Como vimos en el anterior artículo, vigilar el contacto del pantógrafo con la catenaria es muy necesario. Puede resolverse de varias formas, aunque hasta ahora ninguna de las disponibles es óptima.

La primera dificultad que surge no es técnica. El hilo de contacto y el pantógrafo son propiedad de diferentes agentes. Por lo general, el primero es de un gestor de la infraestructura. El segundo, de un operador de transporte. El primero tiene incentivos para proteger su inversión: un pantógrafo mal regulado puede provocar una rotura o un enganchón. El hilo se tiende en tramos continuos de 1,4 kilómetros de longitud máxima. Si se rompe, puede provocar una afección grave en todo el sistema. Hay que rescatar con una locomotora diésel al tren atrapado. El tráfico quedaría detenido hasta que se logre reponer la catenaria en una intervención de emergencia.

Por su parte, el dueño del tren parece jugarse menos. En principio, gastar las bandas de frotación de su mesilla antes de tiempo. Si la avería ocurre, un tren parado. Y si se determina que el problema fue causado por una regulación incorrecta del pantógrafo, la obligación de hacer frente a una reclamación económica del administrador de infraestructuras. Este tendrá que compensar, a su vez, a otros posibles operadores afectados. Pero estar seguro de esto no es tan sencillo.

Los dueños del hilo y los de los trenes tienen visiones diferentes sobre la cuestión de la regulación de los pantógrafos. Pongámosle entonces el cascabel al gato y verifiquemos lo que está pasando de verdad en vez de confiar en que lo que se hizo hace meses con el tren en un taller siga siendo correcto o relevante hoy. Midamos ese desplazamiento. Pero ¿desde dónde?

Medidas desde el tren

Una posibilidad sería hacerlo desde el tren. Ubicándonos en el propio pantógrafo, no parece demasiado complicado medir la fuerza que se aplica de forma directa. Digo «no parece» porque, en realidad, sí lo es. Como casi todo en la vida real. El entorno del pantógrafo está expuesto a los elementos y está, además, bajo tensión eléctrica. Esto lo dificulta todo. Sin olvidar que «dificultar» y «encarecer» son prácticamente sinónimos en el idioma de los ingenieros. En este punto viene bien recordar que el propietario del tren es justo quien menos incentivos tiene para lanzarle dinero a un problema que no es, en puridad, suyo.

Una solución embarcada, por otro lado, permite monitorizar lo que ocurre en todos los puntos por los que pasa el tren. Pero no lo que está ocurriendo con otros trenes o lo que sucede en un punto dado después de que el tren lo deje atrás.

Medidas desde la vía

La alternativa es una solución fija, trackside (literalmente, junto a la vía). Un sensor ubicado en una ubicación concreta de la infraestructura puede chequear todos los trenes que pasen. Teóricamente, también puede medir el comportamiento del sistema antes y después del paso de un tren. A cambio, no podrá saber qué ocurre en otros lugares a menos que instalemos más sensores.

¿Cuál es la mejor solución? ¡Todas! No son excluyentes. En el mundo real, sin embargo, estamos limitados por los recursos económicos disponibles. Admitiendo que el problema compromete más al administrador de la infraestructura ferroviaria, nos encontraremos con que este dispone de algunos trenes auscultadores con sus pantógrafos sensorizados. También tendrá un parque de sensores fijos instalados en puntos clave de la red. Pero ni unos podrán estar recorriendo constantemente todos los kilómetros de línea electrificada a vigilar, ni los otros estarán cubriendo todas las ubicaciones que sería deseable controlar. Porque estos sensores han sido, tradicionalmente, imprecisos a velocidades comerciales. O muy caros.

Sensores con contacto y sin contacto

Los sensores fijos existentes hoy se clasifican en dos tipos: los que realizan la medida con contacto y los que la efectúan sin contacto. Los primeros son más baratos, pero la necesidad de conexión mecánica con elementos de la catenaria en tensión eléctrica los hace problemáticos. Sin contar la falta de fiabilidad que supone estar basados en sistemas con partes móviles. Los sensores sin contacto pueden estar basados en sistemas de visión artificial o en equipos de medida de la distancia mediante tecnología láser. Los primeros requieren focos infrarrojos para garantizar medidas uniformes tanto de día como de noche. Los segundos requieren un componente pasivo sobre el hilo de contacto, un pequeño reflector, sobre el que un haz láser se refleja y registra su distancia recorrida por triangulación.

Aquí es donde entran en juego dos mejoras que me han permitido crear un sensor del contacto pantógrafo-catenaria de nueva generación. Por un lado, recientes avances en los sensores de distancia láser por triangulación han permitido aumentar la distancia de trabajo de los equipos sin perder precisión —submilimétrica— en la medida. Esto facilita diseñar soluciones con partes activas a distancias lo suficientemente grandes de cualquier tensión eléctrica en la catenaria.

La segunda mejora fundamental: un nuevo tipo de reflector pasivo con forma de diedro. Combinado con una parte activa con dos sensores láser, es posible aprovechar la geometría para ofrecer lecturas simultáneas del movimiento vertical y transversal del hilo de contacto al paso de uno o más pantógrafos.

Mejoras clave

Los sensores actuales ofrecen una cota máxima de movimiento del hilo, y tan solo en vertical. Mi prototipo de sensor, que puede instalarse en una gran variedad de ubicaciones, aprovechando postes ya existentes o en soportes específicos, ofrece medidas continuas, permitiendo determinar el comportamiento ondulatorio completo del hilo de contacto para trenes con un número arbitrario de pantógrafos, pasando a cualquier velocidad. El muestreo de la señal de los láseres, realizado a frecuencias del orden de varios kilohercios, asegura un funcionamiento perfecto a cualquier velocidad comercial actual o futura.

Como otros sensores de la misma categoría, mi prototipo incorpora también una estación meteorológica que permite cualificar los datos registrados respecto de la intensidad del viento lateral que pueda afectar a la catenaria. Así, es posible tener en cuenta simultáneamente todos los efectos climáticos, a la vez que se registran las consecuencias de los pasos de los pantógrafos.

Todo el sistema está alimentado por energía solar, y sus datos se recuperan mediante un módem 4G integrado, lo que lo hace completamente independiente de cualquier infraestructura de soporte. A su vez, el sistema contiene sensores adicionales para verificar la calidad de la medida, incluyendo una cámara IP.

Desarrollos futuros

Este proyecto ha sido apasionante, pero queda todavía mucho trabajo por hacer para transformar el prototipo en un producto que pueda verse instalado en todo tipo de líneas férreas electrificadas. Se abren, ahora, tres líneas de trabajo. Por un lado, la interpretación de los datos obtenidos, bajo diferentes condicionantes climáticos y para distintos trenes. No cabe duda de que las técnicas avanzadas de aprendizaje automático, junto con las tradicionales de análisis de señales, van a ser claves para extraer tanta información del equipo como sea posible.

Una segunda línea será utilizar los datos registrados para alimentar modelos de simulación multifísicos de la catenaria: herramientas computacionales que, teniendo en cuenta de forma simultánea ecuaciones mecánicas, eléctricas y termodinámicas permitirán predecir el efecto del tráfico ferroviario sobre las instalaciones. ¿Qué sucede si aumentamos la velocidad punta de los trenes? ¿Es preferible, desde el punto de vista del mantenimiento, mover dobles composiciones o más composiciones simples? ¿Es cierto que diferentes tipos de pantógrafo afectan al hilo de contacto de formas distintas? ¿Cómo afectan factores climáticos como el viento o la temperatura ambiente al desgaste de los equipos?

Por último, es necesario mejorar el diseño del equipo para llevarlo desde su estado actual de prototipo a un nivel de calidad estándar en un producto ferroviario, y todo ello a un precio razonable.

Ningún trabajo que merezca la pena es individual

Este proyecto surge de una idea. Pero una idea, por sí sola, no es nada sin el buen trabajo de muchas personas en diferentes organizaciones, que cito a continuación sin un orden específico. Agradezco su labor al equipo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Castilla y León; muy particularmente, a Jorge González de Pedro y a Álvaro Galerón, así como a Juan Pedro Pascual, Javier Álamo, Lorena Saiz y Adrián Gil, con la colaboración de Blanca Moral en la parte administrativa y dirigidos por Javier Sedano.

El trabajo no habría salido adelante sin el apoyo de mis compañeros de la unidad de Catenarias en TELICE SA, dirigidos por Hugo Menéndez y con la colaboración destacada de Rubén Gutiérrez, Pablo González, Ángel Fernández en el taller y Ángel Cuenllas en el campo coordinando un equipo de la UTE Mantenimiento Noroeste Lote 2. El apoyo incondicional del comité de dirección de TELICE SA, y muy especialmente de José Miguel Gutiérrez, consejero delegado, y Cesáreo González desde el consejo de administración, quienes creyeron en el potencial de esta innovación desde el principio, han sido claves. Finalmente, no puedo dejar sin agradecimiento a la Jefatura de Adif en León por su interés y su apoyo; muy particularmente a Julio Sánchez Corbalán, Santiago López Da Lama, Ignacio García Menéndez y Miguel de Prado Martínez.