Laboratorios virtuales y remotos para la práctica a distancia de la Automática

José Sánchez, Sebastián Dormido y F. Morilla. Departamento de Informática y Automática, UNED

Introducción

Dentro de todo el conjunto de nuevas tecnologías de la información, destacan dos herramientas como las más adecuadas para ofrecer un nuevo enfoque en el modelo educativo de la educación a distancia: los sistemas hipermedia como forma de estructurar la información, y las redes de comunicación de área extendida como soporte de la información, es decir, la red Internet.

Pero pese a que estas dos herramientas son suficientes para la creación de sistemas de apoyo al aprendizaje de materias dotadas de una componente práctica no muy fuerte, la enseñanza de la Ingeniería de Control requiere de algo más, de un elemento que permita al estudiante poner en práctica todos los conocimientos que vaya adquiriendo a lo largo del estudio de la materia. Este papel en las enseñanzas tradicionales lo desempeña el laboratorio de prácticas (Antsaklis, et al., 99), el cual, inexorablemente, requiere de la presencia física del estudiante para poder manipular los sistemas de control y las plantas existentes en un entorno controlado bajo la supervisión del profesor. Por consiguiente, trasladando este entorno práctico a la enseñanza a distancia, el elemento necesario para abordar la realización de prácticas sobre Sistemas de Control es la existencia de un laboratorio virtual y de telepresencia accesible a través de una red basada en protocolos TCP/IP que permita al alumno practicar de una forma lo más similar posible a como si estuviese en las dependencias del laboratorio, dándole la posibilidad de manejar las simulaciones o interactuar con las plantas reales.

En consonancia con lo anterior, el Departamento de Informática y Automática de la Universidad Nacional de Educación a Distancia está trabajando en el desarrollo de nuevos paradigmas de laboratorios para la realización a través de Internet de experiencias prácticas de Ingeniería de Control sobre plantas y sistemas reales o simulados. De forma resumida, los cuatro pilares en los que se basa este proyecto de investigación son: la simulación remota, la telepresencia, la visualización remota y el seguimiento y evaluación.

Simulación remota

El paradigma de laboratorio virtual que se está desarrollando para la realización de simulaciones dinámicas e interactivas a través de Internet (Web-based simulation), consta de cinco partes:

Potentes interfaces gráficas de usuario (GUI) bajo la forma de applets Java (applets de experimentación). Estas interfaces deben estar compuestas por los esquemas de determinados procesos industriales (plantas, controladores, tuberías, válvulas, etc.) más un conjunto de diagramas de señal para analizar la evolución de los parámetros y variables a lo largo del tiempo de simulación. En la figura 1 se recogen las interfaces de dos applets de experimentación.
Un entorno de cálculo matemático en el que se ejecutan las simulaciones de las plantas que son de interés por su carácter didáctico: intercambiadores de calor, péndulos invertidos, tanques de líquido, columnas de destilación, etc. Puesto que el entorno está siendo ideado tanto para la enseñanza como para el entrenamiento, este permite realizar una completa configuración de los modelos matemáticos (perturbaciones programadas, parámetros físicos, actuación de los controladores, etc.) y de las interfaces gráficas (rango de las variables, grado de interactividad de las variables) por medio de ficheros de experimentos y, de esta forma, establecer los objetivos pedagógicos que los estudiantes tengan que alcanzar interactuando con la GUI. Las herramientas seleccionadas para el desarrollo de los modelos están siendo Matlab y Simulink.
Un servidor concurrente como mecanismo para el intercambio de información a través de Internet entre los applets de experimentación y el núcleo de cálculo/simulación (figura 2).
Un sistema de supervisión y monitorización con el objeto de que el profesor de forma remota supervise on-line el trabajo que realizado por los estudiantes mediante los applets de experimentación. Para ello, se ha diseñado un prototipo de applet de supervisión que permite monitorizar algunos parámetros de las sesiones de trabajo de los estudiantes.
Un conjunto de presentaciones conceptuales embebidas en páginas HTML como forma de proporcionar o completar las bases teóricas necesarias para abordar la realización del trabajo práctico.

Telepresencia

Utilizando la misma filosofía que en el laboratorio virtual se está desarrollando un entorno de telepresencia para el empleo remoto de ciertas plantas de entrenamiento (péndulo invertido, tanques de agua, intercambiadores de calor). Con el empleo de plantas reales se intenta, en la medida que la tecnología lo permita, transmitir a los estudiantes las sensaciones y responsabilidades que tendrán cuando trabajen en entornos industriales reales.

El esquema conceptual del sistema de telepresencia será similar al del laboratorio virtual: applets Java para las interfaces gráficas de experimentación, applet de supervisión y un servidor ad-hoc que haga de canal de comunicación de los applets con el sistema de control en tiempo real. La figura 3 recoge un esquema gráfico resumido del entorno de teleoperación planteado.

Obsérvese que con el fin de solventar los problemas de control que implican el retardo en la transmisión de la información a través de la red, se ha recurrido al paradigma de control supervisado (Sheridan, 93). Brevemente, el control supervisado significa que en lugar de distribuir el lazo de control entre la planta, el servidor y el applet de experimentación, todo el lazo de control se mantiene cerrado en el propio servidor. De esta forma, no hay retrasos en el lazo que realiza las tareas de control y, por lo tanto, no hay inestabilidades.

De acuerdo con este paradigma, las funciones del control supervisado en nuestro entorno desde el punto de vista didáctico se pueden dividir en cinco puntos, los dos primeros propios del profesor y los tres restantes del estudiante. Estos puntos son: (1) planificar las acciones de la planta en función del objetivo didáctico perseguido con el experimento, (2) confeccionar el plan por medio de los ficheros de experimentos, (3) monitorizar y supervisar la evolución del experimento para lograr los objetivos indicados, (4) si hay anormalidades, intervenir a través del applet de experimentación para corregir el problema, y (5) aprender de la experiencia.

Visualización remota

En la actualidad, todo laboratorio remoto de Ingeniería de Control que se considere de auténtica telepresencia demanda la existencia de una comunicación visual y auditiva con la planta sobre la que se estén realizando las experiencias. De acuerdo con las ideas esbozadas, el objetivo perseguido con este apartado es la creación de un entorno de trabajo que permita la supervisión visual remota del proceso. Por ello, se puede afirmar que lo que se pretende es construir un sensor remoto en red (McDowell, et al., 98), el cual pueda ser gobernado tanto por el profesor como por el estudiante.

El campo tradicional del empleo del vídeo en entornos de telepresencia o de teleoperación es el de la telerrobótica. En unos casos el vídeo permite al ser humano operar en entornos peligrosos (minas, centrales nucleares) (Corke, et al., 98) o remotos (espacio exterior, profundidades abisales) (Sheridan, 93); en otros propicia la supresión de barreras espaciales para la aplicación del conocimiento de un experto (teleasistencia médica, teleoperaciones quirúrgicas) (Kitson, et al., 1997); y, cómo no, permite experimentar de forma remota sobre aspectos de la Ingeniería de Control (Aktan, et al., 96; Kondraske, et al., 93; Gillet, et al., 97; Overstreet y Tzes, 99). Este paradigma en el empleo del vídeo es en el que se enmarca el trabajo aquí expuesto: la monitorización visual remota de un conjunto de plantas reales con fines pedagógicos.

Algunos de los posibles supuestos de aplicación en entornos pedagógicos de telepresencia o teleoperación aplicados a la enseñanza de la Teoría de Control son los siguientes:

Monitorización on-line del proceso. Se consigue así la visualización directa y en tiempo real de cómo las acciones de control efectuadas sobre la interfaz de experimentación repercuten en la planta real. De esta forma, la realimentación que el estudiante obtiene no solo la extrae del análisis de los valores numéricos sino también de la observación directa del proceso.
Comprobación on-line del proceso, es decir, grabación en vídeo de toda o parte de la experiencia con la planta, de forma que, concluida la sesión de teleoperación se puedan estudiar los pasos dados en caso de que se desee profundizar en algún aspecto destacable.
Refuerzo de conceptos. Empleo de secuencias de vídeo obtenidas de alguna experiencia previa y que permiten reforzar algún concepto teórico.
Planteamiento de ejercicios. Presentación visual de ciertas situaciones de forma que el estudiante, a priori, pueda discurrir sobre qué acciones debe tomar en el caso de que se le presente esa situación durante una sesión de teleoperación.

Centrándonos en el diseño del sistema de visualización remota este se apoya en la clásica arquitectura cliente/servidor: un servidor se encargará de dialogar con dos tipos de applets de control remoto de la cámara (applet del profesor y applet del estudiante).

Evidentemente, el tipo de applet para el control de la cámara que el servidor HTTP transmite depende del usuario: el del profesor (figura 4.a) dispone de un número muy superior de funciones que las del estudiante (figura 4.b), ya que debe poder preajustar las seis configuraciones que la memoria de la cámara soporta (en este caso una cámara motorizada SONY EVI-DE30/31). Además, limitando las funciones de la interfaz del estudiante se consiguen dos objetivos: centrar la atención en los aspectos concretos y relevantes de la planta para lograr las metas del experimento, y evitar los consiguientes problemas que ocasionaría un uso inapropiado de la cámara para los posteriores usuarios.

Evidentemente, la construcción de un entorno remoto de experimentación implica no solo una independencia física del estudiante con respecto al lugar de experimentación, es decir, del laboratorio, sino también temporal. De ahí la conveniencia de que el entorno de experimentación esté disponible las 24 horas del día, garantizando no solo la independencia espacial sino también la temporal.

Por ello, conjuntamente con el sistema de visualización remota se ha diseñado un sistema de encendido remoto de la iluminación de forma que en el mismo instante en que se establezca una conexión para iniciar un experimento sobre una planta real se garantice la visibilidad del objeto a monitorizar.

Seguimiento y evaluación

Parece obvio que la completitud de la verdadera meta perseguida con nuestro proyecto de investigación, que no es otra que la mejora de los conocimientos del alumno sobre la materia en cuestión, no puede lograrse sin que el estudiante reciba una realimentación sobre la validez del trabajo desarrollado dentro del laboratorio, así como que el profesor conozca el grado de avance experimentado por el alumno. Es por ello que todo el laboratorio virtual no tendría sentido sin la existencia de un módulo de seguimiento y evaluación del alumno que le permitiese a este autodirigirse en su proceso de aprendizaje, indicándole los puntos sobre los que necesita un mayor refuerzo en su estudio.

Al mismo tiempo, este módulo debe servir al profesor tanto para comprobar que el proceso de aprendizaje que lleva asociado el estudiante es el correcto (seguimiento puntual) como para conocer si se han logrado los objetivos perseguidos tras el estudio completo de la asignatura (seguimiento global). De acuerdo con esto, algunas de las tareas que debe llevar a cabo el módulo de seguimiento y evaluación son: (a) generación y corrección de test sobre la materia, (b) programación de experimentos para el refuerzo y fijación de determinados conceptos, (c) evaluación del resultado de los experimentos y (d) seguimiento continuo de las simulaciones y del estado del laboratorio.

Referencias

Aktan, B., C.A. Bohus, L.A. Crowl, y M.H. Shor (1996), «Distance Learning Applied to Control Engineering Laboratories», IEEE Transactions on Education, Vol. 39, n.º 3, págs. 320-326.
Antsaklis, P., T. Basar, R. DeCarlo, N. Harris, M. Spong, y S. Yurkovich (1999). «Report on the NSF/CSS WorkShop on New Directions in Contrl Engineering Education», IEEE Control Systems Magazine, Vol. 19, n.º 5, págs. 53-58.
Corke, P., J. Roberts, y G. Winstanley (1998), «Vision-Based Control for Mining Automation», IEEE Robotics & Automation, Vol. 5, n.º 4, págs. 44-49.
Gillet, D., C. Salzmann, R. Longchamp, y D. Bonvin (1997), «Telepresence: An opportunity to develop practical experimentation in automatic control education», Proceedings of the European Control Conference, Bruselas.
Kitson, F.L., T. Malzbender, y V. Bhaskaran (1997), «Opportunities for Visual Computing in Healthcare», IEEE Multimedia, Vol. 4, n.º 2, págs. 46-57.
Kondraske, G.V., R.A. Volz, D.H. Johnson, D. Tesar, J.C. Trinkle, y C.R. Price (1993), «Network-based Infrastructure for Distributed Remote Operations and Robotics Research», IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 9, n.º 5, págs. 702-704.
McDowell, C.E., B.R. Montague, M.R. Allen, E.A. Baldwin, y M.E. Montoreano (1998), «JAVACAM: Trimming Java Down to Size», IEEE Internet Computing, Vol. 2, n.º 3, pág. 53-59.
Overstreet, J. W y A. Tzes (1999), «An Internet Based Real-Time Control Engineering Laboratory», IEEE Control Systems, Vol. 19, n.º 5, pág. 19-34.
Sheridan, T.B. (1993), «Space Teleoperation Through Time Delay: Review and Prognosis», IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 9, n.º 5, pág. 592-606.