Page 1

prmer semestre

2017 nĂşmero 7

Revista de

RevistaTecnologia, 7_COBERTA.indd 1

02/05/2017 12:38:02


Coberta:  El sincrotró ALBA és una gran infraestructura que permet visua­litzar la matèria i les seves propietats a escala atòmica i molecular, un valuosíssim instrument tant per a la recerca com per al desenvolupament de molts productes industrials.

EDITORIAL

A

questa setena edició de la Revista de Tecnologia inicia un nou cicle de publicació digital. Aquest format ens permetrà ser més àgils en la configuració de nous exemplars i en l’extensió de les edicions futures, i confiem poder fer-vos a mans els continguts que arribin al nostre comitè editorial de manera més freqüent. Aquesta edició conté tres articles destacats, que pretenen compartir amb els membres de la nostra entitat, i amb la societat en general, els resultats de la recerca en diversos àmbits de la tecnologia. Així, un primer article sobre els sistemes encastats ens posa sobre la taula l’actualitat d’aquests sistemes de control, dissenyats per donar respostes a requeriments específics i en evolució constant. Un segon treball ens presenta la realitat i l’actualitat de l’ALBA, que és el nom del laboratori de llum de sincrotró ubicat a Cerdanyola del Vallès i que dóna servei a grups de recerca i a empreses d’alta tecnologia. Un tercer treball sobre desenvolupament d’aplicacions web proporciona un espai sobre un tema de gran actualitat que, amb perspectives molt diverses, està esdevenint una de les principals vies d’accés a la informació per a tota la societat en general, i per a la comunitat tecnològica en particular. En aquesta edició l’espai de l’entrevista té com a convidat Miquel Obradors, president de la Comissió de les TIC del Col·legi d’Enginyers Industrials de Catalunya. En la secció «Actualitat» s’inclou un resum de la IV Jornada sobre Innovació a l’Ensenyament de la Tecnologia, que es va celebrar a Terrassa el mes de juliol passat, on es van trobar més d’un centenar de professionals de la docència i la recerca en

Presidenta: Núria Salán Vicepresident: Frederic Luque Secretari: Ivan Nadal Tresorera: Carmina Luque Vocals: Jordi Agustí Aina Barceló Narcís Bartina Ricard Bosch Ramon Bragós Joaquim Corominas Xevi Cufí Agustí Egea Antoni Hernández Ramon Izquierdo Manel Pagès Gemma Roca Delegada de l’IEC: Alícia Casals

Compost per fotocomposició gama, s. l.

número 7 primer semestre 2017

ISSN: 2013-9861

Equip editorial Aina Barceló Frederic Luque Alícia Casals Josep Amat Núria Salán

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017)

MEMBRES DE LA JUNTA DE LA SOCIETAT CATALANA DE TECNOLOGIA

Revista de TECNOLOGIA

Editora Alícia Casals

2

metodologies d’aprenentatge d’assignatures de tecnologia a secundària. En aquella ocasió, la Societat Catalana de Tecnologia va prendre el relleu de l’Associació de Professorat de Tecnologia de Catalunya (APTC) com a organitzadora de l’esdeveniment. En aquesta secció també s’inclou un petit recull de recursos web.

© dels autors Editat per la Societat Catalana de Tecnologia, filial de l’Institut d’Estudis Catalans Carrer del Carme, 47. 08001 Barcelona Text revisat lingüísticament per la Unitat de Correcció del Servei Editorial de l’IEC

Són rigorosament prohibides, sense l’autorització escrita dels titulars del copyright, la reproducció total o parcial d’aquesta obra per qualsevol procediment i suport, incloent-hi la reprografia i el tractament informàtic, la distribució d’exemplars mitjançant lloguer o préstec comercial, la inclusió total o parcial en bases de dades i la consulta a través de xarxa telemàtica o d’Internet. Les infraccions d’aquests drets estan sotmeses a les sancions establertes per les lleis. Publicació La revista de tecnologia passa a presentar-se en format digital a partir d’aquest número 7. Pretén amb això ser més àgil i estar oberta a tothom a partir de la data de la seva publicació a l’hemeroteca de l’Institut.

Articles i anuncis d’activitats L’equip editorial està obert a rebre contribucions per a la revista, que han de respectar l’estructura actual de la publicació, que es divideix en dues seccions: la que fa referència a temes tècnics i la relacionada amb aspectes o activitats sobre l’educació tecnològica. Així mateix, encoratja els lectors a donar a conèixer, a través de la revista, i considerant-ne la periodicitat, activitats relacionades amb la tecnologia: conferèn­ cies, congressos, jornades, seminaris, convocatòries de premis, anuncis de publicacions, etc. Les contribucions es poden fer enviant, per correu electrònic, l’article o la informació en format Word o PDF a la secretaria de la SCT, a l’adreça sct@iec.cat.


SUMARI

2 Editorial

4

12

20

La tecnologia avui Els sistemes encastats: impacte i reptes de futur Joan Verdaguer-Codina, José Luis Rubiés, David Badia, Xavier Pi i Manel Frigola

El sincrotró ALBA, una eina per a impulsar la recerca i la tecnologia Ana Belén Martínez, Gastón García, Joan Casas i Caterina Biscari

Desenvolupament d’aplicacions web Carles Farré

30

Entrevista a Miquel Obradors Josep Amat

Actualitat 33 IV Jornada sobre Innovació a l’Ensenyament 34

34

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017)

de la Tecnologia: «Posa’t les piles per la tecno!» Tota l’actualitat de la SCT a les xarxes socials Recursos web i aplicacions mòbils

3


la tecnologia avui

ELS SISTEMES ENCASTATS: IMPACTE I REPTES DE FUTUR Joan Verdaguer-Codina, José Luis Rubiés, David Badia, Xavier Pi i Manel Frigola1 Grup de Treball en Sistemes Encastats del Col·legi d’Enginyers Industrials de Catalunya

Resum: S’analitza l’impacte que tenen els moderns sistemes electrònics encastats en diferents àmbits, com són la societat, l’àmbit industrial i l’educació. Es presenta una breu definició del que és un sistema encastat i es donen alguns exemples de les aplicacions que pot tenir. Es fa un repàs de les tendències actuals dels sistemes encastats i una projecció a mitjà i llarg termini de l’impacte que poden arribar a tenir. Es conclou amb unes recomanacions d’actuació amb l’objectiu de preparar la societat i la indústria catalana vers l’imminent futur dels objectes cibernètics interconnectats. Paraules clau: sistemes encastats, Internet de les coses, ciberobjectes.

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017), p. 4-11  •  ISSN: 2013-9861  •  DOI: 10.2436/20.2004.01.18  •  http://revistes.iec.cat/index.php/RTEC

EMBEDDED SYSTEMS: IMPACT AND FUTURE CHALLENGES

4

Abstract: The impact of modern embedded electronic systems in different scenarios – such as society, industry and education – is analyzed. A brief definition is given of what an embedded system is, providing some examples of possible applications. A review of current trends in embedded systems is made, presenting a medium- and long-term impact projection. This introductory article concludes with some recommendations for action in order to prepare Catalonia’s industry and society in general for the imminent future of the cyber interconnected objects. Keywords: embedded systems, Internet of things, cyberobjects.

1. Introducció

E

l terme sistemes electrònics encastats (embedded systems, en anglès) es refereix a aquells dispositius electrònics, inserits en un equip o aparell, que han estat dissenyats específicament per a realitzar una funció concreta de control o monitorització. Actualment, la majoria dels elements electrònics que utilitzem en la nostra vida quotidiana inclouen un sistema encastat. Trobem sistemes electrònics encastats (SE) inserits en les sondes aeroespacials, aeronaus, drons, instruments mèdics, cotxes, fresadores, torns, impressores, televisors, aparells d’aire condicionat, neveres i, fins i tot, en aparells tan simples com làmpades o torradores. Una definició més concreta del que és un SE podria ser l’adoptada a [1]: «Un sistema encastat és una combinació de maquinari i programari destinat al control i el monitoratge mitjançant un conjunt finit de funcions ben definides, sovint amb capacitats de procés en temps real, integrat dins d’un sistema més ampli». A grans trets, un SE consta bàsicament d’una unitat central de processament amb interfícies d’entrada per a la lectura

1.  Correspondència: Manel Frigola, manel.frigola@upc.edu.

dels sensors, una sèrie d’interfícies de sortida per a poder controlar els dispositius actuadors (motors, vàlvules, etc.) i els dispositius indicadors (LED, monitors, etc.) i algunes interfícies de comunicació. Amb aquestes interfícies de comunicació, els SE poden transmetre les dades més rellevants del procés que estan controlant, dades com poden ser la temperatura, la pressió, els índexs de contaminació, el consum, etc. Precisament, és l’augment en els últims anys de l’abast i la velocitat de transmissió de les interfícies de comunicació el que en certa manera més ha revolucionat els SE, i ha atret així molts sectors de la indústria i la societat en general. Gràcies a la capacitat de comunicar-se amb l’exterior, els SE estan deixant de ser sistemes aïllats per començar a formar part d’un núvol d’elements interconnectats per Internet. En la figura 1, s’intenta exemplificar el concepte objectes interconnectats, i s’hi mostra una hipotètica situació en què una persona, després d’una situació imprevista, vol conèixer on es troben els seus efectes personals i el seu animal de companyia. Gràcies al fet que els objectes estaran equipats amb SE i, per tant, seran capaços d’indicar la seva posició al núvol d’Internet mitjançant una comunicació sense fil, l’usuari podrà conèixer l’estat i la posició dels seus objectes personals i el seu animal de companyia.


Figura 1.  En un futur proper, milions d’objectes quotidians incorporaran un sistema electrònic encastat amb capacitat d’interconnexió mitjançant In­ ternet. Font:  Elaboració pròpia.

La constatació que el nombre de dispositius interconnectats està creixent exponencialment i la previsió que, en un futur a curt termini, moltíssims dels objectes fabricats per l’ésser humà estaran connectats són dues de les idees centrals de la Internet de les coses (Internet of things, IoT). La IoT és un concepte basat en la connectivitat dels objectes, centrat en la noció de xarxa i en els serveis, i que implica des dels SE dotats de sensors fins a les infraestructures de la informàtica en núvol (cloud computing) i la mineria de dades (data mining). Des del punt de vista social, els SE estan produint un fenomen prou inèdit [2]. El «fes-ho tu mateix» (do it yourself, DIY) i el món del hobby han evolucionat, ja que han incorporat maquinari programable de baix cost (Arduino i Raspberry Pi, entre d’altres) a tot tipus de mecanismes i dispositius. Amb la incorporació dels SE en el món del lleure com a afició de moltes persones, s’han aportat noves aplicacions d’alt valor afegit, oferint llicències lliures i socialitzant encara més el fenomen.

2.  L’ús dels sistemes encastats en l’educació En un nou context que està aflorant, les tecnologies productives digitals i l’ús d’Internet com a xarxa de coneixement global, combinats amb dinàmiques de cocreació, coinnovació, generació de coneixement distribuït i la cultura de compartir, contribueixen a un canvi de model en els sistemes d’ensenyament [12]. Aquest canvi en el model d’ensenyament ha estat propiciat principalment per dos factors: el primer, la digitalització de les aules provocada per l’entrada dels ordinadors, els mòbils i l’accés a Internet; i el segon, per les indústries, que com a coneixedores de les necessitats digitals veien la manca de gent formada en informàtica des de l’ensenyament obligatori com una amenaça a la seva supervivència. Aquesta mancança va provocar que diverses indústries establertes al Silicon Valley fessin una petició conjunta de canvis curriculars a la National Science Foundation (NSF) l’any 2009. Des de llavors, i fins i tot abans, s’han generat moltes iniciatives de grups de treball i de professorat que, sense comunicar-se

ELS SISTEMES ENCASTATS: IMPACTE I REPTES DE FUTUR

Internet

entre ells, han vist la necessitat fonamental de conèixer com funcionen els dispositius del món digital i incorporar-los en les matèries curriculars. De resultes de la pressió docent, la competència digital ha estat assenyalada per la Comissió Europea com una de les competències clau del segle xxi. Roxanne Emadi, estratega de Code.org, un grup amb seu a Seattle que promociona l’«Hour of code» (una introducció a la programació d’una hora per mostrar que tothom pot aprendre a programar), diu que els nens i nenes d’avui dia estan enganxats als telèfons i a les tauletes, que estan constantment utilitzant la tecnologia, però molt pocs estan aprenent a crear-la. Actualment, a Europa existeixen dos models d’ensenyament on la informàtica s’ensenya des de primària; un és a Estònia, des de fa quatre anys i per a alumnes de set a dinou anys, i l’altre és a Anglaterra, que durant el curs 2014-2015 ha començat a implantar el programa anomenat «Computing at school» (CAS) també des de primària, el qual ha marcat com a objectiu que en acabar la secundària els alumnes han de saber dos llenguatges de programació. A Catalunya, tot i la cotilla que representa el sistema educatiu dissenyat a Madrid, des de la Conselleria d’Ensenyament s’ha deixat clar en el setè fòrum ITworldEdu i, posteriorment, en el Mobile World Congress d’enguany que la competència digital és un objectiu a assolir pel sistema educatiu català. Una d’aquestes iniciatives és el conveni signat per l’Ajuntament de Barcelona amb la New York Academy of Sciences (NYAS) per a promoure el programa STEM («Science, technology, engineering and mathematics») a Barcelona, de la mateixa manera que ja s’està fent a Nova York. La NYAS és la tercera institució científica més antiga dels Estats Units, sense ànim de lucre i amb més de 25.000 afiliats de 140 països de tot el món, i va decidir prendre accions per a resoldre el problema de la manca de motivació dels joves en el camp científic i tecnològic als Estats Units. Les activitats que desenvolupa la NYAS contribueixen a expandir el coneixement científic i tecnològic per mitjà d’iniciatives diferents. Una d’aquestes iniciatives és despertar l’interès de la població en el camp de la ciència i la tecnologia; d’aquí ve la creació del programa STEM, orientat principalment a fomentar vocacions en aquests camps entre els alumnes de secundària [13]. La iniciativa STEM, mencionada anteriorment, utilitza una placa anomenada Arduino com a element clau dels mòduls d’aprenentatge en automatització i robòtica. La placa Arduino és un sistema de baix cost, de codi obert tant de programari com de maquinari, on les diferents versions estan pensades per a interaccionar amb objectes i construir dispositius de control interactius que poden detectar i controlar el món físic. Una de les fites importants quant al maquinari de baix cost va venir dels membres d’un equip de Cambridge [14,15], amb un PC de baix cost encarregat per l’emissora de televisió BBC per a una campanya d’educació d’àmbit nacional relacionada amb les noves tecnologies. En aquest moment, i sense sospitar l’èxit del futur, es creen els fonaments del que després serà un sistema encastat, la Rasp-

5


Joan Verdaguer-Codina, José Luis Rubiés, David Badia, Xavier Pi i Manel Frigola

la tecnologia avui

6

berry Pi [16], un PC de molt baix cost que està a l’abast de les classes socials més desfavorides. El director de desenvolupament educatiu de Raspberry Pi, Clive Beale, diu que de la mateixa manera que no ensenyem música a l’escola perquè tothom sigui concertista de violí, no estem tractant de fer de cadascun un científic de la computació, però el que estem dient és que és bo per a tothom entendre els conceptes bàsics de com funcionen internament les coses del món digital. Raspberry Pi treballa amb el sistema operatiu Raspbian (una distribució de Linux), que porta incorporats per defecte els llenguatges Python i Mathematica, per esmentar-ne un parell. A diferència del microcontrolador Arduino [18], la Raspberry Pi és un veritable ordinador personal i no només un controlador; per tant, des de la perspectiva de l’aprenentatge de la programació és una eina més adient. Ambdues eines es complementen: si volem detectar i controlar sistemes físics, val més fer servir un microcontrolador Arduino [6]. En canvi, per a la gestió de les dades obtingudes i la seva interconnexió al núvol d’Internet, és millor utilitzar la Raspberry Pi. Lego, empresa danesa, ha fet un gir al seu model de negoci basat en mecanismes simples mitjançant la introducció d’un sistema encastat que permet construir robots i programar tasques concretes d’una manera senzilla a estudiants de primària. Cal reconèixer que el sistema Lego Mindstorms és un model d’èxit de negoci a molts països; ara bé, no és econòmicament assequible per a moltes famílies i institucions educatives. La comparació és fàcil: pel preu d’un sistema Lego es poden comprar quasi vint plaques Arduino Uno. Val a dir que el producte Lego està molt ben acabat i les competicions de la Lego League són un esdeveniment mundial en el sector educatiu. Però el començament de tota aquesta revolució digital [19] amb els sistemes encastats a les escoles no hauria estat possible si no hi hagués hagut un esforç en el desenvolupament de llenguatges de programació dels sistemes encastats que d’una manera senzilla i gràfica en permetessin el control. En aquest sentit cal destacar la tasca realitzada per un grup d’informàtics que en el Citilab de Cornellà de Llobregat va treballar per adaptar un senzill llenguatge basat en la composició gràfica de mòduls anomenat Scratch, del MIT, com una altra opció per a programar les plaques Arduino l’any 2010; van crear així l’anomenat «Scratch for Arduino» (S4A), que té una important comunitat d’usuaris [20]. De fet, els alumnes de la iniciativa educativa STEM que es porta a terme a Barcelona programen la placa Arduino amb Scratch. Un altre exemple de l’esforç per a apropar les tecnologies informàtiques als estudiants és el que va iniciar un professor en el curs 2011-2012 amb el projecte «Python at K7» (K7 és l’equivalent a primer d’ESO als Estats Units) que té per objectiu introduir la programació a primer d’ESO: és una alternativa que dura un trimestre i que està lligada a tot un projecte educatiu fins a arribar als treballs de recerca de batxillerat. L’avantatge del llenguatge Py­thon és la seva simplicitat inicial; se’l podria comparar amb el llenguatge BASIC dels anys setanta, però Python és po-

tent com C++ o Java, amb l’avantatge que inicialment Py­ thon no demana una gran capacitat d’abstracció per part dels que s’inicien en la programació. Seguint la recomanació de molts grups que promouen l’educació en tecnologia, és necessari que les generacions que són a les escoles aprenguin a crear la tecnologia que fan servir, perquè si tenen una bona idea amb coneixements informàtics puguin iniciar una aventura empresarial. En el programa CAS, els alumnes del nivell KS3 (el KS3, segons la nomenclatura d’Anglaterra i el País de Gal· les, inclou els alumnes d’edats compreses entre els onze i els catorze anys) treballen amb el joc Minecraft, que està adaptat a la Raspberry Pi per programar amb Python, i així s’ensenya a programar. Un altre factor que no hem d’obviar i que, en principi, no es va tenir en compte és la proliferació de l’ús del mòbil a les aules i la seva evolució. Aquesta situació es va començar a corregir amb la designació per part de la GSMA (Global Society Mobile Association) de Barcelona com a seu del Mobile World Congress, fet que va provocar que des del Govern de Catalunya i, concretament, des de la Conselleria d’Ensenyament es creés el programa «mSchools» [21]. En el programa educatiu «mSchools», estudiants de quart d’ESO, batxillerat i cicles formatius de grau mitjà aprenen a programar aplicacions per a dispositius mòbils i a controlar sistemes encastats des del mòbil, la qual cosa anticipa ja la revolució que està a punt d’arribar, la IoT. La penetració dels sistemes encastats a les escoles, junt amb la simplificació dels llenguatges de programació, està ajudant a introduir el pensament computacional i el treball per projectes com a element fonamental del procés d’aprenentatge a l’escola. Els pares i mares cada cop tenen més clar la importància que té la formació en informàtica per als seus fills. El resultat és un important augment de l’oferta d’activitats extraescolars que posen el focus en la robòtica educativa, la programació i l’ús dels sistemes encastats. Finalment, queda l’ensenyament no reglat, que parteix de les iniciatives personals amb xarxa, les quals en alguns casos són entitats sense ànim de lucre. Aquest és el cas de la CoderDojo Foundation, una xarxa global de clubs de programació gratuïts per a joves d’entre set i disset anys, formada per voluntaris independents que treballen en comunitat i que funciona en ciutats com Barcelona. L’objectiu és compartir coneixement, el treball comunitari, la tutorització de joves i la programació com una força per a anar a un món millor. És evident que una munió de diferents programes educatius pot provocar un efecte no desitjat, i per aquest motiu es pretén aglutinar aquestes iniciatives. Així mateix, l’existència d’un conveni, sota el model de Centre d’Innovació Compartida, entre el Citilab i la Direcció d’Innovació de l’Institut Municipal d’Informàtica de l’Ajuntament de Barcelona és, sens dubte, una bona notícia que permetrà disposar d’una col·laboració continuada en el temps i que donarà els primers fruits amb la incorporació d’una funcionalitat que permet fer servir alguns serveis d’Internet, o la Xarxa d’Ateneus de Fabricació a Barce-


3.  L’impacte dels sistemes encastats en la indústria L’informe anual de 2013 de Siemens incorpora el discurs de la quarta revolució industrial plantejat per l’Acadèmia de Ciència i Enginyeria alemanya (Deutschen Akademie der Technikwissenschaft, Acatech) en el document Recommendations for implementing the strategic initiative Industrie 4.0 [3], en el qual es destaca la importància dels sistemes encastats i s’assigna al programari un paper omnipresent en tots els passos requerits en el desenvolupament de productes, la seva fabricació i el seu manteniment. L’anomenada quarta revolució industrial (Industry 4.0) descrita en aquest document d’Acatech es fonamenta en dos pilars: la Internet de les coses i els sistemes ciberfísics. L’informe anual de Siemens de 2013 situa aquesta revolució en «el temps del demà», però alguns investigadors [4, 5] adverteixen de la necessitat de construir un cos de coneixement formal, consistent i complet per a aquests pilars. «Demà» [4] pot ser el mateix 2017. Els sistemes encastats han estat identificats com a crucials, ja que han estat considerats com a KETS (key enabling technologies) pels experts de la Unió Europea [6] per al període 2014-2020, i han estat enquadrats en el programa estratègic ECSEL, que és l’hereu dels programes precedents ARTEMIS i ENIAC, de sistemes encastats i nanotecnologia, respectivament. Des del punt de vista normatiu, el discurs de la IoT s’ha incorporat al discurs dels comitès d’estàndards, que representen dos corrents en l’àmbit de l’automatització industrial. D’una banda, hi ha el comitè AENOR/CTN 116 (Sistemes Industrials Automatitzats, corresponent a l’ISO/TC

184, «Sistemes d’automatització i integració») i, de l’altra, l’AENOR/CTN 203 (Equipament Elèctric i Sistemes Automàtics per a la Indústria, que correspon a la IEC/TC 65, «Mesura i control en processos industrials»). En l’última dècada, la interacció de tots dos amb l’AENOR/CTN 71 (Tecnologia de la Informació, corresponent a l’ISO/IEC JTC 1, «Tecnologia de la informació») s’ha incrementat de manera contínua a causa del fenomen identificat per Rockwell Automation denominat convergence [7], que consisteix en l’aproximació tant tècnica com cultural entre els mons de la informàtica de planta i de la informàtica de gestió, és a dir, entre els mons de la fabricació i de les TIC, i que afecta no només aspectes tecnològics com protocols de comunicació, sinó també la problemàtica derivada d’equips mixtos amb professionals que provenen de comunitats amb mentalitats diferents. Els sistemes encastats són el bloc constructiu que està propiciant aquestes convergències inevitables. Ja actualment vivim l’eclosió de la Internet de les coses també a la indústria. La connectivitat de tot amb tot obliga els estàndards a ser realment compatibles, la qual cosa força els actors a la interoperabilitat i, per tant, a l’estandardització dels components, i això té com a conseqüència una baixada important dels preus. En un context de societat del coneixement, Internet i el moviment Open (provinent del programari Open Source), la tercera onada del DIY (la primera va ser la física, a principi del segle xx; la segona va ser la cíber, als anys vuitanta, i la tercera és la ciberfísica), anomenada moviment maker, comença a ser vista per alguns analistes [2] com els primers passos cap a una nova forma de fer negocis i de fer indústria. A les interfícies HMI (persona-màquina) s’han afegit les interfícies M2M (màquina-màquina), l’adquisició de dades intel·ligents i les xarxes basades en més o menys mesura en les capes de comunicacions sobre Ethernet/IP (ProfiNet, Modbus TCP, xarxes Ethernet industrials propietàries), ja siguin amb cable o sense fil. També en aquesta evolució l’arquitectura d’ordinadors basada en PC industrials ha pres protagonisme als autòmats en les tasques més complexes i polivalents en incorporar funcions de procés determinista, en temps real i de seguretat industrial. Els PLC (controladors lògics programables) s’han fet més polivalents quant a comunicacions i àmbits d’aplicació, integrant en l’equip propi la interfície (HMI) i aplicacions de gestió de la producció, de control per lots, d’eficiència energètica i d’anàlisi de paràmetres de procés. De manera paral·lela, els sistemes encastats aplicats a l’automatització industrial progressen des d’una volguda especialització funcional i integració física fins a la incorporació d’arquitectures més obertes i funcions més generalistes basades en els processadors d’alta densitat d’integració i multinucli, molt usats en el món dels telèfons mòbils. Els dispositius multiprocessador que combinen dos o més nuclis en un únic processador esdevenen la nova plataforma estàndard per als fabricants de sistemes encastats industrials. Amb aquest potencial, els usuaris de sistemes encastats disposen d’un sistema complet en un

ELS SISTEMES ENCASTATS: IMPACTE I REPTES DE FUTUR

lona. Un dels seus pilars fonamentals és el programa educatiu, tant per a aquells que ja són fora de l’escola com per a aquells que, a causa d’unes circumstàncies determinades, no han pogut accedir a l’aprenentatge digital. La xarxa permetrà una aproximació ràpida a la robòtica, a la cultura del prototip i de la impressió 3D, i contribuirà així a la cultura del DIY i la seva evolució en el treball en grup, que s’anomena do it with others (DIWO). Tot això té un propòsit final, que és la millora socioeconòmica de la ciutadania, i en aquest objectiu entra el concepte ciutat intel·ligent (smart city, en anglès), la qual no es pot entendre sense ciutadans capaços d’aprendre i entendre la tecnologia, i aquesta tasca comença a l’escola. Una ciutat no serà intel·ligent si no és social i inclusiva, i situa el ciutadà o ciutadana en la posició central. En cas contrari, incorrerem en el risc de crear un nou tipus de pobresa que podem anomenar pobresa digital. Estem parlant d’un canvi d’època, no pas d’una època de canvi. En aquest canvi d’època, els sistemes encastats seran la base de la IoT, on cada objecte tindrà la seva empremta digital. El món educatiu ha d’incorporar la robòtica educativa, els sistemes de control físics, la programació de mòbils, els anomenats wearables (dispositius que formen part de les peces de roba i complements), un seguit de SE que desperten la curiositat dels nostres estudiants.

7


Joan Verdaguer-Codina, José Luis Rubiés, David Badia, Xavier Pi i Manel Frigola

la tecnologia avui

8

mateix xip que combina prestacions, capacitats de maquinari i programari en unes mides adequades i amb un consum reduït d’energia. El sistema en un xip o SoC, del terme anglès system on a chip, descriu la tendència cada vegada més freqüent d’usar tecnologies de fabricació que integren tots els mòduls components, o una gran part d’aquests, d’un ordinador o qualsevol altre sistema informàtic o electrònic en un únic circuit integrat o xip. Els proveïdors de sistemes d’automatització que fonamenten la seva arquitectura de sistemes en una certa homogeneïtat de tipus de processadors disposen en la nova generació de SoC d’un nou ventall de possibilitats per a combinar tipus heterogenis de processadors. Disposen de microcontroladors, de processadors per a aplicacions específiques com ara el control discret, el procés continu, el control de moviment, les interfícies de comunicacions o d’usuari. Disposen també de diferents sistemes operatius en temps real, deterministes o no, ja siguin sistemes oberts o propietaris. El domini d’aquesta diversitat tecnològica és un nou repte que les empreses estan afrontant per poder extreure’n tot el potencial. Pel que fa a les comunicacions, els sistemes industrials de control distribuït amb múltiples dispositius discrets actualment es gestionen amb interfícies estàndard sobre ports en sèrie, busos de camp i/o Ethernet, amb protocols com ara el clàssic OPC (OLE for process control) per a accés a dades, alarmes i esdeveniments en temps real o dades històriques. La consolidació de dispositius en un únic SoC requereix estratègies de comunicació addicionals basades en una comunicació entre processos IPC (inter-process communication) robusta i segura. El més recent protocol de comunicacions OPC - Unified Arquitecture (OPC-UA) (vegeu https://opcfoundation.org), que aporta una més gran fiabilitat a les comunicacions industrials M2M, disposa ja de versions de mercat, on la comunicació per OPC-UA es pot implantar en sistemes encastats i microcontroladors. D’altra banda, els desenvolupadors de productes industrials necessiten una manera d’optimitzar el rendiment general i caracteritzar l’arquitectura del sistema adequadament abans de la seva implantació en aplicacions crítiques. Qüestions com: quines prestacions es requereixen dels SE?, quines funcions han de ser configurables?, com se supervisarà el maquinari?, com s’engegarà i s’apagarà el sistema?, amb quins nivells de seguretat i encriptació de dades cal realitzar les comunicacions?, com se simularà i provarà el sistema?, entre altres, són clau abans de realitzar el disseny del sistema. Cal dissenyar els sistemes encastats de manera que s’aprofiti al màxim la partició del sistema en múltiples nuclis i la seguretat intrínseca del maquinari, mitjançant la implantació d’arquitectures avançades de seguretat i el compliment de la norma ISA/IEC-62443 (anteriorment, ISA-99), estàndard de seguretat cibernètica de la indústria. Per a assolir aquests reptes, la tecnologia system on a chip suposa un desafiament tècnic, i per això necessita enginyers i professionals capacitats, experts en disseny de maquinari, en desenvolupament de programari, en verificació i depuració de sistemes complexos.

Una de les aplicacions que despunten dels sistemes encastats en la indústria en general es basa en el desenvolupament i l’aplicació de microsensors industrials autònoms, sense fil i de baix consum, que faciliten dades per al manteniment predictiu dels equips als quals materialment s’adhereixen per a registrar contínuament una diversitat de senyals i d’esdeveniments: polsos, corrents, vibracions, pressions, temperatures, sorolls, velocitats, colors, consums, fuites, deformacions, etc. Una altra punta de llança en les indústries de procés (alimentari, químic i biotecnològic) són els sensors analítics de procés que, integrats en el mateix reactor, permeten registrar i analitzar les dades dels paràmetres crítics (temperatura, humitat, pressió, composició química, pH, etc.) en temps real i mantenir automàticament el procés sota control. A tall de conclusió, els nous sistemes encastats facilitaran als fabricants de maquinària i als integradors de sistemes que els incorporin en els seus productes i solucions una clau diferencial per al seu futur, ja que podran afegir noves funcionalitats, integrar el manteniment, possibilitar l’assistència remota, allargar el cicle de vida dels productes, adaptar el factor de forma del producte i reduir-ne el consum energètic. El valor més important per als usuaris finals a la indústria i els seus proveïdors d’automatització i de la IoT industrial serà que els seus sistemes encastats puguin ser útils, eficients, fiables i segurs durant els quinze o vint anys d’operació previstós per a la maquinària a la qual donen servei, funcionant les vint-i-quatre hores del dia i els set dies de la setmana en els entorns de producció i de logística més exigents.

4.  La tecnologia actual i els reptes del futur Podríem dir que avui dia trobem els SE en la majoria d’aparells electrònics. Llavors, quin és el pas següent? Si analitzem l’evolució en prestacions dels microcontroladors integrats, ens podrem fer una idea de com pot ser el futur. En l’inici de la dècada dels setanta, els primers microcontroladors podien calcular aproximadament cent mil operacions per segon. Amb els avenços en les tecnologies d’integració, a principi del segle xxi ja s’assolien xifres pròximes al miler de milions d’operacions per segon. En trenta anys la seva potència de càlcul s’ha multiplicat per deu mil. Quant a la capacitat de memòria, aquesta s’ha vist ampliada en un factor similar al de la velocitat de processament. L’augment de l’escala d’integració ha permès incloure dins del xip prou memòria, una interfície de comunicació o diverses (CAN, Bluetooth, Ethernet) i dispositius auxiliars (temporitzadors, acceleròmetres, GPS, etc.). Quant a les mides, s’ha passat dels 5 cm de llarg per 2 cm d’ample, als anys setanta, als poc més de 2 × 2 mm el 2010. En els últims anys les capacitats d’integració han seguit la seva evolució i han arribat a fites d’integració que fa pocs anys eren impensables (figura 2). Hitachi va presentar al principi del 2006 un xip d’identificació per radiofreqüència (RFID) de 0,15 × 0,15 mm.


Aquest xip és fabricat amb un encapsulatge proveït d’un elèctrode de doble superfície, i per tant, malgrat la seva mida, encara és possible connectar-lo amb antenes i fonts d’energia externes al xip. Una altra revolució han estat els substrats flexibles dels xips (figura 3). L’electrònica impresa sobre plàstic permet desenvolupar xips i circuits impresos adaptables a gairebé qualsevol superfície. Uns investigadors del Swiss Federal Institute of Technology han desenvolupat un xip [8] flexible i transparent sobre un polímer anomenat Parylene, d’una micra de gruix. Actualment ja s’estan desenvolupant xips flexibles en diferents substrats i s’han aconseguit prestacions semblants a les dels xips convencionals de silici. L’evolució del consum d’energia dels xips és un tema molt extens i depèn del tipus d’aplicació per a la qual van destinats, però en termes generals la reducció de la ràtio de consum per unitat de superfície ha estat més modesta. De manera molt aproximada, en doblar la densitat de transistors per unitat d’àrea s’ha incrementat la velocitat d’operació en un 40 %, mentre que el consum per unitat de superfície s’ha mantingut en valors similars [9]. Avui dia, existeixen xips comercials amb ràtios de 100 µA per MHz, i tan sols baixen a 1 µA en mode d’hibernació. En certa manera, la relació d’amperes per MHz ens indica que, per a reduir el consum, cal reduir la freqüència d’operació, la qual cosa implica obtenir menys prestacions quant a la velocitat de càlcul del sistema. L’evolució tecnològica ha estat molt més lenta quant a mètodes d’obtenció d’energia innovadors. Normalment els sistemes de baix consum prenen l’energia de petites

Figura 3.  Fotografia d’un xip flexible. Font:  Heath Group, Caltech.

Figura 4.  Els xips submil·limètrics ingeribles incorporats a les pastilles podrien proporcionar dades de camp molt valuoses a les indústries farmacèutiques. Font:  Proteus Biomedical.

ELS SISTEMES ENCASTATS: IMPACTE I REPTES DE FUTUR

Figura 2.  El microcontrolador KL03 és actualment un dels dispositius ARM (Advanced RISC Machines) més petits del món, amb només 1,6 × 2 mm. Font: Freescale.

piles botó, que amb més o menys freqüència s’esgoten i cal canviar periòdicament. La recerca en tecnologies d’extracció d’energia de l’entorn (energy harvesting) ofereix solucions molt prometedores, però encara dotades de prestacions energètiques molt parcials. Les principals fonts d’energia d’aquest tipus de sistemes són: mecànica, lumínica, electromagnètica, tèrmica i bioquímica. Les energies produïdes a partir d’aquestes tècniques d’extracció són molt diverses i fortament dependents de l’entorn on està immers el dispositiu però, per a tenir uns ordres de magnitud, es podria dir el següent: de l’energia mecànica del so ambient es pot extreure aproximadament uns 10 mW/cm2 mitjançant transductors piezoelèctrics; dels moviments cinemàtics del cos, uns 40 μW/cm3; de la llum ambient, 50 mW/cm2; dels senyals de radiofreqüència (RF), al voltant de 50 µW/cm2; 50 µW/cm2 de les variacions termodinàmiques, i 100 µW/cm2 de les reaccions bioquímiques (sucre en sang). Aquestes tècniques d’extracció d’energia es poden combinar i emmagatzemar en bateries ultrafines realitzades amb elements de molt baix cost, com els ions de sodi [10], o en finíssims condensadors [11]. Cal incloure aquí els avenços derivats del descobriment del grafè: supercondensadors, conductors elàstics, transistors capaços de commutar en el rang del THz i un llarg etcètera. Amb el grafè els dispositius electrònics estan fent un pas de gegant. La revolució dels xips amb elements microelectromecànics integrats (MEMS) ha representat un nou paradigma en el disseny de sistemes encastats. Amb aquestes tecnologies, alguns dels elements mecànics o electromecànics es poden integrar a escala micromètrica dins dels xips. Gràcies a aquestes tecnologies hi ha disponibles en el mercat dispositius anomenats smart sensors (sensors intel·ligents). Aquests xips smart sensors estan dotats de capacitats sensorials per a adquirir dades de l’ambient i transmetre-les per ràdio o, fins i tot, amb capacitat per a actuar (nanorobòtica). En la figura 4 es mostra una versió dels xips smart sensors incorporats en píndoles que permetran a les farmacèutiques comprendre millor el procés d’absorció dels medicaments gràcies a un volum massiu de dades provinents de milers d’usuaris.

9


Joan Verdaguer-Codina, José Luis Rubiés, David Badia, Xavier Pi i Manel Frigola

la tecnologia avui

10

Els futurs escenaris que poden sorgir amb aquestes noves tecnologies plantegen nous reptes en el disseny de maquinari i programari. Un dels reptes que cal abordar és la manera de crear xarxes de dispositius dinàmiques, xarxes on els dispositius col·laboren en la comunicació redirigint els missatges dels dispositius que no tenen prou cobertura. La principal dificultat sorgeix quan els nodes que configuren aquesta xarxa han de redirigir els missatges de dispositius veïns, fins i tot quan aquests nodes estiguin en mode d’hibernació. Tot i que el processador del dispositiu estigui en pausa, es fa necessari dissenyar una interfície de comunicacions sense fils de tal manera que estigui activa en tot moment, però utilitzant uns consums d’energia extremament baixos. Els avenços tecnològics permeten ser optimistes i en les properes dècades totes aquestes tecnologies podran ser una realitat comercial. Si condensem tots els avenços descrits en un únic component electrònic, cal esperar que el resultat sigui un dispositiu d’unes mides similars a una petita etiqueta adhesiva, amb un alt potencial de còmput, una intercomunicació molt versàtil i una durabilitat energètica de diverses dècades, que adquirirà i processarà diverses dades de l’entorn i que enviarà la informació rellevant al núvol d’Internet. Bàsicament, la revolució estarà en el seu cost ultrabaix, mides molt reduïdes i autosuficiència energètica. Si aquest escenari esdevé realitat, la indústria podrà incorporar aquest tipus de tecnologia sense pràcticament cap cost addicional en tota la seva gamma de productes. Per exemple, en el sector de l’alimentació, es podran incorporar als envasos dels productes sensors intel·ligents que enregistraran tots els esdeveniments de la cadena de fred durant el transport i l’emmagatzemament. Aquests sensors avisaran en cas que s’alteri la qualitat del producte a causa d’un trencament de la cadena de fred i, fins i tot, podran avisar d’una alteració del producte malintencionada o un robatori. Un altre exemple del que l’escala i el cost tan reduïts dels xips permetrien fer seria incorporar aquests dispositius en les monedes i els bitllets per poder-ne fer un seguiment. Els objectes dotats de sensors intel·ligents es podran fer un autodiagnòstic i enviar un avís en cas d’anomalies o defectes detectats causats per l’envelliment o pel mal ús. Es podran implantar en les persones sensors biomètrics per monitorar el seu estat de salut. Els cotxes es comunicaran els uns amb els altres per avisar-se si hi ha algun accident o una retenció inesperada. Apareixeran centenars de noves aplicacions i les ja existents es portaran a nivells mai imaginats. Les increïbles prestacions dels nous xips faran possible implantar aquest tipus de dispositius en tot tipus d’objectes, vegetals, animals i persones.

5. Conclusions Durant els primers setanta anys del segle xx es va desenvolupar l’enginyeria de la part física dels sistemes electromecànics, i des dels anys setanta fins ara s’ha desenvolupat

l’enginyeria del control digital d’aquests sistemes, és a dir, el que en podríem anomenar el component cíber. La confluència d’ambdós mons de manera integrada en una nova generació d’objectes és la base d’una nova era fonamentada en els anomenats sistemes ciberfísics, un dels pilars de la quarta revolució industrial, juntament amb la Internet de les coses, que planteja la qüestió de la comunicació global d’aquests dispositius. Cal prendre mesures en un ampli ventall d’àmbits. Al final del segle xx, Catalunya va perdre la carrera dels xips integrats a molt gran escala (VLSI) basats en el silici, i si no fem un esforç, perdrem la carrera dels sistemes encastats moderns, principalment en aquells que estan basats en els nous materials com el grafè o els substrats flexibles. Cal motivar les empreses a prendre accions en aquest àmbit; altrament, la distància existent entre la tecnologia i la capacitat real de la indústria catalana es farà més i més gran. Paral·lelament, aquells que han de fer realitat la IoT són la generació dels joves estudiants d’avui. En conseqüència, l’actual generació de futurs enginyers s’ha de formar en molts aspectes de la tecnologia, però cal també incentivar-los i motivar-los adequadament per a poder tenir prou massa crítica d’enginyers per afrontar el repte. Es fa necessari incloure els continguts essencials de programari i maquinari en els currículums educatius. Si no s’hi posa remei, aviat Catalunya serà un país amb una dependència exterior excessiva en aquesta tecnologia. És difícil predir el futur i fins a quin punt la tecnologia incidirà en el model productiu, però en el que sí que coincideixen la majoria d’analistes és que les habilitats digitals seran un factor clau de la competitivitat de les empreses en el futur, i benvingudes siguin les iniciatives que ajudin a l’augment de les vocacions tecnològiques perquè les generacions que s’estan formant siguin capaces de gestionar aquestes empreses i el món que vindrà. ■

6. Bibliografia [1] Pi, Xavier (2011). «Sistemas embedded». Automática e Instrumentación, núm. 429, p. 76-89. ISSN 0213-3113. [2] Anderson, Chris (2012). Makers: The new industrial revolution. Nova York: Crown Publishing Group. ISBN 0771007604. [3] Kagermann, H.; Wahlster, W.; Helbig, J. (ed.) (2013). Secur­ ing the future of German manufacturing industry: Recommendations for implementing the strategic initiative Industrie 4.0: F inal report of the I ndustrie 4.0 W orking G roup. Berlín: Forschungsunion im Stifterverband für die Deutsche Wirtschaft. [4] Sifakis, Joseph (2009). «The embedded systems design scientific challenges and work directions». ArtistDesign NoE - Embedded Systems Seminar. Brussel·les, 18 de juny de 2009. [5] Jeschke, Sabine (2013). Cyber-physical systems: History, presence and future. Aquisgrà: Industrial Advisory Board: RWTH Aachen University. Faculty of Mechanical Engineering.


ide and oxide nanosheets: Synthesis, characterizations and excellent supercapacitor performances». Scientific Reports, núm. 4. [12] Marina, José Antonio; Garicano, Luis; Molinas, César (2014). «Hay que cambiar el sistema educativo por otro más creativo». El País (29 setembre), p. 11. [13] <http://www.livscience.com/43296-what-is-stem -education.html>. [14] <http://www.theguardian.com/technology/2001/ mar/08/onlinesupplement5>. [15] <http://www.theguardian.com/tv-and-radio/2009/ oct/09/micro-men-sinclair-curry>. [16] <http://www.theguardian.com/technology/2012/ mar/25/bbc-micro-30-years-acorn-sinclair>. [17] <http://en.wikipedia.org/wiki/Arduino>. [18] <http://en.wikipedia.org/wiki/Arduino>. [19] <http://www.eetimes.com/author.asp?section _id=36&doc_id=1323907>. [20] <http://s4a.cat/>. [21] <http://mobileworldcapital.com/ca/programes/ mschools/>.

ELS SISTEMES ENCASTATS: IMPACTE I REPTES DE FUTUR

 [6] European Commission (2013). Cyber-physical systems: Uplifting Europe’s innovation capacity. Report del Workshop on Cyber-Physical Systems: Uplifting Europe’s Innovation Capacity. Brussel·les, 29 i 30 d’octubre de 2013.   [7] Rockwell Automation (2011). Manufacturing convergence practices and trends: P erspectives from providers and customers.  [8] Salvatore, Giovanni A.; Münzenrieder, Niko; Kinkeldei, Thomas; Petti, Luisa; Zysset, Christoph; Strebel, Ivo; Büthe, Lars; Tröste, Gerhard (2014). «Wafer-scale design of lightweight and transparent electronics that wraps around hairs». Nature Communications, núm. 5.  [9] Borkar, Shekhar; Chien, Andrew A. (2011). «The future of microprocessors». Communications of ACM [en línia], vol. 54, núm. 5. [Consulta: 27 de novembre 2011]. [10] Su, Dawei; Dou, Shixue; Wang, Guoxiu (2015). «Ultrathin MoS 2 nanosheets as anode materials for sodium-ion batteries with superior performance». Advanced Energy Materials, vol. 5, núm. 6. [11] Zhu, Youqi; Cao, Chuanbao; Tao, Shi; Chu, Wangsheng; Wu, Ziyu; Li, Yadong (2014). «Ultrathin nickel hydrox-

11


la tecnologia avui

EL SINCROTRÓ ALBA, UNA EINA PER A IMPULSAR LA RECERCA I LA TECNOLOGIA Ana Belén Martínez,1 Gastón García, Joan Casas i Caterina Biscari Sincrotró ALBA (Cerdanyola del Vallès)

Resum: ALBA és la font de llum de sincrotró de tercera generació més nova construïda a l’àrea de la Mediterrània occidental. Ubicada a Cerdanyola del Vallès (Barcelona), es dedica a la generació de llum de sincrotró per visualitzar i analitzar la matèria i les seves propietats des del punt de vista atòmic i molecular. Cada any ofereix les seves capacitats analítiques a més de mil investigadors provinents tant de l’àmbit acadèmic com industrial. Gestionada pel Consorci per a la Construcció, Equipament i Explotació del Laboratori de Llum de Sincrotró (CELLS), està finançada a parts iguals entre el Govern central d’Espanya i la Generalitat de Catalunya. Paraules clau: sincrotró, accelerador, línia de llum, infraestructura, tecnologia.

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017), p. 12-19  •  ISSN: 2013-9861  •  DOI: 10.2436/20.2004.01.19  •  http://revistes.iec.cat/index.php/RTEC

THE ALBA SYNCHROTRON, A TOOL FOR PROMOTING RESEARCH AND TECHNOLOGY

12

Abstract: ALBA is the newest third-generation synchrotron light source built in the western Mediterranean. Located in Cerdanyola del Vallès (Barcelona Province), it is aimed at producing synchrotron light for the visualization and analysis of matter and of its properties at atomic and molecular level. ALBA offers its analytical capabilities to more than 1,000 researchers every year both from the academic and the industrial sectors. It is managed by the Consortium for the Construction, Equipping and Operation of the Synchrotron Light Laboratory (CELLS) and funded equally by the Spanish Government and the Catalan Government. Keywords: synchrotron, accelerator, beamline, infrastructure, technology.

1.  Què és la llum de sincrotró?

Q

ualsevol partícula que tingui càrrega elèctrica, que viatgi a velocitats relativistes i que descrigui una trajectòria corba emet el que anomenem llum de sincrotró. La llum de sincrotró és radiació electromagnètica i comprèn un rang de l’espectre que engloba des de l’infraroig fins als raigs X durs, passant per la llum visible i l’ultraviolat (tal com es pot veure en la figura 1). Atès que els raigs X tenen una longitud d’ona similar a la distància que hi ha entre els àtoms que componen la matèria, la llum de sincrotró esdevé ideal per a interaccionar-hi i, així, poder obtenir informació de l’estructura atòmica, la composició química, els dominis magnètics, etc., de la mostra analitzada. Tot i el descobriment dels raigs X a càrrec de Wilhelm Röntgen el 1895, la capacitat de generar llum de sincrotró no fou descoberta fins al 1947, quan als laboratoris de General Electric, a Nova York, investigadors que estaven provant un accelerador d’electrons van adonar-se que s’emetia radiació quan els electrons giraven

1.  Correspondència: Ana Belén Martínez, amartinez@cells.es.

a grans velocitats. Durant els anys posteriors, la llum de sincrotró continuava sent un efecte parasitari i fortuït que tenia lloc als acceleradors de física nuclear o d’altes energies. Però als anys seixanta s’inicia la construcció dels primers sincrotrons i el 1968 va ser construït Tantalus (als Estats Units), el primer sincrotró destinat en exclusiva a la generació de llum de sincrotró. Els grans avenços científics i tecnològics que el van seguir anys després van permetre construir instal·lacions cada vegada més ambicioses i modernes. Així doncs, es va arribar als anomenats sincrotrons de tercera generació, capaços d’aconseguir uns feixos de llum amb baixa emitància i que incorporen dispositius d’inserció per a emetre la llum de sincrotró. Els avantatges que presenta la utilització de la llum de sincrotró respecte a les fonts convencionals de raigs X són, fonamentalment, quatre: la disponibilitat d’un ampli espectre de radiació, l’alta brillantor del feix (figura 2), la capacitat de controlar la polaritat de la llum i la generació de llum polsada. Com mencionàvem anteriorment, la llum de sincrotró conté un ampli ventall (espectre) de radiació, que va des de l’infraroig fins als raigs X durs. Les fonts de llum de sincrotró com ALBA són capaces de generar tot


aquest ampli ventall. Fent un experiment en un sincrotró, es pot disposar de tota aquesta gamma alhora o, fins i tot, és possible seleccionar la longitud d’ona que requereix l’experiment. Per a fer-ho, caldrà recórrer al monocromador, un dispositiu òptic que es troba a les línies de llum de les fonts de llum de sincrotró. Els sincrotrons generen la llum en forma de con, i la brillantor es relaciona amb el grau d’estretor d’aquest con de llum i amb la quantitat total de fotons emesos per unitat de temps. Com més estret sigui el con i més gran la quantitat de fotons emesos, més brillant serà el feix generat. Atès que, en general, les mostres de matèria que s’investiguen als sincrotrons són de mides molt reduïdes, com més brillantor tingui el feix de llum més interacció llum-matèria hi haurà i, per tant, més informació es podrà obtenir sobre la mostra experimental. Això afavoreix la realització d’experiments ràpids, cosa que permet eliminar variables presents en una mesura lenta que entorpeixen la precisió, com ara la degradació temporal de les mostres, les vibracions i derives geomètriques o de temperatura, el soroll ambiental, etc. Un altre dels avantatges de la llum de sincrotró és que se’n pot controlar la polaritat o direccionalitat, fent que l’oscil·lació del camp elèctric associat es produeixi seguint una recta (polarització lineal), una circumferència (polarització circular) o una el·lipse (polarització el·líptica). El control de la polarització és útil per a molts tipus d’experiments diferents. Segons quin sigui el material, no reacciona igual davant de llum polaritzada de maneres diverses.

Per acabar, la llum emesa als sincrotrons és llum polsada. Els electrons que generen la llum viatgen dins dels acceleradors en forma de paquets, de manera que cada paquet emet un pols de llum. Normalment, aquests polsos tenen una durada de picosegons (10-12 s), separats entre ells per nanosegons (10-9 s), però es poden utilitzar dispositius d’inserció que generin polsos de l’ordre de femtosegons (10-15 s). Això obre la porta a examinar fenòmens molt ràpids, com ara reaccions químiques, i així poder estudiar canvis en la composició, l’estructura o la forma dels materials a mesura que es produeix la reacció.

Figura 2. Evolució històrica de la brillantor de la llum que ha assolit la tecnologia d’acceleradors. Font:  Elaboració pròpia.

El Sincrotró ALBA, una eina per a impulsar la recerca i la tecnologia

Figura 1.  Il·lustració de l’espectre electromagnètic, on es detalla el rang que comprèn la llum de sincrotró (des d’una part de l’infraroig fins als raigs X durs). Font:  Elaboració pròpia.

13


la tecnologia avui

2.  Un projecte fet realitat

Ana Belén Martínez, Gastón García, Joan Casas i Caterina Biscari

La idea de construir un sincrotró a Catalunya es va materialitzar a l’inici dels anys noranta. El 1992 es va nomenar una comissió que va estudiar la viabilitat i conveniència de construir un sincrotró, estudi que va obtenir unes avaluacions i resultats positius, ja que era un projecte d’abast internacional assumible pel cost i representava un repte tecnològic que permetria estimular la indústria local i nacional. El projecte va ser aprovat el 2003 i es va acordar finançar-lo a parts iguals entre l’Administració General de l’Estat espanyol i la Generalitat de Catalunya. Per a la seva gestió, va ser creat el Consorci per a la Construcció, Equipament i Explotació del Laboratori de Llum de Sincrotró (CELLS). La seva construcció es va iniciar el 2006, després d’haver dedicat uns anys al disseny i la formació d’un equip d’experts procedents d’arreu del món. ALBA va suposar l’arribada de personal investigador estranger, però també el retorn d’experts catalans i espanyols que es trobaven treballant a altres països. El 2010 l’obra estava finalitzada i també s’havia instal· lat amb èxit el complex d’acceleradors i les set línies de llum. Durant el 2011 i el 2012, la instal·lació funcionava en mode de proves fins que el maig de 2012 van arribar els primers usuaris oficials a la línia de llum BOREAS. Durant els mesos posteriors, la resta de línies van començar a operar de manera contínua.

14

3.  El sincrotró ALBA ALBA està destinat a produir llum de sincrotró per a permetre a la comunitat científica visualitzar i analitzar les propietats de la matèria, especialment des del punt de vista atòmic i molecular. Aquesta complexa infraestructura està composta per tres acceleradors: un accelerador lineal (LINAC, de linear ac­ celerator), un anell propulsor (booster ring) i un anell d’emmagatzematge (storage ring) (figura 3). Tant l’anell propulsor com el d’emmagatzematge es troben a l’interior d’un túnel circular d’uns 300 metres de perímetre, protegit amb un búnquer de formigó l’espessor del qual varia entre 1 i 1,5 metres segons el tram. El feix d’electrons es produeix al LINAC, a través del canó d’electrons. Per a fer-ho, s’escalfa un filament de tungstè a uns 1.000 ºC, el qual expulsa els electrons que es troben a la superfície del material. Aplicant una energia de 100 MeV amb una freqüència de repetició de 3 GHz, els electrons són injectats cada 2 minuts a l’anell propulsor. La fase d’acceleració següent té lloc al propulsor, on els electrons assoleixen 3 GeV per mitjà de camps electromagnètics en recórrer unes 150.000 vegades l’anell propulsor. Tan bon punt els electrons arriben als 3 GeV, són traspassats a l’anell d’emmagatzematge, on es mantenen circulant a una energia fixa de 3 GeV.

Taula 1 Principals paràmetres de funcionament del sincrotró ALBA

Energia del feix d’electrons

3

GeV

Circumferència de l’anell d’emmagatzematge

268

m

Emitància natural horitzontal

4,4

nm rad

Corrent nominal del feix

250

mA

Nombre de trams rectes disponibles

17

Nombre de línies de fase i

7

Nombre de línies de fase ii

2

Tant a l’anell propulsor com a l’anell d’emmagatzematge, s’utilitzen quatre tipus d’electroimants per a guiar i enfocar els feixos d’electrons al llarg de la seva trajectòria: imants dipolars (per a corbar la trajectòria dels electrons i també per a emetre llum de sincrotró; això ja succeeix a la línia de llum MISTRAL i pot funcionar en el futur per a altres línies), imants quadrupolars, imants sextupolars i imants correctors (que s’utilitzen per a ajustar l’òrbita amb màxima estabilitat d’una manera dinàmica). A l’anell d’emmagatzematge, quan els electrons són forçats a seguir una direcció corba, es genera llum de sincrotró de manera tangencial a la trajectòria. Aquesta llum de sincrotró es desvia a les línies de llum, on es duen a terme els experiments. Per aquest motiu, tot i la forma circular del complex d’acceleradors, les línies de llums es construeixen tangents a la trajectòria dels electrons. Els responsables de l’emissió de llum de sincrotró són els imants dipolars (per exemple, en el cas de MISTRAL, dins de les set primeres línies, tal com mencionàvem anteriorment) i els dispositius d’inserció que es troben a l’anell d’emmagatzematge. Els anomenats dispositius d’inserció són sistemes magnètics que permeten alterar la trajectòria que segueixen els electrons en travessar-los, ja que els obliguen a descriure una trajectòria sinusoïdal i aconsegueixen, així, adequar les característiques de la llum a les necessitats d’un experiment concret (variant el tipus de polarització, la brillantor, etc.). Un altre element clau del complex d’acceleradors són les cavitats de radiofreqüència. A l’anell propulsor i al LINAC, són les encarregades d’accelerar els electrons. A l’anell d’emmagatzematge, els electrons que giren als imants dipolars o als dispositius d’inserció perden part de la seva energia per transformar-la en llum de sincrotró. Són les cavitats de radiofreqüència les que s’encarreguen de compensar aquestes pèrdues d’energia i mantenir els electrons a la mateixa energia nominal (3 GeV). De fet, de la sincronia entre la freqüència del camp elèctric que impulsa els electrons i la freqüència de pas dels electrons per la cavitat prové la paraula sincrotró. Un aspecte no menys important és l’ultrabuit (10-10 mbar) que hi ha d’haver al tub que connecta els diferents acceleradors i les línies de llum. És indispensable per a evitar que els electrons (als acceleradors) i els fotons (a les línies de llum) col·lideixin amb qualsevol molècula de gas residual i es perdin, i, per tant, l’experiment no pugui realitzar-se.


Generació de llum de sincrotró Els electrons accelerats, en passar pels camps magnètics, experimenten un gir que provoca la generació de llum de sincrotró, la qual es propaga fins a les línies de llum.

Selecció de la longitud d’ona De la llum emesa, se selecciona la longitud d’ona que interessa per a fer cada experiment.

Anell propulsor S’acceleren fins a assolir velocitats molt properes a les de la llum.

Accelerador LINAC Es produeixen els electrons.

Anell d’emmagatzematge Detector La llum de sincrotró il·lumina la mostra que s’ha d’analitzar. Un detector capta la interacció de la mostra amb la llum de sincrotró.

Anàlisi de les dades S’emmagatzemen i s’analitzen les dades.

Figura 3.  Esquema dels acceleradors i línies de llum del sincrotró ALBA. Font:  Elaboració pròpia.

Al final del 2014, el sincrotró ALBA ha adoptat el sistema d’injecció de recàrrega contínua, injectant petites fraccions de càrrega, és a dir, d’electrons a l’anell d’emmagatzematge de manera contínua (per fer front a les pèrdues de feix degudes al cicle de vida finit). Aquest nou sistema —‌que substitueix l’anterior sistema de decaïment (en què es feien dues injeccions al dia)— assegura una càrrega tèrmica constant als acceleradors així com als components òptics de les línies de llum, fet que fa augmentar enormement l’estabilitat de la posició del feix de fotons a la mostra. Això, junt amb el flux de fotons constant sobre la mostra, fa que el nivell de senyal als detectors sigui constant, la qual cosa millora sensiblement la qualitat de les dades que es recullen als experiments desenvolupats a ALBA. Amb una capacitat total de 34 ports per extraure-hi la llum de sincrotró, el sincrotró ALBA disposa actualment de set línies de llum operatives de la fase i, que comprenen tant els raigs X tous com els raigs X durs. També disposa d’una línia dedicada al diagnòstic dels feixos d’electrons. El 2014 s’ha iniciat la construcció de dues línies de llum més de la fase ii, que estaran operatives per als usuaris

el 2017 i el 2019, respectivament. El 2015, la comunitat científica ha presentat sis noves línies de llum de fase iii, en espera de rebre finançament per a iniciar-les.

4.  Aplicacions científiques del sincrotró ALBA D’acord amb les aplicacions científiques, les línies de llum del sincrotró ALBA es poden dividir en tres grans grups: biociències, física de la matèria condensada i ciència de materials (taula 2). Tres línies de llum realitzen experiments en l’àmbit de les biociències: MISTRAL, NCD i XALOC. La línia de llum MISTRAL es dedica a la microscòpia de transmissió amb raigs X tous. Permet fer nanotomografies de material biològic amb una resolució espacial elevada i imatge espectroscòpica en diferents nivells d’absorció. Aquesta tècnica permet aconseguir imatges en tres dimensions de cèl·lules senceres en condicions similars al seu estat natural. Per aquest motiu, es tracta d’una eina de gran utilitat per a estudiar el comportament de virus i d’altres processos cel·lulars, el tractament amb

El Sincrotró ALBA, una eina per a impulsar la recerca i la tecnologia

S’emmagatzemen i es mantenen dins de l’anell utilitzant camps magnètics.

15


Ana Belén Martínez, Gastón García, Joan Casas i Caterina Biscari

la tecnologia avui

16

nanopartícules, etc. Des de la seva posada en marxa el 2013, ha realitzat diversos experiments en l’àmbit de la biologia estructural i del magnetisme. Com a exemples, mencionarem que a MISTRAL s’ha dut a terme el primer mapa tridimensional de cèl·lules infectades amb el virus de l’hepatitis C, en col·laboració amb el Centre Nacional de Biotecnologia (CNB-CSIC). També es van aconseguir les primeres imatges de cèl·lules mare endotelials humanes tractades amb nanopartícules, un projecte de recerca relacionat amb el tractament de l’ictus, en col·laboració amb l’Institut de Recerca de la Vall d’Hebron i l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC). A MISTRAL també s’han estudiat els dominis magnètics de mostres a escala nanomètrica, útils en la fabricació d’ordinadors i altres dispositius tecnològics. La complexitat científica i tecnològica d’aquesta línia fa que sigui un dels pocs instruments disponibles a tot el món per a realitzar aquest tipus d’anàlisis.2 La línia de llum NCD (difracció no cristal·lina) estudia mostres no cristal·lines amb ordre parcial de periodicitats grans (SAXS) i petites (WAXS), fet que possibilita l’anàlisi de fibres, solucions, polímers... Es tracta d’una línia de llum que és d’utilitat per a diversos àmbits científics (biomedicina, química, medi ambient, ciència de materials...) i industrials (polímers, cosmètica...). Recentment, investigadors de la Facultat de Geologia de la Universitat de Barcelona han analitzat a NCD la cristal·lització i el comportament de materials lípids com la mantega de cacau. També a la línia NCD s’han dut a terme estudis per a analitzar la morfologia d’un nou polímer (una estructura 3D biodegradable) que s’utilitza per a regenerar l’os quan hi ha una lesió o fractura. A banda d’examinar la morfologia d’aquest material, també es van dur a terme proves de resistència mecànica per a comprovar-ne el funcionament en condicions reals. XALOC està dedicada a la determinació de l’estructura de macromolècules a través de la cristal·lografia de raigs X. En concret, s’hi realitzen estudis de difracció de monocristalls on s’han fet créixer proteïnes o complexos de DNA/RNA de poques micres (entre 50-300 (H) × 6-100 (V) μm2). La línia inclou un braç robòtic que automàticament va carregant els cristalls —‌emmagatzemats en un tanc de nitrogen líquid— davant del feix de llum de sincrotró, a la vegada que el detector va recollint la interacció llum-mostra. El resultat que s’obté és un conjunt de patrons de difracció en diverses orientacions que, un cop tractats i analitzats, poden permetre reconstruir tridimensionalment l’estructura de la proteïna o complex estudiats. En aquesta línia, un grup d’investigadors de la Universitat d’Almeria han provat l’eficàcia d’una proteïna sintètica per a inhibir el virus del VIH-1. Un altre estudi l’han dut a terme uns investigadors de la Universitat Poli2.  Les altres fonts de llum que disposen d’aquesta tècnica són Bessy (Berlín, Alemanya) i ALS (Califòrnia, Estats Units). Actualment s’estan construint noves línies de llum amb aquesta tècnica en altres sincrotrons, com Diamond (Anglaterra) o SSRF (Xangai, Xina).

tècnica de Catalunya (UPC) que van resoldre l’estructura d’un fàrmac (el CD27), una nova alternativa per a combatre la malària. Pel que fa a l’àmbit de la matèria condensada, hi ha dues línies que hi treballen: CIRCE i BOREAS. La línia de llum CIRCE disposa de dues estacions experimentals: una de microscòpia de fotoemissió per a l’anàlisi química i de contrast electrònic i magnètic de superfícies (PEEM, microscòpia de fotoemissió d’electrons) i, l’altra, d’espectroscòpia de fotoemissió per a investigar reaccions químiques i superfícies a mostres líquides (NAPP, fotoemissió a pressions similars a l’ambiental). Al PEEM, investigadors de l’Institut de Química Física Rocasolano han determinat el moment magnètic de la superfície de la magnetita, fet que permetrà manipular l’espín de l’electró per a l’emmagatzematge i la manipulació de la informació als dispositius electrònics. Un dels darrers descobriments duts a terme al NAPP, en col·laboració amb la UPC, buscava millorar l’eficiència energètica dels catalitzadors. Mitjançant l’experiment dut a terme al NAPP, els investigadors van comprovar que els àtoms reaccionen de manera diferent en funció de les característiques del tipus de suport del catalitzador. Aquest descobriment pot ser de gran importància per a multitud de processos catalítics que tenen lloc en la indústria, com per exemple la reducció de gasos emesos pels vehicles. BOREAS ofereix les tècniques de dicroisme magnètic circular i dicroisme magnètic lineal amb raigs X, així com la de dispersió ressonant de raigs X, i permet l’estudi avançat de materials avançats com el grafè o els superconductors. Un dels exemples d’experiments que s’han dut a terme a BOREAS està relacionat amb la comprensió de l’anomenat sistema exchange bias, que té un gran impacte en la gravació magnètica de dades i pot contribuir a conèixer millor com es produeixen discs durs de dimensions reduïdes amb una densitat més alta de la informació. Dins de l’àrea de la ciència de materials, hi treballen les línies de llum MSPD i CLAESS. La línia de llum MSPD (ciència de materials i difracció de pols) disposa de dues estacions experimentals on es fa difracció a altes pressions —‌per a analitzar l’estructura cristal·lina de la matèria en unes condicions de pressió extremes (fins a 50 GPa)— i difracció a alta resolució i alta velocitat —‌per a estudiar estructures complexes, transicions de fase, etc. Investigadors de l’Institut de Tecnologia Química (UPV-CSIC) van resoldre l’estructura d’una nova zeolita (la ITQ-52) duent a terme estudis de difracció a MSPD. Aquesta nova zeolita pot tenir aplicacions en indústries com la petroquímica i la química. CLAESS es dedica a l’espectroscòpia d’absorció, per a estudiar reaccions químiques en condicions similars a les que tenen lloc durant els processos catalítics industrials. També té en construcció una segona configuració dedicada a l’espectrometria d’emissió de raigs X, que permetrà dur a terme l’anàlisi espectral de fluorescència d’alta resolució en energia. Un grup de la UPC i de la Universitat de Vic ha realitzat estudis de decoracions de vidre històriques


Taula 2 Tècniques i aplicacions científiques de les línies de llum de fase i i ii

Nom de la línia de llum

Nombre d’estacions experimentals

Tècniques

4

MSPD

2

Difracció de pols a alta resolució Difracció de pols a alta pressió

Estructura de materials Difracció amb resolució temporal

9

MISTRAL

1

Microscòpia de transmissió de raigs X tous Optimitzada a l’interval d’energies de la «finestra de l’aigua»

Tomografia criogènica d’objectes biològics Espectroscòpia amb resolució espacial

11

NCD

1

Difracció d’alta resolució per a angles grans i petits

Estructura i transformacions de fase de fibres biològiques, polímers i solucions Estudis de raigs X amb resolució temporal

13

XALOC

1

Difracció de raigs X de cristalls biològics de macromolècules

Cristal·lografia de macromolècules, amb particular èmfasi en cristalls de grans unitats cel·lulars

22

CLAESS

1

Espectroscòpia d’estructura fina d’absorció de raigs X estesa (EXAFS), espectroscòpia d’estructura d’absorció de raigs X prop del límit (XANES), Quick-EXAFS

Ciència de materials, química, estudis amb resolució temporal

24

CIRCE

2

Microscòpia de fotoemissió d’electrons (PEEM) Espectroscòpia de fotoemissió a pressions similars a l’ambiental (NAPP)

Nanociència i imatge de dominis magnètics (PEEM) Química de superfícies (NAPP)

29

BOREAS

2

Dicroisme magnètic Difracció magnètica ressonant

Magnetisme, magnetisme de superfícies i estructures magnètiques

01

MIRAS

1

Microscòpia d’infraroig Espectroscòpia d’infraroig

Ciències de la vida, ciències de l’alimentació, ciència de materials

Pendent de definició

LOREA

1

Espectroscòpia de fotoemissió de baixa energia amb alta resolució angular per a materials complexos

Ciència de materials

a CLAESS i MSPD. Mentre que a MSPD van identificar els compostos cristal·lins de les mostres, a CLAESS van poder dilucidar-ne l’especiació de coure. A més a més, ALBA ha posat en marxa la construcció de dues noves línies de llum de fase ii. El 2014 es va iniciar la construcció de MIRAS (dedicada a la microespectroscòpia d’infraroig) i el disseny de LOREA (destinada a la fotoemissió de baixa energia amb alta resolució angular per a materials complexos). Aquestes línies entraran en funcionament el 2017 i el 2019, respectivament.

5. Una instal·lació al servei dels investigadors i investigadores ALBA, reconeguda pel Govern espanyol com una infraestructura científica i tècnica singular (ICTS), està al servei de la comunitat científica perquè aquesta pugui fer ús de les seves capacitats analítiques. El sincrotró ALBA genera aproximadament sis mil hores de llum a l’any a cada línia experimental i ofereix servei a més de mil investigadors tant de la comunitat acadèmica com del sector industrial. Els projectes de recerca de l’àmbit públic són seleccionats per un comitè científic extern internacional i són escollits, en convocatòria pública, segons la qualitat científica de les propostes. Els projectes de l’àmbit privat poden sol·

Aplicacions científiques

licitar hores de llum per a realitzar els seus experiments d’acord amb una tarifa preestablerta. El sincrotró ALBA ha obert quatre convocatòries públiques de projectes des de l’inici de la seva operació, el 2012. En totes, la demanda ha superat el doble de la seva capacitat i, per tant, el 50 % de les propostes rebudes no han pogut obtenir hores de llum de sincrotró per a realitzar els experiments. El 76 % de les propostes provenen d’institucions ubicades a Espanya; el 22,5 %, d’institucions europees, i l’1,5 % restant, d’altres països. A través dels programes CALIPSO i BioStruct-X del 7è Programa Marc de la Unió Europea, el sincrotró ALBA ha acollit els usuaris procedents d’altres països europeus. Per donar servei als usuaris, els acceleradors i les línies de llum d’ALBA treballen en períodes continus de funcionament de 4-5 setmanes, les 24 hores del dia, els 7 dies de la setmana. Finalitzat aquest període (o run), es destina una setmana a realitzar tasques de manteniment i revisió (shutdown) per a començar un segon run, i així successivament, amb l’excepció d’una parada llarga (long shutdown) de 28-30 dies en període d’estiu i d’hivern, en què es concentren les activitats de manteniment que requereixen més temps (per exemple, la instal·lació de nous components a les línies o als acceleradors, etc.). La fiabilitat de la instal·lació és molt elevada (96,8 %). A continuació, podeu trobar detalls de l’operació d’ALBA en els darrers dos anys (taula 3).

El Sincrotró ALBA, una eina per a impulsar la recerca i la tecnologia

Port

17


la tecnologia avui

Taula 3 Detalls de l’activitat d’operació al sincrotró ALBA el 2013 i el 2014

2014 Hores previstes per a les línies de llum

3.740,5

h

3.069

h

Hores entregades a les línies de llum

3.621,2

h

2.971,5

h

Disponibilitat del feix

96,8

%

96,8

%

1.352,0

h

1.320,0

h

Temps mitjà entre pèrdues del feix

33,7

h

25

h

Temps mitjà de recuperació del feix

1,1

h

0,8

h

Hores destinades al desenvolupament dels acceleradors

Pel que fa a l’ús del sincrotró per part de les empreses, des de l’inici de l’operació al sincrotró ALBA, els usuaris industrials han utilitzat les tècniques d’anàlisi disponibles a les seves línies de llum. Si bé pràcticament cap empresa espanyola no havia fet servir mai llum de sincrotró per a la seva recerca, el nombre d’usuaris industrials va en augment i provenen de sectors diversos com el farmacèutic, els pigments, els semiconductors, els adhesius..., tant de companyies espanyoles com estrangeres. Fins i tot cal mencionar que, tot i que ALBA està operatiu des de mitjan 2012, s’ha arribat a acords de col·laboració amb la indústria, la qual, en alguns casos, finança personal científic que treballa al sincrotró ALBA.

Ana Belén Martínez, Gastón García, Joan Casas i Caterina Biscari

6.  ALBA, un espai multidisciplinari

18

2013

El 31 de desembre de 2014, la plantilla del sincrotró ALBA estava formada per 179 persones, organitzades en cinc divisions: Acceleradors (15 %), Administració (8 %), Computació i Control (26 %), Experiments (23 %) i Enginyeria (19 %), a més de l’oficina de direcció i l’equip de seguretat (9 %). El 91 % del personal del sincrotró ALBA té un perfil cientificotecnològic, mentre que el 4% és personal administratiu i el 5 %, personal de direcció. El 19 % del personal prové de països estrangers (principalment de països europeus, un 17 %). Com es pot deduir d’aquestes dades, el sincrotró ALBA és una instal·lació on la coordinació entre diferents disciplines científiques i tecnològiques és necessària per al bon funcionament dels acceleradors i poder dur a terme experiments de qualitat. A banda de l’activitat desenvolupada pels equips d’Acceleradors (que ja hem destacat quan descrivíem el funcionament d’ALBA) i d’Experiments (els investigadors i investigadores que treballen a les línies de llum, mantenint-les al més alt nivell de recerca i assistint els usuaris que vénen d’altres centres o universitats a fer ús de les tècniques disponibles), volem repassar ara les principals activitats d’altres divisions amb un fort component tecnològic. La divisió de Computació i Control ofereix un ampli catàleg de serveis que va des del cablejat i l’equipament electrònic necessari fins als sistemes de control per als acceleradors i les línies de llum, les infraestructures, els serveis i els sistemes de tecnologies de la informació.

La divisió d’Enginyeria, per la seva banda, ha anat guanyant coneixement i expertesa en el disseny i desenvolupament d’instrumentació científica per a les línies de llum, especialment, en l’àmbit de la mecànica i els mecanismes de precisió, la mecatrònica, la tecnologia d’ultraalt buit o la criogènia, àrees on, cada vegada més, ALBA desenvolupa els seus propis sistemes. D’altra banda, l’edifici del sincrotró ALBA i les infraestructures tècniques associades (climatització, refrigeració dels acceleradors, etc.) tenen unes característiques especials i exigents que requereixen un equip d’enginyeria altament especialitzat, tant en el manteniment i la gestió de les infraestructures existents, com en el disseny i la realització de noves infraestructures. Els acceleradors i les línies de llum reposen de manera independent sobre una llosa de 13.500 m2 que flota sobre 2 metres de grava. L’equip d’alineament és l’encarregat de controlar els moviments de la llosa per assegurar-ne la màxima estabilitat. Pel que fa al consum de la instal·lació, els 3 MW h que consumeix ALBA provenen d’un sistema redundant format per una planta de cogeneració (que també subministra fred i calor) i d’un transformador connectat a una línia de 220 kV. La temperatura també ha de ser constant tant a l’interior del túnel on es troben els acceleradors (±0,5 ºC) com a la zona on es realitzen els experiments (±1 ºC). Els 664 electroimants que es troben als acceleradors d’ALBA estan refrigerats amb aigua desionitzada. L’Oficina de Salut i Seguretat s’encarrega de la gestió de riscos laborals convencionals així com de la protecció radiològica de la instal·lació, i vetlla pel compliment de les normes de seguretat establertes i supervisades pel Consell de Seguretat Nuclear. Aquest treball transdisciplinari afavoreix la capacitat de transferència de coneixement que es genera a la instal·lació. L’entorn d’alta tecnologia, que requereix una instrumentació molt competitiva, permet la creació de col·laboracions estratègiques amb la indústria, que ja han començat a produir-se malgrat la joventut de la instal·lació. Com a exemples recents, voldríem destacar el contracte de llicència signat entre ALBA, el Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i una empresa spin-off del CSIC per a desenvolupar un detector de raigs X. El dispositiu, desenvolupat per investigadors i enginyers d’ALBA, en col·laboració amb el Centre Nacional de Microelectrònica (CNM-CSIC), es basa en fotodíodes transmissius molt


7. Conclusions ALBA, la més gran infraestructura científica plantejada al país, va suposar una aposta clara per part de les administracions catalana i espanyola envers un nou model basat en l’economia del coneixement i la indústria de la ciència. Després d’un període destinat a l’estudi i la viabilitat del projecte, seguit de la construcció i posada en marxa, el

sincrotró ALBA és actualment una realitat i ofereix possibilitats d’anàlisi d’avantguarda a la comunitat científica i industrial. L’objectiu per als plans de futur és poder completar la instal·lació amb la construcció de noves línies de llum que, d’una banda, permetin donar resposta a la creixent demanda, i, de l’altra, ens mantinguin al capdavant de la recerca basada en la llum de sincrotró, amb l’objectiu final de contribuir a la millora del benestar i el progrés de la societat. ■

8. Bibliografia Acosta-Reyes, F. J. [et al.] (2014). «In and out of the minor groove: interaction of an AT-rich DNA with the drug CD27». Acta Crystallographica Section D: Structural Biology, p. 1614-1621. Biscari, C. [et al.] (2013). «ALBA, the Spanish light source». Il Nuovo Saggiatore, vol. 29, núm. 3, p. 36-41. Crespillo, S. [et al.] (2014). «Single-chain protein mimetics of the N-terminal heptad-repeat region of gp41 with potential as anti-HIV-1 drugs». PNAS, vol. 111, núm. 51, 18207-18212. Divins, N. J. [et al.] (2014). «Influence of the support on surface rearrangements of bimetallic nanoparticles in real catalysts». Science, p. 620-623. García Montalvo, J.; Maya, J. M. (2005). «Potenciant la nova economia a Catalunya: una anàlisi econòmica de la font de llum de sincrotró del Vallès (ALBA)». Coneixement i Societat, p. 32-59. Martín-García, L. [et al.] (2015). «Spin and orbital magnetic moment of reconstructed √2x√2R45º magnetite(001)». P hys. R ev. B, 020408. <https://journals.aps.org/prb/ abstract/10.1103/PhysRevB.91.020408>. [Rapid Communication] Sessler, Andrew; Wilson, Edmund (2007). Engines of discovery: A century of particle accelerators. World Scientific.

El Sincrotró ALBA, una eina per a impulsar la recerca i la tecnologia

prims (10 micres en comparació de les 300 que tenen habitualment aquests dispositius) que permeten detectar i caracteritzar els raigs X absorbint una part petita d’intensitat. També volem mencionar un nou disseny de finestra per a càmeres de pressió, desenvolupat conjuntament amb el Centre de Làsers Polsats Ultracurts Ultraintensos (CLPU), que s’ha protegit a través d’un model d’utilitat. El disseny d’aquesta finestra ofereix importants millores en comparació amb altres equipaments similars. El disseny s’ha fet de manera que no s’introdueix cap deformació o estrès puntual que pugui desviar les propietats òptiques, i inclou un sistema senzill i fàcilment repetible per a muntar els diferents cristalls a la finestra, amb la qual cosa es redueixen els costos i el temps. L’acord més recent signat entre ALBA i una empresa d’enginyeria i construcció ha estat per a comercialitzar una solució tecnològica desenvolupada al sincrotró. En aquest cas, es tracta d’un nou mètode per a corbar miralls de raigs X. Aquest sistema incorpora més funcions que altres que hi ha disponibles en el mercat. El seu avantatge principal és que pot reduir els errors de deformació dels miralls, de manera estable i controlada, a uns valors unes deu vegades per sota de les tecnologies actualment existents amb costos comparables. Aquests són alguns exemples de tecnologia desenvolupada per a cobrir les necessitats de la instal·lació, que poden tenir un impacte directe a altres sectors industrials i comporten, per tant, un benefici més gran per a la societat.

19


la tecnologia avui

DESENVOLUPAMENT D’APLICACIONS WEB Carles Farré1

Professor agregat del Departament d’Enginyeria de Serveis i Sistemes d’Informació. Universitat Politècnica de Catalunya (Barcelona)

Resum: Aquest article pretén aportar una visió panoràmica del desenvolupament de les aplicacions web i, en particular, donar a conèixer algunes de les tècniques, eines i metodologies que usen els professionals que s’hi dediquen. Per aquesta raó caldrà analitzar amb una mica de detall l’origen, les categories, les característiques i l’arquitectura interna de les aplicacions web. Paraules clau: aplicacions web, enginyeria web.

WEB APPLICATION DEVELOPMENT

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017), p. 20-29  •  ISSN: 2013-9861  •  DOI: 10.2436/20.2004.01.20  •  http://revistes.iec.cat/index.php/RTEC

Abstract: The goal of this paper is to provide an overview of the development of web applications and, in particular, to explain some of the techniques, tools, and methodologies used by the professionals working in this field. To achieve this goal it will be necessary to analyze in some detail the origin, categories, characteristics and internal architecture of web applications.

20

Keywords: web applications, web engineering.

1. Introducció

N

o descobrirem res de nou si diem que el web ha esdevingut una tecnologia omnipresent i indispensable per a la indústria, el comerç, la comunicació, l’educació, el lleure, etc. En les seves poques dècades de vida, ha canviat, en alguns casos substancialment, la manera com comprem productes i serveis, ens comuniquem i interactuem amb altres persones, aprenem... En aquest article ens centrarem en el desenvolupament de les aplicacions web i, en particular, en el coneixement d’algunes de les tècniques, les eines i les metodologies que usen els professionals que s’hi dediquen. Abans de tot, cal precisar què entenem per aplicació web. Recollim la definició que ens en dóna Kappel i altres (2009): «Un programa informàtic basat en tecnologies i estàndards del World Wide Web Consortium (W3C) que proporciona recursos específics web, com ara continguts o serveis, a través d’una interfície d’usuari: el navegador web». Desglossem una mica la definició anterior. El W3C és una organització internacional presidida per l’inventor del web, Tim Berners-Lee, que desenvolupa i promou estàndards web. Exemples d’aquests estàndards serien el llenguatge HTML, el format d’identificació/lo-

1.  Correspondència: Carles Farré, carles.farre@upc.edu.

calització de recursos URI o el protocol HTTP, que configuren la columna vertebral de la tecnologia web. Un altre punt important que es desprèn de la definició és que les aplicacions web estan concebudes essencialment per ser usades per humans mitjançant navegadors web. Això exclou, per tant, d’aquesta definició els serveis web, car els seus usuaris no són persones sinó altres programes informàtics. Per entendre millor què són les aplicacions web, proposem la taxonomia que presentem a continuació. A més, per il·lustrar-ho millor, en la figura 1 situem les categories identificades segons el seu grau de complexitat i el moment aproximat en què han aparegut en aquests vint-i-cinc anys i escaig d’història del web. Tant per a la taxonomia i com per a la figura, aquí ens hem basat també en Kappel i altres (2009). —  Aplicacions web estàtiques. Són les primeres que van aparèixer en el mateix moment en què es va inventar el web, cap al 1990. Consistien en una sèrie de documents HTML2 proporcionats per un servidor web determinat. L’usuari obtenia aquests documents a partir de les peticions que feia a través del seu navegador. El navegador es comunicava amb el servidor web mitjançant el protocol HTTP. Els documents s’identificaven per un únic URI, que contenia la informació per localitzar el servidor on

2.  Més endavant expliquem el significat d’aquestes sigles.


COMPLEXITAT

Semàntiques Socials

Mòbils

Col·laboratives Transaccionals

Portals

Interactives

Estàtiques

estaven hostatjats, així com la «ruta» per arribar a cada document, dins del seu servidor. Aquests documents HTML estaven físicament emmagatzemats com a fitxers dins del mateix servidor web. Per modificar-ne el contingut calia utilitzar editors de textos convencionals o específics per a pàgines HTML. Aquesta actualització del contingut quedava fora del que era la funcionalitat pròpia de l’aplicació web, i és per això que aquestes aplicacions reben el sobrenom de estàtiques. De fet, no s’acostumen a considerar aplicacions web com a tals i es prefereix anomenar-les llocs web estàtics. —  Aplicacions web interactives. Aquestes permetien parametritzar les peticions que feien els usuaris tot introduint filtres, preferències, etc., amb la qual cosa feien possible l’accés al contingut de manera més eficient. Els motors de cerca en serien un primer exemple. Tanmateix, el salt qualitatiu es va fer quan el contingut HTML retornat a l’usuari ja no fou el bolcat d’un fitxer físic, sinó el resultat de la consulta a una base de dades d’horaris de tren, per posar-ne un exemple. El contingut passa a ser, per tant, dinàmic. Per aconseguir-ho, va caldre ampliar les funcionalitats fins aleshores limitades dels servidors web per tal que fossin capaços d’executar programes informàtics específics encarregats d’accedir a la informació, emmagatzemada habitualment en una base de dades, per després generar-ne un document HTML degudament adaptat a la petició de l’usuari. —  Aplicacions web transaccionals. El canvi qualitatiu següent es va produir quan, a més de consultar els horaris dels trens, els usuaris van poder comprar el bitllet de tren a través de l’aplicació web. Per tant, les aplicacions web ja no es limitaven a consultar bases de dades, sinó que també podien fer altes, baixes i modificacions. L’era del comerç electrònic havia començat. —  Portals. Aquest tipus d’aplicacions web van proliferar al final de la darrera dècada del segle xx, la qual cosa va donar lloc a una bombolla financera, la bombolla de les empreses puntcom, que va esclatar l’any 2000. Tots aquests portals competien per esdevenir el punt d’accés únic a un seguit de fonts d’informació i serveis heterogenis, i intentaven fidelitzar els seus usuaris amb la creació de comunitats

HISTÒRIA

on aquests podien interrelacionar-se mitjançant xats, fòrums, etc. —  Col·laboratives. El fòrum d’usuaris va ser una de les primeres eines a través de les quals els usuaris van poder aportar el seu propi contingut a les aplicacions web. El pas següent fou convertir els usuaris en els principals proveïdors de contingut. La Viquipèdia n’és l’exemple paradigmàtic. —  Socials. Les aplicacions web amb l’etiqueta social tenen en comú que proporcionen una plataforma de comunicació i compartició de tota mena de continguts (texts, imatges, vídeos, etc.) entre els usuaris, amb la qual cosa permeten mantenir i àdhuc establir vincles personals d’amistat, de col·laboració, de fidelització a determinades marques, etc. En aquest cas, la col·laboració desinteressada dels usuaris no només aporta tot el contingut de l’aplicació web, sinó que permet que els seus propietaris es facin milionaris. En són exemples Facebook, Instagram, LinkedIn, Twitter, etc. —  Semàntiques. La idea que hi ha darrere les aplicacions web semàntiques és la d’enriquir-ne el contingut afegint-hi una sèrie de marques i etiquetes estàndard que permetin que aquest sigui «comprès» per algorismes informàtics, els quals llavors seran capaços de realitzar cerques «intel·ligents», recomanacions o altres tipus d’inferències. Es tracta d’una altra idea original de Tim Berners-Lee, però que aquest cop encara no s’ha acabat de materialitzar. —  Mòbils. L’aparició i proliferació de tota mena de dispositius mòbils que porten incorporats navegadors web ha provocat la necessitat d’adaptar la interfície de les aplicacions web a un ventall quasi infinit de possibles mides de pantalla i a la interacció tàctil. Les aplicacions web mòbils lliuren una guerra, que de moment van perdent, contra les aplicacions mòbils.

2.  Característiques de les aplicacions web Una altra manera de mirar d’entendre les aplicacions web i per què aquestes es diferencien d’altres tipus de progra-

Desenvolupament d’aplicacions web

Figura 1.  Categories d’aplicacions web. Font:  Traducció de Gerti Kappel et al. (2009), Web engineering.

21


Carles Farré

la tecnologia avui

22

mes informàtics és estudiant-ne les característiques més rellevants. Això no implica necessàriament que totes aquestes característiques siguin exclusives de les aplicacions web, que no ho són en la majoria dels casos, ni que totes les aplicacions web les hagin de tenir en el mateix grau. Per a aquest apartat ens hem basat principalment en Pressman i Lowe (2008). —  Ús intensiu de la xarxa. Les aplicacions web, com és obvi, requereixen tota una infraestructura de xarxa de comunicacions, més enllà del maquinari que puguin requerir tant els proveïdors d’aquestes aplicacions com els seus usuaris finals. Avui dia tendim a donar per descomptat aquest accés gairebé universal a Internet, tot i ser conscients que en altres indrets del nostre planeta això no és així. Però no cal anar gaire lluny tampoc. Quan viatgem a països del nostre entorn proper evitem sistemàticament pagar tarifes en itinerància abusives, per la qual cosa passem llargues estones sense connexió mentre som fora de l’hotel. Encara més sagnant és la situació de moltes empreses que estan ubicades en algun dels molts polígons industrials del nostre país als quals no arriba encara la fibra òptica. —  Tecnologies específiques. Pel simple fet de funcionar en el web, les aplicacions web es veuen obligades a utilitzar els protocols i estàndards propis d’aquest mitjà. El que podria ser una limitació tecnològica s’ha convertit en un gran avantatge en tractar-se d’una tecnologia oberta i escalable que s’ha pogut estendre arreu en pocs anys. —  Concurrència i temps de resposta. El fet de tenir una aplicació al web implica que qualsevol persona del món amb un navegador web i una connexió a Internet n’és un usuari potencial. Per tant, un dels reptes de les aplicacions web és dimensionar adequadament els seus recursos (servidors, bases de dades, etc.) per tal d’oferir un temps de resposta acceptable a tots els usuaris que es prevegi que es puguin arribar a connectar simultàniament. —  Hipermèdia. L’ús d’HTML permet a les aplicacions web mostrar text, però també tota mena de contingut com ara imatges, àudios, vídeos, etc. Quan aquest contingut multimèdia és propi, el seu emmagatzemament i la gestió suposen uns reptes addicionals. Que una aplicació web consisteixi en un conjunt entrellaçat de pàgines web i que, a més, inclogui enllaços a pàgines d’altres aplicacions permet a l’usuari gaudir d’una llibertat en la navegació per l’aplicació web que no troba en altres tipus d’aplicacions, on la transició entre pantalles està molt més pautada. Però aquí es corre el risc que l’usuari es desorienti, no acabi tasques més complexes, com ara omplir dades en una sèrie de formularis que exigeixen fer-ho de manera seqüencial, o totes dues coses. Tot plegat fa que la usabilitat, és a dir, la facilitat en l’aprenentatge i ús d’una interfície, sigui un requisit de qualitat ineludible. —  Estètica. En moltes aplicacions web, les aparences importen. I si es tracta de vendre productes o serveis, encara més. En aquest darrer cas, s’ha de transmetre una imatge de professionalitat, seriositat i confiança. En altres tipus d’aplicacions, per contra, potser caldrà utilitzar una

estètica innovadora per sorprendre i atreure nous usuaris. En qualsevol dels casos, el desenvolupament de l’aplicació web requerirà professionals experts en la definició i creació d’elements estètics. —  Evolució contínua. Els usuaris de les aplicacions web no s’han de descarregar i instal·lar les actualitzacions, ja que quan s’hi connecten sempre ho fan amb la darrera versió actualitzada. Això dóna molta més llibertat i flexibilitat als desenvolupadors a l’hora de planificar i implementar canvis, millores i correccions d’errors. —  Seguretat. Aquest és un tema recurrent i força important. És segur comprar a X? Estaran segures les meves dades a Y? Com puc assegurar-me que ningú no intercepti les dades que envio a W? És fàcil que algú suplanti la meva identitat a Z? Totes aquestes preguntes i moltes altres relacionades amb la seguretat s’han de poder respondre de manera satisfactòria i, per tant, cal que els desenvolupadors d’aplicacions coneguin les principals amenaces i contramesures i que hi hagi experts que auditin de manera periòdica la seguretat de l’aplicació web.

3.  Enginyeria web Algunes de les característiques més «externes» de les aplicacions web, com ara la importància del contingut i de la seva presentació, la navegabilitat, la usabilitat, etc., van comportar l’emergència de nous perfils professionals: dissenyadors gràfics per al web, redactors de continguts, experts en experiència d’usuari, etc. Tal com han explicat Pressman i Lowe (2008), això va donar lloc a un intens debat als primers anys d’aquest segle per decidir si els mètodes i les tècniques que s’havien aplicat fins aleshores en el desenvolupament de programes informàtics eren també vàlids per a les aplicacions web. Arran d’aquest debat va aparèixer el concepte enginyeria web, que segons Kappel i altres (2009) es pot definir com «l’aplicació d’enfocaments sistemàtics i quantificables (conceptes, mètodes, tècniques, eines) a l’anàlisi de requisits, disseny, implementació, prova, operació i manteniment efectius d’aplicacions web d’alta qualitat». De fet, si a aquesta definició substituïm aplicacions web per programes informàtics, ens trobarem amb la definició gairebé oficial d’enginyeria del programari. Vista ja amb certa perspectiva, aquesta aparent confrontació «enginyeria del programari versus enginyeria web» ha quedat clarament superada. Només cal veure l’auge que estem vivint aquests darrers anys en el camp del desenvolupament d’aplicacions per a mòbils, que comparteixen característiques comunes amb les aplicacions web, i a ningú no se li ha acudit parlar d’«enginyeria mòbil». De totes maneres, el concepte enginyeria web s’ha mantingut, potser com a testimoni d’aquells «anys bojos» en què aplicacions web com ara Amazon o Facebook es convertiren en «gegants d’Internet».


Un dels aspectes clau tant en l’enginyeria web com en l’enginyeria del programari és decidir quina metodologia de desenvolupament cal seguir. Les metodologies de desenvolupament prescriuen quines fases i activitats s’han de realitzar durant el procés de desenvolupament d’una aplicació, des de l’inici, en què es formulen les necessitats i els objectius inicials de les parts interessades (stakeholders, en anglès), fins al final, en què l’aplicació s’instal·la i es lliura a aquestes parts. S’han proposat moltes metodologies al llarg de la història de l’enginyeria del programari, encara que fins ara cap no ha assolit un grau d’acceptació i ús prou generalitzats per ser considerada la metodologia de referència per a tota la professió d’enginyers del programari. Pel que fa a l’enginyeria web, els desenvolupadors s’han limitat a adaptar les metodologies de desenvolupament del programari existents. Pressman i Lowe (2008) no proposen la utilització d’una metodologia concreta, però sí un marc de referència al qual la metodologia escollida s’hauria d’acomodar, tenint en compte que en la majoria dels casos les aplicacions web es construeixen de manera incremental i s’han d’actualitzar sovint i en poc temps per adaptar-se a nous requisits o preferències. La figura 2 descriu a grans trets aquest marc de referència. Aquest marc de referència proposa, per tant, seguir processos de desenvolupament iteratius, en què en la finalització de cada iteració s’obtingui una versió completament funcional de l’aplicació web, encara que no completa. Dins de cada iteració s’han de realitzar una sèrie d’activitats seqüencials: —  Comunicació. Implicant clients, usuaris i altres parts interessades, s’han de dur a terme les accions següents: a) Formulació, en què s’analitza el context i les necessitats de negoci, especificant clarament totes les parts interessades. b) Determinació dels requisits que s’hauran de satisfer, tant pel que fa a les funcionalitats com a la qualitat d’execució.

c) Negociació, per conciliar els interessos i les prioritats de les diverses parts interessades. —  Planificació. Es defineixen totes les tasques a realitzar durant la iteració, amb la programació temporal i l’assignació de recursos (programadors, equipaments...) necessaris. —  Modelització. S’adapten les eines i les tècniques convencionals de l’enginyeria del programari per determinar i documentar, abans de programar el codi, què cal fer (anàlisi) i com s’ha de fer (disseny). —  Construcció. La programació pròpiament dita dels components de la nova versió de l’aplicació, que es van provant a mesura que s’implementen o modifiquen (proves unitàries) i es van acoblant amb altres components (proves d’integració). —  Lliurament i/o instal·lació de la nova versió de l’aplicació web construïda, que s’avalua amb les parts interessades (proves d’acceptació) perquè manifestin la seva opinió i grau de satisfacció (retroacció). De les metodologies de desenvolupament existents, les anomenades àgils (Scrum, eXtreme Programming, etc.) són les que s’adapten millor a aquest marc proposat i, de fet, són les que més s’estan utilitzant actualment. En aquest tipus de metodologies, les iteracions són relativament curtes (entre dues i vuit setmanes) i la modelització és poca, és realitzada informalment o totes dues coses, ja que hi ha una certa «aversió» a dedicar massa temps a qualsevol activitat que no es consideri estrictament necessària per a la implementació del codi.

4.  Arquitectura de les aplicacions web En informàtica sovint utilitzem el concepte arquitectura quan volem descriure un sistema mostrant-ne els components i la manera en què s’interrelacionen. Descriure completament i amb precisió una arquitectura és sempre una tasca d’una gran dificultat i complexitat, pel fet que sempre hi ha nombrosos nivells de detall i diferents punts de vista. Aquí farem nostre el recurs proposat per Fox i Patterson (2013) d’utilitzar l’altitud com a metàfora dels diferents Proves d’acceptació Retroacció dels clients

Versió

i ment Lliura ció c a Retro

ació Comunic lients c ls e amb Figura 2.  Marc de referència per a metodologies de desenvolupament d’aplicacions web. Font:  Traducció de Roger Pressman i David Lowe (2008), Web enginee­r­ ing: A practitioner’s approach.

Programació Proves de components

ucció

Constr

ió Modelitzac

Planificac Anàlisi de negoci Document de visió

Pla d’iteracions

Models de disseny Models d’anàlisi

Desenvolupament d’aplicacions web

3.1. Metodologies de desenvolupament per a aplicacions web

23


la tecnologia avui

nivells de detall amb què descrivim l’arquitectura d’una aplicació web, tal com es pot veure en la figura 3. El resultat serà una descripció informal i incompleta, però creiem que serà prou didàctica i representativa. Partirem de dalt de tot, a 50.000 metres, per anar descobrint els diferents elements a mesura que perdem altura.

4.1.  Altitud 50.000 metres: arquitectura client-servidor Suspesos per un moment a aquesta altura, observem les aplicacions web des del punt de vista d’un usuari qualsevol. Independentment del dispositiu (ordinador, telèfon, tauleta...) que vulguem utilitzar per accedir al web i a les seves aplicacions, necessitem un programa informàtic específic per poder-ho fer: un navegador web. Per accedir als continguts i les aplicacions web, el navegador es connecta amb els servidors que proporcionen aquests recursos. El navegador web és un client universal, en el sentit que ens permet accedir a qualsevol aplicació web i interactuar-hi. Per la seva banda, els servidors d’aplicacions i continguts web estan preparats per interactuar amb molts clients alhora. En l’arquitectura client-servidor, el client és sempre qui inicia la connexió, enviant la petició corresponent al servidor, que li retornarà una resposta tan bon punt la tingui.

4.2.  Altitud 25.000 metres: HTTP i URI Evidentment, donem per fet que tant els navegadors com els servidors web estan connectats i es comuniquen via Internet. Ara no entrarem a explicar amb detall com funciona Internet. N’hi ha prou de dir que és una immensa infraestructura descentralitzada, al capdamunt de la qual es troben els protocols de comunicació TCP/IP. Aquests protocols defineixen l’anomenat nivell de transport, que proporciona una connectivitat punt a punt entre dos elements qualssevol. Per sobre d’aquest nivell de transport tenim el nivell d’aplicació. Exemples d’aplicacions d’Internet són, entre altres, el correu electrònic, la telefonia per IP, la compartició d’arxius, la reproducció de vídeo en streaming i, per descomptat, el web. El protocol que utilitzen els navegadors web per comunicar-se amb els servidors web és el protocol de transferència d’hipertext o HTTP, per la sigla en anglès. L’altre element clau són els identificadors uniformes de recursos o URI, per la sigla en anglès. Tot allò a què es pot accedir a través d’un web, ja sigui un fitxer HTML, una imatge, una aplicació, etc., té el seu URI. Vegem ara el cas més senzill de funcionament del web, que hem il·lustrat mitjançant la figura 4. 1. L’usuari escriu a la barra del navegador l’URI de la pàgina web a què vol accedir, en aquest cas, http://www.essi. upc.edu/index.html. El més habitual, però, és que l’usuari no

Aplicació web

Navegador

50.000 metres

Internet

Client-servidor

25.000 metres

HTTP i URl

5.000 metres

HTML i CSS

HTML

Servidor web

Servidor d‛aplicacions

Base de dades

Capa de presentació

Capa de domini

Capa de persistència

CSS 2.500 metres

• •

Arquitectura de tres capes Ampliació horitzontal

Carles Farré

500 metres

24

Patró arquitectònic Model-vista-controlador

Figura 3.  Arquitectura d’una aplicació, usant l’altitud com a metàfora dels diferents nivells de detall. Font:  Adaptació d’Armando Fox i David Patterson (2013), Engineering software as a service: An agile approach using cloud computing.


http://www.essi.upc.edu/index.html

Departament d’ESSI

SERVIDOR WEB

NAVEGADOR

index.html

GET /index.html DNS

... HTTP

HTTP

...

TCP

<html>

TCP

IP

</html>

IP

Figura 4.  Esquema d’una interacció HTTP típica entre un navegador i un servidor web. Font:  Elaboració pròpia.

escrigui directament aquest URI, sinó que l’activi en clicar l’enllaç corresponent dins de la pàgina web que està visualitzant en aquell moment. 2. El navegador analitza l’URI introduït o clicat i interpreta que ha d’usar el protocol HTTP, perquè això ho indica l’URI (http://). Per tant, necessita establir primer una connexió punt a punt TCP/IP amb el servidor indicat (www.essi.upc. edu). Abans, però, cal utilitzar un altre servei d’Internet, el DNS (sistema de noms de domini, en català), per tal d’obtenir l’adreça IP corresponent (147.83.20.44). El navegador es connectarà amb el port 80 del servidor, que és el que usen per defecte els servidors web. Si aquest port fos un altre, per exemple, el 8080, caldria incloure’l explícitament a l’URI: http://www.essi.upc.edu:8080/index.html. 3. Establerta la connexió TCP/IP amb el port 80 de l’adreça 147.83.20.44, el navegador envia un missatge de text amb un format determinat: una petició HTTP. En aquest cas, la petició indica quina acció es vol fer (GET, que vol dir ‘obtenir’) i sobre quin recurs (/index.html). 4. El servidor web rep la petició HTTP. Per simplificar, suposem que el recurs demanat correspon a un fitxer que té emmagatzemat al seu disc dur. 5. El servidor retorna al navegador una resposta HTTP, que inclou el contingut del fitxer esmentat, i tanca la connexió TCP/IP amb el client. 6. Com a pas final, no mostrat a la figura, el navegador mostrarà per pantalla el recurs demanat. En tractar-se d’una pàgina web, és molt probable que aquesta tingui associada altres recursos: imatges, fulls d’estil, etc. El contingut HTML que ha obtingut com a resposta del servidor només conté les referències (URI) a aquests recursos. Per tant, per visualitzar degudament la pàgina web, el navegador haurà d’obtenir també aquests recursos i, en conseqüència, haurà de repetir els passos 1-5 anteriors per a cadascun d’ells. A banda de GET, hi ha altres accions que es poden usar en les peticions HTTP. L’acció POST (enviar) és una altra de les que s’utilitzen sovint en les aplicacions web. Habitualment, el navegador l’utilitza quan ha d’enviar al ser-

port 80 147.83.20.44

Xarxa física

vidor les dades que l’usuari ha introduït omplint un formulari.

4.3.  Altitud 5.000 metres: HTML i CSS Les respostes HTTP són «agnòstiques» respecte al tipus (i el format) del contingut que el servidor retorna al navegador: pot tractar-se d’una imatge (PNG, JPG, GIF...), d’un àudio (MPEG, WAV...), d’un vídeo, PDF, etc. Tanmateix, el contingut HTML és, amb molta diferència, el més important, fins al punt de poder-lo considerar el tercer pilar del web, al costat d’HTTP i els URI, inclosos, tots tres, en la proposta original de Tim Berners-Lee (Berners-Lee, 2000). L’HTML (llenguatge d’etiquetatge d’hipertext) és, per tant, el llenguatge principal de les pàgines web i, per extensió, de les aplicacions web. Una de les seves característiques ja l’hem esmentat abans: permetre referenciar, mitjançant els URI corresponents, tots els recursos (imatges, fulls d’estil, etc.) que el navegador haurà de tenir en compte per mostrar el contingut HTML a l’usuari, més enllà del text que ja hi està inclòs. Ara bé, sens dubte, la característica més important de totes és la possibilitat de definir i mostrar (hiper)enllaços a altres pàgines web, a través dels URI corresponents. Ho hem vist també en l’exemple de la figura 4: el «Departament d’ESSI» que apareix a la pantalla del navegador és un enllaç, que en HTML s’especificaria de la manera següent: <a href=“http://www.essi.upc.edu/ index.html”>Departament d’ESSI</a>. Evidentment, es pot enllaçar qualsevol cosa que tingui un URI, independentment de si pertany o no al mateix lloc o aplicació web. D’aquesta manera es teixeix tota una teranyina (web, en anglès) de referències creuades que permet als usuaris navegar d’un lloc o una aplicació a l’altre sense solució de continuïtat. Els fulls d’estil en cascada (cascading style sheets, CSS) foren introduïts amb posterioritat amb la finalitat d’«externalitzar» de l’HTML la definició dels aspectes més visuals de la seva representació: els colors, les mides de lletra, la

Desenvolupament d’aplicacions web

FTP

25


la tecnologia avui

posició dels diferents elements, etc. Això és força important perquè facilita, alhora, la divisió del treball i la col·laboració entre els qui s’han d’encarregar de proporcionar el contingut, per una banda, i els qui dissenyen com aquest ha d’aparèixer per pantalla, per l’altra.

4.4.  Altitud 2.500 metres: arquitectura en capes En aquest descens que fem des de les altures, arribem ara al punt on ja es fan paleses les diferències entre un lloc web «clàssic», que serveix contingut HTML estàtic, i una aplicació web pròpiament dita. L’exemple de la figura 4 ens n’il·lustra el primer tipus. Les aplicacions web es caracteritzen, doncs, per generar contingut HTML dinàmic sota demanda. Per fer-ho, cal que executin programes informàtics específics capaços d’interpretar les peticions HTTP dels navegadors, extreure’n els paràmetres necessaris, realitzar les operacions necessàries a la base de dades i retornar la resposta adequada. Tornant a la figura 3, podem veure que les aplicacions web habitualment s’estructuren en tres capes lògiques. A la capa de presentació tenim el servidor web pròpiament dit, que rep les peticions dels navegadors i serveix el contingut estàtic (imatges, fulls d’estils, etc.). Si la petició requereix la generació de contingut dinàmic, aquesta és transferida a la capa de domini, on tenim el servidor d’aplicacions que executa els programes específics que esmentàvem abans i que, òbviament, són diferents en funció de les funcionalitats que admet cada aplicació web. Finalment, tenim la capa de persistència, on tindrem un servidor de dades en què s’emmagatzemarà tota la informació necessària per al correcte funcionament de l’aplicació.

Carles Farré

Equilibrador de càrrega

26

Servidors web

Equilibrador de càrrega

En els casos en què tant la complexitat com la càrrega (nombre de peticions per unitat de temps) es preveuen petites, les tres capes lògiques poden coexistir en una sola màquina «física». Així, per exemple, tenim el cas d’Apache, el programari amb funcionalitats de servidor web més utilitzat arreu, que té una arquitectura extensible que permet afegir-hi els mòduls necessaris per executar programes informàtics escrits en uns llenguatges determinats, i també fa, per tant, la funció de servidor d’aplicacions. Si a la màquina on tenim aquest servidor Apache afegim un servidor de dades lleuger com ara MySQL, llavors ja tenim tot el quadre complet. Quan els requisits de càrrega de l’aplicació són més exigents, és més convenient tenir les capes lògiques també separades físicament. D’aquesta manera, a més, ens podem anar adaptant als possibles increments de demanda de càrrega futurs a còpia d’escalar horitzontalment la capa que més ho necessiti en cada moment, és a dir, afegir servidors replicats a la capa en qüestió. En la figura 5, per exemple, s’observa com s’han escalat horitzontalment les capes de presentació i de domini afegint-hi un i dos servidors, respectivament. Això ha requerit afegir dos nous tipus de components que apareixen també a la figura. Els equilibradors de càrrega distribueixen les peticions entrants entre els diferents servidors disponibles segons el grau d’ocupació que té cadascun d’ells en cada moment. El tallafocs és un mecanisme de seguretat que filtra les peticions entrants a partir d’unes regles determinades.

4.5.  Altitud 500 metres: model-vista-controlador El codi de la capa de domini pot resultar força complex. De nou, la solució habitualment adoptada en informàtica és la

Servidors d‛aplicacions

Tallafocs

Base de dades

Figura 5.  Arquitectura en capes i escalabilitat horitzontal. Font:  Traducció i adaptació d’Armando Fox i David Patterson (2013), Engineering software as a service: An agile approach using cloud computing.


4.6.  Altitud 100 metres: web application frameworks El nivell 0, el sòl, d’aquest descens que hem anat fent és el codi dels components de l’aplicació. Aquest codi estarà escrit principalment en un llenguatge de programació determinat. Hi ha molts llenguatges de programació per triar:

Java, JavaScript, Ruby, Python, PHP, etc. Tots tenen avantatges i inconvenients, partidaris incondicionals i detractors acèrrims. Ara bé, avui dia és pràcticament inconcebible plantejar-se la programació d’una aplicació web sense tenir en consideració la utilització d’un web application framework (WAF), que es podria traduir per ‘entorn de treball per a aplicacions web’. Els WAF faciliten la implementació de les aplicacions web en un llenguatge de programació determinat prescrivint una estructura interna consistent per als components de l’aplicació, així com la manera i l’ordre en què aquests components s’invoquen en el temps d’execució, a banda que donen suport a les tasques més habituals (autenticació d’usuaris, gestió de sessions, accés a bases de dades...), o bé les tenen parcialment automatitzades. Podem trobar WAF de propòsit general, que serveixen per implementar qualsevol tipus d’aplicació. La majoria segueixen l’arquitectura en capes i el patró MVC ja esmentats. Alguns exemples, segons el llenguatge de programació, són: —  Java: Spring, Grails, Struts 2 —  JavaScript: AngularJS, Backbone.js, Ember.js —  Ruby: Ruby on Rails —  PHP: Laravel, Silex, Symfony —  Python: Django Llavors tenim els WAF especialitzats, que s’adrecen a un tipus específic d’aplicacions web amb unes funcionalitats habituals. Un exemple paradigmàtic són els sistemes de gestió de continguts (SGC, o per la sigla en anglès, CMS). Les funcions bàsiques dels SGC són la publicació, l’edició, l’organització i el manteniment de diferents tipus de contingut, alhora que donen suport a la participació dels usuaris a través de diversos mitjans (comunitats, votacions, comentaris, fòrums, etc.). Exemples coneguts són Drupal, Joomla i WordPress, tots tres basats en el llenguatge PHP, o Liferay, basat en Java. Un altre segment especialitzat són els WAF per a comerç electrònic, que proporcionen les funcionalitats típiques de les botigues en línia. Exemples d’aquest segon tipus són Magento, PrestaShop o osCommerce, escrits en PHP. A diferència dels WAF de propòsit general, en els WAF específics no s’espera que els desenvolupadors que els utilitzin hagin d’escriure el seu propi codi si no és en casos molt excepcionals. Per contra, la seva feina se centrarà a configurar i adaptar el WAF a les necessitats concretes de la seva aplicació.

5.  Modelització d’aplicacions web En moltes disciplines de l’enginyeria, la construcció de models, ja siguin plànols, diagrames, maquetes, prototipus, etc., és un element clau, imprescindible i sovint obligatori per a la realització de qualsevol projecte. El fet és que, en les enginyeries del programari i web, la modelització no és una activitat gaire estesa dins de la pràctica professional, fins al punt que algunes de les metodologies de desenvolupament més utilitzades actualment, les anomenades àgils, podem dir que «presumeixen» de mantenir la

Desenvolupament d’aplicacions web

modularitat: descompondre un sistema gran en diversos components interrelacionats amb unes responsabilitats repartides i unes regles del joc ben clares. En aplicacions que requereixen un gran nivell d’interactivitat amb usuaris finals a través d’interfícies gràfiques, com és el cas que ens ocupa, l’aplicació del patró model-vista-controlador (MVC), amb variants diferents, s’ha acabat generalitzant. Segons aquest patró, els principals components d’una aplicació pertanyen a un d’aquests tipus: models, vistes o controladors. Els models són els components que s’encarreguen de gestionar les dades de l’aplicació. Estan, per tant, connectats directament a la capa de persistència per fer les consultes, les actualitzacions, les insercions i les eliminacions necessàries. Normalment, hi ha tants models com entitats, o taules, hi ha a la base de dades. Les vistes presenten la informació dels models als usuaris. En molts casos, això implica que són els components encarregats de generar directament el contingut HTML dinàmic requerit. Els controladors són els components encarregats de processar en primera instància totes les peticions que es fan a l’aplicació, cridant les operacions dels models que siguin necessàries, amb els paràmetres que hagin vingut amb la petició, i, en funció del resultat d’aquestes operacions, determinant quines vistes s’han d’executar a continuació, es passen a les vistes les dades dels models que aquelles necessiten mostrar a la resposta. Atenent la interpretació «clàssica» de l’arquitectura lògica en capes que hem esmentat en l’apartat anterior, les vistes i els controladors formarien part de la capa de presentació, en el sentit que els usuaris interactuen directament amb aquests components per accedir a les funcionalitats del domini. I, de fet, és així en la majoria de les aplicacions d’escriptori que apliquen el patró MVC. Ara bé, quan traslladem al web aquests dos patrons arquitectònics, arquitectura en capes i MVC, la cosa ja no és tan clara. Aquí els usuaris interactuen directament amb el navegador, que, al seu torn, es comunica amb un servidor web que llavors necessita un servidor d’aplicacions. Es fa difícil, per tant, establir la frontera entre capa de presentació i capa de domini. Podem suposar que està entre el navegador i el servidor web, per exemple, o, per contra, dins del mateix servidor d’aplicacions, separant aquells components que processen més directament les peticions i les respostes HTTP (controladors i vistes, respectivament) d’aquells altres que encapsulen la lògica del domini (models). En la figura 3 s’ha optat —‌de manera salomònica, podríem dir— per situar la frontera entre la capa de presentació i la capa de domini en la separació que hi ha entre el servidor web i el servidor d’aplicacions.

27


la tecnologia avui

modelització en la seva mínima expressió per no interferir en les tasques que es consideren principals: escriure codi i provar-lo. La utilització de models en les enginyeries del programari i web pot respondre a objectius diferents en funció del grau d’importància que se’ls vulgui donar: —  Els models com a esbossos. Aquí només es pretén millorar la comunicació i la discussió d’alternatives entre els desenvolupadors, i entre aquests i les parts interessades. —  Els models com a guia i prescripció detallada d’allò que s’implementarà, i on es consignen totes les decisions de disseny. A part del temps que això pot consumir, el repte principal aquí és com aquests models evolucionen de manera sincronitzada amb el programari, que necessita adaptar-se contínuament tan bon punt la primera versió s’ha construït d’acord amb aquests models. —  Els models com a codi. Les aplicacions es generen de manera semiautomàtica a partir dels models. Les ampliacions i els canvis futurs no s’apliquen mai sobre el codi generat sinó sobre els models de partida. Si bé, com hem dit abans, les metodologies de desenvolupament àgils tendeixen a usar els models, a tot estirar, com a esbossos, trobaríem una excepció en aquells casos en què s’aplica la tècnica anomenada desenvolupament guiat pel comportament (behaviour driven development, BDD). Segons aquesta tècnica, el funcionament de l’aplicació s’especifica prèviament mitjançant uns models anomenats històries d’usuari, que descriuen una funcionalitat concreta i ben acotada des del punt de vista de l’usuari final, que interactua amb la interfície de l’aplicació; per exemple, afegir un producte a la cistella de la compra. Aquestes històries d’usuari s’escriuen en llenguatge natural, però de manera força pautada. Continuant amb el mateix exemple: Funció: Cistella de la compra Escenari 1: Atès que jo sóc un usuari autoritzat Quan jo vaig a la pàgina d’un producte I jo clico a “Afegeix producte a la cistella” Llavors la quantitat de productes de la meva cistella s’hauria d’incrementar I el preu de la meva cistella hauria d’augmentar.

Carles Farré

Aquestes històries no s’utilitzaran per generar el codi de l’aplicació, però sí per comprovar que la implementació que se’n faci compleixi fil per randa tot el que s’hi descriu. Per a aquest fi, s’utilitzen eines de prova com ara Cucumber o JBehave, que són capaces de simular la interacció descrita en una història d’usuari sobre l’aplicació que es vol provar.

28

6. Implementació d’aplicacions web: eines i tècniques A l’hora d’escriure el codi de l’aplicació, potser una de les decisions més importants és triar el WAF a partir del qual

es desenvoluparà l’aplicació. Es poden tenir en compte diferents factors per prendre aquesta decisió, com ara la familiaritat amb el llenguatge de programació admès, l’experiència prèvia en utilització d’entorns similars, la maduresa del WAF (existència d’un historial de versions estables), la disponibilitat d’una documentació de suport actualitzada (llibres, tutorials, casos pràctics...), l’acceptació i el suport que pugui tenir el WAF per part d’una comunitat nombrosa i activa de desenvolupadors, etc. Un altre factor que es pot tenir en compte a l’hora de triar el WAF és el suport que pugui tenir en entorns de desplegament d’aplicacions en núvol, un tipus de servei d’informàtica en núvol anomenat en anglès plataform as a service (PaaS). Amb els serveis d’informàtica en núvol (cloud computing), els desenvolupadors i emprenedors no han d’adquirir ni fer el manteniment dels servidors que necessiten per instal·lar la seva aplicació web, sinó que els poden llogar a les empreses que proporcionen aquests serveis, pagant per l’ús que se’n faci. En el cas concret del PaaS, els servidors que s’ofereixen ja vénen preconfigurats al màxim perquè el desenvolupador pràcticament només hagi de copiar-hi el codi específic de la seva aplicació. Exemples de serveis de PaaS comercials són Heroku i BlueMix, d’IBM; Google App Engine i Elastic Beanstalk, d’Amazon. Un altre element imprescindible avui dia en el desenvolupament de programari és la utilització d’un sistema de control de versions de programari. Aquests sistemes permeten la compartició de programari entre diferents programadors i, al mateix temps, treballar separadament en diferents versions d’aquest programari. El més habitual és tenir una «branca» principal on hi ha la versió estable del programari. A partir d’aquí, els programadors realitzen els canvis nous en altres branques. Si aquests canvis s’acaben acceptant, les branques noves es fusionen amb la branca principal. Hi ha molts sistemes de control de versions disponibles, però avui dia el més utilitzat és potser Git. Aplicacions web com ara GitHub o Bitbucket permeten sincronitzar i compartir repositoris Git a través del web. Pel que fa a les eines de proves de programari, els WAF acostumen a integrar-les plenament, automatitzant al màxim l’execució dels jocs de prova. En molts casos, els WAF permeten definir tres «entorns» diferents: desenvolupament, prova i desplegament. Això permet tenir configuracions diferents per als tres entorns, que poden afectar les llibreries que s’utilitzen en cada entorn, les bases de dades, etc. En l’entorn de prova, per exemple, pot interessar tenir una base de dades que sigui independent i no interfereixi en el funcionament normal de la base de dades «real». L’automatització de l’execució dels jocs de proves ha facilitat l’adopció de la tècnica anomenada desenvolupament guiat per proves (test-driven development, TDD). Segons aquesta tècnica, els programadors han d’escriure els jocs de proves abans que els programes que els hauran de passar. Llavors els programadors aniran escrivint el codi del programa de manera incremental per anar passant d’un en un cadascun dels jocs de proves, fins que al final ja els hagin superat tots satisfactòriament.


Una eina de proves específica per a aplicacions web és Selenium. Amb aquesta eina, que s’integra en el navegador, es poden «gravar» totes les accions que un usuari realitza sobre una aplicació web: seleccionar enllaços, omplir dades de formularis, etc. Aquestes gravacions es poden integrar en l’entorn de proves de l’aplicació web en forma de joc de proves que «reprodueix» les accions gravades quan són executades. Això és útil per realitzar les anomenades proves de regressió, que s’executen per verificar que funcionalitats que ja funcionaven correctament continuen fent-ho després d’haver realitzat canvis en l’aplicació que aparentment no les havien d’afectar.

Agraïments

Bibliografia Berners-Lee, Tim (2000). Weaving the Web: The past, present and future of the World Wide Web by its inventor. Londres: Texere. ISBN 978-1-58799-018-2. Fox, Armando; Patterson, David (2013). Engineering software as a service: An agile approach using cloud computing. San Francisco: Strawberry Canyon LLC. ISBN  978-09848812-4-6. Kappel, Gerti; Proll, Brigit; Reich, Siegfried; Rischitzegger, Werner (2009). Web engineering. Nova Delhi: Wiley India. ISBN 978-81-265-2162-3. Pressman, Roger; Lowe, David (2008). Web engineering: A practitioner’s approach. Nova York: McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-352329-3.

Desenvolupament d’aplicacions web

Vull donar les gràcies a Antoni Olivé per haver-me animat a escriure aquest article, i també pels valuosos comentaris i correccions que ha fet del primer esborrany. ■

29


entrevista

ENTREVISTA A MIQUEL OBRADORS Josep Amat

Departament d’Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial. Universitat Politècnica de Catalunya Membre de l’Institut d’Estudis Catalans

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017), p. 30-32  •  ISSN: 2013-9861  •  http://revistes.iec.cat/index.php/RTEC

Una de les comissions tècniques de l’Associació/Col·legi d’Enginyers Industrials de Catalunya és la Comissió de Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TIC), que està presidida per Miquel Obradors. En aquest apartat de la Revista de Tecnologia, en què recollim l’opinió de destacats experts en l’àmbit tecnològic, li demanem la seva opinió sobre diverses qüestions:

30

Miquel Obradors i Melcior és enginyer industrial per l’Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona (ETSEIB) i màster en desenvolupament di­ rectiu a IESE Business School, de la Universitat de Na­ varra. Ha desenvolupat la seva carrera professional a IBM, havent-ne estat director per a Catalunya i membre del Comitè de Direcció d’IBM Espanya i Portugal. Ha estat, entre altres càrrecs, membre dels consells d’administració de Gestired, Ibermática, Dafinsa/Insa i Espai Pime. Actualment és vocal de la Junta Directiva de l’Associació d’Enginyers Industrials de Catalunya i president de la Comissió de les TIC, així com vocal de la Junta Rectora de la Mútua dels Enginyers.

Com veu la situació de les indústries del sector TIC a Catalunya? Per a fer un breu resum de la situació de les indústries, reflectiré les conclusions que ha tret el darrer Baròmetre del sector tecnològic a Catalunya 2016, elaborat pel Cercle Tecnològic de Catalunya (CTecno). El COEIC forma part del patronat de la Fundació CTecno. La percepció del mateix sector tecnològic és positiva i millor que respecte d’anys anteriors, gràcies a l’augment del nombre d’empreses, la millora de la situació financera per l’augment de la facturació (5 %), l’increment en el nombre de clients i l’augment dels salaris. Es preveu que l’any 2017 tot el sector experimenti un increment encara més important. Tanmateix, els usuaris no tenen la mateixa percepció del sector tecnològic, i, certament, ha empitjorat la valoració que en fan respecte de l’any anterior. El criteri principal de compra de la demanda valora més l’estalvi que el valor afegit aportat. S’ha incrementat la impressió que el sector evoluciona a poc a poc. Aquesta diferència de percepcions entre l’oferta i la demanda es fa més evident quan es mesura la preparació per al repte de la necessària transformació digital. Aquesta ha estat mesurada per cinc eixos (relació amb els clients, activitat productiva, tecnologies digitals, formes de treball i gestió de l’organització). Quan s’analitza aquesta preparació, es veu que les empreses potencialment usuàries focalitzen la seva transformació digital en les àrees d’organització i estratègia i assumeixen que la transformació s’ha de realitzar a tots els nivells dins de l’empresa. No obstant això, sembla que, a causa de la baixa valoració donada als indicadors «tecnologies digitals» i «formes de treball», l’estratègia de transformació digital no s’implementa correctament.


Quines dificultats veu de cara al seu major desenvolupament? Per a un desenvolupament de creixement equilibrat entre la demanda i l’oferta del sector tecnològic per a afrontar la transformació digital, s’han d’encarar les dificultats que limiten el desenvolupament del sector, de les quals es podrien destacar les següents: —  Poca cultura de col·laboració: el teixit empresarial català demana una oferta tecnològica completa i a mida del seu negoci, però el nivell de col·laboració necessari entre empreses del sector tecnològic per a fer-la possible encara no s’ha aconseguit. —  Manca de perfils mixtos tecnologia-negoci: es requereixen perfils tècnics també amb coneixements de negoci amb l’objectiu de realitzar propostes de valor per a la demanda. Aquest tipus de perfil és molt reduït encara en el mercat català. —  Manca de professionals en àmbits específics: la demanda de professionals de l’entorn tecnològic supera l’oferta existent. La mancança més gran és a les àrees tècniques relacionades amb les dades massives, l’analítica i la ciberseguretat, i de professionals multidisciplinaris. —  Falta de lideratge: a Catalunya no hi ha grans entitats tractores que impulsin i liderin la innovació en l’àmbit tecnològic. Els projectes d’innovació que realitzen les pimes tenen poca repercussió i impacte al mercat. —  Deficient connexió universitat-empresa: a Catalunya la formació tècnica és d’alt nivell, però hi ha carència en competències transversals i de negoci sol·licitades per les empreses. Si bé la transferència tecnològica entre empreses i centres de recerca va en augment, encara hi ha camí a recórrer. —  Escassa presència de la dona en el sector: el seu paper al sector tecnològic és encara molt minoritari en comparació amb d’altres àmbits, i si no s’aconsegueix la seva incorporació s’està perdent gran part del talent al país. Per això es proposen un seguit de reptes i recomanacions a assolir per tal d’aprofitar tot el potencial del sector: —  La col·laboració: comprendre els beneficis que comporta treballar en xarxa tant internament com entre els diversos agents que participen en el sector. —  Entre empreses de l’oferta: poder oferir solucions innovadores i, alhora, robustes, mitjançant la col·laboració entre grans empreses i pimes. —  Entre empreses de la demanda: apoderar la petita i mitjana empresa. —  Entre oferta i demanda: explorar noves maneres de construir l’oferta per evitar que siguin massa estàndard.

Per a aconseguir aquesta col·laboració és necessari potenciar equips multidisciplinaris, la qual cosa requereix competències transversals i adopció de talent procedent de sectors no tecnològics. —  La velocitat: comprendre els diferents ritmes del canvi en l’adopció de tecnologies, així com en l’adopció de la transformació digital dins les organitzacions. La velocitat a què la nova era digital està transformant la societat genera l’aparició de diferències en els ritmes de transformació que experimenten tots els agents que componen la societat catalana. Quant a les solucions caldrà diferenciar entre solucions àgils de relació amb el client (el front-end) versus solucions robustes de sistemes/operacions (el back-end), així com respectar els diferents ritmes dins de les organitzacions perquè la cultura corporativa evolucioni a la vegada que les persones assimilen la implantació de les noves tecnologies. —  El talent: promoure nous perfils adaptats a un nou entorn digital. Proporcionar formació sobre competències transversals des de la primària fins a la universitat, i per a la formació específica: màsters, postgraus i formació continuada. Així mateix, caldria potenciar graus mixtos que complementin els diferents aprenentatges (tècnics i de negoci). —  La regulació: adaptar els marcs normatius a la nova era digital. La nova era digital comporta la transformació i l’aparició de nous models de negoci, i amb una gran velocitat, que supera els ritmes amb què l’Administració els pot regular. Quina funció realitza en aquest sector la Comissió de les TIC que presideix? La Comissió de les TIC, com una de les comissions tècniques de l’Associació/Col·legi d’Enginyers Industrials de Catalunya, comparteix de manera general els seus objectius (organitzar activitats que coadjuvin en el desenvolupament professional i humà dels seus socis; cooperar amb la indústria i amb l’Administració; establir relacions amb entitats tècniques, científiques i culturals; desenvolupar tasques de formació continuada...), i específicament coordina activitats per fomentar la relació entre els professionals que tenen o han tingut responsabilitats professionals en les àrees de les TIC, ja sigui en el món de l’empresa, autònoms o en l’entorn acadèmic i de la recerca, per compartir coneixement i experiències i impulsar projectes focalitzats en la transformació digital. S’ha aconseguit fer veure a l’Administració que els enginyers industrials, de manera genèrica, tenen un rol destacable en l’ús de les TIC, per la seva experiència professional i en col·laboració amb altres àmbits de l’enginyeria (telecomunicacions i informàtica), i participen en les consultes i els estudis que encarrega l’Administració. Algunes de les principals àrees d’activitats actuals dels membres de la Comissió de les TIC són: les ciutats intel·ligents, els sistemes encastats, el projecte Anella Industrial, la robòtica i la relació amb la universitat. Cal mencionar,

ENTREVISTA A MIQUEL OBRADORS

La pràctica totalitat de les companyies enquestades reconeix la transformació digital com un procés necessari, però menys del 40 % veu la seva plataforma tecnològica capaç d’adaptar-se als reptes futurs i menys del 25 % afirma tenir un pla estratègic en què la tecnologia esdevingui un element clau que ens ajudi al canvi cultural que suposa la transformació digital.

31


entrevista

Josep Amat

per la seva rellevància, el projecte de l’Anella Industrial, que va ser liderat per la Comissió de les TIC, en nom del COEIC, i llançat com una forma de treball col·laboratiu entre empreses del sector de l’automoció que ha esdevingut la base per al desenvolupament de la Plataforma Industrial 4.0. És la plataforma en núvol (cloud) per a tota la indústria escollida pel Govern de la Generalitat de Catalunya dins de l’estratègia SmartCAT. Proporciona un mitjà segur, estable i accessible per a l’intercanvi de serveis cloud-IT a Catalunya, desenvolupat entre centres tecnològics i teixit industrial amb l’objectiu d’aportar una solució global a l’expansió de la Internet industrial. Actualment amb el desenvolupament de la Internet de les coses (Internet of things o IoT) s’ha accelerat la col·laboració amb els enginyers de telecomunicacions i informàtics per a la constitució d’una comissió intercol·legial (Comissió Indústria 4.0) per coordinar recursos i talent en la difusió del coneixement relacionat amb aquest àmbit industrial de fortes expectatives de creixement.

32

Quines propostes faria pel que fa a la política industrial en l’àmbit de país de cara a potenciar aquest sector? El canvi en els models empresarials i de negoci implica una més gran agilitat en la manera de regular-los per a garantir la creació d’un marc de treball comú per a tots els agents, adaptable i que no suposi un fre a la innovació. Per això, seria convenient la regulació sobre nous models de negoci; potenciar la compra innovadora per part de l’Administració, per mitjà de col·laboracions publicoprivades; adaptar els criteris de solvència per a afavorir l’accés de les pimes a l’Administració; potenciar entitats a Catalunya que facilitin l’arribada d’inversors estrangers i l’accés al seu capital, i definir un òrgan de certificacions que permeti fer valdre les formacions no reglades. Desitgem que la seva tasca en pro de les TIC, ara des de la Comissió de l’Associació d’Enginyers Industrials de Catalunya, segueixi sent fructífera com fins ara, que aquestes propostes i aquestes bones expectatives de cara al futur siguin una realitat, i també que el sector de la indústria catalana relacionada amb les TIC continuï incrementant el seu pes en la contribució de riquesa i benestar al nostre país. ■


actualitat

IV Jornada sobre Innovació a l’Ensenyament de la Tecnologia: «Posa’t les piles per la tecno!» L’any 2008 es va celebrar la primera Jornada sobre Innovació a l’Ensenyament de la Tecnologia, amb un tema central: «Els reptes del nou currículum». L’any 2010 se’n va fer l’edició següent, amb el tema central «Els reptes dels nous recursos». Va ser l’any 2012 quan es va celebrar la tercera jornada, amb el tema central «Energia sostenible per a tothom», aprofitant la proclamació per part de l’ONU d’aquell any com l’Any Internacional de l’Energia Sostenible per a Tothom. L’1 de juliol del 2016 es va organitzar a Terrassa, a les instal·lacions de l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT), de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), la IV Jornada sobre Innovació a l’Ensenyament de la Tecnologia, que sota el lema «Posa’t les piles per la tecno!» va reunir més d’un centenar de professionals de la docència i la recerca en metodologies d’aprenentatge de la tecnologia a Catalunya. Aquesta jornada va ser organitzada per la nostra entitat, juntament amb membres de la darrera junta de l’Associació del Professorat de Tecnologia de Catalunya (APTC) i membres del Centre Específic de Suport a la Recerca i la Innovació Aula de Recursos de Tecnologia (CESIRE AULATEC), amb la col·laboració de l’ESEIAAT, que van cedir els seus espais per a la celebració de la jornada.

Un moment de la conferència inaugural.

Amb un públic majoritàriament de l’àmbit docent de secundària, la jornada va començar amb una conferència magistral a càrrec de Joan Majó Cruzate, exministre d’Indústria i Energia, que va destacar el repte de la tecnologia en l’equilibri tecnològic i la gestió de recursos energètics naturals. Al llarg de la jornada, tots els assistents van poder escollir entre sis sessions paral·leles, amb les temàtiques següents: —  Tecno i STEAM — Robòtica —  Tecnologia i impressió en 3D —  Programació a tecno —  Centres innovadors, ludificació i treball per projectes — Miscel·lània La darrera activitat de la jornada va ser un conjunt de tallers i mostra de recursos que es van centrar en els temes següents: Tallers i recursos: 1.  La fabricació digital (FabLab Terrassa) 2.  Snap4Arduino: blocs per interactuar amb Arduino (Joan Guillén i Josep Ferrándiz) 3.  Dissenyant i imprimint en 3D (Robolot Team) 4.  La màgia dels superconductors (mNACTEC) 5.  Programant amb Phyton a l’ESO (Joan Verdaguer) 6.  Programant amb p5.js (JavaScript) (Francisco Pérez) L’ambient, a totes les sessions, va ser molt actiu i interactiu, fet que va ser molt ben valorat tant per part

Imatge d’un dels grups de treball.

Revista de Tecnologia, núm. 7 (2017), p. 33-35  •  ISSN: 2013-9861  •  http://revistes.iec.cat/index.php/RTEC

ACTUALITAT

33


actualitat

dels assistents com dels ponents. A la cloenda, es va destacar la importància de mantenir espais de contacte per compartir experiències i l’interès de la comunitat educativa a retrobar-se en properes edicions. Trobareu més informació i el contingut de les ponències a https://sites.google.com/site/innovatecno16/programa.

Tota l’actualitat de la SCT a les xarxes socials Des de la Societat Catalana de Tecnologia organitzem conferències, excursions tecnològiques, trobades i moltes altres activitats. Si vols seguir de ben a prop tot allò que fem, ho pots descobrir al nostre blog, http://blogs.iec.cat/sct/. A més, també disposem des de fa anys d’un perfil al Facebook (www.facebook.com/sct.iec/), on publiquem l’enllaç a les novetats del blog i, alhora, ens fem ressò de les notícies relacionades amb la tecnologia o premis de tecnologia. Ja disposem d’una comunitat de més de dues-centes seixanta persones que ens segueixen. Com a novetat, aquest any s’ha creat un perfil de Linked­ In (https://es.linkedin.com/in/societatcatalanatecnologia), així com el grup de LinkedIn de la Societat Catalana de Tecnologia (https://www.linkedin.com/groups/8495495), amb més d’un centenar de membres. Creiem que una societat com la nostra ha d’ésser present dins d’aquesta comunitat científica virtual. Us convidem a seguir-nos en totes aquestes xarxes socials i a participar en les activitats que organitzem periòdicament. Aina Barceló Vocal TIC

Recursos web i aplicacions mòbils Plataforma d’anàlisi i visualització de dades

És una aplicació via web que permet fer l’anàlisi de dades amb la seva visualització gràfica. Permet la importació de les nostres dades i, a través de paràmetres molt intuïtius, trobar la millor visualització d’aquestes dades. La importació es pot fer en diversos formats, com ara MySQL, SQLServer, Excel i altres. També permet compartir la representació gràfica i fer el seguiment de les modificacions. Es pot fer servir amb eines d’anàlisi de dades que s’utilitzen molt freqüentment: Python, R, Matlab, Excel i altres. La utilització gratuïta d’aquesta eina (Community) és suficient per arribar a conèixer-ne les potencialitats.

Code Club

http://codeclubcat.org/ Els code clubs (en català, ‘clubs de codi’ o ‘clubs de programació’) són una xarxa d’activitats gratuïtes totalment gestionades per voluntaris amb l’objectiu que els infants tinguin l’oportunitat d’aprendre a programar. Aquestes activitats es porten a terme en horari extraescolar, ja sigui a la mateixa escola, en una biblioteca, un centre cívic o qualsevol lloc que disposi d’ordinadors. Actualment, hi ha més de 1.350 code clubs repartits per tot el món. La idea original dels code clubs va sorgir a l’abril de l’any 2012 al Regne Unit, de la mà de Clare Sutcliffe i Linda Sandvik. Contra tot pronòstic, en menys d’un any es van crear més de vuit-cents clubs repartits per tot el Regne Unit. A principi d’estiu del 2013 es va decidir ampliar la proposta arreu del món.

Hackaday

actualitat

https://hackaday.io/

34

És un entorn via web que s’utilitza com a plataforma de col·laboració de desenvolupament de maquinari, aprofitant el boom de la gran quantitat de plaques de control obert que estan sortint al mercat. Aquesta plataforma permet exposar un projecte personal, afegir membres a l’equip i treballar conjuntament en un espai privat de col·laboració.

https://plot.ly/


TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)

http://www.tesisenred.net/

actualitat

És un dipòsit digital cooperatiu de tesis doctorals llegides bàsicament a les universitats de Catalunya, però també en altres comunitats. Aquesta plataforma va néixer per un conveni signat l’any 1999 pels comissionats per a la Societat de la Informació i per a Universitats i Recerca i diverses universitats catalanes. Les tesis es descriuen amb metadades Dublin Core i segueixen el protocol OAI-PMH. La plataforma permet fer cerques per diversos paràmetres. El codi 62 (Enginyeria. Tecnologia) té actualment 694 registres.

35


prmer semestre

2017 nĂşmero 7

Revista de

RevistaTecnologia, 7_COBERTA.indd 1

02/05/2017 12:38:02

Revista de Tecnologia  

Número 7 - Premier semestre 2017

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you