El proyecto PAV-DT. Una nueva herramienta innovadora para la auscultación de pavimentos  
Francisco José Vea Folch

El proyecto PAV-DT y su oportunidad

La infraestructura carretera es uno de los patrimonios más importantes y valiosos de cualquier país, no siendo España una excepción, pues el valor patrimonial de las infraestructuras viarias asciende a 185.000 millones de euros, de los cuales 70.000 millones de euros pertenecen a la Red de Carreteras del Estado (RCE), mientras que 115.000 millones de euros se corresponden con la Red autonómica y provincial [I]. Si bien para su correcto mantenimiento se recomienda una inversión anual de entorno al 2% de su valor patrimonial, el efecto negativo de la fuerte crisis económica sufrida por el país ha producido una merma de los recursos destinados a mantenimiento de hasta un 30% desde el año 2009 [II]. La Asociación Española de la Carretera (AEC), ya alerta de las necesidades de inversión en este sector, dado que éstas se pueden multiplicar si no se cambia la estrategia de mantenimiento y se aborda el problema a tiempo. De hecho, en la actualidad, solo en reposición y refuerzo de firmes se necesita un total de 6.574 7.463 millones de euros para el conjunto de las carreteras españolas. De ellos, la RCE precisa 2.060 2.376 millones de euros, mientras que la Red Autonómica y de Diputaciones Forales de unos 5.087 4.514 millones de euros [III]. Estas cifras reflejan que el 72% de la red presenta grietas, mientras que el 38% muestra grietas, desintegraciones, deformaciones y baches [IV].

Por otra parte, es importante destacar que el estado de la carretera es uno de los principales riesgos en los accidentes de tráfico [V]. Así pues, cabe señalar que el número de fallecidos en España ascendió en el año 2014 por primera vez en once años. En el año 2017, 1.830 personas se dejaron la vida en accidentes de tráfico, 150 más que en el año 2013 cuando cambió la tendencia [VI]. Un cambio de tendencia que según las asociaciones de automovilistas puede haberse visto influido por el desplome de la inversión en mantenimiento de las vías, y al mal estado del pavimento ya que los datos de la DGT reflejan que en las carreteras convencionales el 41% de los fallecidos se debió a accidentes en los que el vehículo se salió de la vía, y en las vías de gran capacidad, el 47% de los fallecidos se debió también a este tipo de accidente [VII].

Es en este escenario donde surge la oportunidad de desarrollar el proyecto PAV-DT, el cual fue seleccionado para ser financiado en la convocatoria competitiva RETOS-COLABORACIÓN 2017 del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad. El proyecto comenzó su ejecución en enero de 2018 y prevé su finalización en diciembre de 2020. Por último, cabe destacar que en las Bases Reguladoras de la mencionada convocatoria se establecían ocho retos característicos para poder acceder a estas ayudas. De todos ellos, el proyecto PAV-DT se enmarcó en el Reto número cuatro (R4) definido como: TRANSPORTE INTELIGENTE, SOSTENIBLE E INTEGRADO. Concretamente, según el Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2013-2016, se enmarco dentro de la prioridad temática I: Desarrollo de Tecnologías de la Información y Sistemas de Transporte Inteligente que contribuya a: ii) Desarrollo de Sistemas de Información y Control en Tiempo Real, así como sistemas de transporte inteligente para facilitar la intermodalidad del transporte de mercancías (terrestre, marítimo y aéreo), la movilidad cooperativa, segura y la ayuda a la conducción.

¿Cómo se ausculta el pavimento hoy en día?

En la actualidad, los pavimentos son auscultados de forma visual realizando un levantamiento de defectos deterioros por parte de expertos en pavimentos, así como realizando auscultaciones con sistemas y/o dispositivos de diferentes tecnologías capaces de medir el perfil de rugosidad o IRI con diferentes precisiones según la tecnología utilizada. Estos sistemas/dispositivos vienen normalmente agrupados en las cinco categorías que se definen a continuación:

• Dispositivos manuales.

Se trata de aquellos dispositivos que son arrastrados por un operario y, por tanto, no alcanzarán velocidades mayores a 2 km/h. A pesar de que su principal ventaja es la elevada precisión en la toma de datos (siempre que esta se realice de forma correcta), presenta muy bajos rendimientos y necesita mano de obra cualificada, encareciendo el coste final de la misma.

• Perfilógrafos.

Son la versión actualizada de los antiguos perfilógrafos. El más conocido es el perfilógrafo “California”, constituido por una estructura de aluminio de 10,7 metros de longitud y 1 metro de ancho que es sostenida por ruedas de montaje y de dirección. Para llevar a cabo la auscultación de firmes, por un lado cuenta con una rueda que opera el odómetro para indicar la distancia recorrida, y por otro lado cuenta con otra rueda en la parte central que se encarga de detectar las protuberancias o asentamientos de la superficie de rodamiento. Una vez detectada, la información es enviada al equipo graficador que se encuentra conectado a una computadora de mano, la cual se encarga de almacenar los datos recolectados para que al término de cada prueba se proceda a realizar la impresión. Finalmente, se obtiene el diagrama denominado “Perfilograma” donde se muestran las irregularidades superficiales de cada franja analizada.

• Métodos “tipo respuesta” (RESPONSE-TYPE ROAD ROGHNESS MEASURING SYSTEM – RTRRMS).

Un equipo de tipo respuesta no mide el perfil de la carretera, sino la respuesta del vehículo a la irregularidad de la superficie. Estos equipos son adecuados para la evaluación de rutina de una red de caminos y proporcionan una representación adecuada de su condición. Los resultados pueden proporcionar a los administradores una indicación general de la condición de la red para efectos de las necesidades de conservación. La principal desventaja de este tipo de equipos es que la medida del movimiento del eje en función del tiempo depende de la dinámica particular del vehículo de medición, de manera que no es posible comparar mediciones realizadas en diferentes intervalos temporales con el objetivo de, por ejemplo, realizar el seguimiento de la evolución temporal del estado del firme.

• Perfilómetros livianos.

Los perfilómetros livianos son una nueva generación de medidores de perfil tipo láser de baja velocidad de operación (10 – 40 km/h), cuya principal aplicación es el control de calidad de la construcción. Toman los perfiles cada pulgada y su software les permite entregar diferentes índices de perfil, entre ellos el IRI. Como en los perfilómetros láser convencionales, las medidas son independientes del peso del vehículo, de su velocidad, del viento, de la radiación solar y de la temperatura y del color y textura del pavimento.

• Perfilómetros inerciales de alta velocidad.

Estos equipos se utilizan para proporcionar exactas y completas reproducciones del perfil del pavimento dentro de un cierto rango. Permiten recolectar información del estado de la carretera, midiendo el perfil longitudinal y transversal de la misma. Esta tipología de equipos puede ser bastante costosa y compleja, estando normalmente conformada por las siguientes partes: un dispositivo láser para medir la distancia entre el vehículo y la superficie de la carretera, un acelerómetro inercial de referencia para compensar el movimiento vertical del conjunto del vehículo y un odómetro de distancias para ubicar los puntos donde se va a medir el perfil a lo largo del pavimento.

Evaluando la aplicabilidad de los sistemas comentados anteriormente, encontramos que los perfilómetros inerciales de alta velocidad son los únicos adecuados para llevar a cabo inspecciones de rugosidad continuas “a nivel de red”, ya que pueden alcanzar hasta 100 km/h durante la auscultación. En cambio, el resto de los dispositivos únicamente pueden ser aplicados en mediciones más localizadas a nivel de proyecto.

En cuanto a su precisión, el Banco Mundial agrupa los dispositivos de auscultación existentes en 4 clases:

• Clase I: la mayoría de los perfilómetros inerciales y ligeros pertenecen a esta categoría, siendo el grupo con más precisión en la medición.

• Clase II: agrupa los métodos que utilizan perfilómetros estáticos y dinámicos que no cumplen con los niveles de exigencia que marca la Clase I (precisión de 0.38 mm y sesgo de 1.25 mm).

• Clase III: recoge los dispositivos basados en el método tipo respuesta, los cuales utilizan ecuaciones de correlación para derivar sus resultados a la escala del IRI.

• Clase IV: permiten obtener resultados meramente referenciales y se emplean cuando se requieren únicamente estimaciones gruesas de la rugosidad.

Como se observa, las soluciones actuales presentan una tendencia clara, a mayor precisión menor rendimiento (velocidad de operación). Además, con el aumento del rendimiento aumenta también el coste del sistema para ofrecer el servicio, pues se utilizan tecnologías más sofisticadas. Por contra, aun cuando la tecnología puede resultar más cara y con mayor complejidad, ésta presenta desventajas añadidas como la afección por las condiciones climáticas, errores o disminución de precisión ante la presencia de agua, entre otras.

El sistema PAV-DT

Con el objetivo de poner solución a la problemática descrita, el proyecto PAV-DT nace con el objetivo de obtener una herramienta de bajo coste que, instalada en un vehículo convencional de forma sencilla, permita obtener como resultado un vehículo de auscultación del pavimento de Clase I que disponga la capacidad de medir el perfil de rugosidad (IRI) y de detectar, localizar y cuantificar los defectos existentes a lo largo del trazado auscultado.

Para ello, el sistema PAV-DT está formado por diferentes subsistemas: un subsistema hardware formado por dos nodos inerciales y un geolocalizador GPS, un subsistema de comunicación inalámbrico y una plataforma digital cloud-based implementada a partir de un subsistema software diseñado específicamente en este proyecto. Este subsistema software aportará a la plataforma la capacidad de procesar y analizar los registros del comportamiento dinámico del vehículo (aceleraciones verticales) y obtener resultados del perfil de rugosidad (IRI) así como de los defectos existentes, su localización y gravedad (levantamiento de defectos).

Una de las principales innovaciones que presenta el proyecto en comparación con los sistemas existentes en la actualidad es la obtención del perfil de rugosidad (IRI) del pavimento con un sistema inercial de bajo coste y elevado rendimiento que alcanza una precisión Clase I, según el Banco Mundial.

Para su correcta consecución, el sistema inercial está conformado por dos acelerómetros instalados en la suspensión de la rueda delantera del vehículo (uno en la masa suspendida y otro en la masa no suspendida), conectándose, mediante cableado, a un dispositivo de adquisición de datos ubicado al lado de la batería.

Este dispositivo de adquisición de datos transmite, mediante Wifi, los datos registrados por los sensores a un nodo formado por un sistema de comunicación (router) y un geolocalizador GPS, ubicado bajo el asiento del conductor que envían a la nube todos los datos recabados mediante el protocolo de comunicación 3G para su posterior tratamiento matemático. Para la obtención del IRI, se utiliza un primer modelo basado en el modelo del “cuarto de coche”, el cual simula la mitad del eje de un vehículo, es decir, la interacción entre la rueda y la superficie de la carretera.

La segunda de las principales innovaciones del sistema es la capacidad para obtener un levantamiento de defectos deterioros del tramo auscultado (detección, localización y cuantificación) a partir del perfil de rugosidad previamente obtenido. Para su correcta consecución se ha desarrollado un segundo modelo matemático que aplica algoritmos basados en los filtros de segunda generación de Wavelet para obtener el levantamiento de defectos deterioros en toda la longitud de pavimento auscultada.

A pesar de que el sistema actualmente se encuentra en desarrollo, el nivel de avance ha permitido realizar las primeras pruebas del prototipo en un entorno real. Concretamente, estas primeras pruebas de validación se realizaron entre el P.K 247 y el P.K 263 de la autovía A-3 en la provincia de Valencia. Durante las pruebas realizadas en el tramo seleccionado, se realizaron repetidas pasadas consecutivas en ambas direcciones, con el objetivo de comprobar la repetitividad de los resultados del perfil de rugosidad (IRI), así como la similitud con el valor teórico en dicho tramo. La repetibilidad del sistema es la variación causada por el dispositivo de medición. Es la variación que se observa cuando el mismo operador mide la misma parte muchas veces, usando el mismo sistema de medición, bajo las mismas condiciones. Por ello, es el principal factor que determina la aplicabilidad y calidad de un sistema de medición, razón principal por la cual ha sido seleccionado como uno de los principales indicadores de consecución del proyecto.

Para finalizar, cabe destacar que el subsistema software ya se encuentra desarrollado al completo, por lo que el siguiente grupo de pruebas de validación irán enfocadas en comprobar el correcto funcionamiento del segundo modelo matemático dedicado, como ya se ha comentado anteriormente, a la detección, localización y cuantificación de los defectos existentes a lo largo del trazado auscultado.

Referencias

[I] Asociación Española de la Carretera (2010). Sector viario y crisis. Análisis de situación. Catálogo de propuestas.

[II] Blanco, P. (27 de abril de 2013). Carreteras sin cuidar o reparar. Recuperado de: elpais.com

[III] El mal estado de las carreteras españolas aconsejaría reducir el límite de velocidad en 6.800 km (12 de julio de 2018). Recuperado de aecarretera.com. Nota de Prensa Asociación Española de la Carretera, julio 2020. Uno de cada diez kilómetros presenta una situación muy deficiente, incompatible con una movilidad segura y verde.

[IV] Recuperado de Necesidades de inversión en conservación de las carreteras españolas 2017-2018. Asociación Española de la Carretera.

[V] World Health Organization (7 de diciembre de 2018). Road Traffic Injuries. Recuperado de who.int

[VI] Dirección General de Tráfico (2017). Anuario estadístico de accidentes 2017. Madrid: Dirección General de Tráfico.

[VII] Dirección General de Tráfico (2015). Se consolida el descenso sostenido de la siniestralidad desde 2003 en vías interurbana.