Gestión de flotas de transporte basada en IoT e inteligencia artificial: Reducción del consumo energético y mantenimiento predictivo

Desarrollo de un sistema para el mantenimiento predictivo y ahorro energético en la conducción de flotas de autobuses, para su implementación a escala de demostración en una población de al menos 20 vehículos.

Investigador principal

Francisco José Jiménez-Espadafor Aguilar

Sede

US

Tecnología

Machine learning / Big Data/IoT

Sector

2

Agentes agregados

TRANSPORTES URBANOS DE SEVILLA, SAM (TUSSAM)

Resumen de la propuesta

El proyecto se ocupa del desarrollo de un sistema para el mantenimiento predictivo y para el ahorro energético en la conducción de flotas de autobuses, para su implementación a escala de demostración en una población de al menos 20 vehículos.

Los autobuses actuales disponen de un bus de comunicaciones, CAN-BUS, que se ocupa de gestionar el flujo de información entre todos los sistemas del vehículo. En el caso de los autobuses, el protocolo adoptado por la práctica totalidad de los fabricantes se denomina J1939 desarrollado por SAE. Este bus de datos transfiere magnitudes del motor, del sistema eléctrico, del sistema neumático, del sistema de frenado, del sistema de acondicionamiento de aire, del sistema de refrigeración, del sistema de transmisión así como del consumo de combustible.

Utilizando técnicas de inteligencia artificial, el sistema generará modelos de comportamiento de cada sub-sistema en condiciones de operación reales. Las salidas de estos modelos serán comparadas con los valores medidos estableciéndose una métrica que permitirá determinar el estado de cada subsistema. Esta metodología, aplicada a flotas de autobuses como la de TUSSAM, permite: Reducir el número de vehículos en reserva /Elevar la disponibilidad de los vehículos/Optimizar la operación del mantenimiento, reduciendo los tiempos/Prácticamente eliminar los fallos con resultados catastróficos/Mantener el vehículo en valores de rendimiento próximo a valores de vehículo nuevo/Resultado de todo lo anterior, reducir el coste de explotación.

Objetivo del proyecto

El proyecto que se propone que arranca de los resultados alcanzados en el citado PREDICBUS, se articula en torno a tres objetivos globales:
1.Disponer de una solución de hardware robusta , con la velocidad de procesamiento adecuada, que permita la expansión del sistema a un elevad o número de vehículos .
2. Ampliar el campo de parámetros supervisables , introduciendo sensores que faciliten información adicional a la capturada por el CAN BUS
3. Desarrollar modelos de Desarrollar modelos de todos lostodos los subsub--sistemasistemass basados en redes neuronales basados en redes neuronales para la determinación para la determinación del estado de cada subdel estado de cada sub--sistema y la sistema y la identificación automática de fallosidentificación automática de fallos..

En el objetivo 1, se propone una solución basada en elementos comerciales, de programación libre, que e propone una solución basada en elementos comerciales, de programación libre, que permita la adaptación del sistema a los requerimientos de permita la adaptación del sistema a los requerimientos de TUSSAM. En esta solución la captura de TUSSAM. En esta solución la captura de datos es directa a través de un conversor CANdatos es directa a través de un conversor CAN--BUS BUS -- HTML y el envío de éstos se realiza por GPRS HTML y el envío de éstos se realiza por GPRS que de esta forma no requiere antena externa ni tampoco el uso de la red propia de TUSSAM. que de esta forma no requiere antena externa ni tampoco el uso de la red propia de TUSSAM. El El “hardware” previsto es “hardware” previsto es dede tamaño reducido y se aloja perfectamente en el habitáculo tamaño reducido y se aloja perfectamente en el habitáculo internointerno de los de los autobuses.autobuses.

En el objetivo 2, se propone la incorporación de magnitudes no disponibles en el CANncorporación de magnitudes no disponibles en el CAN--BUS.BUS.

Si bien las señales volcadas por el fabricante en el CAN--BUS son de gran BUS son de gran utilidad para el utilidad para el mantenimiento, se requiere aumentar la capacidad de supervisión. Para ello es necesario introducir mantenimiento, se requiere aumentar la capacidad de supervisión. Para ello es necesario introducir sensores adicionales que complementen la informacisensores adicionales que complementen la información suministrada por el CANón suministrada por el CAN--BUS tales como BUS tales como Presión A/C, Intensidad de corriente, caudal airPresión A/C, Intensidad de corriente, caudal aire motor, temperaturas varias.e motor, temperaturas varias.

Para el objetivo 3 se abordará: Determinación de niveles de alarmaDeterminación de niveles de alarma sólidos para vehículos iguales / sólidos para vehículos iguales / Comparativa de parámetros entre vehículos igualesComparativa de parámetros entre vehículos iguales / / Cuantificación de la degradación entre vehículosCuantificación de la degradación entre vehículos //

Desarrollo de herramientas automáticas para la identificación de desviaciones entre vehículos.ntas automáticas para la identificación de desviaciones entre vehículos.

Resultados esperados e indicadores

Indicadores (esperados hasta el 31/12/2021)

  • Nuevo personal investigador (equivalente anual): 1,5
  • Patentes: 2
  • Nº contratos transferencia: TUSSAM / EMT Málaga / EMT Córdoba / Empresas asociadas al Consorcio de Transportes de la JA
  • Congresos: 2
  • Publicaciones indexadas: 5
  • Tesis doctorales: 2

Justificación potencial impacto tecnológico del proyecto (TRL)

El proyecto participa de TRL8 y TRL9. Si bien el hardware de los sistemas implicados hay que adaptarlos a los requisitos del proyecto, la tecnología asociada ha sido estudiada en el proyecto previo PREDICBUS. Por otro lado, las actividades del proyecto están fundamentalmente volcadas en la cualificación del sistema completo y en
la realización de pruebas en el entorno operacional de los autobuses.

Avances

En primer lugar, se ha completado la provisión de los dispositivos necesarios para la composición de cada una de las unidades de monitorización individualizada. A continuación, se han implementado físicamente las unidades anteriormente descritas, las cuales, están siendo ubicadas en los respectivos vehículos actualmente. Este sistema recoge los datos de operación del vehículo en formato CAN BUS a través de un dispositivo de lectura no invasivo (LECTOR BUS CAN CAN CROCODILE), que transmite los datos a un microordenador (RASPBERRY PI MODEL 3+), el cual adquiere esta capacidad gracias a la placa que dispone emparejada sobre ella (PICAN GPS CAN-BUS BOARD).

El microordenador en cuestión comunica los datos al ROUTER a través de su puerto ethernet (comunicándose con un LATIGUILLO UTP CAT6 0,30). El router, por su parte, transmite los datos empleando vía GPRS al ordenador semitorre, que actúa como servidor central. Éste, empleando los datos recibidos, realiza los cálculos pertinentes para elaborar un informe de diagnosis sobre el estado de los diferentes sistemas del vehículo. Este sistema implementado es aislado puesto que los dispositivos anteriormente mencionados son alimentados a través de la batería del vehículo. Sin embargo, para el caso del microordenador, sus especificaciones técnicas imponen que se adapte el nivel de tensión para este caso, para lo cual disponemos de un convertidor DCDC. Por último, disponiendo previamente ya de un registro datos de operación de dos vehículos de transporte urbano del mismo modelo que los monitorizados en el presente proyecto, se ha implementado en una herramienta informática para el cálculo numérico un primer modelo físico de subsistema del vehículo.

En concreto, se ha elaborado un modelo diferencial del sistema de refrigeración del motor. Este sistema tiene como función regular la temperatura del líquido refrigerante a la salida del motor, frente a la carga térmica introducida por parte de los componentes de la cadena cinemática del vehículo. Este modelo pretende obtener una evolución simulada de la temperatura del refrigerante a la salida del motor en función de las diferentes entradas de energía en la cadena. Esta magnitud simulada es posteriormente comparada con la señal equivalente extraídas del CAN BUS del vehículo. De este modo, nos permitirá controlar en tiempo real desviaciones del comportamiento normal del sistema de refrigeración.

Habiendo caracterizado el sistema de refrigeración en las condiciones actuales o de referencia, toda desviación de la señal “Real” respecto a la “Calculada”, supondrá que la eficacia del sistema está viéndose mermado por alguna de las posibles razones que se identificarán en el transcurso del presente proyecto.

CEI_02_dipositivo

Sistema en uno de los procesos de instalación dentro de los vehículos seleccionados