Reaxion. Año 3, Número 2. Enero - Abril, 2016.



Diseño, desarrollo y construcción de un simulador de transporte federal de pasajeros
Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo

Designing, developing & Building of a simulator of passenger federal transportation.
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Por: José Antonio Betancourt Cantera, Cindy Anayantzi Melo Moreno, Héctor Armando Figueroa Urrea, Xóchitl María Rubí Hernández Cureño







Resumen

Los simuladores de conducción se consideran herramientas cruciales para un entrenamiento efectivo de los operadores/as, dado que complementan los aspectos teóricos, y con ello les permite conocer los límites de seguridad de sus unidades, además de que pueden enfrentar ciertas eventualidades en sus recorridos cotidianos, pudiendo evitarlas sin tener mayores consecuencias. El presente trabajo se realizó con la finalidad de desarrollar un simulador de autobús PB a un bajo costo, que incluyera todos los elementos de un simulador, iniciando con el diseño de la estructura, etapa en la que se utilizó el software Solidworks® y diferentes procesos de manufactura, para finalmente obtener una herramienta que permitiera capacitar operadores/as principiantes del transporte de pasajeros en la región metropolitana de Hidalgo.

Palabras clave: simulador, Solidworks, capacitación, operador.


Abstract

Driving simulators are crucial tools for effective training of operators, since they complement the theoretical aspects and thereby allow them to know the limits of safety of their units they also may face certain eventualities on in their daily travels and can avoid them without major consequences. This research was carried out with the aim of developing of a bus Simulator PB at low cost which would include all the elements of a simulator which began with the design of the structure using the Solidworks® software and different manufacturing processes to finally obtain a tool that would allow train beginner traders of the transport of passengers in the region.

Keywords: simulator, Solidworks, training, operator.


Introducción

El traslado de personas y mercancías es realizado, en gran parte del mundo, por la vía terrestre. El modo de transporte terrestre es uno de los más utilizados en México, cuenta con un amplio sistema de infraestructura de conexión, pues tiene 323,040 kilómetros de carreteras en el territorio nacional, integradas por autopistas, carreteras, caminos rurales, brechas, que permite la conectividad entre todo el país1.

Debido a que en los últimos años el sector del transporte ha incrementado el número de vehículos, se ha propiciado un aumento en los altos índices de accidentabilidad y al mismo tiempo se ha generado una serie de problemas, entre los más graves se pueden mencionar las muertes o personas discapacitadas, esto ocurre tanto en México como en todo el mundo2.

Todos los años fallecen más de 1. 25 millones de personas en las vías del mundo y entre 20 y 50 millones sufren traumatismos no mortales3.

En diversos países de América Latina, como República Dominicana, mueren anualmente 41.7 personas por cada 100, 000 habitantes; en Argentina, 12.6; en Chile, 12.3: en Estados Unidos el índice es de 11.4, por mencionar algunos. El problema de accidentes de tránsito sigue aumentando debido al incremento de los vehículos motorizado. En México el indicador es de 14.7, de acuerdo con datos de la Organización Mundial de la Salud en el año 2015.

En los últimos cinco años, gran parte de los países han apoyado las recomendaciones del Informe mundial sobre prevención de los traumatismos causados por el tránsito en general, que proporciona orientación sobre cómo los países pueden poner en práctica un enfoque integral para mejorar la seguridad vial y reducir la mortalidad en las vías de tránsito4.

La OMS en su Informe sobre prevención de los traumatismos causados por el tránsito (2004), indica que cada día mueren 3,000 personas por lesiones resultantes del tránsito.

En el caso de nuestro país, la estadística nacional reportada en el Anuario Estadístico de Accidentes en Carreteras Federales (2015) de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, muestra que, de cada 100 accidentes en estas vías, 93 de ellos son atribuibles al conductor/a como la causa directa o principal del accidente.

Por otra parte, a nivel nacional en 2015, cifras del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), reportaron 102 mil 800 accidentes por parte del transporte público en México, motivo por lo cual se requiere la capacitación de los/las conductores/as de vehículos públicos, esto representa un recurso importante para mejorar la seguridad carretera.

Por esta situación, las empresas públicas y privadas tienen la necesidad de desarrollar o perfeccionar el proceso de capacitación, debido a que se necesita ampliar los conocimientos, habilidades y aptitudes del personal de transporte. El avance de la tecnología permite que se tengan innovadoras herramientas que ayuden en los tiempos del proceso de capacitación, en actividades que pueden ser causantes de pérdidas humanas y materiales. Para cubrir estas necesidades, las empresas de transporte de pasajeros se ven en la necesidad de invertir recursos de manera continua para lograr operadores/as capacitados/as. La asignación de este recurso representa un alto costo, debido a que se debe tener a alguien que se encargue exclusivamente de realizar esa capacitación, sin dejar de mencionar el uso del vehículo, lo cual deriva en costos de combustible, refacciones, horas persona, etc., pero sobre todo que representa un riesgo para los y las demás automovilistas si esta capacitación no se realiza en un lugar adecuado. La utilización de simuladores de conducción, reduce todos estos riesgos y costos.

Los simuladores son herramientas de apoyo en el proceso de aprendizaje y perfeccionamiento de habilidades, esto es debido a que reproducen sensaciones que en realidad no están sucediendo. Se comenzaron a desarrollar debido a que ciertas actividades son peligrosas de ensayar sin previo entrenamiento, para conocer situaciones que no pueden hacerse de forma segura en un vehículo real. En países desarrollados la simulación es una herramienta principal en diferentes decisiones, cuya medición permite evaluar el mejoramiento de procesos5.

La simulación es una representación de un proceso, mediante un modelo que se acerque al que reaccionaría uno real. Anteriormente la simulación se presentaba en matriz o tablas, mostrando los cambios sobre los datos, sin embargo, existieron cambios en el desarrollo del comportamiento del ser humano, se observó mediante estudios que las personas obtenían un mayor aprendizaje de manera visual, así da inicio a la simulación con animación generada por computadora 6, 7.

En nuestros días la simulación permite establecer métodos de enseñanza y análisis de factores relacionados a la capacitación del recurso humano, estableciendo criterios sistemáticos orientados a la detección oportuna de necesidades de capacitación, y dichos modelos de simulación son utilizados en los sistemas de transportación8.

Aun cuando se reconocían los enormes beneficios de la simulación como soporte a la toma de decisiones, las dificultades en la aplicación de esta técnica en la vida real de las compañías, las hacía difíciles de realizar, ya que los modelos eran costosos de construir y validar, poco flexibles frente a condiciones inestables, y habitualmente concebidos y manejados por personal experto, no por operadores/as del sistema, de forma que atentaban contra su efectiva aplicación a la problemática de las empresas.

Mediante el uso de software y dispositivos tecnológicos, se busca brindar los elementos básicos del manejo y la preparación ante situaciones críticas, además de conocimientos generales y especializados en el transporte de carga; todo esto a través del uso de un simulador electrónico que desarrolle habilidades y mejore el aprovechamiento de las capacidades psicomotrices de los conductores y conductoras. El modelo de simulación de transporte se puede usar para pronosticar el comportamiento del sistema real bajo ciertos estímulos.

Actualmente, con el avance de la tecnología, se ha optado por el uso de los simuladores para capacitar al personal operador del transporte de carga y pasaje, de esta manera las empresas saben que es importante que su personal de operación trabaje de forma segura, productiva y eficaz. El conocer sus habilidades y aptitudes de manera virtual permite que se reduzcan costos destinados en accidentes reales; además los simuladores ayudan a los y las choferes a conocer los controles y uso de las unidades, brindándoles una mejora del aprendizaje propio de manera segura y tecnológica.

El crecimiento de la simulación se ha empleado en el área del transporte para racionalizar sus circuitos y planificar mejor sus operaciones. La demanda en el transporte se incrementa, por lo que es importante capacitar a personal de conducción con menor tiempo y riesgo. A través de la simulación se permite estimar el desempeño y condiciones del o la chofer, de esta manera se quiere lograr un menor índice de accidentabilidad9.

El uso de equipamientos de simulación, que reproducen de manera virtual el empleo de equipos de gran complejidad, tales como centrales de potencia o aeronaves, ha representado en las últimas décadas una importante herramienta para dar efectividad al entrenamiento y evaluación de los operadores u operadoras de tales equipos. En este contexto, la aplicación de simuladores de manejo se ha dado con propósitos que van desde estudios de fatiga de quienes operan el transporte pesado, hasta la evaluación de éstos ante situaciones de riesgo. Tales equipos han permitido mejorar la eficiencia de los entrenamientos por cuanto al número de horas necesarias para capacitación, y al mismo tiempo para evitar cualquier condición peligrosa derivada de la operación fallida de los vehículos10.

En la clasificación de las causas de accidentes se tienen los factores humanos6,9 que tienen que ver con el estado emocional y físico del o la chofer, en un contexto de perturbaciones ambientales diversas. En cuanto a las habilidades mentales y psicomotoras, las instituciones de entrenamiento de personal de conducción, incluyen tanto adiestramientos prácticos como sesiones en aula, que tienen como fin proporcionar al conductor o conductora los elementos necesarios para conseguir una transportación segura y confiable10.

Sin embargo, en la mayoría de los centros de capacitación no se emplean en general ni simuladores de manejo, ni pistas de entrenamiento, lo cual constituye una mala práctica, ya que se ha reconocido que los simuladores de manejo permiten ahorrar tiempo de instrucción11-13 y por su parte la práctica en pistas de entrenamiento, con tráficos y diseño geométrico controlados, permite corroborar y evaluar la instrucción recibida, aparte de extender los alcances de los simuladores de manejo14.

El éxito de la aplicación de simuladores radica en la fidelidad de los efectos y fenómenos que ocurren en la realidad. Por lo tanto, los equipos de mayor realismo son específicamente para el manejo de unidades militares especializadas15.

Sobre la base de lo expuesto, y por ser un tema de suma importancia relacionado con el transporte, pero sobre todo con la seguridad en vialidades tanto para los usuarios como para los automovilistas que recorren las vías a diario, se toma el presente tema para el desarrollo de este proyecto.


Metodología

El desarrollo del presente trabajo se realizó en tres etapas que permitieron la obtención de la cabina del simulador.

Etapa 1. Diseño estructural de la cabina

La primera parte de la metodología correspondió al diseño de la estructura del autobús, tomando como muestra una unidad marca Irizar. Este modelo sirvió como base en la toma de medidas detalladas de las partes principales (como ancho, largo y acceso a la cabina) para que el diseño estuviera apegado a las medidas reales. El diseño de la estructura se realizó con el apoyo del software Solidworks®, el cual permitió determinar las dimensiones y características del material a utilizar. Posteriormente, con la ayuda de un análisis de elemento finito (en la Figura 1 se muestra el procedimiento del análisis de una estructura para determinar los cálculos realizados por esta simulación), se evaluó el diseño estructural de la cabina elaborada, lo que permitió calcular los desplazamientos, deformaciones y tensiones máximas de los componentes con cargas internas y externas. Este análisis se realizó con la finalidad que la estructura diseñada contara con el menor peso posible, pero que a su vez tuviera la resistencia mecánica para soportar una carga mínima, buscando obtener un factor de seguridad adecuado.

Figura 1. Análisis de una estructura por el método de elemento finito.

Figura 1. Análisis de una estructura por el método de elemento finito. Fuente. Portabella Castany, Miquel16.

Etapa 2. Manufactura de la cabina

La segunda etapa correspondió a la fabricación de la cabina, una vez realizado el análisis de elemento finito con el cual se determinaron las dimensiones mínimas y el tipo de material, se procedió a realizar la manufactura de la estructura utilizando perfil PTR C-150; la elección de las dimensiones de este perfil (como, por ejemplo, el calibre) fueron obtenidas de la simulación del análisis de elemento finito.

Etapa 3. Implementación de los componentes de simulador y puesta en marcha

Se realizó la adaptación de cada uno de los componentes diseñados y obtenidos con diferentes empresas de transporte, es decir, componentes o elementos como volante, pedales, botonera del tablero, etc., permitiendo que cada uno de estos cumpliera una función dentro del simulador. Algunos (como la palanca de velocidades y botones) fueron diseñados a través de dispositivos electrónicos, lo que al final permitió realizar una función dentro del software de simulación.


Análisis de resultados

Del análisis del elemento finito para determinar el tipo de material y las dimensiones adecuadas se determinó lo siguiente:

En la Figura 2 se puede observar el análisis realizado a una sección de perfil sometido a un análisis de elemento finito, al cual se le sometió a una fuerza de 496 N. Los resultados obtenidos de estos ensayos, mostraron una deformación de 0.0732 mm para este análisis en particular, de acuerdo con los diferentes ensayos a perfiles de diferentes dimensiones y diferentes calibres, se tuvo que el desempeño brindado por este material cumplía con las características deseadas, por lo que una vez realizada la evaluación se procedió a plasmar el diseño completo de la base de la estructura, diseñada a partir de las medidas de un perfil PTR C-150, la cual se muestra en la Figura 3.

Figura 2. Análisis de elemento finito a perfil para determinar las dimensiones adecuadas.

Figura 2. Análisis de elemento finito a perfil para determinar las dimensiones adecuadas.

Al concluirse el diseño de la base de la cabina, se realizó el análisis de cargas, sometiendo dicha base a una carga uniformemente distribuida de 7,357.5 N (esto porque se tomaron en cuenta aspectos de peso de los componentes y las personas que soportaría la estructura) que equivale a 750 kg aproximadamente. Los resultados obtenidos mostraron que únicamente una sección presentó problemas por deformación excesiva de 0.6247 mm (sección de la base en color rojo), la cual se solventó con la incorporación de un refuerzo al centro, permitiendo que dicha base soportara sin problemas la carga determinada, además el análisis arrojó un factor de seguridad de 1.3.

Figura 3. Análisis de elemento finito a base de la estructura.

Figura 3. Análisis de elemento finito a base de la estructura.

Una vez realizado este estudio se procedió a culminar con el diseño estructural y realizar el ensamblaje de la estructura, a la que se le realizó posteriormente el mismo análisis de esfuerzos y cargas. La estructura completa se muestra en la figura 4 a). Los resultados del análisis no arrojaron problema alguno con el diseño por lo que el siguiente paso correspondió a la manufactura de la cabina con las dimensiones del PTR obtenido en un inicio.

Tal como se comentó, en la figura 4 b) se puede apreciar que dicho diseño se realizó en piezas individuales, permitiendo de esta manera que pudiera ser transportado de manera sencilla e introducido fácilmente al recinto que albergaría dicho simulador. Cabe destacar que los componentes individuales fueron ensamblados posteriormente con elementos de unión como tornillos y tuercas.

Figura 4. Análisis de elemento finito aplicado y estructura completa del simulador

Figura 4. Análisis de elemento finito aplicado y estructura completa del simulador.

Tal como se planteó anteriormente en la metodología, la siguiente etapa consistió en diseñar y manufacturar los diferentes componentes del simulador, como es el tablero, que fue realizado a partir de un molde y fabricado en fibra de vidrio como puede observarse en la Figura 5. Cabe destacar que el molde fue obtenido de un autobús, y cuenta con las dimensiones reales.

Una vez concluido dicho componente, se procedió a darle un acabado uniforme para posteriormente pintarlo. Se obtuvo así un componente estéticamente adecuado, que se realizó con la finalidad de albergar los diferentes dispositivos electrónicos tales como switches, botones y tacómetros que forman parte de los instrumentos de un autobús, y que además cuentan con una función específica.

Figura 5. Fabricación del tablero del simulador.

Figura 5. Fabricación del tablero del simulador.

Una vez realizadas las partes del tablero, se procedió al montaje de estas en la estructura, tal como se muestra en la Figura 6, en donde se puede apreciar cómo la estructura (tanto el piso como las paredes laterales) fueron cubiertas con triplay de 15 mm y madera MDF (del inglés Medium Density Fibreboard, que significa fibra de densidad media) de 3 mm.

Como se comentó, las medidas de dicha cabina corresponden con las de una de autobús, y estas son: 2.60 m de ancho por 1.50 m de largo y una altura de 2.8 m. Cabe señalar que la altura no corresponde con la de ningún autobús, esto debido a que se tuvo la restricción del techo del lugar asignado para el desarrollo de este proyecto.

Los componentes del tablero fueron pintados en color negro y gris, como se aprecia en la figura, con la finalidad de lograr una visión estética.

Es importante destacar que todas las demás dimensiones fueron respetadas, tales como el acceso a la cabina, el tamaño de la puerta y la altura de los escalones, esto se puede observar en la figura.

Posterior a esto, se colocaron dos pantallas curvas de 55” al frente y otra plana de 50” al costado izquierdo de la posición del operador, las cuales tienen la función de proyectar la emulación del entorno, generando una visión de 180°.

Figura 6. Ensamblaje de los componentes en la estructura de la cabina.

Figura 6. Ensamblaje de los componentes en la estructura de la cabina.

Por su parte, para el diseño de la botonera se utilizó una tarjeta de un teclado, a la que se le soldaron diferentes cables de salidas que se conectaron a pequeños botones pulsadores (tipo push de uno y de dos pasos), además de botones interruptores, que tuvieran una función asignada dentro del software de simulación. Dicha tarjeta y sus conexiones se presenta en la Figura 7.

Luego se procedió a integrar cada uno de los botones al tablero (esto se puede observar en la misma figura). Un botón se conectó a tierra (negativo) y el otro a corriente (positivo), con el objetivo de que al momento de oprimirlos abrieran y/o cerraran el circuito, enviando a la computadora la señal de la función deseada, quien transmite dicha señal al software.

Cabe señalar que se asignó la mayor cantidad de funciones que existen dentro de un autobús real, de tal manera que al momento de realizar la simulación el operador se sienta inmerso dentro del proceso de simulación. Dichas funciones son, por mencionar algunas, las direccionales, intermitentes, limpiaparabrisas, freno de mano, luces, etc.

Además, se colocaron tacómetros, medidores de las RPM, presión de aceite, carga de la batería, etc. que son indicadores muy útiles dentro de la simulación.

Figura 7. Tarjeta utilizada para la conexión de los botones y tablero conectado a la tarjeta.

Figura 7. Tarjeta utilizada para la conexión de los botones y tablero conectado a la tarjeta.

Después se implementaron los pedales, el volante, el asiento del operador, la palanca de velocidades y cada uno de los dispositivos presentes dentro de una cabina de autobús. Esto se puede observar en la Figura 8, donde ya se tiene culminada dicha cabina. Para la palanca de velocidades se utilizaron botones tipo push, que envían la señal al CPU una vez que la palanca de velocidades hace contacto con dichos botones (es decir, al momento de meter cada una de las velocidades), dichas conexiones se realizaron en serie.

Esta palanca emula una caja de 10 velocidades y funciona con un botón selector (convertidor) que permite el cambio para pasar de las primeras cinco velocidades (primera a quinta) a las siguientes cinco (sexta a décima). Posteriormente, para realizar los retrocesos (es decir, de sexta a quinta) se acciona nuevamente el botón selector para poder reducir la velocidad.

Para emular el entorno, se utilizó una barra de sonido, la que transmite el ruido del exterior, así como el ruido del motor.

De esta forma, en la misma figura se puede observar la cabina concluida y la visión que tiene el operador u operadora al entrar al simulador, además de apreciar cada uno de los componentes con los que cuenta un vehículo de pasajeros real.

Figura 8. Vista de la entrada al simulador concluido.

Figura 8. Vista de la entrada al simulador concluido.

Finalmente, en la Figura 9, tal como se comentó, se presenta la visión que tiene la persona operadora al estar dentro del simulador realizando diferentes recorridos a lo largo de una ruta establecida

Figura 9. Visión que tiene el operador para un recorrido realizado dentro del simulador.

Figura 9. Visión que tiene el operador u operadora para un recorrido realizado dentro del simulador.


Conclusiones

Este trabajo fue desarrollado con la finalidad de capacitar a operadores y operadoras principiantes del transporte de pasajeros de la zona Metropolitana de Hidalgo, con el objetivo principal de reducir la accidentalidad vial provocada por el factor humano y, al mismo tiempo, mejorar la optimización de los recursos de operación.

Del diseño estructural de la cabina y el uso del perfil C-150 (que se definió a través de análisis de elemento finito para determinar las cargas mínimas que podía soportar, fueron adecuadas), ya que además del peso de los componentes implementados, se sometió la estructura a una prueba de carga de 750 Kg aproximadamente, y resistió sin ningún problema.

Además, la cabina del simulador presenta características semejantes con las de un autobús, por lo menos en cuanto a dimensiones de anchura y de largo, lo que sumerge a la persona usuaria a un entorno más cercano a lo real, desde el momento en que ingresa al mismo.

Con respecto a la implementación de cada uno de los componentes dentro de la cabina, se permitió tener un entorno apegado a la realidad, ya que además de esto se cuenta con un espacio de 2.50 metros de largo en un área casi totalmente cerrada. y con una visión del entorno (a través de las pantallas) de 2.60 metros, que son dimensiones muy semejantes a las de este tipo de vehículos.

Con respecto al diseño y conexión de cada botón y circuito electrónico, se realizó con la finalidad de cumplir con una función, permitiendo que, al colocarse dentro del tablero, desempeñara dicha función de manera adecuada. Esta función permite al usuario o usuaria estar en un medio inmersivo que le va distrayendo al momento de conducir, lo que a largo plazo le permite tener mayor control de estas pequeñas operaciones (debido a la práctica), evitando distracciones posteriores ya en la vida real.

Finalmente, cabe destacar que el uso de simuladores como proceso de aprendizaje, permite reducir costos significativos y cuantificables, además de aumentar la productividad y mejoras en la seguridad. Y que también la efectividad lograda a través de estos medios es mucho más elevada que la realizada de manera física en campo.


Referencias

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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
02/04/2019 21/05/2019 31/05/2019
Año 6, Número 3. Mayo - Agosto 2019

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