Módulo 4: Análisis espacial para rutas

1 Objetivos del Módulo

Al finalizar este módulo, los participantes podrán:

  • Comprender los conceptos fundamentales del análisis de redes.
  • Utilizar las herramientas nativas de análisis de redes en QGIS.
  • Calcular rutas óptimas entre puntos usando criterios de distancia y tiempo.
  • Generar áreas de cobertura (isócronas) desde puntos de servicio.
  • Aplicar análisis de redes a casos prácticos de empresa eléctrica.

2 Conceptos fundamentales del análisis de redes

2.1 ¿Qué es un análisis de redes?

El análisis de redes permite modelar y resolver problemas de conectividad sobre una red de elementos lineales (calles, carreteras, líneas eléctricas), respondiendo preguntas como:

  • ¿Cuál es la ruta más corta entre dos puntos?
  • ¿Qué áreas puedo alcanzar en 15 minutos desde mi ubicación?
  • ¿Cuál es el tiempo de respuesta promedio a emergencias?
  • ¿Dónde ubicar un nuevo centro de servicio para optimizar cobertura?

2.2 Componentes de una red

Una red espacial está compuesta por:

Componente Descripción Ejemplo en empresa eléctrica
Nodos Puntos de conexión o intersección Subestaciones, transformadores
Arcos/Edges Segmentos que conectan nodos Líneas de transmisión, cables
Atributos Propiedades de los arcos Voltaje, capacidad, estado
Costos Valores para cálculo de rutas Distancia, tiempo, impedancia

2.3 Tipos de análisis de redes

1. Ruta más corta (Shortest Path)

  • Encuentra el camino óptimo entre dos puntos
  • Criterios: distancia mínima o tiempo mínimo

2. Área de servicio (Service Area)

  • Determina qué zonas son accesibles desde un punto
  • Útil para análisis de cobertura y planificación

3. Punto más cercano (Closest Facility)

  • Identifica el servicio más próximo a cada ubicación
  • Aplicación: asignación de cuadrillas de mantenimiento

3 Análisis de redes con herramientas nativas y QNEAT3

3.1 Herramientas nativas de QGIS

QGIS incluye algoritmos integrados para análisis de redes que no requieren plugins adicionales:

Procesamiento → Caja de herramientas → Análisis de redes

Algoritmos principales:

Herramienta Función Caso de uso
Área de servicio (desde capa) Este algoritmo crea una nueva capa vectorial con todos los segmentos o partes de segmentos de una capa de líneas de red que se pueden alcanzar dentro de una distancia o un tiempo, comenzando desde las características de una capa de puntos. La distancia y el tiempo (ambos referidos como “costo de viaje”) deben especificarse respectivamente en las unidades de la capa de red o en horas. Cobertura de cuadrilla de emergencia
Área de servicio (desde punto) Este algoritmo crea una nueva capa vectorial con todos los segmentos o partes de segmentos de una capa de líneas de red que se pueden alcanzar dentro de una distancia o un tiempo, comenzando desde un punto específico. La distancia y el tiempo (ambos referidos como “costo de viaje”) deben especificarse respectivamente en las unidades de la capa de red o en horas. Planificar ruta de inspección
Ruta más corta (capa a punto) Este algoritmo calcula rutas óptimas (más cortas o más rápidas) desde múltiples puntos de inicio definidos por una capa vectorial hasta un punto final dado. Desde cuadrillas a transformador
Ruta más corta (punto a capa) Este algoritmo calcula rutas óptimas (más cortas o más rápidas) desde un punto de inicio dado hasta múltiples puntos finales definidos por una capa vectorial de puntos. Este algoritmo elimina las claves primarias existentes o los valores FID y los regenera en las capas de salida. Cobertura de cuadrilla de emergencia
Ruta más corta (punto a punto) Este algoritmo calcula la ruta óptima (la más corta o la más rápida) entre los puntos inicial y final indicados. Analizar la ruta más corta o más rápida desde un punto (Cuadrilla) a otro (punto final)

Ventajas de herramientas nativas:

  • ✅ Incluidas en QGIS por defecto
  • ✅ Estables y bien documentadas
  • ✅ Suficientes para análisis básicos-intermedios
  • ✅ Integración perfecta con Processing Framework

3.2 Plugin QNEAT3 (para análisis avanzados)

QNEAT3 (QGIS Network Analysis Toolbox 3) ofrece funcionalidades adicionales para usuarios avanzados.

Instalación:

Complementos → Administrar e instalar complementos → Buscar "QNEAT3"

Funcionalidades avanzadas de QNEAT3:

Herramienta QNEAT3 Función Cuándo usarla
OD Matrix (Layers) Matriz completa origen-destino Análisis masivos (>50 puntos)
Iso-Area as Polygons Isócronas con múltiples intervalos Análisis detallado de cobertura
Iso-Area as Contours Líneas de isócrona Visualización de gradientes
Shortest Path (Point to Point) Versión avanzada con más opciones Análisis complejos con restricciones

Cuándo usar cada herramienta:

ANÁLISIS BÁSICO → Herramientas nativas QGIS
ANÁLISIS MASIVO → QNEAT3

3.3 Comparación: Nativo vs QNEAT3

Aspecto Herramientas Nativas QNEAT3
Instalación Incluido Requiere plugin
Estabilidad Muy alta Alta
Facilidad de uso Simple Más opciones
Matrices OD Limitado Completo
Isócronas Básico Avanzado
Documentación Oficial QGIS Comunidad
Rendimiento Bueno Optimizado

3.4 Preparación de datos para análisis de redes

Requisitos básicos:

  1. Red topológicamente correcta
    • Los segmentos deben conectarse en sus extremos
    • Sin gaps ni overlaps no deseados
    • Usar herramientas de validación del Módulo 3
  2. Sistema de coordenadas proyectado
    • Preferible UTM para mediciones precisas
    • Evitar coordenadas geográficas (grados)
  3. Campos de costo configurados
    • Distancia: usar longitud de segmento
    • Tiempo: calcular según velocidad permitida

4 Cálculo de rutas óptimas

4.1 Ruta más corta por distancia

Ejemplo práctico: Ruta de inspección entre subestaciones

  1. Cargar datos de red vial

    Capa → Añadir capa → Capa vectorial

  2. Abrir herramienta de ruta más corta

    Procesamiento → Caja de herramientas → Análisis de redes →
Ruta más corta (punto a punto)

  3. Configurar parámetros:

    • Vector layer representing network: capa de calles/carreteras
    • Path type to calculate: Shortest (distancia)
    • Start point: coordenadas del punto de origen
    • End point: coordenadas del punto de destino

  4. Interpretar resultados:

    • Nueva capa con la ruta óptima
    • Tabla de atributos con distancia total
    • Tiempo estimado (si se configuró velocidad)

4.2 Ruta más rápida por tiempo

Para calcular la ruta más rápida, necesitas configurar velocidades:

Paso 1: Agregar campo de velocidad

# En la calculadora de campos, crear campo 'velocidad_kmh'
CASE
  WHEN "highway" = 'motorway' THEN 100
  WHEN "highway" = 'primary' THEN 80
  WHEN "highway" = 'secondary' THEN 60
  WHEN "highway" = 'residential' THEN 40
  ELSE 30
END

Paso 2: Configurar análisis por tiempo

  • Capa vectorial que representa la red: network_lines (capa de calles)
  • Tipo de ruta a calcular: Más rápida (tiempo en porciones de hora)
  • Campo de velocidad: seleccionar campo velocidad_kmh
  • Velocidad predeterminada km/h: velocidad por defecto (ej. 50 km/h)

5 Matrices de origen-destino

Una matriz de origen-destino (OD) calcula las distancias o tiempos de viaje entre todos los pares de puntos en dos conjuntos (orígenes y destinos).

5.1 ¿Cuándo usar matrices OD?

Casos de uso en empresa eléctrica:

  • Calcular tiempo de acceso desde cada centro de operación a transformadores
  • Evaluar cobertura de cuadrillas de mantenimiento
  • Optimizar asignación de personal a zonas de trabajo
  • Planificar rutas de inspección múltiples

5.2 Generar matriz básica con herramientas nativas

Opción 1: Análisis punto a capa

Procesamiento → Análisis de redes → Ruta más corta (punto a capa)

Parámetros:

  • Capa de red: red vial
  • Punto de inicio: centro de operación (coordenadas)
  • Capa de puntos de destino: capa de transformadores
  • Tipo de ruta: Más corta o Más rápida

Resultado: Rutas desde un punto a múltiples destinos con distancias/tiempos

Opción 2: Para matrices completas (avanzado)

  • Usar QNEAT3 para matrices OD completas
  • Recomendado solo para análisis masivos (>50 puntos)

5.3 Interpretar resultados de matriz OD

La tabla resultante contiene:

  • origin_id: identificador del punto de origen
  • destination_id: identificador del punto de destino
  • total_cost: distancia o tiempo total
  • route_geometry: geometría de la ruta (opcional)

Análisis típicos:

  • Identificar destino más cercano para cada origen
  • Calcular tiempo promedio de respuesta
  • Detectar zonas con acceso deficiente

6 Zonificación y análisis de cobertura de rutas

6.1 Generar isócronas (áreas de tiempo)

Las isócronas muestran qué áreas son accesibles en un tiempo determinado desde un punto de servicio.

Ejemplo: Cobertura de cuadrilla de emergencia

  1. Abrir herramienta Service Area

    Procesamiento → Análisis de redes → Service area (from point)

  2. Configurar parámetros:

    • Capa vectorial que representa la red: red vial
    • Tipo de ruta: Más rápida (por tiempo)
    • Costo de viaje: 900 (15 minutos en segundos)
    • Campo de velocidad: campo de velocidades
    • Punto de inicio: ubicación del centro de servicio

  3. Resultado:

    • Polígono mostrando área accesible en 15 minutos
    • Útil para evaluar cobertura de servicios de emergencia

6.2 Múltiples áreas de cobertura

Para analizar cobertura desde varios puntos simultáneamente:

  1. Crear capa de puntos de servicio
    • Ubicaciones de subestaciones, centros de operación
    • Incluir atributos: nombre, tipo, capacidad
  2. Usar Service area (from layer)
    • Puntos de inicio: capa de centros de servicio
    • Costo de viaje: tiempo máximo deseado
    • Genera un polígono por cada punto de servicio

6.3 Zonificación de servicios

Crear zonas de responsabilidad:

  1. Generar áreas de cobertura para cada centro de servicio
  2. Identificar superposiciones entre zonas
  3. Asignar prioridades según capacidad o especialización
  4. Crear mapa de zonificación final

Aplicación práctica:

  • Dividir territorio en zonas de mantenimiento
  • Asignar cuadrillas a sectores específicos
  • Optimizar distribución de recursos

6.4 Visualización de resultados

Simbolización por tiempo de acceso:

  1. Propiedades de capa → Simbología
  2. Graduado → Campo: cost (tiempo)
  3. Colores: verde (cerca) → rojo (lejos)
  4. Etiquetas: mostrar tiempo en minutos

7 Aplicaciones para empresa eléctrica

7.1 Casos de uso específicos

1. Planificación de rutas de mantenimiento - Optimizar recorridos diarios de cuadrillas - Minimizar tiempo de desplazamiento entre sitios - Considerar restricciones de acceso vehicular

2. Análisis de tiempo de respuesta - Evaluar cobertura actual de centros de operación - Identificar zonas con tiempo de respuesta elevado - Planificar ubicación de nuevos centros

3. Gestión de emergencias - Rutas rápidas a sitios de fallas eléctricas - Coordinación de múltiples cuadrillas - Rutas alternativas durante bloqueos

4. Planificación de infraestructura - Ubicación óptima de nuevas subestaciones - Análisis de accesibilidad para mantenimiento - Evaluación de rutas de construcción

7.2 Datos típicos en empresas eléctricas

Tipo de dato Geometría Atributos clave
Red vial Líneas Tipo de vía, velocidad, restricciones
Subestaciones Puntos Voltaje, capacidad, estado operativo
Transformadores Puntos Potencia, ubicación, fecha instalación
Centros de operación Puntos Personal disponible, equipos, horarios
Zonas de servicio Polígonos Población servida, demanda, prioridad

8 Análisis de puntos de interés (clientes, riesgos, servicios)

8.1 Tipos de puntos de interés en empresa eléctrica

Tipo Ejemplos Análisis típico
Clientes Grandes consumidores, hospitales, industrias Prioridad de atención, rutas de inspección
Riesgos Zonas de fallas frecuentes, áreas inundables Tiempo de respuesta, rutas de emergencia
Servicios Subestaciones, centros de control, bodegas Cobertura, asignación de recursos

8.2 Identificar servicios más cercanos

Ejemplo: Asignar transformadores a centros de mantenimiento

  1. Preparar datos:

    • Capa de transformadores (puntos)
    • Capa de centros de mantenimiento (puntos)
    • Red vial conectando ambos

  2. Análisis con herramientas de red:

    Procesamiento → Análisis de redes → Shortest path (layer to point)

  3. Configurar parámetros:

    • Capa de red: red vial
    • Puntos de inicio: capa de transformadores
    • Punto de destino: centro de mantenimiento específico
    • Tipo de ruta: Más rápida (tiempo de respuesta)

  4. Interpretar resultados:

    • Cada transformador con ruta al centro asignado
    • Tiempo de acceso calculado
    • Base para planificación de rutas diarias

8.3 Análisis de accesibilidad a clientes prioritarios

Ejemplo: Hospitales y servicios críticos

  1. Identificar clientes críticos:

    • Hospitales, centros de salud
    • Industrias con procesos críticos
    • Servicios públicos esenciales

  2. Calcular tiempo de respuesta:

    Procesamiento → Análisis de redes → Service area (from layer)

  3. Evaluar cobertura:

    • ¿Todos los clientes críticos están dentro de 30 min?
    • ¿Qué zonas requieren centros de servicio adicionales?
    • ¿Cómo optimizar ubicación de cuadrillas?

8.4 Análisis de zonas de riesgo

Identificar patrones espaciales de fallas:

  1. Preparar datos de incidentes:

    • Ubicación de fallas históricas
    • Tipo de falla, fecha, duración
    • Condiciones climáticas asociadas

  2. Análisis de densidad:

    Ráster → Análisis → Mapa de calor (KDE)

  3. Análisis de accesibilidad a zonas de riesgo:

    • Tiempo de respuesta a zonas críticas
    • Rutas alternativas durante emergencias
    • Ubicación estratégica de equipos de emergencia

8.5 Optimización de rutas de inspección

Planificar recorridos eficientes:

  1. Agrupar puntos de interés por proximidad:

    Vector → Herramientas de análisis → Análisis de agrupamiento K-means

  2. Calcular rutas entre grupos:

    • Usar ruta más corta entre centroides de grupos
    • Minimizar tiempo total de recorrido
    • Considerar restricciones operativas

  3. Validar rutas propuestas:

    • Verificar accesibilidad real
    • Considerar horarios de trabajo
    • Ajustar según capacidad de cuadrillas

9 Plugin QNEAT3

Para usuarios que requieran análisis más sofisticados, QNEAT3 ofrece funcionalidades adicionales:

9.1 Instalación

Complementos → Administrar e instalar complementos → Buscar "QNEAT3"

9.2 Funcionalidades avanzadas

  • Matrices origen-destino completas
  • Isócronas con múltiples intervalos
  • Optimización de rutas complejas
  • Análisis de centralidad de red
NotaCuándo usar QNEAT3

QNEAT3 es recomendable cuando necesites:

  • Análisis masivos (cientos de puntos)
  • Matrices OD completas para optimización
  • Isócronas con intervalos múltiples
  • Análisis de accesibilidad complejos

Para análisis básicos, las herramientas nativas de QGIS son suficientes y más estables.

10 🛠️ Ejercicios Prácticos

10.1 Ejercicio 4.1: Preparación de red vial

  1. Descarga datos de red vial usando QuickOSM:

    • Área: Tegucigalpa, Honduras
    • Consulta: highway=primary OR highway=secondary OR highway=residential

  2. Verifica la topología:

    • Vector → Herramientas de geometría → Verificar validez
    • Corrige errores encontrados

  3. Reproyecta a UTM Zona 16N para mediciones precisas

  4. Agrega campo de velocidad según tipo de vía

10.2 Ejercicio 4.2: Ruta más corta

  1. Define dos puntos en Tegucigalpa (ej. Hospital Escuela → Aeropuerto)

  2. Calcula ruta más corta por distancia:

    • Usa Ruta más corta (punto a punto)
    • Anota distancia total

  3. Calcula ruta más rápida por tiempo:

    • Configura campo de velocidades
    • Compara con ruta anterior

  4. Valida resultados comparando con Google Maps

10.3 Ejercicio 4.3: Análisis de cobertura

  1. Selecciona ubicación de un centro de emergencias

  2. Genera isócronas de 5, 10 y 15 minutos:

    • Usa Área de servicio (desde punto)
    • Configura múltiples costos: 300,600,900 segundos

  3. Carga datos de población o comunidades

  4. Calcula qué porcentaje de población está cubierto en cada intervalo

10.4 Ejercicio 4.4: Matriz origen-destino

Escenario: Asignar transformadores a centros de mantenimiento

  1. Crea una capa con 3 centros de mantenimiento en Tegucigalpa

  2. Crea una capa con 8-10 transformadores distribuidos en la ciudad

  3. Calcula matriz OD usando herramientas nativas:

    • Ruta más corta (punto a capa) desde cada centro
    • Configura análisis por tiempo (más rápida)

  4. Analiza resultados:

    • ¿Qué transformadores están más alejados?
    • ¿Cómo distribuir zonas de responsabilidad?
    • ¿Se necesitan centros adicionales?

10.5 Ejercicio 4.5: Análisis de puntos de interés

Escenario: Evaluar accesibilidad a servicios críticos

  1. Identifica 5 puntos de interés críticos:
    • 2 hospitales
    • 1 aeropuerto
    • 1 universidad
    • 1 centro comercial
  2. Desde el centro de operaciones principal:
    • Calcula ruta más rápida a cada punto crítico
    • Genera isócrona de 20 minutos
  3. Evalúa cobertura:
    • ¿Todos los puntos críticos están cubiertos?
    • ¿Qué puntos requieren atención especial?
    • ¿Dónde ubicar centro de emergencias adicional?

10.6 Ejercicio 4.6: Proyecto integrador

Escenario completo: Optimización de red de servicios eléctricos

  1. Preparación de datos:
    • Red vial de Tegucigalpa (QuickOSM)
    • 3 centros de operación (crear)
    • 15 transformadores (distribuir)
    • 5 clientes críticos (hospitales, industrias)
  2. Análisis de rutas óptimas:
    • Ruta más corta entre centros de operación
    • Rutas de emergencia a clientes críticos
  3. Análisis de cobertura:
    • Isócronas de 15 y 30 minutos desde cada centro
    • Identificar zonas sin cobertura adecuada
  4. Matriz origen-destino:
    • Tiempo de acceso de cada centro a transformadores
    • Asignación óptima de responsabilidades
  5. Análisis de puntos de interés:
    • Priorización de clientes por accesibilidad
    • Identificación de zonas de riesgo
  6. Recomendaciones finales:
    • Mapa de zonificación propuesta
    • Ubicaciones sugeridas para nuevos centros
    • Plan de rutas de mantenimiento optimizado

11 📚 Recursos y Referencias

ImportantePara la próxima sesión

Asegúrate de tener:

  • QGIS funcionando correctamente
  • Plugin QuickOSM instalado
  • Datos de red vial descargados y preparados
  • Comprensión clara de conceptos de análisis de redes

El Módulo 5 construirá sobre estos conceptos para automatizar análisis repetitivos con Python.

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