Modelagem Gr áfica e Visualiza ção na Forma ção do Engenheiro Naval e OffShore

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1 Modelagem Gr áfica e Visualiza ção na Forma ção do Engenheiro Naval e OffShore Carl H. Albrecht, Prof. Assistente, DEG/EE/UFRJ carl@deg.ee.ufrj.br Rosane M. Alves, Prof. Adjunto, DEG/EE/UFRJ rosane@deg.ee.ufrj.br Resumo. Este trabalho mostra a importância da modelagem e da visualização gráfica na formação do engenheiro. São identificados dois tipos de atuação diferentes para o engenheiro. São definidas duas categorias de conhecimento necessárias à formação do engenheiro, bem como as formas utilizadas para ministrar estes conhecimentos. São apresentadas disciplinas que englobam o ensino dos conhecimentos definidos anteriormente, sendo apresentada uma proposta de conteúdo. O futuro do ensino de tecnologias gráficas é apresentado com ênfase no ensino básico como forma de aprimorar o uso das modernas ferramentas de modelagem e visualização. Palavras-Chave: Modelagem, Visualização, Técnicas computacionais, Tecnologia gráfica, Ensino. Introdução A complexidade e diversidade dos sistemas envolvidos na industria de exploração e produção petrolífera, e em outros ramos, faz com que a visualização gráfica destes sistemas seja um auxílio muitas vezes imprescindível ao projeto ou manutenção dos mesmos. No caso de uma planta de produção química que contém um grande número de subsistemas interligados, (bombas, linhas, válvulas, acessos) estes precisam ser determinados geometricamente e dispostos espacialmente atendendo às exigências de produção, bem como, às restrições de operação e segurança. Numa plataforma em alto mar as restrições são ainda mais severas devido ao alto custo do espaço e, se for uma unidade flutuante, há ainda a preocupação com o equilíbrio e comportamento da embarcação. A própria definição geométrica da embarcação é um problema em si, já que os cálculos hidrostáticos, estruturais e de comportamento dinâmico exigem uma definição geométrica o mais realista possível. Com o desenvolvimento da computação, os modelos numéricos e analíticos tiveram um grande desenvolvimento, acarretando aumento da precisão e da facilidade de execução dos cálculos. Atualmente, pode-se realizar simulações de comportamento dinâmico de plataformas sem grandes dificuldades quando comparados há 15 anos atrás. Entretanto, a visualização destes elementos só teve seu desenvolvimento acelerado nos últimos anos devido ao barateamento dos equipamentos (placas, monitores, etc.) alcançado com o grande desenvolvimento dos jogos eletrônicos para computadores. Até pouco tempo atrás uma visualização razoável só era possível com estações gráficas de alto custo de aquisição e manutenção [1]. Hoje em dia, com o baixo custo das máquinas PC, pode-se obter uma visualização gráfica em nível profissional a um custo bastante acessível, fazendo com que os programas utilizados possam se beneficiar de interfaces gráficas tridimensionais. Com isso, os engenheiros que antes lidavam com uma pobre representação numérica de seus objetos de trabalho contam hoje com poderosas ferramentas gráficas. A formação dos engenheiros e técnicos que vão lidar com estas ferramentas deve acompanhar a tecnologia de representação do seu objeto de trabalho, assim, o ensino de desenho e geometria volta a ter importância na formação do engenheiro. No ensino de engenharia o desenho sempre teve uma importância central. Com o advento da computação e o desenvolvimento dos primeiros programas de desenho computacional houve a impressão de que o desenho poderia ser automatizado e que não precisaria ser ensinado tão profundamente para engenheiros. No entanto, o que se vê hoje é que precisamos cada vez mais de engenheiros com visão e raciocínio espacial apurados e

2 perfeito controle das operações básicas e representações geométricas para poder usufruir de todos os benefícios que as novas tecnologias gráficas oferecem [2]. Entendemos desenho como o conjunto de técnicas e conhecimentos que englobam o desenho tradicional básico e técnico, a geometria descritiva e a computação gráfica. Na formação do engenheiro podemos diferenciar dois grupos distintos : no primeiro o engenheiro que irá utilizar ferramentas computacionais gráficas, envolvendo muitas vezes modelagem geométrica para resolver seus problemas diários, e no segundo grupo o engenheiro que se encarregará de desenvolver estas ferramentas computacionais, em colaboração com informatas. Os dois grupos precisam ter um sólido domínio espacial englobando: visualização do espaço, definição de formas, noções de proporção e visualização de movimentos. Além destes requisitos é necessário haver um certo formalismo de representação gráfica e uma linguagem apropriada. Além desta formação básica o segundo grupo, o de desenvolvedores, deverá possuir uma boa formação em engenharia de software, teoria de modelagem gráfica, modelagem geométrica ou icônica, sendo capaz de pesquisar, desenvolver e implementar os algoritmos necessários à criação das ferramentas gráficas. É neste contexto que se desenvolve o trabalho do departamento de Expressão Gráfica da Escola de Engenharia da UFRJ, onde tentamos ministrar o ensino básico necessário à formação do engenheiro e procuramos desenvolver atividades de softwares específicos e disciplinas aplicadas direcionadas à formação do segundo grupo de engenheiros. Ferramental, Metodologia e Conhecimento Em qualquer meio a aplicação de metodologias está limitado pelo tipo de ferramental disponível. Assim ocorreu na área de projeto de engenharia onde o surgimento das tecnologias de representação gráfica, ainda no século XVIII, permitiram uma maior racionalização do processo de projeto, e ocorre novamente hoje com o surgimento do computador, criando uma nova mudança na forma de pensar e fazer engenharia. É claro que, a oferta ou não de uma ferramenta ou método, não define a priori uma metodologia, mas, limita fortemente a aplicação e o seu desenvolvimento ao definir o que pode ser utilizado na prática. Pode-se dizer que o desenvolvimento do ferramental é motivado pelo desenvolvimento de novas metodologias e este é condicionado pela oferta do ferramental. Ferramentas, métodos e metodologias definem o conteúdo da formação profissional. Conforme Sanglard [3], o engenheiro não constrói sua própria experiência de modo apenas individual, mas também, utiliza toda uma herança tecnológica e cultural, os equipamentos já produzidos e todo conhecimento que possa ser útil para o desempenho de sua atividade. Portanto, para formar um engenheiro deve-se por à disposição, todo esse conhecimento e ferramentas, incluindo todo o treinamento necessário e embasamento teórico. Podemos dividir o conhecimento em duas categorias: o conhecimento explícito ou declarativo, que é o que pode ser descrito e transmitido, e o conhecimento tácito e intuitivo, que não podendo ser explicitado [3][4] deve ser desenvolvido pelo próprio indivíduo. Este conhecimento tácito tem importante papel nos processos de tomada de decisões. A estas duas categorias de conhecimento junta-se a criatividade do engenheiro para formar o que podemos chamar de bagagem do profissional, ou seja, definem o conjunto de características que devem ser trabalhadas durante a formação do engenheiro. Vivemos em plena era tecnológica e da informação. A quantidade de conhecimento explícito já acumulado em qualquer área da engenharia é enorme, e uma grande parte deste conhecimento deve ser passado ao aluno. Sobra, portanto, pouco espaço para que se trabalhe o conhecimento tácito e a criatividade através de experimentações e treinamento prático. Um dos grandes desafios atuais na formação do engenheiro é dosar estes três elementos: conhecimento explícito, tácito e criatividade, no tempo restrito de duração dos cursos de engenharia.

3 Ensino de Desenho Nas últimas décadas houve um crescimento na racionalização do ensino de engenharia, e com isso, o ensino de desenho foi perdendo espaço nos currículos. Na Escola de Engenharia da UFRJ o ensino de desenho passou de 5 semestres para 4 semestres, na década de 70, e de 4 para 2 semestres, no fim da década de 80. Com a introdução da computação gráfica nos currículos este panorama não mudou muito. Em alguns cursos chegou a ser ainda mais reduzido, havendo substituição de matérias básicas Para que um sistema gráfico computacional possa ser bem que o engenheiro tenha conhecimentos básicos de projeções, operações com planos e, principalmente tenha a capacidade de inferir informações que o computador não apresenta. Esta capacidade, a de ver além dos esquemas gráficos, é que diferencia o bom profissional do médio profissional. O engenheiro, ao examinar um gráfico, desenho ou até mesmo uma animação não está só assistindo a um filme ou vendo uma bela gravura no computador. Ele deve ser capaz de enxergar o problema ali representado e perceber variações e nuances que o levem a uma solução factível. O computador permite a análise de um número muito grande de propostas, sendo que a maioria inviável. O engenheiro deve ser capaz de, visualizando o problema de forma correta, eliminar as alternativas menos promissoras ou inviáveis e se concentrar nas viáveis. Esta visualização pode ser explícita, através de métodos ou ferramentas de visualização ou implícita através da capacidade do próprio engenheiro. Em ambos os casos, o engenheiro deve ter uma boa formação gráfica. O desenvolvimento do conhecimento implícito necessário ao exercício da capacidade de enxergar além só é desenvolvida através da construção, pelo próprio aluno, de estruturas cognitivas capazes de identificar, classificar e selecionar as informações pertinentes e necessárias à solução. A construção destas estruturas só é obtida através do ensino rigoroso dos elementos básicos de desenho e pelo treinamento prático. Portanto, a ênfase na formação do raciocínio gráfico do engenheiro não deve estar nas bases matemáticas das ferramentas gráficas, mas sim, na capacidade de utilização eficiente das mesmas. É claro que para os engenheiros que desenvolverão as ferramentas gráficas um cuidado especial deve ser tomado em relação a esta formação matemática, mas, mesmo para este grupo, ênfase deve ser dada no uso e não no desenvolvimento. offshore esta capacidade de visualização e inferência é ainda mais crítica pois grande parte dos problemas nestas áreas são intrinsecamente espaciais. Por exemplo, no caso de uma unidade flutuante, o engenheiro deve ser capaz de ver seu objeto de trabalho, desde o arranjo funcional e estrutural até à disposição dos cabos de amarração. E, mais ainda do que simplesmente ver, o engenheiro deve ser capaz de perceber as implicações do que está vendo [5], [6]. A formação básica torna-se, portanto, a mais importante para o engenheiro pois é aí que se firmam as bases da capacidade de visualização. Começar a formação já num computador mascara alguns mecanismos de visualização tais como: construções tridimensionais, projeções e vistas. Ao apresentar a projeção já executada o computador impede que o aluno tenha que formar a sua própria representação mental. O computador pode e deve ser utilizado como elemento auxiliar de

4 visualização para facilitar o entendimento das soluções gráficas, mas, o treinamento deve ser feito com ferramentas as mais simples possíveis, como papel e lápis, para obrigar o aluno a executar mentalmente o máximo de operações gráficas. Assim, a formação básica do engenheiro deve incluir obrigatoriamente um período de desenho básico. O uso do computador como ferramenta de projeto deve ser evitado nesta etapa inicial pelos motivos já mencionados. Tendo dominado os elementos básicos de representação gráfica: projeções, proporções, cortes e desenho tridimensional, o aluno pode iniciar o uso do computador como ferramenta de projeto onde ele vai aplicar os conhecimentos já adquiridos na solução de problemas. É importante que o uso do computador seja de modo pleno, ou seja, que o potencial de ferramenta do computador seja totalmente utilizado. Na área gráfica, utilizar o computador como um mero desenhista de plantas 2D é não utilizar o potencial da ferramenta que o computador representa. A modelagem tridimensional já é hoje uma realidade que deve ser explorada. Na área naval e offshore, devido a evidência de problemas espaciais, deve ser dada ênfase maior na modelagem Poderíamos sintetizar a formação do engenheiro, no que se refere ao Ensino de Desenho, nas seguintes disciplinas: - Desenho Básico - Desenho Computacional - Elementos de Modelagem Gráfica - Desenvolvimento de Sistemas Gráficos As duas primeiras disciplinas comporiam a formação básica do engenheiro, enquanto que, as duas últimas fariam parte da formação do grupo de engenheiros que irá trabalhar com o desenvolvimento de ferramentas gráficas. As Disciplinas - Desenho Básico Como já foi colocado, esta disciplina deve levar o aluno a desenvolver os mecanismos cognitivos de visualização. Deve ser dada ênfase na construção mental de figuras tridimensionais e treinamento na interpretação de desenhos. O formalismo na representação deve ser incentivado. Em relação às bases de representação devem ser colocados os seguintes assuntos: Projeções, Vistas Ortográficas, Perspectivas e Cortes. Aplicações práticas devem ser apresentadas para dar um contexto e exemplificar o conteúdo. O aluno deve ser capaz de lidar com elementos gráficos com facilidade, visualizar projeções, cortes e perspectivas e estar familiarizado com algumas normas. O computador deve ser apresentado como uma ferramenta de engenharia com potencialidades e limitações. Uma ferramenta computacional de modelagem gráfica deve ser utilizada para que o aluno possa verificar suas potencialidades e limitações. Deve ser dada ênfase na modelagem tridimensional. O objeto de projeto, (o modelo), deve ser desvinculado da ferramenta, permitindo que o aluno aprenda a representar o seu problema e não apenas a utilizar a ferramenta. O aluno deve ser capaz de extrapolar o seu conhecimento p/ qualquer ferramenta. - Elementos de Modelagem Gráfica - Disciplina para o desenvolvimento das bases teóricas e matemáticas da modelagem e visualização gráfica. Operações básicas com matrizes. Sistemas de coordenadas.

5 Modelagem de superfícies e modelagem sólida. Deve ser atrelada a uma linguagem de programação para que o aluno possa aplicar os conhecimentos a casos práticos. - Desenvolvimento de Sistemas Gráficos Disciplina de engenharia de software, com as teorias e metodologias de desenvolvimento de sistemas. Linguagens de programação. Bancos de dados. Sistemas gráficos computacionais. Desenvolvimento de interfaces e modelagem gráfica. Pelo rápido desenvolvimento das tecnologias computacionais podemos prever que, em um curto espaço de tempo os sistemas gráficos computacionais de baixo custo estarão bem mais poderosos, permitindo assim, o aumento do seu uso como ferramenta de engenharia, o que naturalmente implicará no desenvolvimento de novas metodologias ainda mais eficientes. O desenvolvimento da realidade virtual, da hipermídia e do processamento de imagens, e suas aplicações à engenharia permitem afirmar o que foi mencionado anteriormente. Aplicações em projeto de plataformas e modelagem marinha utilizam cada A formação do engenheiro deve, portanto, ser cada vez mais sólida nos fundamentos de modelagem e visualização, uma vez que, as áreas aplicáveis estarão se modernizando com tal velocidade que será impossível tentar manter um ensino atualizado com as novas tecnologias. Devemos, cada vez mais, ensinar os alunos a entender os conceitos básicos da representação gráfica e o modo de funcionamento das ferramentas computacionais; e, cada vez menos, treiná-los no uso desta ou daquela ferramenta, individualmente. 3D Surfaces Modeling Approach Based On Microcomputer with Aplications to Ship Hull and Platform Design, Design of Marine and Offshore Structures, Elsevier, Southampton,1992, p [ 2 ] Foley,J.; Ribarsky,B.; Next Generation Data Visulization Tools ; Scientific Visualizarion, Advances and Challenges, Academic Press, San Diego, [ 3 ] Sanglard, J. H.; A forma do Casco como Elemento Integrador do Processo de Projeto de Navios, Tese de Doutorado, COPPE- UFRJ, Rio de Janeiro, [ 4 ] Janik, A.; Tacit Knowledge Working Life and Scientific Method, Knowledge, Skill asnd Artificial Intelligence, Springer-Verlag, London, 1988,p [ 5 ] Van Devender Jr, W.,W.; The use of CAD in Ship Design, Marine Technology, Vol. 25, No 1, Jan 1988, p [ 6 ] Gunn,J.,M.; Hicks,R.S. ; Industrial Photogrammetry Its Application to Shipbuilding, Marine Technology, Vol. 25, No 3, July 1988, p [ 7 ] Rosemblum, L. J.; Kamger-Parsi, B.; Progress and Problems in Ocean Visualization ; Scientific Visualizarion - Advances and Challenges, Academic Press, San Diego, 1994.