ADOÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL IMERSIVA PARA O TREINAMENTO DE ELETRICISTAS EM SUBESTAÇÕES

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1 ADOÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL IMERSIVA PARA O TREINAMENTO DE ELETRICISTAS EM SUBESTAÇÕES JULIANA A. PALUDO 1, EDUARDO H. TANAKA 1, LEONARDO R. DOMINGUES 1, CARLÚCIO S. CORDEIRO 1, EDGAR V. GADBEM 1, OLAVO GIRALDI JR 1, ADRIANA EUFLAUSINO Instituto de Pesquisas Eldorado 2. CPFL Paulista s: {JULIANA.PALUDO, EDUARDO.TANAKA, LEONARDO.DOMINGUES, CARLUCIO.CORDEIRO, EDGAR.GADBEM, OLAVO.GIRALDI}@ELDORADO.ORG.BR; ADRIANA.EUFLASINO@CPFL.COM.BR 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-

2 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. 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 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. 2.2 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

3 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.

4 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-

5 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 (ANE- EL). 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. Razer Inc. Hydra. Disponível em: < Acesso em 22 mai 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, 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, Unreal Engine 4. Disponível em < Acesso em 22 mai 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 , C. C. Bonwell, and J. A. Eison, Active Learning: Creating Excitement in the Classroom. Wiley, p C. E. Hmelo-Silver, Problem-based learning: What and how do students learn?, Educational Psychology Review 16.3, p T. Mikropoulos, A. Chalkidis, A. Katsikis, and P. Kossivaki, Virtual realities in environmental education: The project LAKE, Education and Information Technologies, vol. 2, p , Oculus, Oculus Rift. Disponível em: < Acesso em: 22 mai V. S. Pantelidis, Suggestions on when to use and when not to use virtual reality in education, Report. East Carolina University, 1994.