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Introducción
En Costa Rica, la condición de las rutas vehiculares representa una fuerte debilidad en términos de competitividad y desarrollo económico (1). Los puentes son quizás el componente más importante de la infraestructura vial, debido a que se convierten en el principal cuello de botella en cuanto a capacidad de carga y funcionalidad de tráfico, y en caso de colapso, la ruta completa queda fuera de operación. Además, típicamente representan el componente más caro por metro lineal en la construcción de carreteras.
A pesar de su clara importancia, actualmente no se cuenta con un inventario nacional que permita determinar la cantidad exacta de puentes existentes y su condición específica. La mayoría de estas estructuras fueron construidas hace más de 30 años y la inversión en mantenimiento y actualización ha sido mínima. Esto ha conducido a que muchos puentes presenten daños o deficiencias detectables visualmente en diferentes elementos de la estructura tales como seguridad vial, losas, juntas de expansión y drenajes. Según evaluaciones realizadas por el Programa de Evaluación de Puentes del TEC, gran cantidad de estos problemas son producto de la falta de un plan de monitoreo y mantenimiento continuo de las estructuras, de tal manera que las intervenciones requeridas se realicen a tiempo.
En este contexto, el proyecto de investigación e-Bridge 3.0 planteado en el Instituto Tecnológico de Costa Rica, busca diseñar un prototipo de un sistema de monitoreo de estructuras de puentes que permita integrar información de las estructuras existentes y su caracterización para una mejor toma de decisiones (2), (3). Los datos generados por dicho sistema servirían de referencia para la generación de planes adecuados de mantenimiento con base en la condición real de los puentes nacionales. De esta forma, el sistema propuesto contribuiría a mejorar la competitividad del país en el área crítica de infraestructura vial.
Como un primer paso hacia este objetivo, este artículo presenta los resultados obtenidos del análisis de requerimientos llevado a cabo con el fin de identificar los procesos, los actores y la información más importantes que debe considerar un sistema de monitoreo de puentes como el descrito anteriormente. El análisis incluyó una revisión de trabajos relacionados, una evaluación comparativa de sistemas similares desarrollados internacionalmente, y una identificación de los principales procesos que debe incorporar el diseño del sistema propuesto. Para validar los resultados del análisis, se organizó un taller con usuarios potenciales del sistema que retroalimentaron el trabajo con su criterio experto. Estas tareas se describen en las siguientes secciones de este artículo.
Trabajos relacionados
En esta sección se provee una revisión del estado del arte de trabajos relacionados con la caracterización de sistemas de monitoreo de puentes.
El reporte (4), se hace una descripción de sistemas de monitoreo de la salud de puentes, abarcando aspectos generales como características, ventajas y desventajas de estos sistemas. Por otro lado, en (5) se detalla el diseño de un sistema de gestión de puentes con base en un estudio de diferentes sistemas de monitoreo de puentes a nivel mundial. El enfoque del trabajo consiste en seleccionar los criterios de priorización de la inversión y ordenarlos jerárquicamente según las necesidades de mantenimiento de las diferentes estructuras.
El estudio descrito en (6), revisa diferentes sistemas actuales de gestión de puentes utilizados en diferentes partes del mundo para comprender las prácticas aplicadas para determinar las condiciones de puentes y ayudar en el proceso de toma de decisiones acerca de su gestión. Este estudio también abarca aspectos como el desarrollo de modelos para predecir la condición de puente con el tiempo, el análisis de los distintos costos de usuario y el uso de diferentes técnicas de optimización para asignar mejor las finanzas y optimizar el rendimiento del puente.
En (7), se presenta una revisión de enfoques de integración de información en áreas relacionadas con monitoreo de salud estructural con énfasis en estructuras de puentes incluyendo sistemas de monitoreo existentes.
En cuanto a sistemas nacionales, en el boletín informático (8), se realiza una comparación general entre el Sistema de Administración de Estructuras de Puentes (SAEP) utilizado por el Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT) de Costa Rica y el sistema Pontis, utilizado en Estados Unidos. Además, la iniciativa e-Bridge del TEC, orientada al desarrollo de diferentes soluciones para la gestión de puentes, ha sido descrita en detalle en (9), (2), (10), (11).
Análisis de sistemas existentes
En esta sección se presenta un análisis comparativo de la los procesos o funcionalidades principales que ofrecen diferentes sistemas de monitoreo de puentes a nivel mundial. Para realizar el análisis se siguieron los siguientes pasos: definición de un conjunto de criterios de evaluación; selección de los sistemas a comparar; y evaluación de los criterios en los sistemas. Este análisis fue realizado en base en la investigación descrita en la sección anterior, así como en el criterio experto del equipo de trabajo de e-Bridge 3.0.
Definición de criterios
El cuadro 1 muestra los criterios de evaluación seleccionados; estos criterios corresponden con funciones que tienen o deben tener los sistemas de monitoreo de puentes. Para facilitar su comprensión fueron clasificados por áreas.
Selección de sistemas
A partir de la revisión bibliográfica realizada se identificaron algunos sistemas de monitoreo de puentes, que podrían contener entre sus funciones algunos de los criterios de evaluación previamente definidos. Los sistemas identificados en la revisión bibliográfica son:
SIPUMEX : es un sistema integral para la administración de puentes de la red federal de carreteras en México (12).
LTBP (Long-Term Bridge Performance): es un programa que ha recopilado información sobre los puentes de carreteras nacionales desde hace 20 años, autorizado por el Congreso de Estados Unidos, para comprender mejor el rendimiento del puente. Contiene un conjunto de herramientas basadas en datos, incluyendo modelos predictivos para optimizar la gestión de los puentes (13).
BRIMOS: es un sistema que consta de varios sensores, redes de transmisión de datos de alta velocidad y un centro de información que recopila y difunde información de alto nivel sobre el comportamiento del puente (14).
SMH Live (Structural Health Monitoring Live): es una solución integrada para el monitoreo de salud estructural incluyendo el diseño óptimo de un sistema de monitoreo de salud estructural (15).
Pontis: Es un sistema de gestión de puentes utilizado por Departamentos de Transporte de los Estados Unidos y por múltiples agencias de transporte de países alrededor del mundo como Hungría, Italia y varias agencias australianas, para apoyar su labor de gestión de puentes (8).
SAEP (Sistema de Administración de Estructuras de Puentes): es un sistema que se utiliza en Costa Rica por el MOPT para realizar la gestión de puentes nacionales (8)
E-Bridge 2.0: es un sistema integrador de información estratégica que es generada por los otros componentes (sistema de información técnica, sistema de información geográfica, sistemas de sensores, modelos de fiabilidad) (9).
Prototipo Chile (Nicolás Felipe Molina Schulz): consiste en un diseño básico de un Sistema de Gestión de Puentes, determinando los módulos necesarios para obtener un sistema útil y aplicable, que permita la priorización de la inversión, por medio de un método transparente (5).
Cuadro 1 Criterios de Evaluación.
| Área | Criterio | Descripción |
| Administración de información técnica | Gestión de información básica y aspectos técnicos de puentes. | |
| Modelo estructural | Modelo de fiabilidad | Modelo probabilístico para estimar el comportamiento estruc- tural de puentes. |
| Inspección | Almacena la información de inspecciones realizadas. | |
| Inteligencia de negocios | Análisis de datos e información con base en técnicas de inteli- gencia de negocios. | |
| Red de comunicación | Canal de comunicación utilizado para transferir datos entre el registrador de datos y el encargado de realizar el análisis. | |
| Gestión de información | Integración de información | Proporcionar un único punto de entrada a los usuarios para consultar la información estratégica de diferentes componen- tes. |
| Aplicación para dispositivos móviles | Programa se accede directamente desde el celular o cualquier dispositivo móvil. | |
| Riesgo ambiental | Análisis ambiental, para prevención o en caso de que un daño ambiental afecte la estructura del puente. | |
| Información geográfica | Sistema de información geográfico | Proporcionar acceso a la información geoespacial necesaria para evaluar adecuadamente aspectos ambientales. |
| Priorización | Priorizar las actividades de mantenimiento en base a la condi- ción de las estructuras. | |
| Proyección | Proyectar a varios años escenarios de reparación o remplazo. | |
| Predicción | Predecir fallas y vida útil de los puentes. | |
| Administración de mantenimiento | Gestión de presupuesto | Incorporar restricciones de presupuesto para priorizar las acti- vidades de mantenimiento con base en fondos disponibles. |
| Gestión de costos | Modelo que permite cuantificar los costos de inspección, man- tenimiento, reparación fallas, entre otros. | |
| Generación de reportes | Genera un reporte en documento PDF, EXCELL, XML o lo visualiza en el sistema. | |
| Monitoreo | Monitoreo automático de estructuras | Tipos de monitoreo realizado. Permanente, o periódico. |
Comparación de sistemas
A partir de los sistemas de monitoreo de puentes seleccionados y los criterios identificados en las subsecciones anteriores, se generó una tabla comparativa para facilitar el análisis de las funciones ofrecidas por los sistemas estudiados. El cuadro 2 resume el resultado obtenido. En cada celda de la tabla se indica si el sistema cumple o no con la funcionalidad respectiva o bien si no se encontró suficiente información para determinarlo.
Cuadro 2 Evaluación de los Sistemas de Monitoreo de Puentes.
| SIPUMEX | LTBP | BRIMOS | SMH Live | Pontis | SAEP | E-Bridge 2.0 | Prototipo Chile | |
| Administración de información técnica | Si. | Si. | Si. | - | Si. | Si. | Si. | Si. |
| Modelo de fiabilidad | Si. | - | - | - | - | - | Si. | - |
| Inspección | - | Si. | Si. | - | Si. | Si. | Si. | Si. |
| Inteligencia de negocios | - | - | - | - | - | - | Si. | - |
| Red de comunicación | Si. | No. | - | Si. | - | No. | Si. | No. |
| Integración de información | - | Si. | Si. | Si. | Si. | Si. | Si. | - |
| Aplicación para dispositivos móviles | No. | No. | No. | No. | No. | No. | Si. | No. |
| Riesgo ambiental | Si. | - | Si. | - | - | - | No. | - |
| Sistema de información geográfico | - | - | Si. | No. | - | Si. | Si. | Si. |
| Priorización | Si. | - | Si. | - | Si. | Si. | No. | No. |
| Proyección | - | - | - | - | Si. | - | No. | No. |
| Predicción | Si. | - | Si. | Si. | Si. | No. | No. | No. |
| Gestión de presupuesto | - | - | - | - | - | No. | No. | No. |
| Gestión de costos | Si. | Si. | - | - | Si. | Si. | No. | Si. |
| Generación de reportes | Si. | - | Si. | Si. | Si. | Si. | Si. | - |
| Monitoreo automático | Si. | No. | Si | Si | - | - | Si. | No. |
Identificación de actores, información y procesos principales
A partir de la comparación desarrollada en la sección anterior, se realizó una evaluación para seleccionar los procesos prioritarios que se deben desarrollar en un sistema de monitoreo de puentes. Con base en los procesos seleccionados se identificaron los actores interesados y su motivación. El cuadro 3 muestra los procesos y actores seleccionados.
Casos de uso
Los procesos y actores identificados en la sección anterior, fueron documentados en detalle mediante la casos de uso para especificar los requerimientos de sistemas computacionales (ver p.ej. (16)). En la figura 1, se presenta un diagrama que resume los casos de uso desarrollados. Cabe mencionar que los actores más importantes tienen interés en casi todos los procesos del sistema de monitoreo de puentes, sin embargo, existen actores como profesores y estudiantes que solo tienen interés en ciertas funciones específicas tales como información básica del puente.
Cada uno de estos casos fue consecuentemente detallado en términos de funcionalidad e interacción con los actores específico.
Validación
Para validar los procesos y requerimientos identificados, se siguió una metodología de consulta participativa involucrando usuarios y expertos tanto internos como externos al proyecto. En particular, se organizó un taller de validación con personas que respondieron una consulta realizada a partir de un cuestionario en el que se les solicitaba indicar su opinión con respecto al nivel de importancia (escala 1-5, donde 5 es el nivel más alto) de los procesos considerados. La figura 2 resume el promedio de las respuestas indicadas por los participantes consultados por cada proceso principal.
En total, el instrumento se aplicó a más de 10 personas incluyendo ingenieros en construcción con amplia experiencia en inspección de puentes, encargados de puentes en municipalidades, y un exministro del MOPT, entre otras.
El análisis de las respuestas sugiere que en general la evaluación de la importancia de los procesos y funciones identificados es alta. Particularmente, se destaca la importancia de los procesos de: modelo de fiabilidad, priorización, inteligencia de negocios y administración de información técnica.
Conclusiones y trabajo futuro
Como primer paso hacia el diseño de un sistema de monitoreo de salud de puentes en el proyecto e-Bridge 3.0, se realizó un análisis de requerimientos funcionales con base en una revisión bibliográfica y una comparación detallada de sistemas seleccionados. A partir del estudio realizado, se puede concluir que los proyectos de BRIMOS y SHMLive están entre los sistemas existentes más completos para monitoreo de puentes. La revisión también permitió identificar procesos diferenciadores o poco comunes en sistemas existentes tales como de inteligencia de negocios y aplicaciones móviles.
La especificación general de casos de uso representa una herramienta útil para comprender los requerimientos, los procesos y los actores que debe considerar un sistema nacional de monitoreo de puentes.
El taller de consulta permitió validar los procesos y requerimientos identificados entre un grupo de expertos en el tema. La metodología del taller guiado por un cuestionario con preguntas abiertas y cerradas permitió obtener información valiosa y realista con respecto a las verdaderas expectativas o requerimientos de usuarios potenciales del sistema.
Los procesos y requerimientos identificados en este trabajo van a ser analizados y priorizados para el diseño del prototipo de sistema de monitoreo considerado en el proyecto e-Bridge 3.
