Los paradigmas de industria 4.0 y 5.0 constituyen los nuevos estándares a los que las industrias y las organizaciones deben adaptarse para permanecer competitivos en el mediano y largo plazo. El ajuste a estos requiere un proceso de adaptación organizacional, cultural y tecnológica: la transformación digital. Sin embargo, se ha evidenciado una brecha en los conocimientos, habilidades y competencias necesarias para llevarla a cabo.
Afortunadamente, en el caso de la ingeniería, algo más de una década antes del surgimiento del paradigma de industria 4.0, ya se había identificado e iniciado a abordar la brecha existente entre la formación y el trabajo en la industria. Se encontró que el enfoque con un énfasis muy teórico y de problemas cerrados estaba desligado de la práctica y aplicaciones en el mundo real.
La propuesta para conectar la formación en ingeniería con los proyectos del mundo real es la iniciativa “CDIO: Concebir, Diseñar, Implementar y Operar”. Esta surge como un paradigma que busca dotar a los ingenieros con las herramientas necesarias para aplicar de manera efectiva sus conocimientos y habilidades en la industria actual, la cual es cada vez más competitiva y cambiante.
CDIO se plantea como un proceso iterativo en el que se proporcionan soluciones de ingeniería multidisciplinares y de alta calidad a problemas de la industria y la sociedad. Además, son continuamente adaptadas y mejoradas para mantener su relevancia. Esto va totalmente alineado con las necesidades y visión de la industria 4.0 y 5.0 porque es cercano a las competencias requeridas para la digitalización y la visión centrada en el humano.
La transformación digital no es un cambio que lleve a las organizaciones a un nuevo nivel que permanece estático. Por el contrario, las prepara para poder cambiar de manera constante. Por esto, CDIO se convierte en una forma de trabajo que sirve como referente para la digitalización que además acerca a la industria con la academia, potenciando así las capacidades de innovación.
La industria 4.0/5.0 propone que todos los procesos, productos y servicios deben ser sistemas inteligentes, flexibles y que son fuente de información constante que permite la toma de decisiones por otros sistemas o personas. Para ello plantea principios como interoperabilidad, descentralización, virtualización y modularidad. Asimismo, identifica un conjunto de tecnologías habilitadoras, las cuales permiten materializar dichos principios.
Dentro de sus estándares, CDIO plantea que el conocimiento ingenieril profundo en el área respectiva es un requisito indispensable para los procesos, productos, sistemas y servicios que se desarrollen. Además, también establece que son necesarios saberes y habilidades que faciliten el trabajo multidisciplinar, incluyendo ámbitos y personas por fuera de la ingeniería. Esto sigue siendo cierto en el contexto de la industria 4.0/5.0 y se ha identificado que las áreas transversales necesarias para el futuro comprenden: internet de las cosas, computación en la nube, Big Data y analítica, y sistemas ciber-físicos.
Al conjugar lo anterior con el presente y futuro del sector de la infraestructura se abre un abanico de posibilidades: las vías y edificios pasan de ser considerados estructuras rígidas y poco adaptables a sistemas integrados y resilientes; se comunican entre sí y también con las personas; ayudan a mitigar el cambio climático; y generan un equilibrio tanto para el ser humano como para los ecosistemas. Estas consideraciones son llevadas a todas las fases del proceso CDIO.
Concebir
La infraestructura del futuro facilitará y promoverá:
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La sostenibilidad y resiliencia: Construcciones con emisiones netas de carbono cero que ayuden a mitigar el cambio climático. Como caso particular, La Unión Europea y Japón tienen como meta que esto sea una realidad en 2030.
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La salud y el bienestar: Las edificaciones y vías deben contar con mejores diseños, más humanos y saludables.
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La adaptabilidad al cambio demográfico: La cantidad y tipos de edificios y servicios requeridos se ajustarán de acuerdo con lo que la sociedad presente y futura requerirá, sobre todo en términos del envejecimiento poblacional y los cambios socio-culturales.
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La interacción con información en tiempo real y máquinas inteligentes: La proliferación de datos mejorará la trazabilidad y seguimiento virtual y remoto a través de todo el ciclo de vida de los proyectos de infraestructura. Asimismo, la comunicación, operación y colaboración con máquinas como dispositivos móviles y de escritorio, vehículos autónomos y robots, será cada vez más estrecha y común en el diseño, así como en los sitios de construcción y durante la operación y mantenimiento de vías y edificaciones.
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Mayor eficiencia: El aprovechamiento de nuevas tecnologías para la comunicación y procesamiento inteligente de datos impactarán cada vez más en la disminución de costos, emisiones y residuos.
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Mayor estandarización: El intercambio de información entre dispositivos y seres humanos promoverá cada vez más el acuerdo entre las partes interesadas en cuanto a la estructura y los protocolos de transmisión de datos. De la misma manera, la construcción modular, el uso de técnicas y componentes reutilizables, y la aparición de nuevas métricas para el desempeño de la infraestructura generarán nuevos estándares para los procesos constructivos.
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Diseñar
El diseño de infraestructura se hace más complejo y sofisticado al incluir las nuevas posibilidades y exigencias mencionadas anteriormente. Sin embargo, las tecnologías habilitadoras hacen posible este reto, principalmente en tres campos:
1. Diseño digital:
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- De CAD 3D a BIM: El software de diseño y modelado 3D además de incluir información geométrica también integra información sobre materiales, estándares de calidad, procesos constructivos y operaciones.
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- Simulación: El aprovechamiento de las nuevas capacidades de cómputo permitirá analizar mayores variantes de diseño, incluyendo factores como la iluminación, eficiencia energética y operación.
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- Ajuste de diseños: Planeación y optimización.
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- Gemelos digitales: Los modelos 3D de la etapa de diseño no solo serán referentes de información geométrica. Se constituirán para el monitoreo y visualización en tiempo real, así como la simulación para adaptaciones durante la construcción, operación y mantenimiento.
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2. Nuevas técnicas de construcción y materiales inteligentes:
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- Construcción modular
- Manufactura aditiva
- Biónica: las nuevas estructuras serán más complejas y eficientes emulando ejemplos de los sistemas vivos
- Diseño para el ensamble
- Inteligencia artificial
- Robótica
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3. Gestión de proyectos:
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- Flujo de trabajo integrado que incluye todos los aspectos del proceso
- Gobernanza, análisis y aprovechamiento de datos
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Implementar
En proyectos de infraestructura, la implementación corresponde a la fase de construcción. Esta es la etapa más compleja, con mayores riesgos y que demanda la mayor cantidad de tiempo y recursos. Es precisamente aquí donde existen actualmente grandes carencias en la aplicación de tecnologías habilitadoras y por este motivo es esta industria la que menos se encuentra digitalizada en el mundo. Los focos principales en este caso abarcan:
1. Tecnologías para la adquisición y procesamiento de información rápida y precisa:
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- Seguimiento virtual del proceso de construcción, salud y seguridad
- Monitoreo y escaneo con drones y dispositivos portátiles
- Recorridos virtuales
- Uso de sensores IoT (Internet de las cosas)
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2. Nuevas técnicas de construcción y materiales inteligentes:
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- Construcción modular o prefabricada
- Componentes de construcción:
- Diseño para el ensamble con planeación soportada por inteligencia artificial y herramientas BIM 3D.
- Bioinspiración para el diseño, modular, livia
- Manufactura aditiva como por ejemplo impresoras 3D de concreto
- Robótica
- Automatización de labores de albañilería
- Equipos de robots para el transporte de equipos y materiales
- Robots que cooperan con las personas en los procesos constructivos
- Hormigón y otros materiales autorreparables
- Vidrio inteligente para la regulación de opacidad y radiación
- Tecnologías y materiales sustentables y que permitan el secuestro de carbono
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3. Gestión de proyectos:
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- Flujo de trabajo que incluye todos los aspectos:
- Procesos de construcción
- Costos y presupuestos
- Comunicación
- Rastrear e informar sobre su cumplimiento
- Control y aseguramiento de la calidad
- Seguimiento a la seguridad y salud en el trabajo
- Gestión de datos e inteligencia artificial:
- Herramientas para incorporar sugerencias y mejoras, mitigar el riesgo y generar alertas tempranas.
- Plataformas de análisis e inteligencia de negocios:
- Integración con herramientas de gestión
- Seguimiento en tiempo real y trazabilidad
- Flujo de trabajo que incluye todos los aspectos:
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Operar
La digitalización de la operación y mantenimiento de infraestructura está centrada en mejorar la interacción con las personas, disminuir los tiempos de respuesta a incidencias y permitir el monitoreo y gestión virtual de las estructuras a través de:
1. Instrumentación
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- Internet de las cosas para controlar la salud de las estructuras, parámetros claves de uso y realizar seguimiento al desempeño.
- Plataformas de análisis
- Mantenimiento autónomo y teleoperado
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2. Gestión automatizada y predictiva
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- Seguridad, control de uso y acceso
- Plataformas de análisis para el seguimiento del desempeño
- Simulaciones en tiempo real
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3. Interacción ágil de usuarios, administradores y otros involucrados
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- Herramientas de comunicación para el reporte de situaciones
- Emisión de órdenes de trabajo
- Seguimiento remoto
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Aunque aún falta un largo camino para llevar al sector de la infraestructura a niveles de digitalización similares a los de otras industrias como la farmacéutica o de manufactura, la madurez alcanzada por tecnologías establecidas en el mercado y las experiencias de los otros sectores permiten tener un panorama positivo de la transformación digital de la construcción.
El foco principal debe dirigirse al desarrollo, apropiación y aprovechamiento de tecnologías que generen datos procesables, que permitan informar y empoderar a las partes interesadas oportunamente. Estas deben ser adaptadas e implementadas teniendo presente los objetivos de: lograr una mejor toma de decisiones, aumentar el rendimiento operativo, reducir los costos y tiempos de inactividad, sin dejar de lado consideraciones respecto a la usabilidad y habilidades técnicas de los involucrados.
Las empresas del sector necesitan ser parte de la cuarta revolución industrial incluyendo en su hoja de ruta el panorama aquí presentado. Cabe anotar que las herramientas virtuales de monitoreo y tecnología para trabajo remoto tienen las tasas de retorno más altas y rápidas. Las tecnologías con adopción más desafiante y ciclo de madurez más largo como es el caso de nuevas técnicas de construcción requieren un impulso para implementación.
Desde MABTEC, Tecnología de valor, desarrollamos e implementamos tecnologías 4.0 para la supervisión de proyectos de infraestructura con mabpro, el seguimiento y control de incidencia con bitpro, y la adquisición y procesamiento de información con drones para la elaboración de gemelos digitales de los proyectos. Contáctanos aquí.
POR: MIGUEL ALEJANDRO GAMBOA
DIRECTOR MABTEC