Sistema de monitoreo en tiempo real con Edge Computing para equipos de bombeo petrolero en predicción de fallos

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2026-01

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Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería en Sistemas Electrónica e Industrial. Carrera de Telecomunicaciones

Abstract

Failures in oil pumping equipment cause unplanned downtime and high costs. To address this need, a prototype real-time monitoring system based on edge computing was developed, operating entirely on a Raspberry Pi 5 located next to the data source. The system captures pressure, vibration, temperature, flow rate, and power consumption, processes the information locally, and issues early warnings without relying on the cloud. The development followed the CRISP-DM methodology. The “Pump Sensor Data” dataset (Kaggle; AI4A 2020; CWRU Bearing; Microsoft Azure) was used for modeling, comparing four classic algorithms. Random Forest was selected for its performance and stability. The architecture integrates local storage in MariaDB and visualization in Grafana; the flow includes reading, normalization, status classification, and recording of results, with automatic notifications when the established operating threshold is exceeded. In tests with a test set, Random Forest achieved 92.54% accuracy and 92.25% F1-Score. The average time per prediction was 81.63 ms, adequate for the 3-second acquisition cycle and 5-second dashboard refresh. Running continuously on the Raspberry Pi, the system started in less than 5 seconds and exceeded 1,000 readings without interruption, validating its stable operation, low cost, and potential for field deployment for predictive maintenance.

Description

Las fallas en equipos de bombeo petrolero generan paros no planificados y costos elevados. Para atender esta necesidad, se desarrolló un prototipo de sistema de monitoreo en tiempo real basado en computación en el borde, que opera íntegramente en una Raspberry Pi 5 ubicada junto a la fuente de datos. El sistema captura presión, vibración, temperatura, caudal y consumo de potencia, procesa localmente la información y emite alertas tempranas sin depender de la nube. El desarrollo siguió la metodología CRISP-DM. Para el modelado se utilizó el dataset “Pump Sensor Data” (Kaggle; AI4A 2020; CWRU Bearing; Microsoft Azure), comparando cuatro algoritmos clásicos. Random Forest fue seleccionado por su desempeño y estabilidad. La arquitectura integra almacenamiento local en MariaDB y visualización en Grafana; el flujo incluye lectura, normalización, clasificación del estado y registro de resultados, con notificaciones automáticas cuando se supera el umbral operativo establecido. En las pruebas con conjunto de test, Random Forest alcanzó 92,54 % de accuracy y 92,25 % de F1-Score. El tiempo promedio por predicción fue 81,63 ms, adecuado frente al ciclo de adquisición de 3 s y al refresco del tablero de 5 s. En ejecución continua sobre la Raspberry Pi, el sistema inició en menos de 5 s y superó 1000 lecturas sin interrupciones, validando su funcionamiento estable, su bajo costo y su potencial de despliegue en campo para mantenimiento predictivo.

Keywords

Edge Computing, mantenimiento predictivo, bombas petroleras, Ramdom Forest, Raspberry Pi.

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