Proyecto de Grado: Sistema para la deteccion oportuna de incendios forestales. Caso de estudio: Municipio de Warnes del departamento de Santa Cruz. Desarrollado por: Gregory Pekynov Bustamante Rojas

1. UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Proyecto de Grado
SISTEMA PARA LA DETECCIÓN
OPORTUNA DE INCENDIOS FORESTALES
CASO DE ESTUDIO: MUNICIPIO DE WARNES DEL DEPARTAMENTO
DE SANTA CRUZ
Asesor:
Nava Amador Jorge Antonio
Postulante:
Bustamante Rojas Gregory Pekynov
La Paz, Junio 2012

2. El presente trabajo
es dedicado a mi padre Pequisin,
a mis hermanos Pecos, Gregory y Maite
y a Nilsa.
Como dice el Peky:
Primero SER después TENER!!!.

3. Agradecimientos
Este trabajo representa el final de una de las etapas más importantes en mi
vida y el inicio de otra que será aun más enriquecedora. En toda la experiencia
universitaria y la conclusión de este trabajo, han habido personas que merecen
las gracias porque sin su valiosa aportación no hubiera sido posible este trabajo y
también hay quienes las merecen por haber plasmado su huella en mi camino.
A mi padre, Peky (pequisin), le agradezco enormemente su apoyo, su guía y su
confianza en la realización de mis sueños. Soy afortunado por contar siempre con
su apoyo, comprensión y ejemplo. Esta tesis es suya!.
A mis hermanos Gregory y Pecos, con mucho cariño, por la amistad y los
momentos agradables que pasamos siempre.
A mi hermanita Maite, que siempre que estoy en contacto con ella me hace alegrar
el momento.
A Nilsa, por su atención y apoyo que me brinda en todo momento, muchas gracias.
A mi asesor de proyecto, Ing. Jorge Nava, por su presencia incondicional, sus
apreciados y relevantes aportes, críticas, comentarios y sugerencias durante el
desarrollo de este trabajo.
G. Pekynov
i

4. Resumen
Se presenta un Sistema de Detección Oportuna de Incendios Forestales, como
aplicación de los sistemas de control con instrumentación distribuida, a procesos
ambientales donde el modelado de las características suele ser complejo y la
aplicación de criterios ingenieriles para la óptima ubicación de la instrumentación,
suele estar ausente.
Este sistema supervisorio (SCADA), estructurado bajo la metodología RUP
y UML, considera tres fuentes de información complementarias entre sí y/o
alternativas, que se generan por: instrumentación distribuida que contiene
dispositivos sensores; imágenes satelitales integradas para disponer de información
más general; y un modelo matemático del ecosistema para la estimación
del comportamiento dinámico de las distintas variables. La ubicación de la
instrumentación se efectuó en base a la aplicación de un Algoritmo Genético
Multiobjetivo, y la definición del Modelo de la Dinámica del Ecosistema para la
estimación del comportamiento, se realizó en base a la aplicación de técnicas de
Modelado Multicriterio.
Se concluyó con un prototipo simplificado para evaluar algunas de las
funcionalidades del sistema, para aplicarse en el Municipio de Warnes del
Departamento de Santa Cruz.

5. Índice General
Resumen
i
Índice General
iii
Índice de Figuras
viii
Índice de Tablas
x
I
1
Introducción y Generalidades
1. Introducción
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. Detección a partir de infrarrojos, cámaras ópticas, imágenes satelitales, u
otros sistemas electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2. Acciones nacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3. Técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Planteamiento del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6. Alcances y Límites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Marco de Referencia
2.1. Relativo a los Bosques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Importancia de los Bosques en el planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Importancia de los Recursos Forestales en Bolivia . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3. Principales amenazas de los Bosques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Relativo a los Incendios Forestales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Acciones internacionales para prevenir incendios forestales . . . . . . . . .
2.2.2. Acciones nacionales para prevenir incendios forestales . . . . . . . . . . .
2.2.3. Efectos de los incendios forestales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4. Recomendaciones internacionales y nacionales para evitar o paliar incendios
2.3. Relativo al área de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Situación Actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Aspectos Físicos Naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
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26

6. 3. Marco Teórico
3.1. Tecnologías en sistemas de prevención de incendios . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1. Sistemas de detección de incendios mediante procesamiento de video . . .
3.1.2. Sistemas de detección de incendios mediante ondas acústicas . . . . . . .
3.1.3. Sistemas de detección de incendios mediante sensores . . . . . . . . . . .
3.1.4. Sistemas de detección de incendios forestales mediante imágenes satelitales
3.2. Principios Generales de la Teledetección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Técnicas de Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Técnicas de Análisis Multicriterio: Modelo para caracterizar la zona . . .
3.3.2. Técnicas de Análisis Multiobjetivo: Distribución de micro unidades remotas
3.4. Metodología para el Desarrollo: RUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. El Proceso de Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2. Aplicación de RUP para Sistemas Electrónicos . . . . . . . . . . . . . . .
II
Desarrollo del Proyecto: Requerimientos
4. Análisis de Requerimientos
4.1. Visión General . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1. Alcance del Sistema . . . . . . . . .
4.2. Atributos de Requerimientos . . . . . . . .
4.2.1. Matriz de Atributos Funcionales . .
4.3. Especificación de Requerimientos . . . . . .
4.3.1. Modelo de Casos de Uso . . . . . . .
4.3.2. Documentación de los Casos de Uso
III
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Desarrollo del Proyecto: Análisis
5. Modelado del Área de estudio
5.1. Descripción General del Proceso de Análisis de modelado matemático
5.2. Área de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Restricciones del Modelo Matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Comportamiento del Ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1. Consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2. Descripción General del Ecosistema . . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Modelo Matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1. Diagrama en Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2. Representación del Modelado Matemático . . . . . . . . . . . .
5.5.3. Consideraciones para el diseño del modelo de estimación . . . .
5.5.4. Ecuaciones dinámicas para el modelado . . . . . . . . . . . . .
5.6. Construcción del modelo matemático de estimación . . . . . . . . . . .
5.6.1. Descripción General de la Aplicación . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2. Cáculos de parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7. 6. Distribución óptima de las micro Unidades Remotas: Modelo
6.1. Contexto General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Objetivos del Modelado Matemático . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Consideraciones para el Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4. Procedimiento para la distribución óptima de uRTU’s . . . . . .
6.4.1. Etapa de Inicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2. Etapa de Pre-proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.3. Etapa de Optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5. Construcción de la Aplicación del AGMO . . . . . . . . . . . . .
6.5.1. Restricciones de la Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Matemático
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7. Consideraciones para el Diseño
7.1. Optimización de Energía para las uRTU’s .
7.2. Protocolos para el transporte de datos entre
7.2.1. Difusión Dirigida . . . . . . . . . . .
7.3. Fuente de Información Satelital . . . . . . .
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124
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IV
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uRTU’s
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Desarrollo del Proyecto: Diseño del Sistema
8. Arquitectura General del Sistema
8.1. Arquitectura General: Diagrama en Bloques . . . .
8.1.1. Subsistema HMI . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2. Subsistema de Información Satelital . . . .
8.1.3. Subsistema de Modelo Dinámico . . . . . .
8.1.4. Subsistema de Control . . . . . . . . . . . .
8.1.5. Subsistema de Almacenamiento Histórico .
8.1.6. Subsistema de Gestión del Sistema . . . . .
8.1.7. Subsistema de Medida . . . . . . . . . . . .
8.2. Componentes del Sistema de detección oportuna de
8.2.1. Subsistema de Medida . . . . . . . . . . . .
8.2.2. Subsistema de Control . . . . . . . . . . . .
8.2.3. Subsistema de Almacenamiento Histórico .
8.2.4. Subsistema HMI . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.5. Subsistema Modelo Dinámico . . . . . . . .
8.2.6. Subsistema de Información Satelital . . . .
8.3. Componentes de MEDIDA: Hardware . . . . . . .
8.3.1. Esquema del Dispositivo de Medida . . . .
8.3.2. Descripción de la Arquitectura Modular . .
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incendios forestales
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136
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140
140
V Desarrollo del Proyecto: Implementación de un
Prototipo
142
9. Implementación de un Prototipo
9.1. Descripción General del Prototipo . . . . . . . .
9.1.1. Restricciones para el diseño del Prototipo
9.2. Descripción del Prototipo por Niveles . . . . . .
9.2.1. Nivel Físico . . . . . . . . . . . . . . . . .
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144
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8. 9.2.2. Nivel de Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.2.3. Nivel de Supervisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.Pruebas y Resultados del Prototipo
10.1. Visualización en Google Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2. Visualización de las Medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3. Reportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
150
. 150
. 152
. 154
VI
157
Conclusiones y Recomendaciones
11.Conclusiones y Recomendaciones
158
11.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Bibliografía
VII
161
Anexos
165
A. Script para el modelo de estimación del comportamiento dinámico del
Bosque
166
B. Código a nivel de hardware para la implementación del prototipo
172
C. Base de Datos del sistema para la implementación del prototipo
176
D. Código a nivel de software para la implmentación del prototipo
182
E. Código de la implementación del Algoritmo Genético para la distribución
óptima de las uRTUs
209
F. Artículo referencial para el modelo de estimáción de los bosques
G. Fundamentos Teóricos
conservación de suelos
para
desarrollar
un
programa
en
213
manejo
H. Espacio de estados en modelos de crecimiento forestal
y
224
237
I. Aplicación de RUP en el Desarrollo de Proyectos de Sistemas Electrónicos 259
J. Algoritmo de Optimización Multiobjetivo para distribución de Sensores
294
K. Estadísticas de Focos de Calor reportadas por la ABT durante la gestión
2010
305
L. Proyectos nacionales por el IBIF
VIII
Glosario de Términos y Acrónimos
Glosario de Términos
309
311
315

9. Acrónimos
315

10. Índice de Figuras
1.1. Ciclo considerado en el enfoque del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Diagrama de Contexto: Caracterización General del área de estudio .
Diagrama de Detalle: Características a detalle del área de estudio . .
Precipitaciones Máximas y Mínimas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturas Máximas y Mínimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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23
27
28
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Estructura del sistema de detección por ondas de radio
Estructura de una red de sensores . . . . . . . . . . .
Componentes para un Sistema de Teledetección . . . .
Enfoque RUP de Desarrollo de Sistemas . . . . . . . .
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4.1. Descripción General del Sistema de detección oportuna de incendios forestales
4.2. Componentes del subsistema de Adquisición y Procesamiento de datos . . . .
4.3. Componentes del subsistema de Comunicación Global . . . . . . . . . . . . .
4.4. Proceso de obtención de imágenes satelitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Organización del Modelos de Casos de Uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Modelo de los Actores que actuan con el sistema . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Modelos de Casos de Uso: Adquisición de Señales . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Modelos de Casos de Uso: Modelo Dinámico del Bosque . . . . . . . . . . . .
4.9. Modelos de Casos de Uso: Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. Modelos de Casos de Uso: Almacenamiento Histórico . . . . . . . . . . . . . .
4.11. Modelos de Casos de Uso: Gestión del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
Descripción General: Proceso de Análisis del Modelo Matemático . .
Descripción de Detalle: Proceso de Análisis del Modelo Matemático .
Municipio de Warnes con la cantidad de bosque presente . . . . . . .
Descripción General del Ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama Bloques Modelos Matemático . . . . . . . . . . . . . . . .
Representación del Modelo Matemático . . . . . . . . . . . . . . . .
Comportamiento del Bosque Húmedo . . . . . . . . . . . . . . . . .
Comportamiento del Bosque Seco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
Diagrama de Contexto: Distribución óptima de uRTU’s . . .
Diagrama de nivel Superior: Proceso de Análisis . . . . . . .
Diagrama de Detalle: Distribución inicial de las uRTU’s . . .
Diagrama de Detalle: Modelo Matemático . . . . . . . . . . .
Procedimiento de análisis para la distribución de las uRTU’s
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11. 6.6. Sub-etapa 1 del Pre-proceso: Selección del tipo de distribución . . .
6.7. Tipos de distribución para los equipos a)cuadrada, b)triangular . . .
6.8. Sub-etapa 2 del Pre-proceso: Eliminación de redundancia . . . . . .
6.9. Diagrama de flujo: Algoritmo Genético Multiobjetivo . . . . . . . . .
6.10. Área de posibles posiciones discretas de los genes para un individuo
6.11. Resultado de la distribución inicial de las uRTUs . . . . . . . . . . .
6.12. Evolución de la Función de Evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13. Resultado Básico de la distribución de Unidades Remotas . . . . . .
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7.1. Consumo de Energía de la uRTU según su estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2. Fases de la Difusión Dirigida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3. Registros de puntos calientes y su relación espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
8.7.
8.8.
8.9.
Arquitectura en Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . .
Componentes del subsistema de Medida . . . . . . . .
Subsistema de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subsistema de Almacenamiento Histórico . . . . . . .
Subsistema HMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subsistema de Modelo de comportamiento del Bosque
Subsistema de Información proveniente de Satélite . .
Escenario de trabajo para los Componentes de Medida
Diagrama en bloques del Dispositivo de Medida . . . .
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9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
9.6.
Descripción General del Prototipo . . . . . . . . .
Descripción General por niveles del Prototipo . . .
Sensor de Temperatura: LM35 . . . . . . . . . . .
Microcontrolador PIC18F4550 . . . . . . . . . . . .
Implementación del prototipo a nivel de hardware
Diagrama del modelo de la Base de Datos . . . . .
10.1. Visualización
10.2. Visualización
10.3. Visualización
10.4. Visualización
en
de
de
de
Google Earth . . . . . . . . . . .
Medidas: Temperatura . . . . .
Reportes . . . . . . . . . . . . .
Reportes: Promedios Generales .
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K.1. Focos de calor a nivel nacional (Gestión 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
K.2. Puntos estratégicos donde ocurre los Focos de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

12. Índice de Tablas
2.1. Uso y Ocupación del Espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2. Precipitaciones Máximas y Mínimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3. Temperaturas Máximas y Mínimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1. Datos para predecir el precio de una construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1. Atributos de Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Adquisición de Señales: Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Adquisición de Señales: Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Adquisición de Señales: Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Modelo Dinámico del Bosque: Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Modelo Dinámico del Bosque: Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Control: Actuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Control: Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9. Almacenamiento Histórico: Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. Almacenamiento Histórico: Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11. Almacenamiento Histórico: Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12. Gestión del Sistema: Arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13. Gestión del Sistema: Monitoreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14. Gestión del Sistema: Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.15. Gestión del Sistema: Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.16. Actores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17. Documentación del Caso de Uso: Procesar Analógico . . . . . . . . . . . . . . . .
4.18. Documentación del Caso de Uso: Procesar Discreto . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19. Documentación del Caso de Uso: Tareas de Teledetección . . . . . . . . . . . . .
4.20. Documentación del Caso de Uso: Configurar uRTU’s . . . . . . . . . . . . . . . .
4.21. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Esquema . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.22. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Alarmas . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.23. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Área y F.C. . . . . . . . . . . . . . . .
4.24. Documentación del Caso de Uso: Configurar Comportamiento Dinámico del Bosque
4.25. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Comportamiento Dinámico del Bosque
4.26. Documentación del Caso de Uso: Ejecutar Secuencia . . . . . . . . . . . . . . . .
4.27. Documentación del Caso de Uso: Programar Secuencia . . . . . . . . . . . . . . .
4.28. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.29. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Anillo Eventos . . . . . . . . . . . . . .
4.30. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Información de Satélite . . . . . . . . .
4.31. Documentación del Caso de Uso: Configurar Almacenamiento Histórico . . . . .
4.32. Documentación del Caso de Uso: Arrancar Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
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54
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55
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82
83
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13. 4.33. Documentación
4.34. Documentación
4.35. Documentación
4.36. Documentación
4.37. Documentación
4.38. Documentación
del
del
del
del
del
del
Caso
Caso
Caso
Caso
Caso
Caso
de
de
de
de
de
de
Uso:
Uso:
Uso:
Uso:
Uso:
Uso:
Monitorear Programas . . .
Monitorear Recursos . . . .
Iniciar Sesión . . . . . . . .
Configurar Arranque . . . .
Configurar Seguridad . . . .
Configurar Comunicaciones
6.1. Posible conformación de un individuo
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K.1. Distribución de Focos de Calor por Departamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
K.2. Distribución de Focos de Calor por Departamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 308