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Bureau of Reclamation

La captura de la realidad y los modelos 3D ayudan a proteger la infraestructura crítica

THE FUTURE OF MAKING THINGS

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Fotos cortesía del Bureau of Reclamation

Las herramientas de alta tecnología sientan las bases para el futuro de Glen Canyon Dam

Glen Canyon Dam en Arizona abastece de agua y electricidad a la zona oeste de Estados Unidos. Sin embargo, tras medio siglo de funcionamiento, la edad y las fluctuaciones en el flujo de agua ocasionadas por el clima extremo han causado deterioros. La captura de la realidad y el modelado 3D ayudan al Bureau of Reclamation a evaluar las condiciones de la represa y protegerla de cara al futuro. Mientras tanto, este organismo del gobierno de Estados Unidos demuestra cómo la tecnología puede ayudar a preservar infraestructura crítica en todo el mundo.

David Winslow (derecha) en la planta de energía de Glen Canyon Dam. Foto cortesía de BOR/Autodesk.

Agua y electricidad para el oeste

El congreso de Estados Unidos estableció el Bureau of Reclamation en 1902 con el objetivo de "recuperar" tierras áridas para uso humano a través del riego. Hoy en día, la agencia mantiene 492 represas en 17 estados del oeste y proporciona más de 35 billones de litros de agua a más de 31 millones de personas al año. Es el segundo mayor productor de energía hidroeléctrica del país y genera 40 mil millones de kilovatios-hora de electricidad al año.

Hoy en día, más de un siglo después de su fundación, la misión del organismo está evolucionando. Además de abastecer a las comunidades del oeste de Estados Unidos, su meta es recuperar sus propios activos de los estragos del tiempo. "Estas instalaciones son sumamente importantes para el país", manifestó David Winslow, gerente de CAD e ingeniero civil del Bureau of Reclamation de Salt Lake City, Utah. "Y tenemos la tarea de gestionar algo que existirá por cientos de años. Mucho tiempo después de nuestra desaparición, estas estructuras seguirán estando aquí. Pero es necesario realizarles un buen mantenimiento y operarlas correctamente".

David Winslow (derecha) en la planta de energía de Glen Canyon Dam. Foto cortesía de BOR/Autodesk.

Mantenimiento de infraestructura: un desafío global

Glen Canyon Dam se terminó en 1963, en medio de un boom de construcción de represas que tuvo lugar entre 1950 y 1970. Durante ese período, se terminaron cerca de mil represas por año (incluidas Aswan High en el río Nilo en Egipto, Kurobe en Japón, Idukki en India, Ilha Solteira en Brasil y Contra en Suiza) para abastecer de electricidad y agua, y controlar inundaciones en distintas regiones de todo el mundo.

En esa era, no había CAD para ayudar a crear estos enormes proyectos de infraestructura. Glen Canyon, una de las represas de hormigón más grandes del mundo, "se construyó con reglas de cálculo y tablas de trigonometría", cuenta Winslow. "Todos los dibujos se realizaron a mano en mesas de dibujo". Con tan solo planos de papel y cianocopias en los que basarse, Reclamation contaba con muy poca información sobre los efectos del paso del tiempo, el clima y los cambios extremos en el flujo del agua sobre el estado de la represa.

Este problema no es exclusivo de Glen Canyon: de las más de 58 000 grandes represas del mundo, más de la mitad ha estado en funcionamiento por al menos 50 años, según el Banco Mundial. La necesidad de encontrar mejores herramientas para el mantenimiento y la resistencia es claramente un desafío global.

Glen Canyon Dam en la década de 1960. Foto cortesía del Bureau of Reclamation.

"Teníamos que dejar de gestionar esta instalación con miles de dibujos 2D. Lo que Glen Canyon necesitaba era un modelo 3D completo de la represa, las paredes del cañón, el área de reserva río arriba desde la represa, las condiciones río abajo y la planta de electricidad; todos los elementos".

—David Winslow, gerente de CAD e ingeniero civil, Bureau of Reclamation

 

Nuevas herramientas tecnológicas para diagnosticar la represa deteriorada por el tiempo

Reclamation consultó a Autodesk para seleccionar las mejores herramientas y técnicas para crear un modelo digital 3D detallado de la estructura: una versión virtual de Glen Canyon Dam. Los datos tridimensionales ofrecen profundidad y contexto más allá de lo que pueden brindar los documentos de papel en 2D del Bureau. Los datos digitales son dinámicos: no se quedan congelados en el tiempo como una vieja cianocopia. Los modelos digitales se pueden actualizar, es posible simular nuevos escenarios y los cambios pueden medirse en función del conjunto de datos original por los siglos de los siglos.

Un modelo 3D le proporcionaría a Reclamation un conjunto enorme de capacidades nuevas para ayudar a gestionar y mantener Glen Canyon Dam. Sería más fácil encontrar, diagnosticar y reparar el daño actual, así como predecir y evitar daños futuros.

¿Pero cómo se hace para crear un modelo digital para una infraestructura construida antes de la existencia de CAD? La respuesta es la captura de la realidad.

"Teníamos que dejar de gestionar esta instalación con miles de dibujos 2D. Lo que Glen Canyon necesitaba era un modelo 3D completo de la represa, las paredes del cañón, el área de reserva río arriba desde la represa, las condiciones río abajo y la planta de electricidad; todos los elementos".

—David Winslow, gerente de CAD e ingeniero civil, Bureau of Reclamation

 

Obtener una enorme cantidad de datos de un enorme sitio

La captura de la realidad implica recopilar datos sobre un objeto (imágenes y medidas de tamaño, forma y posición) y compilarlos en un modelo digital. Reclamation, utilizando fondos de su programa de ciencia y tecnología, contrató a Autodesk para recopilar los datos necesarios y producir modelos 3D mientras sus empleados observaban los procedimientos y los procesos. En agosto de 2016, Reclamation y Autodesk comenzaron a obtener datos de la represa mediante escáneres láser (conocidos como LIDAR), sonar y cámaras para documentar el sitio.

El equipo de Autodesk escaneó y fotografió la represa y los alrededores; una ardua tarea que llevó toda una semana trabajando 12 horas al día. Los miembros del equipo obtuvieron imágenes y medidas del interior y exterior de la planta hidroeléctrica, río arriba y río abajo de la represa, la coronación de la represa, las tierras adyacentes e incluso parte del centro de visitantes. Recopilaron 700 escaneos LIDAR y miles de fotografías y videos, tomados desde tierra, agua y aire mediante un arsenal de herramientas avanzadas.

Fotos cortesía de BOR/Autodesk.

Winslow (izquierda) observa cómo el equipo de proyecto utiliza un escáner láser para obtener imágenes y medidas 3D de alta precisión de la represa y las paredes del cañón.

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La tecnología basada en láser, o LIDAR, toma medidas del enorme sitio de la represa enviando pulsos de luz y midiendo el tiempo que lleva volver al origen.

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Desde la reserva de Lake Powell, el socio de Autodesk e-Trac guía un vehículo operado de manera remota (ROV) que utiliza un sonar para escanear las superficies submarinas de la represa.

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Los miembros del equipo de Autodesk tomaron fotografías aéreas superpuestas de las tierras desde un helicóptero de evacuación médica para convertirlas en modelos 3D digitales en un proceso denominado fotogrametría.

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También escanearon el gigantesco interior de la principal sala de generación de la planta hidroeléctrica mediante una cámara montada en un dron.

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También escanearon el gigantesco interior de la principal sala de generación de la planta hidroeléctrica mediante una cámara montada en un dron.

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Fotos cortesía de BOR/Autodesk.

Modelo de Glen Canyon Dam, creado con Autodesk ReMake.

Transformación de datos en modelos digitales

Los escaneos de Glen Canyon obtuvieron imágenes impactantes y millones de puntos de datos en nubes de puntos 3D enriquecidas y fotorrealistas. Los modelos fotográficos se crearon a partir de las fotos del equipo, fusionando las imágenes superpuestas en un proceso denominado fotogrametría. Para unir todos estos datos sin procesar, el equipo utilizó ReCap Pro (inglés) para compilar una nube de puntos más grande e integral.

Después de importar la nube de puntos a Revit, el equipo creó un modelo técnico 3D que se rellenó con los componentes individuales de la represa, desde el acero estructural hasta los generadores hidroeléctricos. Este modelo combina lo viejo con lo nuevo, uniendo los viejos dibujos 2D con los avanzados datos de nube de puntos, de modo que los usuarios puedan comprender no solo las piezas y los componentes de la represa, sino también cómo encajan para transformarse en sistemas.

En la fase final del proyecto, el equipo importará el modelo técnico a InfraWorks (inglés) y agregará flujos de datos en tiempo real sobre el desempeño de la represa; por ejemplo, cuánta agua se libera y cuánta electricidad se genera. El resultado será una representación visual dinámica de la represa que ayudará a los operadores a identificar los riesgos que se deben abordar y las oportunidades que se pueden aprovechar.

Modelo de Glen Canyon Dam, creado con Autodesk ReMake.

Pronóstico para el futuro

Reclamation utilizará su modelo 3D dinámico de Glen Canyon Dam como herramienta para empleados y operadores de todos los niveles de destreza. "Este será un modelo multiuso", dice Winslow. También ofrece nuevas maneras de informar al público: por ejemplo, compartiendo recorridos en video de la represa virtual, particularmente de áreas a las que los visitantes no pueden acceder de forma segura. El organismo planea crear modelos 3D similares de sus otros activos, lo que posiblemente incluya el Hoover Dam de Nevada y el Grand Coulee Dam de Washington.

Lo más importante es que el modelo es una herramienta fundamental para prepararse para las incertidumbres del futuro. "Año a año, el flujo del agua y el clima varían, y no sabemos exactamente qué obtendremos en cuanto al flujo de entrada hacia la reserva", manifiesta Winslow. "Estamos intentando comprender cuál es la mejor manera de abastecer de agua al país en el futuro; no solo para el resto de este siglo, sino más allá de él". El modelo 3D dinámico, agrega, es "una herramienta que puede utilizarse en muchas disciplinas distintas para ayudarnos a mejorar la gestión de la instalación a medida que pasan los años".

El modelo 3D, basado en millones de puntos de datos, brinda una visualización precisa de la represa y sus alrededores.

Un miembro del equipo captura el extenso sitio de Glen Canyon Dam con un dispositivo LIDAR. Foto cortesía de BOR/Autodesk.

Herramientas tecnológicas con impacto global

Hoy en día, los operadores de represas de todo el mundo necesitan prepararse para un futuro incierto. Las iniciativas apuntan a recuperar las represas de antigüedad similar a Glen Canyon. Entre ellas están Kariba en África, terminada en 1959; Oroville en California, terminada en 1968; y Burdekin Falls en Australia, terminada en 1987. A esto se suman los programas nacionales para actualizar represas en Indonesia, India, Armenia y Vietnam. El proceso de creación del modelo 3D de Glen Canyon Dam fue el primero, cuenta Winslow: "Puede ayudar a los propietarios y operadores de represas de todo el mundo a operar y gestionar mejor sus instalaciones para el futuro".

En Glen Canyon y otras represas antiguas (sin mencionar plantas de energía, puentes, puertos y otras infraestructuras críticas también envejecidas), la captura de la realidad y los modelos digitales 3D son herramientas dinámicas que ayudan a visualizar las instalaciones, supervisar su estado y predecir el desempeño a futuro. El resultado: mantenimiento mejor y más rentable que ayuda a que la infraestructura dure más.

Un miembro del equipo captura el extenso sitio de Glen Canyon Dam con un dispositivo LIDAR. Foto cortesía de BOR/Autodesk.

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