Revista Científica Unanchay (ISSN 2953-6707)
Volumen 3. Número 1. Año 2024.
La Revista Científica Unanchay, es un espacio editorializado por el Instituto Superior
Tecnológico Tecnoecuatoriano, que tiene el propósito de difundir la producción
científica en el área de ciencias de la ingeniería constituyéndose como un espacio de
referencia para la socialización de investigaciones y producciones técnicas aplicadas
a las líneas de investigación de la revista.
Tabla de Contenidos
Artículos Originales
pp.
Higiene postural y su relación con las patologías ergonómicas de columna
vertebral
Jessica Estefanía Alarcón Figueroa, Haydee Alexandra Gallardo Arizaga,
Richard Andrés Cabrera Armijos
1-13
Estabilidad de sistemas lineales en tiempo continuo
Argenis Alexander Ángel Sáez
14-30
Diseño de un molde de corte para arandelas automotrices
Jairo Edison Guasumba Maila, Diego Andrés Calero Torres, Luis Patricio
Criollo Yanchatipan, Víctor Alfonso Garay Cisneros
31-42
Estrategias de eficiencia energética en edificaciones, mediante tratamiento
estadístico de datos en la parroquia Tanicuchi
Carlos Miguel López Rivas, Edwin Roberto Chancusig Chicaiza, Diego
Marcelo López Guzmán, Franklin Israel Sánchez Gamboa
43-57
Artículos de Revisión
pp.
VoIP simplificado: Una visión clara para implementación y beneficios
empresariales
Amalia Patricia Bernal Arce
58-77
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
1
Higiene postural y su relación con las patologías ergonómicas de columna
vertebral
Postural hygiene and its relationship with ergonomic spinal column
pathologies
Jessica Estefanía Alarcón Figueroa1, Haydee Alexandra Gallardo Arizaga2, Richard
Andrés Cabrera
1
Armijos3
Resumen:
Los trabajadores se ven ampliamente expuesto a enfermedades ergonómicas de
predominio aquellas relacionadas con dolor de espalda, sea lumbar, cervical, dorsal
o combinadas, se a evaluado una amplia relación entre el nivel de conocimiento sobre
higiene postural y la prevención de aparición de enfermedades relacionadas con
posturas forzadas, por lo que se implementa una investigación observacional
aplicando encuesta sobre el nivel de conocimiento de higiene postural y una encuesta
sociodemográfica y sobre dolores de espalda, mismas que al aplicarse a una
población de 56 empleados de We Go Global Solution como empresa se identifica
que dentro de los participantes el 59% son mujeres, respecto al nivel de conocimiento
en higiene postural, el 56% de la población demostró un nivel medio de conocimiento,
seguido por un 30% con un nivel alto y un 14% con un nivel bajo. En cuanto a la
aparición del dolor el 89% manifiesta presencia de dolor de. Se observó que aquellos
con un nivel de conocimiento bajo presentaron principalmente dolor en la columna
completa (12.5%), mientras que los de nivel medio tuvieron mayormente dolor lumbar
(58.06%), al igual que aquellos con un nivel alto (52.94%). El predominio del dolor
lumbar, especialmente en empleados con conocimientos medios, sugiere una falta de
aplicación adecuada de posturas ergonómicas, posiblemente debido a factores como
el mobiliario, el estrés o el sedentarismo. Es importante destacar que aquellos sin
dolor lumbar presentaron niveles equitativos de conocimiento medio y alto en higiene
postural (10.7%).
Palabras clave: Enfermedades Ergonómicas, higiene postural, nivel de
conocimiento, dolor lumbar
1
Universidad Iberoamericana del Ecuador, https://orcid.org/0009-0001-3981-1623
2 Universidad Iberoamericana del Ecuador, https://orcid.org/0009-0001-0444-3250
3 Universidad Iberoamericana del Ecuador, Magister en Dirección de Operaciones y Seguridad
Industrial, https://orcid.org/0000-0001-9480-885X
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
2
Abstract:
Workers are widely exposed to ergonomic diseases, predominantly those related to
back pain, whether lumbar, cervical, dorsal or combined. A broad relationship has
been evaluated between the level of knowledge about postural hygiene and the
prevention of the appearance of diseases related to back pain. forced postures, so an
observational investigation is implemented by applying a survey on the level of
knowledge of postural hygiene and a sociodemographic survey and on back pain,
which when applied to a population of 56 employees of We Go Global Solution as a
company is identified that among the participants 59% are women, regarding the level
of knowledge in postural hygiene, 56% of the population demonstrated a medium level
of knowledge, followed by 30% with a high level and 14% with a low level . Regarding
the appearance of pain, 89% manifest the presence of pain. It was observed that those
with a low level of knowledge mainly presented pain in the entire spine (12.5%), while
those with a medium level had mostly low back pain (58.06%), as did those with a high
level (52.94%). The prevalence of low back pain, especially in employees with average
knowledge, suggests a lack of adequate application of ergonomic postures, possibly
due to factors such as furniture, stress or sedentary lifestyle. It is important to highlight
that those without low back pain presented equal levels of medium and high
knowledge in postural hygiene (10.7%).
Keywords: Ergonomic diseases, postural hygiene, level of knowledge, lumbar pain
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
3
Introducción
La higiene postural abarca la enseñanza de posturas eficientes y hábitos
saludables para prevenir lesiones y daños en la columna vertebral (Chacón et al.,
2018). Esto implica educar a las personas sobre cómo mantener una postura
adecuada mientras están sentadas, de pie o realizando actividades físicas, con el fin
de evitar lesiones, mejorar la función respiratoria y promover la salud y productividad
en general (Borrero, 2019; Galindo et al., 2010; Ike et al., 2009).
El conocimiento sobre higiene postural es crucial para prevenir trastornos
musculoesqueléticos, ya que permite identificar y reducir la carga postural,
disminuyendo así el riesgo de lesiones relacionadas con el trabajo. Estas lesiones
pueden derivar de una ergonomía inadecuada, movimientos repetitivos, exceso de
fuerza, estrés y otros factores (Alexandre, 2007; Montoya, 2020). Según Colombini y
Occhipinti (2006); Fabrizio (2009); Mansoor et al. (2022), los trastornos
musculoesqueléticos (TME) son las patologías ergonómicas más comunes, afectando
principalmente a las extremidades superiores, cuello y espalda. Estos trastornos
afectan a trabajadores de diferentes sectores, como fabricación, trabajo con
computadoras, personal de salud y laboratorio. Los TME tienen un impacto
significativo en el ámbito laboral, reduciendo la productividad debido al absentismo,
presentismo y bajas por enfermedad. Esto resulta en una disminución de la calidad
de vida de los empleados que necesitan intervenciones fisioterapéuticas, así como en
pérdidas de ingresos para los empleadores debido a los costos de compensación
(Erick et al., 2022; Soriano et al., 2022). Por lo tanto, representan un serio problema
de salud pública y laboral con consecuencias sanitarias, sociales y económicas que
afectan la calidad de vida y el desempeño de los trabajadores.
Es crucial comprender la relación entre el conocimiento de los trabajadores
sobre higiene postural y la presencia de patologías ergonómicas. Minghelli et al.,
(2021); Munaga et al. (2013) sugieren que un mayor conocimiento en este ámbito
puede conducir a una mejora en las posturas y, por ende, a una reducción del dolor.
Sin embargo, también se observa que este conocimiento no siempre se aplica en
algunos entornos laborales (Evelyn y Jain, 2020), lo que indica que este campo aún
no está completamente definido. Por lo tanto, se requiere realizar más investigaciones
que profundicen en el análisis de la relación entre el conocimiento de los trabajadores
sobre higiene postural y la presencia de patologías ergonómicas, especialmente en
los sectores, ocupaciones y contextos laborales más afectados por estas
enfermedades. Además, es fundamental considerar posibles factores que puedan
influir en esta relación. En este estudio, se busca diagnosticar el grado de
conocimiento de los trabajadores sobre higiene postural y su relación con la aparición
de patologías ergonómicas en una muestra de empleados de la empresa WE-GO
Global Solution, así como examinar los factores que intervienen en esta relación.
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
4
Metodología
La metodología empleada en este estudio se caracterizó por un enfoque
cuantitativo, ya que se recolectaron y analizaron datos numéricos obtenidos mediante
instrumentos de medición. El énfasis de la investigación se centró en la resolución
práctica de problemas relacionados con la higiene postural y la manifestación de
enfermedades ergonómicas, como el dolor de espalda. Esta investigación se clasifica
como relacional-transversal, ya que busca establecer relaciones entre variables en un
momento específico.
El diseño del estudio fue no experimental u observacional, lo que significa que
no se manipularon las variables del fenómeno estudiado. Además, se consideró
transversal y prospectivo, ya que se llevó a cabo en un momento determinado y se
buscó establecer relaciones de causa y efecto entre las variables.
Se aplicó una encuesta a 56 empleados de la empresa We Go Global Solution en la
ciudad de Quito, Ecuador, que cumplieron con criterios de inclusión como ser parte
fija o rotativa de la empresa y aceptar previamente el uso de sus datos mediante
consentimiento informado. Los empleados que no dieron su consentimiento fueron
excluidos.
Para medir las variables del estudio, se utilizó un cuestionario validado sobre
higiene postural, adaptado previamente a partir de estudios previos. Este cuestionario
constaba de 31 ítems y se complementó con una encuesta de 8 preguntas sobre
datos sociodemográficos y la aplicación de conocimientos sobre higiene postural en
la actividad laboral o cotidiana.
La aplicación de los cuestionarios se llevó a cabo a través de la plataforma
JotForm, utilizando encuestas en línea. Posteriormente, los datos recopilados se
exportaron a Excel para su validación y tabulación. Se explicó claramente el objetivo
del estudio y se obtuvo el consentimiento voluntario de los participantes. Todos los 56
empleados aceptaron participar en la encuesta.
Resultados y discusión
Para la obtención de los resultados se analizó las variables como dolor de
espalda, conocimiento de higiene postural y aplicación de conocimientos donde los
resultados obtenidos mediante la encuesta aplicada a un total de 56 empleados que
trabajan en turnos rotativos en todos los servicios de la empresa We Go Global
solution de los cuales el 60% representan el sexo femenino y el 40% el sexo
masculino, figura 1
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
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5
Figura 1
Distribución por sexo de empleados de la empresa We Go Global solution
Respecto a cuantos empleados han sufrido al menos un episodio de dolor
agudo en el último mes, 50 personas comentan que han presentado cuadros de dolor
de espalda en dicho periodo lo que indica a frecuencia de 89% de servidores con
afectaciones ergonómicas y un factor de riesgo elevado para padecer alteraciones de
columna lumbar, figura 2
Figura 2
Distribución de personal que presenta cuadro de dolor en espalda
Donde el sitio de manifestación clínica de dolor el 50,8% presenta cuadro de
dolor lumbar único seguido del 14% de empleados con manifestaciones de dolor en
región cervical y únicamente el 10,5% no ha presentado ningún cuadro de dolor en
columna vertebral, figura 3
Femenino
60%
Masculino
40%
SEXO
Femenino Masculino
NO
11%
SI
89%
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
6
Figura 3
Especificación y frecuencia de sitio de dolor
Entre los empleadores encuestados, se observa que 28 de ellos han
experimentado episodios dolorosos que duran menos de 12 horas y que cesan
espontáneamente, lo que sugiere un dolor agudo probablemente asociado con mala
higiene postural. Por otro lado, solo 6 empleadores no han reportado ningún episodio
de dolor. Además, solo el 7% de los encuestados manifiesta episodios crónicos de
dolor con una duración de más de 7 días. Figura 4
Figura 4
Tiempo de duración de cuadro de dolor presentado en la población en estudio
811
2
9
29
6
SITIO DE DOLOR
Dolor cervical (Cuello)
Dolor cervico dorsal
Columna completa
Cervico lumbar
Dolor dorsal ( espalda
media, interescapular)
Dolor Lumbar ( dolor en
espalda baja)
12-24 horas
18%
1-7 dias
18%
mas de 7 dias
7%
Menos de 12
horas
47%
SIN DOLOR
10%
DURACION DEL DOLOR
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
7
A pesar de identificar que al menos 38 personas del grupo de estudio
consideran seguir las normas de higiene postural y mantener una adecuada postura
ergonómica al realzar actividades cotidianas y laborales, figura 5.
Figura 5
Población que aplica las normas de higiene postural
Tomando en cuenta que únicamente el 11 % de la población en estudio a sido
diagnosticada previamente de enfermedades ergonómicas o han sido cometidos a
intervenciones quirúrgicas en columna vertebral los últimos años, figura 6.
Figura 6
Identificación de personas sometidas a intervenciones quirúrgicas o con enfermedades
diagnosticadas en el último año
En relación con los resultados de la encuesta, donde clasificamos el nivel de
conocimiento como bajo para aquellos que obtuvieron de 0 a 16 puntos, medio para
aquellos que obtuvieron entre 17 y 23 puntos, y alto para aquellos que obtuvieron
entre 24 y 31 puntos, podemos observar que el 56% de la población evaluada posee
un nivel medio de conocimiento sobre higiene postural y su correcta aplicación. Por
38
18
SI NO
89%
11%
false true
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
8
otro lado, el 14% representa a aquellos con un alto nivel de conocimiento, mientras
que aproximadamente el 30% no cuenta con un nivel suficiente de conocimiento sobre
higiene postural. Esta falta de conocimiento puede aumentar la propensión a sufrir
patologías de tipo ergonómicas asociadas a malas posturas tanto en el lugar de
trabajo como en las actividades cotidianas, figura 7
Figura 7
Distribución de nivel de conocimiento en la población en estudio
La relación entre el nivel de conocimiento y el sexo muestra que
aproximadamente 20 personas del sexo femenino y 11 personas del sexo masculino
tienen conocimiento medio sobre higiene postural. En cuanto al nivel de conocimiento
bajo, de las 8 personas, 5 son de sexo masculino. Por otro lado, en el grupo con un
nivel alto de conocimiento, de las 17 personas, 10 son del género femenino y 7 son
del género masculino, tabla 1.
Tabla 1
Correlación de nivel de conocimiento y sexo
Sexo
Nivel de conocimiento
Alto
Bajo
Medio
Total, general
Femenino
10
3
20
33
Masculino
7
5
11
23
Total, general
17
8
31
56
Se observa que el 56% de las personas, que representan el grupo con un nivel
medio de conocimiento sobre higiene postural (31 personas), experimentan episodios
de dolor en la columna lumbar en un 58.06% de los casos. Además, el 16.13% reporta
episodios equitativos de dolor cervical y dorsal, mientras que solo el 9.68% no ha
presentado ningún episodio de dolor. Dentro del grupo con un nivel alto de
14%
56%
30%
BAJO MEDIO ALTO
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
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conocimiento en higiene postural, que comprende al 30% de la población (17
personas), el 5.88% no presenta ningún episodio de dolor. Sin embargo, el 52.94%
experimenta dolor en la región lumbar, el 11.76% presenta dolor en la región cervical
y cervicolumbar, y solo el 5.88% sufre de dolor cervicodorsal.
Tabla 2
Correlación de nivel de conocimiento y sitio de dolor
Nivel de
conocim
iento
Sitio del dolor
Dolor
cervica
l
Dolor
cervico
dorsal
Columna
completa
Dolor
cérvico
lumbar
Dolor
dorsal
Dolor
Lumbar
ningú
n
dolor
Total,
general
Alto
2
1
2
9
3
17
Bajo
1
1
4
2
8
Medio
5
5
18
3
31
Total,
general
8
1
1
2
9
29
6
56
Por otro lado, entre el 14% de la población (8 personas) que posee un bajo
nivel de conocimiento sobre higiene postural, solo el 25% muestra cuadros de dolor
lumbar, el 50% experimenta episodios de dolor dorsal y en igual proporción, el 12.5%,
presenta dolor cervical y en toda la columna.
Tabla 3
Correlación de nivel de conocimiento y aplicación de higiene postural en la vida cotidiana
Alto
17
No
3
Si
14
Bajo
8
No
6
Si
2
Medio
31
No
9
Si
22
Total, general
56
Entre la población con un nivel alto de conocimiento en higiene postural, solo
el 17.65% manifiesta no aplicar estas normas ni en su actividad laboral ni en su vida
cotidiana, mientras que el 82.35% sí las practica de manera regular.
En el caso de aquellos con un bajo nivel de conocimiento, que representan el 14% de
la muestra, el 75% indica no llevar a cabo prácticas adecuadas de higiene postural,
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
10
mientras que solo el 25% sí lo hace a pesar de su limitado conocimiento en este
aspecto.
Por otro lado, dentro del grupo con un nivel medio de conocimiento, que comprende
al 56% de la población estudiada, el 71% manifiesta realizar buenas prácticas de
higiene postural, mientras que el 29% restante no las lleva a cabo.
Tabla 4
Correlación de nivel de conocimiento y duración del dolor en columna
Duración del dolor
Nivel de conocimiento
Alto
Bajo
Medio
Total, general
12-24 horas
4
2
4
10
1-7 días
3
2
5
10
más de 7 días
2
2
4
Menos de 12 horas
5
4
17
26
Ningún dolor
3
3
6
Total
17
8
31
56
De una población de 56 empleados de la empresa We Go Global Solution, se
evidencia que el 46,43% han presentado episodios de dolor en columna vertebral con
una curación menor a las 12horas, únicamente 7,14% han pasado a fase subaguda
con dolor de más de 7 días de duración, el 10,71% no ha manifestado episodios de
dolor y de forma equitativa el dolor vario de 12 a 24 horas y de 1 a 7 días.
El propósito del estudio fue establecer la relación entre el nivel de conocimiento
de higiene postural y la aparición de dolor lumbar, considerado como una
manifestación clínica de enfermedad ergonómica en la columna vertebral.
Inicialmente, se examinó la frecuencia de ambas variables, observando que la
mayoría de los participantes eran mujeres (59%). Respecto al nivel de conocimiento
en higiene postural, el 56% de la población demostró un nivel medio de conocimiento,
seguido por un 30% con un nivel alto y un 14% con un nivel bajo. En cuanto al dolor
de espalda, el 89.3% de los empleados reportaron esta manifestación. Se observó
que aquellos con un nivel de conocimiento bajo presentaron principalmente dolor en
la columna completa (12.5%), mientras que los de nivel medio tuvieron mayormente
dolor lumbar (58.06%), al igual que aquellos con un nivel alto (52.94%). El predominio
del dolor lumbar, especialmente en empleados con conocimientos medios, sugiere
una falta de aplicación adecuada de posturas ergonómicas, posiblemente debido a
factores como el mobiliario, el estrés o el sedentarismo. Es importante destacar que
aquellos sin dolor lumbar presentaron niveles equitativos de conocimiento medio y
alto en higiene postural (10.7%).
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
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Conclusiones
Se confirma una estrecha relación entre el nivel de conocimiento de higiene postural
y la presencia de dolor de espalda en los empleados de We Go Global Solution. Esto
destaca la importancia de la formación en higiene postural como una medida
preventiva para mitigar el riesgo de dolor de espalda en el ámbito laboral.
La distribución equilibrada de género en la muestra estudiada sugiere que tanto
hombres como mujeres están igualmente expuestos al riesgo de desarrollar dolor de
espalda debido a la falta de conocimientos sobre higiene postural.
La mayoría de los empleados (56%) poseen un nivel medio de conocimiento en
higiene postural, lo que indica una base sólida de comprensión en este aspecto. Sin
embargo, aún queda un porcentaje significativo que requiere fortalecer sus
conocimientos para mejorar la prevención del dolor de espalda.
Los resultados revelan que, aunque los empleados con un nivel de conocimiento
alto tienen una menor incidencia de no aplicar las normas de higiene postural, aún
hay una proporción significativa que no las sigue adecuadamente. Esto subraya la
necesidad de implementar estrategias efectivas para fomentar la aplicación práctica
de estos conocimientos en el entorno laboral.
Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
12
Referencias
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Empresarial y Solidaria como requisito para optar al título de INGENIERO
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Minghelli, B., Nunes, C., & Oliveira, R. (2021). Effectiveness of a Back School and
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Montoya-Gómez, D. A. (2020). La actividad física como estrategia de intervención
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municipio de Caicedo Antioquia [Bachelor thesis, Universidad Católica de
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Munaga, S., Rawtiya, M., Khan, S., Chitumalla, R., Kubagiri, S. K. R., & Sajjan, P.
(2013). Assessment of knowledge, practices, and work place condition related
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Recibido: 13 de mayo 2024
Aprobado: 28 de junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 1-13
13
Journal of Orofacial Sciences, 5(2), 109. https://doi.org/10.4103/0975-
8844.124254
Soriano-Porras, D. M., Clila-Luna, A. B., Gómez Garcia, P., & Díaz Hernández, A.
(2022). Musculoskeletal disorders and ergonomic risks in the administrative
staff of an IES. Revista de Fisioterapia y Tecnología Médica, 20–26.
https://doi.org/10.35429/JP.2022.16.6.20.26
Recibido: 27 marzo 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 14-30
14
Estabilidad de sistemas lineales en tiempo continuo
Stability of Linear Systems in Continuous Time
Argenis Alexander Ángel Sáez 1
1
Resumen:
El presente trabajo tiene como propósito analizar la estabilidad absoluta de sistemas
de control lineales en tiempo continuo que se basan en el criterio de estabilidad de
Routh y de la ganancia límite. Para esto se proporcionan las teorías asociadas de
estabilidad en función a las raíces de ecuación característica (polos en lazo cerrado),
así como el efecto de la variación de un parámetro de ganancia cuando se entona un
controlador PID de forma analítica, es decir, si se conocen los modelos matemáticos
de la planta y utilizando las relaciones dadas por Ziegler-Nichols. Se emplea Simulink
de Matlab para observar de forma gráfica las respuestas de sistemas que son estables
o no y cómo influye el controlador PID diseñado por el método de la ganancia límite
en la trayectoria de lazo cerrado de un sistema de control.
Palabras clave: Criterio de estabilidad, ecuación característica, estabilidad absoluta,
ganancia límite, sistema de control
Abstract:
The aim of this work is the analysis of the absolute stability of linear control systems
in continuous time, based on the criterion of Routh’s stability and the ultimate gain. To
achieve this, we reviewed the theories associated to stability as a function of the roots
of the system characteristic equation (closed-loop poles), as well as the effect on the
variation of a gain parameter when a PID controller is analytically tuned by Ziegler-
Nichols’s relations, once mathematical models of the plant are known. The application
of Matlab Simulink was used to graphically observe whether the shape of the systems
response is stable or not and to observe as well how the PID controller, tuned by the
ultimate gain method, influences on the closed-bond trajectory in a control system.
Keywords: Criterion of stability, characteristic equation, absolute stability, ultimate
gain, control system
1
Universidad Nacional Experimental de los Llanos Occidentales Ezequiel Zamora, Ingeniero
Electrónico, https://orcid.org/0009-0004-0274-0333
Autor de correspondencia: aalexangelsaez@gmail.com
Recibido: 27 marzo 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 14-30
15
Introducción
El criterio de estabilidad de Routh proporciona una prueba satisfactoria a la
estabilidad absoluta. Sin embargo, dicho teorema presenta limitaciones para el
análisis de un sistema de control lineal, “sobre todo porque no sugiere cómo mejorar
la estabilidad relativa ni cómo estabilizar un sistema inestable. Sin embargo, es
posible determinar los efectos de cambiar uno o dos parámetros de un sistema si se
examinan los valores que producen inestabilidad” (Ogata, 2003, p. 237)
Lo ideal es conseguir un modelo matemático de la planta, con el cual, podría
ser posible diseñar diversas técnicas y aplicarlas en el sistema, con la finalidad de
establecer parámetros del controlador cumpliendo las especificaciones del estado
transitorio y del estado estacionario del sistema en lazo cerrado (Ogata, 2003)
El método de la ganancia límite permite obtener un valor KU en el cual las
oscilaciones de la respuesta de un sistema son de amplitud constante o sostenidas y
es aquí donde dicha metodología tiene relación con el criterio de estabilidad de Routh,
dado que esto se produce cuando existen polos de lazo cerrado sobre el eje
imaginario del plano s, lo que se traduce en un valor ‘cero’ en la columna principal del
arreglo de Routh. En el análisis de los sistemas lineales suelen utilizarse funciones
de transferencia como modelos matemáticos que generalmente se obtienen de las
ecuaciones diferenciales dinámicas que describen el comportamiento del sistema,
haciendo énfasis en las entradas y salidas del proceso en estudio.
La función de transferencia de un sistema G(s) descrito mediante una ecuación
diferencial lineal e invariante con el tiempo se define como el cociente entre la
transformada de Laplace de la salida (función de respuesta) y la transformada de
Laplace de la entrada (función de excitación) bajo la suposición de que todas las
condiciones iniciales son cero Ogata, K. (2003).
) (1)
Considere el sistema lineal e invariante con el tiempo descrito mediante la
siguiente ecuación diferencial:
(n) (n-1) (m) (m-1)
(2)
En donde y es la salida del sistema y x es la entrada. La función de
transferencia de este sistema se obtiene tomando la transformada de Laplace de
ambos miembros de la ecuación (1) en forma independiente, con la suposición de que
todas las condiciones iniciales son cero y se obtiene:
(3)
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Aprobado 29 junio 2024
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Utilizando este concepto de función de transferencia se puede representar la dinámica
de un sistema por ecuaciones algebraicas en s. Si la potencia más alta de s en el
denominador de (2) es n se dice que el sistema es de orden n.
Considere el sistema de lazo cerrado de la figura1
Figura 1
Diagrama de control de lazo cerrado
La función de transferencia en lazo cerrado es
(4)
Siendo la ecuación característica del sistema
(5)
Por otro lado, la señal de error se obtiene mediante
(6)
Estabilidad
Un sistema es estable si responde en forma limitada a una excitación limitada
tal como un impulso unitario (Llata y Gonzalez, 2021). Un sistema estable es aquel
en que los transitorios decaen, es decir, la respuesta transitoria desaparece para
valores crecientes del tiempo.
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Figura 2
Respuestas transitorias
Para esto sólo es necesario calcular las raíces del denominador de la función
de transferencia del sistema (ecuación característica), y comprobar su posición en el
plano complejo s, para saber si el sistema es estable y cómo afecta cada una de las
raíces.
En este sentido se sugiere que los coeficientes de t en los términos
exponenciales de la respuesta transitoria (soluciones de la ecuación diferencial en el
dominio del tiempo que caracteriza al sistema) sean números reales negativos o
números complejos con parte real negativa. Esto implica que para que un sistema sea
estable las raíces de la ecuación característica deben ser negativas o con parte real
negativa. Esto es ya que la ecuación característica representa la parte transitoria
(homogénea) de la ecuación que rige el sistema. De lo anterior se puede decir que la
estabilidad no depende de la entrada, sino que es una característica propia del
sistema.
Metodología
El presente estudio corresponde al tipo de investigación descriptiva – analítica,
debido a que se realiza según el análisis y alcance de los resultados obtenidos y
metodología de enfoque cuantitativo donde los resultados se obtienen mediante
cálculos y simulaciones sustentadas en las teorías existentes del tema. El estudio
aplica los métodos del criterio de estabilidad de Routh y de la ganancia límite.
Criterio de Estabilidad Routh
Es un método que se emplea para determinar si la ecuación característica tiene
o no raíces con parte real positiva sin necesidad de determinar el valor preciso de
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estas raíces Smith, C. (2008). Como casi todos los sistemas lineales en lazo cerrado
tienen funciones de transferencia para n ≥ m de la forma dada en la ecuación (2)
La ecuación característica de este sistema viene dada mediante:
(6)
El criterio de estabilidad de Routh, permite determinar la cantidad de polos en lazo
cerrado que se encuentran en el semiplano derecho del plano s. El procedimiento
en el criterio de estabilidad de Routh es el siguiente:
1. Si alguno de los coeficientes de la ecuación característica es cero o negativo,
ante la presencia de al menos un coeficiente positivo, hay una raíz, o raíces
imaginarias o que tiene partes reales positivas. En tal caso, el sistema no es
estable. Si sólo interesa la estabilidad absoluta, no es necesario continuar con
el procedimiento.
2. Si todos los coeficientes son positivos, se ordenan los coeficientes del
polinomio en renglones y columnas de acuerdo con el patrón o arreglo
siguiente que se muestra en la tabla 1:
Figura 3
Arreglo de Routh
Donde:
01 ,,, aaa nn
−
: son los coeficientes de la ecuación característica. El resto
de los coeficientes se obtienen mediante las relaciones:
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La tabla se continúa horizontal y verticalmente hasta que solo se obtengan
ceros. El criterio de Routh dice que:
• Todas las raíces de la ecuación característica tienen partes reales negativas
si todos los elementos de la primera columna de la tabla de Routh tienen el
mismo signo.
• De lo contrario el número de raíces con partes reales positivas es igual al
número de cambios de signo.
• Si existe un cero no terminal el sistema tiene un par de raíces imaginarias
puras.
• Si existen ceros terminales implica una raíz cero.
El criterio de estabilidad de Routh no sugiere cómo mejorar la estabilidad relativa
ni cómo estabilizar un sistema inestable. Sin embargo, es posible determinar los
efectos de cambiar uno o dos parámetros de un sistema si se examinan los valores
que producen inestabilidad.
Método de la Ganancia Límite
Si se conoce la función de transferencia de la planta, se puede calcular la
respuesta escalón unitario o la ganancia límite KU y el periodo límite TU. Para esta
regla se establece que Ti = ∞ y Td = 0, usando sólo la acción de control proporcional.
Se incrementa el valor de Kp de 0 a un valor crítico KU en donde la salida exhiba
primero oscilaciones sostenidas. (Si la salida no presenta oscilaciones sostenidas
para cualquier valor que pueda tomar Kp, no se aplica este método).
En la práctica con el controlador en automático (lazo cerrado), se incrementa
la ganancia proporcional (o se reduce la banda proporcional), hasta que el sistema
oscila con amplitud constante; se registra el valor de la ganancia con que se produce
la oscilación sostenida como KU. Este paso se debe efectuar con incrementos
discretos de la ganancia, alterando el sistema con la aplicación de pequeños cambios
en el punto de control (consigna a cada cambio en el establecimiento de la ganancia).
Los incrementos de la ganancia deben ser menores conforme ésta se aproxime
a la ganancia límite.
Por tanto, la ganancia límite KU y el periodo TU correspondiente se determinan
también experimentalmente
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Figura 4
Salida con oscilaciones sostenidas
Esquema de flujo para el calculo de la onda tomando en cuenta la constante y el
proceso descrito.
Figura 5
Sistema de control sólo proporcional con realimentación unitaria
Acción de control proporcional – integral – derivativa (PID).
Viene dada como la combinación de una acción de control proporcional, una
acción de control integral y una acción de control derivativa (la salida del controlador
es proporcional al error, a su derivada y a su integral). Esta acción combinada tiene
las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. Ogata, K. (2003).
Si e(t) es la señal de error en el dominio del tiempo, la ecuación de un controlador con
esta acción combinada se obtiene mediante
O bien
Donde Ti y Td corresponden a los tiempos integral y derivativo, mientras que
Kp, Ki y Kd son las ganancias Proporcional, Integral y Derivativa respectivamente.
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Conocidos los parámetros TU y KU bien sea experimentalmente o por medio del
análisis de la ecuación característica del sistema en conjunto con el estudio de la
estabilidad en lazo cerrado, se emplean las ecuaciones dadas en la tabla 2 por
Ziegler-Nichols para el ajuste del controlador.
Tabla 6.
Ecuaciones de Ziegler-Nichols
Resultados y discusión
Aplicación del criterio de estabilidad de Routh al análisis de un sistema de
control.
Figura 7
Considerando el sistema con realimentación unitaria de la figura
Debe existir un rango de valores de K para la estabilidad de dicho sistema.
En este sentido la función de transferencia en lazo cerrado es
Siendo la ecuación característica del sistema
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O bien
s4 + 3s3 + 3s2 + 2s + K = 0
El arreglo de coeficientes para el criterio de estabilidad de Routh es como sigue
Para la estabilidad
K > 0, 2 – 9/7K > 0
Donde
0 < K < 14/9
Con este análisis se puede determinar que los valores de la ganancia K que
garantizan una respuesta amortiguada o de oscilaciones sostenidas se encuentran
en el intervalo (0, 14/9)
Empleo de simulink de matlab para el estudio de la estabilidad en un sistema de
control
Simulink es una toolbox especial de matlab que se emplea para simular el
comportamiento de los sistemas dinámicos tanto lineales como no lineales, modelos
en tiempo continuo, tiempo discreto y sistemas híbridos. Es un entorno gráfico en el
cual el modelo a simular se construye tomando los elementos disponibles en las
librerías de simulink y arrastrando los diferentes bloques que lo constituyen. Los
modelos simulink se guardan en ficheros con extensión *.mdl.
Tomando el ejemplo anterior donde la estabilidad se logra para valores de la
ganancia entre 0 y 14/9; además teniendo en cuenta que
s(s2+s+1)(s+2) = s4 + 3s3 + 3s2 + 2s
Se implementan los módulos que simulan el comportamiento del sistema para K =
0.5
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Figura 8
Diagrama de función
En el módulo Transfer Fcn se ejecuta la función de transferencia de lazo abierto
del presente sistema de cuarto orden, cuyos parámetros de entrada se introducen
como se muestra en la siguiente figura. Se usa como referencia un escalón unitario
dado que es la señal por excelencia en este tipo de pruebas, y a la salida se conecta
el osciloscopio virtual que permite observar la señal de salida o respuesta del sistema
al escalón
Figura 9
Rangos de programación
Cambiando ahora K para un par de valores que se encuentran en el rango de
estabilidad resulta la siguiente grafica que se puede observar en la figura 10
Figura 10
Vista de la respuesta en el osciloscopio virtual de Simulink
K = 0.5 K = 1
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Al utilizar ahora valores de la ganancia fuera del rango estable se obtiene, en
ambos casos las oscilaciones aumentan su amplitud conforme crece el tiempo, por lo
tanto, el sistema se vuelve inestable, como se puede observar en la figura 11.
Figura 11
Simulación con valores fuera de rango
K = 1.5 K = 2
K = 3
Determinación de la ganancia limite y entonación del controlador PID
En el sistema de la figura se tiene realimentación unitaria
Figura 12
Ecuación y diagrama
El proceso (Actuador – Planta) viene representado por la función de transferencia
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Haciendo Gc(s) = Kp, la función de transferencia en lazo cerrado del sistema se
escribe como
Donde la ecuación característica es
Resultando la ecuación de tercer orden
s3 + 6s2 + 5s + Kp = 0
Aplicando el arreglo de Routh se obtiene
De la primera columna del arreglo se deduce que la ganancia límite para la
oscilación sostenida es
Kp = KU = 30
Con esto la ecuación característica se convierte en
s3 + 6s2 + 5s + 30 = 0
Para encontrar la frecuencia de la oscilación sostenida (frecuencia límite), se
sustituye s = jω en la ecuación característica:
(jω)3 + 6( jω)2 + 5(jω) + 30 = 0
Separando las partes real e imaginaria resulta
(30 – 6ω2) + (5 – ω2) jω = 0
Por lo tanto se tiene que ω2 = 5 o bien ω = 2.24, El período de la
oscilación sostenida (período límite) se obtiene mediante
Tu = 2п/ω = 2п/2.24 = 2.8
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En cuanto a los parámetros del controlador PID se emplean las ecuaciones
dadas por Ziegler-Nichols para el método de ganancia límite
Kp = 0.6 Ku = 18
Ti = 0.5 Tu = 1.4
Td = 0.125 Tu = 0.35
Suponga que se desea determinar la ganancia límite de un controlador de
temperatura para un intercambiador de calor si el sistema presenta las siguientes
características en los elementos de lazo cerrado:
Considerando la disposición básica de los elementos en un bucle de control se
tiene el sistema real
Figura 13
Proceso de calculo
Para este sistema, se escribe la ecuación característica en la forma
Haciendo Gc(s) = Kp y sustituyendo el resto de los elementos se obtiene
Al efectuar los productos y simplificar resulta
900s3 + 420s2 + 43s + 1 + 0.8Kp = 0
El arreglo de Routh es el siguiente
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Donde
Para la estabilidad se requiere:
Kp ≥ - 1.25
17160 – 720 Kp ≥ 0 siendo Kp ≤ 23.8
Dado que la primera condición no satisface el criterio (una ganancia negativa
significa que la acción del controlador no es la correcta), se toma la segunda condición
esto es:
Kp = KU = 23.8
Se hace s = jω en la ecuación característica para encontrar la frecuencia de la
oscilación sostenida
900(jω)3 + 420( jω)2 + 43(jω) + 1 + 0.8 Kp = 0
Lo cual conduce al siguiente sistema
- 420ω2 + 1 + 0.8 Kp = 0
- 900ω3 + 43ω = 0
Con soluciones:
Para ω = 0 se obtiene KU = - 1.25
Para ω = 0.218 se obtiene KU = 23.8
La primera solución implica que el sistema no oscila, si no que se mueve de
forma monótona en una dirección u otra, por lo tanto el valor que interesa es ω =
0.218
El período de la oscilación sostenida es entonces
Tu = 2п/ω = 2п/0.2186 = 28.7
Finalmente, los parámetros del controlador de temperatura (PID) son
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Kp = 0.6 Ku = 14.28; Ti = 0.5 Tu = 14.35; Td = 0.125 Tu = 3.59
La implementación de este sistema en simulink de Matlab puede hacerse como
Figura 14
Diagrama de calculo
Aquí se utiliza la función escalón de 5 unidades tanto para la señal de
referencia como para la perturbación. En el caso del actuador se emplea el módulo:
Figura 15
Ecuaciones de salida
De forma análoga se procede en los bloques de la planta y el transmisor. Por
otro lado, simulink contiene un módulo para simular controladores PID, donde los
parámetros que se solicitan son las ganancias Proporcional, Integral y Derivativa, en
este sentido:
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La ecuación presenta el proceso de cálculo, mientras que la figura 16 presenta
el resultado y la grafica simulada en el programa, Una vez aplicados los valores de
las ganancias.
Figura 16
Resultado de simulación
Se observa oscilaciones iniciales que son amortiguadas aproximadamente
después de 100 segundos, llegando a estabilizarse en el valor 5 que corresponde a
la referencia.
La variación de los niveles de ganancia en el intervalo válido para la estabilidad
obtenido a partir del criterio de Routh, permitirá determinar el efecto positivo o
negativo de dicha variación lo cual suele considerarse en aplicaciones de diseño de
sistemas de control de forma general; así mismo conocidos los valores de la ganancia
límite, el período y frecuencia límites se puede ajustar un controlador PID por medio
de las ecuaciones de Ziegler-Nichols que permita mantener regulado el sistema para
un valor de referencia establecido.
La implementación de los sistemas lineales en simulink de matlab permiten
observar respuestas condicionadas a valores de la ganancia considerada y estimar la
duración los transitorios, así como el tiempo en que se produce el régimen
permanente en respuestas subamortiguadas. Así mismo se pueden apreciar las
salidas con oscilaciones obtenidas (sinusoides no amortiguadas) que ocurren en la
ganancia límite y que a partir de la misma el sistema se vuelve inestable exhibiendo
oscilaciones crecientes en amplitud.
Cabe destacar que la utilización del PID Controller de simulink permite verificar
el comportamiento del sistema introduciendo correctamente en el bloque virtual los
valores de las ganancias proporcional, integral y derivativa obtenidas en los cálculos
manuales. Para valores correctos el controlador mantendrá los niveles de la salida en
valores convergentes a la señal de referencia que para efectos de simulación se usó
un escalón de amplitud constante.
Conclusiones
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30
Cuando se tienen sistemas lineales representados mediante diagramas de
bloque y funciones de transferencia, la presencia de un parámetro de ganancia en la
trayectoria principal de lazo cerrado determina en gran medida la estabilidad absoluta
del sistema. A través del criterio de estabilidad de Routh se puede conocer el rango
de valores que debe tener esta ganancia para que el sistema exhiba en su salida
respuestas amortiguadas o en su defecto con oscilaciones sostenidas.
El método de la ganancia límite usa básicamente el criterio de Routh, siempre
y cuando se tenga información de los modelos matemáticos de los elementos del
sistema, para encontrar la ganancia que produce la estabilidad marginal (máximo
valor de la ganancia) en la cual tienen lugar las oscilaciones sostenidas. Esto se
obtiene de suponer una expresión que contenga a la ganancia igualada a cero en la
primera columna del arreglo de Routh.
En simulink de matlab se puede evaluar esta condición implementado el
sistema mediante bloques funcionales donde se cargan los elementos del sistema de
control a partir de sus respectivas funciones de transferencia, generadores de
funciones para introducir la señal de referencia o perturbaciones y graficadores como
osciloscopios virtuales propios del software para observar las respuestas o salidas del
sistema.
Referencias
Ogata, K. (2003) “Ingeniería de Control Moderna”. Pearson Educación. Madrid,
España.
Ogata, K. (2003) “Ingeniería de Control Utilizando Matlab”. Un enfoque práctico.
Prentice Hall. Madrid, España.
Smith, C. (2008) “Control Automático de Procesos”. Editorial Limusa. México.
Kuo, B. (1996) “Sistemas de Control Automático”. Pearson Prentice Hall.
Séptima Edición.
Dorf, R. y Bishop R (2005) “Sistemas de Control Moderno”. Pearson Prentice
Hall. Décima Edición.
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
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31
Diseño de un molde de corte para arandelas automotrices
Design of a cutting mold for automotive washers
Jairo Edison Guasumba Maila
1
, Diego Andres Calero Torres
2
, Luis Patricio Criollo
Yanchatipan
3
, Victor Alfonso Garay Cisneros
4
.
5
Resumen:
En la industria automotriz, la fabricación de componentes de precisión, como las
arandelas, requiere moldes de corte de alta calidad y precisión. Este estudio analiza
el diseño de un molde de corte utilizando SolidWorks 2018, una herramienta de
modelado 3D ampliamente utilizada en ingeniería. La matricería es una técnica de
manufacturación en frío que permite obtener elementos mediante el uso de una
prensa, logrando fabricar varias piezas a la vez por corte o deformación. Los
materiales más utilizados para la fabricación de moldes son el Acero K100, el AISI
1045 y el 4340, seleccionados por su tenacidad, resistencia y capacidad para soportar
altas temperaturas. Utilizando el Método de Elementos Finitos (MEF), se aplica una
fuerza de corte de 50.26 KN para el diámetro menor de la arandela y 80.52 KN para
el diámetro mayor. El diseño de la matriz de corte es aceptado con un factor de
seguridad de 3.7, dentro del rango recomendado de 2.5 a 4 según Robert Mott. Las
partes que conforman la matriz incluyen la placa inferior y superior, la placa porta
matriz, punzones, columnas de Ø25 y Ø45 mm, prensas chapas, topes, guías y
matrices de corte.
Palabras clave: Matricería, Cizallamiento, Método de Elementos Finitos, Fuerza de
corte, Matriz.
Abstract:
In the automotive industry, the manufacturing of precision components, such as
washers, requires high quality and precision cutting molds. This study analyzes
designing a cutting mold using SolidWorks 2018, a tool
3D modeling widely used in engineering. Die-casting is a technique of
cold manufacturing that allows elements to be obtained through the use of a
1
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Diseño Mecánico con Mención en Fabricación de
Autopartes, https://orcid.org/0000-0002-0533-0397
2
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Energías Renovables, https://orcid.org/0000-
0003-4754-4251
3
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0003-3647-2918
4
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0001-6739-9309
Autor de correspondencia: jguasumba@istte.edu.ec
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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press, managing to manufacture several pieces at the same time by cutting or
deformation. The most used materials for the manufacture of molds are K100 Steel,
AISI 1045 and 4340, selected for their toughness, resistance and ability to withstand
high temperatures. Using the Finite Element Method (MEF), a cutting force of 50.26
KN is applied for the smallest diameter of the washer and 80.52 KN for the largest
diameter. The design of the cutting die is accepted with a safety factor of 3.7, within
the recommended range of 2.5 to 4 according to Robert Mott. The parts that make up
the matrix include the bottom plate and upper, the matrix holder plate, punches, Ø25
and Ø45 mm columns, presses plates, stops, guides and cutting matrices.
Keywords: Tooling, Shearing, Finite Element Method, Cutting force, Matrix.
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
33
Introducción
La industria ecuatoriana ha desarrollado nuevos procedimientos de trabajo, los
cuales obtuvieron gran énfasis, a partir de la inclusión de producción que se dio en el
país, destacando la producción de elementos en serie los mismos que se originan por
la matricería, obteniendo una diversidad de productos.
La matricería es una técnica de manufacturación en frío que permite obtener
un determinado elemento mediante el uso de una prensa, pudiendo producir varias
piezas a la vez a través de corte o deformación, conservando el espesor inicial. Este
proceso implica el uso de dispositivos mecánicos formados por un punzón y una
matriz, donde se aplica una fuerza de compresión sobre la chapa, comenzando con
una deformación, seguido de un cizallamiento y la rotura del material, y finalizando
con la expulsión de la pieza cortada (García et al., 2018).
Las arandelas son componentes esenciales en la industria automotriz,
utilizadas en múltiples aplicaciones para distribuir la carga de roscas de tornillo,
reducir la fricción y prevenir el desgaste. La calidad de estas piezas depende en gran
medida de la precisión del molde de corte utilizado en su fabricación. El objetivo de
este estudio es analizar el diseño de un molde de corte para arandelas automotrices
utilizando SolidWorks 2018, y evaluar cómo el modelado 3D puede optimizar el
proceso de diseño y fabricación. Según Alvarado, Hernández y Montes (2014), una
matriz generalmente está compuesta por el punzón y la matriz de corte. El punzón
está fijado a una placa llamada porta punzones, que a su vez cuenta con un vástago
sujeto a un cabezal. La matriz de corte, por otro lado, está asegurada a una placa
porta matriz y puede incluir o no un extractor. Esta configuración incluye también una
base matriz con un expulsor.
La matricería es un proceso de manufactura en frío que implica el uso de una
prensa para cortar o deformar material, generalmente metal, para obtener piezas de
formas específicas. Este proceso se realiza mediante dispositivos mecánicos
compuestos por punzones y matrices. La técnica de corte mediante matricería
conserva el espesor inicial del material y consta de varias etapas: aplicación de una
fuerza de compresión, deformación inicial, cizallamiento y ruptura del material, y
finalmente, la expulsión de la pieza cortada.
Las fuerzas de corte actuantes según Archundia, 2015 en el proceso de corte son:
- Fuerza horizontales y verticales de corte actuantes en el punzón
- Fuerzas de fricción horizontales y verticales actuantes en el punzón.
- Fuerza de reacción de la matriz
- Fuerzas horizontales y verticales actuantes en la matriz.
- Fuerzas de fricción horizontales y verticales actuantes en la matriz.
- Momentos actuantes en la tira.
- Momentos internos en la pieza troquelada.
La trayectoria de la fuerza de corte está especificada como se detalla a
continuación.
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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Figura 1
Trayectoria de la Fuerza de Corte
Nota: Archundia, 2015
La selección de materiales para estos componentes es crucial, y comúnmente
se utilizan aceros como K100, AISI 1045 y 4340 debido a sus propiedades de
tenacidad, resistencia y capacidad para soportar altas temperaturas.
Acero K 100
Se trata de un acero de tipo ledeburíticos de alta resistencia al desgaste y poca
resistencia a la tenacidad, con un 12% de cromo, útiles para aumentar la vida de sus
herramientas. (BÖHLER, 2013)
Figura 2
Parámetros del Acero K100
Parámetros
Unidades
Densidad (kg/dm3 )
7.70
Conductividad térmica (W/(mK))
20
Calor específico (J/(Kg*K))
460
Resistencia Eléctrica Específica (ohm*mm2/m)
0.65
Módulo de elasticidad (N/mm2)
210x103
Nota. BÖHLER, (2013)
El modelado se realiza con una herramienta llamada SolidWorks 2018 que es
un software de diseño asistido por computadora (CAD) que permite la creación de
modelos 3D precisos de componentes y ensamblajes mecánicos. Entre sus
características destacadas se encuentran:
• Modelado Paramétrico: Permite la creación y modificación de modelos a
través de parámetros definidos, facilitando cambios y ajustes rápidos.
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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• Ensamblajes Complejos: Capacidad para diseñar y ensamblar múltiples
componentes, garantizando que las piezas encajen y funcionen correctamente.
• Simulación y Análisis: Herramientas integradas para simular y analizar el
comportamiento de los diseños bajo diversas condiciones de carga y
operativas, utilizando el Método de Elementos Finitos (MEF).
• Optimización del Diseño: Identificación de áreas de alta tensión y posibles
puntos de fallo, permitiendo ajustes antes de la fabricación del molde.
El diseño de moldes de corte debe considerar factores de seguridad para
garantizar la durabilidad y fiabilidad del molde. Según Robert Mott, un factor de
seguridad recomendado para este tipo de aplicaciones es de 2.5 a 4. Este rango
asegura que el molde puede soportar las cargas operativas sin fallar prematuramente.
El uso de herramientas de modelado digital como SolidWorks 2018 en el
diseño de moldes de corte ofrece múltiples ventajas:
• Precisión: Mejora la precisión del diseño, reduciendo errores y retrabajos.
• Eficiencia: Acelera el proceso de diseño y permite iteraciones rápidas.
• Costos: Reduce los costos asociados con prototipos físicos y pruebas, al
permitir simulaciones detalladas en el entorno digital.
CAD se define como Diseño Asistido por computadora o Dibujo Asistido por
Computadora, siendo un conjunto de aplicaciones que permiten al ingeniero “definir”
un producto a producir, pudiendo representar en 2D y 3D, donde la información
analítica incluye relaciones geométricas, algebraicas y restricciones, que pueden ser
determinadas, mediante superficies cerradas o extrusiones de sólidos, partiéndose
de un boceto inicial que colabore con una idea general de lo que se requiere,
permitiendo procesar imágenes, archivos de tipo fotográficos, pudiendo rediseñar
productos, mediante el uso de sistemas informáticos de tipo hardware y software,
donde el SolidWorks han podido establecer referencias en un mercado educativo
mundial. (La Cruz & Casariego, 2007).
Metodología
Esta investigación se enfoca en un estudio descriptivo que explica paso a paso
el proceso teórico de análisis de la estructura. También se basa en una técnica de
investigación acción participativa, cuyo propósito es conectar el enfoque metodológico
con el proceso computacional desarrollado por los participantes, incluyendo tanto a
especialistas como a técnicos en el área. Esta integración busca superar la tradicional
separación entre sujeto y objeto de estudio (Bernal, 2010).
Aunque esta técnica no es científica en el sentido estricto, los resultados se
interpretarán desde un punto de vista técnico mecánico utilizando un enfoque de
prueba y error. A lo largo del estudio, se monitoreará detalladamente cada paso del
procedimiento para identificar el diseño más adecuado para el molde. Este enfoque
colaborativo permite formar un equipo de trabajo cohesionado, que evaluará el
proceso de análisis de la estructura mediante la comparación de los resultados
computacionales y los obtenidos a través de cálculos.
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
36
Para llevar a cabo este análisis, se sigue un enfoque sistemático que incluye
las siguientes etapas:
Tabla 1
Proceso de modelado
Etapas
Descripción
Especificaciones de
la Arandela
Se establecen las dimensiones, tolerancias y materiales
específicos de las arandelas automotrices que se fabricarán
Modelado del Molde
de Corte en
SolidWorks 2018
Utilizando SolidWorks 2018, se modela el molde de corte,
considerando todos los componentes y mecanismos necesarios
para el proceso de estampado
Análisis y
Optimización del
Diseño
Se realiza un análisis del diseño del molde utilizando las
herramientas de simulación de SolidWorks, evaluando aspectos
como el flujo de material, las tensiones en el molde y el desgaste
potencial
Validación del
Diseño
Se valida el diseño del molde mediante el Método de Elementos
Finitos, en función de los resultados obtenidos en el estudio
investigativo
Resultados y discusión
El modelado en SolidWorks permitió visualizar y ajustar detalles críticos del diseño
del molde, tales como:
• Distribución de Fuerzas: La simulación del flujo de material K – 100
seleccionado y la distribución de fuerzas reveló áreas de alta tensión que
fueron reforzadas para prevenir el desgaste prematuro del molde.
• Precisión Dimensional: El uso de herramientas de medición y tolerancia en
SolidWorks garantizó que las dimensiones del molde cumplieran estrictamente
con las especificaciones de las arandelas.
• Optimización del Proceso de Estampado: Se identificaron y corrigieron posibles
problemas de alineación y funcionamiento de los mecanismos del molde,
mejorando la eficiencia del proceso de estampado.
Diseño del ensamble de la matriz
Una vez diseñada las piezas de manera individual se procede a realizar un
ensamble, utilizando relaciones de posición coincidentes, concéntricas, entre otras,
las cuales son de tipo estándar, avanzadas y mecánicas
Obteniendo finalmente como resultado:
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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Figura 3
Despiece de la Matriz de Corte de Arandela de Øinterior 40 mm
Nota. Autores, (2024)
Al analizar la matriz, las placas a troquelar tienen las siguientes dimensiones:
- Diámetro exterior: 66.5 mm
- Diámetro interior: 40 mm
- Espesor de la pieza: 1 mm
Inicialmente se determina:
La fuerza de corte del diámetro menor de la arandela.
Donde:
- e = Espesor: 1 mm
- τ = Límite de Tracción: 400 MPa Material de la Platina – Acero.
- p = Perímetro: 125.66 mm
- Fc1 = Fuerza de Corte 1
Por lo que la fuerza aplicar es:
(1)
(2)
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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A continuación, se determina la fuerza de corte del diámetro mayor de la
arandela.
Donde:
- e = Espesor: 1 mm
- τ = Límite de Tracción: 400 MPa Material de la Platina – Acero.
- p = Perímetro: 208.82 mm
- Fc1 = Fuerza de Corte 2
Por lo que la fuerza aplicar es:
Una vez definida la Fuerza se procede a analizar por el Método de Elementos
Finitos. Por lo que los resultados y discusión originados son:
Los resultados obtenidos son aceptables, por lo que se puede identificar que
en la sección donde genera mayor tensión, según el código de colores es celeste, con
un valor promedio de 6.709e+007 (N/m2), el cual es despreciable.
Figura 4
Análisis de tensiones de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
Los resultados obtenidos son aceptables, por lo que se puede identificar que
el mayor desplazamiento originado es de 0.02246 mm.
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Aprobado 29 junio 2024
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Figura 5
Análisis de desplazamiento de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
Los resultados obtenidos al igual que las tensiones son aceptables, por lo que
se puede identificar que en la sección donde genera mayor deformación, según el
código de colores es celeste, con un valor promedio de 0.0002938.
Figura 6
Análisis de deformaciones de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
El factor de seguridad mínimo es de 3.7, el cual según Robert Mott (2006) es
útil para diseño de estructuras estáticas o elementos de máquina bajo cargas
dinámicas con incertidumbre acerca de las cargas, el cual recomienda que sea 2.5 a
4, por lo que se da por aceptado el diseño de la matriz de corte.
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Figura 7
Análisis del Factor de Seguridad de la matriz de corte
Nota. Autores, 2024
El uso de SolidWorks 2018 en el diseño de moldes de corte para arandelas
automotrices demostró ser una herramienta poderosa para mejorar la precisión y
eficiencia del proceso de fabricación. La capacidad de simular el comportamiento del
molde bajo condiciones reales de uso permite realizar ajustes precisos antes de la
producción, reduciendo costos y tiempo de desarrollo.
Conclusiones
La definición precisa de las dimensiones, tolerancias y materiales específicos
para las arandelas automotrices es esencial para garantizar la calidad y funcionalidad
de los componentes finales. Esta fase inicial permite establecer los parámetros
críticos que guiarán el diseño y la fabricación del molde de corte, asegurando que las
arandelas cumplan con los requisitos de rendimiento y durabilidad establecidos por la
industria automotriz.
El uso de SolidWorks 2018 para modelar el molde de corte ha demostrado ser
una herramienta eficaz para visualizar y diseñar cada componente del molde con alta
precisión. Este software permite crear modelos detallados que consideran todos los
mecanismos necesarios para el proceso de estampado, facilitando la identificación y
solución de posibles problemas en la fase de diseño. La capacidad de SolidWorks
para manejar ensamblajes complejos asegura que todas las partes del molde encajen
y funcionen correctamente desde el inicio.
El análisis del diseño del molde mediante las herramientas de simulación de
SolidWorks proporciona una comprensión profunda del comportamiento del molde
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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bajo condiciones de operación reales. Evaluando el flujo de material, las tensiones en
el molde y el desgaste potencial, se pueden realizar ajustes precisos para optimizar
el diseño. Esto no solo mejora la eficiencia del proceso de estampado, sino que
también prolonga la vida útil del molde, reduciendo costos y tiempos de
mantenimiento.
La validación del diseño mediante la comparación con moldes de corte
existentes y pruebas de prototipos confirma la precisión y eficiencia del diseño
propuesto. Este proceso es crucial para verificar que el molde diseñado en
SolidWorks cumpla con los estándares de calidad requeridos y funcione
correctamente en un entorno de producción real. La validación también permite
identificar y corregir cualquier discrepancia antes de la fabricación en masa,
asegurando que las arandelas producidas sean consistentes y de alta calidad.
Analizando el factor de seguridad obtenido para asegurar tanto la durabilidad
como la fiabilidad del molde y tomando en cuenta las recomendaciones de Robert
Mott, se ha utilizado un factor de seguridad dentro del rango de 2.5 a 4, lo que
garantiza que el molde puede soportar las cargas operativas sin fallar
prematuramente.
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progresivo para elaborar una arandela por golpe, Norma DIN 125.
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Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
42
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Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
43
Estrategias de eficiencia energética en edificaciones, mediante
tratamiento estadístico de datos en la parroquia Tanicuchi
Energy Efficiency Strategies in Buildings through Statistical Data Analysis in the
Tanicuchi Parish
Carlos Miguel López Rivas 1, Franklin Israel Sánchez Gamboa 2, Diego Marcelo López
Guzmán 3, Edwin Roberto Chancusig Chicaiza 4.
1
Resumen:
El cambio climático es un hecho, y las nuevas tecnologías enfocadas a la eficiencia
energética desempeñan un papel fundamental en la mitigación de efectos adversos.
La eficiencia energética en edificaciones típicas, es un área innovadora de estudio a
nivel mundial, teniendo poca acogida a nivel local, con mínimos estudios en proyectos
que involucren esta área de estudio El objetivo de este estudio es presentar una
estrategia de eficiencia energética mediante el uso de energía renovable, esto se lleva
a cabo mediante tratamiento estadístico de datos, se recopila información in situ, se
aplica fórmulas de proyección y se determina la viabilidad técnica, finalmente Los
resultados verifican que la población tiene un porcentaje elevado de afectaciones en
su vivienda por uso ineficiente de la energía, como alternativa se presenta un estudio
para implementar tecnología solar enfrentando esta problemática.
Palabras clave: Eficiencia energética, edificaciones típicas, energía renovable.
Abstract:
Climate change is a fact, and new technologies focused on energy efficiency play a
fundamental role in mitigating adverse effects. Energy efficiency in typical buildings
is an innovative area of study worldwide, having little acceptance locally, with
minimum studies in projects involving this area of study. The objective of this study is
to present an energy efficiency strategy through the use of renewable energy, this is
carried out through statistical treatment of data, in situ information is collected,
projection formulas are applied and technical viability is determined, finally The
results verify that the population has a high percentage of effects on their housing
due to inefficient use of energy, as an alternative a study is presented to implement
solar technology facing this problem.
Keywords: Energy efficiency, typical buildings, renewable energy.
1
Instituto Superior Tecnologico Cotopaxi, https://orcid.org/0009-0005-7513-9845, Cuarto nivel
2 Instituto Superior Tecnologico Cotopaxi, https://orcid.org/0009-0006-8768-8590, Cuarto nivel
3 Instituto Superior Tecnologico Cotopaxi, https://orcid.org/0009-0001-8390-6200, Cuarto nivel
4 Instituto Superior Tecnologico Cotopaxi, https://orcid.org/0009-0003-0053-008X, Cuarto nivel
Autor de correspondencia: Ing. Carlos López
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
44
Introducción
El presente trabajo de investigación tiene como principal prioridad el estudio
de factibilidad para la implementación de estrategias tecnológicas de eficiencia
energética en edificaciones típicas.
El panel intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) ha señalado
que ha superado un aumento de 1.0° C en las temperaturas globales respecto a los
niveles preindustriales y existe la posibilidad de alcanzar un umbral crítico de 1.5°C
entre los años 2030 y 2052 si no se toman medidas urgentes. Ante esta situación, se
plantea la necesidad de implementar estrategias que promuevan la eficiencia
energética en las edificaciones.
La investigación se realizó en la parroquia de Tanicuchí, y se han recopilado
datos in situ mediante tratamiento estadístico. Se han aplicado fórmulas de
proyección y se ha llevado a cabo un análisis estadístico de los datos recolectados
en el sector. Como resultado de este estudio, se ha generado tablas de datos de
radiación que respaldan la factibilidad técnica de implementar tecnología solar como
una alternativa para abordar la problemática del uso ineficiente de la energía en las
viviendas del sector.
La problemática identificada es que un porcentaje elevado (30%) de la
población en la parroquia de Tanicuchí presenta afectaciones en sus viviendas debido
al uso ineficiente de la energía. Para enfrentar esta problemática, se plantea la
implementación de tecnología solar como una solución viable y eficiente.
El contexto de la investigación se basa en la necesidad de abordar el cambio
climático y promover la eficiencia energética. La problemática identificada es el uso
ineficiente de la energía en las viviendas de la parroquia de Tanicuchí y los alcances
de la investigación se centran en determinar la viabilidad técnica de implementar
tecnología solar como alternativa. El objetivo del estudio se basa en evaluar los datos
recopilados, analizar la viabilidad técnica y proponer estrategias de eficiencia
energética mediante el uso de tecnología solar. Evaluar el consumo energético actual
en las edificaciones de la parroquia de Tanicuchí mediante el tratamiento estadístico
de datos. Identificar las principales fuentes de pérdida de energía en las edificaciones
de la parroquia de Tanicuchí. Proponer estrategias de eficiencia energética
adecuadas para las edificaciones de la parroquia de Tanicuchí, basadas en los
resultados del tratamiento estadístico de datos.
Metodología
La investigación se enfoca en el diseño de estrategias de eficiencia energética
para viviendas en el sector de Tanicuchí. El enfoque principal es abordar el problema
del consumo ineficiente de energía en las viviendas y proponer soluciones basadas
en la eficiencia energética.
El tipo de estudio realizado en esta investigación es de carácter exploratorio y
descriptivo. Se exploran las características del consumo energético en las viviendas
del sector y se describen las posibles estrategias de eficiencia energética que podrían
implementarse.
La técnica utilizada para la recolección de información incluye encuestas
realizadas en el sector de Tanicuchí, éstas encuestas se utilizan para obtener datos
sobre el consumo energético en las viviendas, las prácticas actuales de eficiencia
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
45
energética y las necesidades de los residentes. Además, se recopilan datos desde la
estación meteorológica más cercana para tener información sobre las condiciones
climáticas del área.
En cuanto a un posible modelo matemático, no se menciona específicamente
en el texto proporcionado, sin embargo, en este tipo de investigación, es posible que
se utilicen modelos matemáticos o estadísticos para analizar los datos recopilados,
realizar proyecciones o evaluar el impacto de las estrategias propuestas en eficiencia
energética de las viviendas.
El resultado de realizar este estudio basado en una investigación mediante una
encuesta depende de varios factores, como el diseño de la encuesta, la calidad de
las preguntas, el tamaño y representatividad de la muestra, y la forma en que se
analizan e interpretan los datos recopilados.
La población objetivo corresponde a los 15145 habitantes de la parroquia de
Tanicuchí, se decidió utilizar un nivel de confianza del 95% lo que implica un margen
aceptable del 5%. Según los registros municipales, la vivienda del sector es de
aproximadamente 5170 casas.(Byron Villacís, 2021)
En la figura siguiente se aprecia la ubicación de la Parroquia de Tanicuchí, sitio
que se encuentra en la parte central del callejón interandino del Ecuador, entre las
cordilleras central y occidental a 22 kilómetros del noroccidente del casco urbano de
la ciudad de Latacunga con una altitud de 2920 msnm.(Edison Quinatoa, 2023)
Figura 1
Ubicación de la parroquia de Tanicuchí
Nota. Autores, (2024)
Mediante tratamiento estadístico de datos en la parroquia de Tanicuchi, en la
investigación se recopila datos mediante encuestas utilizando la plataforma Google
forms, como se ve en la figura 2.
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
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Figura 2
Encuesta sobre aislamiento térmico de las viviendas del sector
Nota. Autores, (2024)
Luego de haber determinado una muestra de estadística sobre la calidad de
aislamiento térmico en las viviendas de sector, seguidamente se realiza un análisis
de radiación térmica que se tiene en el lugar con datos que se obtienen desde el punto
más cercano de medición, información obtenida desde los datos de la Estación
meteorológica del INAMHI.(INAMHI, 2021)
El análisis indica que los paneles fotovoltaicos tienen una eficiencia de
alrededor del 20%, esto significa que pueden convertir aproximadamente el 20% de
la energía solar incidente en electricidad utilizable, ésta cifra es una estimación
promedio y puede variar según el tipo y la calidad de los paneles que se utilicen.
Según la eficiencia mencionada anteriormente, se calcula que se pueden
obtener alrededor de 25 Kwh/mes de electricidad a partir de dos metros cuadrados
de paneles solares instalados, este cálculo se basa en la cantidad promedio de
energía solar disponible en el área donde se instalarían los paneles.
Para proporcionar una referencia comprensible, es básico mencionar que 25
Kwh/mes de electricidad que se puede generar por el uso de paneles fotovoltaicos,
es aproximadamente equivalente al consumo de una ducha eléctrica y al de alrededor
20 bombillas LED, éstos ejemplos ilustran como se podría utilizar la energía generada
por los paneles solares en términos prácticos.
En relación con los calentadores solares de agua, se menciona que tiene una
eficiencia mucho más alta, alrededor del 60%, esto indica que pueden aprovechar una
mayor proporción de la energía solar para calentar el agua en comparación con los
paneles fotovoltaicos.(Vega Gaxiola, 2018)
Si se utiliza un sistema de tubos concéntricos adecuado, se señala que se
puede satisfacer las necesidades de agua caliente sanitaria en un hogar sin
problemas, puesto que la alta eficiencia de los calentadores solares de agua permite
aprovechar de manera efectiva la energía solar térmica para calentar el agua
necesaria en el hogar.(Belén & León, 2021)
Recibido: 29 febrero 2024
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Se destaca la importancia de trabajar en los hábitos de consumo y uso de la
energía eléctrica en los hogares, se sugiere que se puedan implementar charlas
informativas y utilizar sistemas como sensores de movimiento para fomentar el
aprovechamiento eficiente de la energía en cada hogar. Estos enfoques buscan
concienciar sobre el consumo responsable y maximizar la eficiencia energética en el
hogar.(Bo Dahlbom, 2021)
Se aplica fórmulas de proyección y se determina la viabilidad técnica,
posteriormente mediante el análisis estadístico de datos recolectados en el sector y
se genera tablas de datos de radiación.
Análisis de Datos
El análisis de recolección de información está basada en una encuesta que
posteriormente implica en el procesamiento y la interpretación de los datos
recopilados a través de un cuestionario estructurado, tomando en cuenta que se
procede del siguiente análisis.
El diseño de la encuesta se lo realizó con preguntas claras y relevantes que
abordan el objetivo de la investigación, determinando las variables de interés y
estableciendo las opciones de respuesta adecuada, dotando de preguntas de opción
múltiple.
La recopilación de datos, se la realizó en línea mediante formulario electrónico,
en la que los encuestados proporcionan sus respuestas a las preguntas planteadas
de acuerdo con las instrucciones proporcionadas.(Alelú et al., 2020). Posteriormente,
se realizó una preparación de los datos, esto implica revisar y limpiar los datos para
eliminar cualquier error o inconsistencia, como respuestas incompletas o valores
atípicos, además, se pueden codificar las respuestas en variables numéricas para
facilitar el análisis posterior.
El análisis de la encuesta estuvo basado en un proceso descriptivo, esto
implica calcular estadísticas básicas, como frecuencias y porcentajes, para cada
pregunta y opción de respuesta, estas estadísticas proporcionan una visión general
de las respuestas y permiten identificar patrones y tendencias en los datos obtenidos.
Una vez completo el análisis, se interpretó y se extrajo conclusiones de los
resultados obtenidos, esto implica analizar las estadísticas y los hallazgos clave,
identificando patrones o relaciones significativas y relacionarlos con los objetivos de
investigación planteados inicialmente, se generó gráficos o tablas para visualizar los
resultados de manera más efectiva. Finalmente, se elaboró un informe final que
resume los resultados del análisis de la encuesta, este informe incluye una
descripción detallada de la metodología utilizada, los hallazgos clave, las
conclusiones y las recomendaciones basadas en los resultados, el informe es
presentado de manera clara y concisa, utilizando gráficos o visualizaciones
apropiadas para facilitar la comprensión del lector.
Utilidad de la Encuesta
Recibido: 29 febrero 2024
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La aplicabilidad de la encuesta se basa en poder ayudar a identificar las áreas
o procesos específicos donde se está utilizando más energía de la necesaria o donde
hay oportunidades para mejorar la eficiencia energética, esto incluye el uso de
equipos obsoletos, prácticas ineficientes o el consumo excesivo de energía en ciertas
áreas. Además, se evalúa el nivel de conocimiento y la adopción de prácticas de
eficiencia energética en el sector, esto permite comprender si existe conciencia sobre
la importancia de la eficiencia energética y si se están implementando medidas
adecuadas para reducir el consumo de energía.
El análisis de los resultados de la encuesta ayuda a identificar las barreras y
desafíos que impiden la implementación de medidas de eficiencia energética en la
parroquia, determinando factores como limitaciones financieras, falta de conocimiento
técnico, falta de incentivos o barreras culturales. Comprender estas barreras permite
desarrollar estrategias para superarlas y promover la eficiencia energética.
Finalmente, los resultados de la encuesta ayudan a identificar las áreas donde se
requiere capacitación adicional en eficiencia energética, esto permitirá diseñar
programas de capacitación específicos para el sector de Tanicuchí, con el objetivo de
mejorar las habilidades y el conocimiento de la población en relación con la eficiencia
energética. Realizar una encuesta posterior servirá como línea base para monitorear
y evaluar el progreso en materia de eficiencia energética a lo largo del tiempo,
realizando encuestas periódicas, se logrará un seguimiento de las mejoras realizadas
e identificar cualquier retroceso y así poder ajustar las estrategias según sea
necesario.
Justificación de la encuesta
La encuesta sobre eficiencia energética se realizó en la parroquia de Tanicuchí
con el objetivo de obtener información y datos clave relacionados con el consumo, las
prácticas y el conocimiento sobre el uso de la energía en el sector, la misma permitió
recopilar datos sobre el consumo de energía en los hogares y comercios de la
parroquia, proporcionando una imagen clara de la cantidad de energía que se utiliza
y ayuda a identificar áreas de alto consumo.
Al recopilar información detallada sobre las prácticas de uso de energía, la
encuesta ayuda a identificar oportunidades de mejora en términos de eficiencia
energética, incluyendo la identificación de áreas donde se puede reducir el consumo,
implementar medidas de ahorro energético y promover el uso de fuentes de energía
renovable. La encuesta también tiene como objetivo crear conciencia sobre la
importancia de la eficiencia energética en la parroquia de Tanicuhí, al involucrar a los
residentes y obtener sus opiniones, la encuesta puede ayudar a educar prácticas más
sostenibles y fomentar un cambio de comportamiento hacia un uso más eficiente de
la energía.
Los resultados de la encuesta proporcionan una base sólida para el desarrollo
de planes y políticas energéticas específicas para la parroquia, estos planes incluyen
proyectos de eficiencia energética, incentivos para el uso de energías renovables y
medidas para reducir la huella de carbono en el sector. La encuesta establece una
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línea de base para el monitoreo y seguimiento del progreso en términos de eficiencia
energética en la parroquia de Tanicuchí, al repetir la encuesta en el futuro, será
posible evaluar los avances realizados, identificar áreas que requieren atención
adicional y ajustar las estrategias según sea necesario.
En el presente estudio, se desarrolló un modelo matemático para evaluar la
viabilidad técnica de implementar tecnología solar en las edificaciones de la parroquia
de Tanicuchi, con el objetivo de mejorar la eficiencia energética. Este modelo se basa
en la recopilación y análisis estadístico de datos climáticos y de consumo energético
de la región.
Se utilizaron datos de radiación solar obtenidos de la estación meteorológica
del INAMHI más cercana a Tanicuchi, ubicada a aproximadamente 7 km de distancia.
Estos datos proporcionan información sobre la radiación solar incidente en la región.
Se realizaron encuestas a 120 residentes de Tanicuchi para obtener
información detallada sobre el consumo energético en sus viviendas y las prácticas
actuales de eficiencia energética.
Para determinar el valor Ib que corresponde a la porción de radiación directa y
se calcula de basando en la definición de que la radiación total es la suma de la
radiación directa, la radiación difusa y la radiación reflejada; si se considera
despreciable a la radiación reflejada la radiación directa se puede calcular con la
expresión.
(1)
Se asumió una eficiencia promedio del 20%, lo que implica que los paneles
pueden convertir el 20% de la energía solar incidente en electricidad utilizable.
Se estimó que dos metros cuadrados de paneles solares pueden generar
aproximadamente 25 kWh/mes de electricidad, basado en la radiación solar promedio
de la región.
La eficiencia de los calentadores solares de agua se consideró en un 60%, lo
que permite un uso más efectivo de la energía solar para satisfacer las necesidades
de agua caliente sanitaria en los hogares.
Los datos de las encuestas se analizaron para identificar patrones de consumo
energético y evaluar la efectividad de las prácticas actuales de eficiencia energética.
Se generaron gráficos y tablas para visualizar los resultados y facilitar la interpretación
de los datos.
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50
Se identificaron los meses con mayor y menor cantidad de radiación solar, lo
que permite optimizar la instalación y uso de paneles solares.
Los resultados de las encuestas revelaron que un 30% de las viviendas
presenta afectaciones debido al uso ineficiente de la energía. La implementación de
tecnología solar se mostró como una solución viable para reducir estas afectaciones.
Resultados
Los paneles fotovoltaicos tienen una eficiencia de alrededor de un 20%, lo que
indica que se podrían tener alrededor de 25 kWh/mes de electricidad de fuente
fotovoltaica para dos metros cuadrados de paneles instalados. Esto equivale al
consumo de una ducha eléctrica y alrededor de 20 bombillas led.
El otro elemento para tomar en consideración es el tema de los calentadores
solares de agua. La eficiencia de los paneles solares térmicos es mucho más elevada;
alrededor de 60%. Si se aprovecha de manera adecuada un sistema de tubos
concéntricos puede suplir las necesidades de agua caliente sanitaria en un hogar sin
ningún inconveniente. Por último, se debe trabajar en los hábitos de consumo y uso
de la energía eléctrica en los hogares ya sea con charlas informativas o con sistemas
como sensores de movimiento para motivar al aprovechamiento del recurso
energético en cada hogar.
Resultados de la encuesta.
La encuesta sobre eficiencia energética en el sector de Tanicuchí tiene como
propósito obtener información relevante y datos específicos que permiten evaluar y
mejorar la gestión energética en esta área en particular. Se busca recopilar
información sobre el consumo de energía en los hogares, esto proporciona una visión
general de la cantidad de energía que se utiliza y ayuda a identificar áreas de alto
consumo o ineficiencias energéticas.
La encuesta permite identificar áreas específicas donde se pueden
implementar medidas de eficiencia energética para reducir el consumo y mejorar el
uso de la energía, esto incluye identificar equipos o procesos ineficientes, así como
identificar prácticas y comportamientos que puedan ser modificados para lograr un
uso más eficiente de la energía. Generar conciencia y educar a la comunidad de
Tanicuchí sobre la importancia de la eficiencia energética, al participar en la encuesta,
los residentes pueden aprender más sobre las prácticas y medidas que pueden tomar
para reducir su consumo de energía y minimizar su impacto ambiental.
Análisis e interpretación de encuestas
Análisis e interpretación de la encuesta realizada a 120 personas residentes
en la parroquia de Tanicuchí.
1. ¿La temperatura de la vivienda es constante durante el día?
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
51
Tabla 1
Temperatura de la vivienda
ALTERNATIVAS
FRECUENCIA
PORCENTAJE (%)
SI
66
54.7
NO
54
45.3
TOTALES
120
100
Nota. Autores, (2024)
Análisis: Esta información proporciona pistas sobre posibles problemas de
aislamiento o de calefacción, y ayuda a identificar oportunidades para mejorar la
eficiencia energética de la vivienda. Además, también es útil para evaluar la
comodidad y bienestar de los ocupantes de la vivienda, ya que las fluctuaciones de
temperatura pueden afectar negativamente a su confort y salud.
Interpretación: Esta leve característica positiva en las respuestas determina que
siendo un lugar con una temperatura que en promedio está entre los 12° C y los 20°
C, este es una temperatura relativamente baja y por ende en el interior de las
viviendas se tendrá un ambiente fresco durante el día y frío en la noche.
Figura 3
Tabulación de encuesta
Nota. Autores, (2024)
La siguiente pregunta ¿Ha notado una disminución o aumento en los costos
desde que se instaló el equipo para confort térmico?, genero las siguientes
reacciones.
Análisis: Esto es relevante porque ayuda a determinar si el equipo está
funcionando de manera eficiente o no. Si los costos han aumentado
significativamente, podría indicar que el equipo es ineficiente o que tiene problemas
que requieren solución.
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
52
Interpretación: Esta característica negativa es lógicamente una subsecuente
respuesta a la pregunta anterior, dado que la mayoría de los encuestados
respondieron que no tienen un sistema de calefacción para mitigar las temperaturas
bajas.
Figura 4
Confort térmico
¿Las paredes y techos están fríos o húmedos al tacto?
Análisis: Esto es relevante para poder detectar signos de condensación o
humedad excesiva que pueda conducir a moho o daño estructural. Las paredes y
techos húmedos o con goteras pueden ser indicativos de fugas, filtraciones o
aislamiento deficiente
Interpretación: Esta característica positiva identifica zonas que puedan
necesitar aislación térmica adicional. Las superficies frías, especialmente en técnicas,
pueden ser indicativas de pérdida de calor y baja eficiencia energética.
Figura 5
Respuestas de nivel de frio
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
53
¿Ha notado alguna condensación en las ventanas o paredes?
Análisis: Esto es relevante para poder Identificar la presencia de
condensación lo que es importante porque el exceso de humedad en el ambiente
puede tener consecuencias negativas en la salud de las personas, así como en la
estructura del edificio.
Interpretación: La respuesta mayoritariamente negativa con el 68.8%, define
que debido al clima del sector siendo poco húmedo bastante frío, por lo general no se
tiene presencia de humedad en las paredes.
Figura 6
Sensación de humedad en el ambiente
¿Ha tenido problemas con la humedad en la vivienda?
Tabla 2.
Humedad
ALTERNATIVAS
FRECUENCIA
PORCENTAJE (%)
SI
64
53.1
NO
56
46.9
TOTALES
120
100
Nota. Encuesta a habitantes
Análisis: Se puede identificar si hay una necesidad de tomar medidas para
controlar la humedad en la vivienda, como la instalación de sistemas de ventilación
mecánica o la utilización de deshumidificadores.
Interpretación: La respuesta levemente positiva de esta pregunta con el
53.1% define que se debe prever estrategias para evitar la humedad en las viviendas,
posiblemente mantener una buena ventilación en la vivienda es esencial para evitar
la acumulación de humedad, abrir las ventanas y puertas durante el día para permitir
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
54
la entrada de aire fresco y seco y cerrarlas durante la noche o en días de lluvia para
evitar la entrada de aire húmedo.
Figura 7
Humedad
2. ¿Ha notado algún ruido exterior que se filtra en la vivienda?
Tabla3
Ruido
ALTERNATIVAS
FRECUENCIA
PORCENTAJE (%)
SI
23
18.8
NO
97
81.3
TOTALES
120
100
Nota. Encuesta a habitantes
Análisis: El ruido exterior que se filtra por una vivienda puede ser muy molesto
y afectar la calidad de vida de las personas, siendo este problema el análisis para
algunas estrategias para eliminar o reducir el nivel de ruido exterior en la vivienda.
Interpretación: Siendo una respuesta mayoritariamente negativa con el
81.3%, se desprende que las construcciones de las viviendas en el sector tienen un
buen aislamiento acústico, debido principalmente a los materiales de construcción
típicos en el sector y también a la poca incidencia acústica de la parroquia en general.
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
55
Figura 8
Ruido
Discusión
Como resultado importante en la investigación se revela que existen áreas
específicas dentro de las edificaciones típicas del sector, como las principales
responsables del consumo de energía, éstas se presentan generalmente en la
iluminación, climatización y equipos que se utilizan para diferentes procesos. De este
modo se analiza diferentes estrategias de eficiencia energética aplicadas en las
edificaciones típicas de Tanicuchí, para posteriormente evaluar su impacto en la
reducción del consumo de energía, esto podría incluir el uso de iluminación eficiente,
sistemas de climatización y aislamiento térmico, debido a factores climáticos del
sector.
Como hallazgo importante en el proceso de investigación realizada, se puede
mencionar que se identificó los factores que influyen en el consumo de energía en las
edificaciones, sobre todo en el análisis de características específicas como el tamaño
del edificio, el tipo de actividad que se lleva a cabo en cada vivienda. Comprender
estos factores permite desarrollar estrategias más precisas y adaptadas a las
necesidades de las viviendas típicas en Tanicuchí.
En la investigación denominada “Análisis del impacto de estrategias de
eficiencia energética en el consumo de energía de viviendas unifamiliares” (Donoso,
2022), se utilizó simulaciones computacionales y análisis estadístico para evaluar el
impacto de diferentes estrategias de eficiencia energética en el consumo de energía
de 50 viviendas unifamiliares en clima templado. Las estrategias evaluadas
incluyeron, la mejora del aislamiento térmico, sustitución de ventanas por modelos de
alta eficiencia, instalación de sistemas de calefacción y refrigeración eficientes,
implementación de sistemas de control inteligente y el uso de electrodomésticos
eficientes.
En el que el resultado a contrastar se encuentra respaldado por investigaciones
recientes que demuestra que la iluminación, la climatización y los equipos son áreas
de alto consumo de energía en las viviendas unifamiliares.
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
56
La implementación de estrategias de eficiencia energética en estas áreas
puede tener un impacto significativo en la reducción del consumo energético y las
emisiones de gases de efecto invernadero.
Conclusiones
La implementación de prácticas y tecnologías energéticamente eficientes
puede llevar a una disminución significativa en el consumo de energía en el sector
seleccionado. Esto resulta en ahorros económicos directos para los usuarios y
contribuye a la sostenibilidad a largo plazo al reducir la demanda de energía de
fuentes no renovables.
La eficiencia energética conlleva beneficios ambientales significativos. Al
reducir el consumo de energía, se disminuye la emisión de gases de efecto
invernadero y se contribuye a la mitigación del cambio climático. Además, la eficiencia
energética puede ayudar a preservar los recursos naturales al disminuir la extracción
y el consumo de combustibles fósiles.
La aplicación de medidas de eficiencia energética puede ayudar a reducir los
costos operativos y de mantenimiento en el sector de Tanicuchí. Al mejorar la
eficiencia de los equipos y sistemas, se pueden reducir los gastos relacionados con
el consumo de energía, como la electricidad y el combustible. Esto permite a las
empresas y a los individuos destinar recursos económicos a otras áreas de inversión
o ahorro.
Agradecimientos
Un profundo agradecimiento al Instituto Superior Universitario Cotopaxi, de parte
de todos quienes estuvimos involucrados en ese proyecto de Investigación, debido al
valioso apoyo y al compromiso de la Institución, que fue fundamental para acceder a
la bibliografía especializada, además de la asesoría y orientación que recibimos en
cada etapa del proyecto.
Recibido: 29 febrero 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 43-57
57
Referencias
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS PARA EL
MEJORAMIENTO DE LAS CONDICIONES DE COMBUSTIÓN DEL DIESEL
2 [Tesis]. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO .
Bo Dahlbom. (2021). CAMBIANDO LOS HÁBITOS DE CONSUMO ENERGÉTICO.
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Balcells, J. (2012). Eficiencia en el uso de la energía eléctrica. Barcelona: Lexus.
Mazorra Soto, J. (2012). Calidad de la Energía Eléctrica Incidencia Técnico -
Económica - Energética y Ambiental en Empresa Indústriales y de Servicios.
Madrid.
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
58
VoIP simplificado: Una visión clara para implementación y
beneficios empresariales
VoIP simplified: A clear vision for implementation and business benefits
Amalia Patricia Bernal Arce1
1
Resumen:
A través de una metodología de investigación integral que comprende una revisión de
literatura especializada, se ha desarrollado el presente estudio con el objetivo de
ofrecer una visión simplificada pero relevante de la tecnología de Voz sobre Protocolo
de Internet. Se abordan aspectos como su definición, funcionamiento, arquitectura
para una implementación exitosa y los beneficios que aporta a empresas y
organizaciones. La investigación se ha simplificado para presentar la información más
relevante de manera accesible y comprensible, dirigida tanto a profesionales técnicos
como no técnicos para que todos puedan obtener valor de este conocimiento.
El artículo comienza con una introducción sobre el procesamiento de voz, los
fundamentos de las redes telefónicas tradicionales e Internet. Este contexto inicial
proporciona los conocimientos necesarios para comprender a fondo los hallazgos de
la investigación, que profundiza en diversos aspectos de la tecnología de Voz sobre
Protocolo de Internet, incluyendo el Protocolo de Inicio de Sesión, su arquitectura y la
interacción entre sus componentes. Se continúa con un análisis detallado sobre la
integración de las redes de voz convencionales con Internet, examinando los
componentes tecnológicos clave que posibilitan esta integración, como son, el
Signaling Gateway, el Media Gateway Controller, el Media Gateway, entre otros.
Finalmente, el artículo explora los beneficios de un sistema de Voz sobre Protocolo
de Internet, en términos de calidad de servicio, optimización de recursos,
escalabilidad de servicios y reducción de costos, resaltando su relevancia en el ámbito
empresarial y organizacional.
Palabras clave: Arquitectura SIP, Beneficios de VoIP, Integración de redes de voz con
Internet, Protocolo SIP, Sistemas VoIP.
1
Instituto Superior Tecnológico Guayaquil, Magister en Telecomunicaciones, https://orcid.org/0009-
0002-1650-867X
Autor de correspondencia: apbernal@istg.edu.ec
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
59
Abstract:
Through a comprehensive research methodology that includes a review of specialized
literature, the present study has been developed with the aim of offering a simplified
yet relevant insight into Voice over Internet Protocol technology. It addresses aspects
such as its definition, functioning, architecture for successful implementation, and the
benefits it brings to companies and organizations. The research has been streamlined
to present the most relevant information in an accessible and understandable manner,
aimed at both technical and non-technical professionals so that everyone can derive
value from this knowledge.
The article begins with an introduction to voice processing, the fundamentals of
traditional telephone networks, and the Internet. This initial context provides the
necessary knowledge to thoroughly understand the research findings, which delve into
various aspects of Voice over Internet Protocol technology, including the Session
Initiation Protocol, its architecture, and the interaction among its components. It
continues with a detailed analysis of the integration of conventional voice networks
with the Internet, examining key technological components that enable this integration,
such as the Signaling Gateway, the Media Gateway Controller, the Media Gateway,
among others.
Finally, the article explores the benefits of a Voice over Internet Protocol system in
terms of service quality, resource optimization, service scalability, and cost reduction,
highlighting its relevance in the business and organizational sphere.
Keywords: SIP architecture, VoIP benefits, Integration of voice networks with the
Internet, SIP protocol, VoIP systems.
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
60
Introducción
A lo largo del tiempo, el campo de las telecomunicaciones ha experimentado
una constante evolución, en este proceso, ha surgido la tecnología de Voz sobre
Protocolo de Internet (VoIP: Voice over Internet Protocol), que permite realizar
llamadas telefónicas utilizando redes IP, ampliando significativamente el alcance y las
capacidades de los servicios de comunicación. Esta innovación proporciona una
gama de oportunidades al permitir la escalabilidad de los servicios ofrecidos por un
sistema VoIP, además de optimizar recursos y reducir costos en las llamadas
telefónicas. Estos beneficios destacados han posicionado a la tecnología VoIP como
una opción altamente demandada por empresas de todos los tamaños.
En este contexto, es esencial comprender el funcionamiento de un sistema
VoIP, desde sus fundamentos técnicos, arquitectura de implementación y los
beneficios asociados que ofrece a las organizaciones. Para lograr esta comprensión
integral, es necesario introducir conceptos fundamentales, como el proceso de
digitalización de señales de voz analógicas para su transmisión a través de canales
digitales, la evolución de las redes telefónicas tradicionales incluyendo sus protocolos
de señalización, y los conceptos básicos de Internet.
Una vez que se adquieren estos conocimientos fundamentales, se facilita la
comprensión del funcionamiento y la operatividad de un sistema de
telecomunicaciones VoIP, lo que incluye su arquitectura, las tecnologías implicadas y
su interacción en conjunto. Este entendimiento sienta las bases para una
implementación exitosa y el aprovechamiento pleno de los beneficios que ofrece la
tecnología VoIP en el contexto empresarial.
Para transportar la voz a través de un sistema de telecomunicaciones, como
las redes telefónicas, es necesario digitalizarla, considerando que la mayoría de los
canales de transmisión en la actualidad son digitales. El proceso de digitalización y
transmisión de la voz comprende los siguientes pasos, tabla 1
Tabla 1
Proceso de digitalización y transmisión de voz
Fases
Descripción
Muestreo
La técnica de muestreo implica capturar muestras de la señal de voz
analógica en momentos específicos y de forma regular en el tiempo. La
frecuencia de muestreo es de 8 kHz, lo que significa que se toman 8000
muestras por segundo para representar la forma de onda de la señal de
voz analógica para su posterior digitalización
Cuantización
Es el proceso mediante el cual se asignan valores discretos,
representados por bits, a las muestras de la señal de voz analógica. La
cantidad de bits empleados para representar cada muestra es esencial
para la calidad de la digitalización: más bits significan más niveles
discretos disponibles y por lo tanto mejor calidad de la señal de voz
digital resultante
Codificación
Las muestras cuantizadas se expresan mediante una secuencia de bits
Compresión
Su objetivo es minimizar la cantidad de datos necesarios para
representar la señal de voz digitalizada sin pérdida significativa de
calidad. La compresión es esencial cuando se pretende transmitir la
señal de voz digital a través de canales con un ancho de banda limitado
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
61
Transmisión
La señal digital resultante se envía a través de canales digitales en una
red telefónica
Decodificación
En el lado receptor, se realiza el proceso inverso. La información binaria
se convierte nuevamente en una señal analógica, permitiendo la
reproducción de la señal de voz original
Nota. Gupta et al., (2018)
Este procedimiento es llevado a cabo mediante el uso de códecs de voz. Un
códec de voz es un codificador-decodificador que varía en términos de ancho de
banda, velocidad de bits, complejidad de algoritmo, retraso y otros factores que
influyen en la capacidad y la calidad del servicio (Gupta et al., 2018).
Los códecs de audio estandarizados y más utilizados en un sistema VoIP son
los siguientes: G.711 con una tasa de 64 kbps utilizado principalmente en telefonía;
G.723.1 con una tasa de 5.3 kbps y 6.3 kbps, este es un códec de voz de doble
velocidad, ideal para canales de transmisión con un ancho de banda reducido; G.726
que ofrece múltiples tasas de bits de 16, 24 y 32 kbps; G.729 utilizado principalmente
en aplicaciones de VoIP por su requerimiento de bajo ancho de banda, opera a una
tasa de 8 kbps (Huerta et al., 2013).
Existen otros códecs como el Opus que es un códec de código abierto, ofrece
tasas de bits variables desde 6 hasta 510 kbps, compatible con una amplia gama de
aplicaciones de comunicaciones de voz y ofrece una óptima calidad de voz; y el códec
Adaptive Multi-Rate (AMR), un códec utilizado en redes móviles para la transmisión
de voz en tiempo real, ofrece tasas de bits de 4.75 a 12.2 kbps y es compatible con
una amplia gama de dispositivos móviles (Suárez, 2023).
La telefonía tradicional se denomina Red Telefónica Pública Conmutada
(PSTN: Public Switched Telephone Network) y facilita la conectividad y comunicación
entre teléfonos o abonados.
En la PSTN, la interconexión de teléfonos se realiza mediante conmutadores
también llamados centrales. Existen tres elementos en una red PSTN, los terminales,
las centrales locales y las centrales centrales. La línea que conecta el dispositivo
telefónico del usuario con la central local se denomina bucle de abonado y permite la
transmisión de señales entre el dispositivo del usuario y la red telefónica; la línea que
conecta las centrales locales con las centrales centrales se llama troncal y puede
manejar múltiples llamadas simultáneas facilitando el tráfico entre distintas áreas o
sistemas telefónicos.
La PSTN funciona principalmente como una red de conmutación de circuitos,
estableciendo una conexión dedicada entre el abonado que llama y el abonado
receptor de la llamada, asegurando una calidad de voz consistente, pero con menor
eficiencia en términos de utilización de recursos de la red. La PSTN ha sido utilizada
para la transmisión de voz analógica durante muchos años, no obstante, conforme
las tecnologías de comunicación han experimentado mejoras gracias a la era de la
digitalización, se ha efectuado una transición hacia redes digitales que transportan la
señal de voz a través de canales digitales, con el fin de aprovechar los beneficios que
ofrece, tales como la óptima utilización de los recursos de la red y la capacidad de
integración con servicios de datos y multimedia.
La señalización representa un elemento funcional crucial en cualquier
estructura de telecomunicaciones, ya que habilita todos los elementos de la red para
el establecimiento, gestión y configuración de servicios (Castellanos, 2004). La
señalización telefónica no es más que el proceso de configurar, gestionar y controlar
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
62
el inicio, mantenimiento y terminación de llamadas telefónicas. La señalización
transmite información que controla y facilita la gestión de llamadas y otros servicios.
En las primeras redes telefónicas se utilizaba la señalización dentro de banda
llamada Señalización Asociada al Canal (CAS: Channel Associated Signalling), donde
la información de señalización y datos de voz se transmitía a través del mismo canal
(Lin, 1996). Cada canal de comunicación de voz transporta su propia señalización,
esto implica que la señalización está vinculada al canal específico a través del cual
se transmite la llamada.
Existe otro método de señalización denominado Señalización de Canal Común
(CCS: Common Channel Signalling), en donde se utilizan dos canales separados: uno
para transportar los mensajes de señalización y otro para transportar los datos de voz,
la señalización se transmite en canales separados, independientes de los canales de
voz, además, en un canal CCS, se gestionan los procesos de supervisión,
direccionamiento y suministro de información de llamadas telefónicas (Lin, 1996)
El canal de señalización CCS es compartido para la señalización de todas las
llamadas, permite controlar varias llamadas de voz a la vez. Este enfoque de
señalización permite un control mejorado de las llamadas.
El Sistema de Señalización 7 (SS7: Signaling System 7) es un conjunto de
protocolos empleados en redes telefónicas para gestionar los procedimientos de
señalización involucrados en el establecimiento, mantenimiento y terminación de
llamadas. SS7 permite la implementación de señalización fuera de banda CCS
(transmisión de señalización a través de un canal diferente al utilizado para la
transmisión de voz) en una red PSTN, sin embargo, esto no quiere decir que todos
los sistemas CCS emplean necesariamente el protocolo SS7. Es importante también
destacar que el protocolo de señalización SS7 se utiliza en diversas infraestructuras
de comunicación, como la red telefónica básica pública, la red telefónica digital, las
redes inteligentes y las redes celulares, incluso se puede implementar en el ámbito
de Internet. Entre las diferentes funciones de este protocolo están la provisión de
recursos para mantener la continuidad de una llamada, autenticación y autorización
de la parte que realiza la llamada, otorgamiento de los privilegios necesarios para
realizar llamadas internacionales o entre diferentes operadores, portabilidad numérica
entre operadoras de telecomunicaciones, movilidad y roaming en llamadas celulares
y mensajería móvil. Así mismo, SS7 desempeña un papel fundamental al permitir la
interconexión entre redes que utilizan tecnologías diferentes. Finalmente, cabe
destacar que el protocolo SS7 exhibe notables niveles de robustez y capacidad para
resistir fallos. Todas estas funciones y prestaciones de SS7 influyen en gran medida
en la calidad de experiencia del usuario (QoE).
El Internet constituye una red mundial de computadoras interconectadas y que
se comunican a través del Protocolo de Internet (IP: Internet Protocol). El protocolo IP
es un conjunto definido de reglas que facilitan la transmisión de datos entre
dispositivos de red. Al momento en que un usuario realiza el envío de información por
medio de Internet, los datos son fragmentados en paquetes de tamaño reducido, cada
uno de los paquetes tiene asociado una dirección IP de origen y una dirección IP
destino, estos paquetes se transportan por la red a través de diversas rutas hasta
llegar a su destino, donde son reensamblados para recuperar la información original.
La comunicación de datos en Internet implica el direccionamiento eficiente de los
paquetes a través de la estructura de la red, lo cual facilita un intercambio fluido de
información entre los dispositivos que se encuentran conectados a Internet.
Una vez introducido estos temas y conceptos fundamentales respecto a las
redes telefónicas tradicionales e Internet que permiten una mejor compresión de los
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
63
temas que se desarrollan a continuación, el presente estudio busca proporcionar una
visión simplificada pero relevante de la tecnología de Voz sobre Protocolo de Internet
(VoIP) y describir sus beneficios para empresas y organizaciones, presentándola
como una solución versátil y escalable para las necesidades de comunicación
empresarial. Se destacan los aspectos más importantes de VoIP de manera
accesible, evitando un exceso de tecnicismos para garantizar que tanto profesionales
técnicos como no técnicos puedan comprender y aprovechar este conocimiento. El
propósito final es que las empresas comprendan la tecnología VoIP, reconozcan sus
beneficios y consideren su adopción en sus operaciones.
Metodología
Se emplea la metodología de investigación Análisis-Síntesis, que consiste en
primer lugar en investigar y explicar conceptos introductorios y fundamentales sobre
cada uno de los elementos tecnológicos que componen un sistema VoIP.
Posteriormente, se describe cómo todos estos elementos se integran e interactúan
entre sí para visualizarlos como un todo formando un sistema VoIP. En otras palabras,
se parte de lo particular para llegar a lo general. Además, este estudio se basa en una
revisión bibliográfica y documental exhaustiva centrada en la tecnología de Voz sobre
Protocolo de Internet (VoIP). Se llevó a cabo una investigación integral que incluyó la
revisión de libros, tesis y artículos especializados sobre VoIP y temas relacionados.
A partir de esta investigación, se identificó, analizó y sintetizó la información más
relevante para comprender los fundamentos de VoIP, incluyendo su definición,
funcionamiento y protocolos de señalización como SIP, así como la integración de
redes telefónicas tradicionales con Internet.
Para este trabajo, se utilizaron herramientas como Consensus, que permite
encontrar y resumir artículos científicos respondiendo preguntas de investigación.
Resultados y Discusión
Sistema VoIP
Un sistema VoIP es un servicio de telecomunicación basado en el protocolo de
Internet IP, que permite transmitir datos de voz a través de redes conmutadas por
paquetes permitiendo así una comunicación global (Singh et al., 2014). En esta
afirmación, es esencial aclarar que el VoIP no se restringe únicamente a las
comunicaciones de voz entre abonados pertenecientes exclusivamente a la red de
Internet, sino que, abarca las comunicaciones entre abonados de redes telefónicas
tradicionales e Internet, así como entre abonados de dos redes PSTN que se
interconectan a través de Internet. Por ejemplo, un usuario de la red PSTN puede
comunicarse con un usuario de la red de Internet, o un usuario de la red PSTN puede
comunicarse con otro usuario de una red PSTN diferente, en donde las redes PSTN
se interconectan a través de Internet.
Es importante destacar que en un sistema VoIP, Internet actúa como una red
telefónica, es decir, transmite datos de señalización además de los datos de voz
propiamente dichos. También es relevante señalar que muchas personas utilizan el
término "telefonía IP" para referirse a la tecnología VoIP, pero en realidad, estos
términos no son sinónimos.
La telefonía IP es una aplicación de VoIP, pero no es lo mismo que VoIP. La
telefonía IP se refiere específicamente a la comunicación entre abonados que se
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
64
encuentran exclusivamente en la red de Internet. La telefonía por Internet representa
una forma contemporánea de comunicación, una tecnología que aprovecha las
capacidades de Internet para enviar señales de voz; en términos sencillos, nuestra
voz, es decir, las palabras que utilizamos para comunicarnos con otros, se
transforman mediante sistemas de codificación especiales en paquetes de datos;
estos paquetes se transmiten a través de Internet utilizando el protocolo TCP/IP hasta
su destino, donde son descomprimidos y decodificados de nuevo en señales de voz
convencionales; las direcciones IP (xxx.xxx.xxx.xxx) sirven como identificadores de
abonados, es decir, en esencia, como números de teléfono (Czech, 2022).
En resumen, para que un sistema sea considerado VoIP, debe permitir la
convergencia entre redes telefónicas tradicionales e Internet y permitir la transmisión
de señalización a través de Internet además de la transmisión de los datos de voz.
Comunicación de la voz en los sistemas VoIP
Una vez que la voz es codificada y comprimida, se almacena y se transmite en
paquetes IP. Tratándose de datos de voz, en una comunicación por Internet, es
necesario garantizar un flujo continuo y sin retrasos de los paquetes que llevan los
datos de voz, y para ello, se utiliza el Protocolo de Transporte en Tiempo Real (RTP:
Real-time Transport Protocol) y el Protocolo de Control de Transporte en Tiempo Real
(RTCP: Real-time Transport Control Protocol), ambos protocolos utilizados para la
comunicación de voz en tiempo real en Internet. RTP proporciona funciones de
transporte de datos como audio y video, en tiempo real, a través de servicios de red
de multidifusión o unidifusión en un sistema VoIP (Asante et al., 2012). RTCP
proporciona mecanismos de calidad de servicio al controlar que los paquetes RTP
sean enviados correctamente y verificar que sean recibidos de manera correcta, en
los tiempos respectivos. El protocolo RTCP en un sistema VoIP permite medir las
pérdidas de paquetes, el retraso entre llegadas y la variación del retraso (jitter) en la
transmisión de datos de voz a través de redes IP (Heyi, 2015).
En conclusión, RTP se encarga de transportar los datos multimedia, como el
audio y el video, a través de Internet en tiempo real, mientras que RTCP se encarga
de la monitorización y control de la calidad de la transmisión de datos en tiempo real.
Señalización en los sistemas VoIP
En los sistemas VoIP, la señalización es un componente esencial que se
encarga de establecer, modificar y finalizar las sesiones de comunicación, así como
de gestionar las funciones de control del servicio. La señalización en un sistema VoIP
es responsable de la transmisión de información relacionada con el establecimiento,
mantenimiento y terminación de llamadas, identificación de dispositivos, negociación
de parámetros de comunicación y otros aspectos esenciales para el perfecto
funcionamiento del servicio VoIP. Los protocolos de señalización colaboran con otros
elementos del sistema VoIP para ofrecer una experiencia de comunicación
consistente y de alta calidad. Uno de los protocolos de señalización más destacados
en un sistema VoIP es el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP: Session Initiation
Protocol).
Protocolo de inicio de sesión (SIP)
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
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El Protocolo de Inicio de Sesión (SIP) es un protocolo de control de capa de
aplicación que posibilita la creación, modificación y finalización de sesiones o
llamadas multimedia; estas sesiones multimedia abarcan conferencias, aprendizaje a
distancia, telefonía por Internet y otras aplicaciones similares (Handley et al., 2002).
Para la comunicación de voz por Internet, es crucial establecer sesiones en la
red, y para ello se emplea el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP). Se envía una
señalización para establecer la llamada; luego se transmite la voz y también se
transmite señalización durante la comunicación, la señalización durante la
comunicación es debido a que las terminales ocasionalmente verifican la
disponibilidad de la otra terminal para continuar la comunicación, o incluso puede
haber cambios en la sesión durante la conversación; finalmente se envía una
señalización para finalizar la llamada.
En este proceso de señalización, SIP abarca funciones imprescindibles para
garantizar una gestión efectiva del servicio de llamada, a continuación, se describen
las funciones principales de la señalización efectuada por el protocolo SIP:
Tabla 2
Funciones de la señalización del protocolo SIP
No
Descripción
1
Registro de teléfonos u otros dispositivos SIP en los servidores de registro
2
Registro de usuarios en los servidores SIP
3
Establecimiento, modificación y finalización de sesiones de comunicación
4
Autenticación y autorización de usuarios
5
Localización del usuario llamado
6
Solicitud de camino o ruta de llamada al servidor correspondiente
7
Intercambio de información para permitir establecer la sesión
8
Negociación de parámetros de sesión como códecs de audios y video, características
de seguridad, números de puertos a utilizar para la transmisión de medios,
características de calidad de servicio, etc
9
Redireccionamiento de llamadas
10
Registro y publicación de información sobre presencia
11
Solicitud de entrega de información sobre presencia
12
Notificación de eventos
13
Gestión de las solicitudes de calidad de servicio entre los distintos elementos de la red
14
Mensajería instantánea entre usuarios
Así mismo, el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP) puede otorgar servicios tales
como: transferencia de llamadas, monitoreo de llamadas, historial de llamadas,
grabación de llamadas, videoconferencias, llamadas de emergencia, llamadas en
espera, contestador automático de llamadas, entre otros, (Huerta et al., 2013).
Durante la sesión de una comunicación, además de SIP, también se utiliza el
Protocolo de Descripción de Sesión (SDP: Session Description Protocol), el cual
especifica la información necesaria para describir una sesión multimedia, esta
información puede incluir: direcciones IP, número de puertos, tiempos y fechas de la
sesión, el códec a utilizar, etc.
SIP puede distribuir mensajes SDP entre los distintos participantes de una
conversación, ya que el paquete SIP lleva los mensajes SDP.
Es fundamental comprender que solo SIP puede intercambiar información de
señalización, solo SIP puede negociar y modificar los parámetros de la sesión, por lo
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tanto, solo SIP puede establecer, modificar y finalizar sesiones de comunicación,
mientras que SDP se limita a describir las sesiones establecidas por SIP.
Es importante resaltar que el Protocolo de Inicio de Sesión (SIP) opera según
una estructura cliente-servidor, en la cual los usuarios efectúan llamadas utilizando
un servidor SIP, el cual se encarga de facilitar la conexión entre ambos abonados
(Suárez, 2023).
Componentes de la arquitectura SIP desde un punto de vista lógico
Agentes de Usuario:
López (2011) plantea que los dispositivos de telefonía IP, incorporan cierta
capacidad de procesamiento proporcionada por un Agente de Usuario (UA: User
Agent), estos Agentes de Usuario son entidades que se fundamentan en un software
o lógica de aplicación, están ubicados en los extremos de la red e interactúan con
otras entidades con el objetivo de iniciar y terminar las sesiones o comunicaciones,
utilizando mensajes para solicitar servicios, responder solicitudes y solicitar
respuestas.
Tabla 3
Agentes de usuario
Agentes
Descripción
Agente de
Usuario
Cliente (UAC:
User Agent
Client):
Un Agente de Usuario Cliente es un elemento que opera en
representación de un abonado iniciando solicitudes SIP. Un UAC envía
solicitudes SIP como INVITE para establecer una sesión, BYE para
finalizar una sesión o REGISTER para registrar su ubicación en un
servidor de registro, entre otras.
Agente de
Usuario
Servidor (UAS:
User Agent
Server):
Un Agente de Usuario Servidor es un elemento que opera en
representación de un abonado, aceptando o rechazando solicitudes SIP
enviadas por un Agente de Usuario Cliente. El UAS se comunica con el
abonado receptor de una solicitud SIP, procesa la solicitud y luego envía
una respuesta al abonado remitente de la solicitud en representación del
abonado receptor. Un UAS desempeña el papel de responder la
solicitud SIP (las cuales son utilizadas para iniciar, modificar o finalizar
sesiones de comunicación) en nombre del abonado al que está dirigida
la solicitud SIP.
Nota. López (2011)
Los Agentes de Usuario son lógica de software que están presentes en
diversos dispositivos y aplicaciones como teléfonos ip, softphones (aplicaciones de
software para llamadas), sistemas de videoconferencia u otros dispositivos que son
abonados y actúan como puntos finales en una sesión SIP.
Es importante destacar que dentro de una sesión SIP, la diferenciación entre
UAC y UAS se basa en la dirección de la solicitud. Cuando un usuario inicia una
comunicación telefónica, se le denomina Agente de Usuario Cliente (UAC); mientras
que cuando recibe una llamada, se le conoce como Agente de Usuario Servidor
(UAS). Estos roles pueden ser ejercidos de manera dinámica durante una sesión.
Como resultado, los usuarios o dispositivos finales, incluidos teléfonos IP, softphones
(aplicaciones de software para llamadas), sistemas de videoconferencia u otros
dispositivos que sirven como puntos finales en una sesión SIP, pueden funcionar
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como UAC o UAS, dependiendo de la acción específica que estén realizando dentro
de la sesión SIP. Esto ejemplifica la versatilidad del protocolo SIP al adaptarse a
diversas funciones durante la comunicación en tiempo real.
• Back-to-Back User Agent (B2BUA): Un B2BUA es un tipo de proxy que se sitúa
entre dos Agentes de Usuario, se posiciona entre los puntos finales de una
comunicación y asume el rol de intermediario para gestionar la señalización y
la transmisión de medios entre ellos. Un B2BUA recibe una solicitud SIP, puede
modificar los mensajes SIP según crea necesario y retransmitir la solicitud SIP
como una nueva petición. Es importante comprender que un B2BUA posee
control sobre la señalización SIP, lo que le permite alterar o reescribir mensajes
SIP según lo considere necesario. A diferencia de un servidor proxy que sólo
reenvía la señalización, un B2BUA ejerce decisiones sobre la señalización para
los procesos de establecimiento, modificación y terminación de las sesiones
de una llamada, tiene la capacidad de influir en aspectos tales como la
negociación de códecs de audio, las direcciones IP y los puertos utilizados por
los participantes, así como otras funciones relacionadas con la transmisión de
medios, además, proporciona funcionalidades adicionales como la grabación
de llamadas, el enrutamiento inteligente y la adaptación de códecs. Desde una
perspectiva determinada, es factible concluir que un B2BUA incluye las
funcionalidades de un proxy SIP, junto con las atribuciones de un Agente de
Usuario Cliente (UAC) y un Agente de Usuario Servidor (UAS). Lógicamente,
un B2BUA está compuesto por dos Agentes de Usuario, los cuales pueden
tener un rol de Agente de Usuario Servidor o Agente de Usuario Cliente y están
enlazados a través de un control lógico de llamada (López, 2011).
Servidores: Son servidores porque distintos Agentes de Usuarios pueden hacer
peticiones a ese servidor.
Tabla 4
Descripción de las funciones de servidores
Servidores
Descripción
Servidor de
registro
Es un servidor que acepta solicitudes de registro, almacena información
sobre la ubicación de los Agentes de Usuario de la red. Cuando un
usuario SIP se conecta a la red, su dispositivo, a través de su Agente de
Usuario, emite una solicitud de registro al servidor de registro para
notificar su ubicación actual y disponibilidad, este servidor almacena
esta información dentro de una base de datos de ubicación SIP,
otorgando así a otros usuarios SIP la capacidad de localizar y establecer
comunicación con el usuario registrado a su discreción. Pueden ser
servidores físicos o instancias de software en la infraestructura de red.
Servidor de
localización
Es un servidor que almacena información de ubicación relacionadas con
el usuario SIP como direcciones IP y nombres de dominio, no registra la
presencia o disponibilidad de los usuarios SIP en tiempo real como si lo
hace el servidor de registro. El servidor de localización es utilizado por
un servidor de redirección o por un servidor proxy para obtener
información sobre la posible ubicación del abonado destino de la
llamada (Handley et al., 2002)
Servidor proxy:
El servidor proxy funciona como intermediario entre los Agentes de
Usuario (UA), facilitando el reenvío de solicitudes SIP y respuestas entre
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ellos. El servidor proxy tiene la capacidad de llevar a cabo tareas tales
como la gestión de enrutamiento de llamadas, verificación de identidad,
autorización de acceso y administración de seguridad. Situados en
ubicaciones estratégicas dentro de la red con el propósito de encaminar
y administrar las solicitudes SIP, un servidor proxy puede ser un servidor
físico dedicado o software que se ejecuta en equipos de red. Por lo
general, una solicitud de sesión (invitación) pasa por varios servidores
de intermediarios (proxies) antes de llegar al que posea la información
exacta sobre la ubicación del Agente de Usuario destino. (López, 2011)
Servidor de
redirección
Proporciona información de redireccionamiento a los usuarios o
servidores SIP. Envía a un usuario o servidor remitente, la información
de la ubicación alternativa de un usuario destinatario, en caso de que la
ubicación inicial se encuentre inaccesible. Ofrece respuestas de
redireccionamiento a las solicitudes SIP, proporcionando información
actualizada acerca de la ubicación del destinatario. Si una petición es
dirigida a una dirección que no corresponde, el servidor de redirección
procede a enviar al cliente, información sobre la dirección correcta.
López (2011) aclara que un servidor de redireccionamiento no puede
reenviar solicitudes, únicamente responde a las solicitudes con la
dirección del contacto solicitado. Es decir, un servidor de redirección no
maneja la comunicación y no reenvía la solicitud SIP en sí como lo haría
un servidor proxy, sino que le envía al cliente la dirección del
destinatario al que debe dirigirse para que pueda continuar la
comunicación. Estos servidores también pueden manifestarse en forma
de servidores físicos o servidores virtuales
Nota. López (2011) y (Handley et al., 2002)
Gateway:
Es un componente que facilita la interoperabilidad y la interconexión entre
redes de telefonía que utilizan diferentes protocolos de señalización. Un gateway
traduce los mensajes originados por el protocolo de señalización de una red al formato
compatible con el protocolo de señalización de otra red, y viceversa, con el fin de
posibilitar la comunicación entre redes de telecomunicaciones diversas. El Gateway
SIP realiza la traducción de un formato de transmisión de datos (paquetes multimedia)
y procedimientos de comunicación (señalización) a otro y viceversa (López, 2011). En
particular, un gateway SIP se utiliza para permitir la comunicación entre la red SIP y
otras redes de comunicación que pueden usar protocolos distintos, como la red
telefónica convencional PSTN que utiliza el protocolo de señalización SS7. La función
principal de un Gateway radica en permitir la interconexión fluida entre redes con
tecnologías y protocolos diferentes, posibilitando así una comunicación global.
Interacción entre componentes SIP: A través de un servidor proxy
Fase de señalización:
1) Un UAC inicia una solicitud SIP tipo INVITE. Cuando un usuario tiene la intención
de efectuar una llamada, el UAC procede a generar una solicitud SIP llamada INVITE.
La solicitud SIP tipo INVITE abarca información sobre el destinatario de la llamada
como la dirección ip, los códecs de audio admitidos, el mensaje SDP (Session
Description Protocol) que describe los parámetros correspondientes a la configuración
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de la sesión multimedia, entre otros datos. La solicitud SIP tipo INVITE abarca detalles
sobre la sesión que se pretende establecer y se transmite al servidor proxy de su
dominio.
2) El servidor proxy recibe la solicitud SIP tipo INVITE y determina cómo enrutarla.
Inicialmente, el servidor proxy debe consultar su tabla de enrutamiento para
determinar si el destinatario está dentro de su dominio o si debe ser reenviado a otro
dominio. Si el destinatario está dentro de su dominio, el servidor proxy SIP tiene la
capacidad de enrutar directamente la solicitud al destinatario. Si el destinatario se
encuentra fuera de su dominio, el servidor proxy SIP puede consultar un servidor de
redirección para obtener información sobre cómo enrutar la solicitud.
3) En caso de que el servidor proxy SIP requiera información para direccionar la
solicitud SIP, puede llevar a cabo una consulta al servidor de redirección SIP. El
servidor de redirección SIP puede generar instrucciones sobre dónde enviar la
solicitud, puede ofrecer instrucciones como la dirección de otro servidor proxy
alternativo que pueda manejar la solicitud de manera más eficiente, o puede ofrecer
una lista de direcciones SIP alternativas a las que el servidor proxy puede intentar
reenviar la solicitud.
4) En caso de requerirse, se recurre al uso del servidor de localización para obtener
la ubicación actual del usuario destinatario. Este paso es opcional y puede no
considerarse necesario si el servidor proxy ya posee los datos sobre la ubicación del
usuario destino.
5) El UAS del usuario destino recibe la solicitud INVITE y procede a responder con
otro mensaje SIP, por ejemplo, enviando un mensaje de estado 200 OK para aceptar
la llamada. El mensaje SIP 200 OK que responde el UAS también incluye el mensaje
SDP (Session Description Protocol) que sirve para proporcionar detalles sobre los
parámetros de medios.
Como se puede observar, los Agentes de Usuario Cliente (UAC) y los Agentes de
Usuario Servidor (UAS) participan en la negociación de parámetros de medios a
través del intercambio de mensajes SIP y actualizaciones SDP, asegurando así un
acuerdo mutuo sobre los detalles específicos de la comunicación de voz.
6) Con la negociación de parámetros de medios completada y la aceptación de la
llamada confirmada con el mensaje 200 OK, se ha establecido la sesión entre el UAC
y UAS.
7) Al finalizar la llamada, se emplea el mensaje BYE para finalizar la sesión. Ambos
clientes SIP envían mensajes BYE al servidor SIP, que a su vez reenvía los mensajes
a los abonados para confirmar la finalización.
Fase de comunicación (establecimiento de medios):
Después de haber concluido exitosamente el proceso de negociación de medios y
de haberse establecido la sesión, los Agentes de Usuario (abonado origen y abonado
destino) inician la transmisión de voz de manera directa entre ellos, punto a punto,
evitando así la intermediación de servidores SIP. Es importante destacar que la
transmisión de comunicaciones multimedia se basa en los protocolos de transmisión
de datos RTP (Real-time Transport Protocol) y RTCP (Real-time Transport Control
Protocol).
Durante la transmisión de voz en un sistema VoIP, es común que el intercambio de
mensajes de señalización continúe incluso después de que la sesión esté establecida.
La presencia continua y constante de esta señalización SIP a lo largo de todo el ciclo
de vida de la llamada es esencial para desempeñar una serie de funciones como la
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modificación de códecs, el ajuste de configuraciones durante la llamada, las
transferencias de llamada, la gestión de errores y problemas, entre otros aspectos.
Es fundamental comprender que la señalización (establecimiento, modificación y
finalización de la sesión) y la transmisión de medios (comunicación de voz) son
procesos distintos que utilizan canales diferentes dentro de un sistema VoIP. Cada
proceso abarca su conjunto único de mensajes y operaciones. La señalización se
encarga de coordinar, gestionar y controlar las sesiones de llamadas para garantizar
una buena experiencia de usuario y para ello hace uso de los mensajes SIP que son
enrutados a través de servidores SIP específicos de la red. Por otro lado, la
comunicación de medios es la transmisión de voz realizada directamente entre los
clientes SIP (abonado origen y abonado destino) y utiliza el Protocolo de Transporte
en Tiempo Real (RTP) y el Protocolo de Control de Transporte en Tiempo Real
(RTCP).
Figura 1
Interacción entre componentes SIP: Directo
Nota. Autora, 2024
Interacción entre componentes SIP: Back-to-Back User Agent (B2BUA)
Fase de señalización:
1) El abonado origen que actúa como un UAC inicia una llamada enviando una
solicitud INVITE al B2BUA. La solicitud INVITE incluye detalles sobre la llamada como
la dirección del abonado receptor, los códecs de medios que admite el abonado
origen, el mensaje SDP, etc.
2) El B2BUA, en este punto, actúa con el rol de UAS ya que recibe la solicitud
INVITE y procesa la información correspondiente a la solicitud, influye o modifica el
mensaje SIP con la solicitud INVITE según crea necesario y posteriormente reenvía
la solicitud INVITE al abonado destino actuando esta vez ya con un rol de UAC ya
que realiza una nueva solicitud.
3) Posteriormente, el B2BUA desde el rol de UAS genera una respuesta de
TRYING al abonado origen que inició la llamada.
4) El abonado destino que actúa como un UAS recibe la solicitud INVITE enviada
desde el B2BUA desde el rol de UAC, una vez que responde la llamada, envía una
respuesta 200 OK al B2BUA que en este punto mantiene el rol de UAC, finalmente,
el B2BUA reenvía esta repuesta al abonado origen desde un rol de UAS. En este
momento, los abonados están listos para establecer la sesión.
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En el transcurso de esta comunicación entre los abonados origen y destino, se
negocia los parámetros de sesión a través de mensajes SIP que llevan encapsulado
los mensajes SDP que describen los parámetros a negociar.
Cabe destacar que una llamada que atraviesa un B2BUA consta de dos
transacciones: una es el establecimiento de sesión SIP entre el abonado origen y el
B2BUA y la otra es el establecimiento de sesión entre el B2BUA y el abonado destino;
estas sesiones SIP se mantienen independientes una de otra, pero la sesión de
medios es directa entre el abonado origen y el abonado destino; además, un B2BUA
debe aplicar el mapeo de los mensajes de solicitud y respuestas que recibe de una
sesión SIP con los mensajes de solicitud y respuesta correspondiente a la otra sesión
SIP generando un costo de procesamiento adicional (Noldus et al., 2011).
Es importante recordar que un B2BUA tiene influencia sobre la señalización,
los B2BUA pueden influir en información de señalización relacionada con códecs de
medios, puertos a utilizar, características de seguridad, características de calidad de
servicio, entre otra información.
Un B2BUA posee capacidades más amplias en comparación con un proxy de
enrutamiento, por ejemplo, un B2BUA puede finalizar una sesión SIP, lo cual podría
ser necesario en situaciones como parte de una aplicación de facturación en tiempo
real, donde se determina que el crédito disponible para el abonado que llama se ha
agotado; otro escenario común para un B2BUA es en una aplicación SIP que requiere
interrumpir una sesión de voz para reproducir un anuncio, conectando a las partes
involucradas con un dispositivo de reproducción de anuncios (Noldus et al., 2011).
Fase de comunicación (establecimiento de medios):
Una vez que se ha establecido la sesión SIP, la comunicación de voz se lleva
a cabo de manera directa entre el abonado origen y el abonado destino, través de
flujos de medios RTP.
Figura 2
Interacción entre componentes SIP: Back–to–Back User Agent
Nota. Autora, 2024
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
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Interacción entre componentes SIP: Topología Peer to Peer
Una topología peer to peer o también llamado “modo de cliente a cliente”
significa que se puede establecer una sesión de manera directa entre dos agentes de
usuario sin la intervención de ningún servidor SIP. En este escenario, el proceso de
señalización y transmisión de voz sigue el mismo procedimiento detallado
previamente, pero en este caso prescindiendo de la intervención de un servidor SIP.
La comunicación peer to peer (P2P) entre dos agentes de usuario en una arquitectura
SIP normalmente implica el uso de dos canales, uno para la señalización y el otro
para la comunicación de voz durante toda la sesión.
Figura 3
Interacción entre componentes SIP: Peer to Peer
Nota. Autora, 2024
Integración de redes de voz con internet: Sistema VoIP
Una vez comprendido el funcionamiento de la red telefónica en Internet bajo la
arquitectura SIP y cómo opera la telefonía tradicional con señalización SS7, se
aprecia con mayor claridad la integración de estas dos tecnologías, cuya
convergencia da lugar a un verdadero sistema VoIP. Esto facilita la formación de una
red de comunicaciones global que abarca tanto las redes telefónicas convencionales
como las comunicaciones a través de Internet. Para lograr esta interoperabilidad e
interconexión de estas dos redes distintas, la tecnología VoIP hace uso de los
siguientes elementos:
Tabla 5
Integración de redes
Elementos
Descripción
Signaling
Gateway (SG)
Elemento de la red que facilita la interconexión e interoperabilidad
entre redes con tecnologías de comunicación diferentes. El signalling
gateway puede interconectar redes tradicionales de telefonía como las
PSTN que utilizan señalización SS7, con redes de telefonía IP que
utilizan señalización SIP. Facilita la comunicación entre ambas redes al
convertir las señales de control de llamadas (señalización) de un
formato a otro, de manera bidireccional. Es decir, permite adaptar la
señalización SS7 a una red SIP y permite adaptar la señalización SIP
a una red SS7.
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
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Signaling
Transport
(SIGTRAN)
Es un conjunto de protocolos que tiene por objetivo transportar la
señalización de redes telefónicas tradicionales como las PSTN que
utilizan señalización SS7, en paquetes IP, hacia el Media Gateway
Controller (MGC). Ya en este punto, la señalización continúa haciendo
uso del protocolo SIP para su procesamiento en una red de telefonía
IP. Para transportar la señalización SS7 de redes PSTN en paquetes
IP hasta el MGC, SIGTRAN utiliza el Protocolo de Control de
Transmisión de Flujos (SCTP: Stream Control Transmission Protocol),
ya que ofrece funcionalidades específicas para la transmisión de
señalización como la capacidad de enviar múltiples flujos de datos de
manera independiente, control de congestión, detección y
recuperación de fallos.
Media Gateway
(MG)
Elemento de la red responsable de transmitir datos de voz desde una
red tradicional como la PSTN hacia una red IP y viceversa. Media
Gateway convierte los flujos de datos multimedia que recibe de la
PSTN y los adapta para transmitirlos a través de la red IP utilizando el
protocolo RTP. Igualmente realiza este proceso en sentido inverso
Media Gateway
Controller
(MGC)
Elemento de la red que supervisa y controla las operaciones del Media
Gateway. El Media Gateway Controller (MGC) transmite comandos y
mensajes de control al Media Gateway (MG) para configurar, iniciar,
modificar y terminar sesiones de llamadas, al mismo tiempo que
supervisa el enrutamiento de llamadas y la calidad de servicio (QoS).
Para ello, el MGC hace uso del protocolo MEGACO
Megaco:
MEGACO gestiona la transferencia simultánea de voz y señalización a
través de vías distintas y abarca tareas como el control de recursos,
establecimiento y terminación de llamadas, configuración de
parámetros de calidad de servicio (QoS), pasarela de medios
proporcionando adaptación de medios entre distintos tipos de redes,
entre otras funciones
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
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Figura 4
Integración de redes telefónicas tradicionales con telefonía IP: Sistema VoIP
Nota. Autora, 2024
Beneficios de un sistema VoIP.
Calidad de servicio: La utilización del protocolo RTCP en la transmisión de
datos de audio y video en tiempo real, conlleva a una mejora en la calidad del servicio
al reducir la latencia y pérdida de paquetes de datos de voz. El protocolo RTCP
proporciona capacidades de detección de pérdida de paquetes y corrección de
errores, monitorea el flujo de datos RTP ofreciendo información sobre aspectos de
calidad de transmisión como pérdida de paquetes, latencia (el tiempo de demora
experimentado entre la transmisión y recepción de paquetes de datos en el destino),
y congestión de la red. Así mismo, RTCP incorpora mecanismos para rectificar la
pérdida de paquetes como la retransmisión de paquetes perdidos y el ajuste dinámico
de la velocidad de bits para mitigar la pérdida. Además, RTCP se puede aprovechar
para recopilar estadísticas de rendimiento de la red e identificar áreas de mejora en
la infraestructura de la red. Todo esto permite a los sistemas VoIP tomar medidas de
forma proactiva para abordar los problemas de calidad y garantizar una óptima calidad
de servicio y una experiencia de usuario satisfactoria.
Optimización de recursos y mayor rendimiento: Un sistema VoIP puede reducir
significativamente el consumo de ancho de banda de una llamada telefónica al utilizar
técnicas de codificación y compresión de los datos de voz para reducir el tamaño de
estos y requerir una menos capacidad de transferencia de datos para su transmisión,
esto habilita poder gestionar más llamadas simultáneamente en una misma
infraestructura de red, todo esto sin degradar la calidad de la voz. Czech (2022) señala
que una llamada telefónica convencional requiere una línea telefónica dedicada
completa, lo que resulta en una utilización ineficiente del rendimiento y redundancia
innecesaria, por otro lado, la telefonía por Internet utiliza las infraestructuras
existentes de líneas telefónicas y las tecnologías de Internet modernas, lo que permite
la transmisión de paquetes de datos de múltiples llamadas a través de la misma línea,
aprovechando al máximo su capacidad, de este modo, una sola línea telefónica puede
atender a varios abonados simultáneamente. Igualmente, los sistemas de
comunicación VoIP pueden gestionar la asignación de ancho de banda para favorecer
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
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el tráfico de voz en detrimento de otros tipos de datos gracias a la implementación de
estrategias de calidad de servicio (QoS), esto asegura que las llamadas de voz tengan
acceso preferencial al ancho de banda disponible, disminuyendo así la probabilidad
de retrasos o interrupciones en las llamadas. Suárez (2023) señala que la calidad de
servicio (QoS) puede ser mejorada mediante la implementación de técnicas como la
priorización de llamadas de voz, la reserva de ancho de banda específicamente para
la voz y la gestión del tráfico. Así mismo, los sistemas VoIP tienen la capacidad de
adaptarse y ampliarse con facilidad, lo que les confiere una mayor flexibilidad y
escalabilidad en función de las variaciones de la demanda, esto tiene el potencial de
mejorar la capacidad de la red para manejar los picos de tráfico y optimizar los
recursos disponibles para garantizar una calidad de servicio constante.
Escalabilidad de servicios: La tecnología de Voz sobre Protocolo de Internet
(VoIP) opera a través de la red de Internet para la transmisión de voz en paquetes
RTP sobre paquetes IP, empleando el protocolo de señalización SIP para habilitar la
telefonía (señalización) en línea. Dado que SIP es un protocolo a nivel de aplicación,
se puede considerar que VoIP posibilita una amplia gama de servicios en
comparación con las tecnologías telefónicas tradicionales. Además de las funciones
de telefonía tales como la marcación y el establecimiento de llamadas, la tecnología
VoIP permite la integración de funciones y servicios adicionales como la transferencia
de llamadas, conferencias telefónicas, mensajería unificada, grabación de llamadas y
enrutamiento inteligente de llamadas, sin necesidad de realizar modificaciones en la
infraestructura de la red. También permite otros servicios más complejos como la
integración con diversas aplicaciones empresariales entre las que se puede
mencionar: sistemas de gestión de relaciones con el cliente (CRM), correo
electrónico, plataformas de automatización de marketing y otras aplicaciones de
colaboración. La tecnología de Voz sobre Protocolo de Internet (VoIP) brinda la
posibilidad de incorporar aplicaciones de terceros y servicios alojados en la nube con
el fin de enriquecer las capacidades de un sistema VoIP. Stanislovaitis (2016) señala
que incluso se puede realizar llamadas telefónicas desde un navegador web, una
aplicación para teléfono inteligente o un programa informático. A modo de ilustración,
las entidades empresariales podrían incorporar herramientas de videoconferencia,
colaboración en tiempo real y mensajería instantánea en su plataforma de Voz sobre
Protocolo de Internet (VoIP) con el fin de potenciar la interacción y eficiencia laboral
de los trabajadores. Como se ha podido observar, todos los servicios que ofrece la
tecnología VoIP exceden por mucho las prestaciones de una infraestructura telefónica
convencional.
Disminución de costos: La adopción de un sistema VoIP puede representar un
costo inferior en comparación con el mantenimiento de una red telefónica
convencional. Los sistemas VoIP requieren menos hardware físico y pueden
administrarse de manera más eficiente y de forma remota, lo que lleva a menores
costos operativos. Los costos de mantenimiento de hardware y software
generalmente tienden a ser menores, dado que una parte importante de las
actualizaciones y reparaciones pueden realizarse a través de medios remotos y
centralizados.
Mediante la implementación de VoIP, una entidad puede consolidar la
transmisión de voz y datos en una misma red, lo que suprime la necesidad de
gestionar infraestructuras individuales para las comunicaciones telefónicas y la red de
datos, esto resulta en una reducción de los costos relacionados con la adquisición,
mantenimiento y gestión de equipos y líneas telefónicas dedicadas. Un sistema VoIP
proporciona la fusión de servicios de telecomunicaciones, incluyendo voz, datos,
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
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video e Internet, en una única red, de manera eficiente, rápida y efectiva (Huerta et
al., 2013).
En comparación con los servicios telefónicos convencionales, la tecnología de
Voz sobre Protocolo de Internet (VoIP) presenta tarifas de llamadas más asequibles,
particularmente en el contexto de comunicaciones de larga distancia e
internacionales, al aprovechar la infraestructura de Internet para enrutar las llamadas,
de esta manera, VoIP tiene el potencial de evitar los cargos vinculados con las redes
telefónicas tradicionales, generando así ahorros sustanciales en los costos de
comunicación.
Finalmente, un sistema VoIP permite efectuar y recibir llamadas sin importar
su ubicación, siempre que los abonados cuenten con acceso a Internet, lo que elimina
la necesidad de líneas telefónicas convencionales, esto es particularmente ventajoso
para organizaciones con empleados remotos o móviles. En la actualidad, las
empresas están adoptando ampliamente las redes de voz sobre IP debido a sus
numerosos beneficios, la reducción de costos por llamada se destaca como uno de
los principales atractivos de esta tecnología, ya que permite la integración de voz,
datos y video en una sola red, utilizando un único protocolo (Huerta et al., 2013).
Los resultados de la investigación contribuyen significativamente al
conocimiento sobre la integración de tecnologías de comunicación en las
organizaciones. Al presentar la información de manera accesible tanto para
profesionales técnicos como no técnicos, se facilita la comprensión y asimilación del
conocimiento contenido en el presente estudio. Esto, a su vez, fomenta la
consideración de la adopción de un sistema VoIP en las organizaciones. De esta
manera, las empresas pueden aprovechar los beneficios de un sistema VoIP en
términos de calidad de servicio, optimización de recursos, escalabilidad de servicios
y reducción de costos, lo que les permite mejorar su rendimiento y competitividad en
el mercado.
Conclusiones
Los resultados de la investigación cumplen con los objetivos planteados de
describir de manera simplificada, pero destacando los aspectos más relevantes de
cómo funciona y cómo es la arquitectura de un sistema VoIP. Además, demuestran
que la implementación de sistemas VoIP en las organizaciones puede generar
beneficios significativos en términos de calidad de servicio, optimización de recursos,
escalabilidad de servicios y reducción de costos. Esto sugiere que la implementación
correcta de un Sistema VoIP puede tener un impacto positivo en la operatividad y
eficiencia de las empresas.
En conclusión, este estudio proporciona una visión clara de la importancia de
la arquitectura correcta de los sistemas VoIP y sus beneficios para las organizaciones.
Resalta la importancia de considerar la adopción de sistemas VoIP como una
estrategia clave para mejorar el rendimiento y la competitividad en el mercado
empresarial actual. Se recomienda que futuras investigaciones profundicen en
aspectos específicos, como la implementación y gestión eficaz de estos sistemas en
diferentes contextos empresariales.
Recibido: 10 abril 2024
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 58-77
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Revista Científica Unanchay
Equipo editorial
Directora de la revista
PhD. Ana Teresa Berrios Rivas - Doctorado en Educación: Tecnología Instruccional
y Educación a Distancia
https://orcid.org/0000-0002-0101-176X
Editor
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Mención en Fabricación de Autopartes
https://orcid.org/0000-0002-4927-0832
Secretaria
Lic. Noelia Betsabé Goldstein Molina - Licenciada en Ciencias Políticas y Sociales
https://orcid.org/0000-0002-8883-782X
Administrador Tecnológico
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Transdisciplinaria del Conocimiento. Quito, Ecuador.
• PhD. Jose Andres Castillo Reyes. Doctor en Educación Superior. Quito,
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Ambiental. Riobamba, Ecuador.
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