Artículo de Investigación. Revista Killkana Técnica. Vol. 1, No. 2, pp. 15-20, Mayo-Agosto, 2017. p-ISSN 2528-8024 / e-ISSN 2588-0888. Universidad Católica de Cuenca
Universidad Católica de Cuenca Azogues, 030102, Ecuador asquevedos@ucacue.edu.ec
La Empresa Pública de Agua Potable y Alcantarillado de Azogues (EMAPAL E.P.), registra pérdidas debido a fugas en la infraestructura del 58,46 % de su producción anual, esto en términos monetarios significa una pérdida de $ 740,076.48 por año. A pesar de que se han desarrollado técnicas y procedimientos para minimizar las pérdidas y detectar fugas, este es un problema común en países en desarrollo. El propósito de este trabajo es implementar una aplicación móvil que utilice la Realidad Aumentada (RA) como técnica para capturar información primaria en la navegación, que permita localizar oportunamente las válvulas de aislamiento de la red de distribución para la reparación de daños que provocan las fugas. La aplicación se desarrolló con el framework libre y de código abierto Apache Cordova que combina el uso de tecnología web HTML, CSS, Javascript y nativas de la plataforma del dispositivo móvil. Como resultado se obtuvo una aplicación que captura datos del entorno de manera constante aumentando la información de la realidad con etiquetas georeferenciadas en la pantalla del dispositivo recuperadas desde la base de datos geográfica Spatialite-Android embebida en el dispositivo. El uso del Sistema Basado en Localización (SBL) con RA para la ubicación de válvulas evidenció una mejora en este procesos en un 32 %.
The Potable Water and Sewerage Public Company of Azogues (EMAPAL E.P.) registers losses of 58.46% on its annual production due to leaks on its infrastructure, which, in monetary terms, can be translated into a loss of $ 740,076.48 per year. Although different techniques and procedures have been developed to minimize losses and to detect water leaks, this is a common problem in developing countries. The purpose of this work is to implement a mobile application using Augmented Reality (AR) as a technique for collecting primary information in navigation, so as to timely locate isolation valves of the distribution system, in order to repair the damages caused by water leakage. The application was developed with the Apache Cordova free and open source framework, which combines the HTML, CSS, Javascript and nativas web technologies of the mobile device’s platform. As a result, an application that constantly captures information from the environment, augmenting the information of reality by using geo-referenced labels on the device’s screen, was obtained. These labels are retrieved from the Spatialite-Android geographic database, embedded in the device. The use of location Based System (LBS) with RA for valves location, has evidenced a 32% improvement in this process.
L
A Empresa Pública de Agua Potable y Alcantarillado de Azogues (EMAPAL E.P.), registra un total de 9990 usuarios con conexión domiciliaria de agua potable, y atiende al 57,34 % del total de predios del cantón, con una producción de 5,799,965.00 m3 de agua potable por año, con un promedio de pérdida de agua de 3,363,984.00 m3, es decir 58,46 % al año [1]. Entre varias de las causas de la pérdida se encuentra la detección tardía de las fugas de agua y el desgaste de tiempo en la búsqueda de las válvulas,
que permiten aislar el daño para corregir el problema, esto debido a que la localización de los accesorios se realiza de forma empírica.
Las pérdidas en la ciudad de Azogues desde un punto de
vista financiero representan una pérdida comercial prome- dio de $0,22 por cada m3 producido, es decir, una pérdida monetaria anual de $740,076.48 [3].
En un escenario común cuando se detecta un falla, generalmente un técnico de operación y mantenimiento de la EMAPAL E.P., emplea la localización empírica de los accesorios de la red de distribución, mediante un proceso de prueba y error, por esta razón el operario pierde tiempo recorriendo la red hasta la válvula correcta.
Además de las técnicas para la detección de fugas, existen procedimientos para su localización, a través de los cuales es posible identificar el lugar en la red de distribución en donde se produce la pérdida. Ya que gran parte de las pérdidas se producen debido a fallos por defectos en la infraestructura también existen estrategias para su locali- zación que dependen de: su ámbito de aplicación, rango de detección, eficacia del método y eficiencia volumétrica [4]. Una vez que se ha diferenciado los tipos de pérdidas y conociendo que existen técnicas para la detección y pro- cedimientos para la localización de fugas, estas fuentes no tratan como localizar las válvulas para realizar el aislamien- to de las fugas, para proceder con su reparación. Si bien es cierto, en la técnica de detección por sectores hídricos, se menciona, que es necesario disponer de un inventario de red de distribución, no se hace énfasis, en cómo utilizar este
inventario para la detección de los componentes de la red.
Desde el punto de vista de la ciencia de la información geográfica, la detección de las válvulas puede ser visto como un problema de navegación en búsqueda de un objeto en en el espacio geográfico.
primarias constituyen información que puede ser captada con nuestros sentidos desde el entorno en el cual nos encontramos inmersos [7], por ejemplo todos los elementos que podemos captar con nuestros ojos nos proveen de conocimiento del espacio en el que nos encontramos. Por otra parte, una fuente secundaria es información que se puede obtener sin inmersión en el entorno, por ejemplo consultando un mapa de lugares a visitar mientras nos encontramos en un hotel [6].
Los sistemas de navegación tradicionales presentan la información del entorno en forma de gráficos abstractos como mapas impresos o digitales [8], por esta razón el usuario tiene que fijarse en su entorno constantemente para entender la información que el mapa representa [7].
Un SBL proporciona información mediante un dispo- sitivo que es capaz de conocer su ubicación geográfica y modificar la información proporcionada conforme cambia su ubicación [7]. Los sistemas de navegación tradicionales son SBL que presentan la información en mapas digitales de calles y puntos de interés (POI). Los POI son lugares conocidos que se encuentra en el entorno del usuario [9]. OSMAND es una aplicación LBS para dispositivos móviles que presenta información de POIs y callejeros en función de la posición geográfica del dispositivo.
El desarrollo de la siguiente generación de SBL tienden al uso de la RA [10]. Según [11] la RA combina la realidad con objetos virtuales en tiempo real. Los objetos virtuales son contenidos digitales generados por computadora para aumentar la información acerca de los elementos del en- torno real [12].
La RA detecta objetos específicos del entorno real me- diante el reconocimiento de marcadores e imágenes a través de la cámara, o por su ubicación geográfica mediante el uso del GPS [13], presentando anotaciones georeferenciadas sobre los objetos reales del entorno capturados mediante la cámara del dispositivo, por lo tanto la RA se puede utilizar como técnica para capturar información primaria y aumentar la percepción del usuario mostrando información adicional de los elementos del entorno [6], permitiendo capturar información primaria de manera constante a través del dispositivo y aumentar esta información con contenido digital presentado en la pantalla del dispositivo [8].
El estándar de lenguaje de marcado para realidad au- mentada ARML 2.01 fue desarrollando por el consorcio geoespacial abierto OGC2, y concebido como un formato para describir los objetos virtuales y su posicionamiento sobre los objetos de la realidad. El estándar además deter- mina que es necesario que el dispositivo en donde se desea implementar una escena de RA debe contar con sensores de orientación, GPS y cámara [14].
Las capacidades de procesamiento que poseen en la actualidad los dispositivos móviles y los componentes que portan como cámara, acelerómetro y GPS, hacen que sea posible el desarrollo de aplicaciones RA basadas en locali-
1Augmented Reality Markup Language 2.0
2Open Geospatial Consortium
zación [15].
El objetivo de este trabajo es implementar un prototi- po de navegación con RA utilizando estándares para la creación de una aplicación móvil que capture información primaria y aumente la percepción del entorno durante la navegación, mejorando las capacidades sensoriales bioló- gicas del usuario con contenido sintético generado por computador para que este pueda entender de mejor manera su entorno y que permita optimizar la localización de las válvulas de aislamiento para la reparación de las fugas en la infraestructura de distribución del agua potable.
Android
RA APP
Extracción de válvulas
10:10
Internet
Google Maps
METODOLOGÍA
El enfoque de este trabajo es la creación de un prototipo de aplicación móvil con RA, que permita la localización geográfica, rutas de llegada y descripción de válvulas que se encuentran situados en una red de distribución de agua potable. En el contexto de este trabajo se toma como refe- rencia la empresa de agua potable de la ciudad de Azogues EMAPAL E.P.
Del personal que labora en la empresa EMAPAL E.P., los únicos con la capacidad de operar y manipular las redes de
Spatialite
FIG. 1. Arquitectura de la aplicación. Fuente: Autor
Migración
agua potable son los trabajadores de los departamentos téc- nico y de planificación; dando un total de 6 los encargados de esta labor.
Para realizar las pruebas del proceso de identificación de válvulas se crea una ficha de observación (ver Tabla I), que recoge el número de intentos que le toma a cada técnico en identificar dos válvulas aleatorias por medio de un proceso manual y dos válvulas adicionales con el proceso de RA.
tenga soporte geográfico y que opere en un dispositivo
móvil. El proceso de migración sin importar la fuente de los datos ya sea un archivos plano o en una base de datos geográfica, se ejecuta usando dos herramientas SIG, La herramienta QGIS3 para la carga, procesa- miento y migración de los datos y la base de datos SpatiaLite4, que almacena los datos geográficos y que puede ser transferida a un sistema operativo móvil para su uso. En la empresa EMAPAL E.P.; la migración se
TABLA I
realiza desde una base datos Postgis
; hacia la base de
INTENTO PARA ENCONTRAR VÁLVULA | |||||
MANUAL | REALIDAD AUMENTADA | ||||
VALVULA 1 | VALVULA 2 | VALVULA 3 | VALVULA 4 | ||
Técnico 1 | |||||
Técnico 2 | |||||
Técnico 3 | |||||
Técnico 4 | |||||
Técnico 5 | |||||
Técnico 6 | |||||
FICHA PARA TOMAR RESULTADOS DE INTENTOS. Fuente: Autor
La arquitectura propuesta en este trabajo tiene la intención de mostrar en un dispositivo móvil un proceso de realidad aumentada para la localización geográfica, rutas de llegada y descripción de válvulas que se encuentran situados en una red de distribución de agua potable, tomando como base la información cartográfica generada por las empresas que distribuyen el líquido vital. La Figura
1 muestra la arquitectura prevista y a continuación se describe el proceso a seguir:
Migración de datos: El objetivo principal de este paso, es la migración de los datos geográficos correspondien- tes a las válvulas de agua, hacia una base de datos que
datos Spatialite, utilizando el sistema de información
geográfico QGIS con su complemento qspatialite6 . Los accesorios contienen datos geográficos de latitud, longitud, altura y una descripción alfanumérica de los accesorios.
Extracción de válvulas: El objetivo de este proceso es la extracción de información de las válvulas conside- rando lo siguiente: Seleccionar la descripción, latitud, longitud y la distancia desde el dispositivo hasta la válvula; finalmente ordenar los datos por la distancia de menor a mayor. La Figura 2, muestra el código SQL utilizado para obtener los datos.
Realidad aumentada: Para el proceso de RA es necesa- rio crear una aplicación móvil que permita la navega- ción en entornos preparados, para la ejecución de estas actividades se han usado las siguientes herramientas: Apache Cordova como framework para el desarrollo de la aplicación; SDK Wikitude para capturar y aumen- tar la información primaria del entorno por último el pluguin Android-Spatialite para el acceso a la base de datos geográfica.
4https://www.gaia-gis.it/fossil/libspatialite/index 5http://postgis.net/
6https://plugins.qgis.org/plugins/QspatiaLite/
ST_AsText ( ST_ Transform ( Geometry , 4 3 2 6 ) ) , 1 2 )
s t _ t r a n s f o r m ( geomfromtext ( \ ’ POINT ( ’ ? l o n g i t u d ’ ? l a t i t u d ’ ) \ ’ , 4 3 2 6 ) , 3 2717 ) ) AS d i s t a n c i a
FROM v a l v u l a o r d e r by d i s t a n c i a ;
FIG. 2. SQL para extracción de válvulas. Fuente: Autor
Rutas de llegada. El cálculo de la mejor ruta desde el punto de ubicación del dispositivo, hasta la válvula se- leccionada por el usuario; se realiza con la integración del API de rutas de google, para esto se construye un enlace web apuntando a los servidores de google que incluye la longitud y latitud del punto de partida y el punto de llegada.
En esta etapa se determinan las herramientas más impor- tantes y arquitectura empleadas para la implementación del prototipo.
RESULTADOS
En esta sección se describe los resultados de la creación de la aplicación con realidad aumentada y se realiza un análisis de la eficiencia del mismo frente al proceso manual.
La aplicación RA cuenta con diversas prestaciones que permiten una mejor interacción con el usuario (Figura 3), tales como: la aumentación de las válvulas, la distancia y la descripción de la válvula, además cuenta con una brújula que sirve como instrumento de orientación.
FIG. 3. Aplicación RA. Fuente: Autor
FIG. 4. Aplicación RA - Ruta. Fuente: Autor
Para el análisis de la eficiencia, se realizan las pruebas respectivas, llenando la Ficha I con los resultados que muestran la Tabla. III, para ello 6 técnicos de la EMAPAL
E.P. proceden a la búsqueda empírica de 2 válvulas, al cual le llamamos proceso manual, seguido una búsqueda de 2 válvulas a través de la Aplicación RA.
En el contexto de estos resultados, se muestra al Técnico 1 que en el proceso manual realiza 5 y 4 intentos para identificar las válvulas 1 y 2, respectivamente; mientras que con la aplicación RA, se obtiene al primer intento en el hallazgo de las válvulas 3 y 4. Para ver los datos de una mejor manera se construye un gráfico de araña (Figura 5), que indica qué proceso de localización muestra un mejor desempeño.
La Tabla III muestra los resultados consolidados y que se encuentran organizados por el número de intentos, tanto con el proceso manual como con RA. Así por ejemplo, se muestra en la primera fila que, 8 búsquedas fueron efectivas al primer intento con el proceso manual y 9 veces con RA. Considerando que el ideal de búsquedas al primer intento es de 12, debido a que son 6 técnicos que localizan 2 válvulas.
TABLA II
RESULTADOS DE INTENTOS. Fuente: Autor
TABLA III
PROCESAMIENTO DE RESULTADOS. Fuente: Autor
INTENTOS PARA ENCONTRAR VÁLVULA | ||||
MANUAL | REALIDAD AUMENTADA | |||
VALVULA 1 | VALVULA 2 | VALVULA 3 | VALVULA 4 | |
Técnico 1 | 5 | 4 | 1 | 1 |
Técnico 2 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Técnico 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Técnico 4 | 3 | 1 | 1 | 2 |
Técnico 5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Técnico 6 | 5 | 1 | 2 | 2 |
INTENTOS | MANUAL | RA | TOT. MANUAL | TOT. RA | IDEAL |
1 | 8 | 9 | 8 | 9 | 12 |
2 | 0 | 3 | 0 | 6 | 0 |
3 | 1 | 0 | 3 | 0 | 0 |
4 | 1 | 0 | 4 | 0 | 0 |
5 | 2 | 0 | 10 | 0 | 0 |
TOTAL | 25 | 15 | 12 | ||
PORCENTAJE | 48 % | 80 % | 100 % |
Técnico 6
Técnico 5
Técnico 1
5
4
3
2
1
0
Técnico 4
Técnico 2
Técnico 3
Contrariamente a que la aplicación se encuentra desa- rrollada con el framework Apache Cordova, que permite el desarrollo de aplicaciones híbridas multiplataforma[16], el uso de la base de datos geográfica Spatialite-android limita su uso a dispositivos con sistema operativo Android.
Cuando se recupera una gran cantidad de POIs y se presentan en la pantalla mediante etiquetas, estos saturan la pantalla del dispositivo. Por esta razón fue necesario limitar la consulta SQL a las 25 válvulas más cercana al dispositivo. Wikitude además provee de una herramienta
Intentos PROCESO MANUAL Intentos REALIDAD AUMENTADA
FIG. 5. Resultados de intentos. Fuente: Autor
Gráficamente se puede observar en la Figura 6 que la eficiencia de localización de válvulas mediante la RA es significativamente mayor que hacerlo a través del proceso manual.
EFICIENCIA DEL MÉTODO DE BÚSQUEDA
PROCESO MANUAL 48%
REALIDAD AUMENTADA 80%
FIG. 6. Eficiencia del sistema. Fuente: Autor
DISCUSIÓN
El prototipo implementado contribuye a la consecución del objetivo principal que es el desarrollar una aplicación que utilice la técnica de la realidad aumentada para capturar información primaria durante la navegación exploratoria.
Durante el desarrollo del prototipo resultó complejo integrar todas las herramientas a utilizar y conseguir su fun-
adicional que permite reducir la cantidad de POIs que se muestran en la pantalla en función de su distancia relativa a la ubicación del dispositivo.
El funcionamiento del prototipo se encuentra limitado también por la precisión del GPS, cuando la aplicación realiza la aumentación de los POIs que se encuentran a más o menos cinco metros de distancia de la ubicación actual del dispositivo, los marcadores empiezan a cambiar su posición en la pantalla de forma arbitraria.
Concluida la implementación el prototipo, este evidencia que la realidad aumentada puede ser utilizada como técnica en el desarrollo de aplicaciones LBS como lo afirma [10], permite capturar la información del entorno de manera constante y aumenta la comprensión del mismo presen- tando en la pantalla del dispositivo información adicional recuperada de la base de datos en forma de etiquetas geore- ferenciadas de manera combinada con la realidad capturada por la cámara del dispositivo demostrando lo planteado por [13, 6, 6].
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De acuerdo a los datos obtenidos y procesados se puede identificar que el proceso de localización con RA es un 32 % más eficiente que el proceso manual, estos datos pueden variar si se aplica un mayor factor de confianza para la determinación de la muestra al momento de recoger la información, puesto que este trabajo se limitó a una muestra muy pequeña por falta de disponibilidad de los técnicos de la EMAPAL E.P. Se recomienda repetir el proceso de localización de válvulas descrito anteriormente con un intervalo de confianza de al menos el 90 %, para obtener porcentajes de eficiencia definitivos.
REFERENCIAS
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[20] G. Kipper and J. Rampolla, Augmented Reality: an emerging technologies guide to AR. Elsevier, 2012.
Recibido: 15 de junio de 2017
Aceptado: 30 de agosto de 2017
Sebastian Quevedo: Ingeniero de Sistemas, docente en la Facultad de Tecnologías de la Información y Comunicación de la Universidad Católica de Cuenca.
Martin Zhindon: Cuenta con experiencia en la implemen- tación de sistemas de información empresariales y geográ- ficos. Interesado en la ciencia y sistemas de información geográfico en cuidados de la salud.Correo electrónico: mgzhindonm@ucacue.edu.ec
Paul Mata: Ingeniero Electrónico, docente en la Facul- dad de Ingeniería, Construcción e Industria de la Uni- versidad Católica de Cuenca. Correo electrónico: jpma- taq@ucacue.edu.ec