentarme a otro día de trabajo 4.Puedo entender con facilidad lo que piensan mis compañeros de trabajo (a quienes va dirigido mi trabajo) 5.Creo que trato a algunos de mis compañeros de trabajo como si fueran objetos 6.Ejecutar mis labores todos los días con mis compañeros de trabajo, es una tensión para mí 7.Me enfrento muy bien con los problemas que presentan mis compañeros de trabajo (a quienes va dirigido mi trabajo) 8.Me siento “quemado” (desgastado) por el trabajo 9.Siento que mediante mi trabajo estoy influyendo positivamente en la vida de otros 10.Creo que tengo un comportamiento más insensible con la gente desde que hago este trabajo 11.Me preocupa que este trabajo me esté endureciendo emocionalmente 12.Me encuentro con mucha vitalidad 13.Me siento frustrado por mi trabajo 14.Siento que estoy haciendo un trabajo demasiado duro 15.Realmente no me importa lo que les ocurrirá a algunos de los compañeros con los que debo trabajar 16.Trabajar en contacto directo con mis compañeros me produce bastante estrés 17.Tengo facilidad para crear una atmósfera relajada a mis compañeros de trabajo 18.Me encuentro animado después de trabajar junto con mis compañeros 19.He realizado muchas cosas que merecen la pena en este trabajo 20.En el trabajo siento que estoy al límite de mis posibilidades 21.Siento que se tratar de forma adecuada los problemas emocionales en el trabajo 22.Siento que los compañeros de trabajo me culpan de algunos de sus problemas 23.Mi supervisor me apoya en las decisiones que tomo 24.Mi trabajo actual carece de interés 25.Mi interés por el desarrollo profesional es actualmente muy escaso 26.Considera usted que el trabajo que realiza repercute en su salud personal 27.Mi trabajo es repetitivo 28.Me gusta el ambiente y el clima de mi trabajo 29.Mi trabajo está afectando a mis relaciones familiares y personales

Para valorar cada ítem, se utilizó la escala de lickerts del 0 al 6 donde se señala la frecuencia de la ocurrencia de cada afirmación, donde: 0= Nunca; 1=Alguna vez al año o menos; 2=Una vez al mes o menos; 3=Algunas veces al mes; 4=Una vez a la semana; 5=Varias veces a la semana y 6=Diariamente.

III. RESULTADOS Y DISCUSIONES 1. Análisis de Fiabilidad

Para evaluar la fiabilidad del instrumento de medición utilizado, se determinó el coeficiente alfa-cronbach en cada subescala, obteniendo lo siguiente: 1. Subescala de Agotamiento Emocional: para este caso el alfa arrojó 0,714 mejorando la condición de fiabilidad al eliminar el ítem 20, para lograr así un alfa de 0,743. Ítem que en [10] no fue eliminado por la autora, pues para ese instante del estudio se esperaba una primera aproximación de las dimensiones de la

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 forma más amplia posible. Sin embargo, en esta investigación se encontró que dicho ítem además de no de mermar la fiabilidad de la subescala, no arroja un aporte significativo por mantenerse aislado como un componente, que en lugar de simplificar la interpretación de las dimensiones, desvia la atención del análisis, ya que realmente se definición se encuentra contenida en las restantes dimensiones.

2. Subescala de Despersonalización: se obtuvo un alfa de 0,05 señalando que no es una subescala fiable; pero al evaluar el comportamiento de los datos se detecto que luego de eliminar los ítems 5,10 y 15 que presentaban baja correlación, se obtiene un alfa de 0,475; en otras palabras esta subescala mantiene el supuesto de fiabilidad con los ítems 11 y 22.

3. Subescala de Realización Personal: arrojó un alfa de 0,658, y al evaluar los datos no se concluye que no se requiere la eliminación de ningún ítem pues no incrementan el alfa obtenido.

Los resultados anteriores señalan, que el MBI a pesar de ser ampliamente referenciado y utilizado en los sectores salud y educación; presenta debilidades al ser aplicado en una unidad de negocio; pero que posterior a los cambios antes citados, el instrumento retoma una alta consistencia interna para su aplicación por arrojar valores mayores o iguales a 0,5.

1.2. Dimensiones de Burnout para el Caso en Estudio Para evaluar la mejor agrupación de las variables en función de determinar las dimensiones del desgaste laboral [11] para una unidad de negocio, se aplicó Análisis de Factores y se analizó la matriz de componentes, observándose la necesidad de eliminar los ítems 1, 2,3, 11 y 14 en oposición a los eliminados en [10]; tomando como criterio de eliminación la baja correlación y el aporte no significativo evidenciado. Con estas modificaciones, se obtuvo un determinante de 0,005 en la matriz de correlaciones, lo cual señala que los ítems están linealmente relacionados por su proximidad a cero y cumpliendo a la vez con no ser una matriz identidad.

La confirmación de adecuación de la muestra al modelo factorial se obtuvo aplicando el estadístico Kaiser, Meyer y Olkin (KMO) [11]; al arrojar un valor de KMO=0,57 > 0,5, por lo que el modelo adoptado se ajusta al comportamiento de las variables.

Posterior a la validación del modelo, se aplicó el Método de Extracción de Componentes Principales; determinando así las variables correlacionadas que agrupadas en factores no correlacionados explican el 71,5 % de la varianza total, valor que dejando de explicar sólo el 0,7% de la varianza presentada en [10], logra reducir una dimensión quedando 5 en lugar de las 6 referidas en (mi articulo anterior). El análisis de la varianza explicada se muestra en la Tabla IV.

Tabla IV. Varianza Total Explicada

De la varianza explicada asociada a cada factor y mostrada en tabla anterior, se extraen cinco (5) factores o componentes principales. La correlación existente entre las variables y los componentes principales en donde se agruparon, luego de la rotación ortogonal de los mismos usando el método VARIMAX, se muestran en la Tabla V. En la Tabla V, se puede observar un aporte significativo de las variables a cada dimensión, pues los valores obtenidos son próximos a la unidad y en ningún caso menor a 0,5. En cuanto a la definición de los componentes, al evaluar la relación de los ítems de cada

categoría, se pueden denominar de la siguiente manera: Dimensión 1: Afinidad en las Relaciones Laborales (ítems 6, 16 y18): nivel de integración del individuo con los compañeros de trabajo. Esta dimensión difiere con la encontrada en [10] porque en la nueva formulación, se enfoca en lo bien o mal que se siente el individuo al trabajar con otros; y no en la actitud que este presente para desempeñar sus funciones.

Dimensión 2: Conceptualización de las Relaciones Laborales (ítems: 9, 22 y 21): en este caso, se trata de la manera en la cual el individuo perciba las relaciones

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 laborales y no en el control de las exigencias y relaciones laborales, a lo cual se llegó en [10].

Dimensión 3: Manejo de las Relaciones Laborales (ítems: 4 y 7): en esta dimensión se obtuvieron los mismos ítems que en [10]. Sin embargo, en virtud de la reformulación de los componentes, se le dio una nueva definición mejor ajustada al caso evaluado, y dirigida hacia el control de las situaciones que se presentan con los compañeros de trabajo, en lugar del interés que se puede mostrar hacia ellos.

Dimensión 4: Realización Profesional (ítems: 12, 19 y 13): la reformulación de esta dimensión hace hincapié en el grado de satisfacción profesional, coincidiendo con la subescala de Realización Personal definida originalmente en el MBI, pero sólo concuerdan dos de los ocho ítems que conforman la subescala original (ítems: 12 y 19).

Dimensión 5: Bienestar Personal y Transferencia Emocional (ítems: 17 y 08): sensación de armonía interna o agotamiento en el trabajo y capacidad para transferir dicha sensación al medio en el que se desempeña.

Tabla V. Matriz de Componentes Rotados

A manera general se puede concluir que hay tres dimensiones asociadas a las relaciones laborales y dos al bienestar del individuo, tanto a nivel profesional como personal, y se excluye la adecuación de las condiciones del puesto de trabajo de acuerdo a las actividades a desempeñar, que fueron referidas en [10].

De lo anterior, se concluye que en una unidad de negocio a diferencia del contexto asistencial, las dimensiones del desgaste profesional pasan a ser cinco en lugar de las tres iniciales(Cansancio o agotamiento emocional, Despersonalización y Abandono de la realización personal) Maslach y Jackson; resaltando las relaciones interpersonales como factor de importancia en la incidencia del Síndrome de Burnout y no dando el mismo peso que en (mi trabajo anterior) a la necesidad del control de las emociones y de la armonía interna del individuo al percibir el desgaste.

Sigue siendo de interés para esta investigación, realizar un estudio en instantes de tiempo diferentes pero con el

mismo personal, para evaluar si los datos sufren modificación en los para los niveles de desgaste alcanzados e incluso si surge una nueva reestructuración de las dimensiones encontradas; que a su vez podría ser cotejada con un instrumento de origen cualitativo que otorguen mayor soporte o contraste a los resultados estadísticos que se obtengan.

Tal y como se señala en [10], este estudio impulsa el desarrollo de futuras investigaciones en el mercado laboral, ya que la obtención de la productividad en equilibro con el manejo apropiado del recurso humano, representa una oportunidad potencial para la maximización de los beneficios bajo el resguardo del capital humano que a su vez es exigido por las leyes venezolanas.

3.3. Validez del Instrumento Este instrumento fue validado, de acuerdo con instrumento de medición se refiere al grado en que dicho

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 instrumento realmente mide la variable que pretende medir, siendo esta clasificada en validez de contenido, validez de criterio y validez de constructo [7].

3.3.1. Validez de contenido Las variables del instrumento fueron tomadas del Maslach Burnout Inventory (MBI), el cual ha sido ampliamente validado por diferentes autores en el contexto de salud y de educación; y cuya utilización en otras ramas es respaldado, entre otros autores, por las investigaciones de [12], quién ha profundizado en su aplicación.

3.3.2 Validez Pragmática o de Criterio En este caso la validez del instrumento está dada por el grado de coincidencia al comparar sus resultados con un criterio externo. Si el criterio se fija en el presente, a la validación se le denomina concurrente y si se fija en el futuro, se le denomina predictiva [7]. En este caso la validez viene estimada por la correlación entre los puntajes del instrumento y los puntajes del criterio, el cual debe ser independiente al mismo y relacionado con la característica a medir o predecir.

Para determinar la validez concurrente se aplicó la prueba de la U de Mann–Whitney, una prueba alternativa a la paramétrica t-student para comprobar la diferencia entre dos medias en dos muestras (grupos) independientes, con el fin de identificar si las dos muestras aleatorias provienen de la misma población (o sea,

1  2 y 1   2 ) (Pérez, 2009).

Se partió de la siguiente hipótesis nula  : 1  2 la media muestral del instrumento es igual a la media muestral del criterio externo,

1 : 1  2

Se clasificaron las medias de las respuestas de los ítems del instrumento en baja percepción de burnout y alta percepción de burnout, al comparar dichos resultados con la media global, asignando al grupo de baja percepción aquellos ítems con puntuaciones medias inferiores a la media global y al grupo de alta percepción, los ítems con puntuaciones medias superiores a la media global.

Posteriormente, se determinaron las diferencias significativas entre ambas categorías en relación con una pregunta sobre la relación entre trabajo y salud (criterio externo). Los resultados obtenidos de esta evaluación confirman la validez concurrente de la escala por tener valor de significación (tamaño de la región de rechazo) mayor a 0,01; es decir, al ser α bilateral 0,024, existe baja probabilidad de cometer un error Tipo I, donde se rechaza una hipótesis que debe ser aceptada; rechazando así la hipótesis nula por presentarse diferencias significativas entre las categorías (situación que se observa para valores p<0,05); lo que igualmente se valida con el valor de Z encontrado (-2,25) que está fuera del rango establecido al nivel de significación 0,05 (  1,96    1,96 ).

En cuanto a la validez predictiva, se realizó el análisis con la prueba no paramétrica de Correlación de Rango de SPEARMAN, también conocido como de rangos

ordenados, este es un caso particular del coeficiente de correlación lineal de Pearson [13]. Para esta evaluación se tomó como variable independiente las percepciones de los usuarios y como dependiente la relación entre el trabajo y la salud; donde la hipótesis nula formulada fue:  : r  0 .

De este análisis se obtuvo un coeficiente de 0,34, que indica que la correlación es significativa al nivel 0,05; por lo cual el instrumento tiene validez predictiva.

3.3.3. Validez de Constructo o Concepto Este tipo de validez, según [7], se puede evaluar a través del grado en que una medición se corresponde con otras mediciones, de variables muy relacionadas, de acuerdo con hipótesis derivadas teóricamente y que conciernen a los conceptos que están siendo medidos. Esta validez se puede clasificar en convergente y discriminante.

La validez convergente se concentra en lo bien que la medición del constructo se correlaciona positivamente con diferentes mediciones de éste, mientras que la validez discriminante compara las correlaciones con escalas que midan conceptos o constructos diferentes, las cuales deben ser bajas para validar la escala.

En este caso, la escala usada tiene validez convergente por la existencia de un coeficiente de correlación de SPEARMAN de 0,34 referido al ítem de relación trabajosalud (ítem con concepto diferente al evaluado pero muy relacionado), utilizado para realizar la validación predictiva explicada previamente.

En cuanto a la validez discriminante, el resultado del análisis de correlación de SPEARMAN arrojó un coeficiente de -0,278 con una significancia de 0,064, señalando una correlación negativa y por ser el nivel de significancia mayor a 0,05 las variables no están linealmente relacionadas.

IV. CONCLUSIONES 1. La adecuación del instrumento de medición para su aplicación en una unidad de negocio, fue validado estadísticamente con los resultados obtenidos; así como también el cumplimiento de los supuestos de fiabilidad de las subescalas definidas.

2. Del análisis multivariante de los datos se obtuvieron cinco dimensiones para definir el desgaste laboral desde la perspectiva del capital humano, definiéndose éstas como: 1) Afinidad en las Relaciones Laborales, 2) Conceptualización de las Relaciones Laborales, 3) Manejo de las Relaciones Laborales, 4) Realización Profesional, 5) Bienestar Personal y Transferencia Emocional.

3. A manera general se puede concluir que hay tres dimensiones asociadas a las relaciones laborales y dos al bienestar del individuo, tanto a nivel profesional como personal, como factores principales para medir la percepción del desgaste profesional o síndrome de Burnout.

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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Volumen 16, N° 63, junio 2012 4. Se recomienda realizar un estudio longitudinal que permita determinar la variación en el tiempo de los niveles de desgaste laboral, con el fin de identificar si existen variables comunes y contrastar los resultados para definir tendencias y los principales factores asociados al objeto de la investigación. Así como también validar las dimensiones encontradas con la aplicación del instrumento en otras unidades de negocio.

5. La utilización de este instrumento para determinar los factores de riesgo y/o estresores desencadenantes del desgaste laboral en el capital humano de una organización; permitirá tomar acciones preventivas para el resguardo del mismo, sin afectar los niveles de productividad; promoviendo así un área de interés en el sector industrial que contribuye con la administración de las funciones del personal.

V. REFERENCIAS 1. Barrientos, T., Martínez, S., Méndez, I. (2004).

Validez de Constructo, Confiabilidad y Punto de Corte de la Prueba de Síntomas Subjetivos de Fatiga en Trabajadores Mexicanos. Revista Salud Publica de Mexico. Vol 46. Nº6, Noviembre-Diciembre 2004; pp. 516-523.

2. Barbado, F., Gómez, J., López, M., Vázquez, J. (2006). El síndrome de fatiga crónica y su diagnóstico en Medicina Interna. Revista Anales de la Medicina Interna (Madrid). Vol. 23, N.º 5, 2006, pp. 238-244.

3. García, J., Luceño, L., Jaén, M. y Rubio, S. (2007).Relación entre factores psicosociales adversos, evaluados a través del cuestionario multidimensional Decore, y salud laboral deficiente. Revista Psicothema. Vol. 19, nº 1, 2007, pp. 95-101.

4. Balseiro, L. (2010).El síndrome de Burnout. Como Factor de Riesgo Laboral en el Personal de Enfermería. México. Editorial Trillas.

5. Hogan, R y McKnight, M. (2007). Internet y la Educación Superior. Vol 10.pp. 117-124 6. Buendía, J y Ramos, F. (2001). Empleo, Estrés y Salud. Madrid: Pirámide. pp. 59-83 7. Hurtado, J. (2000). Metodología de la Investigación Holística. 3ra Edición. Caracas, Venezuela. Editorial Fundación Sypal.

8. Balestrini, M. (2001). Cómo se Elabora el Proyecto de Investigación. 5ta Edición. Caracas. Venezuela. BL Consultores Asociados, Servicio Editorial.

9. Maslach, C, y Jackson S. (1981). The Measurement of Experienced Burnout. Journal of Occupational Behaviour; 2: 99-113 10. Barrios, M. (2011). Aproximación de las Dimensiones del Desgaste Laboral para una Comercializadora.

Ponencia a presentarse en el Simposio “La Investigación en Ingeniería: Jugando Roles en las Ciencias Sociales” a efectuarse en el marco del II Seminario Nacional de Ciencias Sociales 2011.

11. Uriel, E. y Aldás, J. (2005). Análisis Multivariante Aplicado. Madrid, España. Editorial Thomson.

12. Gil-Monte, P. (2006). El Síndrome de quemarse por el trabajo (Burnout). Factores, Antecedentes y Consecuentes. En P. Gil-Monte, M. Salanova, J. Aragón y W. Schaufeli (compiladores), Jornada “El síndrome de Quemarse por el Trabajo en Servicios Sociales” (pp. 11-. Valencia: Diputación de Valencia.

(ISBN: 84-689-7621-0).

13. Elorza, H. (2009). Estadística para las Ciencias Sociales, del Comportamiento y de la Salud. 3ra.

Edición. México D.F., Cengage Learning Editores S.A.

AGRADECIMIENTOS La presente investigación contó con la asesoría de los Dr. (es) Agustín Mejías y Ruth Illada, a quienes agradezco todos sus aportes y orientaciones para la consecución de los resultados. De igual forma, agradezco al personal que participó en la aplicación del instrumento, fuente principal para el análisis de los datos y a la empresa por la autorización para la realización del estudio.

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