El “BUQUE” sin “CABLES”: “SISTEMA DE SERVICIOS INTEGRADO”

Figura 1: Nodos del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 1: Nodos del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

Entrevista Cope + Galicia miércoles 20/05/20 a las 1310h:

En el proceso de construcción de un buque existen muchos kilómetros de cable tendidos por las cubiertas, aproximadamente entre medio millón y un millón de metros lineales de cableado, los cuales suponen un volumen de peso y gasto importante, tanto por el coste de los materiales (cables, registros, guías para su distribución, cuadros de distribución, etcétera), como por los costos de mano de obra asociados a los procesos de instalación, etiquetado, pruebas y mantenimiento del cableado. Este problema se acrecentará en los nuevos buques que se construyan en el futuro, ya que nacerán con especificaciones de “Buque 4.0”, especificaciones que por otro lado se traducirán en un incremento del número de dispositivos (sensores y actuadores) que se deberán cablear. De esta necesidad ha nacido lo que inicialmente se ha denominado el “buque sin cables”, de cuya evolución ha resultado el “sistema de servicios integrado”.

Figura 1: Nodos del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 1: Nodos del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

INTRODUCCIÓN:

Tanto en la construcción actual de buques, como en el futuro “buque 4.0”, se necesita la búsqueda de medidas encaminadas a implementar el incremento de las capacidades de comunicación entre dispositivos (IoT) y las redes de datos. Se debe tener en cuenta que cabe esperar un aumento exponencial del volumen de datos en un buque, por lo que este tráfico de datos se tendrá que gestionar a través de las redes de comunicación del buque que tendrán que incrementar su capacidad. Las nuevas redes deberán dar soporte a buques cada vez más inteligentes y con nuevas maneras de relacionarse con su tripulación, por lo que será necesario que los nuevos sistemas proporcionen suficiente ancho de banda para soportar el tráfico de todas las nuevas funcionalidades que se desarrollen.

El “buque sin cables” o “sistema de servicios integrados (SSI)”, ha sido desarrollado por Navantia en colaboración con la Universidad de A Coruña (UDC) y la Universidad de Vigo (UVigo). En la actualidad se trata de un proyecto que cuenta con la colaboración del departamento de Sistemas de Navantia (para la parte del SICP, Sistema Integrado de Control de Plataforma, conjunto de elementos de hardware y software que permiten la automatización, control y supervisión de la mayor parte de los equipos que se instalan en el buque; y para la parte del Sistema de Comunicaciones y el Gemelo Digital), la UDC y la UVigo como dirección técnica, junto con algunas empresas externas en calidad de asesores tecnológicos como son: Microchip, IBM, Samsung Knox o NXP. A todos estos socios se une la Armada, que participa como invitado en el panel de evaluación en lo que afecta a la construcción de las nuevas fragatas F-110.

Este proyecto nace en la Unidad Mixta de Investigación (UMI), creada entre Navantia y la UDC, dentro del apartado de buque inteligente, y se complementa con actividades internas de I+D+i de los socios implicados. En una primera fase conceptual del proyecto, entre 2015 y 2018, se llevaron a cabo dos actuaciones bien diferenciadas, asociadas a las áreas de mayor volumen de cableado: la distribución eléctrica, por un lado, y la de comunicaciones y sensores, por el otro.

En la actualidad Navantia, la UVigo y la UDC están llevando a cabo la segunda fase de esta UMI que finalizará el año próximo, y continúan trabajando en el desarrollo de los distintos elementos del sistema, con el reto de convertir este proyecto en uno de los más innovadores que exista en las fragatas del futuro. Carlos Blanco, Director de “Research” y responsable del proyecto por parte de Navantia, indicaba hace pocos días que el proyecto SSI es realmente novedoso, con una patente en estudio, por lo que todavía no pueden desvelar todos los entresijos del mismo. Destacar que el responsable del proyecto por parte de la UDC es el profesor catedrático Luis Castedo Ribas y por la UVigo el profesor catedrático Fernando Obelleiro

Figura 2: Carlos Blanco durante una ponencia en Exponav en diciembre 2019 (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 2: Carlos Blanco durante una ponencia en Exponav en diciembre 2019 (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

CONCEPTO DEL BUQUE SIN CABLES:

Por lo tanto, la denominación de “buque sin cables” no corresponde a un barco en el que no existan cables, sino que designa a un buque que busca la reducción en la cantidad de cables existentes mediante la utilización de una infraestructura común que dé soporte y cobertura integral a múltiples servicios como pueden ser la iluminación, la megafonía o la conectividad (tanto de los equipos y sistemas, como de los dispositivos personales y dispositivos corporales, cámaras  y sistemas de entretenimiento). El objetivo inicial del proyecto apuntaba a una potencial reducción de cables en torno a un 20%, y a una facilitación en la incorporación de las nuevas tecnologías 4.0 en los buques, siendo esta la capacidad más interesante.

El proyecto “sin cables” recogía dos actuaciones diferentes asociadas a las áreas de mayor volumen de cableado. Son las siguientes:

  • La distribución eléctrica: en este caso la actuación en el ámbito de la planta y distribución eléctrica combina las ventajas de la alta tensión (desde 1.2 kV a 6.6 kV o incluso valores superiores), el empleo de dispositivos rígidos de conexión (“bus bar”), y el uso de sistemas de almacenamiento de energía. A estas ventajas se suma la existencia de una distribución geográfica optimizada de los elementos, al objeto de alcanzar alternativas de planta flexible, provistas de alta capacidad de supervivencia y con ahorros en el peso de instalación en comparación con los buques actuales. Al ahorro del peso se añade la reducción de los plazos de puesta a punto de la planta eléctrica en el caso de arquitecturas de “bus bar”.
  • La distribución de ciertos sistemas de “datos”: integrando iluminación, comunicaciones, servicios de acceso y sensores, en un único sistema (SSI), que conforma el sistema nervioso del buque.

A modo de resumen se podría entender que este sistema pretende sustituir un equipo de iluminación actual, por un equipo con iluminación led inteligente (nodo), al que se le dotaría de capacidad de comunicación con los equipos y las personas, y al que se añadirían diferentes sensores que aumentarían, entre otros, la capacidad actual del SICP. La manera de desarrollar esta solución sería mediante un “árbol mallado”, con capacidad de seguir funcionando en un escenario severo de daños (supervivencia), incluidos los cibernéticos.

Figura 2: Mallado del Buque Sin Cables (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 3: Mallado del Buque Sin Cables (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 3: Nodo del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 3 bis: Nodo del SSI (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

Se espera que los nodos cubran múltiples funcionalidades, entre otras:

  • Iluminación LED general inteligente, emergencia, contingencia, evacuación y avisos visuales.
  • El “interface” con las comunicaciones interiores y telefonía.
  • Las órdenes generales y avisos sonoros.
  • La infraestructura de localización y vigilancia biométrica de la dotación.
  • La adquisición y distribución de datos.
  • El acceso inalámbrico desde terminales móviles (tabletas, PDAs, etc.) a ciertos servicios.
  • Funciones de CCTV (circuito cerrado de televisión).

Todas estas funcionalidades proporcionarían el soporte necesario para la implementación de las capacidades asociadas al concepto de Buque 4.0 (buque, gemelo digital, etcétera), con la posibilidad de poder incorporar otras, a muy bajo coste a lo largo de la vida operativa del buque. Este proyecto incorpora siete de las trece tecnologías habilitadoras del 4.0 identificadas por Navantia, entre otras: la impresión 3D, el IoT (internet of things, integrando sensores), el Big Data (procesado de datos), la ciberseguiridad o el soporte a las aplicaciones de realidad aumentada en el interior del buque.

VENTAJAS DEL SSI:

Se podrían destacar las siguientes ventajas del proyecto SSI:

  • Flexibilidad y capacidad de crecimiento muy superior a la arquitectura actual de los buques.
  • Aumento de la información con funcionalidades antes impensables gracias a los múltiples sensores existentes (lecturas de presión, temperatura, etcétera).
  • Alcance a toda la plataforma del buque.
  • Reducción del cableado y reducción de la potencia eléctrica del alumbrado de forma significativa.
  • La infraestructura de red de tipo mallado no requiere la existencia de un nodo central, con lo que se reduce el riesgo de fallos y el mantenimiento periódico, dado que el fallo en un nodo no implicará nunca la caída en toda la red.
Figura 4: Simulaciones electromagnéticas de algunas de las capacidades (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 4: Simulaciones electromagnéticas de algunas de las capacidades (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL SISTEMA SSI:

Los nodos son unidades físicas inteligentes que integran los diferentes elementos eléctricos y electrónicos que soportan las funciones y comunicaciones con los sistemas y los usuarios del buque. Existen varios tipos de nodos (conocidos inicialmente dentro del equipo de trabajo como “minions”: Multi-element Intelligent Node Integrating Open Network Solutions y “grus” Graphic Remote UnitS  ):

  • Básicos: es el elemento de la infraestructura de más bajo nivel del sistema, que proporciona acceso a los servicios.
  • Maestros: además de acceso a los servicios, estos nodos se interconectan formando una red y algunos de ellos constituyen el punto de conexión con el núcleo troncal del sistema.
  • Nodos externos especializados: minimizando la firma radar del buque, extienden ciertas capacidades del sistema al exterior del buque.

El núcleo del sistema está compuesto por el conjunto de servidores y dispositivos de conexión y seguridad que permiten ejecutar los servicios comunes o de gran capacidad computacional, como puede ser la fusión o procesado de ciertos datos, así como la gestión de los interfaces con el resto de los sistemas del buque.

Los nodos son los elementos visibles del SSI, ya que son el enlace entre los usuarios y los sistemas del buque, por lo que deben integrar los diferentes elementos eléctricos y electrónicos que soportan las capacidades. Esto se consigue mediante módulos diferentes integrados dentro de una carcasa común.

Figura 5: Prototipo de nodo (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 5: Prototipo de nodo (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

Otros elementos del SSI serán los terminales de usuario, dispositivos móviles personales que constituirán un interfaz hombre-máquina, para poder acceder a los servicios ofrecidos por los diferentes sistemas y tener así interacción con ciertos datos y funciones del buque. Además, existirán dispositivos personales biométricos y de identificación destinados a servir de soporte para localizar al personal y elementos de seguridad del buque, además de servir para otras funciones abordo.

REDUNDANCIA Y SEGURIDAD:

El sistema se alimentará de manera similar que el alumbrado actual de los sistemas, bien por distribución eléctrica normal o bien por emergencia, y dispondrá de redundancia para asegurar la continuación del servicio de acuerdo con los requisitos y especificaciones de contrato que se establezcan para cada una de las funcionalidades proporcionadas. El sistema es altamente redundante y contará con medidas para evitar su corte (disponiendo de un medio de almacenamiento de energía) en caso de caída de la planta principal del buque (black-out).

El SSI estará integrado con el Gemelo Digital, el sistema de comunicaciones y el SICP del buque, proporcionando a los mismos una gran cantidad de datos en tiempo útil, así como una interface de comunicación en lenguaje natural, capacidades que podrían incrementarse en futuros buques. Además, el gemelo digital y el SICP con acceso a toda la información del sistema, dispondrían en conjunto con el SSI de un conocimiento de la situación real, tanto de los espacios como de la tripulación, lo que permitiría a los operadores mejorar las acciones de control necesarias para el manejo de todos los sistemas del buque.

Figura 6: Nodo funcionando en un camarote (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 6: Nodo funcionando en un camarote (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

GEMELO DIGITAL Y MAQUETA DIGITAL:

A lo largo del artículo se ha hecho mención al gemelo digital, por lo que voy a llevar a cabo una breve explicación sobre el mismo, aplicado a buques. El “Gemelo Digital (GD)” es un concepto clave para la digitalización y en particular para el Astillero 4.0, que consiste en disponer de una réplica virtual, más allá de un modelo geométrico 3D, de un buque existente. A medida que se va introduciendo información y datos en el GD, este evoluciona para reflejar cómo se va modificando el barco. Como un “avatar” del buque real, su GD permite que se pueda visualizar el estado y condición de aquel, aun estando a miles de millas de distancia, según la disponibilidad de los recursos de comunicación digital. El GD también puede proporcionar nuevos “inputs” sobre el diseño, la construcción, la operación y los servicios asociados a su “Gemelo Real”.

Por lo tanto, el GD permite relacionar el entorno físico del buque con el virtual, con el objetivo de fusionarlos mediante la aplicación de tecnologías modernas. En el entorno virtual del buque se podrán analizar los datos obtenidos durante su ciclo de vida, así como generar simulaciones sobre modelos que permitan identificar recomendaciones a las labores de operación y mantenimiento (correctivas, preventivas y predictivas), que significarán una gran ventaja de cara al cliente, en forma de una mayor eficacia en la operación, una mayor seguridad y una mejor optimización de los costes del ciclo de vida.

Destacar que el GD se debe elaborar en paralelo a la construcción real del buque, y aportará las siguientes ventajas específicas:

  • Optimización del diseño del buque.
  • Anticipación en los procesos de verificación y validación.
  • Habilitador de las capacidades “smart” o inteligentes.
  • Posibilidad de respuesta en tiempo útil con objetivo último de virtualización en tiempo real.
  • Capacidad de configurar operaciones semiautónomas y autónomas futuras según los escenarios.
  • Herramienta para la gestión del alistamiento de los buques.
  • Herramienta de mantenimiento predictivo.
  • Simulación del funcionamiento de los sistemas críticos.
  • Ayuda en la toma de decisiones relacionadas tanto con la operación eficiente y segura como con el grado de alistamiento y seguridad interior.
  • Identificación de deficiencias o deterioros por comparación del GD con el real.
  • Mejora de la planificación de la producción y construcción.
  • Mejora de la accesibilidad a la información (soporte) por las personas relacionadas con el buque, tanto en fase de obtención como de operación.
  • Posibilidad de uso del GD mediante una infraestructura con software integrado capaz de ejecutar aplicaciones de usuario.

Juan Ignacio Silvera Vez, Director del Programa de Productos Inteligentes de Navantia, indicaba en marzo de este año, justo antes del confinamiento, que el GD está revolucionando todas las industrias, aportando valor en términos de eficacia, flexibilidad y seguridad funcional en los buques. Quiso destacar que el GD es más que una maqueta digital, es decir, que este sistema se puede integrar funcionalmente en el elemento físico que replica, aportando valor. Como pieza clave en la transformación digital, tracciona especialmente todo lo referente a la explotación de datos y modelos. Además, apuntó que la importancia de los gemelos digitales está en ayudar a que las decisiones estén basadas en modelos que se refinan aprendiendo de los datos, y en la medida de lo posible, habilitar según el caso, a que la toma de decisiones se lleve a cabo de manera autónoma.

Figura 7: Juan Ignacio Silvera durante una ponencia en Exponav en diciembre 2019 (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 7: Juan Ignacio Silvera durante una ponencia en Exponav en diciembre 2019 (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

La integración del GD con los sistemas funcionales, incluyendo el propio SSI que actúa como infraestructura accesible en todos los rincones del buque para el proceso y encaminamiento de flujos de datos entre “cosas” y personas a bordo, permite una gran flexibilidad y potencia en la evolución de capacidades de los buques inteligentes.

Figura 8: Gemelo digital (Fuente: Navantia)

Entonces, ¿qué diferencia existe entre una maqueta digital (MD), y un gemelo digital (GD)? Pues según nos explican los almirantes Martínez Ruiz y González García en el artículo “Concepto del apoyo logístico de la F-110”, publicado en la RGM en agosto de 2018, la diferencia radica en que la MD es un sistema de información que contiene una representación gráfica 3D del buque, reflejando su estructura de producto a través de diferentes niveles de jerarquía de sus elementos. Es decir, la MD solo unifica de una forma estructurada, todos los datos logísticos tradicionalmente dispersos en distintas aplicaciones logísticas. Mientras que el GD aparece cuando conectamos la MD al buque real y los sistemas reales para incorporar, en tiempo útil, tanto los datos relativos a alistamiento como los parámetros de funcionamiento que permitan llevar a cabo los procesos de mantenimiento predictivo. Resumiendo, el GD mantiene tanto los datos estáticos como dinámicos asociados a cada elemento de configuración siguiendo el principio de dato único, es decir, el GD aparece como el repositorio de los datos mencionados. De ahí que el Director del Programa de Productos Inteligentes de Navantia indicara que “el GD es más que una maqueta digital”.

Figura 9: Maqueta digital (Fuente: RGM)

CONCLUSIONES:

El proyecto “Sin Cables”, o más bien “Sistema de Servicios Integrados (SSI)”, es una iniciativa en el ámbito del I+D+i que nace dentro de la UMI entre Navantia, la UDC y la UVigo, con el objetivo inicial de reducir el volumen de cables en un buque. Pero el SSI busca además proporcionar una infraestructura común, a modo de sistema nervioso, que dé soporte y cobertura integral a múltiples servicios como pueden ser la iluminación, la megafonía y conectividad, tanto de los equipos y sistemas, como de los dispositivos personales y corporales, cámaras y sistemas de entretenimiento. Este sistema presenta la mejora adicional de poseer una capacidad de infraestructura de integración con la tripulación, mejora a la que se une la optimización y la reducción del volumen y peso del cableado.

Los elementos más representativos del SSI serán los nodos, los cuales integran en unidades modulares los elementos principales de los servicios del buque. Además, este SSI estará controlado por el SICP del buque, encargado del control de todos los sistemas del buque y de conocer el estado del barco en cada momento.

Para finalizar, y resumiendo, este sistema supondrá la introducción del buque en la nueva era 4.0, que permitirá la interacción entre el tripulante y el barco desde cualquier punto del mismo, a través de una infraestructura común que dé soporte y cobertura a los servicios de iluminación, megafonía y sensores.

Figura 9: Integración de control con dispositivos móviles (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)
Figura 10: Integración de control con dispositivos móviles (Fuente: Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia)

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

  • Artículos del especial de la Revista General de Marina Agosto-Septiembre 2018 titulado Apoyo Logístico 4.0 (descargable en:

https://armada.defensa.gob.es/archivo/rgm/2018/08/rgm080918.pdf)

  • Presentaciones de las IV Jornadas de Difusión de la UMI UDC – Navantia celebradas en la Sala Carlos III de Exponav los días 4 y 5 de diciembre de 2019 bajo el título «El Astillero del Futuro» (descargables en:

https://umi.udc.es/es/actualidad/jornadas-de-la-umi-2019/

  • Proyecto “Sin Cables”, un pequeño paso hacia el buque inteligente (descargable en:

https://documenta.udc.es/share/s/fmvlg9q0RKS47EN2WCj8TA

  • Unidad Mixta de Investigación UDC – Navantia; Astillero 4.0. El Astillero del Futuro:

https://umi.udc.es/es/actuaciones/buques-sin-cable/

¡Hasta dentro de dos semanas!

Raúl Villa Caro

En el año 1999 me licencié en Marina Civil (sección Náutica) en la Universidad del País Vasco. En 2001 obtuve el empleo de A.N. del Cuerpo General de la Armada y en 2005 la patente del Cuerpo de Ingenieros de la Armada. En el año 2001 obtengo el título de Ingeniero Técnico Naval (Estructuras Marinas) en la Universidad de A Coruña y posteriormente el título de Ingeniero Naval y Oceánico y el Diploma de Estudios Avanzados. En 2003 obtuve el título profesional de Capitán de la Marina Mercante. Desde Octubre de 2010 estoy contratado por parte de la UDC como profesor asociado. Actualmente además de realizar tareas de investigación en el Grupo Integrado de Ingeniería, y desde octubre 2010, imparto docencia en la Escuela Politécnica Superior (Grado y Máster en Ingeniería Naval y Oceánica). Mi actividad principal, fuera de la UDC, se desarrolla en la Ingeniería de Construcciones de Buques (Arsenal de Ferrol) como Jefe de la Ingeniería de Plataforma. Desde abril de 2012 hasta diciembre de 2013 fui Secretario de la Delegación Territorial en Galicia del COLEGIO OFICIAL DE INGENIEROS NAVALES, y desde enero 2013 soy Secretario de EXPONAV (Fundación para el Fomento del Conocimiento de la Construcción Naval y de las Actividades Marítimas).En 2015 obtuve el título de Doctor por la Universidad de A Coruña.

16 Responses

  1. Constance dice:

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    Un artículo muy interesante. Enhorabuena

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  4. Eduardo Picallo dice:

    Estimado Raúl,
    He leído con detenimiento el artículo «El buque sin cables: Sistema de Servicios Integrado», y es fantástico, formidable y estupendo.
    Un fuerte abrazo

  5. Andrés P. dice:

    Muy bueno el artículo sobre el SSi. Gracias

  6. Carlos dice:

    Muy buen artículo. Se nota que trabajas con lo más puntero de la tecnología digital en los buques. Muy interesante. Un abrazo.

  7. Andrés joven rivero dice:

    Buenos Dias Raul:

    He leído con atencion tu estupendo artículo, y escuchado tu entrevista en radio. Y que maravilla. Gracias por ilustrarnos con tus enseñanzas. ¡¡ Que diferencia de los barcos en los que navegué a los de ahora. Gracias de verdad. Que tengas buen dia.
    . Y espero conocerte personalmente en mi próxima visita a Galicia, cuando sea posible. Un abrazo desde Aragón.

    Andrés

  8. José E. Robles dice:

    El SSI será un paso adelante muy importante en el camino hacia una Armada 4.0, y seguramente será también un sistema adoptado en marinas civiles. BZ!
    Saludos!

    José E. Robles.

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