MONOGRÁFICO 2017/2018
EPSE Ingenierías Informática, robótica y estadística, aliados por la seguridad y la eficiencia
REPORTAJES EXTRAÍDOS DE LA REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA UMHSAPIENS
MONOGRÁFICO 2017/2018
Monográfico EPSE ingenierías
04
08
11
Autoware, Industria 4.0
Ingeniería y estadística
Salvar Vidas Humanas es lo importante
umh.sapiens@umh.es | www.umhsapiens.com | @umhsapiens
Autoware Industria 4.0 Una fรกbrica mรกs inteligente
Industrias FORD, años 20.
L
a industria 4.0 hace referencia a un modelo de fábrica en el que la maquinaria no solo está automatizada, sino que, además, trabaja de forma conectada con el fin de mejorar la flexibilidad y capacidad de reconfiguración de los procesos de producción. Para ello, las diferentes máquinas y robots que participan en estos procesos deben ser capaces de intercambiar información relativa a cada proceso (su estado, información recogida de sensores o posibles alertas). Se trata de una fábrica a la que se dota de una mayor inteligencia para alcanzar los siguientes objetivos: ahorrar costes, mejorar la flexibilidad y productividad de los sistemas de producción y reducir los riesgos. Todo ello, a partir de la digitalización de los procesos de producción, del intercambio de información en tiempo real y del desarrollo de sistemas cognitivos capaces de aprender y adaptar la producción. Esta nueva forma de fabricar se implantará gradualmente y se convertirá en la in-
dustria del futuro, de tal manera que todas las compañías adoptarán estas tecnologías para conseguir ser viables. En un escenario de competencia global, las empresas deben ser capaces de responder de forma rápida y económica a los requerimientos del mercado y, para ello, la digitalización de las fábricas será fundamental. De ahí la importancia de las investigaciones en este campo, como es el caso del proyecto AUTOWARE, financiado por la Comisión Europea dentro de la convocatoria H2020 “Automatización Digital” y en el que participa la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche. La colaboración de la UMH en este proyecto corre a cargo del laboratorio UWICORE, especializado en sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas e integrado en el Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la UMH. Dentro del proyecto, el equipo de investigación de la UMH lidera el desarrollo de las redes de comunicaciones inalámbricas industriales, que facilitarán la interconexión entre máquinas (incluidos robots móviles), productos y servicios en la nube, así como el intercambio de datos en tiempo real.
fallos o ineficiencias, así como adaptar los procesos de producción con mayor rapidez y agilidad, tal y como explica el profesor del Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones Javier Gozálvez. Según el investigador, en la actualidad, los sistemas de producción tienen una conectividad limitada y la capacidad de adaptación y corrección de errores depende, en gran medida, de la intervención humana: “Por ejemplo, pensemos en una cadena de producción en la que cada máquina tiene su función. Si se produce un fallo en una –porque por ejemplo es descalibrada por un golpe fortuito– entonces aunque la producción no se interrumpa, el fallo afectará a la calidad de las piezas, que acabarán siendo desechadas mientras el fallo no sea detectado”. Javier Gozálvez añade que, en la actualidad, la capacidad de reconfiguración o adaptación de los sistemas de producción no es todo lo flexible que sería deseable. “Para dar solución a estos inconvenientes se trabaja desde el proyecto AUTOWARE”, subraya el experto.
Esta nueva tecnología transformará la forma de producir del futuro
La implementación de redes inalámbricas en los entornos de trabajo permitirá mejorar los sistemas de toma de decisión, detectar
Fábricas digitalizadas Según datos de la Unión Europea, la digitalización de productos y servicios aportará a la industria más de 110.000 millones de euros al año en Europa durante los próximos 5 años. Solo en Alemania, el país europeo
>
Imágenes cedidas por proyecto AUTOWARE
líder en este sector, se espera que la mayor digitalización de la industria induzca a lo largo de los próximos 10 años un crecimiento de la productividad del 8%, un aumento del empleo del 6% y un ascenso de los ingresos de unos 30.000 millones de euros al año. Esta revolución, en la que otros países ya se encuentran inmersos, se presenta como una gran oportunidad de transformarse y ganar una posición competitiva reforzada para países como España, según el propio Ministerio de Industria, Energía y Turismo.
“En la Industria 4.0, cada uno de los procesos estará digitalizado”, señala Gozálvez
El profesor Gozálvez subraya que, a pesar de que las fábricas actuales están robotizadas, la fábrica no está digitalizada y la conectividad de los robots y máquinas es limitada. Tal y como puntualiza el docente, con la tecnología que implementará la industria 4.0, cada uno de los procesos estará digitalizado y se detectará en tiempo real si ha habido algún error y se podrá corregir de una forma dinámica y flexible. “Será posible obtener un informe específico de cada uno de los procesos para verificar que cada parte se ha ejecutado correctamente y proporcionar el reajuste necesario para corregir el funcionamiento de la cadena en caso de fallo”, explica el investigador. Y todo esto conectado con la nube o con otros nodos locales o remotos para procesar toda la información digital que las fábricas del futuro generarán. “Una rápida detección de errores a través de la digitalización y conexión de la fábrica permitirá reducir la cantidad de pro6
ductos desechados, con el consecuente ahorro”, matiza Gozálvez.
La UMH es la única universidad integrada en el consorcio del proyecto y su tarea se centra en la mejora de la conectividad entre los dispositivos a través de redes inalámbricas. Un avance importante, puesto que, hasta el momento, la conectividad en las fábricas se lleva a cabo principalmente a través de cable. Sin embargo, como explica la también investigadora de la UMH Mª Carmen Lucas, contratada en el proyecto AUTOWARE, el cable limita la capacidad de reconfiguración de la fábrica y no permite la conectividad entre robots móviles porque dificultaría su desplazamiento por las plantas, algo que sí posibilita las redes inalámbricas. Asimismo, Lucas señala que la implementación de la red inalámbrica en la industria conlleva cumplir con unos estrictos requisitos de fiabilidad, retardo y de velocidad de
transmisión, impuestos por las aplicaciones industriales. Es decir, “la información sobre un posible fallo en la cadena de producción debe transmitirse en un tiempo mínimo y debe hacerse de una forma fiable para alcanzar los requerimientos exigidos”, subraya la investigadora. Además, el grupo de la UMH también se centra en optimizar las capacidades de las redes, algo que consiguen estableciendo predicciones, basadas en análisis de datos, sobre los diferentes procesos que tienen lugar en la fabricación. De esta manera, según explica Mª Carmen Lucas, se consigue optimizar los recursos de comunicación y garantizar los requisitos de fiabilidad, retardo y velocidad de transmisión: “Las redes inalámbricas industriales desempeñan un papel clave en la reducción de costes y tiempo”, subraya. La conectividad de las fábricas conlleva los riesgos propios de la seguridad, protección y acceso a los datos, tal y como apunta el profesor de la UMH Miguel Sepulcre, quien también colabora en el proyecto. En relación a la seguridad, Sepulcre explica que hay todo un campo de desarrolladores y expertos trabajando en reducir la vulnerabilidad de los
Los profesionales de las telecomunicaciones afrontan los retos que plantea la nueva industria 4.0 en la que su trabajo es y será decisivo. Como explica el profesor del Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones Javier Gozálvez, es importante transmitir a la sociedad la versatilidad de los ingenieros de Telecomunicación, cuyos conocimientos y habilidades tienen un impacto notable no sólo en los propios sistemas de telecomunicación (como radio, televisión o teléfono), sino también en la automoción, los sistemas médicos, la banca o la seguridad, por ejemplo.
De izda. a dcha. los investigadores Miguel Sepulcre, MªCarmen Lucas y Javier Gozálvez.
sistemas, con el objetivo de diseñar redes seguras. Además, como añade Mª Carmen Lucas, la digitalización de las fábricas puede minimizar muchos otros riesgos, incluidos los laborales. Y de esta manera, “las ventajas que ofrece la conectividad a la industria son mayores que los riesgos”, coinciden en apuntar los tres expertos.
“Las redes inalámbricas industriales desempeñan un papel clave en la reducción de costes”, explica Lucas Las soluciones tecnológicas que se desarrollen en AUTOWARE serán evaluadas en diferentes empresas del consorcio, como la alemana SmartFactory, una planta piloto dedicada a desarrollar y probar los pilares tec-
nológicos fundamentales de la Industria 4.0. Según señala el profesor Gozálvez, el proyecto se encuentra en el primero de sus tres años de ejecución y las pruebas piloto de redes inalámbricas en las que trabaja el equipo ilicitano se realizarán más adelante, en el centro tecnológico con sede en Guipuzkoa IK4-TEKNIKER. El objetivo de estos tests se centrará en demostrar los beneficios de la conectividad inalámbrica de robots móviles y fábricas, y la capacidad de garantizar la fiabilidad y baja latencia de las comunicaciones. El proyecto, que cuenta con una financiación en torno a los 4 millones de euros y se coordina desde España, también está integrado por las siguientes empresas y centros
de investigación: SQS e Innovalia (España); SmartFactory, Fraunhofer y SMC (Alemania); TTTech (Austria); Blue Ocean Robotics (Dinamarca); Robovision e Imec (Bélgica); PWR Pack (Holanda); CNR (Italia) y Institut Jozef Stefan (Eslovenia). Un total de 14 socios, que investigan de forma simultánea en las diferentes áreas implicadas en la fabricación cognitiva, para alcanzar modernos sistemas de control de producción que permitan a las fábricas reaccionar de forma autónoma y flexible. Una industria conectada, en la que los robots no solo desempeñarán el papel de simples herramientas de fabricación, sino que también serán capaces de reconfigurarse, corregir fallos y adaptarse a las necesidades de la fabricación. 7
Ingeniería y estadística
para predecir los daños en accidentes de tráfico
La Organización Mundial de la Salud (OMS) otorga a los virus del Cólera o el Ébola la categoría de pandemia por la cantidad de muertes que producen. El profesor del Área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche David Úbeda González se pregunta por qué los accidentes de tráfico, con tasas de mortalidad muy elevadas, no escandalizan a la sociedad de la misma forma que las enfermedades infecciosas. A juicio del investigador, las muertes al volante alcanzan cifras suficientemente elevadas como para que se promuevan medidas nuevas desde las instituciones. Por este motivo, Úbeda propone en su tesis un modelo matemático para predecir la severidad de los accidentes de tráfico, que aporta como novedad el punto de vista de lo que puede suceder a los ocupantes.
David Úbeda González Profesor del Área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la UMH
Educación vial El profesor de la UMH opina que en España no se ha trabajado de la mejor forma en materia de políticas de seguridad vial. A juicio del docente, la problemática es compleja y tiene que ver con múltiples variables: “Nuestra propuesta no es tanto tener un análisis estadístico de lo que sucede para tomar medidas, sino aportar soluciones preventivas fundamentadas en modelos estadísticos basados en Big Data y de forma dinámica”, asegura. La clave del algoritmo creado por Úbeda es que puede predecir qué va a suceder, a través del aprendizaje mediante Inteligencia Artificial basada en el histórico de datos.
P
ara llevar a cabo la investigación, el profesor de la UMH ha recogido datos sobre periodos de tiempo en los que la tasa de mortalidad en accidentes de tráfico ha adquirido niveles de pandemia. En concreto, desde la implementación del parque automovilístico en España, a principio de los años 60, y hasta 2005, la cantidad de accidentes alcanzaba más de 24 fallecidos por cada 100.000 habitantes. Si bien es cierto que el carnet por puntos y la revisión de las políticas de seguridad vial se tradujeron en una disminución, a juicio de David Úbeda, todavía no es suficiente y es el momento de actuar rápido debido a la inminente llegada del vehículo autónomo y el presente vehículo conectado. La tesis doctoral, dirigida por Arturo Gil Aparicio y Agustín Pérez Martín se titula “Predicción de la severidad de accidentes de tráfico en la Red de Carreteras de España y Reino Unido (UK) mediante modelos estadísticos basados en Random Forest y Regresión Logística”. La investigación se vale de datos de un histórico de accidentes leves, graves y fallecimientos para llevar a cabo el análisis de lo que ha sucedido hasta ahora en un modelo de regresión. El hecho de que se tomen datos de UK, explica Úbeda, tiene que ver con que su histórico y forma de adquirirlos sea muy parecida a la versión española, todo ello buscando cierta correlación debido a que “su forma de conducir es bastante diferente a la nuestra”, aclara. El origen La Unión Europea (UE) financia a los países con políticas que tienden a 0 muertes en accidentes de tráfico, dentro de su Programa Marco de Investigación e Innovación Horizonte 2020. En este sentido, el profesor señala que existe un incentivo económico para mejorar la situación actual.
El investigador asegura que a Europa le cuesta 1 millón de euros al año cada persona fallecida en un accidente de tráfico, debido a que la UE estima el coste de los accidentes entre 10.000 y 14.000 millones de euros anuales para toda la Unión. “Además de todas las implicaciones y consecuencias personales y emocionales que conlleva una tragedia así”, subraya. A partir de este dato, la UE establece una serie de áreas de interés a las que la tesis de David Úbeda se ha adaptado para llevar a cabo su algoritmo.
La realidad actual, en cuanto a conducción, se aproxima cada vez más al vehículo conectado y, el paso siguiente, será el coche autónomo. Ante un futuro en el que quien conduce será un mero pasajero, David Úbeda asevera que “se impone actuar con una precisión de cirujano”. Para trabajar con la cantidad ingente de datos sobre los accidentes, el conocido Big Data, ha sido necesario un clúster de computadores potente ya que el análisis computacional presenta unas necesidades exigentes.
Una vez definidas las áreas a estudiar, el investigador analizó, por ejemplo, qué ocurre por vías de distinto tipo, como autovías o carreteras convencionales, o en puntos negros o tramos de concentración de accidentes dentro de estas vías. El doctor asegura que la Dirección General de Tráfico (DGT) pone el foco en cuánto corre un conductor, su tasa de alcohol y drogas o las distracciones. “Son causas importantes, sin embargo, no tiene en cuenta otros factores fundamentales como las circunstancias de la vía, el tipo de vehículo o la edad de los conductores”, aclara. “La DGT utiliza estas características para hacer un informe estadístico, nosotros cogimos las 84 características de su reporte y nos quedamos únicamente con 12 como cruciales para detectar las causas que envuelven a los accidentes de tráfico”, cuenta. Después, se trasladan al modelo estadístico para establecer patrones de conducción eficientes no sólo en cuanto a peligrosidad sino, también, en relación al consumo energético.
Úbeda y sus colaboradores incidieron en qué se había estudiado antes en este sentido. “Vimos que muchos investigadores se basan en el paradigma Konov-Jason que relaciona la gravedad y la frecuencia del accidente con el conjunto de variables que lo causaron”, señala el experto. Es decir, se empieza a pensar que los accidentes no están repartidos al azar, sino que existen unas causas que hacen que sea más probable que se tenga el accidente en unas condiciones concretas.
El profesor opina que en España no se ha trabajado de la mejor forma en materia de seguridad vial
El investigador explica que los datos preliminares indicaban que existía una tendencia: “Debíamos mirar con atención las estructuras de datos temporales como, por ejemplo, qué ocurría un día determinado de la semana y la hora a la que se producía el accidente, así como la infraestructura o la meteorología”. Los datos eran recurrentes, por lo que se dedujo que sí se podía extraer un modelo probabilístico a partir de estos patrones. Úbeda señala que, por ejemplo, la mayoría de 9
fallecimientos ocurren en accidentes donde el vehículo choca con una determinada parte o el pasajero se encuentra en una posición concreta en el vehículo. Además, la situación se acrecienta en viajes hacia el trabajo o para llevar a los niños al colegio, con datos históricos que despuntan. El algoritmo Los resultados ofrecen mayor acierto en accidentes graves que leves, algo que para el investigador es preferible, ya que su objetivo es salvar vidas. “Con los métodos estadísticos de nuestro modelo podemos decir que en España la probabilidad media de que un accidente de coche sea leve es de un 97’44% y, por lo tanto, de un 2’56% de que sea grave o acabe en muerte”. Una de las características importantes es la influencia de la posición en el vehículo. Por ejemplo, en un autobús cuando una persona permanece de pie la probabilidad de fallecer aumenta considerablemente. Pero si, además, se suman características como la iluminación de la vía o el tipo de maniobra que está haciendo el vehículo la probabilidad de accidente puede aumentar o disminuir en términos absolutos. Es decir, lo que se consideraría acercarse al peor o al mejor accidente. Los datos experimentales, basados en el histórico, determinaron que el peor accidente sería un impacto de una motocicleta, con la víctima conduciendo, de noche sin iluminación en la vía, a una edad de 70 años, cruzando una intersección, con la calzada seca, sin anomalías en la moto, en una curva suave y en una vía interurbana. En estas condiciones, el algoritmo determinó que la probabilidad de que sucediera un accidente grave o que la víctima falleciera es de un 98 %. El modelo, además, podría llegar a predecir qué pasaría si fueran dos personas en la motocicleta. Un caso real David Úbeda y sus colaboradores quisieron analizar qué pasaría con un accidente ocurrido en la actualidad. En concreto, los investigadores se fijaron en un tramo de la carretera de Burgos a la altura de Atapuerca. Unos 70 kilómetros de recorrido en una vía de doble sentido, nacional, en la que circula una autopista en paralelo, situada junto a una zona montañosa y en la que el 80%
David Úbeda espera que la DGT tome en consideración los datos obtenidos en la tesis 10
del tráfico que circula son vehículos de alto tonelaje. “En 14 años han fallecido 117 personas en esta carretera”, señala el profesor de la UMH. La razón por la que los camiones circulan por esta carretera es que la autopista cuesta 11 euros y, por tanto, los vehículos comerciales optan también por la nacional. Una de las claves para disminuir el número de accidentes en este tramo sería eliminar el peaje y que se pudiera circular de forma gratuita por la autopista, o bien que ciertos vehículos pesados pudieran hacerlo a coste cero. “En los pueblos de alrededor como, por ejemplo, Pancorbo, todos conocen un caso de persona fallecida en esa vía”, cuenta David Úbeda. “Incluso existe una plataforma de afectados”, subraya. Los datos económicos del Ministerio de Fomento indican que liberar la vía tendría un único coste de unos 125 millones de euros. El investigador recuerda que, si en 10 años han fallecido 117 personas, el coste es mucho más elevado en el futuro. Por su parte, la DGT afirma que los accidentes ocurridos en la carretera de Pancorbo no se producen por la peligrosidad de la vía, sino porque los conductores se distraen en estos tramos. El profesor de la UMH subraya que una distracción en ciudad, por ejemplo, para aumentar o
disminuir el volumen de la radio puede permitir una maniobra de rectificación. “El problema es que, en este tramo, si te distraes, mueres, porque no hay posibilidad de rectificar”, aclara. Tal y como recoge la tesis doctoral, las particularidades de la vía son determinantes a la hora de clasificar su peligrosidad y la gravedad de los accidentes. David Úbeda asegura que mediante la publicación de esta Tesis Doctoral esperan que la DGT tomen en consideración esta investigación, pero, de momento, no se va a atender de forma prioritaria. Según explica, se les emplaza a participar en convocatorias de proyectos de innovación. Pero, en opinión del doctorando, es fundamental dar prioridad a los avances científicos en este sentido, de manera que exista una colaboración entre ambas entidades. Es decir, una transferencia del conocimiento generado en la universidad a la sociedad. Ante la llegada inminente del vehículo autónomo, el profesor de la UMH cree que hay que buscar soluciones diferentes, como el uso de algoritmos: “En el futuro, conducirá la CPU de un ordenador, por lo que cobra más sentido que nunca que seamos capaces de predecir y decidir qué hacer en función de los datos matemáticos”.
Salvar vidas humanas es lo importante Agustín Pérez
Profesor del Área de Economía Financiera y Contabilidad
L
a recolección de todas las circunstancias que envuelven a un accidente de tráfico resulta una labor minuciosa. Su estudio, no obstante, acaba con la puesta en marcha de medidas, en ocasiones, obvias que distan del uso de inteligencia artificial para una predicción más acertada. Adicionalmente, parece que nunca acabamos de salir de la dupla alcohol y velocidad que, aun siendo importantes, ni son todas las causas detrás de un accidente, ni son la raíz de todos los problemas derivados de la conducción. La inferencia de conocimiento a la infraestructura o a los automóviles, hasta ahora, no se ha planteado de forma óptima, dejando a las marcas de vehículos su puesta en
Arturo Gil
Profesor del Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
marcha. Sin embargo, una vez más, nos olvidamos de un dato importante: este conocimiento nunca será completo sin la compartición de datos a través de una plataforma estándar. Por ello, en tiempos en el que el vehículo autónomo ya comienza a ser una realidad, va siendo hora de asumir una actitud proactiva en esta línea. La tesis doctoral de David Úbeda aúna investigación y transferencia de tecnología encaminada a buscar soluciones más globales, hacia esa línea de estandarización de plataformas, donde se puedan estudiar los accidentes de forma más analítica y precisa. Espero que la disfruten como lo hemos hecho nosotros estos últimos años y, sobre todo, poder aplicar el conocimiento que de ella se extrae. Salvar vidas humanas es lo importante.
11