Aplicando los laboratorios de simulación en tiempo real en la enseñanza

Por el Dr. Pedro Ponce y Dr. Juan Roberto López
Artículo de divulgación científica

Un detonante para las herramientas remotas es la pandemia de COVID-19 que transformó de manera acelerada las clases presenciales a remotas bajo un formato digital, pasando de un pizarrón a la pantalla de una computadora. En materias teóricas, este cambio es suave. La transición en las clases de laboratorios, pruebas experimentales, en donde se requieren de equipo especializado para reforzar o adquirir nuevos conocimientos sobre la materia promoviendo el desarrollo de competencias y habilidades en los alumnos, requiere de un proceso de transición más grande. Este es el caso de los cursos de laboratorios, en donde se tienen requerimientos experimentales, los cuales son una parte esencial en la formación de futuros ingenieros en sus diversas ramas.

Por otro lado, actualmente existe un compromiso por parte de las universidades de incorporar las diferentes metas de sustentabilidad establecidas en la Agenda para el 2030 por parte de las Naciones Unidas. ¿Pero cómo es que este compromiso impacta en la educación?  Debido a este compromiso, nuevas materias y laboratorios se han creado para cubrir con las metas referentes al desarrollo de ciudades y comunidades sustentables, así como promover el avance en energías renovables de una forma accesible. La creación de los cursos motivados por este compromiso se ha envuelto en temas referentes al desarrollo de las redes eléctricas del futuro y sus principales componentes. https://sdgs.un.org/es/goalsare

En su mayoría, el curso de simulación en tiempo real, redes eléctricas inteligentes, micro redes y nano redes, tiene impacto en los ingenieros en electrónica, mecatrónica y desarrollo sustentable, ya que ellos representarán a la futura fuerza del trabajo en la formación de las redes eléctricas del presente y futuro. Para entrar en contexto con lo anterior; los cursos creados para el desarrollo de estos futuros ingenieros requieren de laboratorios con capacidad de acercar a los alumnos a resultados experimentales, sin los costos asociados a la experimentación real. Dichos laboratorios son conocidos como laboratorio en Tiempo-Real, sin embargo, la virtualización de estos laboratorios representa una tarea compleja, que, sin duda, de no ser realizada, afectaría la formación de competencias y aptitudes que el alumno pudiera adquirir mediante el uso de equipo especializado.

Los laboratorios de simulación en tiempo real permiten respetar las dinámicas asociadas con cada uno de los subsistemas que conforman un sistema como una red eléctrica. Estas herramientas permiten integrar y estudiar diferentes cargas eléctricas que pueden afectar la estabilidad de la red, así como estudiar cómo se incluyen las redes renovables de una forma descentralizada.  Para esto se requiere tener software y hardware especializado que permita ejecutar experimentos con las dinámicas correspondientes.

Hardware-in-the-Loop (HIL) y Co-simulation (Co-Sim), son dos de las herramientas usadas para la validación de nuevas tecnologías en el campo de microrredes y redes inteligentes (principales componentes en el desarrollo de las redes eléctricas del futuro).  Las competencias y aptitudes que se pueden formar o fortalecer mediante estas herramientas son las siguientes:

• Aplicación y práctica del conocimiento: La capacidad de traducir los conocimientos teóricos en tareas prácticas a través de acciones y rutinas fundamentadas.
• Resolución de problemas y toma de decisiones: La capacidad de buscar analíticamente soluciones a través de la recopilación de información para identificar el resultado óptimo entre las posibles alternativas.
• Aplicar los principios de la ciencia y la ingeniería: La capacidad de aplicar los conocimientos fundamentales de las matemáticas y las ciencias a problemas de ingeniería.
• Dominio de una disciplina de ingeniería específica: la comprensión profunda del conocimiento teórico y práctico de un campo de estudio de ingeniería específico.
• Diseño y desarrollo de experimentos: La capacidad de diseñar, ejecutar y analizar experimentos.
• Aprendizaje independiente y autónomo: la capacidad de autoaprendizaje a través la exploración de temas clave para encontrar una explicación de consultas específicas.
• Operación de calidad y seguridad de los equipos: el uso inteligente de los equipos sin comprometer la seguridad del usuario y de los demás.

Sin lugar a duda, estas herramientas son críticas para el desarrollo de futuros ingenieros. Sin embargo, hay muchos aspectos técnicos que se requieren para poder llevar a cabo la virtualización de estos espacios de aprendizaje y poder ofrecer sus beneficios de una manera segura ante los problemas de la presente pandemia. Aspectos técnicos como los protocolos de comunicación y la compatibilidad entre software y hardware necesitan ser minuciosamente revisados para armonizar el uso de estas plataformas a distancia.

Así mismo, los estudiantes deben ser capaces de utilizar las herramientas de simulación, modelado y hardware que se encuentran comúnmente en los cursos de laboratorio para comprender problemas específicos sobre las redes eléctricas del futuro. Por tanto, es fundamental comprender cómo cada herramienta tecnológica que se encuentra en un curso de laboratorio centrado en tecnologías de redes inteligentes y micro-redes contribuye al desarrollo parcial de competencias entre estudiantes de ingeniería. Esto es necesario para crear de manera asertiva un modelo educativo virtual que se ajuste a las necesidades académicas y cumplir con los desafíos que rodean la educación remota forzosa y el presente compromiso con las metas de desarrollo sostenible establecidas por las Naciones Unidas y las necesidades de nuestro país.

Autores

Dr. Pedro Ponce, profesor investigador, obtiene su maestría y doctorado en ingeniería eléctrica y sistemas de control. Es experto en sistemas de automatización, máquinas eléctricas, electrónica de potencia, control continuo y discreto, sistemas expertos, aprendizaje de máquina. Tiene certificaciones por varias compañías e institutos internacionales entre los que destacan: National Instruments Texas, Motorola, Texas Instruments, Siemens, UC Berkeley,  y el Massachussetts Institute of Technology. Ha realizado más de 10 estancias de investigación en diferentes compañías y universidades como son National Instruments Texas, Arizona State University, U.C. Berkeley, U. Siegen-Germany entre otras. Cuenta con más de 190 publicaciones, 15 libros publicados, 12 capítulos de libro. Tiene patentes nacionales e internacionales. Fue líder en dos sub-proyectos que forman parte del Laboratorio Binacional para la Gestión Inteligente de la Sustentabilidad Energética y la Formación Tecnológica.

Dr. Juan Roberto López recibió el título de ingeniero en mecatrónica en el 2017 por parte del instituto tecnológico y de estudios superiores de Monterrey (ITESM) en el mismo año comenzó con sus estudios de doctorado en ciencias de la ingeniería en la misma institución, recibiendo el grado de doctor a finales del 2021. Actualmente se encuentra laborando como investigador posdoctoral en el área de innovación de producto en el mismo instituto. Sus intereses de investigación incluyen sistemas de detección de desconexión, droop control, y análisis y optimización de filtros pasivos en convertidores de potencia DC-AC, todo aplicado al desarrollo de micro-redes y redes inteligentes