Cuando se habla de Sistemas Integrales de Información

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1 Boletín IIE, IIE, septiembre-octubre del del Tecnologías en evolución de los Sistemas Integrales de Información en Tiempo Real Alejandro Villavicencio R. La arquitectura cliente-servidor es una infraestructura modular que mejora el uso, la flexibilidad, así como interoperabilidad y escalamiento de los sistemas informáticos que se comunican entre si a través de la red. Introducción Cuando se habla de Sistemas Integrales de Información en Tiempo Real (SIITR), se hace referencia a aquellos sistemas informáticos utilizados en el ámbito industrial, principalmente en el área de generación de energía eléctrica, cuyo diseño e implantación está orientado a la adquisición de datos, procesamiento y presentación de información en tiempo real. El principal objetivo de los SIITR consiste en apoyar a los operadores en la supervisón del proceso, ya sea en condiciones normales o de emergencia, e incluso algunos sistemas ofrecen herramientas para llevar a cabo el diagnóstico y predicción de eventos. Los SIITR ofrecen funciones de presentación de información en diferentes formatos como mímicos, lista de variables, diagramas de barra, gráficas de tendencia, guías de operación y alarmas, principalmente. El hecho de que estos sistemas adquieran de forma confiable la información, de que la procesen para validarla y que la presenten de forma oportuna en el formato adecuado, los ha convertido en herramientas valiosas para mejorar la eficiencia y rentabilidad de los procesos donde se instalan. Debido a que los SIITR en sí no son una tecnología básica, sino más bien es el resultado de integrar en forma estructurada otras tecnologías, se considera oportuno comentar las tecnologías más relevantes que tienen una evolución vertiginosa, como son las tecnologías multimedia para desarrollar e integrar interfaces gráficas de usuario (GUI, por sus siglas en inglés), tecnologías para desarrollo de sistemas dinámicos tipo cliente-servidor para plataformas múltiples y redes de comunicación móvil e inalámbrica por Internet, tecnologías de seguridad y cifrado de datos, además de las tecnologías de computación suave (Soft Computing). Tecnologías multimedia para desarrollar e integrar GUI La tecnología multimedia ha tenido una gran relevancia en el mundo de las computadoras personales, así como en el de los sistemas operativos. Esto ha permitido enriquecer la experiencia de los usuarios al integrar audio y video en las aplicaciones de escritorio. El desarrollo de tarjetas de video con chips dedicados al procesamiento de imágenes de tres dimensiones (3D), así como los avances en el procesamiento y manejo de audio han incursionado fuertemente en el mercado de los juegos de video, de hecho, fueron los inicios de la realidad virtual, los que han evolucionado estos principios a niveles conocidos como mundos de inmersión. Sin embargo, en el campo de los sistemas de supervisión y control en tiempo real, donde se han manejado tecnologías más conservadoras, aún se cuenta con sistemas instalados que utilizan las interfaces basadas en menús de texto y los sistemas considerados como estándar, es decir, ni obsoletos ni de avanzada, que basan sus interfaces de usuario en el principio Windows, Icons, Menus, Pointer (WIMP) donde el empleo de estos elementos permiten al usuario interactuar con el sistema. Los fabricantes de software para el desarrollo de sistemas de control y supervisión en tiempo real, están incorporando herramientas que permiten el despliegue de gráficos de alta definición, la incrustación de objetos 191

2 Actividades de investigación (widgets) como ComboBoxes (botones combinados de selección), Grids (rejillas), TreeViews (árboles jerárquicos) comúnmente empleados en forma nativa en los sistemas operativos donde se ejecutan las aplicaciones, lo que ha facilitado el uso de las interfaces. Los sistemas de supervisión y control considerados de avanzada, han llevado los despliegues al siguiente nivel, utilizando un navegador Web para manejar la interfaz. Las tendencias en el desarrollo de interfaces gráficas para sistemas de control y supervisión utilizando las tecnologías multimedia, han surgido con más fuerza en Japón, donde la retroalimentación al operador referente al estatus del proceso se refuerza con el audio en forma de lenguaje que el operador entiende, así como con video, proporcionando ayudas visuales dinámicas que le indiquen en forma sencilla la secuencia de operaciones a realizar, con la ayuda de asistentes inteligentes. Algunas tendencias incluyen una alta personalización de la interfaz en tiempo de ejecución, que puede realizar el usuario de acuerdo con sus preferencias de navegación y de uso de la aplicación o bien de manera automática. Otra tendencia en el desarrollo de interfaces de usuario es la de los sistemas conocidos como Interfaces Multimodales, donde no sólo procesan información proveniente de un dispositivo de entrada (ratón), sino que puedan procesar en forma paralela entradas complejas consistentes de voz, movimientos de pluma -como las usadas en los Palm Pilot (PDA)- y gestos como movimientos de cabeza, mirada o la posición del cuerpo, entre otras. Se prevé que las Interfaces Multimodales serán más fáciles de aprender a usarse y al mismo tiempo ofrecerán una interacción hombre-máquina más transparente, flexible y eficiente. También se espera que se utilicen en un amplio rango de aplicaciones de diversa naturaleza. Asimismo, otro objetivo perseguido es que estas interfaces sean usadas por más personas con diferentes niveles de familiaridad computacional y que operen de manera confiable bajo condiciones de uso mas demandantes. Sin embargo, por su naturaleza, este tipo de interfaces tendrán impacto inicialmente en aplicaciones como realidad virtual, simulaciones y entrenamiento, donde el modelo de GUI ha encontrado limitaciones. Tecnologías para desarrollo de sistemas dinámicos tipo clienteservidor para plataformas múltiples y redes de comunicación móvil e inalámbrica por Internet La arquitectura cliente-servidor es una infraestructura modular que mejora el uso, la flexibilidad, así como interoperabilidad y escalamiento de los sistemas informáticos que se comunican entre si a través de la red. Con el tiempo, esta arquitectura ha sido mejorada para convertirse en la llamada Three-Tier Architecture, que introduce otros elementos entre el servidor y el cliente, denominados agentes inteligentes o middleware. Los agentes inteligentes suministran servicios para transportar códigos y datos a través de nodos, conteo de fracasos de conexión, detección de congestión de la red, monitoreo de transacciones, etc. También el middleware permite a las aplicaciones comunicarse en forma transparente a través de los servicios de ruteo y distribución de mensajes, así como utilizar los servicios de impresión y manejo de archivos. Los últimos desarrollos relacionados con Internet han establecido fundamentos sólidos para sistemas informáticos de amplia cobertura, independientes del tiempo y del lugar. Actualmente, la industria está trabajando en desarrollar estándares para mejorar la interoperabilidad y determinar la tecnología middleware que manejará las comunicaciones y el intercambio de datos entre objetos. El desarrollo de sistemas clienteservidor que usan tecnologías que manejan objetos distribuidos, adaptabilidad y mantenimiento, interoperabilidad a través de lenguajes y plataformas, así como el uso redes de comunicación móvil e inalámbrica por Internet, tienen grandes oportunidades para ingresar al mercado de aplicaciones de escritorio y GUI. Actualmente hay dos tecnologías sobresalientes: la Common Object Request Broker Architecture (CORBA) y la Distributed Component Object Model (COM/DCOM ). CORBA es un conjunto de mecanismos estandarizados para nombrar, localizar y definir objetos en una arquitectura de cómputo distribuida. CORBA y Java proporcionan los medios para construir aplicaciones que sean accesibles desde cualquier terminal conectada por redes de comunicación móvil e inalámbrica por Internet. Por otro lado, COM/DCOM es una tecnología desarrollada por Microsoft, que proporciona un framework para integrar componentes. Este framework ofrece características de interoperabilidad y reutilización de objetos distribuidos en la red, de manera que los desarrolladores construyen sistemas integrando componentes de diferentes proveedores, que se comunican a través de COM. Al desarrollar aplicaciones con esta tecnología se busca obtener los beneficios de adaptabilidad y mantenimiento, es decir que, con COM/DCOM y C++, se tienen los medios para desarrollar sistemas cliente-servidor. Es importante comentar que algunas tecnologías complementarias para arquitecturas cliente-servidor 192

3 Boletín IIE, septiembre-octubre del 2002 son las herramientas CASE de ingeniería de software, así como la comunicación móvil e inalámbrica con tolerancia a las fallas, que facilitan el desarrollo de estos sistemas. Tecnologías de seguridad y cifrado de datos Con el auge de la Internet como medio de distribución de información basada en el protocolo TCP/IP, muchos sistemas han migrado sus productos a esta tecnología. Es sabido que el protocolo TCP/IP ha sido incorporado a los más recientes dispositivos de planta como son los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED), Controladores Lógicos Programables (PLC) y Controladores en general, que actualmente se utilizan en los Sistemas de Control Supervisorio y de Adquisición de Datos (Scada), así como en los Sistemas de Control Distribuido (DCS, por sus siglas en inglés). Actualmente, se está manifestando una tendencia en los sistemas por contar con una mayor integración y apertura para compartir la información y poder optimizar los procesos productivos mediante la toma de desiciones basada en información en tiempo real. Esta tendencia se hace evidente mediante el uso de redes locales (LAN, por sus siglas en inglés) y de la Internet, que conllevan las debilidades de seguridad asociadas, sobre todo las de la Internet. Los protocolos Scada, como el DNP3 y el IEC , que son empleados para comunicación con los dispositivos de campo, así como los protocolos de LAN como el NetBIOS, NetBEUI, SMP y los de Internet IPv4 como HTTP y FTP, fueron desarrollados con la finalidad de ofrecer funcionalidad y flexibilidad de comunicación entre los diferentes componentes, pero no contemplan mecanismos embebidos de seguridad. Esta situación se presenta también en los dispositivos electrónicos de campo y con el código de los sistemas de software desarrollados. Sin embargo, la apertura de los sistemas demanda mecanismos de seguridad confiables que permitan discriminar usuarios legítimos de los no legítimos, así como restringir servicios con niveles de granularidad flexibles. Los esquemas empleados actualmente para resolver esta problemática, incluyen el cifrado de la información, cambio de transmisión de datos en distintas frecuencias, modificación de secuencias de datos, llaves públicas y privadas, empleo de cortafuegos (Firewalls) implementados tanto en hardware como en software y aplicados en diferentes niveles de la capa OSI, incluyendo sistemas de prevención de ataques y detección de intrusos, pero ninguno de ellos ha demostrado una solución definitiva. Lo anterior tiene su razón de ser, en el hecho de que la prioridad inicial al desarrollar estos sistemas, dispositivos y arquitecturas, fue enfocada esencialmente para brindar funcionalidad, flexibilidad, robustez y apertura (sistemas abiertos), sin embargo aún queda pendiente la incorporación -por diseño- de esquemas de seguridad altamente confiables y a la vez flexibles. Las vulnerabilidades de los sistemas corporativos de información son una realidad documentada e incluso ha trascendido a los sistemas Sscada y DCS en los que las consecuencias son críticas en general. Aunque la tecnología inalámbrica ofrece muchos beneficios, como evitar el uso de cables en instalaciones de planta y permitir la computación móvil, uno de sus problemas más severos es el de la seguridad de los datos. Algunos de los protocolos más recientes en los sistemas de monitoreo y control ya contemplan los esquemas de seguridad desde su diseño, como en el caso de UCA/MMS, tendencia que, seguramente, será seguida por otros protocolos. Observamos que, en los últimos años, la tendencia en el desarrollo de software, se ha enfocado al empleo de metodologías que garanticen rapidez en la generación de aplicaciones, facilidad de mantenimiento, reutilización de código y extensibilidad mediante el empleo de la programación orientada a objetos, así como el desarrollo basado en componentes. Otros esfuerzos se han concentrado en el aseguramiento de la calidad del software mediante el uso de metodologías de modelado como UML, sin embargo la seguridad en el software aún requiere de mejoras, sobre todo si tenemos en cuenta la cantidad de parches liberados por los fabricantes de software, así como los reportes de vulnerabilidades y alertas de virus, por lo que la seguridad es un aspecto que debe atenderse y seguramente se requerirá de nuevas herramientas para solventarla. El conocimiento y la integración de este tipo de tecnologías permitirá desarrollar sistemas no tan sólo abiertos, sino también seguros, así como brindar servicios especializados a nuestros clientes. Actualmente se realizan esfuerzos, por parte de los organismos reguladores, por estandarizar los criterios de diseño para especificar y verificar las propiedades de seguridad, como lo muestra la norma ISO Aunque ya se cuenta en el mercado con tecnologías de seguridad, se observa que han sido agregadas a los sistemas actuales, por lo que se espera que se desarrollen sistemas de software y hardware seguros desde diseño. En este sentido los sistemas de software serán los más exigidos y se espera su maduración den- 193

4 Actividades de investigación tro de los próximos 5 años. De igual manera, las herramientas para la detección de errores incorporarán la detección de vulnerabilidades del mismo código. Por otro lado, los nuevos lenguajes de programación que se desarrollen seguramente incorporarán esquemas mejorados de seguridad nativa, como los que actualmente se encuentran en Java y C#. Tecnologías de computación suave (Soft Computing) Soft computing (SC) es un término ideado originalmente por Zadeh en 1994 y corresponde a un nuevo campo de las ciencias de la computación que trata con la integración de soluciones de problemas con tecnologías como la lógica difusa, el razonamiento probabilístico, las redes neuronales y los algoritmos genéticos. Esta integración permite desarrollar herramientas de computación flexible para realizar razonamiento aproximado y tareas de investigación, como son los sistemas inteligentes de ayuda para la operación. A continuación se describirán las principales características de estas tecnologías. La lógica difusa introducida por Zadeh, provee de un lenguaje, con sintaxis y semánticas locales, mediante el cual se puede transcribir el conocimiento cualitativo que se tiene acerca del problema que se va a resolver. La principal característica de la lógica difusa es la robustez que presenta su mecanismo de razonamiento con respecto a su capacidad de interpolación. El razonamiento probabilístico, basado en Bayes y Dempster-Shafer, provee de un mecanismo para evaluar las consecuencias de sistemas que son afectados por incertidumbres probabilísticas. Su principal característica es su habilidad para actualizar la respuesta de los sistemas condicionada a la nueva información disponible. Las redes neuronales exploradas primeramente por Rosenblatt, así como por Widrow y Hoff, son estructuras computacionales que pueden ser entrenadas para aprender patrones a partir de datos experimentales. Utilizan un conjunto de datos para entrenamiento que caracteriza la relación entre entradas y salidas, y un algoritmo de tipo retropropagación, introducido por Werbos, lo que resulta en un algoritmo supervisado de aprendizaje para las redes neuronales que realiza una fina optimización local. Las redes neuronales artificiales son un paradigma para el procesamiento masivo de información distribuida en paralelo, donde se emula el comportamiento del cerebro humano en su capacidad para obtener conocimiento a partir de información experimental y para mantener este conocimiento disponible para su uso en una variedad de funciones, entre las que se encuentran el modelado de sistemas dinámicos complejos, el reconocimiento de patrones, los sistemas de control, el reconocimiento de voz, el reconocimiento de imágenes y el filtrado de datos, entre otras. Los algoritmos genéticos, propuestos por Holland, proporcionan un método para realizar una búsqueda aleatoria global en el espacio de soluciones. En este espacio, una población de soluciones candidatas, codificadas como cromosomas, es evaluada por una función de costo en términos de su desempeño. Los mejores candidatos evolucionan y pasan algunas de sus características a sus descendientes, quienes forman la siguiente generación de soluciones potenciales. Como ejemplos de aplicación de las tecnologías de computación suave, se tienen los sistemas inteligentes de ayuda a la operación, que hacen uso de técnicas de la inteligencia artificial como los sistemas expertos, la lógica difusa y las redes neuronales, para asistir a los operadores con la información de apoyo que requieren para llevar a cabo el arranque, operación o paro de la unidad generadora de energía eléctrica, cumpliendo con las restricciones de operación y seguridad establecidas. Aunque ya existen prototipos en operación a nivel internacional (MENSIUS/SACSO-Francia, ODISEO- España, IPPAS-Estados Unidos, Japón), se observa que la participación de la industria privada en el sector energético demandará de una operación más eficiente, con menor costo de operación y alta disponibilidad. Estos sistemas contribuirán a reducir las fallas o paros causados por los operadores y a minimizar el tiempo y costo 194

5 Boletín IIE, septiembre-octubre del 2002 de la puesta en operación. Con el sistema IPPAS se logró un ahorro hasta del 25% en el costo de combustible. Asimismo, con el sistema SACSO, se reportó una reducción en el tiempo de puesta en operación también del 25%. En la Gerencia de Supervisón de Procesos (GSP) del Instituto de Investigaciones Eléctricas, se está desarrollando actualmente el Sistema de Ayuda para el Arranque del Generador de Vapor (Siagev), que utiliza técnicas de inteligencia artificial para recomendar al operador la maniobras a realizar. El Siagev fue validado en el Centro Nacional de Capacitación y Adiestramiento para Operadores de Ixtapantongo (CNCAOI), encontrando que permite una reducción del 15% en el tiempo usual promedio que tardan los operadores en lograr el calentamiento y presurización del generador de vapor. De igual manera se cuantificó el ahorro que se obtiene en insumos como el consumo de gas y energía eléctrica en auxiliares, obteniendo ahorros del 18%. La nantecnología Sin ser expertos en el tema, se decidió incluir algunos conceptos e ideas de la nanotecnología, debido al gran impacto que seguramente tendrá en todas las tecnologías de los SIITR. La nanotecnología se refiere a la habilidad para medir, ver, predecir y crear componentes en la escala de átomos y moléculas. Tradicionalmente, el mundo de la nanotecnología se ha definido en el rango de 0.1 y 100 nanómetros, siendo un nanómetro una milésima de micra. La nanotecnología está relacionada con la creación de nuevos elementos y materiales, ya sean más pequeños, más rápidos o más resistentes, con propiedades adicionales o crear máquinas que seguramente nos llevarán a nuevos paradigmas de fabricación. Lo que hace tan especial la nanotecnología y por lo que se prevé que generará una revolución, es que tendrá un efecto directo en casi todos los aspectos de nuestras vidas, como la medicina, el poder de procesamiento y almacenamiento de las computadoras, las fuentes de suministro, la comida, los autos, los edificios y la ropa, entre otros. La nanotecnología se visualiza con un potencial considerable para hacer nuevas cosas en casi cualquier disciplina tecnológica concebible. La nanotecnología no sólo tiene que ver con la miniaturización sino, que al permitir controlar la materia en la nano escala, nos enfrentaremos al problema de comprender los fenómenos de esa escala, de ahí que podamos hablar de una nano ciencia, como puede ser la Física Cuántica. Asimismo, las propiedades de los materiales tradicionales cambian, el comportamiento de las superficies comienza a dominar el comportamiento del material y un nuevo horizonte se abre. Aunado a esto, la posibilidad de realizar materiales atómicamente exactos permitirá modificar radicalmente sus propiedades. Las universidades más importantes del mundo como Rice, Harvard, MIT, Cornell, Washington, Cranfield, Leeds y Flinders ofrecen estudios de postgrado en nanotecnología. El interés en la nanotecnología es evidente, tal es el caso de Estados Unidos y Europa. Por ejemplo, Estados Unidos ha invertido más de 100 MDD en la primera mitad del 2002 en nanotecnología y, de igual manera, en compañías líderes como IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi, Mitsubishi, NEC, Cornig, Dow Chemical y 3M, se están llevando a cabo investigaciones en esta tecnología. Conclusiones Se observa que las tecnologías en que están sustentados los SIITR, son principalmente tecnologías que se encuentran en el ámbito de la telemática y de las aplicaciones informáticas y de comunicaciones en tiempo real, cuya evolución ha sido y será vertiginosa, sobre todo al contar con mayores capacidades de procesamiento del hardware, así como la inteligencia de los dispositivos de adquisición de datos de los procesos. Se ha comprobado también que estas tecnologías tienen un ciclo de vida, desde su desarrollo, aplicación y maduración, generalmente no mayor a los cinco años. Se puede constatar que una de las tendencias de los SIITR es que la visualización de la información, no sólo se hará en forma local sino también a nivel remoto, vía aplicaciones Web, y contarán con mecanismos de interoperabilidad con sistemas de gestión de la empresa tipo Enterprise Resource Planning (ERP). Dentro de un marco de servicios inteligentes de energía, mercados de energía y la desregulación del sector eléctrico, los SIITR serán fundamentales y se aplicarán como herramientas claves para cumplir con los retos para mejorar la confiabilidad y disminuir la vulnerabilidad de los sistemas de generación, transmisión y distribución. Los SIITR tienen y seguirán teniendo un impacto cada vez mayor en el mercado, sin embargo su presencia e importancia será mayor y se incrementará en la medida que se tienda hacia los servicios inteligentes. El mercado de los SIITR exige a los sistemas que sean cada vez más especializados, pero a la vez exige 195

6 Actividades de investigación que se integren a los sistemas de gestión de la empresa, lo que se logrará en la medida que se mejore la infraestructura de las telecomunicaciones y redes de área amplia (WAN, por sus siglas en inglés) del sector eléctrico en México. Se prevé que en los próximos años se intensifique la automatización de los procesos mediante una nueva generación de sistemas integrados de control, protección, medición, diagnóstico y monitoreo remoto centralizado, lo que seguramente permitirá optimizar los costos de operación y mantenimiento de los procesos del sector eléctrico en particular, así como del sector energético en general. Agradecimientos Se hace patente el agradecimiento a Víctor Álvarez C., Dionisio Suárez C., Carlos Uribe B., Agustín Quintero R., Alfredo Espinosa R., Ramón Montellano G., Carlos Cháirez C. y Enrique Ruiz S., por su colaboración en la elaboración de este trabajo. Gracias a su ayuda fue posible documentar y analizar las tecnologías aquí descritas. Referencias Anton, Philip S. The Global Technical Revolution: Bio/Nano/ Materials and Their Synergies with Information Technology by Report Prepared for the National Intelligence Council, RAND and National Defense Institute, 2001 Barry C. Ezel. Risks of Cyber Attack to Supervisory Control and Data Acquisition for Water Supply. Master of Science Thesis, USA Army, Emerson, T. New Trends in Virtual Environment User Interface Research: Case Studies at the Human Interface Technology Laboratory. Virtual Environments 98. Proceedings of Eurographics Workshop. Springer-Verlag, Austria, Faerber, G. et al. Human-Process Communuication: Task, Human, Technology, Status and Trends. /th. IFAC Symposium on Automated Systems Based on Human Skill. VDI/VDE-GMA. Alemania, Handbook of Fuzzy Computation, IOP Publishing Ltd., Haykin, S. Neural Networks, Prentice-Hall, Holister, Paul. Nanotech: The Tiny Revolution. 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En 1981 realizó una estancia de nueve meses en Electricité de France (EDF), donde participó en el diseño y desarrollo de diálogos hombre-máquina para centrales solares En noviembre de 1979 ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas, donde ha diseñado y coordinado diversos proyectos de sistemas de adquisición de datos en tiempo real para centrales generadoras de energía eléctrica, como el Sistema de Adquisición de Datos y Registro de Eventos (SADRE), el Sistema de Información para Registro y Análisis de Transitorios (SIRAT) y el Sistema Integral de Información del Proceso (SIIP). También fue coordinador de la especialidad de diálogos hombre-máquina y jefe del Departamento de Simulación. Actualmente es el Gerente de la Gerencia de Supervisión de Procesos. Durante su estancia en el IIE, ha dirigido varias tesis de licenciatura y de maestría, así como una de doctorado. También ha publicado artículos de su especialidad en revistas como la IEEE Computer Applications in Power, Engineering Application of Artificial Intelligence y Expert System With Applications, entre otros, asimismo ha participado en congresos nacionales e internacionales. Fue Co-Chairman del comité nacional del Symposium on Control of Power Plant and System, organizado por el IIE y el IFAC en Ha sido invitado por Conacyt para participar como evaluador de proyectos y de planes académicos de instituciones nacionales de posgrado en el área de Ciencias de la Computación y de Control. De igual forma, el Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica (COSNET) de la Secretaría de Educación Pública (SEP), le ha solicitado su participación como evaluador de proyectos de Adquisición de Datos y Control. Sus trabajos de innovación y desarrollo tecnológico desarrollados le han permitido pertenecer al Sistema Nacional de Investigadores desde

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