*Por el Ing. Bernardino Capra, de la Dirección de Vialidad de la Provincia de Buenos Aires; el Lic. Agustín Candia, del Laboratorio de Investigación en Nuevas Tecnologías Informáticas (UNLP) y por el Tec. Baltazar Cicaré, de la Dirección de Vialidad de la Provincia de Buenos Aires – Zona VI Saladillo
El siguiente trabajo fue presentado en el XVIII Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito.
RESUMEN
El Rural IT es un software que está pensado y diseñado para poder generar diagnósticos de transitabilidad en camino rurales. La plataforma utiliza para esto la arquitectura de los actuales teléfonos celulares, a partir del uso de módulos internos integrados como el GPS, los acelerómetros inerciales y giróscopo, entre otros.
Esta herramienta le otorga a cada usuario la posibilidad de evaluar las veces que desee el estado de los caminos rurales que transita a diario, permitiéndole además alertar de forma manual sobre posibles eventos de alta prioridad como cortadas, anegamientos, alcantarillas deterioradas, etc.
Desde el punto de vista del administrador de la red de caminos, el software permite determinar de una manera objetiva el estado de transitabilidad de cada tramo de la red.
Al final del recorrido, el software brinda al usuario como resultado una puntuación con un índice y un estado del camino proporcionándole la opción de compartir a una plataforma en la nube los datos recogidos en todo el trayecto, como así también la traza georreferenciada del camino recorrido, las lecturas de todos los sensores y contadores.
En esta primera etapa, se pretende poder definir las bases de un modelo de trabajo experimental donde la innovación con nuevas tecnologías sea el eje principal para resolver de forma práctica y a bajo costo una problemática que atraviesa el sector rural y los municipios a la hora de calificar el estado de su red vial.
Introducción
Generalmente, se observa en nuestro país que la problemática en el abordaje de las tareas de conservación de los caminos rurales de tierra es planteada de distintas maneras, con un sinnúmero de políticas de intervención. Podría concluirse que existe una metodología propia por cada ente vial de mantener su red de caminos, sea este un municipio, vialidad o consorcio, cooperativa vial, etc.
Es poco frecuente, no obstante, encontrar una sistematización en la identificación de las patologías que tiene cada punto de la red, de manera tal de poder encontrar una solución técnico económica eficiente.
Analizando con un poco más de profundidad, no se observa, al menos de manera generalizada, una política asociada al inventario del patrimonio vial que debe mantenerse con recursos de la sociedad. Paradójicamente, no se conocen la cantidad y el estado de la totalidad de las alcantarillas transversales, longitudinales, accesos a propiedades, cartelería, barandas de defensa, puentes. ¿Cómo puede entonces determinarse la asignación de recursos para el mantenimiento de la red si no se tiene un mínimo conocimiento de lo que hay que conservar?
Por otra parte, tampoco se tiene una idea precisa del deterioro que sufre cada tramo de camino: ¿qué tránsito tiene tal o cual tramo? ¿cómo se comportará frente a una lluvia por encima de los regímenes habituales? ¿cuántos días tardará tal o cual tramo en poder ser transitado por camiones luego de una lluvia de cierta intensidad? Este tipo de preguntas generalmente adolecen de respuestas.
La ingeniería en vías de comunicación ha estudiado de manera sostenida durante más de un siglo el deterioro y sus causales en las redes principales. Existen modelos bastante precisos que predicen el comportamiento de los pavimentos bajo la acción de las cargas y el clima.
Estos modelos indican en general la existencia de un índice de servicio que decrece de manera geométrica con el paso del tiempo, generando una curva como la Figura 1.
El deterioro es producto de las cargas aplicadas al camino (magnitud y frecuencia), como así también el clima que actúa sobre él. Estas estructuras, de pavimentos flexibles o rígidos, están diseñadas para que resistan un elevado número de cargas. Para carreteras con mediano a alto tránsito, el factor clima es importante pero no tiene el mismo peso en la curva de deterioro que el nivel de las cargas actuantes.
Cuando se estudia, en cambio, un camino natural, se tiene que el efecto destructivo de las cargas que lo transitan conjuntamente con el factor clima, fundamentalmente el exceso o defecto hídrico, son causales de un acelerado deterioro en poco tiempo. Unas pocas cargas actuando en un camino compuesto por suelos de mala calidad (limo-arcillosos, baja resistencia al corte), en condiciones de exceso de humedad, puede ser la combinación perfecta para lograr la destrucción de la superficie de rodamiento. Por lo tanto, para estos casos la predicción mediante modelos implica un mayor grado de incertidumbre.
En consecuencia, podría decirse como una primera aproximación que el ciclo de vida de un camino natural va a ser mucho más corto que el de un camino de calidad superior, además de difícil de predecir, con lo cual, la determinación del estado de transitabilidad será una variable que cambiará en cortos períodos de tiempo.
Métodos de medición del estado de transitabilidad en caminos de tierra – Hipótesis de estudio
Método basado en la velocidad máxima de circulación
La variación en el estado de transitabilidad de un camino, podría identificarse (medirse), a partir de la velocidad con la que se puede circular en condiciones de seguridad y confort. Esto permitiría evaluar de una manera rápida y objetiva, el estado relativo de un camino versus otro en una red, midiéndolos de igual manera.
Por supuesto que un método que utilizara solamente la velocidad como parámetro de medición del camino, tiene sus limitaciones en cuanto a las distintas variables que conforman el estado del mismo desde su punto de vista técnico.
Teniendo en cuenta a su vez que estamos valorando el confort en el transitar el camino desde un punto de vista intrínseco a su estado superficial, no tendremos en cuenta condiciones referidas a su geometría planialtimétrica. No se busca hacer aquí una valoración general de un camino como estructura vial, sino obtener un método de medición que nos permita comparar cuali y cuantitativamente los distintos tramos que componen una red.
Para la determinación de un índice de transitabilidad se tratará de mantener, durante la medición, un transitar cómodo y seguro. Como la velocidad promedio para recorrer el tramo en estudio será menor si en el tramo existen impedimentos de orden geométrico (curvas cerradas, curvas y contracurvas, etc), la velocidad máxima de cada tramo será un factor a determinar.
Si el camino está en perfectas condiciones superficiales, es decir, se ha perfilado recientemente, no existen cortadas con pasos de agua o anegamientos, ni ahuellamientos o deformaciones, se podrá transitar entonces a una velocidad próxima a la máxima o cercana a ella.
Si por el contrario el camino está sumamente deteriorado, con huellones o deformaciones excesivas, la velocidad promedio será menor.
Las condiciones planialtimétricas serán cruciales en cuanto a la “resiliencia” que tenga el camino para recuperarse luego de eventos climatológicos: un camino con una rasante sin deformaciones, pero erosionada, baja, debido a malas prácticas de conservación, tardará mucho más en recuperarse luego de días de lluvias, respecto a un camino con un buen perfil transversal y suficiente cota roja. Las mediciones periódicas de la transitabilidad a lo largo del año permitirán conocer el ciclo de vida de cada tramo de red y optimizar las tareas de conservación.
Evaluación visual del estado de un camino rural
Mediante imágenes de referencia del estado superficial de una calzada, teniendo en cuenta la valoración de los tipos de deterioro, se puede asignar un índice de estado de un camino de una manera bastante objetiva. Este estudio, de aplicación sencilla, resulta valioso para poder determinar el tipo de intervención que se necesita para la conservación rutinaria plurianual en toda una red, dejando la subjetividad de intervenir de una manera “espasmódica” en vez de programática.
Mediante la identificación de unos pocos parámetros de evaluación visual, puede determinarse el estado con una puntuación de cero a diez, considerando un rango de valores que permitan sin lugar a dudas el grado de intervención que debe implementarse.
En la Figura 2, se expone un cuadro con una fotografía de referencia y las variables que podrían evaluarse:
Irregularidad longitudinal: Deformaciones que se encuentran sobre toda la superficie de la calzada, que influye en la valoración de la rugosidad y en el confort del usuario.
Deformaciones localizadas: Depresiones cóncavas, generalmente menos de 1 metro de diámetro, de crecimiento rápido debido a que sirve de depósito de acumulación de agua. Su nivel de severidad estará asociado a la cantidad por km2 y a su profundidad.
Ahuellamiento: Deformación longitudinal coincidente con la huella del camino, causado por las excesivas cargas. Se produce por una deformación permanente de las capas de suelo, debido a la propia inestabilidad de las capas subyacentes. El nivel de severidad está asociado a la cantidad de metros lineales x km.
Corrugaciones u ondulaciones: Lomadas, crestas y valles con muy poca separación a intervalos regulares, generalmente perpendiculares a la dirección del tráfico. Este tipo de deterioro es causado por el tránsito y erosión eólica, aumentándose en forma progresiva en época de seca. En cuanto a los niveles de severidad, pueden ser establecidos por la percepción del conductor para que no afecte las condiciones de manejo sin reducir la velocidad por seguridad.
Pérdida de materiales: Factores climatológicos conjugados con el propio tránsito, producen una degradación superficial por la erosión vial. Durante, por lo menos gran parte del año, la humedad del suelo en la parte superior de la superficie de rodamiento, es inferior a la óptima, y el suelo como estructura se desagrega, convirtiendo en una suspensión gaseosa sus fracciones más finas y livianas y, por otra parte, las lluvias de cierta intensidad, producen la separación del material.
La consecuencia de esta erosión, es un paulatino descenso de la rasante y la formación de una capa superficial que ha perdido las fracciones aglutinantes (limos, arcillas y coloides).
Software para el relevamiento de caminos rurales
El desarrollo del software que se expone en el presente trabajo se ha enfocado en obtener distintos datos del camino, tales como:
- Georreferenciación de la traza
- Determinación de un índice de transitabilidad
- Posibilidad por parte del usuario de marcar eventos para que queden georreferenciados: cortadas, alcantarillas, señales, etc.
Georreferenciación de la traza
Mediante la utilización del receptor GPS integrado a los teléfonos celulares, se determina el recorrido efectuado por el usuario. Existen varias redes satelitales (Sistema GLONASS, GPS, BediDou) y los móviles pueden conectarse a la mayoría. Combinando estas redes, y las diversas frecuencias a las que operan los satélites, el dispositivo móvil consigue marcar con aceptable precisión su posición en el mapa, siendo el margen de error inferior a los diez metros.
Otra tecnología que colabora al posicionamiento de dispositivos móviles es el A-GPS (Assisted GPS). Cuando se enciende el receptor GPS, el teléfono envía a un servidor externo la identificación de la antena donde está conectado; y retorna como respuesta los satélites situados encima de su posición. Una vez establecida una primera posición con el A-GPS, el móvil seguirá posicionando con los datos de satélites recibidos en tiempo real. De esta manera, la puesta en marcha de la navegación es mucho más rápida.
Determinación de un algoritmo para la determinación del Índice de Transitabilidad
Para la determinación del Índice de transitabilidad (IT) del camino utilizando el software cargado en un teléfono celular, se compuso un algoritmo que tiene en cuenta las siguientes variables: - Velocidad media de circulación del tramo
- Velocidad máxima promedio del tramo
- Aceleración instantánea, definida por los cambios bruscos en la conducción respecto a los tres ejes espaciales
Comparativamente, a su vez, en función de la inspección visual, se determinó técnicamente el estado del mismo, evaluando los siguientes parámetros: - Regularidad longitudinal
- Deformaciones transversales
- Perfil transversal
- Hidráulica del sector
Este proceso permitió ir ajustando progresivamente el programa, en función de la evaluación técnica visual de los parámetros de estado del camino.
Si bien el algoritmo no tiene en cuenta de manera directa aspectos tales como la hidráulica general del camino, el nivel de la rasante, el tipo de suelo con el que está conformada la calzada, se correlacionaron distintos tramos de caminos con estados variables, y analizados desde ambos puntos de vista (con el software y mediante relevamiento visual por parte de un técnico con experiencia). - Validación del Software con la medición de parámetros de estado
Como medida comparativa, se fue determinando un índice en función de los parámetros observados visualmente, de una manera independiente respecto del software, aplicado a distintos tramos de camino.
En los gráficos y tablas, se observa a continuación tres relevamientos donde se compara el IT determinado con el software y el correspondiente a la observación visual.
Puede observarse en todos los casos una concordancia entre las mediciones efectuadas por el software y las mediciones visuales realizadas de acuerdo al punto 2.2. - Variación en la aceleración instantánea
Además de la velocidad media, calculada para cada tramo del camino en estudio, se introduce otra variable asociada al estado de transitabilidad del mismo: la variación en la aceleración del vehículo en las tres direcciones espaciales.
Para esto, utilizando el acelerómetro del celular, se analiza la variación en los cambios bruscos en los tres ejes posibles: X (aceleración / frenado en el sentido de marcha); Y (giros bruscos a izquierda y derecha, es decir, en sentido transversal a la marcha del vehículo); Z (oscilaciones verticales). - Inventario de eventos
El software tiene habilitados botones de marca rápida que permitan al usuario georreferenciar distintos eventos, tales como: - Sector puntual con agua en calzada
- Alcantarilla transversal deteriorada
- Faltante de señales
- Otras alertas que requieran ser atendidas por el administrador del camino
- Reportes de Salida
El programa va registrando y guardando la posición geográfica del recorrido. Permite la exportación de datos en formato KML, con lo cual puede obtenerse un mapa georreferenciado de la red recorrida, informando para cada sector el índice de transitabilidad medido. - Conclusiones y futura etapa de desarrollo
El software se encuentra en una etapa de desarrollo y validación. A mediano plazo se liberará para la posibilidad de ser descargado de manera gratuita para su uso, ya sea por parte de usuarios, como así también por las distintas administradoras de redes viales.
A futuro, consideramos que es necesario avanzar sobre la consolidación de los datos generados por el software en una capa de servicios, basadas en un servidor de aplicaciones en la nube.
Se propone una arquitectura de software que abarque dos sistemas distintos:
- Una aplicación para usuarios, que permita tener los siguientes datos:
• Ver el estado del camino que se va a transitar
• Permitir ver los eventos cargados en la traza por el administrador del camino o por otros usuarios
• Permitir cargar alertas (alcantarilla deteriorada, cortada de agua, etc)
• Ver la nomenclatura del camino
2.Una aplicación para el Administrador de la red Vial, que permita:
• Cargar eventos en la traza (cortadas, elementos de inventario vial)
• Calcular el índice de transitabilidad en distintas épocas del año
• Cargar la nomenclatura de camino de la red administrada
• Actualizar la información en función de los datos informados por los usuarios
De esta manera, la aplicación ya no funcionará en un modo standalone, sino que pasará a un modelo de productor-consumidor de información, obteniendo las métricas ya generadas por otros usuarios y a la vez, retroalimentando al sistema con sus propias mediciones.
A más alto nivel, estos cambios habilitarán el camino para el uso de nuevas metodologías en auge en el campo de la Minería de Datos y el Aprendizaje automático. Mediante estas herramientas se pueden armar modelos de software complejos que nos brinden un mejor análisis descriptivo (qué y cómo se está dando el deterioro del camino) y análisis predictivos (ante qué situaciones se va a ver afectado el camino), facilitando la planificación de nuevas políticas de intervención y mantenimiento de la red.
Por último, y no menos importante, esta herramienta permitirá una democratización de la información referida al estado de los caminos, brindando beneficios no solo para las entidades encargadas del mantenimiento, sino también para los habitantes de la zona. - Bibliografía
“Caminos Rurales – Experiencias en los partidos de Junín, Gral. Madariaga y Maipú – Autores: Ing. Gastón F. Blanc – Ing. Bernardino A. Capra – Ing. Eduardo A. Williams – Comisión Permanente del Asfalto – Rosario – Noviembre de 2008.
“Conservación de caminos de tierra bonaerenses. Comunicación de experiencias realizadas”. Autores: Ing. Gastón F. Blanc – Ing. Bernardino A. Capra – Ing. Eduardo A. Williams – XV Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito – Mar Del Plata – Septiembre de 2009.
\»Monitoreo Satelital de Móviles en Forma On-Line, Adaptados a la Planificación y Mejoras de la Gestión en la Conservación de Redes Viales Terciarias y de Producción Forestal\» – Autores: Ing. Gastón F. Blanc – Ing. Bernardino A. Capra. I Congreso Argentino de Caminos Rurales – Olavarría de 2016.
“Cuarto Concurso de Trabajos Viales” – Publicación Nº28 de la Dirección de Vialidad de la Provincia de Buenos Aires – Octubre de 1962.
Algebra Lineal, por Stanley I. Grossman. McGraw Hill Higher Education
Introducción Al Análisis Matemático – Lang Serge
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-2622-6_26
https://jisajournal.springeropen.com/articles/10.1186/s13174-019-0111-1
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19942060.2018.1563829
