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Aplicaciones de la Robótica en el Sector Eléctrico: Una perspectiva de la Inteligencia Artificial

Alberto Reyes Ballesteroshttp://www.isr.ist.utl.pt/~areyes/

alberto.reyes@iner.gob.ec

Contenido

• Introducción.• Técnicas de IA utilizadas en Robótica.• Robótica aplicada al sector eléctrico• Temas de interés en el IIE.• Conclusiones

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¿Que es un robot?

• Un robot es:– “agente activo artificial cuyo ambiente es el

mundo físico” [Russell y Norvig]– “conexión inteligente de percepción a acción”

[Jones y Flynn]– “una máquina programable capaz de percibir y

actuar en el mundo con cierta autonomía” [Sucar]

Partes de un robot

Actuadores

Sensores

Comunicación

“Inteligencia”

Control

Potencia

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Áreas del conocimiento

• Ingeniería mecánica• Ingeniería eléctrica / electrónica• Control• Computación• Inteligencia artificial• Matemáticas• Psicología, zoología, neurociencias

Líneas de I&D en robótica

– Integrar/interpretar la información de sus sensores– Navegación (evitar obstáculos, ir a cierto lugar - meta)– Planeación (decidir la serie de pasos para cumplir una o

más metas)– Construir modelos del ambiente (mapas)– Localizarse en el mundo (en el mapa)– Reconocer lugares y/o objetos– Manipular objetos– Comunicarse con otros agentes: computadoras, otros

robots, personas

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Técnicas de IA

• Representación de conocimiento e Inferencia.• Comprensión de lenguaje natural. • Interpretación de imágenes. • Manipulación y navegación. • Matemáticas simbólicas. • Búsqueda y Planificación. • Solución de problemas complejos.

Comprensión del lenguaje natural usando razonamiento probabilista. [ITESM Cuernavaca].

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Reconocimiento de ademanes usando segmentación de color (modelos ocultos de Markov) [ITESM Cuernavaca]

Navegación basada en conductas y planificación (tesis maestría ARB UV-MIA).

MIT Rug warrior

Proyecto financiado por CONACYT. [In proceedings of 2o. Encuentro Nacional deComputación, ENC99, México 1999]

LineFollowing LightFollowingLighSearch LineSearch

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Planificación de trayectorias basada en aprendizaje y teoría de decisiones [Tesis Doctoral Reyes, 2006]

Coordinación de tareas usando MDPs. Distribuidos (proyecto Homer).

Trabajo conjunto con el grupo de Inteligencia Computacional de la UBC Campus Vancouver (RO-MAN 04)

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Coordinación de tareas (diálogo, navegación, ademanes)

• robot RWI B-14• cámara estéreo• LCD display – cara animada• “cabeza” – pan tilt• micrófono omnidireccional• 4 computadoras, interconexión a

100 Mbps• Comunicación inalámbrica a 10

Mbps

http://www.youtube.com/user/IIEMexico

Aplicaciones de la robótica en el sector eléctrico

• Manufactura y manejo de materiales• Ambientes hostiles• Telepresencia y realidad virtual• Inspección• Mantenimiento• Vigilancia• Exploración

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Inspección de líneas de trasmisión usando robótica móvil y UAVs.

RIOL: Robotic Inspection over

Power LinesDEMO

Inspección de equipos en SEs

• Motivación:– La inspección de equipos en SE’s juega un papel importante en el

mantenimiento de redes eléctricas.– La formas de inspección tradicionales dificultan la detección de fallas

potenciales.• Solución: Uso de robots móviles inteligentes.

– Navegación autónoma.– Recarga de baterías autónoma.– Reconocimiento de equipo artificial.

Ruo Gui et al.EPRI ShandongChina, CARPI 2010

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Navegación autónoma

• Competencia más retadora de un robot.– Percepción, localización, representación de conocimiento y

planeación, y control de movimiento.

• Las técnicas de navegación basadas en Tracking sobre orbitas fijas son inflexibles, y costosas en tiempo y esfuerzo para construir las orbitas.

• En este trabajo se presentan 3 tipos de formas de navegación: Guías magnéticas, visión omni-direccional, e integración GPS-DR.

Ruo Gui et al.EPRI ShandongChina, CARPI 2010

Navegación basada en guías magnéticas

Ruo Gui et al.EPRI ShandongChina, CARPI 2010

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Navegación con visión omni-direccional.

Procesamiento de imágenes con Filtros Kalman.

Ruo Gui et al.EPRI ShandongChina, CARPI 2010

Reconocimiento autónomo de equipo

Procedimiento:

1. Llevar el robot a un punto critico preseleccionado.

2. Colectar imágenes mediante una cámara termográfica.

3. Reconocer equipos mediante similaridad con puntos de interés.

4. Extraer caracteristicas de equipos (color y textura).

5. Calcular diferencias respecto a un equipo sin fallas.Ruo Gui et al.

EPRI ShandongChina, CARPI 2010

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Recarga autónoma de baterías

Mecanismo de recarga que no requiere intervención humana.

Alta tolerancia a la alineación con la estación: +5cm +5°.

Baja probabilidad de falla.

Fácil mantenimiento (limpieza).

Ruo Gui et al.EPRI ShandongChina, CARPI 2010.

Inspección de tubos de caldera usando robótica móvil

DEMOAvistar Inc. MIB technology

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Aplicaciones de la robótica en las plantas nucleares coreanas

• Desarrollos hechos por el KAERI en aplicaciones relacionadas con reactores nucleares tipo PWR y PHWR.

• El uso de la robótica en la industria nuclear en Corea tuvo dos detonantes:– El mejoramiento de la seguridad y – El robustecimiento de la disponibilidad en sus plantas.

• En las primeras etapas se usaron robots móviles y manipuladores controlados remotamente.

Seungho Kim et. al.; Laboratorio de robótica nuclear (NRL); Instituto de Investigaciones de la Energía Atómica (KAERI) Corea, CARPI 2010.

Aplicaciones• Inspección de tubos de presión en el sistema de transporte

de calor primario.• Monitoreo y mantenimiento en el sistema de enfriamiento

del reactor.• Inspección de la vasija del reactor mediante robots

submarinos.• Inspección del exterior del reactor• Inspección del interior de tuberías en el alimentador de

agua al reactor.Seungho Kim et. al.; Laboratorio de robótica nuclear (NRL); Instituto de Investigaciones de la Energía Atómica (KAERI) Corea, CARPI 2010.

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Plataformas móviles

Objetivo. Inspección de la calandria en un PHWR.

Características:- Capacidad para subir escaleras (ruedas omnidireccionales y orugas).

- Mástil (1-8 m) de 6DOF con cámara infrarroja para inspección de tubos de presión.

- Capacidad carga: 5 Kg. –100Kg.

KAEROT m1, m2, y m3 (abajo).

Seungho Kim et. al.; Laboratorio de robótica nuclear (NRL); Instituto de Investigaciones de la Energía Atómica (KAERI) Corea, CARPI 2010.

Robot submarino para inspección de la vasija del reactor

Problema: Una pieza extraviada en el sistema de enfriamiento primario puede provocar un SCRAM, o acumular fuertes dosis de radicación.

Estado actual: En proceso.

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Robot de ruedas magnéticas para inspección del exterior de la vasija.

Objetivo: Realizar inspección visual en las uniones tobera-cabeza del control de barras.

Características.- Sistema de ruedas magnéticas.

- 1 Cámara de alta-resolución con pan & tilt.

- 3 Cámaras convencionales para distintos ángulos de visión.

- Robot auxiliar que permite el control de movimiento.

Robot de inspección de tubos del alimentador de agua al reactor

Objetivo: Monitorear el espesor de la tubería del alimentador.

Hay poco espacio entre tuberías y la zona es de alta radiación.

Características:

- Compacto.

- Movimiento axial y radial

- 2 Sujetadores

- Actuadores neumáticos.

- Cámara frontal

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Inspección visual de prefiltros del sistema G16 en reactores BWR-5

• La CNLV realiza en sus áreas controladas tareas de inspección ymantenimiento donde el personal se expone a niveles de radiación elevados.

• Una de ellas es el sistema de condensado (G16), el cual contiene 9 prefiltros(en rojo) ubicados en 2 grupos: uno con 7 prefiltros (A-G) y otro con dos (H eI).

– Cada prefiltro está compuesto por una vasija y 144 elementos filtrantes (filtros o bujías).

Prefiltros del sistema G16-U1

AB

CD

EF

G

HI

Estado deseado

§ Exposición del personal a radiación arriba de 2.5 mR/hr por tareas de inspección y mantenimiento.

• Minimización del uso de seres humanos en tareas de inspección y mantenimiento en edificios de la CNLV.

Estado actual

El desarrollo de funciones de inteligencia para el robot móvil, y el procesamiento deimágenes térmicas reducirá el tiempo de exposición a la radiación del personal porrealizar las tareas de inspección visual de elementos filtrantes sin la intervención delpersonal de mantenimiento.

Inspección visual de prefiltros del sistema G16 en reactores BWR-5

DEMO1 DEMO2

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EstadísticasNo. de Tracks

A. N

ucleares R. LTs

Proc. Im

ágenes en LTs

A. H

idro y termos

Modelado y

ctrl en LTs

A. distribución

UA

Vs para LTs

Inpsección y subsistem

as

. A. S

ubmarinas

A. E

ólicas

3

2

1

Temas

Track= 5 sesiones MAX.

Conference of Applied Robotics for the Power Industry, CARPI 2010, Montreal, Quebec, Canada.

Distribución de aplicaciones• Sesiones Generales

– Robótica para la industria eléctrica (GS1)– Sesión de videos (GS2)– Aplicaciones en construcción y mantenimiento (GS3)

• Transmisión y distribución– Robots para LTs (TD1, TD7)– Modelado y Control (TD2)– Procesamiento de imágenes (TD3, TD4)– Aplicaciones en distribución (TD5)– Unmanned Aerial Vehicles (TD6)– Robots de inspección y subsistemas (TD8)

• Generación– Aplicaciones Submarinas (PG1)– Aplicaciones hidroeléctricas y termoeléctricas (PG2, PG5)– Aplicaciones nucleares (PG3, PG4, PG7)– Aplicaciones eólicas (PG6).

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• Exploración y búsqueda en zonas de alto riesgo y/o difícil acceso (radiación / lluvia ácida) usando robots móviles.

• Inspección de tubos de calderas mediante sistemas multiroboticos.

• Simulación de robots.• Inspección de subestaciones• Manipulación de objetos.

Proyectos académicos y científicos en el IIE

Planificador jerárquico de conductas para exploración y búsqueda

[Demos]

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Electromagnetic-acoustic Transducer (EMAT)

Inspección y estimación de vida residual de tubos de caldera usando robótica móvil

Proyecto contratado en 2008 por la subdirección de Generación de CFE a lagerencia de materiales y procesos químicos del IIE (pyto 13414).

[Demo1][Demo2][Demo3]

Servidores de dispositivos que permiten hacerinterfaz con una variedad de sensores yactuadores y simuladores en 2D y 3Dmultiplataforma .

Características:• Modelos del ambiente en 2D y 3D• Cinemática y dinámica de robots• Simulación económica ( O(1) ~ O(n) ) hastacompleja ( O(n) ~ O(n3) )• Representación de poblaciones de robots (10-100)• Ambientes interiores y exteriores

• Beneficios:• Análisis de factibilidad en la solución de problemas

• Reproducción del desempeño de un robot físicomediante ambientes virtuales

• Prueba de sistemas (control + IA)

• Capacitación de desarrolladores

• Investigación

areyes et al. 2012

Simulación de robots móviles

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Example of a three-dimensional navigation inside the substation to visualize the design for approving the project and detect design errors

SiDSED: A system for designing electrical distribution substations

DEMO Exploración plano de una SE

Maqueta electrónica

Herramienta player-stage

[CIGRE 2011] (A. Reyes et al. 2011)

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Diseño y desarrollo de ambiente de navegación para vigilancia e inspección visual de equipo eléctrico

Wall Follower: Zoom de subestación

Random walk: Zoom de subestación

Diseño y desarrollo de ambiente de navegación para vigilancia e inspección visual de equipo eléctrico

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Búsqueda y exploración usando robots móviles

Objetivo:Navegación de zonas de alto riesgo y/o difícil accesopara los humanos.

Características:• Uso de robots móviles para la movilización de sensores

especiales• Navegación basada en conductas para proveer autonomía.• Sistemas híbridos autónomos / teleoperados• Comunicación inalámbrica con servidores y otros robots.• Posibilidad de usar múltiples robots en colaboración.• Aplicaciones en inspección, sensado localizado y búsqueda

en tanques de almacenamiento, ductos, tuberías, y zonasde alto riesgo.

Beneficios:• Movilidad de sensores especiales.• Reducción de riesgo en humanos por tareas de búsqueda y

exploración.• Reducción de tiempos de ejecución de tareas.

Conclusiones• En esta charla se presentó un enfoque de la robótica desde

el punto de vista de la inteligencia artificial y sus aplicaciones en el sector eléctrico.

• Se mencionaron algunas técnicas de IA utilizadas en robótica como la planificación de trayectorias con procesos de decisión de Markov, el reconocimiento de patrones con Modelos Ocultos de Markov, la navegación usando conductas reactivas, y la comprensión del lenguaje natural mediante razonamiento probabilista.

• Se comentaron algunos esfuerzos académicos y de investigación realizados en el IIE para avanzar en el desarrollo científico del área.

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1. A. Reyes, Guía de Conductas Reactivas Mediante Planes Abstractos en un Problema de Navegación Robótica; Memorias Segundo Encuentro Nacional de Computación (ENC99), Pachuca, Hgo., 1999.

2. P. Elinas, E. Sucar, A. Reyes and J. Hoey; A decision theoretic approach to task coordination in social robots, Proceedings of the 13th IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication ROMAN 2004; pages 679-684, Kurashiki Japan 2004.

3. A. Reyes, L. E. Sucar, E. Morales, Pablo H. Ibarguengoytia; Abstraction and Refinement for Solving Markov Decision Processes; Proceedings of the 3rd Workshop on Probabilistic Graphical Models PGM-2006, Chezch Republic, 2006.

4. A. Reyes, A. Félix, C. González, Eduardo Islas; Optimal robot navigation for inspection and surveillance in electric substations; International Council on Large Electric Systems: CIGRE 2012, Paris, August 2012.

Referencias

Lista de demostraciones

• Magnebike (ALSTOM, Suiza). Inspección en el interior de tuberías.

• Neptune (Automation Machine Design Inc. / HydroQuebec, Canada). Inspección de grandes estructuras hidroeléctricas submarinas.

• LineScout Technology (Hydro Québec). Inspección de líneas de transmisión.

• Masky (Hydro Québec). Robot submarino para diagnóstico e intervenciones en presas.

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Gracias !

Phd. Alberto ReyesPrometeo

Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables

- Telf.: ++ 593 - (0) 2 3931390 Ext. - Av 6 de Diciembre N 33-32 e Ignacio Bossano,

edificio Torres Bossano, 2do piso.

Quito - Ecuador

http://www.iner.gob.ec

Tecnología PHWR vs BWR

Reactor tipo PHWR Reactor tipo BWR