Superando los límites: la industria de la construcción fomenta nuevos caminos hacia la autonomía

Para el lugar de trabajo semiautónomo o totalmente autónomo es fundamental el desarrollo de un ecosistema 3D totalmente conectado con conexiones IoT que se adapte en tiempo real a medida que cambian las condiciones. Fotos cortesía de Topcon Positioning y Trimble.

La mano de obra, las máquinas y los materiales (los tres elementos críticos de cualquier esfuerzo de construcción de infraestructura) han comenzado a realinearse de una manera que cambiará para siempre la forma en que se construye la infraestructura... y probablemente se opera.

Si bien algunos podrían ser escépticos, el futuro de los vehículos autónomos probablemente se basará, al menos en parte, en las lecciones aprendidas en la construcción física de carreteras, puentes, sistemas de tránsito y otras infraestructuras.

Máquinas autónomas ya están trabajando en coordinación para construir represas y desarrollos territoriales a gran escala, como sitios solares y eólicos. Los camiones autónomos sincronizados son la norma en muchas minas de todo el mundo. Si bien hay menos ejemplos en proyectos de carreteras, ferrocarriles y puentes, los robots están uniendo barras de refuerzo para nuevas plataformas de puentes, realizando inspecciones del lugar de trabajo en el aire y en tierra, y pronto permitirán a las agencias de transporte reparar baches de forma autónoma. En muchos sentidos, el espacio de la construcción se ha convertido en un campo de pruebas para el avance autónomo, y los inversores se están dando cuenta.

El informe de ResearchAndMarkets.com, “Oportunidades y estrategias del mercado mundial de equipos de construcción autónomos hasta 2030: crecimiento y cambio de la COVID-19”, señaló que el mercado mundial de equipos de construcción autónomos fue de aproximadamente 8.450 millones de dólares en 2020, un aumento constante pero modesto del 3,4% desde entonces. 2015. Se espera que esa inversión se duplique a 16.890 millones de dólares para 2025, una tasa de crecimiento anual compuesta del 14,9%, y aumente otro tercio a 26.160 millones de dólares para 2030.

Más allá de los dólares de inversión, los autores del informe creen que el segmento de equipos de construcción totalmente autónomos será la pieza del rompecabezas autónomo de más rápido crecimiento, con un 49,1% entre 2020 y 2025. Se trata de un gran cambio, teniendo en cuenta que el mercado parcial/semiautónomo representó el 97% del total en 2020. Una advertencia sobre el crecimiento previsto es que se espera que la mayoría de las piezas de autonomía se dediquen al movimiento de tierras y la manipulación de materiales para la construcción de edificios. mercado, no la construcción de carreteras en sí.

Sin embargo, los avances en excavadoras, bulldozers, rodillos, compactadores de suelo, minicargadoras y otras máquinas semiautónomos y totalmente autónomos por parte de innovadores tecnológicos y fabricantes de equipos originales pueden reescribir esas predicciones. Como señaló Thomas Hansen, director senior de Desarrollo OEM de Topcon Positioning Group, “Quienes están fuera del espacio de la construcción podrían sorprenderse de lo lejos que estamos y de lo rápido que se está aclarando nuestra visión para la carretera autónoma que tenemos por delante”.

Los avances en el control de las máquinas, incluida la dirección automática, son hitos necesarios para lograr una verdadera funcionalidad autónoma.

Al igual que los automóviles autónomos, los equipos de construcción semiautónomos o totalmente autónomos dependen de una combinación de cámaras y sensores. Los datos de LiDAR, cámaras, GNSS, sensores de vibración y temperatura, etc., se combinan para lograr una percepción óptima y un mapeo ambiental confiable que son fundamentales para las soluciones autónomas.

"Estamos experimentando una gran convergencia de tecnologías clave que están permitiendo que la industria acelere hacia la automatización de máquinas y la optimización de la gestión del sitio/grupos de trabajo de máquinas", dijo Finlay Wood, director del área comercial de soluciones autónomas de Trimble. “No existe un área única de desarrollo que sea responsable de esto; más bien una maduración en múltiples áreas que incluyen comunicaciones, soluciones de percepción avanzada, informática de vanguardia, soluciones de control de máquinas, software de gestión de sitios y muchas más”.

El control de máquinas, por ejemplo, es un claro paso hacia una verdadera funcionalidad autónoma. Soluciones como el modo Autos de Trimble están integradas en su software de control de nivelación de Earthworks. Con Autos en una excavadora, la máquina controla la pluma y el cucharón para mantener el nivel mientras el operador controla el brazo. Más recientemente, la empresa añadió un control de dirección horizontal para compactadores de suelo, lo que se dice que es una novedad en la industria. El control de dirección horizontal de Trimble Earthworks dirige automáticamente un compactador de suelo utilizando un modelo 3D o una línea de paso de compactación.

Build Robotics, una startup de automatización vehicular con sede en San Francisco que desarrolla sistemas independientes del fabricante, implementó el primer equipo de construcción autónomo comercial de EE. UU., el Exosystem, en 2019, según la empresa. Instalado en excavadoras, el Exosystem permite que máquinas grandes funcionen de forma autónoma. Con una computadora de alta potencia, IMU, GNSS, radar y cámaras de 360 ​​grados, la solución está diseñada para excavar zanjas de forma totalmente autónoma en diversas condiciones del suelo y profundidades deseadas. Mortenson, uno de los 20 principales constructores, desarrolladores y proveedores de servicios de ingeniería del país, ha puesto a Exosystem a trabajar en proyectos de movimiento de tierras en energía limpia para parques eólicos y solares. Y no son sólo los contratistas los que ven el valor. La Unión Internacional de Ingenieros Operativos se asoció con Built Robotics para comenzar a capacitar a sus miembros en las habilidades de próxima generación necesarias para operar robots en sus instalaciones en Crosby, Texas.

Hyundai Doosan Infracore, una filial de Hyundai Heavy Industries Group, un fabricante líder de equipos pesados, también está aprovechando sus capacidades de guiado y control de máquinas.

Específicamente, el proyecto Concept-X de la compañía, en curso en el campo de pruebas de Boryeong en Corea del Sur, se centra en comercializar el desarrollo de tecnologías de elementos paso a paso, como guía y control de máquinas como excavadoras y bulldozers, algunas de las cuales ya han sido liberados.

“En 2022, estamos desarrollando y lanzando tecnologías de guía y control de máquinas para nuestras excavadoras, bulldozers y cargadores de ruedas”, dijo Todd Roecker, director de iniciativas de crecimiento de Hyundai Doosan Infracore North America.

Pero eso es sólo el comienzo. Trabajando con expertos de la Universidad Nacional de Seúl, la Universidad de Yonsei y la Universidad de Hanyang, el equipo de Doosan se centra en una plataforma de construcción digital para la construcción y automatización inteligentes: la plataforma XiteCloud. XiteCloud combina tecnologías de información, comunicaciones e inteligencia artificial y será la base de la autonomía.

"Nos estamos preparando para probar las soluciones de construcción autónoma en aplicaciones de campo reales con nuestros socios constructores coreanos", añadió Roecker. Y Doosan no es el único que se centra en una plataforma inteligente para impulsar la innovación futura en la construcción.

Un elemento subyacente de todos los avances recientes y de un verdadero movimiento hacia la autonomía es un ecosistema de datos 3D.

Como dijo Erol Ahmed, director de comunicaciones de Build Robotics, “los datos son el elefante en la sala de cualquier forma de operaciones autónomas. Eso, y la interoperabilidad, son los que darán potencia a estas máquinas”.

Hansen de Topcon está de acuerdo y añade: “El 3D es la base que permitirá alcanzar el siguiente nivel de autonomía en la construcción. Todo lo que hay en la máquina, todos los sensores trabajando juntos, estarán representados en ese modelo. Es imperativo que nosotros, como industria, construyamos una plataforma interoperable y en crecimiento estable que permita integrar todos los datos de productos actuales y futuros”.

Todavía queda trabajo por hacer. "Las máquinas deben ser conscientes del medio ambiente y el medio ambiente debe ser consciente de las máquinas", afirmó Jason Hallett, director ejecutivo de Digital Construction Works (DCW), un integrador de tecnología. "En este momento, para la mayoría de los sistemas, ese no es el caso".

Incluso las máquinas con la tecnología más avanzada sólo son conscientes de dónde están y, en cierta medida, de lo que les rodea gracias a sensores y GNSS.

"No están preparados para adaptarse a las condiciones cambiantes", continuó Hallett. "A diferencia de los coches autónomos que circulan por una carretera mapeada, un lugar de trabajo en construcción cambia continuamente y puede verse completamente diferente en un par de días".

Como ejemplo, la solución de movimiento de tierras de acarreo masivo 4D DCW desarrollada por la empresa optimiza las operaciones de movimiento de tierras con flujos de trabajo de planificación civil integrados, que incluyen planificación, simulación, cronogramas de acarreo masivo y cantidades de proyectos de movimiento de tierras 4D. La solución funciona gracias a una integración con Synchro de Bentley, una plataforma de software 4D que permite virtual y visualmente la planificación, programación y controles con las tecnologías MAGNET Project y Sitelink3D de Topcon, que planifican y rastrean el pesaje y transporte de materiales en el sitio de construcción.

"La idea es sincronizar los planes de transporte masivo con lo que está sucediendo en el trabajo para proporcionar una actualización del transporte masivo casi en tiempo real", dijo Hallett. "Al sincronizar las entradas y salidas, los equipos pueden tomar decisiones más informadas y oportunas relacionadas con el cronograma y los recursos".

Es ese enfoque en el proyecto y el sitio lo que también impulsa los avances de Trimble dentro del ecosistema 3D. “No es suficiente tener un robot fantástico en un trabajo si no se puede crear de forma remota la orden de trabajo y luego asegurarse de que la máquina esté ejecutando la tarea de manera óptima y luego proporcionar datos relevantes a la solución de administración del sitio. ”Dijo madera. "Debemos ser capaces de convertir datos en tiempo real en información en tiempo real para optimizar y coordinar los grupos de trabajo de las máquinas y el sitio, lo que va mucho más allá de las soluciones puntuales".

Una forma de lograrlo probablemente sea a través de asociaciones como la alianza Trimble-VayaVision para hacer que la automatización inteligente sea aún más inteligente. La idea es ayudar a los contratistas, por ejemplo, a escalar los esfuerzos de automatización desde funciones de asistencia al conductor hasta soluciones totalmente autónomas, aumentando o reemplazando el control humano para crear un entorno de trabajo más seguro mediante la optimización de rutas, la evitación de obstáculos y la conciencia situacional.

"Creemos que un entorno 3D robusto impulsará la planificación de rutas y los sistemas autónomos tanto en aplicaciones todoterreno como en carretera", continuó Wood.

Aunque el hecho de que un ecosistema 3D no esté completamente desarrollado no ha impedido que los OEM, los desarrolladores de tecnología y los contratistas sigan adelante con la autonomía. Una de las áreas de avance necesarias es la capacidad de múltiples máquinas para operar juntas.

Como confirmó Ahmed: "Por mucho que una máquina pueda proporcionar una gran eficiencia y productividad, un proyecto de construcción incluye diferentes OEM, edades de equipos, contratistas, etc. Las comunicaciones de la flota son fundamentales para el ecosistema de construcción y el futuro de la autonomía".

Una de las demostraciones más visibles de una solución de flota autónoma en la construcción de carreteras se destacó en Asia: la apisonadora autónoma del fabricante chino de maquinaria de construcción XCMG, desarrollada junto con Sichuan Railway Investment Group y la Universidad de Tsinghua. Según XCMG, la apisonadora es capaz de funcionar de forma autónoma en condiciones complejas con una precisión de 2 a 3 centímetros. La apisonadora tiene varias características de seguridad integradas, incluido un sistema de monitoreo en tiempo real que puede emitir advertencias, realizar una parada de emergencia, entrar y salir automáticamente de los sitios y evitar obstáculos.

A finales de 2021, XCMG y sus socios demostraron lo que dicen que podría ser el esfuerzo de construcción de mantenimiento inteligente y pavimentación en grupo no tripulado más grande del mundo en el expreso Zhengzhou-Xixia de más de 48 kilómetros y cuatro carriles. Para el proyecto, 10 rodillos de doble rueda de acero sin conductor XCMG y dos pavimentadoras de gran ancho XCMG utilizaron posicionamiento BeiDou de alta precisión, navegación inercial, identificación de obstáculos y múltiples sistemas de seguridad para pavimentar la carretera, incluso en condiciones climáticas extremas y terrenos especiales. La red de la flota autónoma incluía IA y 5G, y una gama de sensores para seguridad y visualización. En el futuro, la asociación se centrará en la I+D y la implementación de estrategias de desarrollo de transporte inteligente.

La plataforma de construcción digital Concept-X de Hyundai Doosan Infracore para construcción inteligente está preparada para aplicaciones del mundo real este año. Foto cortesía de Hyundai Doosan Infracore.

Como parte de la visión autónoma de la construcción, los fabricantes han iniciado una serie de programas innovadores que han impulsado la industria en los últimos años.

Para muchos, el enfoque autónomo sigue estando en gran medida en áreas verdes o entornos cerrados como las minas. Por ejemplo, Honda colaboró ​​con Black & Veatch, una empresa global de ingeniería, adquisiciones, consultoría y construcción que se especializa en el desarrollo de infraestructura, para probar el prototipo del vehículo de trabajo autónomo (AWV) de Honda en un proyecto de construcción de energía solar a gran escala de Black & Veatch en Nuevo México el año pasado. Las tareas incluían actividades de remolque y transporte de materiales de construcción, agua y otros suministros a destinos preestablecidos dentro del sitio de trabajo.

Volvo Construction Equipment presentó el concepto de cargador de ruedas autónomo Volvo LX03 y el prototipo de compactador de asfalto autonivelante autónomo CX01. En particular, el compactador puede manejarse mediante control remoto o de forma totalmente autónoma. La cargadora de ruedas es especialmente única, ya que es el primer ejemplo del mundo real de una cargadora de ruedas con autoaprendizaje, diseñada para tomar decisiones, realizar tareas e interactuar con humanos. Si bien no está disponible comercialmente, los ingenieros esperan que los valiosos conocimientos del LX03 se utilicen en las aplicaciones de hoy y de mañana.

A principios de este año, Bell Trucks America, con sede en Houston, se asoció con Pronto AI de San Francisco para desarrollar lo que dicen será el primer camión volquete articulado autónomo todoterreno disponible comercialmente con autonomía de nivel 4 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) (el capacidad de actuar sin intervención humana en la gran mayoría de situaciones).

La solución combina el hardware y software de IA plug-and-play de Pronto con la plataforma autónoma de Bell. Si bien hasta ahora solo se ha probado en sitios mineros, la tecnología está diseñada para navegar de manera segura en entornos de carreteras transitados e impredecibles. A corto plazo, la solución de conducción autónoma se probará en operaciones todoterreno menos congestionadas y más predecibles, para garantizar las protecciones de seguridad más importantes y la eficacia operativa.

Además, el fabricante japonés de maquinaria de construcción Komatsu ha introducido excavadoras con control autónomo de las hojas. Komatsu afirma que el sistema recopila datos en las orugas (en lugar de la recopilación más común en la pala), proporcionando así una imagen 3D en tiempo real del terreno alrededor de la máquina, un diferenciador potencialmente crítico para las soluciones autónomas.

Los empresarios también se están lanzando al sector de la construcción. Un ejemplo es SafeAI, con sede en Silicon Valley, un innovador tecnológico que modifica camiones, topadoras y cargadores con soluciones impulsadas por inteligencia artificial para operar de forma autónoma. Los ejecutivos de SafeAI dicen que ya han desarrollado pruebas del mundo real a pequeña escala en cargadoras compactas.

Build Robotics desarrolló e implementó Exosystem, un sistema operativo autónomo para excavación de zanjas con excavadoras en sitios solares y eólicos en los EE. UU.

El futuro es brillante para la autonomía en la construcción.

"Creo que nosotros, como industria, estamos en el camino correcto para construir el mejor ecosistema 3D posible, pero hay algunas otras cosas que deben suceder", dijo Hansen. “Tenemos que reducir el coste de los sensores para que la inversión en la industria de la construcción sea razonable. Además, habrá algunos ajustes regulatorios, cierta claridad sobre las condiciones de los seguros y, por supuesto, un enfoque continuo en la ciberseguridad. Pero la tecnología está llegando”.

Ahmed ubicó el entorno cambiante: “Estamos en una nueva era de integración, una fase práctica de avances en robótica, donde los proveedores de tecnología, los OEM y los profesionales de la industria están trabajando juntos para ofrecer soluciones verdaderamente interoperables. De hecho, la construcción se ha convertido en uno de los espacios más candentes para avanzar tanto en la robótica como en el paso a la autonomía. Incluso los pequeños y medianos contratistas acuden a nosotros y nos piden soluciones”.

Señaló los drones para atar barras de refuerzo y los sistemas robóticos de inspección de puentes como ejemplos de aceptación y confianza de la industria. “Ya no se trata de qué es la robótica, sino de '¿cómo puedo conseguirla?' Se está convirtiendo en otra herramienta más en la caja de herramientas, y el Exosistema es un avance importante que está agregando autonomía a los lugares de trabajo para ayudar a construir y reparar nuestro mundo del siglo XXI”, dijo.

Roecker, de Doosan, dijo que su organización logrará grandes avances entre 2023 y 2025, a través de manifestaciones públicas y comercialización. "En cuanto a las soluciones autónomas, estamos colaborando con socios de construcción para comercializar soluciones autónomas a nivel mundial para 2025".

Hansen de Topcon concluyó: “La marea está cambiando. Hace cinco años, los profesionales de la construcción todavía preguntaban por los GNSS. Ese ya no es el caso. Ahora, contratistas de todos los tamaños, desde paisajistas hasta excavadoras, están viendo los beneficios de la automatización y los datos digitales, particularmente a la luz de la escasez de mano de obra, los proyectos acelerados y la demanda de una mayor productividad en un negocio de bajo margen. ¡Los próximos 10 a 15 años serán muy interesantes!