El desarrollo de las primeras redes de sensores dio sus primeros pasos con propósitos militares, es por ello que no hay mucha información sobre la fuente de la idea. Se conoce que la investigación en redes de sensores comenzó cerca de 1980 con el proyecto DistributedSensor Networks (DSN) de la agencia militar de investigación avanzada de Estados Unidos Defens eAdvanced Research Projects Agency (DARPA). (Chong y col., 2003).

Las investigaciones fuera del ámbito militar datan de finales de los 90, con el proyecto Smartdust. Uno de los objetivos de este proyecto fue crear sensores con comunicación en un milímetro cúbico. Aunque este proyecto finalizó de forma anticipada, dio lugar a muchos otros proyectos de investigación. Los investigadores participantes en estos estudios, apodaron con el término “mote” (mota) a los nodos sensores. (Kahn y col., 2000).

La idea de desarrollar estos dispositivos fue promovida por la evolución de la miniaturización de ordenadores, la cual, dio lugar a desarrollar pequeñas computadoras, extremadamente pequeñas y baratas que se comunican de forma inalámbrica y se organizan autónomamente. En principio se trata de distribuir estos circuitos de forma aleatoria en un área extensa, en donde los nodos recopilan información y parámetros en un área de acción limitada hasta que ya no tienen autonomía energética. Estas piezas de electrónica se dieron a conocer como polvo inteligente gracias a sus características.

2.1.1 Características de una WSN

Una red de sensores es una red de pequeños computadores (nodos o motes), equipados con sensores que trabajan con un fin común. Están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación inalámbrica los cuales permiten formar redes ad hoc sin infraestructura física preestablecida ni administración central. Se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser auto configurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra importante característica es la gestión que realiza de su propia fuente de energía, la cual le permite disponer de una autonomía de años. (Fernández ycol., 2009).

Estos sistemas distribuidos de operación autónoma y totalmente integrada de nodos de bajo consumo, de reducido tamaño, realizan medidas mediante sensores adquiriendo datos del entorno que les rodea, comunicándose de forma inalámbrica entre ellos. La adquisición y el control se llevan a cabo por medio de sensores conectados que pueden ser administrados remotamente o bien a través de una aplicación integrada en el nodo. Una red de sensores puede estar comprendida desde unos cuantos nodos hasta cientos de éstos, distribuidos por un edificio o un espacio abierto como muestra la Figura 1.

Figura 1
Típica Red de Sensores Inalámbricos (WSN).

El diseño de una red de sensores inalámbricos como la descrita anteriormente estará influenciada por los varios factores (Pérez y col.,, 2014).

• Tolerancia a fallos: Algunos nodos sensores pudieran fallar o bloquearse debido a la falta de energía, o recibir daños físicos o interferencias medioambientales. El fallo de nodos sensores no debería comprometer el funcionamiento global de la red sensora.

• Escalabilidad: Los nuevos diseños deberán ser capaces de trabajar con un número de nodos del orden de centenares, millares, e incluso, dependiendo de la aplicación, millones.

• Costos de producción: Dado que las redes de sensores consistirán en un gran número de nodos sensores, el costo de un nodo individual es clave para que una red inalámbrica sea rentable en comparación con una cableada.

• Limitaciones de hardware: Un nodo sensor estará constituido por cuatro componentes básicos. el Sensor-ADC, la Unidad de Proceso, el Transceptor, y la Unidad de Energía. También puede tener otros componentes adicionales dependiendo de su aplicación como un Sistema de Localización y un Movilizador.

• Topología: El despliegue de un gran número de nodos densamente distribuidos precisa de un mantenimiento y gestión de la topología aplicada.

• Entorno: Los nodos sensores inalámbricos serán desplegados densamente bien, muy cerca o directamente en el interior del fenómeno a ser observado. Por consiguiente, normalmente trabajan desatendidos en áreas geográficas remotas. Pueden estar trabajando en el interior de una maquinaria grande, en el fondo del océano, en un área contaminada biológicamente o químicamente, en un campo de batalla más allá de las líneas enemigas, así como en edificios y hogares.

• Medio de transmisión: En una red de sensores multisalto, los nodos de comunicaciones están conectados mediante un medio inalámbrico. Estas conexiones pueden estar formadas por medios tales como: radio, infrarrojo u óptico.

• Consumo energético: Los nodos sensores inalámbricos, por lo general, estarán equipados con una fuente energética limitada.

BIM es el acrónimo de BuildingInformationModeling, se puede definir como un software o modelo 3D virtual de un edificio, es una colección de datos de un edificio organizados en una base de datos estructural que se puede consultar fácilmente de forma visual o numérica, con el objetivo de ser utilizados en procesos de proyección, planificación, diseño y operación de edificios modernos.

El modelo BIM consiste en los equivalentes virtuales de los elementos constructivos y piezas que se utilizan para construir el edificio. Estos elementos tienen todas las características físicas y lógicas de sus componentes reales. Estos elementos inteligentes son el prototipo digital de los elementos físicos del edificio, como son los muros, pilares, ventanas, puertas, escaleras, etc. que nos permiten simular el edificio y entender su comportamiento en un entorno virtual antes de que se inicie su construcción real. (Graphisoft 2016).

En el BIM se considera dos cosas: el proceso de desarrollo en ingeniería, y el producto en la forma del modelo de información. En esta investigación, el término BIM se utilizará como el último. El proceso de desarrollo incluye el uso de computadoras en la planificación, diseño, construcción y operación de edificios. El producto en la forma del modelo de información consta de objetos con propiedades y relaciones, lo que permite visualizaciones de muchos aspectos diferentes. BIM permite un alto nivel de detalle y composición de la información que es muy valiosa para diversidad de profesionales de la construcción como se observa en la Figura 2 ya que ayuda en los procesos de decisión.

Figura2
Enfoque centrado en la información.

Un proyecto de construcción BIM estará formado por tantos modelos como disciplinas intervengan en el proyecto. En la edificación se considera que, como mínimo, deben existir tres modelos a partir de la fase de diseño (inicial y detallado): el arquitectónico, el estructural y las instalaciones.

• El modelo arquitectónico contiene toda la información relativa a la geometría del edificio y la que se derive de ella, (mediciones), así como sobre los materiales y soluciones constructivas prescritas.

• El modelo estructural contiene la información relativa a la estructura del edificio, su diseño y geometría, materiales, elementos, análisis y cálculos, dimensionado y cantidad de materiales que lo conforman.

• El modelo de instalaciones contiene la información gráfica y no-gráfica relativa a las distintas instalaciones que conforman el edificio: electricidad, fontanería, saneamiento, confort térmico y acústico, etc. Puede existir un sub-modelo por cada una de las instalaciones que luego se integran en el modelo de instalaciones.

La integración de estos tres modelos contiene toda la información necesaria del edificio en función del nivel de desarrollo en el que nos encontremos. Y al conjunto que forman los tres lo denominamos genéricamente modelo BIM o 3D BIM. (Oliver 2016)

El manejo de BIM hace posible tener un repositorio para almacenar todos los datos de los componentes de diseño y cada componente debe describirse una vez. Estos proporcionan datos gráficos y no gráficos, como dibujos, especificaciones y programación. Los cambios en cada elemento deben hacerse sólo una vez y en un solo lugar, para que todos los miembros del equipo puedan supervisar los cambios al instante. Uno de los beneficios de BIM es que permite a todos los interesados insertar, extraer y modificar la información del edificio durante las diferentes fases del ciclo de vida de la instalación. Mediante su uso, se puede realizar una simulación 3D del edificio y sus componentes ayudando a predecir colisiones y a calcular cantidades de material. (Eastman y col., 2011).

Laintegración de sensores físicos y actuadores para ambientes responsivos es posible con los BIM. A través de la investigación de Kensek y Kahn (2013), en su estudio se investiga la posibilidad de conectar sensores ambientales de luz, humedad, o dióxido de carbono con un Modelo de Información de Construcción BIM. Durante el desarrollo de la investigación hicieron pruebas con un simple modelo digital que respondió a niveles de luz detectados por una foto resistor en una tarjeta Arduino. Posteriormente el caso de estudio fue duplicado usando Revit Architecture, una herramienta popular en BIM, y Dynamo, un ambiente de programación gráfica, en una creativa aplicación. Un segundo caso de estudio siguió un procedimiento similar implementando Revit API directamente pero el proceso fue revertido para demostrar que no solamente la información podría ser enviada desde sensores para cambiar el modelo tridimensional, sino que cambios en los parámetros de un modelo tridimensional podrían afectar el modelo físico mediante el uso de actuadores.

Finalmente concluyeron que, aunque los ejemplos que se realizaron son de construcción sencilla, demuestran que ambos flujos de trabajo (el uso de Dynamo como lenguaje de scripting visual y Revit API para crear un complemento de dll) tuvieron éxito en el uso de un sensor de luz para manejar parámetros en un BIM.

La Realidad Virtual (VR – Virtual Reality) trata de rodear a un usuario completamente con un ambiente o entorno virtual. Los ejemplos más comunes de realidad virtual es el uso de simuladores de vuelo y juegos de computadora. En resumen, con un sistema VR, el usuario puede ser llevado del mundo real a uno generado por computadora.

En este sentido, la Realidad Aumentada (AR – AugmentReality) tiene por objetivo dejar al usuario en el mundo real y solo aumenta su experiencia con elementos virtuales. Hay que tener en cuenta que, aunque la realidad aumentada generalmente se trata de aumentos visuales, otros medios de aumentos son posibles, como el sonido, dispositivos tangibles y así sucesivamente.

Una de las definiciones más aceptadas es la de Azuma (1997), en donde aclara que esta tecnología debería tener las siguientes características:

1. 1. Combina contenido virtual con real.
2. 2. Ser interactivo en tiempo real.
3. 3. Estar registrado en 3D.

Se observa que, aunque esta definición es muy amplia, la mayoría de los investigadores se han concentrado en el aumento visual durante los últimos años. Milgram y Kishino (1994), definen una continuidad de realidad - virtualidad como se muestra en la Figura3. El mundo real y un entorno totalmente virtual están en los dos extremos de una línea continua con la región media llamada Realidad Mixta. La realidad aumentada se encuentra cerca del extremo real del espectro, siendo la percepción predominante el mundo real aumentado por datos generados por computadora. La virtualidad aumentada es un término creado por Milgram y Kishino para identificar sistemas que son en su mayoría sintéticos con algunas imágenes del mundo real agregadas, como la textura de mapeo de vídeo en objetos virtuales.

Figura 3
Continuidad de realidad y virtualidad (Milgram y Kishino,1994).

Se puede ver a la realidad aumentada como un mediador de información, o un filtro, donde la computadora ayuda hacer las cosas de una manera más intuitiva.

Investigaciones anteriores demostraron que AR ha sido utilizada en la construcción para apoyar tareas de inspección en puentes, visualizar operaciones de equipos de construcción, ayudar la interacción de dos usuarios que operan dos grúas virtuales y que se comunican entre sí, y para el monitoreo automático del progreso de la construcción.

La integración de datos implica combinar información en el sentido más amplio para estimar o predecir el estado de algún aspecto del universo. Shahandashti y col., (2011) han revisado algunos ejemplos de aplicaciones recientes de integración de datos en ingeniería civil y han presentado algunos de los beneficios potenciales, como mejorar la fiabilidad de sistemas, reducir la ambigüedad, mejorar la detección y ampliar la cobertura espacial y temporal en sistemas de detección y una dimensionalidad cada vez mayor. Sin embargo, todavía no se han explorado las posibilidades de utilizar AR e integración de datos BIM mejorados con redes de sensores inalámbricos.

De acuerdo a la información obtenida, los criterios para el prototipo conceptual se pueden clasificar en funcionales, no funcionales como se muestran en la Tabla 1, en ésta también se especifican los requerimientos relacionados a implementar en la herramienta. Todos los requerimientos funcionales están directamente vinculados a las características de la aplicación, y al especificarlos el desarrollo puede planificarse mejor.

Tabla 1
Criterios y requerimientos necesarios del prototipo conceptual SIOMVe.

Tabla 1 (cont.)
Criterios y requerimientos necesarios del prototipo conceptual SIOMVe.

Los no funcionales son más abstractos, se enfocan en cómo se siente y piensa el usuario, como la aplicación debe ser usada. Al tener un plan, se puede dar prioridad a las características más importantes.

Una vez determinados los requerimientos se procede a construir un caso de uso para validar los mismos. Los requerimientos son validados por medio de la interacción de todos los actores lo cual da una visión general de la herramienta a través de una serie de tablas que sintetizan la información relevante. Esta información ofrece descripciones más específicas que las analizadas anteriormente en la elaboración del problema, y además, muestra las posibilidades de la herramienta.

Los casos de uso se basan en los requisitos derivados de las encuestas realizadas a los profesionales y relacionados con la construcción encargados del mantenimiento y operación de las instalaciones en los edificios.

La Tabla 2 detalla el caso de uso del “arranque del sistema”. La herramienta muestra solo un paso al usuario en donde le solicita la información de inicio de sesión antes de acceder al sistema.

Tabla 2
Caso de uso: arranque del sistema.

La Tabla 3 detalla el caso de uso del “manejo de información de nodos WSN”. La herramienta recupera la información obtenida por la Red de Sensores Inalámbricos (WSN) del servidor y posteriormente visualiza el grupo WSN seleccionado por el usuario.

Tabla 3
Caso de uso: manejo de información de nodos WSN.

La Tabla 4 detalla el caso de uso de la “descarga de modelos BIM”. La herramienta recupera la información del Modelado de Información de Construcción (BIM) del servidor y posteriormente visualiza los elementos BIM seleccionados por el usuario de la ubicación correspondiente.

Tabla 4
Caso de uso: descarga de modelos BIM.

La Tabla 5 detalla el caso de uso de la “selección de filtros de visualización”. La herramienta con el modelo BIM previamente descargado del área de interés, permite al usuario seleccionar que información visualizar, ya sea el sistema de eléctrico, ventilación, tuberías, estructural, etc.

Tabla 5
Caso de uso: selección de filtros de visualización.

Al iniciar la aplicación el usuario se encuentra en la vista de inicio. En esta vista, el usuario obtiene acceso inmediato a la Red de Sensores Inalámbricos (WSN) y el Modelado de Información de Construcción (BIM) ya que se establece la comunicación inmediata con el centro de datos BIM y se obtiene la ubicación actual, mientras se presenta en pantalla como Realidad Aumentada (AR). Si el usuario no ha utilizado la aplicación anteriormente, también se necesita ingresar información de inicio de sesión, el usuario tiene varias posibilidades en la vista inicial. Si el usuario quiere filtrar el BIM presentado, entonces debe presionar el botón de filtro. La ubicación del usuario siempre se conoce, y el botón del mapa muestra una visión general del entorno y planos del área.

En la vista inicial es presentado al usuario un menú en la parte inferior de la pantalla con todas las características principales, la simplicidad de esta pantalla inicial permite un uso rápido de la aplicación y acceso inmediato a las distintas funciones como desconectarse y salirse de la aplicación, configuraciones generales, iniciar videoconferencias y mensajes con el grupo multidisciplinario, desplegar la lista de sensores y estado de la Red de Sensores Inalámbricos (WSN), hacer búsqueda avanzadas de documentos u otra información dentro del sistema, reportes y compartir información a otros medios durante las tareas de inspección, mapa de ubicación y planos del área actualizados del área actual, por últio el filtrado de la información de la WSN y BIM a visualizar por medio de la Realidad Aumentada.

En la Figura 6 se muestra el uso de la vista de sensores inalámbricos. Para acceder a esta vista se debe pulsar el botón del termómetro en la barra inferior de la pantalla. La vista de los sensores inalámbricos o enlaces WSN consiste en una lista de los sensores en las instalaciones del edificio. Dependiendo del tipo de sensor, ubicación y estado del mismo, la información mostrada en la pantalla varia. La red de sensores inalámbricos es un elemento fundamental en el sistema ya que facilita la detección de fallas de distinta índole, mediante el registro y alerta de cambios en las condiciones normales de las instalaciones o equipos en el edificio. Este registro también ayuda a comprender y comparar los datos obtenidos durante el análisis de datos para prever ciertas condiciones que pudieran ocurrir y tomar acciones anticipadamente. La monitorización de forma remota también en una función deseable ya que esto aumenta el nivel de inteligencia del edificio y mejora la capacidad de detección de fallas en sistemas críticos que deben estar en funcionamiento las 24 horas según el tipo y uso de la edificación.

Figura 6
Pantalla de verificación de la Red de Sensores Inalámbricos.

En la aplicación el filtro de la información que se va a mostrar se obtiene presionando el botón de las capas o filtros BIM como se puede ver en la Figura 7, cuando una opción del modelo BIM es activada o desactivada una solicitud es enviada al servidor o centro de datos BIM y los datos correctos del modelo son regresados para ser visualizados. La pantalla de filtros BIM provee una lista simple de los que el usuario puede seleccionar entre todas las visualizaciones disponibles y esta disponibilidad es determinada por los datos cargados en servidor local o centro de datos BIM. En situaciones normales la aplicación es abierta y cerrada muchas veces para ser consultada, por lo que mantener cargada todas las vistas no es recomendada para el desempeño del sistema, por ello, está tiene pre configurada por defecto una vista inicial.

Figura 7
Visualización de filtros BIM

La Tabla 6 provee información sobre el sexo, edad, nacionalidad, grado de instrucción, profesión, área responsable. Los resultados muestran que los participantes todos son hombres, además la edad varía entre 26 y 61 años, con una media de 38 años y una mediana de 40 años. La mayor parte de los encuestados se responsabilizan en múltiples áreas con un 33.33%, y dentro de ellas tienen varias responsabilidades. El 23.81% de los encuestados son jefes de un área específica de mantenimiento.

Tabla 6
Información de los participantes.

La Tabla 7 provee información referente al uso de teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras por parte de los encuestados. Además de la percepción que tienen de sus habilidades con la tecnología. Los resultados muestran que 90.48% tienen teléfonos inteligentes, 33.33% tabletas y 100% computadoras, ya sea en su casa o trabajo. Las tabletas son muy parecidas a los teléfonos inteligentes, varían generalmente en su tamaño, por lo que su uso es prácticamente similar. Por tanto, esto indica que la mayoría de los encuestados posee alguno y están familiarizados con su uso y el manejo de aplicaciones.

Tabla 7
Destrezas tecnológicas de los participantes.

Esta entrevista consta de 13 ítems, se aplicó durante un lapso de 2 meses en línea. Las entrevistas que se realizaron en persona fueron según la disponibilidad de tiempo de los participantes. Para interpretar los resultados de esta entrevista estructurada se presentan los resultados a la serie de preguntas según una escala de opinión para cada ítem que va desde 1 totalmente en desacuerdo hasta 5 totalmente de acuerdo. En la pregunta numero 13 varia la elección de las respuestas, se pide valorar la aplicabilidad según categorías. La escala utilizada va desde 1 muy bajo hasta 5 muy alto según crea conveniente el participante.

La Tabla 8 muestran los resultados obtenidos de procesar los resultados de las respuestas sobre la utilidad dada por profesionales de la construcción. La pregunta 1 “Las redes de sensores inalámbricos son importantes en la construcción por el valor de los datos que recolectarían” obtiene un valor promedio o media de 4.33, lo que indica el deseo de conocer datos relevantes del edificio y las instalaciones, lo que implica un constante monitoreo de las mismas.

Tabla 8
Resultados de aplicabilidad de WSN, BIM y AR según categorías.

La Tabla 9 sobre la aplicabilidad WSN, BIM y AR en operaciones y mantenimiento de acuerdo a una serie de opciones, la media indica que la más valorada entre las opciones es la localización de componentes del edificio con un 4.83, seguido de la visualización 3D con 4.67, acceso a datos del edificio en tiempo real 4.50 y verificar el mantenimiento 4.50.

Tabla 9
Respuestas de aplicabilidad según categorías procesadas.