X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente
18 a 21 de setembro de 2011
São João del-Rei - MG - Brasil
AMBIENTE PARA O TREINAMENTO DE OPERADORES EM PAINÉIS E SUPERVISÓRIO APOIADO POR UM MÓDULO
TUTOR
¹
Flávio Torres Filho, ¹Raffael Carvalho da Costa, ¹,²Maria de Fátima Q. Vieira
¹
Laboratório de Interfaces Homem-Máquina, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal
de Campina Grande
Caixa Postal 10105, 58.109-970 Campina Grande, PB, Brasil.
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
²
Centre for Excellence in Signal & Image Processing, Dept of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde - Scotland, UK
Resumo Este artigo descreve um simulador desenvolvido para o treinamento de operadores de sistemas elétricos, o qual se adéqua ao treinamento tanto em painéis quanto em supervisório. Ele aborda a representação do supervisório no ambiente do simulador (SimuLIHM), e a construção de um módulo de apoio ao tutor responsável pelo treinamento nas etapas de: planejamento, execução e avaliação das sessões de treinamento. O simulador oferece recursos tanto para o treinamento na operação de subestações
quanto na operação de centros de operação. Os ambientes do supervisório e do tutor foram submetidos a uma avaliação funcional, com a participação de usuários, a qual também é descrita neste artigo.
Palavras-chave Aprendizagem em máquinas, Sistemas adaptativos e de aprendizagem, Sistemas a eventos discretos.
Abstract This paper describes a simulator developed for training electric systems operators, which allows for training on the operation of panels as well as on supervisory systems. It addresses the representation of a supervisory system into the simulator’s
environment (SimuLIHM), as well as the development of a module to support the tutor when planning, implementing and evaluating training programs. The electrical system simulator offers features which apply to the training of operator’s for operating:
substations and regional control centres (system operators). The Simulator underwent a functional evaluation, with the participation of users, representing both the tutor and the operator under training, which is also described in this paper.
Keywords machine learning, adaptive systems for learning, discrete event systems.
1
Introdução
Assim como em outras áreas da indústria, na última
década as salas de controle em subestações elétricas
evoluíram da operação através de painéis de controle
para os sistemas supervisórios, os quais coletam
dados do processo, e os disponibilizam em diferentes
formatos para os operadores do sistema (Mamede
Filho, 2007). No ambiente de um supervisório, as
variáveis do processo industrial são apresentadas ao
operador de forma condensada, proporcionando um
aumento na eficiência da operação. Por outro lado, a
concentração de informações e o aumento da carga
cognitiva sobre o usuário demandam treinamentos
mais eficazes, de modo a evitar a ocorrência do erro
humano.
A tendência nos ambientes automatizados, tais
como sistemas elétricos (SE), é implantar a supervisão e controle a partir destes sistemas, os quais podem estar instalados no ambiente das subestações ou
remotamente localizados em centros de operação.
Por outro lado, na rotina de operação de uma
subestação mais antiga os operadores devem estar
preparados para atuar tanto através de painéis quanto
de supervisórios. Havendo situações de transição nos
níveis de automação destas instalações que demandam a realização de uma tarefa utilizando os dois
níveis de controle (painéis e supervisório).
ISSN: 2175-8905 - Vol. X
Nos sistemas cuja complexidade das tarefas é elevada, tal como no SE, cresce o risco de acidentes
causados pelo erro humano, levando à necessidade
de investir esforços no treinamento mais eficaz desses profissionais. Nesse contexto, o recurso da simulação vem sendo cada vez mais adotado, recriando
uma variedade de cenários de treinamento, nos quais
o treinando pode exercitar seus conhecimentos na
solução de problemas típicos da operação do sistema.
Em geral, os casos simulados consistem na realização de manobras no sistema, através de interfaces
que reproduzem aquelas do sistema real.
Os simuladores disponíveis para treinamento nos
SE tipicamente apóiam o treinamento apenas no uso
de sistemas supervisórios. No entanto, para que o
treinamento seja mais realista e completo, o ambiente
simulado deve abranger também o treinamento nos
painéis de comando e permitir a operação integrada
nestes dois níveis de controle (painéis e supervisório).
Além de um ambiente de simulação mais completo, destaca-se a necessidade de oferta de recursos
aos tutores1, que apóiem a gestão e a análise do impacto causado pelo treinamento. A função do tutor é
apoiar o processo de ensino-aprendizagem, facilitando a aquisição de conhecimentos por parte dos a1
Neste trabalho os termos tutores e instrutores são usados indistintamente para designar os indivíduos responsáveis por elaborar e
aplicar os treinamentos.
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prendizes. Nesse processo, um módulo tutor, acoplado a um simulador, deve oferecer recursos para auxiliar o tutor humano ou até substituí-lo em algumas
etapas do treinamento, como nos Sistemas Tutores
Inteligentes (STI). Os STIs constituem um ambiente
de ensino e aprendizagem assistidos por computador.
O trabalho aqui descrito se insere no contexto de
desenvolvimento de um simulador para o treinamento de operadores de sistemas elétricos, o qual oferece
a opção de treinamento tanto em painéis quanto em
supervisório. Ele descreve a representação do supervisório no ambiente do simulador (SimuLIHM), e do
módulo tutor; ambos desenvolvidos para apoiar o
planejamento, a execução e avaliação das sessões de
treinamento.
As premissas do trabalho foram: disponibilizar o
treinamento em uma representação do supervisório
no ambiente do simulador, com fidelidade em relação ao recurso utilizado no ambiente real de operação, integrado à representação da IHM nos painéis de
controle. Por outro lado, a concepção do módulo
tutor visou apoiar as fases de: planejamento, execução e avaliação dos treinamentos.
Este artigo está organizado da seguinte forma.
Na seção 2, é apresentada uma revisão sobre o treinamento apoiado por simuladores. Na sessão 3 é
apresentado o ambiente de simulação SimuLIHM e
os módulos que compõem sua arquitetura, com destaque para o módulo de apoio ao tutor e para o ambiente do supervisório. Na seção 4, é descrito o procedimento de teste funcional do simulador. E, na sessão
6 são apresentadas as considerações sobre os resultados preliminares e as propostas de continuidade.
2
Treinamento apoiado por simuladores
Dada a crescente preocupação das empresas do
setor elétrico com a capacitação de seus operadores,
ferramentas específicas para treinamento vêm sendo
desenvolvidas, sobretudo simuladores (Silva et al.,
2009). A adoção dessas ferramentas facilita a assimilação dos procedimentos de operação e permite que o
treinando possa exercitar com uma réplica do sistema, sem a preocupação de interferir no sistema real.
Assim, permite-se sua familiarização com situações
realistas resguardando-se sua segurança e a integridade do sistema real.
Várias empresas do setor elétrico, no Brasil e no
exterior, utilizam simuladores no processo de treinamento e certificação de operadores. Dentre estas
estão: Operador Nacional do Sistema – ONS (Lorenzo et al., 2008), ELETRONORTE (Moutinho, 2008),
ITAIPU Binacional (Isasi et al., 2007), Swedish
National Grid (Walve; Adstrom, 1999), Electricité de
France – EDF (Kostic et al., 1997) e na China Henan
Electic Power (Hua; Zhou; Yu, 2004).
Em sua maioria, os simuladores são voltados para o treinamento no ambiente do software supervisório. Neles, os operadores em treinamento interagem
com uma representação do sistema supervisório, que
simula a operação real do sistema elétrico. Nesses
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sistemas o treinamento de operadores de subestações
torna-se incompleto, uma vez que, não permitem a
realização de manobras em painéis de controle.
Por outro lado, para atingir os objetivos do treinamento em um ambiente simulado, é necessário
assegurar um nível de realismo capaz de imergir o
operador na atividade de modo a capacitá-lo a reproduzir no ambiente real, o aprendizado adquirido no
treinamento (Silva et al., 2009). Nesse sentido, os
recursos representados e ações possíveis devem corresponder àquelas disponíveis no ambiente real; tais
como a operação sobre botoeiras em painéis e equipamentos, visualização de mostradores analógicos e
digitais, interação com um software supervisório,
consulta a manuais de operação, comunicação com
centros de operação, etc.
A partir do estudo realizado sobre simuladores
foi elaborada uma lista de requisitos que o trabalho
aqui apresentado procura atender, e as quais passamos a discutir.
Nos ambientes simulados é necessário disponibilizar recursos para o instrutor, de modo a apoiá-lo na
construção de cenários de treinamento com diferentes propósitos (instrução, certificação e reciclagem),
de acordo com as necessidades de competências do
ambiente de operação (Leite; Rodrigues; Oliveira,
2007). O treinamento pode focalizar: situações de
rotina, situações complexas e raras, ou novos procedimentos resultantes de modificações no sistema.
Simuladores também podem usados no processo de
certificação de operadores.
Uma vez que o sistema elétrico é geograficamente distribuído, um requisito importante para um
simulador é permitir a realização de treinamentos à
distância (Bezerra et al., 2007). Esta característica
dispensa operadores e instrutores de se ausentarem
de seus ambientes de trabalho durante os treinamentos, enquanto assegura que as sessões de treinamento
possam ser acompanhadas em tempo real pelo instrutor, permitindo-lhe inclusive o disparo de eventos
durante a simulação.
O ambiente de treinamento também deve oferecer recursos para apoiar a avaliação do desempenho
do operador durante a simulação. O registro do treinamento permite uma discussão sobre quais falhas
operacionais devem ser eliminadas, esclarecendo
dúvidas que poderão melhorar a qualidade de seu
desempenho. Do ponto de vista do tutor, estas informações permitirão avaliar o progresso de cada treinando, e apoiar a criação de novos cenários de treinamento.
Nesta próxima seção é descrito o projeto simulador para treinamento de operadores de sistemas
elétricos SimuLIHM, atualmente em desenvolvimento no Laboratório de Interfaces Homem-Máquina
(LIHM), do DEE-CEEI-UFCG.
3
O projeto SimuLIHM
O SimuLIHM consiste de um conjunto de ferramentas para apoiar a realização de treinamentos e a
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avaliação de seus resultados. Sua arquitetura é modular e distribuída e oferece dois ambientes: um ambiente voltado para os treinandos (operadores) e outro
para o usuário tutor. Os ambientes podem ser acessados via internet ou intranet, permitindo a realização
de treinamentos à distância e a participação simultânea de grupos de operadores, os quais podem interagir entre si e com o tutor.
As ferramentas de apoio ao tutor auxiliam na edição de cenários de treinamento concebidos para
diferentes propósitos (treinamento introdutório, reciclagem, e certificação); no acompanhamento do
treinamento (monitoramento das atividades dos operadores); e na avaliação de seus resultados (oferecendo recursos para playback e geração de relatórios a
partir do armazenamento de dados). Dado o nível de
realismo da representação é possível imergir o operador em situações da rotina de operação ou contingências. As contingencias podem ser apoiadas pela
análise do histórico de falha humana na empresa.
foi adotado o browser Xj3D (Brutzman; Daly, 2007),
que é um software de código aberto, desenvolvido na
linguagem Java, o qual oferece uma API SAI (Scene
Access Interface). Esta API, especificada pela Web
3D (implementada na linguagem Java), oferece um
conjunto de métodos que permitem acessar a cena e
definir o comportamento dos objetos representados.
3.2 Ambiente do treinando
Este ambiente consiste de uma aplicação JAVA
com o visualizador Xj3D integrado, a qual permite
ao usuário navegar e interagir com objetos tridimensionais representados na sala de controle virtual (Figura 2). Completando o ambiente do simulador foi
desenvolvido um módulo, que comunica o simulador
com um software supervisório real, o qual pode ser
acessado a partir do mundo virtual. Classes Java
gerenciam a comunicação do ambiente do operador,
(supervisório e mundo virtual), com o ambiente do
tutor.
3.1 Sala de controle virtual
Na versão atual, o SimuLIHM oferece aos usuários um ambiente de simulação, baseado em realidade virtual, que reproduz uma típica sala de controle
de uma subestação distribuidora de energia elétrica
(Figura 1).
Figura 1. Sala de controle virtual de subestação de um sistema
elétrico
Nesse ambiente virtual tridimensional (3D), os
operadores, em treinamento, podem deslocar-se,
interagindo a partir de um mouse ou teclado; e realizar suas tarefas de forma semelhante ao que fariam
no ambiente real. Para isso, interagem com representações virtuais dos painéis de controle e com um
sistema supervisório real, cujo acesso é feito através
do ambiente virtual (Ver seção 4).
O mundo virtual é descrito na linguagem X3D
(Brutzman; Daly, 2007), baseada no padrão XML
(eXtensible Markup Language) e considerada a evolução da linguagem VRML. O X3D(eXtensible 3D)
é um padrão aberto, reconhecido pela norma ISO/IEC 19776 e desenvolvido pelo Web3D Consortium (2011). Ele permite descrever em um arquivo as
formas e comportamentos dos elementos que compõem um ambiente virtual.
A visualização do ambiente virtual descrito em
X3D é realizada com o auxilio de browsers, que
processam os arquivos x3d e apresentam os modelos
tridimensionais. Os browsers possibilitam também a
navegação no espaço virtual e a interação com os
elementos que o compõem. No projeto do simulador
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Figura 2. Ambiente do operador no SimuLIHM
3.3 Ambiente do tutor
Neste ambiente, são cadastrados treinamentos,
criados cenários de treinamento ou editados cenários
que já se encontram armazenados em um banco de
dados. O tutor acompanha o treinamento em tempo
real, podendo disparar eventos durante a simulação, e
pode avaliar treinamentos realizados a partir de recurso de playback, gerando relatórios de desempenho.
O visualizador Xj3D permite que o tutor navegue no ambiente virtual para configurar o estado
inicial dos objetos nos painéis e no supervisório, para
configurar um cenário de treinamento específico.
Opcionalmente, o tutor poderá configurar o estado
desses objetos através de um menu lateral (Figura 3).
Uma vez configurado o ambiente, o tutor pode salvar
o cenário no banco de dados do simulador.
Durante a sessão de treinamento, o tutor pode
navegar no ambiente virtual no qual o operador está
inserido e visualizar, em tempo real, as ações sobre
os objetos nos painéis ou na tela do supervisório.
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Todas as ações do operador durante o treinamento
são registradas. Classes Java gerenciam a comunicação do ambiente do operador, com o banco de dados
e com o motor de simulação do sistema.
ção de seu comportamento. A biblioteca de modelos
minimizou o esforço de modelagem do ambiente de
simulação. Por sua vez, o uso de modelos verificados
e validados, minimizou a ocorrência de erros de
modelagem.
4
Figura 3. Ambiente do tutor no SimuLIHM
3.4 Banco de dados
O banco de dados (BD) é o componente do SimuLIHM, que armazena informações sobre a configuração das instalações simuladas, eventos associados a cenários, e histórico das interações do operador
com o ambiente virtual durante um treinamento. O
BD também é o elemento integrador dos módulos do
simulador. Ao salvar o estado do ambiente representado, no final de uma sessão de simulação, e permitir
sua recuperação no início da próxima sessão, o simulador flexibiliza a realização do treinamento, do
ponto de vista de duração e complexidade.
O Sistema Gerenciador de Banco de Dados
(SGBD) adotado é o SQL Server 2008. Este SGBD
oferece uma plataforma segura, confiável, escalonável e gerenciável. Outros fatores que influenciaram
esta decisão de projeto foram a facilidade de integração com sistemas supervisórios e recursos para tratar
dados no formato XML.
3.5 Motor de simulação
Uma característica do simuLIHM, que distingue
seu projeto dos demais, é o motor de simulação,
construído a partir de modelos formais que descrevem o comportamento dos objetos representados no
mundo virtual (Torres Filho, Vieira; 2010).
Os modelos foram construídos utilizando o formalismo de Redes de Petri Coloridas – CPN, e constituem uma biblioteca de modelos. Os modelos representam o comportamento dos objetos tipicamente
encontrados nos ambientes de uma subestação de um
sistema elétrico e manipuláveis a partir de um software supervisório e painéis de controle (chaves,
botoeiras, mostradores, painéis de alarme, entre outros). Foi também modelado o comportamento do
sistema, em uma versão ainda simplificada. Os modelos integrados e uma vez executados pela ferramenta CPN Tools compõem o motor de simulação.
O formalismo adotado possibilitou a representação de comportamentos concorrentes e paralelos dos
eventos no mundo virtual e a verificação e a valida-
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O módulo supervisório no SimuLIHM
O ambiente virtual do SimuLIHM reproduz o ambiente de uma sala de controle de subestação. No ambiente real, estações de trabalho executam o sistema
supervisório SAGE - Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia, desenvolvido pelo CEPEL. No
desenvolvimento do ambiente supervisório no projeto SimuLIHM, as telas reais do ambiente SAGE
foram replicadas em um supervisório comercial. A
execução deste supervisório é iniciada a partir da
interação com o ambiente virtual da sala de controle.
Ao interagir com o simulador, de acordo com os
normativos, os treinandos podem realizar parte dos
procedimentos de uma tarefa interagindo com objetos representados nos painéis de controle (ambiente
virtual) e com o software supervisório. Os dois níveis
de controle estão integrados de modo que as ações
realizadas sobre um deles repercutem no outro. Assim, durante uma sessão de treinamento, pode-se
utilizar indistintamente quaisquer dos dois níveis de
controle na execução de manobras no simulador. O
desenvolvimento e a integração do módulo supervisório ao SimuLIHM seguiu as etapas descritas a
seguir:
Construção das Telas que compõem a interface
do supervisório: (a) tela de acesso, que permite o
login do usuário e a navegação para outras telas; (b)
a tela do diagrama unifilar, que resume o estado do
sistema elétrico supervisionado; e (c) tela de alarmes,
que reúne os alarmes gerados em decorrência de
eventos no sistema.
A Figura 4 ilustra a tela de login no ambiente
supervisório do simulador. Esta tela é ativada a partir
do clique do mouse sobre a representação da estação
de trabalho na sala de controle virtual.
A tela que acessa o supervisório foi implementada a partir de classes na linguagem Java. Enquanto
as telas que representam o diagrama unifilar e a tela
de alarmes, foram concebidas no InTouch (Wonderware, 2011), sistema supervisório acoplado nesta
versão do simulador.
O software supervisório InTouch oferece os recursos típicos para a construção de telas de operação
e supervisão de processos industriais, tais como telas
de sinóticos, gráficos de tendência, dados históricos,
telas de alarmes, relatórios, etc. A Figura 5 ilustra
uma das telas do SAGE replicada no InTouch, com
um diagrama unifilar representando linhas de transmissão de 230 kV de uma subestação. Nesta tela o
operador pode monitorar e controlar o estado dos
equipamentos do ambiente representado. O código de
cores associado ao estado dos equipamentos segue
padrões adotados no setor elétrico.
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Figura 6. Integração do supervisório com o ambiente de simulação
Figura 4. Ambiente do tutor no SimuLIHM
Para efetuar o comando sobre um equipamento,
e modificar seu estado, o operador deve selecioná-lo
na tela, com um clique do mouse. Uma janela do tipo
pop-up é exibida no monitor na qual o operador deve
confirmar o estado pretendido para o equipamento/
dispositivo.
Figura 5. Tela com o diagrama unificar da subestação, concebida
no InTouch
Integração com o Banco de Dados: associação
dos pontos dinâmicos nas telas do supervisório com a
base de dados do simulador, permitindo que o ambiente supervisório represente os cenários de treinamento configurados e armazenados pelo tutor.
Driver de comunicação: para permitir a troca de
mensagens com o supervisório, foi desenvolvido um
driver de comunicação baseado no protocolo DDE
(Dynamic Data Exchange), nativo dos sistemas operacionais da Microsoft e suportado pelo InTouch na
leitura/escrita de dados em aplicações externas.
Integração com os demais módulos do simulador: no diagrama exibido na Figura 6 é ilustrada a
comunicação do supervisório com os demais módulos da arquitetura do simulador.
Durante uma sessão de treinamento, o usuário
(tutor ou treinando) pode interagir com os objetos
representados nos painéis de controle e no supervisório. A interação resulta no envio de uma mensagem a
um módulo de comunicação.
No ambiente do tutor, as mensagens de comando
que chegam ao módulo de comunicação são enviadas
diretamente ao motor de simulação do sistema. E, no
ambiente do operador, o módulo de comunicação
transmite a mensagem à aplicação do tutor, a qual
encaminha ao motor de simulação.
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Se a mensagem foi originada de uma interação
com o supervisório, ela será transmitida diretamente
ao modelo do campo. Entretanto, se a mensagem
originou de uma interação com um painel, ela será
enviada ao modelo CPN dos painéis, o qual muda de
estado e, só então, é enviada uma solicitação ao modelo do campo. Por sua vez, ao receber a mensagem,
o modelo do campo poderá executar o comando
solicitado pelo operador ou não (no caso de simulação de uma falha). Sendo o comando executado com
sucesso, uma mensagem de resposta é transmitida ao
módulo de comunicação. Em seguida, esse módulo
realimenta o supervisório e os painéis de controle,
atualizando suas representações visuais de acordo
com as mensagens recebidas do motor de simulação,
finalizando a operação.
5 Avaliação funcional do ambiente
Com o objetivo de avaliar o módulo supervisório, o
módulo tutor e sua integração com os demais módulos do SimuLIHM, foram realizados testes funcionais. Durante os testes usuários desempenharam os
papéis de um operador e de um tutor durante uma
sessão de treinamento.
Alunos de Engenharia Elétrica participaram do
ensaio de avaliação, o qual foi realizado no Laboratório de Interfaces Homem-Máquina (LIHM), do Departamento de Engenharia Elétrica da UFCG. No
LIHM há infra-estrutura para gravação (em áudio e
vídeo) das sessões de teste.
Durante o teste, o representante do tutor realizou
as atividades: configurar o ambiente do simulador
para o cenário de treinamento, provocar a ocorrência
de um alarme e acompanhar as ações do treinando.
Nesta etapa, foi dada a opção de utilizar os painéis de
controle no ambiente virtual ou o menu de configuração disponível na interface do tutor. O usuário no
papel de operador simulou a realização da manobra
no sistema elétrico, que foi planejada pelo tutor, a
partir da interação com os painéis de controle e com
o supervisório.
No experimento foram avaliadas: a correção das
informações apresentadas nas telas do supervisório, e
a consistência dos dados apresentados nos ambientes
do tutor e dos treinandos. A partir da análise das
sessões e as respostas dos participantes ao questionário pós-teste foi constatado, em caráter preliminar:
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
os recursos e funcionalidades oferecidos pelo módulo tutor são adequados e suficientes
à realização da atividade de planejamento e
execução do treinamentos;
 a configuração de um cenário é simples;
 a manipulação na tela do sinótico foi executada correta executados pelo simulador;
 os alarmes na tela de alarmes correspondem
aos eventos observados nos painéis;
 o estado dos dispositivos representado nos
painéis e no supervisório são equivalentes;
 a comunicação entre o supervisório e o ambiente virtual se deu de forma correta.
Os usuários concluíram todas as tarefas propostas com sucesso e as intervenções dos observadores
objetivaram apenas esclarecer dúvidas relacionadas à
compreensão das tarefas propostas.
6 Conclusões
Tanto o módulo tutor, nesta versão preliminar,
quanto o módulo supervisório constituem elementos
essenciais na composição do ambiente simulado para
o treinamento de operadores.
Diferenciando-se dos sistemas disponíveis atualmente com o mesmo propósito de treinamento, o
SimuLIHM, como resultado desse trabalho, permite
simulações envolvendo a operação em painéis de
controle e supervisório.
Além disso, o desenvolvimento de um módulo
específico para o usuário tutor facilitou suas atividades de gestão do treinamento.
Por outro lado, apesar dos participantes do experimento terem considerado a simulação realista, ainda é necessária a realização de testes com a participação de operadores de sistemas reais. Assim, como
proposta de continuidade deste trabalho sugere-se a
realização de testes com operadores. Propõe-se também a representação no ambiente virtual dos equipamentos localizados fora da sala de controle, no
pátio da subestação, aumentando o realismo e abrangência do treinamento. Finalmente, outro aspecto a
ser explorado é a evolução do módulo de apoio ao
tutor de modo na direção de um sistema tutor inteligente.
Agradecimentos
Os autores agradecem a CAPES (Coordenação
de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior)
por apoiar esta pesquisa com bolsas de estudo para
dois dos autores.
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