La Nueva Realidad

Realidad virtual, realidad aumentada, automatización de diseño y construcción robótica están a punto de revolucionar la forma en que los ingenieros de diseño, construcción y supervisión de proyectos de infraestructura trabajan.

Como la recopilación de datos es cada vez más fácil con tecnologías tales como aviones no tripulados, robots autónomos, imágenes digitales y lidar, es crucial para la forma en que los ingenieros agregan, analizan, visualizan y comunican esa información a otros. Así como las reglas, cálculos manuales y lápices fueron superados por el diseño asistido por ordenador y este tipo de diseño fue complementado por el análisis de computadora y el Building Information Modeling (BIM), la revolución de la visualización digital está lista para transformar el campo de la ingeniería de infraestructuras. Esta transformación incluye la integración de la realidad virtual y aumentada en todas las etapas de diseño, construcción y operación, así como la automatización de los procedimientos de diseño habitual. Estos cambios liberarán a los ingenieros para concentrarse en solucionar problemas y enfocarse en diseños más creativos, más flexibles y más centrados en los principios de desarrollo sostenible.

Realidad virtual y realidad aumentada, conceptos originalmente popularizados por sistemas de video juegos, crean entornos digitales inmersivos que pueden ser explorados por los espectadores. A menudo las imágenes se ven a través de anteojos especialmente diseñados o en grandes pantallas en salas a la medida. La realidad virtual ofrece a los espectadores una imagen realista y a menudo tridimensional de elementos que se han diseñado pero no construido; la realidad aumentada combina esas imágenes virtuales con imágenes del mundo real, mostrando los elementos que existen superpuestos con imágenes de elementos que vienen.

Utilizar visualizaciones virtuales y aumentadas en proyectos de ingeniería civil "es un cambio de paradigma total," dice Carl Haas, pH.d., F.ASCE, profesor y titular de la Cátedra de investigación en la construcción y gestión de infraestructuras sostenibles en el la Universidad de Waterloo, en Canadá. La visualización del proyecto con realidad virtual y aumentada antes del inicio de la construcción hace la comunicación con el público, los propietarios y los equipos de gestión de la construcción y activos mucho más fácil. «Antes, tenías dibujos 2-D, y se adquirió la habilidad y experiencia para interpretar y visualizar una combinación de planos en planta y alzado de lo que se estaba tratando de construir. "Fue muy difícil, señala. Pero con estas nuevas técnicas de visualización, ya no es una cuesta arriba ayudar a quienes no son ingenieros para comprender exactamente lo que un diseño exige.

Burcu Akinci, pH.d., M.ASCE, profesor de Ingeniería Civil y ambiental y el Decano Asociado de investigación en la Facultad de ingeniería del Carnegie Mellon University, está de acuerdo, teniendo en cuenta que una buena visualización hace posible, para el equipo de diseño, conceptualizar y gestionar efectivamente proyectos grandes y complejos. "Necesitas saber dónde estás y qué está pasando para que puedan tomar las decisiones más eficaces", señala. "Es un paso crucial para los ingenieros tener buena visualización de lo que va a ser construido. Tienen que ver no sólo la intención del diseño y el proceso de construcción, sino también las condiciones existentes."

Mientras que los académicos se centran en la investigación que promete empujar los límites de lo posible en el campo de la visualización, el efecto de la revolución digital en la práctica de empresas de ingeniería ya es tangible.

"La tecnología de visualización inmersiva se puede utilizar en cualquier campo de la ingeniería y es particularmente eficaz en el diseño de infraestructuras ya que los modelos son tan grandes y complejos," dijo David J. Odeh, P.E., S.E., F.SEI, F.ASCE, director de Odeh ingenieros, Inc., de North Providence, Rhode Island y un ex Presidente del Instituto de ingeniería estructural de ASCE. Odeh ve en la realidad virtual y aumentada una oportunidad para tomar el BIM 3D modelado que ingenieros estructurales ya están utilizando para el diseño y aplicarlo a otras partes del proceso de diseño y construcción. "La tendencia hacia el uso de realidad virtual y aumentada obligará a las empresas de ingeniería civiles y estructurales introducir el modelado 3D en su flujo de trabajo en las primeras etapas de diseño. Las empresas que son expertas en modelados 3D para realidad virtual y aumentada pueden tener la oportunidad de realizar nuevos servicios para clientes y expandir su papel en el proceso de diseño y construcción".

LA BUENA VISUALIZACIÓN PERMITE A LOS EQUIPOS DE DISEÑO CONCEPTUALIZAR Y GESTIONAR PROYECTOS GRANDES Y COMPLEJOS CON EFICACIA.

Odeh Ingenieros ha construido lo que llama una sala BIM inmersiva en su sede. Debido al tamaño de la pantalla, que es 32 pies de ancho y 10 pies de alto, la sala crea un ambiente similar a la realidad virtual, y aquí un equipo puede ver modelos digitales de un proyecto. La habitación es de 32 pies de ancho y 30 pies de largo y tiene una mesa de conferencias larga frente a la pantalla, esencialmente creando un entorno de realidad virtual multiusuario para la visualización de diseños sin necesidad de auriculares individuales. "La sala de reuniones permite al equipo visualizar el trabajo de múltiples disciplinas y aprovechar la experiencia de cada participante para generar conceptos de diseño de cuadro grande, coordinar el diseño integrado y resolver enfrentamientos entre sistemas antes que la construcción se lleve a cabo," explicó Odeh. "Al exponer el diseño de una manera accesible, menos queda a la imaginación y los equipos pueden comunicar sus ideas mejor," señaló. "Lo clientes pueden ver el proyecto, por lo que realmente pueda captar el producto terminado antes de que se construya, cuando todavía tienen la oportunidad de hacer cambios para mejorar el diseño."

David Wilson, p.e., Gerente Ejecutivo de innovación de Bechtel Corporation, con sede en San Francisco y vicepresidente en la oficina pricnipal de Houston de la compañía, escribió que el efecto de la realidad virtual y aumentada que tendrá en el flujo de trabajo del proyecto y comunicación será significativo. "Bechtel tiene un historial de trabajo con tecnologías de realidad virtual y aumentada, de la mesa de dibujo a la pantalla de escritorio, dispositivos móviles, tablets y ahora tecnología auricular," explicó. "La realidad virtual y aumentada afectará cómo entregamos proyectos a lo largo de su ciclo de vida mediante la optimización de la entrega de información y toma de decisiones".

Wilson también señaló que uno de los principales beneficios de estas tecnologías es que permiten al equipo ver potenciales enfrentamientos y problemas con anticipación para que las decisiones de diseño inteligentes se puedan hacer temprano, evitando costosas demoras y la necesidad de volver a trabajar más tarde. Durante la construcción, dijo, los beneficios se amplían para ofrecer modelos en tiempo real y comentarios programados que ofrecen registros completos para el seguimiento del progreso de un proyecto in situ.

Tom Loader, la cabeza de la transformación digital en la oficina de Londres de la firma Internacional Balfour Beatty, prevé un futuro en el que tales procesos de visualización serán capaces de ayudar a resolver los principales problemas que enfrenta la industria de la construcción. "Es un hecho conocido que la industria de infraestructura enfrenta muchos retos, como la escasez de recursos, urbanización, crecimiento demográfico, deterioro ecológico y el cambio climático. Como la tecnología digital se convierte en una parte más de nuestra jornada laboral y nuestras prácticas estándar de trabajo, nos convertimos en más conscientes de las cosas que podemos hacer como industria para adelantarse a la curva. Debemos buscar un futuro donde la tecnología pueda aumentar la eficiencia, resolver los problemas de escasez de habilidades que enfrentan muchos países y tomar el peligro fuera del edificio, haciendo realidad el cero daño y una obra libre de humanos a nuestro alcance".

La construcción sin los seres humanos puede sonar exagerado e incluso un poco inquietante. Pero los líderes de Balfour Beatty imaginan que por el años 2050 las obras de infraestructura estarán casi totalmente desprovistas de seres humanos y habrán robots trabajando en equipo para construir estructuras complejas mediante nuevos materiales dinámicos, según un reciente informe elaborado por la firma. Los jefes de obra y profesionales del diseño trabajarán simultáneamente con varios proyectos de forma remota utilizando visualizaciones 3 y 4D, según este informe. Drones volarán sobre sitios continuamente para recopilar datos sobre los progresos y resolver problemas por medio de la actualización automática de instrucciones para grúas y robots constructores. Los pocos humanos que estarán in situ serán robots mejorados y utilizarán tecnología controlada neurológicamente para mover máquinas y robots, explica el informe.

Aparte de los avances tecnológicos necesarios para realizar el futuro imaginado en el año 2050 de la innovación, la empresa convoca a clientes de infraestructura, empresas y organismos reguladores a abrazar estos cambios y apoyar la innovación y la transformación digital dentro de la industria; para proteger la infraestructura de riesgos cibernéticos; asegurar un aumento de volúmenes de datos digitales y gestionar la protección de la privacidad de las personas a la infraestructura del "futuro" para que se pueda integrar con múltiples generaciones de la tecnología digital en su vida; y para asegurarse de que la energía suministrada y marcos regulatorios necesitados para nuevos desarrollos de infraestructuras estén en su lugar.

Mientras que la visión de Balfour Beatty puede parecer ciencia ficción, los investigadores ya están desarrollando las clases de tecnologías que podrían hacer de ese futuro una realidad. Ioannis Brilakis, pH.d., M.ASCE, profesor de ingeniería de la construcción de la Universidad de Cambridge, en Reino Unido, supervisa un grupo de desarrollo de tecnología de información para la construcción. El grupo se centra en generar modelos virtuales ricos en información de las estructuras existentes y explotar esos modelos a través de realidad virtual y aumentada y está explorando cómo diferentes métodos de automatización de construcción podrían mejorar la productividad in situ, calidad, seguridad y sostenibilidad. El trabajo incluye la investigación en robótica, realidad virtual y aumentada y tecnología háptica, y los investigadores aún utilizan la actividad eléctrica del cerebro para interactuar con reproducciones digitales de infraestructuras.

El trabajo que está haciendo el grupo de Brilakis podría cambiar fundamentalmente la manera en que se realiza la construcción, y mientras algunos pueden argumentar que el concepto de construcción robótica pone en riesgo las perspectivas de empleo de trabajadores de la construcción, Brilakis dice que su grupo "intenta mover a los trabajadores fuera del sitio hacia la oficina". Esto incluye el trabajar en un trabajador de construcción robótico que se vincularía inalámbricamente a un trabajador humano remoto que sería equipado con sensores de captura de movimiento, un casco de realidad virtual y guantes de retroalimentación háptica. El ser humano controla el robot trabajando en un proyecto; como él o ella se mueva, así también lo haría el robot. El primer prototipo fue terminado el año pasado, el segundo se está desarrollando este año y prevé un despliegue comercial dirigido en cinco a siete años, según Brilakis.

Otras áreas de investigación incluyen la integración de modelos BIM dependientes del tiempo con imágenes reales de los proyectos en curso para que los inspectores inmediatamente puedan ver cualquier retraso o problema en la construcción. El equipo está trabajando también para cascos con sensores de electroencefalograma (EEG) que permitirían a un inspector marcar y verificar los elementos enlistados y "Hacer click" en objetos que se muestran en el sistema de realidad aumentada usando sólo su mente, una opción útil si el inspector se encuentra en una escalera con ambas manos completamente ocupadas. Si bien esta tecnología podría parecer inverosímil, Brilakis anticipa que será el mercado dentro de tres años.

UNO DE LOS OBSTÁCULOS MÁS GRANDES QUE LA INDUSTRIA DEBE SUPERAR ANTES DE LA VISUALIZACIÓN DIGITAL Y LA CAPACIDAD DE COMUNICAR ES LA AVERSIÓN AL RIESGO.

El Ing. David Mascarenas, pH.d., investigación y desarrollo en el Instituto de ingeniería, un programa de colaboración en el centro de Educación de seguridad de Nacional de Los Alamos National Laboratory, también está trabajando en el desarrollo de sistemas de realidad virtual y aumentada que podría ayudar en la supervisión e inspección de infraestructura. "La mayoría del tiempo cuando veo gente usando realidad aumentada, sólo están centrados en la visualización, pero me interesa mucho más que lo utilicen como una herramienta en tiempo real para aumentar el humano," dice Mascarenas. "Es realmente acerca de la combinación de la inteligencia humana con la inteligencia de la máquina de manera muy transparente, intuitiva que se puede utilizar sobre la marcha durante tareas activas".

Por ejemplo, trabajadores de la construcción con gafas de realidad aumentada automáticamente podrían evaluar el espesor de una capa de asfalto, explica. El sistema también podría ser programado para supervisar a trabajadores de la construcción para, por ejemplo, asegurarse de que está usando el tipo y la cantidad de barras de refuerzo para el concreto especificado por el ingeniero o verificar que el concreto se coloca con el espesor correcto.

Uno de los mayores obstáculos que la industria debe superar antes de la visualización digital y la capacidad de comunicar es la aversión al riesgo, según el informe de Innovación 2050 de Balfour Beatty. Wilson de Bechtel está de acuerdo. "El miedo al fracaso, la razón en la construcción, limita nuestra experimentación y pruebas de la tecnología," dijo. Esto resulta en una adopción lenta y una modificación incluso más lenta de la tecnología a los estándares de la industria, esta renuencia a su vez retarda el proceso de desarrollo y adaptación de estas tecnologías que la arquitectura, ingeniería y construcción necesitan, señaló. El resultado es otra excusa para demoras en la adopción. Según Wilson, es un "círculo vicioso de escepticismo."

Esta es una de las razones por la que Bechtel estableció un programa de inversión de $ 60 millones en 2016, que llama el fondo del futuro. "Bechtel estableció el fondo del futuro para estimular nuestra cultura interna de innovación", explicó Wilson. El fondo tiene "específicamente la tarea de buscar nuevas ideas disruptivas de nuestros colegas, proveedores y clientes," dijo, y sus recursos se distribuyen para la "exploración, prototipos y pilotaje de ideas con el potencial de mejorar dramáticamente nuestra calidad, seguridad, eficacia y eficiencia."Más de 2,000 ideas han sido presentadas por empleados de la empresa, y la mitad del fondo se ha asignado a más de 360 ideas que ya están en la etapa de prototipo. Estas ideas incluyen dispositivos portátiles destinados a mejorar la eficiencia del empleado; drones para la recolección de datos precisos y de bajo costo; uso de realidad virtual para los que trabajan en ambientes de alto riesgo; y diseño de datos modelados, dijo Wilson. Otras ideas, señaló, incluyen andamios inflables, carritos "inteligentes" y sistemas de amarre automatizado.

La visualización digital después de la fase de construcción para el seguimiento a largo plazo tiene el potencial de alterar fundamentalmente cómo la infraestructura está diseñada en primer lugar. David A. Lattanzi, Ph.D., P.E., M.ASCE, uprofesor adjunto en el Departamento de ingeniería civil en la Universidad de George Mason, ve la visualización digital como una manera de mantener un registro exhaustivo de cómo la infraestructura decae o persiste en el tiempo, proporcionando a los ingenieros una gran cantidad de datos que pueden ser minados para determinar los costos del ciclo de vida de la infraestructura y mejorar los materiales y métodos de construcción. Tales visualizaciones podrían tomar la forma de lidar o imágenes de cámara digital de infraestructura obtenida con la ayuda de drones, robots, vehículos estándar o trípodes.

Mascarenas de los Alamos National Laboratory también está trabajando en el monitoreo de salud estructural. Él imagina un mundo en el cual la infraestructura está diseñada y fabricada para vivir cientos de años, en contraste con el estándar de 50 o 75. "Si tienes una pieza de infraestructura que está durando 200 años o más, incluso las lenguas cambian en 200 años, lo que debes tener son medidas de alta resolución inequívocas de lo que la estructura realmente parecía y cómo ha cambiado," dice Mascarenas. "Una vez que tengas todos estos datos, puedes comenzar combinándolos con clasificadores estadísticos y modelados, por ejemplo, para encontrar otra información útil acerca de cómo la estructura está dañada, y que podría introducirse en modelos de elementos finitos. Hay un montón de cosas que podría permitir este tipo de tecnología que no es factible en el pasado".

Sin embargo, el problema principal con la colección de datos digitales para el monitoreo de salud estructural es encontrarle sentido a la gran cantidad de datos e imágenes que se recogen. "Estamos en un momento en el que las cosas están cambiando, y la visualización es sólo una pequeña parte de esto," dice Lucio Soibelman, pH.d., F.ASCE, profesor y Presidente del Departamento de ingeniería civil en la Universidad de California del sur. "Tienes un montón de capacidad de adquisición de datos que no había antes, con escáneres láser baratos, drones voladores y maneras muy diferentes de adquirir los datos. Pero el problema principal no está en adquirir los datos; sino en el análisis. ¿Qué hacemos con estos datos?"

En la vigilancia de la salud de una estructura o una faceta de la infraestructura, determinar qué datos deben ser analizados por los seres humanos y cuáles pueden ser analizados por programas de computadora es de suma importancia, según Soibelman. "Por ejemplo, RedZone robótica de Pittsburgh ha desarrollado un pequeño robot autónomo que revisa tuberías de alcantarilla y vuelve con 10 horas de datos valiosos en un día", señala. "Para una ciudad del tamaño de Los Angeles podría tener 20 de los robots para generar 200 horas de imágenes diarias." Pero sería demasiado costoso tener suficientes expertos entrenados correctamente para clasificar los defectos del tubo de alcantarillado para revisar cada pulgada de la tubería en las 200 horas. "Ahora se están ahogando en datos... y es donde tenemos un cuello de botella hoy," según Soibelman. Un grupo de investigación liderado por Soibelman y James Garrett, pH.d., P.E., F.ASCE, profesor de ingeniería civil y ambiental del Carnegie Mellon y el decano de su facultad de ingeniería, está desarrollado algoritmos capaces de reconocer las partes sanas de los tubos capturado en las imágenes, que resulta, representa el 80 por ciento del metraje. De esta manera los expertos humanos pueden centrar su tiempo en el 20 por ciento que realmente necesita ser tratado. Pero el desarrollo de estos algoritmos es sólo el primer paso, dice Soibelman. "El siguiente paso es desarrollar los algoritmos para hacer la clasificación de ellos mismos", dice.

SIN EMBARGO, EL PROBLEMA PRINCIPAL CON LA COLECCIÓN DE DATOS DIGITAL PARA MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL ES ENCONTRARLE SENTIDO A LA GRAN CANTIDAD DE DATOS E IMÁGENES QUE SE RECOGEN.

Con la automatización de tareas rutinarias, ingenieros e inspectores serán capaces de enfocar su atención en la solución de problemas cada vez más complejos. "Somos realmente buenos en diseño — y eso no quiere decir que no podamos ser mejores, pero hay mucho esfuerzo sobre cómo podemos hacer más con menos y cómo creamos edificios que duren más y servir a nuestros propósitos por más tiempo," Lattanzi, dice. "Y ese es el objetivo de todo esto. ¿Cómo tomar todos estos datos y usarlos? ¿Cómo los aprovechamos para tomar mejores decisiones? ¿Cómo los aprovechamos para comprender mejor y comunicarse con la infraestructura que hemos construido?" se pregunta. "Es el propósito de pensar sobre la interacción de humanos y de equipos para ingeniería civil. Se trata de hacer un mejor uso de todas las corrientes de datos y la información que recopilamos para tomar mejores decisiones sobre la gestión de nuestros sistemas, ciclo de vida y mantenimiento."

"SI QUEREMOS ATRAER A UNA NUEVA GENERACIÓN DE INGENIEROS A NUESTRO CAMPO, TENEMOS QUE ADOPTAR NUEVAS TECNOLOGÍAS PORQUE VEN EL VALOR DE LA MISMA".

Para ello, este está trabajando para crear un método que permita a un modelo BIM superponerse con imágenes lidar de la misma estructura a lo largo de su ciclo de vida. Grupo de Brilakis en la Universidad de Cambridge también está trabajando para desarrollar una forma de superposición de imágenes de alta resolución de puentes en un modelo de puentes para automáticamente detectar y medir daños visibles. El grupo también quiere el modelo de puentes para automáticamente enriquecerse con datos sobre su condición actual por lo que podrían evaluarse los daños del envejecimiento, y el impacto de las condiciones climáticas extremas. Comparando imágenes altamente detalladas del pasado y presente de la misma estructura, los inspectores del puente sería capaces de rastrear en detalle cómo las estructuras cambian con la edad y el tiempo.

"El estándar de oro es, si usted me pregunta, es que la infraestructura física que construimos y una copia completamente digital de la misma sea un modelo de vida de la estructura, que evoluciona con el tiempo y nos permita visualizar la historia y evolución de nuestros sistemas de infraestructura," dice Lattanzi. "Ser capaces de capturar e interactuar con esa representación digital en una variedad de formas se vuelve potente porque estamos mirando ese modelo, estamos entendiendo cómo cambia y cómo está evolucionando y nos ayuda a hacer predicciones."

Para hacer posible este futuro, la licenciatura y formación de postgrado e investigación en ingeniería civil tendrá que ampliarse para abarcar la tecnología visual y digital. Y una vez que lo hagan, las capacidades digitales del software van a estar en sintonía más finamente a las necesidades de la industria.

"El problema que tienes hoy en día es que un montón de sistemas de realidad virtual y aumentada han sido desarrollados por científicos de la computación, pero no entienden el comportamiento de la infraestructura. No son ingenieros y no entienden exactamente cómo interpretar las cosas o lo que hacemos con los datos, "explica Soibelman. "Al mismo tiempo, los ingenieros comprenden acerca de la estructura, pero no están en el nivel para poder desarrollar las herramientas que necesitamos."

La solución, dice, sería proporcionada por ingenieros formados en Ciencias de la computación, gestión de datos y programación para que pudieran hablar el idioma de informáticos y entender bien ese campo mientras trabajan en proyectos cada vez más complejos.

Haas de la Universidad de Waterloo está de acuerdo. "Creo que vamos a tener que empezar a enseñar geometría computacional, modelado, visión artificial, realidad aumentada ya que utiliza las mismas herramientas en diferentes combinaciones. Los jóvenes están aprendiendo acerca de ellos en la escuela secundaria de todos modos, y sólo tenemos que aprender a usarlas correctamente, porque son realmente útiles para los ingenieros civiles".

Akinci del Carnegie Mellon también considera esta tecnología como una manera de atraer los mejores estudiantes de hoy día a la profesión de la ingeniería civil. "Si nosotros queremos atraer a una nueva generación de ingenieros a nuestro campo, tenemos que adoptar nuevas tecnologías porque ven el valor de la misma", dice. "No creo que alguno de los nuevos ingenieros quiere pasar horas buscando información en un cajón, cuando en otras áreas de su vida puede saber, con el clic de un botón, lo que está sucediendo con sus amigos al otro lado del mundo.

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