REALIDADE VIRTUAL APLICADA A INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
ADEMAR V. S. NETTO, JOSÉ A. DO N. NETO, MARIA DE FATIMA Q.VIEIRA
LIHM –DEE – CEEI UFCG, Campus I
Caixa Postal 10053
58.429-900 Campina Grande, Paraíba
{ademar.netto, alves,fatima}@dee.ufcg.edu.br
Abstract Building virtual reality environments, demands a deep knowledge of the physical environment as well as on the
system to be modeled. Furthermore, the modeling objectives, functionality and features of the virtual world determine the
choice of language and tools used to build the virtual world. This paper describes the process of building a virtual reality representation of an electric system substation. The idea is to integrate this virtual reality representation into the design of a simulator to be used for operator training. The virtual world represents a substation control room with control panels and the
supervisory system screen. This project is based on the integration between the model for the visual representation in virtual
reality and the model (built in Colored Petri Net) that represents the system behavior (equipment and devices in the substation
environment). The integration is achieved through TCP-IP, with messages being exchanged between models. To ease the representation of different installations the strategy adopted when building this virtual environment is based upon a model library that keeps representations of the devices and equipment typically found in the control room of electric systems substations.
Keywords Virtual Reality, Operator Training System, Simulation
Resumo A construção de ambientes em realidade virtual demanda o conhecimento aprofundado do ambiente físico e do
processo a ser modelado. Por sua vez os objetivos, as funcionalidades e as características do mundo virtual norteiam a escolha de linguagem e ferramentas que serão utilizadas. Neste artigo é descrito o processo de construção de um ambiente em realidade virtual de uma subestação do sistema elétrico. O objetivo da modelagem foi a construção de um simulador para treinamento de operadores de subestação. O ambiente modelado foi a sala de comando com a representação dos painéis de equipamentos e o terminal para supervisão do sistema. O desenvolvimento deste projeto se baseia na integração de uma representação visual do ambiente em realidade virtual com uma representação em Rede de Petri Coloridas (CPN) do comportamento
dos equipamentos e dispositivos ali representados. A integração destes dois níveis de abstração é feita a partir de troca de
mensagens em TCP-IP. Com o propósito de facilitar a representação de novos ambientes, a estratégia de construção deste
ambiente virtual conta com uma biblioteca em CPN que representa o comportamento dos equipamentos e dispositivos tipicamente encontrados em salas de comando de subestações de um sistema elétrico.
Palavras-chave Realidade virtual, Sistema para o treinamento de operadores, Simulação
1 Introdução
Realidade virtual refere-se a uma experiência imersiva e interativa baseada em imagens
gráficas 3D (três dimensões) geradas em tempo
real por computador (Pimentel, 1995). Através
da realidade virtual é possível simular um sistema real ou imaginário, onde um ou mais
usuários podem interagir através da visualização e manipulação dos objetos.
A simulação de ambientes em realidade
virtual é uma estratégia adotada no desenvolvimento de ambientes voltados para o aprendizado (Silva et al, 2008) e para o treinamento
(Marcos et. al, 2001), (Souza et al, 2006).
Imergir o usuário em um ambiente similar ao
de trabalho é um recurso eficaz no treinamento
de operadores. Este recurso é particularmente
necessário para ambientes industriais nos quais
o treinamento de operadores não pode ser feito
com o sistema real. Por outro lado, é nos sistemas considerados críticos, do ponto de vista do
impacto do erro, que o treinamento é indispensável como forma de minimizar a ocorrência
do erro.
O objetivo deste trabalho é apresentar o
processo adotado na concepção de ambientes
de automação industrial, utilizando realidade
virtual (RV), para serem utilizados em treinamento simulado. Este artigo está organizado
em quatro seções, incluindo esta. Na próxima
sessão é apresentado o processo adotado na
construção de ambientes virtuais, na sessão três
este processo é aplicado à construção de um
ambiente virtual para representar a sala de
controle de uma subestação de sistema elétrico
(SE); finalmente na quarta seção são discutidos
os limites desta estratégia, tecidas considerações e sugeridos os próximos passos para este
trabalho.
2 Processo para construção de ambientes de
simulação
O processo utilizado na construção de mundos
virtuais aplicado a ambientes de automação é
ilustrado na Figura 1. O processo inicia com a
escolha da linguagem para a representação do
mundo virtual e das ferramentas de edição e
visualização; em seguida é feito o estudo do
processo a ser representado; a construção do
modelo formal do comportamento dos objetos
no processo modelado; a construção do mundo
virtual; e a integração da representação virtual
com o modelo formal do comportamento do
sistema.
Escolher Linguagem
Escolher Ferramentas
Estudar o Sistema
oferecido para a linguagem. Outro aspecto
importante são os modos de interação com o
mundo virtual: andar, voar, gravidade. Assim
como a compatibilidade da linguagem com
dispositivos de interação tais como mouse,
teclado e outros. Finalmente dois aspectos
importantes na representação de ambientes de
automação são a rapidez na visualização do
mundo virtual e a possibilidade de integir com
processos externos.
2.2 Estudo do processo
Para modelar o processo é necessário analisar o ambiente e o sistema de automação que
será representado. Esta etapa consiste de visitas
técnicas ao local; registro das características do
sistema; entrevistas com as pessoas que interagem com o sistema e o registro fotográfico do
ambiente a ser modelado. A partir dos dados
coletados é feita uma descrição preliminar do
processo, destacando os aspectos que serão
representados e o grau de fidelidade que deve
ser alcançado.
Concepção e modelagem
Modelar comportamento
Modelar Rep.
Visual
Integrar modelos
Figura 1 - Processo de modelagem.
2.1 Critérios para escolha da Linguagem
A escolha da linguagem para representar o
mundo virtual se dá com base nos seguintes
critérios: capacidade semântica de representar o
ambiente e seus objetos (representação 3D, 2D
e áudio); recursos para comunicação com processos externos e de visualização remota; recursos para acesso simultâneo ao mundo virtual; disponibilidade de documentação e de ferramentas para edição e visualização; portabilidade; e facilidade de aprendizado e de compreensão.
Ao escolher uma linguagem para modelar um
ambiente em realidade virtual (3D) é necessário considerar as ferramentas disponíveis para
construção do mundo virtual e para sua posterior visualização. Também é necessário considerar sua compatibilidade com o sistema operacional no qual o mundo virtual será executado, a exemplo de Windows e Linux e o suporte
2.3 Modelagem do ambiente de automação
A construção dos modelos que comporão o
mundo virtual consiste na codificação das informações coletadas na etapa anterior em dois
níveis distintos:
 Modelagem do comportamento do
sistema: consiste na construção de um modelo
formal que represente (a) o comportamento dos
objetos do mundo virtual, neste caso, equipamentos e dispositivos e (b) o comportamento
da interface com o operador e, (c) as relações
entre os objetos (interdependência de comportamentos tais como inter-travamentos de dispositivos no ambiente de automação).
 Modelagem da representação visual: consiste na construção de uma representação, em realidade virtual, do ambiente de automação. O mundo virtual é representado a
partir de objetos tridimensionais (3D) que representam os objetos reais do ambiente de
automação. Uma estratégia dotada para reduzir
o tempo de modelagem foi a superposição de
imagens 2D do ambiente real (fotos) aos objetos 3D criados, o que acarretou no aumento do
grau de realismo alcançado. Estas vistas superpostas foram em seguida animadas permitindo
que os objetos ali representados, tais como
chaves e outros manipuladores pudessem sofrer
interações no mundo virtual.
Uma vez construído o modelo formal do
comportamento dos objetos do mundo real e
sua representação visual, utilizando Realidade
Virtual é necessário interconectá-los. A comunicação entre os modelos deve ser full duplex
permitindo que uma interação com objetos
representados no mundo virtual seja repassada
ao modelo do comportamento do sistema e que
seu novo estado repercuta na representação
visual do mundo virtual.
Na próxima seção é apresentado um estudo
de caso no qual este processo foi adotado na
construção de um ambiente virtual para treinamento de operadores de uma subestação de um
sistema elétrico.
3 Ambiente virtual de uma SE
O primeiro passo do processo descrito na
seção anterior consistiu na escolha da linguagem. Dentre as linguagens avaliadas segundo
os critérios já apresentados foi escolhida a
Virtual Reality Modeling Language (VRML)
(Ames et al. 1997). A versão utilizada foi
VRML 2.0. Uma representação nesta linguagem pode ser editada diretamente em um bloco
de notas, dispensando uma ferramenta de edição. Ela é de fácil aprendizado e interpretação e
pode ser visualizada a partir de diversos plugins, diretamente em uma página na Web.
Dentre as ferramentas disponíveis para edição de um novo projeto estão o VRMLPad
(VRMPad 2009) e o Blender (Blender 2009).
Para visualização foram utilizados o Cortona
(Cortona 2009) na plataforma Windows e o
Freewrl (Lukka 1998). Este último, além de
permitir a visualização possibilitou a integração com o modelo formal do comportamento
do sistema.
No sistema analisado, ambiente para supervisão e controle de uma subsestação de um
sistema elétrico, estão disponíveis ao operador
três níveis de interação local, que permitem
alternativamente supervisionar e controlar o
sistema:
Nível 0: consiste na operação direta dos
equipamentos através de seus painéis de operação, em geral no ambiente externo à sala de
controle (pátio de equipamentos). Este tipo de
operação é restrito à situações especiais devido
aos riscos causados pela proximidade do ope-
rador humano com o equipamento elétrico no
campo.
Nível 1: consiste na operação remota dos
equipamentos através de painéis de operação
situados na sala de controle.
Nível 2: neste nível a interação se dá através de estações de trabalho situadas na sala de
controle e apoiadas por um software de supervisão do tipo SCADA (supervisory control and
data aquisition). Estas estações possibilitam ao
operador a visualização e interação com os
equipamentos de campo.
Em algumas instalações (subestações), do
sistema elétrico estudado, os três níveis de
interação descritos anteriormente podem ser
operados indistintamente. A Figura 2 ilustra a
sala de controle de uma subestação na qual o
controle pode ser feito através de painéis de
controle ou através de um supervisório. Este
projeto focaliza os níveis 1 e 2 de interação,
pois representa apenas os objetos da sala de
controle, não sendo considerados os dispositivos e equipamentos situados no campo (Nivel
0) e também presentes na instalação.
O mundo virtual representando a sala de
controle da SE foi construído usando a linguagem VRML. A Figura 3 ilustra a representação
3D dos objetos de interação disponíveis na
instalação. Na tentativa de tornar a representação “mais fiel” foram utilizadas imagens 2D
(fotos) da subestação modelada.
A modelagem do comportamento dos objetos presentes no mundo virtual foi realizada
utilizando o formalismo de Redes de Petri
Colorida – (CPN) (Jensen 1992). Os modelos
construídos representam o comportamento dos
objetos e de suas interfaces presentes na sala de
controle da SE. Estes modelos se comunicam
com o ambiente virtual através da troca de
mensagens. Na implementação desta comunicação foram utilizadas classes JAVA (Java
2009) e a biblioteca COMMS/CPN (Gsallasch,
2001).
A classe JavaCPNInterface define a interface para as primitivas connect, accept, send,
receive e disconnect. A classe JavaCPN implementa as primitivas de JavaCPNInterface. A
classe EncodeDecode faz a conversão de objetos de dados em fluxos de bytes e vice-versa. E
a classe PoolServer é do tipo thread, responsável pela abstração da Camada de Comunicação
da Comms/CPN. Esta classe utiliza as funções
primitivas das classes JavaCPN e EncodeDecode (Freitas 2006).
A Comms/CPN foi projetada para atuar
como interface entre os modelos redes de Petri
coloridas e o protocolo TCP/IP. Sua estrutura é
composta de três módulos principais, organizados em:
i) Camada de Comunicação: contém os
mecanismos básicos de transporte do protocolo
TCP/IP e todas as funções primitivas fundamentais relacionadas à sockets. Esta camada
faz a interação direta com o processo externo.
ii) Camada de Mensagens: responsável pela conversão dos dados em fluxo de bytes para
que haja a troca de mensagens entre os modelos e as aplicações externas;
iii) Camada de Gerenciamento de Conexão: permite que processos externos abram,
fechem, enviem e recebam múltiplas conexões.
Esta camada controla as outras duas e faz interface direta com os modelos redes de Petri.
Foram construídos dois modelos de comportamento, para representar os níveis 1 (nível
de painéis) e 2 (nível SCADA) descritos acima.
Os dois modelos foram interconectados, através da troca de mensagens. A modelagem dos
painéis foi implementada a partir da biblioteca
de modelos descrita em (Nascimento 2003),
utilizando uma representação hierárquica a
partir da conexão de sub-modelos. Esta biblioteca consiste de modelos do comportamento de
objetos tipicamente encontrados em um ambiente de subestação de sistemas elétricos (disjuntores, chaves, etc...).
Na Figura 4 é ilustrado o modelo do comportamento de uma chave de transferência de
proteção de três posições. Esse modelo é composto de lugares que representam o estado das
chaves: normal, em transferência e transferida.
As fichas informam quais chaves estão presentes neste modelo. Este modelo deve se comunicar com a representação visual das chaves no
mundo virtual, através do envio de mensagens.
Figura 2 - Sala de operação e controle de uma subestação
Figura 3 - Representação VRML da sala de operação e controle de uma subestação.
Na construção do simulador do ambiente
da subestação foi incluído um módulo que
permite a interação do operador com o modelo
do comportamento dos objetos a partir de uma
representação em um sistema SCADA. A comunicação entre o modelo do comportamento
do sistema (motor de simulação) e o sistema
supervisório é feita através da troca de mensagens via rede de computadores, utilizando o
protocolo TCP/IP e fazendo uso de um driver
de comunicação no software supervisório.
Neste caso, cada interação com os objetos
representados no software supervisório é enviada para o modelo da planta que implementa o
comportamento do dispositivo simulado. A
planta por sua vez envia uma mensagem de
retorno, tanto para o sistema SCADA quanto
para o mundo virtual com uma realimentação
do comportamento do sistema. Esta mensagem
promove uma mudança do estado do objeto nas
duas representações.
Figura 4 – Modelo CPN da chave de transferência de
proteção
A arquitetura do simulador possibilita a
comunicação com diferentes supervisórios
desde que estes ofereçam a comunicação
TCP/IP. Neste estudo a interface com o sistema
SCADA foi construída utilizando tanto para o
software Elipse Scada (Elipse, 2009) quanto
para o Indusoft (Indusoft, 2009), uma vez que
ambos oferecem a comunicação via TCP/IP.
4 Considerações finais
Neste artigo foi descrito o processo de
construção de um ambiente virtual para treinamento simulado de operadores de subestação
de sistemas elétricos. O processo compreende
um conjunto de etapas relacionadas: à representação visual (descrita a partir da linguagem
VRML) e à modelagem do comportamento dos
objetos em Rede de Petri Colorida; a qual provê a dinâmica do comportamento do processo.
Os modelos correspondentes foram conectados
através de mensagens via TPC/IP.
A representação do ambiente virtual foi facilitada pela estratégia de representar inicialmente os objetos como volumes sólidos sem
detalhes, em um ambiente tridimensional que
representa o ambiente físico modelado e em
seguida superpor a estes objetos representações
2D (fotos) do ambiente real.
A representação virtual da instalação teve
como objetivo oferecer um ambiente simulado
para o treinamento e certificação de operadores. O protótipo do simulador construído a
partir do mundo virtual foi testado no laboratório de usabilidade da UFCG (LIHM) com operadores da instalação real. A partir das suges-
tões feitas na ocasião, novos aspectos estão
sendo incorporados. Dentre as sugestões destaca-se o ajuste no tempo de resposta do sistema
simulado, uma vez que de acordo com os testes
realizados, a realização de manobras neste
sistema apresenta uma duração bem inferior à
interação com o sistema simulado.
No estágio atual do projeto a representação
do ambiente está sendo refinada com a inclusão
de: som ambiente, representação do pátio de
equipamentos e a inserção de alarmes visuais e
sonoros, com o propósito de aumentar o grau
de realismo do ambiente representado.
Como trabalho futuro pretende-se integrar
ao simulador um módulo tutor com recursos
para edição de treinamentos e armazenamento
do log individual e de informações sobre os
resultados dos treinamentos realizados. Pretende-se ainda revisar as decisões originais do
projeto relativas às tecnologias adotadas, a
exemplo da migração da linguagem VRML
para X3D.
Agradecimentos
Os autores agradecem às agências CNPq e
CAPES pelo apoio financeiro na forma de
bolsa de pós-graduação para dois dos autores
deste artigo e agradecem também à Empresa
CHESF pela colaboração na realização deste
trabalho.
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