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Soft sensors / sensores virtuales con conocimiento del proceso

Los soft sensors — también llamados sensores virtuales — combinan el conocimiento del sistema con las mediciones disponibles para ofrecer estimaciones fiables de variables difíciles de medir.

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¿Qué son los Soft Sensors / Sensores Virtuales?

Un soft-sensor — también llamado sensor virtual — utiliza un modelo matemático del proceso junto con datos de medición existentes para calcular una estimación de la variable de interés. A diferencia de un instrumento físico, un soft-sensor o sensor virtual no requiere hardware adicional — se ejecuta como software en los sistemas de control existentes.

Arquitectura soft-sensor: conocimiento del sistema + mediciones → algoritmo de estimación → salida del sensor virtual
Arquitectura del soft-sensor / sensor virtual — añadiendo conocimiento del sistema a las mediciones disponibles.

Problemas industriales resueltos

Medición demasiado costosa

Problema

Los analizadores de calidad, viscosidad o composición cuestan 50.000–500.000 € y se comparten entre corrientes — solo muestras periódicas, no datos continuos.

Solución

Un soft-sensor proporciona estimaciones continuas entre muestras de analizador, permitiendo un control en tiempo real más preciso.

Instrumentación no instalable

Problema

Medidores de flujo en válvulas, cargas térmicas en sistemas criogénicos o par en accionamientos sellados no pueden instrumentarse por costo, espacio o condiciones.

Solución

Un soft-sensor calcula la variable a partir de mediciones correlacionadas ya presentes en el sistema.

No existe medición directa

Problema

Variables como el índice de fluidez del polímero, concentración celular o actividad del catalizador no tienen sensores en línea en tiempo real.

Solución

Un soft-sensor infiere estas variables a partir de proxies medibles usando modelos de primeros principios o basados en datos.

Fallo de sensores y redundancia

Problema

Las mediciones críticas fallan durante el arranque, perturbaciones o ensuciamiento. Un punto único de fallo en un lazo crítico de seguridad es intolerable.

Solución

Un soft-sensor fusiona mediciones redundantes de múltiples instrumentos para una estimación tolerante a fallos válida cuando fallan sensores individuales.

Precisión de medición

Problema

Dos instrumentos pueden tener perfiles de precisión complementarios — uno rápido pero ruidoso, otro lento pero preciso.

Solución

Un soft-sensor fusiona ambas señales mediante estimación óptima para una estimación simultáneamente rápida, precisa y sin deriva.

Tecnología

Mediciones

Los requisitos exactos de sensores se determinan caso por caso. En la mayoría de los casos, la instrumentación existente es suficiente — no se necesita nuevo hardware.

Modelos

Los modelos codifican el conocimiento del sistema aprovechado por el soft-sensor. La complejidad varía desde correlaciones empíricas simples hasta modelos dinámicos termohidráulicos o cinéticos completos. Nos especializamos en modelado de primeros principios para industria de procesos y aeronáutica.

Algoritmos de estimación

Desde observadores lineales (Luenberger, Filtro de Kalman) hasta algoritmos no lineales (Filtro de Kalman Extendido, Unscented, Estimación por Horizonte Deslizante). La elección depende de la no linealidad, computo disponible y precisión requerida.

Resultados de mi propio trabajo

Aplicaciones Industriales y Resultados de Referencia Publicados

Benchmarks de literatura revisada por pares — lo que la tecnología de soft-sensor logra en entornos industriales reales. Fuentes de terceros, cada una enlazada.

Química / Polimerización

Las medidas de calidad del polímero solo están disponibles mediante análisis de laboratorio poco frecuentes y dependen de forma no lineal de las temperaturas del reactor y los caudales de alimentación.

Un control predictivo no lineal con un modelo de primeros principios (balances de materia con cinética, balance de energía) controla en lazo cerrado la calidad medida en laboratorio fijando el perfil de temperatura de los reactores.

Resultado clave: En uso continuo en producción desde octubre de 2012.
Fuente: Bindlish (Dow Chemical) — Computers & Chemical Engineering (2015)
Celulosa y papel / Tisú

El gramaje (g/m²) no se puede medir en tiempo real en la sección de tela de una máquina de tisú — solo aguas abajo, demasiado tarde para corregir.

Modelo híbrido: un modelo de primeros principios y una red convolucional 1D en paralelo; una red GRU pondera sus salidas según el régimen de operación.

Resultado clave: RMSE 2,12 g/m² (híbrido) frente a 2,68 g/m² (solo aprendizaje automático) y 4,72 g/m² (solo física), con 7 meses de datos industriales.
Fuente: Othen et al. — RWTH Aachen / Nordic Pulp & Paper Research Journal (2025)
Petróleo y gas — Presión de fondo

Los manómetros permanentes de fondo son caros y poco fiables en condiciones duras, pero la presión de fondo es clave para optimizar la producción y el aseguramiento del flujo.

Un soft sensor LSTM entrenado con medidas de cabeza de pozo y superficie; el aprendizaje por transferencia adapta el modelo a otros pozos y condiciones.

Resultado clave: MAPE siempre inferior al 2 % en datos offshore reales de la cuenca presal de Brasil.
Fuente: Fernandes et al. — arXiv (2026)
Generación eléctrica — Emisiones de NOx

La predicción de NOx en tiempo real es la base de la optimización de la combustión; las condiciones cambian con la carga y el combustible, y los modelos estáticos se degradan.

Aprendizaje just-in-time con random forest: un modelo local por predicción, seleccionado con un índice de similitud temporal y espacial, y una vigilancia de ventana móvil que activa las actualizaciones.

Resultado clave: R² = 0,93 en el conjunto de prueba; 99,7 % de las muestras con error absoluto inferior a 15 mg/m³ — mejor que los seis modelos de comparación.
Fuente: He & Ding — Sensors / MDPI (2024)
Tratamiento de aguas residuales

La DQO, los SST y E. coli requieren muestreo y análisis de laboratorio, por lo que no hay visión en tiempo real del tratamiento; los analizadores de DQO en línea son demasiado caros para sistemas in situ.

Soft sensors de aprendizaje automático con medidas en línea (turbidez, color, pH, NH₄⁺, NO₃⁻, conductividad). Se compararon cuatro algoritmos; SVR fue el mejor para la DQO y la regresión cubist para los SST.

Resultado clave: DQO: R² = 0,96 (SVR); SST: R² = 0,99 (cubist) — con 56 datos de un sistema de tratamiento in situ probado en campo; E. coli aún no se predijo de forma fiable.
Fuente: Shyu et al. (Univ. South Florida) — ACS Environmental Au (2023)
Farmacéutica / Tecnología analítica de procesos (PAT)

Los atributos críticos de calidad de los comprimidos — uniformidad de contenido, disolución, dureza — se miden tradicionalmente fuera de línea al final del lote, lo que impide la liberación en tiempo real (RTRT).

Los soft sensors infieren los atributos de calidad durante la fabricación a partir de instrumentos PAT en línea (NIR, Raman, difracción láser) y datos de proceso, dentro del marco PAT de la FDA.

Resultado clave: Revisión del estado del arte de la liberación en tiempo real de comprimidos; la guía PAT de la FDA existe desde 2004.
Fuente: Markl et al. — International Journal of Pharmaceutics (2020)
Semiconductores / Metrología virtual

Los pasos de metrología (espesor de capa, profundidad de grabado, punto final de CMP) son caros y poco frecuentes, lo que deja huecos de calidad entre medidas.

La metrología virtual predice la calidad tras el proceso a partir del estado del equipo y las variables de proceso, usando metrología real muestreada para entrenar y corregir los modelos.

Resultado clave: Revisión de dos décadas de literatura sobre metrología virtual: pasos genéricos, estado del arte y problemas abiertos.
Fuente: Maitra et al. — Expert Systems with Applications (2024)
Automoción / Vehículos autónomos

Los niveles de automatización más altos necesitan más sensores por vehículo — de 8 a 28 según el resumen del artículo —, con más coste, peso, consumo y puntos de fallo.

Los sensores virtuales sustituyen o complementan a los físicos y se validan en simulación del vehículo completo; la estimación de estado usa observadores de tipo Kalman y enfoques híbridos de aprendizaje automático.

Resultado clave: Mercado de sensores virtuales: 1.370 M USD (2025) → 5.350 M USD (2030), según Mordor Intelligence citado en el artículo.
Fuente: Barabás et al. — Sensors / MDPI (2025)

Soft Sensor / Sensor Virtual vs Instrumento Físico

Una comparación directa para decisiones de adquisición y viabilidad.

AspectoInstrumento FísicoSoft Sensor / Sensor Virtual
Coste inicial €50k–€500k por instrumento Solo software — funciona en DCS/PLC existente
Instalación Semanas a meses (obra civil, cableado) Días a semanas (integración del modelo)
Mantenimiento Paradas de calibración, ensuciamiento Actualización del modelo — sin tiempo de inactividad
Cobertura Una ubicación física por dispositivo Cualquier variable alcanzable por el modelo
Tasa de datos Periódica (analizador: 1–2 h) o puntual Continua, síncrona con ciclo de control
Modo de fallo Fallo duro — lazo abierto Degradación gradual — respaldo solo con modelo

Desarrollos

Advanced Virtual Flow Meter

Cálculo de flujo basado en software en posiciones de válvulas mediante posición, presión y temperatura — sin medidor de flujo físico.

Más sobre el caudalímetro virtual

Variómetro Digital SSDV12

Sensor de alta precisión de tasa de ascenso/descenso para pilotos de parapente mediante fusión de datos de presión, inercia y GPS.

Más sobre el variómetro SSDV12

Fusión de sensores y estimación de estado — referencias

Trabajo propio para estimar lo que no se puede medir directamente: publicaciones revisadas por pares y proyectos industriales.

Publicaciones

Proyectos

  • CERN, criogenia del LHC — estimación no lineal de horizonte móvil del estado del circuito de helio superfluido a partir de pocas medidas de presión y temperatura, en tiempo real para NMPC con realimentación de salida y probada en el CERN.
  • IAV — estimación no lineal de estado para aerogeneradores de gran potencia, dentro del desarrollo de NMPC basado en modelos y económico.
  • SkySails Power — estimación de estado para el vuelo automatizado de cometas de energía eólica aerotransportada.
  • Variómetro digital SSDV12 — estimación de la tasa de ascenso fusionando medidas de presión, inerciales y GPS.
  • Advanced Virtual Flow Meter — caudal en válvulas estimado a partir de la posición de la válvula, la presión y la temperatura, sin caudalímetro físico.
  • Freelance — estimación de estado y fusión de sensores para el control de vuelo de parapentes.

Lista completa de publicaciones en noga.es →

Preguntas frecuentes

¿Qué es un soft-sensor / sensor virtual?

Un soft-sensor es un modelo de software que calcula estimaciones de variables de proceso difíciles de medir a partir de la instrumentación existente. No se necesita hardware nuevo — funciona en su DCS o PLC existente.

¿Necesito instalar nuevos sensores?

En la mayoría de los casos, no. El soft-sensor utiliza mediciones ya disponibles en su sistema de control. Los requisitos exactos se evalúan caso por caso.

¿Qué precisión tienen los soft-sensors?

Para procesos bien instrumentados con un buen modelo de primeros principios, los errores de estimación típicos son del 1–5 %. La aplicación criogénica del LHC del CERN estimó 5 estados termodinámicos a partir de 3 sensores de presión.

¿Cuánto tiempo dura un proyecto?

Típicamente 4–12 semanas desde el inicio hasta la puesta en marcha, dependiendo de la complejidad del modelo y la disponibilidad de datos. Una llamada de factibilidad de 30 minutos es suficiente para evaluar el alcance.

¿Qué ocurre cuando el proceso cambia o experimenta deriva?

La deriva del proceso — por desgaste, cambio de materias primas o cambios de grado de producción — es la causa más frecuente de degradación del soft-sensor. Los despliegues robustos incluyen monitorización del estado del modelo (RMSE continuo, indicadores de deriva), disparadores de reentrenamiento y reversión a la versión anterior. Para procesos con cambios de régimen frecuentes, se prefieren modelos adaptativos Just-In-Time (JIT).

¿Puede un soft-sensor reemplazar un sensor físico en un sistema instrumentado de seguridad?

Los soft-sensors son muy valiosos como canales de asesoramiento, monitorización y estimación redundante. Usarlos como único medio de medición en una función de seguridad (SIF) requiere demostrar modos de fallo deterministas, independencia y conformidad con el ciclo de vida de seguridad según IEC 61511. En la práctica, se despliegan como complemento a la instrumentación de seguridad física, no como sustituto.

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Sobre nosotros

Soft-Sensor es una práctica de ingeniería especializada liderada por el Dr. Rafał Noga — consultor APC/MPC con experiencia en soft-sensor y estimación de estado para industria de procesos, criogenia y aeronáutica desde 2007.

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