1. INTRODUCCIÓN

En el marco de la globalización e inmersión de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación (TIC’s), Colombia es un país en vías de desarrollo y depende fundamentalmente de un apoyo férreo y constante del Estado, para que los ciudadanos, con altas capacidades técnicas y de ingeniería, apliquen su conocimiento en pro del avance del País, en cuanto a todas sus esferas de alto impacto se refiere: Agricultura, Aviación, Economía, e Infraestructura.
Colombia requiere de un gran salto en el desarrollo y mantenimiento de su infraestructura en general para ser un País competitivo y saltar a la orilla del Desarrollo. En materia de infraestructura vial, según estudios recientes, presentamos un atraso cercano a los 35 años.
Enfocándose en el tema vial, la inspección de carreteras, puentes, pontones, y obras de contención, es realizado por ingenieros pertenecientes al grupo de Administración vial, adscrito al Instituto de vías, y utiliza procedimientos de inspección visual que implica realizar un recorrido arduo, extenso y detallado sobre toda la vía, identificando fallas y/o eventualidades en la carretera: medir agrietamientos, pieles de cocodrilo, ojos de pescado, desbordamientos etc.
Dicha labor toma un tiempo extenso (dependiendo de la longitud y estado de la vía), y está sujeto a los cambios abruptos de clima que se presenta en el territorio Colombiano, aunado al agotamiento, estrés, y otros hechos de relevancia mayor para quien ejecuta dicha tarea.
Es justo en el tema anterior, donde se puede observar la necesidad de hacer uso de los recursos tecnológicos para suplir y complementar tareas del ámbito civil, buscando facilitar mediante herramientas de alta tecnología la precisión en la detección de fallas sobre pavimentos flexibles.

La incorporación de la inteligencia artificial como eje central de procesamiento de datos de alto volumen y complejos de clasificar, es la tendencia mundial de la nueva era, llamada también la revolución industrial 4.0. Basta con observar que grandes compañías como Facebook, Google, Amazon, Netflix entre otras muchas más, basan sus algoritmos de procesamiento de datos, usando Big Data, Machine Learning, Deep Learning, Cloud Computing, que no es nada más y nada menos que la síntesis fundamental de la inteligencia artificial.
La idea, es poder utilizar una subregión de la Inteligencia artificial, llamada Visión artificial para procesar múltiples imágenes aéreas, adquiridas por drones que sobrevuelen áreas de interés. Dichas imágenes, las cuales son captadas en recorridos predeterminados generados por el experto en el tema, en este caso un ingeniero civil, serán ingresadas a un sistema de inteligencia artificial embebido en un programa de cómputo, el cual automáticamente generará internamente un análisis de componentes discriminantes sobres de las imágenes, para producir segmentación contra áreas de interés y así poder clasificar el tipo de fallas que se presenten sobre los pavimentos flexibles. De la misma manera el sistema automáticamente, generará el informe solicitado, con georreferenciación, observaciones, señalamiento de fallas, diagnóstico y procesos sugeridos a realizar sobre la carpeta.
Segregando la información suministrada anteriormente en pasos secuenciales, la tecnología aborda los siguientes ítems:

A) Captación de imágenes: Mediante el uso de un drone especializado DJI MATRICE 100, capaz de realizar tramos autónomos sobre áreas preestablecidas se pueden lograr alrededor de 860 capturas de imágenes durante todo el tiempo de autonomía (alrededor de los 18 minutos con carga completa de cámara). Se cuenta con dos tipos de cámaras listas para instalar en el drone de manera independiente, aspecto relevante para la investigación, puesto que se tiene la posibilidad de toma de imágenes en el espectro visible (RGB) incluyendo la exposición a la oscuridad (visión infrarroja) con la cámara ZENMUSE X3 y de la misma manera se cuenta con la cámara ZENMUSE XT especializada en visión térmica con un rango espectral de captación desde los 7.5 hasta los 13 micrómetros (𝜇𝑚), permitiendo de esta manera visualizar información no perteneciente al espectro visible con mayor detalle. La autonomía de vuelo del drone depende indispensablemente de una batería recargable, actualmente se cuenta con 6 unidades de batería.

B) Procesamiento de información: Con el uso de una estación de trabajo fuera de línea, se ingresan las imágenes captadas y almacenadas en la memoria micro SD del drone a un programa desarrollado para el procesamiento de las imágenes, donde se realizarán los procesos de pre-procesamiento, segmentación y clasificación de las fallas sobre pavimentos flexibles, dando como resultado un formato legible e interesante donde se resalten las características de falla sobre pavimentos flexibles.

2. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LA TECNOLOGÍA

De manera inmediata se presenta en la Fig.1 una clara articulación de los procesos generales que conllevan la implementación y operación de la tecnología para realizar el proyecto, donde posteriormente se detallará claramente cada una de las partes funcionales por proceso.

De la Fig.1 se puede observar como la articulación implica básicamente tres etapas diferenciadas entre sí, para llevar a cabo la implementación de la tecnología, donde con claridad (líneas punteadas), 1 y 2 son procesos que se deben de ejecutar en paralelo para el proceso de implementación, puesto que en tierra se debe de contar con una estación móvil de adquisición de datos y control del drone para poder manipular el vehículo aéreo y tener control de los trayectos y captura de información. Finalmente, 3, menciona la estación fija de procesamiento y clasificación de fallas en pavimentos flexibles, donde ingresan las capturas realizadas por el drone y serán procesadas en una máquina de computo con los algoritmos de pre-procesamiento, segmentación y clasificación de estas.

A continuación, se presenta de manera detallada y discriminada las características y elementos necesarios para la implementación de cada uno de los procesos:

A. Estación móvil de adquisición de datos y control del drone:
En este proceso se debe de contar estrictamente con los siguientes elementos:

• Computador portátil (laptop) para la supervisión en tiempo real del recorrido del drone y diligenciamiento de variables de captura, toma de datos externos, etc. Requerimientos de funcionamiento gama media: mínimo 8 Gigabytes de memoria RAM, mínimo 1 Terabyte de memoria permanente disco duro HDD (ROM), mínimo procesador core I5 7ma generación, superior o similar.
• Dispositivo Tablet para el uso de la aplicación móvil del controlador del drone, por el cual se puede realizar inspección visual y cambio de parámetros en tiempo real. También permite control manual y/o automático del drone. Requerimientos de funcionamiento dispositivo gama alta con sistema operativo Android o iOS, mínimo 2 Gigabytes de memoria RAM, mínimo 128 Gigabytes de memoria permanente disco duro HDD (ROM), mínimo procesador Apple 10, Snapdragon 835, similar o superior y sistema de cobertura GSM-GPRS bandas abiertas.
• Dispositivo repetidor de señal WiFi para generar un área de cobertura mayor entre el dron y el dispositivo Tablet, permitiendo así poder visualizar la retransmisión (streaming) de las imágenes en tiempo real aumentando la capacidad nativa del generador de señal del propio drone, manteniendo así la estabilidad e intensidad de la señal. Preferiblemente de uso portátil (que no dependa de tomacorriente), es decir uso de batería externa, mínimo dos antenas capaces de producir velocidades de los 300Mbps en la banda de los 2.4GHz, adaptador de corriente

Finalmente, otra característica importante a mencionar de la tecnología en este proceso es el factor humano, el cual desempeña un papel vital para el control, manipulación y direccionamiento de las trayectorias y captura de imágenes por parte del drone. Dicha persona debe de poseer los siguientes requerimientos técnicos:

• Curso de instrucción aprobada por la UAEAC (Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil) el cual lo califica como piloto de drones
• Seguro de responsabilidad civil contra terceros.
• En cada recorrido o tramos de recorrido, se debe de enviar información con respecto a la misión o misiones que desean realizar a la Aerocivil.
• Tener RUT e incluir la actividad como piloto de drone y apoyarse en toda la normativa del Código CIIU.

De esta manera, se especifica todas las características y propiedades esenciales expuestas para el proceso 1 mostrado en la Fig.1.
De otra parte, a continuación, se puede visualizar un bosquejo general del proceso 1 en la Fig.2, dando un panorama real al que se puede vivir en campo de acción.

B. Vehículo aéreo drone:
Para la ejecución de este proceso, se debe de contar con un vehículo aéreo drone que posea las siguientes características técnicas:

• Precisión de desplazamiento con sistema GPS: vertical 0.5 m, horizontal: 2.5 m
• Ángulo de inclinación máximo: 35°
• Máxima velocidad en ascenso: 5 m/s
• Máxima velocidad en descenso: 4 m/s
• Máxima resistencia al viento: 10 m/s
• Máxima velocidad: 17 m/s (sin carga y sin viento).
• Tiempo de vuelo mínimo: 20 minutos sin carga, 16 minutos con carga. (Los tiempos de vuelo mayores implican una batería de más alta calidad). De otra parte, también se pueden realizar múltiples vuelos utilizando sostenedor de doble batería y/o cambiando con múltiples baterías adicionales.
• Temperatura de operación: entre -10°C hasta 40°C
• Rangos de frecuencia del controlador de libre uso.
• Controlador con batería externa de mínimo 6000mAh LiPo.
• Distancia mínima de transmisión del controlador del drone (libre de obstáculos): Norma CE: 3.5 Km – Norma FCC: 5 km
• Sostenedor de dispositivos móviles: soporte de celulares o tablets.
• Salida de video: USB, mini-HDMI o similar.
• Batería del drone: capacidad mínima 5700 mAh con suministro mínimo de 128 Wh, condiciones de trabajo de -10°C hasta 40°C.

Como parte externa del drone, se encuentran las cámaras, las cuales serán descritas a continuación:

1. Cámara del espectro visible: Que sea ajustable al diseño del drone, y posea el mismo protocolo de comunicación. Cuente con resolución para fotos mínimo de 4000 x 3000 px, lente F/2.8 20 mm (35 mm), resolución de videos soportada en UHD, FHD y HD, exportación de fotos en formatos DNG, JPEG, DNG+JPEG, exportación de videos en formatos MOV o MP4. Sensor tipo CMOS y tipo de almacenamiento Micro SD.
2. Cámara termográfica: Que sea ajustable al diseño del drone, y posea el mismo protocolo de comunicación. Cuente con resolución para fotos mínimo de 330 x250 px, rango espectral entre los 7.5 y 13 micrómetros (𝜇𝑚). Tipo de almacenamiento Micro SD.

C. Estación fija de procesamiento y clasificación de fallas en pavimentos flexibles:

En este proceso, se necesita el apoyo de una máquina de computo con requerimientos de alto nivel de procesamiento, ya que será aquí el lugar donde se embebe los algoritmos que realizarán el pre-procesamiento, segmentación y clasificación de las imágenes. Una vez realizado ello, se tendrá un resultado eficaz con la presentación de los fallos detectados sobre las imágenes presentadas, así como un breve resumen de su descripción.

Los requerimientos mínimos básicos para este equipo deben ser:

• Computador portátil o de escritorio que posea como mínimo 16 Gb de memoria RAM, 1 Terabyte de almacenamiento permanente (memoria ROM), procesador I7 multinúcleos 7ma generación, superior o similar, y mínimo 1 tarjeta aceleradora de gráficos de 2Gbytes.
• Software licenciado: Se debe de contar con un software licenciado para el uso del programa donde están embebidos los algoritmos de reconocimiento y clasificación de las imágenes. Este licenciamiento generalmente es anual y depende de la exclusividad del uso: comercial o académica.

En el ítem 2.2 se presentará el costo de la tecnología discriminada con los elementos que se poseen para el desarrollo.

2.1 OBJETIVOS CON EL USO DE LA TECNOLOGÍA:

Los objetivos están directamente relacionados con el apoyo a la innovación, desarrollo, sostenimiento y diagnóstico de pavimentos flexibles, buscando así potencializar la articulación de nuevas tecnologías con los sectores de desarrollo del país, como lo es el Instituto Nacional de Vías. De otra parte, también se pretende hacer una conexión directa entre la academia y la investigación con sectores de alto impacto de desarrollo directamente relacionados con la sostenibilidad de la infraestructura vial mediante técnicas modernas de inteligencia computacional, posicionando así el desarrollo tecnológico en Colombia. A continuación, los objetivos:

• Inspeccionar automáticamente las fallas de los pavimentos flexibles mediante el análisis de imágenes multiespectrales adquiridas mediante un vehículo aéreo no tripulado.
• Generar reportes automáticos sobre las fallas de los pavimentos flexibles.
• Reducir los tiempos y costos de la inspección visual sobre las fallas de los pavimentos flexibles.
• Aumentar la cobertura de inspección sobre las carreteras de estudio.

2.2 COSTO DEL PRODUCTO Y/O TECNOLOGÍA:

Los siguientes elementos mostrados en la Tabla 1, muestran de manera detallada cada uno de los dispositivos y/o elementos que componen la implementación física de la tecnología.

Los elementos mostrados anteriormente en la Tabla 1, son pertenecientes al grupo de investigación Percepción y Sistemas Inteligentes Categoría A1-
Colciencias, de la Universidad del Valle, sede principal, cuyo director y coinvestigador del presente trabajo e Investigador Senior Colciencias es el Ph.D Humberto Loaiza Correa.

El Ph.D Humberto Loaiza Correa avala la exploración y la puesta en marcha del proyecto con fines de investigación y crecimiento del grupo de investigación.

2.3 IMPACTO CON EL MEDIO AMBIENTE:

La tecnología no presenta ningún tipo de impacto con el medio ambiente, puesto que todos los dispositivos que lo componen y se pueden observar con detalle en la Tabla 1 son electrónicos y/o eléctricos y tienen un ciclo útil determinado, por ende, deben de seguir un protocolo de disposición final creado por el ministerio de vivienda y ejecutado por la Comisión de Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico contemplado en la cartilla “Plan de manejo de los residuos de aparatos eléctricos y electrónicos RAEE”.
En especial las baterías LiPo también tienen una subdivisión de disposición especial dentro de la cartilla para no generar impacto en el medio ambiente.
Finalmente cabe resaltar que los motores utilizados en el drone quadcopter son eléctricos, por ende, no existe emisiones de gases.

En especial las baterías LiPo también tienen una subdivisión de disposición especial dentro de la cartilla para no generar impacto en el medio ambiente.
Finalmente cabe resaltar que los motores utilizados en el drone quadcopter son eléctricos, por ende, no existe emisiones de gases.

3. En caso de uso de productos comerciales específicos, aportará prueba de la autorización o calidad de representante o de agente del fabricante del mismo y los documentos que demuestran la existencia de patentes que los cubran, si éstas existen.

La tecnología no existe comercialmente en Colombia y constituye un desarrollo de investigación propio, además, ninguno de los elementos electrónicos y/o eléctricos que hacen parte de la tecnología están sujetos a restricción de uso. La utilización de los elementos de la tecnología hace parte de una integración tecnológica como medio de soporte al desarrollo de un sistema de clasificación de fallas en pavimentos flexibles usando algoritmos de inteligencia computacional.

4. certificado de cumplimento de condiciones ambientales, así como instructivos con descripción de riesgos, efectos posibles y forma de mitigación. NO APLICA

5. Análisis de precio unitario de la tecnología donde se indiquen rendimientos, mano de obra necesaria, equipos y materiales de acuerdo a la unidad de medida propuesta.

En las siguientes imágenes se presenta el análisis de precio unitario (APU), tomando como actividad principal la INSPECCIÓN Y CAPTURA DE IMÁGENES DESDE VEHÍCULO AÉRO NO TRIPULADO SOBRE PAVIMENTO FLEXIBLE, en el cual la unidad de medida está representada por kilómetros (km), es decir lo que se presenta a continuación es un análisis detallado del precio unitario por cada kilómetro de inspección y captura de imágenes usando el drone.

Para ello se presentan las siguientes imágenes contenidas en las Fig. 2, 3 y 4.

La mano de obra mostrada en la Fig.4 consta con un factor de prestacional basado en los índices reales 2019, mostrados a continuación en la Fig.5

De las Fig. 2, 3 y 4 se puede observar que el elemento fundamental para el desarrollo de esta actividad es el drone, acompañado del factor humano piloto del drone y asesor técnico, los cuales deberán de desplazarse por los tramos a inspeccionar en una camioneta sobre el terreno deseado.
Cabe resaltar que la unidad de medida para el análisis de precio unitario (APU), es el kilómetro, ya que se tiene consideraciones de rendimiento del drone reales basadas en el tiempo y consumo de batería real de este mostrados de manera técnica en la Tabla 1.
Como se puede observar el factor de rendimiento es 25 Km de inspección por un día de trabajo (mañana y tarde, equivalente a 8 horas de trabajo), en tramos longitudinales considerando el factor de terrenos inclinados y curvas, siendo este el valor mínimo en condiciones extremas, por ende se podrá analizar que el rendimiento puede tender a ser mayor cuando los tramos son casi lineales, dando como resultado un valor de precio unitario más bajo ya que existe una relación inversamente proporcional entre el factor de rendimiento y el APU, entre mayor rendimiento allá menor será el APU y viceversa.
Realizando el análisis final de APU con los datos tomados de las Fig. 2, 3 y 4 se puede encontrar lo mostrado en la Fig 6.

6. Restricciones de tráfico, clima, tipo de suelo y otras aplicables.

La restricción principal es el clima, debido principalmente al uso del drone, puesto que no se puede utilizar bajo ninguna condición con clima en el cual se presente cualquier tipo de precipitación lluviosa y/o neblina mayor a 0.3 mm.
Vientos superiores al valor máximo de velocidad alcanzado por el drone menos el 20% de este son considerados vientos de alto impacto que pueden hacer perder el control del drone.

Temperaturas superiores a las 50°C generan degradamiento en los componentes del drone, además de empezar a sufrir fenómenos de interferencia en la señal de comunicación entre la estación de control y el mismo drone.
El terreno a inspeccionar debe contar con unas condiciones mínimas de
luminosidad, para una correcta operación en el rango de espectro visible, sin embargo, para el uso de la cámara termográfica se puede trabajar en condiciones de baja luminosidad inferiores a 100 lux. Solo el piloto del drone y la experticia determinará si tiene la capacidad y destreza para poder sobrevolarlo en condiciones de baja luminosidad, por ende, se considera un factor de riesgo volar el drone después del atardecer (condiciones de luminosidad entre 5 a 25 lux).
Finalmente, el tráfico no es factor de alto riesgo mientras se asegure la captura de la región de interés.

7. ANÁLISIS DE CONDICIONES DE OPERACIÓN (PERIODICIDAD, ACTIVIDADES Y COSTOS DE MANTENIMIENTO EN UN PERÍODO DE 1 AÑO).

Las condiciones de operación son calculadas teniendo en cuenta el costo mensual generado en el análisis de precio unitario (APU), mostrado anteriormente en la Fig.6.
Por ende, en la Fig.7 se presenta el consolidado de todos los participantes factor humano del proyecto, con sus respectivos costos de operación, incluyendo su valor de implicación mensual.

De otra parte, haciendo el análisis detallado del comportamiento de trabajo en uso continuo de la tecnología se determinó que los elementos a realizar mantenimiento con diferentes intervalos de acción son:

• Batería del drone: Se requiere un cambio de esta cada 3 meses.
• Mantenimiento del drone: Bajo el uso continuo de más de 40 horas, el
  drone requiere un mantenimiento preventivo de todas sus partes mecánicas para el pleno funcionamiento. Bajo las condiciones mencionadas el intervalo de mantenimiento debe de ser 1 cada semana.
• Mantenimiento de la camioneta: A pesar de que el uso máximo por día de la camioneta es de alrededor de 25 Km, se debe de tener en cuenta los altos consumos por paradas y arranques indiscriminados, sumados a los intempestivos cambios de clima, generando desgaste progresivo sobre el vehículo. Por ende, se establece un mantenimiento general de camioneta.

La anterior información se presenta en la siguiente Fig.8:

A continuación, se presenta el análisis básico del costo variable que en este caso es la utilización de la energía calculada como la capacidad de computo requerida por el equipo destinado para la detección y clasificación de fallos en pavimentos flexibles. Para esto se destinan 30 horas de uso a la semana. El valor de cálculo presentado hace referencia al más alto índice del kilowatio-hora (KWh). La información se presenta a continuación en la Fig.9. Básicamente la variabilidad de este factor se da por valor unitario de Kwh y las posibles horas invertidas del proceso de computo.

Finalmente, en la Fig. 10 se muestra el análisis consolidado final, es decir la suma total entre los costos fijos, variables y de mantenimiento por mes y por año de trabajo.

8. REPRESENTANTE TÉCNICO, ASISTENTE CIVIL Y DIRECTOR
INVESTIGATIVO.

El representante técnico del proyecto es el Ingeniero Electrónico Felipe Palta, cuyo director de investigación profesional es el Ph.D Humberto Loaiza Correa mencionado anteriormente, con participación activa e integración entre la industria y academia de la firma del Ingeniero Civil Carlos Alberto Palta Muñoz.

Las tres hojas de vida serán anexadas al documento.

CONCLUSIÓN.

El proyecto de investigación y de integración con el Instituto Nacional de Vías INVIAS tiene un potencial demasiado alto, contando con el elevado contenido científico de inteligencia computacional que supera las expectativas básicas de operación de los administradores viales, cuya labor sigue siendo actualmente por inspección visual. Se logra detalladamente la ampliación en el rango de cobertura sobre la inspección y detección de fallas en pavimentos flexibles. El aporte al INVIAS generará un alto impacto en el sector de Infraestructura y de la administración vial, posicionándolo como uno de los más innovadores en Latinoamérica.
Una vez más, se gestiona desde el punto de la innovación, el factor más importante de la ingeniería, el cual es lograr una articulación exacta, consistente y fuerte con la industria logrando impactar positivamente procesos de índole básico a sistemas automatizados con sustento académico pero aplicables a rendimientos reales de la industria.

CARLOS A PALTA M.
INGENIERO CIVIL.
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
CC 10.537.995 POPAYAN