ADOÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL IMERSIVA PARA O TREINAMENTO DE ELETRICISTAS
EM SUBESTAÇÕES
JULIANA A. PALUDO1, EDUARDO H. TANAKA1, LEONARDO R. DOMINGUES1, CARLÚCIO S. CORDEIRO1, EDGAR V.
GADBEM1, OLAVO GIRALDI JR1, ADRIANA EUFLAUSINO 2.
1. Instituto de Pesquisas Eldorado
2. CPFL Paulista
E-mails: {JULIANA.PALUDO, EDUARDO.TANAKA, LEONARDO.DOMINGUES, CARLUCIO.CORDEIRO,
EDGAR.GADBEM, OLAVO.GIRALDI}@ELDORADO.ORG.BR; [email protected]
Abstract Electricians are often called upon to solve technical problems in electrical substations, so that they need to take a specific
course to be allowed to work on substations. Nowadays, part of the electricians training course takes place on real substations, but
this training is severely limited given that not every equipment in the substation can be manipulated as that may interrupt the energy
distribution. Besides, as the rate of technical problems in a substation is low, a refresher course is important. Thus, this paper presents
an innovative platform to assist these trainings: using immersive virtual reality devices and accurate graphic representation of the
whole substation in order to create a virtual environment where electricians can feel like being in a real substation. In this platform,
electricians will be able to interact with the equipment, communicate with operation center and practice maneuvers. Although the
platform is currently under development, most of the 3D models for the equipment have already been created and it is possible to
simulate one emergency maneuver.
Keywords Electrical system applications, training with immersive virtual reality, electrical substation.
Resumo A resolução de problemas técnicos em subestações de distribuição é frequentemente realizada por eletricistas de distribuição habilitados em subestações. Atualmente, o curso de capacitação adota subestações reais para a prática dos conceitos teóricos,
acarretando diversas limitações ao aprendizado dos eletricistas, uma vez que a interrupção do fornecimento de energia durante o treinamento é inviável. Além disso, a baixa ocorrência de problemas técnicos nas subestações torna as reciclagens profissionais periódicas extremamente importantes. Este trabalho apresenta uma plataforma inovadora para o treinamento de eletricistas na operação de
subestações elétricas de distribuição. Nesta plataforma, é empregada uma metodologia diferenciada de treinamento: por meio da utilização de dispositivos de realidade virtual imersiva e da representação gráfica acurada de uma subestação, buscou-se a criação de
um ambiente virtual no qual os eletricistas pudessem se sentir dentro de uma subestação real. Esta plataforma possibilitará que os eletricistas interajam com os equipamentos, executem manobras e simulem uma comunicação com o Centro de Operações, caracterizando assim um treinamento com aprendizado ativo. Atualmente, a plataforma descrita encontra-se em processo de desenvolvimento, entretanto já foram implementados os modelos virtuais tridimensionais da maioria dos equipamentos da subestação e é possível realizar
a simulação completa de uma manobra de emergência.
Palavras-chave Aplicações em sistemas elétricos, treinamento em realidade virtual imersiva, subestações de distribuição de energia.
1
Introdução
As subestações de distribuição possuem um papel importante no sistema elétrico, uma vez que sua
função é interligar os sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica. A falha ou defeito de
algum equipamento acarreta em uma má operação
da subestação, o que compromete o fornecimento de
energia a milhares de consumidores. O tempo necessário para o restabelecimento da operação varia em
função da distância que o membro mais próximo do
Posto de Manutenção e Operação (PMO) se encontra
do local da subestação. Para evitar que o fornecimento seja interrompido por longos períodos, comprometendo indicadores de qualidade de fornecimento de energia elétrica, Eletricistas de distribuição
Habilitados em Subestações (EHS) são encaminhados para efetuar a manutenção dessas subestações.
Em muitos casos, estes eletricistas se encontram
próximos às subestações de distribuição e são capacitados para auxiliar o Centro de Operação do Sistema
(COS) na restauração da operação das subestações.
Para adquirir o conhecimento necessário para
realizar as manobras de manutenção e emergência
em subestações de distribuição, o EHS submete-se a
um curso de formação que engloba os fundamentos
da operação de uma subestação e todos os equipamentos que a compõem. Como a frequência de execução dessas manobras é baixa, é necessário que o
EHS realize um curso de reciclagem profissional
periódico com o objetivo de reforçar estes conceitos.
Contudo, tanto no curso de formação quanto no de
reciclagem, as manobras possíveis de serem praticadas nas subestações reais são limitadas, devido aos
riscos à segurança dos eletricistas e aos potenciais
prejuízos aos consumidores que podem ser acarretados por eventuais interrupções no fornecimento de
energia durante a execução de tais manobras.
Para superar este problema e aprimorar as atividades práticas em treinamentos desta natureza, é
comum a aplicação de simuladores computacionais
que representam o comportamento de equipamentos
e do sistema elétrico. Todavia, o ideal é que estes
simuladores ofereçam ao aprendiz uma experiência
mais próxima da realidade e da vivência profissional, contribuindo de forma efetiva para sua forma-
ção. Alguns exemplos de simuladores existentes são:
STOP (Silva, 2011), Furnas 2 e Virtual Substation
(Silva, 2012). Estes simuladores têm por objetivo
oferecer um ambiente de treinamento aos operadores
do sistema elétrico, entretanto não fornecem plenamente uma experiência real ao profissional.
Neste tipo de simulador, para se obter a sensação de realismo e proximidade com o mundo real, é
preciso o emprego da realidade virtual imersiva. Um
sistema de realidade virtual é aquele capaz de representar um ambiente real ou fictício de forma virtual,
simulando-o e possibilitando ao usuário navegar e
interagir com tal ambiente como se estivesse presente nele (Ausburn & Ausburn, 2004). Para ser considerado um sistema de realidade virtual imersivo,
este deve cobrir todo o campo de visão do usuário,
para que seja possível passar a sensação de que o
usuário está fisicamente presente no ambiente virtual
(Ausburn & Ausburn, 2004).
Assim, a proposta deste projeto é a criação de
uma plataforma de treinamento de EHS com o uso
de realidade virtual imersiva e interações por controle de movimento. Nesta plataforma, o EHS poderá
praticar manobras básicas e de emergência, como se
estivesse em uma subestação real. Mais especificamente, o EHS deverá proceder como se recebesse um
chamado real, comunicando-se com o COS, investigando o estado dos equipamentos e da subestação
como um todo, identificando a causa de problemas
no fornecimento de energia, isolando áreas da subestação que afetam o fornecimento e religando a subestação. Ou seja, ao realizar manobras na plataforma
de treinamento em realidade virtual imersiva, o EHS
será o agente de seu próprio aprendizado, caracterizando uma forma de aprendizado baseado em problemas (Hmelo-Silver, 2004).
As próximas duas seções irão descrever a metodologia empregada no desenvolvimento da plataforma e alguns dos principais resultados do projeto até
o momento. Uma vez que o projeto está em andamento, a última seção apresentará as principais conclusões e os principais trabalhos a serem realizados
nas próximas etapas do projeto.
baseado em problemas adotado neste projeto é um
estilo de aprendizado ativo.
Por sua vez, o emprego da realidade virtual e de
dispositivos de imersão e de interação por gestos e
movimentos possibilita a criação de um ambiente de
treinamento alinhado a esta metodologia, fazendo
com que a solução dos problemas encontrados na
subestação seja mais próxima da realidade. A realidade virtual não envolve riscos reais e possibilita
uma livre interação com os objetos presentes. Além
disso, a execução de tarefas pode ser realizada no
ritmo do próprio aprendiz e quantas vezes forem
desejadas, sem a pressão da exposição a uma turma
ou de uma avaliação formal/tradicional.
2.1 Treinamento com Realidade Virtual
Diversos pesquisadores têm desenvolvido ambientes de realidade virtual para auxiliar cursos e treinamentos. De forma geral, o emprego da realidade
virtual no contexto educacional é válido quando os
aprendizes (Mikropoulos et al, 1997; Pantelidis,
1994):
 Não podem cometer erros no ambiente real, pois
estes apresentariam riscos ao próprio aprendiz,
ao ambiente e/ou a pessoas próximas a ele;
 Não têm a oportunidade ou possibilidade de
aprender e praticar no ambiente real;
 Possuem motivação em interagir com os modelos de simulação dos objetos;
 Necessitam visualizar, manipular e organizar
informações para adquirir o aprendizado;
 Desenvolvem ou praticam atividades que só são
possíveis em um ambiente computacional.
Analisando a lista acima, nota-se que o projeto
em questão enquadra-se para a adoção de realidade
virtual, pois subestações reais não estão disponíveis
exclusivamente para treinamentos e erros ocorridos
nelas podem ser fatais ou causar prejuízos para os
consumidores e para a concessionária de energia.
Adicionalmente, para conseguir executar uma manobra com sucesso, um EHS necessita visualizar,
manipular e organizar informações a respeito do
estado da subestação e de seus equipamentos.
2 Métodos
A metodologia educacional empregada na plataforma de treinamento virtual deve ser desenvolvida
de modo a considerar perfis de usuários distintos,
uma vez que estes podem apresentar diferentes idades e níveis de escolaridade. Metodologias de ensino
mais recentes como a de aprendizado ativo, centradas no aprendiz e que procuram envolvê-lo em atividades práticas e dinâmicas, são as que potencialmente trariam maior motivação e participação efetiva dos aprendizes em seu próprio aprendizado
(Bonwell & Eison, 1991). De fato, o aprendizado
2.2 Tecnologias adotadas
Uma vez que a proposta do projeto envolve a
adoção de realidade virtual imersiva, faz-se necessário o uso de dispositivos específicos que possibilitem
a imersão, tais como Head-Mounted Displays
(HMDs). Os HMDs são dispositivos que se prendem
à cabeça do usuário e possuem telas que ficam próximas aos olhos dele, podendo exibir informações
geradas por computador sobre as imagens reais vistas pelo usuário ou fornecer uma visão estereoscópica de uma cena virtual. Por cobrir todo o campo de
visão do usuário, os HMDs podem transmitir, de
fato, a sensação de imersão desejada.
O HMD escolhido para este projeto foram os
óculos de realidade virtual Oculus Rift (Oculus,
2015). Este HMD possui sensores de captura de movimento que permitem gerar imagens coerentes com
o posicionamento e ângulos de rotação da cabeça do
usuário. Ou seja, a imagem da cena mostrada no
HMD é atualizada sempre que há movimentação da
cabeça do usuário.
Ao utilizar um HMD, a interação tradicional
utilizando teclado e mouse fica comprometida, uma
vez que o usuário não consegue enxergar estes dispositivos. Portanto, joysticks tradicionais e dispositivos de interação baseados em gestos e movimentos
costumam ser adotados em conjunto com HMDs.
Após analisar algumas opções de controles de gestos
e movimentos, optou-se pelo Razer Hydra (Razer,
2015). O Hydra é formado por dois controles com
formato de manopla, cada um com rastreamento da
posição e orientação das mãos, possuindo uma boa
precisão espacial e possibilitando ações simples como o pressionamento de botões em um ambiente de
realidade virtual.
Uma vez que algumas pessoas podem sentir enjoos ou tonturas ao utilizar HMDs, a plataforma de
treinamento também suportará a execução de manobras na subestação com dispositivos convencionais
(monitor, teclado, mouse e joysticks do tipo gamepad). Evidentemente, neste caso, perde-se a capacidade de imersão.
2.3 Ambiente de realidade virtual desenvolvido
Para desenvolver o ambiente de realidade virtual, procurou-se um motor de jogo fácil de ser aprendido, com extensa documentação, suporte eficaz (por
meios oficiais e/ou pela comunidade de desenvolvedores), de baixo custo mas que possibilitasse boa
qualidade visual das aplicações geradas. Assim, após
análise de diversos motores de jogos, foi selecionado
o Unreal Engine 4 (Unreal Engine 4, 2015).
No ambiente de realidade virtual desenvolvido,
o eletricista deverá cumprir todas as atividades demandadas para completar o treinamento. Atitudes
seguras, identificação correta do problema e ações
precisas são alguns dos tópicos que serão considerados na avaliação do eletricista. Ao final do treinamento virtual, será possível emitir um relatório de
desempenho para cada eletricista, para que o supervisor possa validar a capacitação, conforme ilustrado
na Figura 1.
Os modelos 3D dos equipamentos estão sendo
construídos com base em imagens em alta resolução
(fotos e vídeos) dos dispositivos reais presentes em
uma subestação em operação, uma vez que um dos
requisitos da plataforma de treinamento é justamente
a elevada qualidade visual dos equipamentos. Estas
imagens foram capturadas durante uma visita dos
autores à subestação de referência, que possui dois
transformadores de potência e cabines de proteção
de 15kV. Além dos transformadores de potência,
outros equipamentos presentes na subestação, tais
como: seccionadores, disjuntores, para-raios, transformadores de corrente e potencial serão modelados.
Figura 1. Fluxograma com a descrição de uso da plataforma de
treinamento.
3 Resultados
Conforme mencionado na seção anterior, a modelagem 3D da subestação está sendo construída
com base em imagens dos equipamentos reais da
subestação. Este trabalho está praticamente finalizado, faltando apenas refinamentos e detalhes nos
equipamentos. A Figura 2 apresenta alguns modelos
virtuais do disjuntor de baixa tensão. Já a Figura 3
exibe uma visão geral da subestação virtual.
Figura 2. Modelos virtuais de disjuntor de baixa tensão.
Figura 3. Visão geral da subestação virtual.
Uma vez que o motor de jogos escolhido pelo
projeto (o Unreal Engine 4) fornece um plugin oficial para os Oculus Rift, a integração entre os dispositivos foi simples e direta, permitindo que o ambiente
criado seja perfeitamente visualizado através dos
Oculus Rift sem grandes empecilhos. A integração
do ambiente com o controle Razer Hydra foi implementada com o auxílio de um plugin desenvolvido
pela comunidade de usuários do motor de jogo, uma
vez que não existe um plugin oficial até o momento
da escrita deste artigo.
O comportamento da subestação de distribuição
também está em fase final de implementação, sendo
possível já testar parcialmente a subestação. Para tal,
foi realizado um estudo de caso com base em uma
das manobras do Manual de Manobras da concessionária CPFL, em que seria necessária a atuação de
um EHS. A situação inicial do caso é caracterizada
por:
 Falha no fornecimento de energia para a carga
de um dos transformadores de potência;
 Disjuntor geral de alta tensão ligado;
 Seccionador motorizado de alta tensão, do
transformador desenergizado, aberto;
 Relés com proteções atuadas na sala de controle.
Foram criadas funções que representam de maneira autêntica a operação dos equipamentos da subestação, assim como a interação entre eles. Para a
simulação da ocorrência na subestação, incluiu-se a
comunicação com o COS, uma vez que o EHS terá
suas ações instruídas por ele.
O fluxograma que representa as principais atuações do EHS no estudo de caso citado é exibido na
Figura 4. Mais especificamente, na manobra do estudo de caso, é necessário que o EHS investigue e
identifique corretamente as proteções atuadas dos
relés na sala de controle, faça uma inspeção da área
afetada da subestação para encontrar o defeito existente e reporte corretamente o problema ao COS. Em
seguida, com o auxílio do COS, o EHS precisa isolar
o defeito encontrado e religar a parte da subestação
que se encontrava desligada no início.
A atuação do EHS na situação de emergência é
atualmente avaliada pelos seguintes aspectos:
 Cumprimento das solicitações do COS;
 Identificação correta do problema;
 Identificação e interação com equipamentos de
proteção;
 Identificação e interação com equipamentos do
pátio de manobra (seccionadores e disjuntores).
Ao finalizar a manobra, o EHS recebe uma pontuação que varia de 0 a 100 de acordo com o seu
desempenho nos aspectos mencionados acima. Espera-se que esta pontuação auxilie os supervisores a
identificar possíveis dificuldades do EHS em realizar
manobras específicas e, desta forma, direcione os
treinamentos de formação e reciclagem para tratar
tais dificuldades.
Figura 4. Fluxograma da manobra de emergência do estudo de caso.
4 Considerações Finais
Este artigo apresentou um projeto em desenvolvimento que tem como principal objetivo a elaboração de uma plataforma de treinamento em realidade
virtual imersiva para aprimorar os cursos de capacitação e reciclagem de EHS. Apesar de não substituir
completamente a experiência de realizar manobras
em uma subestação real, a utilização de um ambiente de realidade virtual tem como vantagens não causar riscos à integridade física do EHS e não afetar o
fornecimento de energia, permitindo ao EHS tentar
resolver manobras sem receios e quantas vezes forem necessárias.
A plataforma foi validada por dois instrutores
do treinamento atual, que a aprovaram e sugeriram
algumas melhorias que deverão ser incluídas nas
próximas etapas do projeto, tal como a informação
do tempo necessário para realizar uma manobra, por
cada EHS. Foram dadas também sugestões de altera-
ções em alguns dos equipamentos existentes no ambiente de realidade virtual, para que fiquem mais
semelhantes com os existentes na subestação real.
Além disto, trabalhos futuros como a implementação de novas manobras, medição do nível de estresse do EHS enquanto realiza uma manobra e a
produção de relatórios com detalhes mais precisos
sobre o desempenho do EHS para análise dos supervisores encontram-se dentro do escopo do projeto.
Reconhecimentos
O projeto apresentado neste artigo tem suporte
da concessionária de energia elétrica CPFL e faz
parte do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento
Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado
pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
Os autores gostariam de agradecer a Leandro de
Barros Basso, José Carlos P. Zitto, Rodrigo M. Rocha, João Paulo Parreira, Daniel M. Burini e Fernanda S. Giannini, da concessionária CPFL, pelo
suporte técnico oferecido, a Janaina G. Ruas, Lucimara de Almeida e Michel Fornaciali, do Instituto
de Pesquisas Eldorado, pelas contribuições no desenvolvimento do projeto e a Otávio B. Gomes e
Felipe D. R. Lira pela colaboração no emprego do
motor de jogo Unreal Engine 4 e nas primeiras etapas do projeto.
A arte utilizada no projeto foi criada pela empresa Royal 3D.
Referências Bibliográficas
L. J. Ausburn, F. B. Ausburn, “Desktop virtual reality: A powerful new technology for teaching and
research in industrial teacher education”, Journal of Industrial Teacher Education, vol. 41, n.
4, p. 33-58, 2004.
C. C. Bonwell, and J. A. Eison, Active Learning:
Creating Excitement in the Classroom. Wiley,
p. 19. 1991.
C. E. Hmelo-Silver, “Problem-based learning: What
and how do students learn?”, Educational Psychology Review 16.3, p. 235-266. 2004.
T. Mikropoulos, A. Chalkidis, A. Katsikis, and P.
Kossivaki, “Virtual realities in environmental
education: The project LAKE”, Education and
Information Technologies, vol. 2, p. 131-142,
1997.
Oculus,
Oculus
Rift.
Disponível
em:
<https://www.oculus.com/>. Acesso em: 22 mai.
2015.
V. S. Pantelidis, “Suggestions on when to use and
when not to use virtual reality in education”,
Report. East Carolina University, 1994.
Razer
Inc.
Hydra.
Disponível
em:
<http://www.razerzone.com/vrpromo/>. Acesso
em 22 mai. 2015.
C. H. C. Silva, “Desenvolvimento de um laboratório
virtual para capacitação tecnológica a distância
em proteção de sistemas elétricos”, Dissertação
de Mestrado, Universidade Federal do Ceará.
Fortaleza, 2011.
R. C. Silva, “Virtual Substation: Um sistema de Realidade Virtual para treinamento de operadores
de subestações elétricas”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia,
Uberlândia, 2012.
Unreal
Engine
4.
Disponível
em
<https://www.unrealengine.com/>. Acesso em
22 mai. 2015.