Laboratorios virtuales y
remotos para la práctica a distancia de la Automática
José Sánchez, Sebastián
Dormido y F. Morilla
Departamento de Informática
y Automática, UNED
Introducción
Simulación remota
Telepresencia
Visualización remota
Seguimiento y evaluación
Referencias
Introducción
Dentro de todo el conjunto
de nuevas tecnologías de la información, destacan dos herramientas como las más
adecuadas para ofrecer un nuevo enfoque en el modelo educativo de la educación
a distancia: los sistemas hipermedia como forma de estructurar la información,
y las redes de comunicación de área extendida como soporte de la información,
es decir, la red Internet.
Pero pese a que estas dos
herramientas son suficientes para la creación de sistemas de apoyo al
aprendizaje de materias dotadas de una componente práctica no muy fuerte, la
enseñanza de la Ingeniería de Control requiere de algo más, de un elemento que
permita al estudiante poner en práctica todos los conocimientos que vaya
adquiriendo a lo largo del estudio de la materia. Este papel en las enseñanzas
tradicionales lo desempeña el laboratorio de prácticas (Antsaklis, et al., 99),
el cual, inexorablemente, requiere de la presencia física del estudiante para
poder manipular los sistemas de control y las plantas existentes en un entorno
controlado bajo la supervisión del profesor. Por consiguiente, trasladando este
entorno práctico a la enseñanza a distancia, el elemento necesario para abordar
la realización de prácticas sobre Sistemas de Control es la existencia de un
laboratorio virtual y de telepresencia accesible a través de una red basada en
protocolos TCP/IP que permita al alumno practicar de una forma lo más similar
posible a como si estuviese en las dependencias del laboratorio, dándole la posibilidad
de manejar las simulaciones o interactuar con las plantas reales.
En consonancia con lo
anterior, el Departamento de Informática y Automática de la Universidad
Nacional de Educación a Distancia está trabajando en el desarrollo de nuevos
paradigmas de laboratorios para la realización a través de Internet de
experiencias prácticas de Ingeniería de Control sobre plantas y sistemas reales
o simulados. De forma resumida, los cuatro pilares en los que se basa este
proyecto de investigación son: la simulación remota, la telepresencia, la
visualización remota y el seguimiento y evaluación.
Simulación remota
El paradigma de laboratorio
virtual que se está desarrollando para la realización de simulaciones dinámicas
e interactivas a través de Internet (Web-based simulation), consta de cinco
partes:
Potentes interfaces gráficas
de usuario (GUI) bajo la forma de applets Java (applets de experimentación).
Estas interfaces deben estar compuestas por los esquemas de determinados
procesos industriales (plantas, controladores, tuberías, válvulas, etc.) más un
conjunto de diagramas de señal para analizar la evolución de los parámetros y
variables a lo largo del tiempo de simulación. En la figura 1 se recogen las
interfaces de dos applets de experimentación.
Un entorno de cálculo
matemático en el que se ejecutan las simulaciones de las plantas que son de
interés por su carácter didáctico: intercambiadores de calor, péndulos
invertidos, tanques de líquido, columnas de destilación, etc. Puesto que el
entorno está siendo ideado tanto para la enseñanza como para el entrenamiento,
éste permite realizar una completa configuración de los modelos matemáticos
(perturbaciones programadas, parámetros físicos, actuación de los
controladores, etc.) y de las interfaces gráficas (rango de las variables,
grado de interactividad de las variables) por medio de ficheros de experimentos
y, de esta forma, establecer los objetivos pedagógicos que los estudiantes
tengan que alcanzar interactuando con la GUI. Las herramientas seleccionadas
para el desarrollo de los modelos están siendo Matlab y Simulink.
Un servidor concurrente como mecanismo para el intercambio de
información a través de Internet entre los applets de experimentación y el
núcleo de cálculo/simulación (figura 2).
Un sistema de supervisión y
monitorización con el objeto de que el profesor de forma remota supervise
on-line el trabajo que realizado por los estudiantes mediante los applets de
experimentación. Para ello, se ha diseñado un prototipo de applet de supervisión
que permite monitorizar algunos parámetros de las sesiones de trabajo de los
estudiantes.
Un conjunto de
presentaciones conceptuales embebidas en páginas HTML como forma de
proporcionar o completar las bases teóricas necesarias para abordar la realización
del trabajo práctico.
Telepresencia
Utilizando la misma
filosofía que en el laboratorio virtual se está desarrollando un entorno de
telepresencia para el empleo remoto de ciertas plantas de entrenamiento
(péndulo invertido, tanques de agua, intercambiadores de calor). Con el empleo
de plantas reales se intenta, en la medida que la tecnología lo permita,
transmitir a los estudiantes las sensaciones y responsabilidades que tendrán
cuando trabajen en entornos industriales reales.
El esquema conceptual del
sistema de telepresencia será similar al del laboratorio virtual: applets Java
para las interfaces gráficas de experimentación, applet de supervisión y un
servidor ad-hoc que haga de canal de comunicación de los applets con el sistema
de control en tiempo real. La figura 3 recoge un esquema gráfico resumido del
entorno de teleoperación planteado.
Obsérvese que con el fin de
solventar los problemas de control que implican el retardo en la transmisión de
la información a través de la red, se ha recurrido al paradigma de control
supervisado (Sheridan, 93). Brevemente, el control supervisado significa que en
lugar de distribuir el lazo de control entre la planta, el servidor y el applet
de experimentación, todo el lazo de control se mantiene cerrado en el propio
servidor. De esta forma, no hay retrasos en el lazo que realiza las tareas de
control y, por lo tanto, no hay inestabilidades.
De acuerdo con este
paradigma, las funciones del control supervisado en nuestro entorno desde el
punto de vista didáctico se pueden dividir en cinco puntos, los dos primeros
propios del profesor y los tres restantes del estudiante. Estos puntos son: (1)
planificar las acciones de la planta en función del objetivo didáctico
perseguido con el experimento, (2) confeccionar el plan por medio de los
ficheros de experimentos, (3) monitorizar y supervisar la evolución del
experimento para lograr los objetivos indicados, (4) si hay anormalidades,
intervenir a través del applet de experimentación para corregir el problema, y
(5) aprender de la experiencia.
Visualización remota
En la actualidad, todo
laboratorio remoto de Ingeniería de Control que se considere de auténtica
telepresencia demanda la existencia de una comunicación visual y auditiva con
la planta sobre la que se estén realizando las experiencias. De acuerdo con las
ideas esbozadas, el objetivo perseguido con este apartado es la creación de un
entorno de trabajo que permita la supervisión visual remota del proceso. Por
ello, se puede afirmar que lo que se pretende es construir un sensor remoto en
red (McDowell, et al., 98), el cual pueda ser gobernado tanto por el profesor
como por el estudiante.
El campo tradicional del
empleo del vídeo en entornos de telepresencia o de teleoperación es el de la
telerrobótica. En unos casos el vídeo permite al ser humano operar en entornos
peligrosos (minas, centrales nucleares) (Corke, et al., 98) o remotos (espacio
exterior, profundidades abisales) (Sheridan, 93); en otros propicia la
supresión de barreras espaciales para la aplicación del conocimiento de un
experto (teleasistencia médica, teleoperaciones quirúrgicas) (Kitson, et al.,
1997); y, cómo no, permite experimentar de forma remota sobre aspectos de la
Ingeniería de Control (Aktan, et al., 96; Kondraske, et al., 93; Gillet, et
al., 97; Overstreet y Tzes, 99). Este paradigma en el empleo del vídeo es en el
que se enmarca el trabajo aquí expuesto: la monitorización visual remota de un
conjunto de plantas reales con fines pedagógicos.
Algunos de los posibles supuestos
de aplicación en entornos pedagógicos de telepresencia o teleoperación
aplicados a la enseñanza de la Teoría de Control son los siguientes:
Monitorización on-line del
proceso. Se consigue así la visualización directa y en tiempo real de cómo las
acciones de control efectuadas sobre la interfaz de experimentación repercuten
en la planta real. De esta forma, la realimentación que el estudiante obtiene
no sólo la extrae del análisis de los valores numéricos sino también de la
observación directa del proceso.
Comprobación on-line del
proceso, es decir, grabación en vídeo de toda o parte de la experiencia con la
planta, de forma que, concluida la sesión de teleoperación se puedan estudiar
los pasos dados en caso de que se desee profundizar en algún aspecto
destacable.
Refuerzo de conceptos.
Empleo de secuencias de vídeo obtenidas de alguna experiencia previa y que
permiten reforzar algún concepto teórico.
Planteamiento de ejercicios.
Presentación visual de ciertas situaciones de forma que el estudiante, a
priori, pueda discurrir sobre qué acciones debe tomar en el caso de que se le
presente esa situación durante una sesión de teleoperación.
Centrándonos en el diseño del sistema de visualización remota éste
se apoya en la clásica arquitectura cliente/servidor: un servidor se encargará
de dialogar con dos tipos de applets de control remoto de la cámara (applet del
profesor y applet del estudiante).
Evidentemente, el tipo de
applet para el control de la cámara que el servidor HTTP transmite depende del
usuario: el del profesor (figura 4.a) dispone de un número muy superior de
funciones que las del estudiante (figura 4.b), ya que debe poder preajustar las
seis configuraciones que la memoria de la cámara soporta (en este caso una
cámara motorizada SONY EVI-DE30/31). Además, limitando las funciones de la
interfaz del estudiante se consiguen dos objetivos: centrar la atención en los
aspectos concretos y relevantes de la planta para lograr las metas del
experimento, y evitar los consiguientes problemas que ocasionaría un uso
inapropiado de la cámara para los posteriores usuarios.
Evidentemente, la
construcción de un entorno remoto de experimentación implica no sólo una
independencia física del estudiante con respecto al lugar de experimentación,
es decir, del laboratorio, sino también temporal. De ahí la conveniencia de que
el entorno de experimentación esté disponible las 24 horas del día,
garantizando no sólo la independencia espacial sino también la temporal.
Por ello, conjuntamente con
el sistema de visualización remota se ha diseñado un sistema de encendido
remoto de la iluminación de forma que en el mismo instante en que se establezca
una conexión para iniciar un experimento sobre una planta real se garantice la
visibilidad del objeto a monitorizar.
Seguimiento y evaluación
Parece obvio que la
completitud de la verdadera meta perseguida con nuestro proyecto de
investigación, que no es otra que la mejora de los conocimientos del alumno
sobre la materia en cuestión, no puede lograrse sin que el estudiante reciba
una realimentación sobre la validez del trabajo desarrollado dentro del
laboratorio, así como que el profesor conozca el grado de avance experimentado
por el alumno. Es por ello que todo el laboratorio virtual no tendría sentido
sin la existencia de un módulo de seguimiento y evaluación del alumno que le
permitiese a éste autodirigirse en su proceso de aprendizaje, indicándole los
puntos sobre los que necesita un mayor refuerzo en su estudio.
Al mismo tiempo, este módulo
debe servir al profesor tanto para comprobar que el proceso de aprendizaje que
lleva asociado el estudiante es el correcto (seguimiento puntual) como para
conocer si se han logrado los objetivos perseguidos tras el estudio completo de
la asignatura (seguimiento global). De acuerdo con esto, algunas de las tareas
que debe llevar a cabo el módulo de seguimiento y evaluación son: (a)
generación y corrección de test sobre la materia, (b) programación de
experimentos para el refuerzo y fijación de determinados conceptos, (c) evaluación
del resultado de los experimentos y (d) seguimiento continuo de las
simulaciones y del estado del laboratorio.
Referencias
Aktan, B., C.A. Bohus, L.A. Crowl, y M.H. Shor (1996), «Distance
Learning Applied to Control Engineering Laboratories», IEEE Transactions on
Education, Vol. 39, n.º 3, págs. 320-326.
Antsaklis, P., T. Basar, R.
DeCarlo, N. Harris, M. Spong, y S. Yurkovich (1999). «Report on the NSF/CSS
WorkShop on New Directions in Contrl Engineering Education», IEEE Control
Systems Magazine, Vol. 19, n.º 5, págs. 53-58.
Corke, P., J. Roberts, y G. Winstanley (1998), «Vision-Based Control for
Mining Automation», IEEE Robotics & Automation, Vol. 5, nº 4, págs. 44-49.
Gillet, D., C. Salzmann, R. Longchamp, y D. Bonvin (1997), «Telepresence:
An opportunity to develop practical experimentation in automatic control
education», Proceedings of the European Control Conference, Bruselas.
Kitson, F.L., T. Malzbender, y V. Bhaskaran (1997), «Opportunities for
Visual Computing in Healthcare», IEEE Multimedia, Vol. 4, n.º 2, págs. 46-57.
Kondraske, G.V., R.A. Volz, D.H. Johnson, D. Tesar, J.C. Trinkle, y C.R.
Price (1993), «Network-based Infrastructure for Distributed Remote Operations
and Robotics Research», IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 9,
n.º 5, págs. 702-704.
McDowell, C.E., B.R. Montague, M.R. Allen, E.A. Baldwin, y M.E.
Montoreano (1998), «JAVACAM: Trimming Java Down to Size», IEEE Internet
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Overstreet, J. W y A. Tzes (1999), «An Internet Based Real-Time Control
Engineering Laboratory», IEEE Control Systems, Vol. 19, n.º 5, pág. 19-34.
Sheridan, T.B. (1993), «Space Teleoperation Through Time Delay: Review
and Prognosis», IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 9, n.º 5, pág.
592-606.