SISTEMA BASADO EN IOT PARA
MONITOREAR Y DETECTAR ANOMALÍAS
EN LA VÍA DEL FERROCARRIL
IOT-BASED SYSTEM TO MONITORING AND DETECT
ANOMALIES ON THE RAILWAY TRACK GAUGE
Ariel Ramiro Mamani Tola
Universidad Privada Domingo Savio Potosí, Bolivia
pág. 4602
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i2.10882
Sistema Basado en IoT para Monitorear y Detectar Anomalías en la Vía del
Ferrocarril
Ariel Ramiro Mamani Tola1
arielr.mat@gmail.com
https://orcid.org/0009-0009-4304-738X
Universidad Privada Domingo Savio Potosí
Bolivia
RESUMEN
El presente artículo propone una aplicación basada en IoT (Internet de las cosas) para monitorear la
distancia de la separación entre los rieles de una vía de ferrocarril, esta distancia es conocida como
trocha y cuando la trocha es abierta o de un valor superior al permitido, representa uno de los principales
factores de riesgo para los descarrilamientos de los trenes. La trocha abierta llega a producirse debido
a la fuerza y el peso con el que circulan los trenes sumados al desgaste de los rieles y también a factores
climatológicos (altas temperaturas que dilatan las rieles); el sistema propuesto pretende identificar la
distancia de la trocha mediante sensores especializados los cuales apoyados con un servidor en la nube
y un módulo GPS permitirán recolectar información respecto a la longitud de la trocha. Esta
información, recolectada a tiempo, permitirá aplicar mecanismos de corrección y mantenimiento en la
vía férrea para reducir los riesgos de descarrilamientos que puedan llegar a producirse cuando la trocha
presenta anomalías (trocha abierta) o cuando las rieles han sufrido un desgaste considerable. En ese
sentido, se presenta también un entorno experimental construido mediante tecnología Arduino para
verificar los resultados del sistema propuesto.
Palabras Clave: internet de las cosas, Arduino mega, rectificación de curvas de ferrocarril,
descarrilamiento
1
Autor principal
Correspondencia: arielr.mat@gmail.com
pág. 4603
IoT-based System to Monitoring and Detect Anomalies on the Railway
Track Gauge
ABSTRACT
This article proposes an application based on IoT (Internet of Things) to monitor the distance of the
separation between the rails of a railway track, this distance is known as gauge and when the gauge is
open or it value is greater than allowed represents one of the main risk factors for train derailments. The
open gauge occurs due to the force and weight which trains transits the railway, added to the wear of
the rails and also to climatic factors (high temperatures that expand the rails); The proposed system
aims to identify the distance of the trail through specialized sensors which, supported by a cloud server
and a GPS module, will allow information to be collected regarding the length of the trail. This
information, collected in time, will allow correction and maintenance mechanisms to be applied to the
railway to reduce the risks of derailments that may occur when the gauge presents anomalies (open
gauge) or when the rails have suffered considerable wear. In this sense, is also presented an experimental
environment builted with Arduino technology to verify the results of the proposed system.
Keywords: internet of things, Arduino mega, track gauge correction, derailment
Artículo recibido 20 febrero 2024
Aceptado para publicación: 28 marzo 2024
pág. 4604
INTRODUCCIÓN
El ferrocarril en Bolivia ha sido (y es aún hoy en día) uno de los pilares fundamentales en su desarrollo,
incluso hoy en día donde los sistemas de transporte son tan diversos y el ferrocarril pareciese relegado
solamente al transporte de carga, es en este rubro donde se produce su mayor aporte al país ya que el
servicio de carga provisto por los ferrocarriles es parte vital en el proceso de exportación de minerales.
El sistema ferroviario en Bolivia está compuesto por dos redes ferroviarias, la red occidental y la red
oriental, administradas por las empresas Ferroviaria Andina y Ferroviaria Oriental respectivamente. Es
precisamente en el sector occidental de los ferrocarriles administrado por la empresa Ferroviaria Andina
S.A. donde el mayor volumen de carga es transportado, ya que una de las principales actividades de la
mencionada empresa es el transporte de cargas de minerales, pilar de la exportación de minerales que
es una de las principales actividades económicas de nuestro país. Según datos de la empresa Ferroviaria
Andina S.A. en la gestión 2022, llego a transportar 721,398 toneladas de carga mineral contribuyendo
a la recaudación de más de 13.653 millones de dólares por concepto de exportación de minerales (FCA,
2022).
Siendo evidente el aporte del transporte ferroviario para la economía boliviana, se hace necesario
garantizar el buen funcionamiento del sistema de transporte ferroviario evitando en lo posible
descarrilamientos que tienen como consecuencia inmediata el retraso en el transporte de carga y a un
plazo mayor la reducción de volumen de carga transportada lo que significaría una reducción en las
recaudaciones por exportaciones mineras. Una de las principales razones para los descarrilamientos es
el estado de la vía, en ese sentido, el tráfico de los trenes de carga genera una cantidad significante de
fuerza causando que la trocha o distancia entre las rieles sea mayor a los límites permitidos
convirtiéndose en un riesgo para posibles descarrilamientos, este inconveniente se produce
generalmente en curvas donde, debido a la fuerza centrífuga producto de la inercia del movimiento del
tren, la riel exterior en la curva es la que recibe la mayor carga de fuerza y como consecuencia esta riel
tiende a salir de su posición original generando el incremento de la trocha, a pesar de que el peralte
(ligera inclinación de la riel externa por sobre la riel interna) es un elemento de diseño pensado en
contrarrestar la fuerza centrífuga, el desgaste que sufre la vía férrea, en especial en los sectores de
curvas, es constante por lo que se requiere un mantenimiento constante. En ese sentido, existen diversas
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herramientas construidas para en un principio medir el ancho de la trocha de las vías férreas y luego
tomar las acciones correctivas necesarias, la regla analógica es una de ellas, es una herramienta de uso
manual que debe ajustarse entre las rieles de la vía y se debe registrar de forma manual la distancia de
la trocha, esta herramienta es la forma básica de medir la distancia de la trocha, sin embargo su
utilización, supone un arduo trabajo manual de parte del operador, ya que debe recorrer toda la vía y
medir la trocha en tramos equidistantes (flechas). Así mismo, gracias a la experiencia de los trabajadores
ferroviarios se ha ideado formas prácticas de medir la trocha para un trabajo más eficiente, la siguiente
figura1 muestra un carro adaptado a partir de partes de vehículos de ferrocarril en desuso y construido
con un ancho fijo entre sus ruedas que mide el ancho exacto que debe tener una trocha, este vehículo
debe ser empujado y si alguno de los lados (las ruedas) se cae del riel, significa que ese lado de la vía
es el que se ha desviado de su posición generando una trocha abierta.
Figura 1. Carro adaptado para medir la trocha de la vía férrea
Nota. Adaptado del informe de gestión del Ing. Adrián Mamani, supervisor de distrito Potosí, 2015
Algunas otras soluciones implican tecnologías mucho más complejas a partir de empresas dedicadas a
construir maquinaria especializada en resolver la problemática de la trocha abierta, por ejemplo, la
empresa Matisa (https://www.matisaesp.com/) es una empresa suiza dedicada a la reparación y
mantenimiento de maquinaria de vía férrea, sin embargo no es una tecnología de fácil acceso para el
medio local ya que dicha empresa opera principalmente en países Europeos y traer un equipo de esas
características implicaría un gasto extra debido a temas de importación. Es en ese sentido que surge la
necesidad de plantear mecanismos que permitan primero recolectar información del estado actual de
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las vías férreas para luego plantear acciones correctivas garantizando el buen funcionamiento de los
servicios de transporte por ferrocarril. Los diversos avances tecnológicos en ciencias de la computación,
así como en redes y telecomunicaciones y la electrónica han permitido contar hoy en día con
herramientas capaces de automatizar procesos que hasta hace unos años atrás solamente se podían
realizar de forma manual, sumado a esto, la gran capacidad de conexión que ofrecen las tecnologías de
telecomunicaciones permite dotar de conectividad a prácticamente cualquier dispositivo o herramienta.
Es el campo del IoT (Internet of Things) o Internet de las cosas el cual se ha encargado de proporcionar
los pilares para permitir crear herramientas de automatización con capacidad de conexión a Internet. Es
en ese sentido que el presente artículo tiene como objetivo, presentar una propuesta basada en IoT para
monitorear el estado de la trocha en vías férreas a partir de una placa Arduino, un Sensor ultrasónico y
un módulo GPS/GPRS que permita recolectar la información en tiempo real de la vía y enviarlo a un
servidor por medio de una conexión a Internet. Al respecto, habiendo revisado bibliografía y trabajos
similares, se encontraron antecedentes como el de Chellaswamya et al. que propusieron un sistema
basado en IoT pensado en diagnosticar el estado general de la vía férrea a partir de la aplicación de un
acelerómetro (Chellaswamy, Geetha, Vanathi, & Venkatachalam, 2021) y el trabajo de Ramos
Castañeda et al. que presentaron el diseño de un equipo de medición del desnivel en una línea ferroviaria
(Ramos Castañeda, Panesso Narváez, Gil Peláez, & Claros Lamus, 2015). Los alcances propuestos en
el presente trabajo se delimitan a partir de la configuración y codificación de los módulos Arduino Mega
2560 R3, Sensor Ultrasónico HC SR04, Módulo SIM 808 GPS/GPRS.
METODOLOGÍA
La presente investigación tiene un enfoque mixto ya que incluye características de los enfoques
cualitativo y cuantitativo. (Grinnell, 1997), citado por (Hernández Sampieri, Fernández Collado, &
Baptista Lucio, 2014) menciona al respecto que ambos enfoques (cualitativo y cuantitativo) utilizan
cinco etapas similares:
1. Llevan a cabo la observación y evaluación de fenómenos.
2. Establecen suposiciones o ideas como consecuencia de la observación y evaluación realizadas.
3. Demuestran el grado en que las suposiciones o ideas tienen fundamento.
4. Revisan tales suposiciones o ideas sobre la base de las pruebas o del análisis.
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5. Proponen nuevas observaciones y evaluaciones para esclarecer, modificar y fundamentar las
suposiciones e ideas o incluso para generar otras.
En tal sentido, el presenta trabajo realiza en principio una descripción del problema del monitoreo y
detección de anomalías en la vía férrea, de forma específica las anomalías en la trocha de la vía,
posteriormente se plantea una propuesta de solución a partir de herramientas IoT mediante un prototipo
que podría ofrecer una alternativa de solución al monitero y detección de anomalías en la trocha de la
vía férrea
DESARROLLO
El sistema propuesto para la monitorización de vías férreas basa su funcionamiento en los
principios de mantenimiento del ferrocarril de los cuales se obtiene el conocimiento necesario
para plantear en principio el armado y configuración de la placa Arduino y de los sensores
necesarios para recolectar la información necesaria y posteriormente plantear el diseño de la
herramienta de medición que debería funcionar en la vía férrea para monitorearla. En ese
sentido, se presenta primero los fundamentos necesarios relacionados al diseño de vías férreas
y su mantenimiento, y a continuación se describen las tecnologías requeridas para construir
el sistema de monitoreo basado en IoT, su configuración, armado y también el diseño de la
herramienta de medición sobre la cual se tiene pensado su funcionamiento.
Características de la vía férrea
El ferrocarril es un sistema de transporte en el que los vehículos se transportan en un
solo sentido por sobre la vía por medio de la interacción de dos elementos metálicos, la rueda
y el riel, debido a esta interacción es que la adherencia de la rueda a los rieles juega un papel
importante para poder transmitir los esfuerzos de tracción adecuadamente. La vía férrea está constituida
por la infraestructura, formada por la plataforma y por la superestructura, formada por el riel, los
durmientes, fijaciones y el balasto (Viceministerio de transportes, Estado plurinacional de Bolivia,
2020).
Las anomalías que se producen en la vía férrea afectan principalmente a la superestructura que es la
parte de la vía férrea que mantiene un contacto directo con la locomotora del tren y los vagones que
transportan la carga, específicamente, son las rieles quienes llegan a recibir todo el impacto de la fuerza
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del movimiento del tren y el peso de su carga. Los rieles se encuentran montados sobre una
superestructura que se compone también de:
▪ Balasto que es la capa de material sobre la que se arma la estructura de la vía, generalmente lleva
un espesor de 10 a 30 cm compuesto de piedra partida ripios arenosos y tierra, aunque en muchos
casos solamente se prepara el terreno en el cual se armara la estructura de las Rieles.
▪ Durmientes, es uno de los componentes fundamentales en la estructura de vía, construido
generalmente a partir de madera dura, es una pieza rectangular paralelepípeda sobre la cual
descansan los rieles de la vía
▪ Rieles, es elemento principal de la vía férrea ya que cumple simultáneamente las funciones de guiar
al tren (camino) y sostener su carga, considerando que los trenes de carga pueden llegar a transportar
hasta 35 toneladas por eje. En función a la topografía del lugar donde se arme la superestructura de
la vía, los rieles pueden verse exigidos a cargas elevadas lo cual produce un inminente desgaste en
su estructura y también una deformación en su armado.
▪ Fijaciones, son los materiales que se encargan de fijar los rieles a los durmientes
Al momento de armar los rieles en la superestructura, se consideran varios aspectos, pero los más
importantes son la trocha y el peralte que se encargan de evitar que las ruedas del tren y los vagones de
cargan se descarrilen. La norma para ferroviarias NB 192:1977 plantea un ancho de trocha de 1000mm
para vehículos con ejes de acero (trenes y vagones) (IBNORCA, 1977), también se define como trocha
al ancho de vía o la distancia entre los dos rieles o carriles de una vía férrea. Todos los vehículos de una
red ferroviaria deben tener juegos de ruedas compatibles con el ancho de vía, ya que existen diferentes
anchos de vía que se aplican en todo el mundo. El ancho de trocha de 1000mm corresponde al estándar
de ancho métrico que es uno de los más usados en el mundo. El peralte en una carretera, circuito o vía
férrea, es una elevación mayor de la parte exterior de una curva en relación con la parte interior (Morales
Sosa, 2006). Esa diferencia de cota entre los dos rieles de la vía en curva se produce mediante la
elevación gradual del riel exterior sobre el interior, manteniendo esté a su nivel original en la recta con
el objetivo de:
▪ Producir una mejor distribución de cargas en ambos rieles.
▪ Reducir la degradación y desgaste de los rieles y del material rodante.
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▪ Compensar parcial o totalmente el efecto de la fuerza centrífuga con la consiguiente reducción de
sus consecuencias.
Figura 2. Relación entre Trocha y Peralte en la superestructura de la vía férrea
Nota. La figura muestra como la fuerza centrífuga puede afectar la trocha de la vía llegando a generar anomalías
A pesar de que el peralte tiene como objetivo reducir el desgaste del riel y compensar el efecto de la
fuerza centrífuga, con el transcurrir del tiempo y el paso de los trenes de carga, la trocha siempre tiende
a presentar anomalías (trocha abierta) lo cual debe corregirse lo más antes posible para evitar que sea
un factor de riesgo para los descarrilamientos. Es necesario aclarar que la trocha o ancho de vía tiene
dos distancias, una estática y otra dinámica, la trocha estática es medida cuando sobre la vía férrea no
circula ningún tren por lo tanto no hay ninguna fuerza que se ejerce sobre los rieles, por otro lado, esta
la trocha dinámica que es medida cuando el riel está sujeta a la fuerza producida por la velocidad y el
peso del tren y sus vagones de carga (Civil Engineering Conference, 2001). Esta fuerza aplicada sobre
los rieles es la que produce desgaste en los rieles y va ensanchando la trocha, lo que es inevitable con
el paso del tiempo y la constante circulación de los trenes. Para corregir estos desfase en la trocha, es
importante que en el trabajo de mantenimiento de la vía férrea se logre detectar lo más antes posible
esas anomalías en la trocha y repararlas, en ese sentido, se plantea un escenario donde es posible detectar
anomalías en la trocha de forma rápida y eficiente ofreciendo alternativas a los mecanismos ya descritos
que tienen como común denominador un desarrollo lento de sus actividades además de los posibles
errores que puedan suceder debido a la naturaleza manual del trabajo de detección. La figura 2 refleja
la relación entre los conceptos presentados acerca de la superestructura del ferrocarril.
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Tecnologías IoT
En la actualidad, por más increíble que parezca, hay más dispositivos inteligentes que personas, cada
día, un número cada vez mayor de personas está conectada a Internet prácticamente las 24 horas del
día. Cada persona puede llegar a tener entre tiene dos, tres, o incluso más dispositivos inteligentes, entre
ellos están los teléfonos inteligentes, monitores de ejercicio y salud, lectores electrónicos y tabletas,
entre los más destacados, todo esto es posible gracias a que las redes digitales modernas hacen todo esto
posible. Esta capacidad de conexión permite que los dispositivos digitales se interconecten y transmitan
constantemente, en este sentido, se abre la posibilidad de agregar a este ecosistema dispositivos que no
hayan sido necesariamente diseñados para ofrecer características de conectividad, pero que de tenerlas
se convertirían en herramientas mucho más útiles para el ser humano e.g. refrigeradores que sean
capaces de monitorear el estado de sus suministros, puertas inteligentes que sean capaces de detectar
quienes circulan, tanques de agua que monitorean de forma constante la calidad del agua que almacenan
y sean capaces de informar vía Internet de las cualidades del agua. Las posibilidades son infinitas y
gracias a la gran capacidad de las redes digitales es que ha surgido un nuevo campo de estudio llamado
Internet de las cosas o IoT (del inglés Internet of Things) donde se pueden desarrollar todas las
herramientas descritas gracias a que en la actualidad, los sensores electrónicos están presentes en todas
partes y se integran en infinidad de dispositivos que se han vuelto inteligentes y están conectados en
redes cableadas e inalámbricas, y a su vez a Internet, constituyendo una red global de conectividad total
(Joyanes Aguilar, 2021).
La automatización de procesos ha sido por mucho tiempo un área de estudio aplicado a partir de la
domótica incluso antes de Internet, ya habían empezado a aparecer en el mercado productos domóticos
pensados en automatizar ciertas tareas cotidianas del ser humano, aunque todavía limitadas en sus
cualidades debido a la capacidad de procesamiento de los dispositivos y las limitantes en la capacidad
de las redes digitales. A finales de los años 90 del siglo pasado, las herramientas de automatización
estaban limitadas a sectores industriales debido a los costos que implicaba construir estas herramientas,
posteriormente ya en la década de 2000, nuevos conceptos y técnicas hicieron posible las redes
inalámbricas de sensores/actuadores (WSAN o WSN): como ser pequeñas computadoras alimentadas
por baterías que colaboran para establecer redes inalámbricas (de múltiples saltos) y luego usan dichas
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redes para transportar los datos de sus sensores, o para distribuir los comandos del actuador (Baccelli,
2021). El Internet de las cosas (IoT) es un concepto que permite la comunicación entre dispositivos y
aplicaciones de interconexión en red, mediante la cual objetos físicos o "cosas" se comunican a través
de Internet (Kamal, 2017). Se puede entender como una combinación de sensores y actuadores
proveyendo y recibiendo información por medio de una conexión a una red, se pueden conectar varios
sensores a un objeto o dispositivo para medir una amplia gama de variables o fenómenos físicos y luego
transmitir todos los datos por medio de una red digital. La detección puede entenderse como un modelo
de servicio, esta tecnología permite que hoy en día, dispositivos domésticos convencionales como
refrigeradores o televisores, comprendan capacidades de comunicación y detección. Estas capacidades
aumentarán constantemente mediante la incorporación de herramientas de detección y comunicación
más inteligentes. La siguiente figura refleja la interacción de los pilares del IoT.
Figura 3. Pilares fundamentales de la IoT
Para diseñar una herramienta IoT, se recomienda seguir una arquitectura de 4 capas: Capa de detección
de objetos, capa de intercambio de datos, capa de integración de información y capa de servicio de
aplicaciones (Ma, 2011)
▪ La capa de detección de objetos, contiene los sensores necesarios para detectar objetos físicos y
adquirir información de dichos objetos
▪ En la capa de intercambio de datos ocurre la transmisión de datos a través de una red de
comunicación.
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▪ La capa de integración de información es la encargada de procesar la información adquirida, filtrar
los datos no deseados y principalmente integrar la información en conocimiento utilizable para los
servicios y usuarios finales.
▪ La capa de servicio de aplicaciones es la que provee los servicios de contenido a los usuarios
Si bien, los dispositivos inteligentes (e.g. smartphones) ya pueden conectarse a través de Internet de
forma tradicional, dispositivos IoT incorporan la capa de detección que reduce los requisitos sobre la
capacidad de esos dispositivos y permite la interconexión entre ellos. Los sensores se comunican con
otros dispositivos por medio de la capa de integración de información que es responsable de todas las
comunicaciones y transacciones. En este escenario, surgen nuevos requisitos y desafíos para el
intercambio de datos, filtrar e integrar la información, así como la complejidad de la arquitectura de red.
El uso de tecnologías en la nube está creciendo exponencialmente. En el marco del IoT se ofrecen
nuevas plataformas de infraestructura y aplicaciones de software permitiendo la creación de nuevos
servicios con un rendimiento mejorado y soluciones de valor agregado reduciendo el costo de adquirir
datos por medio de los servicios existentes y la oportunidad de crear nuevas tecnologías en un nuevo
contexto de funcionamiento. Estas aplicaciones pueden orientarse a consumidores, empresas,
comerciales y actividades de toda índole, así como la comunidad científica generando nuevas
oportunidades para los desarrolladores de estas tecnologías. Es evidente que el desarrollo de
herramientas IoT depende en gran medida de los componentes elegidos, los microcontroladores han
sido por mucho tiempo el componente central de la automatización de procesos, sin embargo, los
microcontroladores se ven limitados por muchos aspectos entre los que destacan la limitada capacidad
de procesamiento de los mencionados dispositivos frente a las necesidades que plantean las
herramientas IoT, así mismo, los microcontroladores son dispositivos que no se rigen a un estándar
único de desarrollo lo que dificulta aplicar una metodología única para construir herramientas de
automatización con capacidades IoT. El mismo avance tecnológico ha posibilitado también el desarrollo
de herramientas con mayores capacidades para construir aplicaciones IoT, una de esas herramientas es
la Arduino, una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software fáciles de usar.
Las placas Arduino pueden leer entradas (luz en un sensor, un dedo en un botón o un mensaje de texto
vía SMS) y convertirlas en una salida: activar un motor, encender un LED o publicar algo en línea. Con
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Arduino, se puede construir objetos que pueden responder y/o controlar luces, sonido, gestos y
movimientos. Arduino ha sido usado para crear una sorprendente variedad de cosas, incluyendo
instrumentos musicales, robots, luces, esculturas, juegos, muebles interactivos e incluso ropa interactiva
(Margolis, 2011).
Una de las principales características de Arduino es su facilidad y su bajo costo, existen muchos otros
microcontroladores y plataformas de microcontroladores similares, sin embargo, Arduino simplifica el
proceso de trabajo con microcontroladores a través de una plataforma simple de programación y una
integración con varios otros módulos que ofrecen funcionalidades adicionales. Esta tecnología facilita
el construir aplicaciones de IoT ya que simplifica bastante la complejidad detrás de la automatización
de procesos por medio de componentes electrónicos centrando el proceso de desarrollo a implementar
los servicios solicitados, debido a estas características, esta tecnología es la escogida para proponer un
sistema de monitorización del estado de vías férreas para detectar anomalías en la trocha basado en IoT.
Detección de anomalías en la trocha con tecnología IoT
El sistema propuesto fundamenta su desarrollo a partir de la aplicación de tecnología Arduino y módulos
que ofrecen servicios de conexión a la red que convierten la aplicación propuesta en una aplicación IoT,
así como el módulo necesario para obtener la distancia entre la trocha. El diseño propuesto sigue los
lineamientos de la arquitectura de 4 capas analizada en el anterior epígrafe, donde cada capa esta
implementada a partir de los diferentes componentes elegidos, finalmente se propone recolectar la
información a partir de un servicio web implementado en la nube donde la aplicación IoT debe
recolectar la información de la trocha medida en la vía férrea y la ubicación donde fue obtenida a partir
de la utilización de servicios GPS. El presente trabajo muestra el estado del arte de la propuesta descrita
a partir de la configuración y la programación de los componentes mencionados, así como los detalles
del servicio web encargado de recolectar la información, para tal efecto las tecnologías utilizadas para
construir el servicio web son el lenguaje de programación PHP y la base de datos MySQL por ser las
tecnologías sencillas y fáciles de usar además de ofrecer alto rendimiento, bajo costo tanto en desarrollo
como en implementación, portabilidad e independencia de plataforma de sistema operativo (Welling &
Thomson, 2003)
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En base a la tecnología descrita se implementara un servicio en un servidor web en la nube que será
capaz de consumir la información generada por la aplicación IoT, ambas tecnologías (el servicio Web
construido en PHP-MySQL y la aplicación IoT construida con Arduino) interactuaran la una con la otra
para recolectar la información del estado de la vía férrea permitiendo detectar posibles anomalías en el
ancho de la vía (trocha), la figura 4 presenta un esquema del funcionamiento de las mencionadas
tecnologías.
Figura 4. Diagrama del sistema propuesto
Como se puede apreciar en la figura anterior, se propone integrar el sistema propuesto a los vehículos
de inspección de vía conocidos como ‘carriles’ o ‘zorras’ anexados a su parte trasera, a partir de ahí se
ira recolectando información de la trocha de la vía recorrida enviando por medio de conexión GPRS
(red de datos telefónica) la información recolectada más la ubicación GPS. Un servicio Web será el
encargado de recibir la información recolectada y almacenarlo en una base de datos para su análisis y
procesamiento. Para la construcción de la herramienta IoT propuesta se propone utilizar los siguientes
elementos:
▪ Arduino Mega 2560 R3
▪ Sensor Ultrasónico HC SR04
▪ Módulo SIM 808 GPS/GPRS
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Arduino Mega 2560 R3, la placa Arduino Mega 2560 es una placa de desarrollo dedicada a crear
aplicaciones extensas en comparación con otras placas similares, destaca por su gran rendimiento y
durabilidad. La placa alberga el microcontrolador ATmega2560, que funciona a una frecuencia de 16
MHz, contiene 54 pines de entrada/salidas digitales, 16 entradas analógicas, 4 UART (puertos serie de
hardware), una conexión USB, un conector de alimentación, un encabezado ICSP y un botón de reinicio.
Así mismo, esta placa viene con un conjunto mucho más grande de entradas y salidas en comparación
con las placas Arduino tradicionales integrando funcionalidades de conexión por medio de módulos de
conexión inalámbrica. Respecto a su rendimiento, la placa Arduino Mega 2560 puede operar en
temperaturas que oscilen entre el rango de -40°C y 85°C como máximo, respecto a su consumo de
energía, tiene un voltaje de trabajo de 5V y su voltaje de entrada esta entre 7.5 a 12 V. La siguiente
figura muestra el detalle de la topología de la placa Arduino Mega 2560
Figura 5. Topología de la placa Arduino Mega 2560
Nota. La figura fue adaptada de la documentación oficial de la placa Arduino Mega
Sensor Ultrasónico HC SR04, para verificar la distancia de la trocha es necesario un mecanismo que
sea capaz de funcionar en las condiciones donde se encuentra la vía férrea y además debe proporcionar
datos que sean confiables, al respecto existen varias tecnologías sin embargo consideramos aquellas que
son compatibles con la tecnología Arduino, en ese sentido las tecnologías de sensores de distancia a
considerar son los sensores ópticos y los sensores ultrasónicos. Los sensores ópticos o fotoeléctricos
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son capaces de detectar objetos a distancia, a través del cambio de intensidad de luz, sin embargo, su
rango de detección esta limitado a 1000mm lo que significa una desventaja ya que la distancia de la
trocha puede llegar a medir una distancia mayor cuando experimenta anomalías (trocha abierta), así
mismo, los sensores ópticos se ven afectados por condiciones de polvo y agua. Por otro lado, los
sensores ultrasónicos miden la distancia por medio de ondas ultrasónicas, están compuestos por 2
componentes, un cabezal que emite una onda ultrasónica y el segundo cabezal que se encarga de recibir
la onda reflejada que retorna desde el objeto, esta técnica permite medir la distancia al objeto contando
el tiempo entre la emisión y la recepción. Para obtener la distancia, estos sensores utilizan la siguiente
fórmula 𝐿 = 1
2𝑇𝐶, donde L es la distancia, T es el tiempo entre la emisión y la recepción, y C es la
velocidad del sonido, el valor se multiplica por 1/2 ya que T es el tiempo de recorrido de ida y vuelta
(Chellaswamy, Geetha, Vanathi, & Venkatachalam, 2021)
El sensor ultrasónico es la tecnología elegida para detectar el ancho de la trocha debido a que
puede detectar distancias mayores a 1000mm así mismo, es una tecnología capaz de tolerar las
condiciones donde se encuentran las vías del ferrocarril, en tal sentido se propone usar el sensor
ultrasónico HC-SR04 que es un módulo para detección de distancias compatible con tecnología
Arduino, este sensor tiene una longitud de 4.3 cm y una altura de 2 cm, está compuesto por 2
componentes un emisor y un receptor ultrasónicos. La figura a continuación muestra los detalles del
funcionamiento del sensor ultrasónico HC-SR04.
Figura 6 Funcionamiento del sensor HC-SR04
De forma más específica, este sensor opera bajo las siguientes características:
▪ Funciona con corriente continua a un voltaje de 5V DC (mínimo 4’5 y máximo 5’5).
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▪ Su corriente de trabajo está en torno a los 15mA (como mínimo 1mA y máximo 20mA).
▪ La frecuencia de las ondas ultrasónicas que emite es de 40kHz.
▪ El rango de detección de distancia esta entre 2cm a 4.5m, aunque a más de cuatro metros no se
garantiza una buena medición.
▪ Su precisión puede variar entre los 2mm o 3mm.
Todas las aplicaciones IoT requieren un mecanismo para enviar y recibir datos. Hay numerosas opciones
disponibles para conectar estas aplicaciones a Internet incluyendo medios cableados, inalámbricos,
bluetooth y también red celular (Javed, 2016). En tal sentido la tecnología escogida para la aplicación
IoT propuesta es la conexión por red celular debido a que ofrece la mayor cobertura respecto a la
conectividad Internet, en tal sentido, se ha escogido el módulo SIM 808 GPS/GPRS, para posibilitar la
conexión a Internet por medio de la red de datos telefónica mediante un chip SIM, así mismo, ofrece la
capacidad de obtener coordenadas de posicionamiento GPS, este módulo es el ideal para el presente
trabajo ya que incluye en su funcionamiento dos de las funcionalidades necesarias para cumplir con los
objetivos de la aplicación IoT propuesta, es decir, permitir una conexión a Internet y capturar
información de la ubicación donde se realizó la medición por medio del sensor ultrasónico. La
conectividad ofrecida por este módulo permite una conectividad GSM de cuatro bandas
(850/900/1800/1900 MHz), su consumo de energía es bajo y su rango de tensión esta entre los 3.3V los
4.4V. Respecto a la detección de coordenadas GPS, cuenta con un receptor GPS con 66 canales de
adquisición de datos y 22 canales de seguimiento.
La figura a continuación muestra el módulo SIM808 junto con sus 2 antenas, una para la red GSM y
otra para los servicios GPS.
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Figura 7. Módulo SIM 808 con sus dos antenas
Una vez presentados los módulos y la tecnología necesaria para el sistema de monitoreo propuesto en
el presente artículo, se plantea a continuación los detalles a considerar para su construcción.
Sistema de monitoreo propuesto
El sistema propuesto tiene como parte central a la placa Arduino Mega 2560 a la cual se implementó el
código necesario para controlar el sensor HC-SR04 del cual se requiere medir la distancia cada 10
segundos, este sensor está conectado a los pines de datos y energía que proporciona la placa Arduino la
cual envía la señal para que el sensor obtenga la distancia requerida. La placa Arduino al tiempo de
recibir la información de la distancia, solicita al módulo SIM 808 la ubicación GPS, combina la
información de la distancia y la posición GPS, para enviar la información utiliza el formato de datos
JSON donde prepara una cadena con tres campos e.g. distancia: 1015, latitud: -19.594842, longitud: -
65.765092. Esa información es enviada a un servidor web en la nube configurado con lenguaje PHP y
preparado con una base de datos MySQL para almacenar la información. Para la construcción del
sistema de monitoreo se realizo un prototipo para verificar la captura de información tanto de la
distancia y del posicionamiento GPS, este prototipo fue diseñado utilizando los componentes
mencionados en los anteriores epígrafes, dichos componentes se configuraron de acuerdo el esquema
que se muestra en la figura 8.
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Figura 8. Diagrama de conexión propuesto
Para tal efecto se utilizo el apoyo de una placa protoboard para enviar energía en serie al sensor y al
módulo SIM 808 y también para la conexión tierra de ambos módulos, para la programación de la placa
Arduino se utilizo la herramienta Arduino IDE que es la plataforma de desarrollo para esa tecnología.
El lenguaje de programación que utiliza Arduino es bastante simple ya que es una adaptación del
lenguaje de programación C++ con particularidades propias para la placa Arduino. Respecto a la
energía, se utilizo el sistema de alimentación por medio de un transformador de 5V para dotar de energía
a la placa Arduino y que esta a su vez entregue energía al sensor ultrasónico y al módulo SIM 808.
Respecto a la conectividad se utilizo un chip SIM Entel con red de datos habilitada dotando de conexión
a Internet al sistema de monitorización armado. En una primera versión el prototipo del sistema
propuesto fue armado para verificar la distancia entre 2 rieles las cuales están a una distancia fija para
verificar el funcionamiento del sensor ultrasónico y la capacidad de conectividad del módulo SIM 808
con el programa construido en Arduino IDE. Si bien el prototipo representa una primera etapa en la
construcción del sistema para monitorear el estado de las vías férreas, es evidente que para convertirse
en una aplicación IoT, debe tener una estructura acorde a las exigencias del trabajo de mantenimiento
que se da en el ferrocarril, en ese sentido, el prototipo tal como es presentado es muy frágil para llevar
a cabo pruebas de rendimiento en la vía férrea, es así que se propone una estructura con elementos
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propios de un vehículo de ferrocarril y con características de una aplicación IoT, La figura 9 muestra el
entorno de pruebas del prototipo base.
Figura 9. Prototipo básico del sistema de monitoreo propuesto
Si bien el prototipo representa una primera etapa en la construcción del sistema para monitorear el
estado de las vías férreas, es evidente que para convertirse en una aplicación IoT, debe tener una
estructura acorde a las exigencias del trabajo de mantenimiento que se da en el ferrocarril, en ese
sentido, el prototipo tal como es presentado es muy frágil para llevar a cabo pruebas de rendimiento en
la vía férrea, es así que se propone una estructura con elementos propios de un vehículo de ferrocarril
y con características de una aplicación IoT. Para tal efecto se presenta un modelo conformado por un
eje apoyado en ruedas de riel con pestaña de un diámetro de 150mm armados en una estructura con un
eje móvil de metal unido por medio de resortes, esta estructura permitirá que ambos lados de la
estructura se mantengan siempre pegados a los lados laterales del riel y de esta forma se puede obtener
de forma más exacta la longitud de la trocha. Así mismo, se ha considerado esta estructura con diseño
de eje con resortes para ubicar a los sensores en una parte que ofrezca mayor confiabilidad en los datos
recolectados, ya que al intentar leer la distancia directamente en el perfil de las rieles, es posible
encontrar daños en la riel o desgaste y esto puede variar los datos leídos, en cambio si se utiliza un eje
con resortes, se puede ubicar los sensores para medir el desplazamiento del eje y a partir de ahí calcular
la distancia real de la trocha. Otra característica del diseño del vehículo propuesto es el compartimento
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para ubicar los circuitos y la placa considerando que, a pesar de su resistencia debe ser protegido de los
riesgos inherentes al ambiente de trabajo, en este compartimento también se ubica la antena GPS siendo
un lugar apto para una buena recepción de la señal satelital y evitar así lecturas erróneas de las
coordenadas GPS. La figura 10 muestra el diseño propuesto de un vehículo que contenga el prototipo
del sistema propuesto. Dicho modelo fue construido con la herramienta de modelado en 3D SketchUp
en su versión gratuita.
Figura 10. Diseño del vehículo para implementar el prototipo del sistema propuesto
Nota. Diseñado en la versión gratuita y online de SketchUp
Es necesario recalcar que el estado del arte del presente trabajo abarca hasta el prototipo construido y
las pruebas de recolección de datos en un servidor en la nube, el diseño del vehículo propuesto es una
forma de implementar la solución en un entorno de pruebas real.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de las pruebas realizadas en el prototipo construido muestran que los dispositivos
electrónicos configurados para armar el sistema de monitoreo del estado de la vía para detectar
anomalías en la trocha cumplen con la función para la cual fueron armados y programados, los datos
recolectados a pesar de no ser datos de una vía de ferrocarril, son datos que reflejan el buen
funcionamiento del sistema propuesto. Para tal efecto se realizó pruebas de los sensores en
desplazamiento y sin movimiento para verificar la exactitud de los datos medidos por el sensor
ultrasónico y también por el comportamiento de la antena GPS. Respecto a la medición estática se
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construyo una estructura de dos pedazos de riel unidos por un eje fijo soldado a ambos extremos con
una longitud de 150 mm, como se puede apreciar en la figura 9. Los resultados se muestran en el cuadro
siguiente.
Tabla 1. Resultados de la prueba del prototipo sin movimiento
Longitud real (mm)
Longitud medida (mm)
Datos GPS
150
150
-19.5756516,-65.75531723
Para la prueba en movimiento se aplicó el prototipo en una estructura de provisional la cual fue
desplazada por 60 segundos habiendo configurado la placa Arduino para tomar una muestra de la
distancia cada 10 segundos, para tal efecto se desplazó de forma manual la mencionada estructura a lo
largo de la vía de ferrocarril que se encuentra en proximidades de la salida del ferrocarril en la avenida
Sevilla y la calle Boquerón. Los datos obtenidos son los siguientes:
Tabla 2. Resultados de la prueba del prototipo en movimiento
Longitud real (mm)
Longitud medida (mm)
Datos GPS
1006
1004
-19.5752577,-65.7541657
1006
1005
-19.575263, -65.754181
1007
1006
-19.575269, -65.754191
1007
1008
-19.575274, -65.754203
1007
1009
-19.575286, -65.754209
1008
1009
-19.575288, -65.754212
Los datos obtenidos muestran que el prototipo logra una lectura de la distancia de la trocha bastante
aceptable variando con muy poco de los datos reales, esto muestra que el sensor ultrasónico cumple con
su función y los datos obtenidos podrían ser utilizados para plantear medidas correctivas cuando sea
necesario.
Las nuevas tecnologías han permitido lograr obtener herramientas que mejoran las actividades de los
seres humanos desde múltiples puntos de vista, y el Internet de las Cosas es producto de ese avance
tecnológico, sin embargo, es necesario recalcar que para plantear herramientas que brinden soluciones
reales a las diversas problemáticas de la realidad es necesario conjunciones conocimiento de diferentes
áreas de estudio. Los diferentes elementos considerados para la propuesta del presente trabajo, es decir
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los sensores ultrasónicos y el sensor GPS SIM 808, han arrojado resultados cercanos a los parámetros
de medición planteados en el entorno de pruebas, su aplicación muestra su alta capacidad para recolectar
información en diferentes entornos y representan una alternativa para soluciones comerciales similares
ya que los datos obtenidos muestran que el error obtenido en las capturas es mínimo, así mismo, los
dispositivos presentados, han sido integrados en una placa capaz de manejar la información recolectada
y enviarla aun servidor en la nube. La placa Arduino Mega 2560 utilizada en el presente trabajo
demuestra un gran rendimiento para apoyar la problemática propuesta, si bien en el presente trabajo se
ha implementado una aplicación IoT a partir de los dispositivos mencionados, es posible aplicar estos
conocimientos a diferentes áreas de aplicación.
El prototipo construido es en primera instancia una forma de recolectar información y verificar la
aplicabilidad del IoT a la detección de anomalías en la trocha de una vía de ferrocarril, así mismo,
muestra la capacidad de los sensores, la placa Arduino, la configuración y el código implementado, sin
embargo, es necesario mencionar que en las diferentes pruebas, el prototipo armado fue manipulado
con precaución esto debido a que las conexiones son provisionales, y es evidente que en un entorno real
de trabajo, se debe contar con una estructura y un armado sólido acorde a los desafíos del ambiente
donde esta armada la superestructura del ferrocarril, es en ese sentido que también se propone el diseño
de un vehículo capaz de contener el sistema de monitoreo y que sea capaz de circular por las vías férreas
cumpliendo su propósito. En términos generales los datos recolectados son alentadores ya que
proporcionan un mínimo de error, sin embargo, aún no podrían tomarse como definitivos ya que es
necesario enfrentar el prototipo a pruebas más cercanas al real funcionamiento del tráfico en el
ferrocarril.
CONCLUSIONES
Los ferrocarriles han sido por mucho tiempo (y aun lo son) un pilar fundamental en la economía
Boliviana, por lo que se hacen necesarios mecanismos que garanticen su buen funcionamiento, en ese
sentido, el mantenimiento de la trocha en la vía férrea es de gran importancia para el buen
funcionamiento de los trenes, evitar descarrilamientos y que estos cumplan su itinerario. Al respecto,
existen diferentes soluciones comerciales sin embargo están alejadas de nuestra realidad por lo que es
necesario plantear alternativas adecuadas para el medio local.
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El Internet de las Cosas (IoT) es un campo relativamente nuevo en el desarrollo tecnológico, es posible
gracias a los avances en informática y redes de computadoras que permiten construir herramientas de
toda índole, capaces de ayudar a resolver diversas problemáticas de la sociedad desde diferentes
enfoques. A pesar de ser un campo emergente, el IoT presenta múltiples oportunidades para construir
aplicaciones en base a sus principios de conectividad completa que permitan lograr conectividad y
procesamiento de datos en lugares antes impensados e.g. obtener datos de la trocha de la vía del
ferrocarril.
El análisis realizado a los diferentes fundamentos teóricos relacionados al IoT y también a los
fundamentos del mantenimiento del ferrocarril, así como sus características, brinda el conocimiento
necesario para plantear una solución al problema de la detección de anomalías en la trocha de la vía
férrea. El prototipo construido permitió obtener resultados que muestran que es posible plantear una
solución al problema de monitoreo de vías férreas a partir del campo IoT. Sin embargo, es necesario
recalcar que para lograr obtener un reporte real de funcionamiento, es necesario aplicar la solución
planteada a un entorno real de pruebas.
Para lograr aplicar una herramienta real de detección de anomalías en la trocha es necesario contar con
un vehículo como el propuesto para implementar adecuadamente el sistema propuesto y llevar a cabo
pruebas más cercanas al funcionamiento real del ferrocarril y validar la solución propuesta.
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