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JIM 2014 - V Jornada de Informática do Maranhão
Integração do Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento
de Operadores (AGITO) ao Simulador de Sistemas Elétricos
(SIMULOP)
Whesley Cunha Dantas1 , Caio Eduardo Falcao1 , Geraldo Braz Júnior1 ,
Aristófanes Corrêa Silva1 ,Antônio Sergio Araújo2
1
Núcleo de Computação Aplicada (NCA) – Universidade Federal do Maranhão (UFMA)
Caixa Postal 65080-805 – São Luı́s – MA – Brasil
2
São Francisco Hydroelectric Company -Rua Delmiro Gouveia, 333 San Martin - Recife - Pernambuco - Brazil
{whesleydantas,caioefalcao,geraldo,ari}@nca.ufma.br
[email protected]
Abstract. Virtual Reality Environments offer, among others, new study tools
and training to professionals in several areas with the use of simulators. This
paper presents an architectural model developed for the integration of a virtual
reality environment of a simulator of power systems, for operators training
of electrical substation. The proposal demonstrates a communication model
between both, running in the virtual environment, making the learning/training
more interactive and effective. With this integrated environment, instructors can
conduct a better evaluation of the ”tricks”performed by operators, reducing the
exposure, of the risks inherent in training on real equipment. The integration
was performed through the client/server communication using the TCP/IP
network. Messages are transmitted using the JSON format.
Keywords: Reality Virtual Systems, AGITO, SIMULOP
Resumo. Ambientes de Realidade Virtual oferecem, dentre outras, novas
ferramentas de estudo e treinamento para profissionais de diversas áreas
com o uso de simuladores. Este artigo apresenta um modelo arquitetural
desenvolvido para a integração de um ambiente de realidade virtual a
um simulador de sistemas elétricos, para treinamento de operadores de
subestação elétrica. A proposta apresentada demonstra um modelo de
comunicação entre ambos, sendo executadas no ambiente virtual, tornando
assim o aprendizado/treinamento mais interativo e efetivo. Com este ambiente
integrado, instrutores podem realizar uma melhor avaliação das “manobras”
exercidas pelos operadores, diminuindo a exposição destes, a riscos inerentes
a treinamentos em equipamentos reais. A integração foi realizada através
da comunicação cliente/servidor utilizando o protocolo de rede TCP/IP. As
mensagens são transmitidas usando o formato JSON.
Palavras-chave: Sistemas de Realidade Virtual, AGITO, SIMULOP
JIM, 2014. ISSN: 2358-8861
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1. Introdução
Devido ao valor estratégico e econômico, os operadores do sistema elétricos brasileiro
necessitam de qualificação constante que os tornem habilitados e capazes de tomar
decisões complexas para manter o compromisso entre segurança e economia.
Esses sistemas devem estar continuamente ativos trabalhando em conjunto com
os operadores fundamentais para tomar decisões adequadas e mantê-lo em situação
estável. A capacidade de correta identificação do estado do sistema elétrico depende de
vários fatores, como emergência e procedimentos de restauração e treinamento contı́nuo
[Ribeiro et al. 2014].
Além da complexidade do sistema elétrico existem vários riscos associados com
a operação de transmissão de energia e sistemas de distribuição. Isto fez com que
o treinamento pessoal se tornasse prioridade para o crescente número de companhias
elétricas. Este contı́nuo treinamento de operadores de sistemas elétricos é necessário para
mantê-los atualizados com manobras, procedimentos e normas. Isto é fundamental para
garantir a eficiência dos operadores quando estão realizando procedimentos de atuação e
também atualizando processo de operações contı́nuas [Ribeiro et al. 2014].
Treinamento baseado em simulação é uma opção interessante pela segurança
proporcionada tanto para o operador quanto para equipamentos. Além disso, eles dão
ao treinando a oportunidade de ser exposto a vários cenários e condições crı́ticas, mesmo
se elas ocorrerem raramente ou se forem de perigosa reprodução. O ambiente gráfico
pode contribuir consideravelmente por proporcionar uma melhor visualização do estado
do sistema elétrico e garantir um processo mais efetivo de treinamento.
Inicialmente utilizada para entretenimento, a realidade virtual é amplamente
percebida como uma importante ferramenta no processo de aprendizado [Ryan 2001] e,
com isso, aparece como uma possibilidade de construção de ambientes de treinamento
de diversas áreas, favorecendo a assimilação e a experiência de situações virtuais em
comparação com as reais.
Essa tecnologia proporciona portanto uma experiência de simulação com
qualidade suficiente para ser adotada como mecanismo de treinamento. Em se tratando
de ambientes de sistema elétrico, existem uma gama de aplicativos em vigor. No Brasil,
o software mais utilizado é o Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia - SAGE
[CEPEL 2014b], construı́do pela CEPEL, onde a principal visualização é o diagrama
unifilar de potência. Embora adequado, a nı́vel de treinamento não proporciona a ligação
do real com o virtual, o que pode criar experiências sensoriais que facilitem o aprendizado.
O objetivo deste trabalho é apresentar a integração realizada entre o Ambiente
Gráfico Interativo para Treinamento de Operadores [Ribeiro et al. 2014], que é um
ambiente de realidade virtual, com o SIMULOP [Oliveira et al. 2005], que é um
simulador, que abrange o Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE) e
Operator Training Simulator (OTS).
Este artigo está organizado em três seções. A seção de Referencial Teórico está
associado à aspectos referentes ao OTS, ao sistema SAGE, ao SIMULOP, ao AGITO,
à comunicação cliente/servidor e o padrão de formatação JSON. A seção seguinte,
Estratégia de Integração, trata da abordagem de comunicação entre os sistemas. Por
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último, é feita uma breve discussão sobre os resultados e trabalhos futuros.
2. Referencial Teórico
As informações a seguir definem brevemente os conteúdos necessários para o claro
entendimento do contexto de sistemas elétricos, ambientes virtuais e comunicação entre
sistemas presente neste desde artigo.
2.1. Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE)
O SAGE implementa as funções de gerenciamento de energia em centros de controle,
suportado por uma arquitetura que contempla em toda a sua plenitude as caracterı́sticas
de sistemas abertos. Sua funcionalidade pode ser configurada para diversas aplicações no
processo de automação das empresas, desde aplicações locais em usinas e subestações,
com arquiteturas de baixo custo (PCs) até aplicações em centros de operação de grande
porte suportadas por redes locais heterogêneas e hardware de diferentes fabricantes
[CEPEL 2014b].
É baseado em uma arquitetura distribuı́da e redundante. Vários computadores
podem ser conectados através de uma rede local, garantindo a expansibilidade dos
recursos computacionais. Além disso, o software pode diferir de acordo com o ambiente
de aplicação, porém o suporte computacional permanece o mesmo [CEPEL 2014b].
O SAGE é um ambiente organizado em torno de um gerenciador de base de dados
de tempo-real, de alto desempenho, onde são tratados alarmes (sobreposição, filtragem,
organização em listas) e eventos (registro em arquivo) como exemplificado na Figura 1.
A situação dos processos do SAGE é monitorada, a ativação/desativação dos processos
é controlada, e falhas do sistema computacional são tratadas, inclusive em ambientes
heterogêneos.
Figura 1. Interface do SAGE apresentando o diagrama unifilar
2.2. Operator Training Simulator (OTS)
O Eletrical Power Research Institute (EPRI) cria soluções cientı́ficas e tecnológicas
para a energia global e serviços de energia industrial. As concessionárias de energia
elétrica dos EUA estabeleceram o Instituto de pesquisa em energia elétrica em 1973
como um consórcio de pesquisa sem fins lucrativos para beneficiar membros de serviço
público, seus clientes, e a sociedade. Agora conhecido simplesmente por EPRI, a
companhia fornece uma vasta gama de produtos inovadores. e serviços para mais de
1000 organizações relacionadas com energia em 40 paı́ses. O EPRI também gerou
a especificação de um modelo padrão de bases de dados EMS, denominado Common
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Information Model (CIM) e a padronização de uma API de acesso a esses dados
[Lee 2003] [Oliveira et al. 2005].
O OTS que é um software, desenvolvido pelo Instituto de pesquisa de energia
elétrica (EPRI), sendo bastante utilizado por muitos sistemas elétricos presente em
empresas de eletricidade na atualidade. É uma ferramenta flexı́vel que pode ser usada
para diferentes propósitos. Contudo, o foco principal é o treinamento de operadores
[Muniz 2004]. Ele objetiva a representação do comportamento de sistemas elétricos de
potência, respondendo às mudanças nas condições de operação ou eventos do sistema.
Até o momento, o único simulador de redes elétricas em tempo real adepto à base
CIM é o EPRI/OTS.
Figura 2. PowerSimulator com EPRI-OTS
2.3. Sistema de Treinamento de Operadores (SIMULOP)
O Sistema de Treinamento de Operadores [Oliveira et al. 2005] é uma iniciativa da
Companhia Hidroelétrica do Vale do São Francisco (CHESF) com a finalidade de
disponibilizar um ambiente de treinamento a seus operadores de subestação e melhorar
a qualidade de sua operação. É composto fundamentalmente de duas ferramentas:
um simulador, em tempo-real, de sistemas elétricos; e um sistema de Supervisão e
Controle de Sistemas Elétricos. Tal ambiente de simulação, pode ser empregado em
diferentes atividades, onde as principais são: Educação primária do operador (adaptação
ao ambiente da sala de controle), Treinamento complementar (confrontamento com
situações extraordinárias), Reciclagem de operadores, Treinamento de qualificação para
um nı́vel superior e Treinamento preparatório para alterações futuras nos procedimentos
e configurações da rede.
O SIMULOP possui dois ambientes distintos, SAGE e Simulador, que
proporcionam um treinamento à distancia, ou seja, o simulador e o instrutor podem
estar localizados em um centro de treinamento, e os treinandos nas subestações.
[CEPEL 2014a]. A integração do EPRI-OTS com o SAGE no SIMULOP utiliza
tecnologia Common Information Model (CIM) [McMorran 2007] que é um modelo de
dados padronizado pela norma IEC-61970 [Shenming et al. 2004].
O processo de interligação entre o SAGE [CEPEL 2014b] e o EPRI/OTS demanda
desenvolvimento de uma série de ferramentas, tais como: filtros estáticos, filtros
dinâmicos, desenvolvimento de protocolos de comunicação.
Os principais módulos que realizam a integração SAGE/EPRI-OTS, de acordo
com a Figura 3, são:
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• exportnet: Responsável pela exportação dos dados de cadastro do SAGE,
em arquivos formatados adequadamente para importação na base CIM e para
mapeamento entre valores de medidas entre SAGE e OTS.
• simugate: Responsável pelo acesso à base CIM e obtenção de valores atualizados
pelo simulador OTS para envia-los ao SAGE
• simucon: Responsável pela recepção dos pedidos de controle originados pelo
treinando em uma console SAGE.
Figura 3. Arquitetura do SIMULOP
2.4. Ambiente Gráfico Interativo para Treinamento Corporativo de Operadores
(AGITO)
O AGITO [Ribeiro et al. 2014] engloba as necessidades de treinamento de operadores
de um centro de operação, proporcionando aos mesmos uma experiência de treinamento
mais efetiva, através da manipulação de equipamentos, navegação nas subestações em
uma visualização tridimensional.
Este ambiente interativo foi desenvolvido através da utilização do “motor” gráfico
Unity [Creighton 2010] [Unity 2014] que é um ecossistema de desenvolvimento de jogos
bastante poderoso, além de ser uma engine de renderização completamente integrada a
um conjunto completo de ferramentas intuitivas e de rápido fluxo de trabalho para criação
de conteúdos 2D e 3D interativos. Uma visualização desta engine é possı́vel na Figura 4.
Figura 4. Engine Unity
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3. Arquitetura de Integração entre SAGE, OTS e AGITO
O processo de integração entre o sistema AGITO e o SIMULOP deve ser realizado em
tempo real e de forma precisa, devido a grande demanda de informação provinda do
simulador. A estratégia escolhida para realizar tal processo foi a utilização de conexões
TCP/IP através de sockets que permitem a interligação rápida entre sistemas via rede,
independente do hardware/software a serem utilizados. Com o canal de comunicação
estabelecido, se fez necessário a utilização de um padrão de formatação dos dados para
troca de mensagens, sendo este o JavaScript Object Notation (JSON) [ECMA 2013], que
é um formato de texto completamente independente de linguagem, mas usa convenções
que são familiares à programação em linguagens da famı́lia C (C, C++, C, Java,
JavaScript, e outras). Isso o torna ideal para troca de dados entre linguagens [JSON 2014].
O processo de integração foi estruturado em uma arquitetura dividida em três
camadas: Base de Dados (SAGE e OTS), Núcleo (Servidor AGITO, Consultar Alarmes,
Consultar Equipamentos, Atuar Equipamentos) e Interface (Cliente AGITO), como
mostrado na Figura 5.
Figura 5. Arquitetura da Integração
Os equipamentos presentes no SAGE, podem fornecer basicamente dois tipos
de dados, que são: valores de medida e valores de estado. Já os alarmes, fornecem
informações de todos os eventos (manobras, alteração de estados, variação de medidas)
ocorridos no SAGE e são classificados de acordo com o grau de severidade (urgência,
advertência e normal).
O Ambiente Gráfico Interativo desenvolvido no Unity desempenha a função de
cliente e pertence à camada Interface do modelo arquitetural, sendo assim responsável
por realizar solicitações ao Servidor AGITO, que pertence à camada Núcleo. Essas
solicitações podem ser do tipo: requisição de dados dos equipamentos, dados dos alarmes,
e operação/atuação de equipamento de uma subestação. Tais mensagens são enviadas
através de uma comunicação via socket TCP/IP entre o Cliente e o Servidor AGITO. Este
último está dividido em três partes ou módulos. Cada um opera de forma independente.
Há um especifico para consulta de equipamentos através do qual são obtidas informações
dos mesmos, como: medidas de tensão e estado atual (energizado ou não energizado).
Outro para a consulta de alarmes. E, por último, um para a operação/atuação de
equipamentos. Esta modularidade proporciona que a interoperabilidade entre os sistemas
possam ser realizadas em tempo real [Ribeiro et al. 2014].
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Ao receber a mensagem provinda do cliente, como mostra o fluxo 1 da Figura
5, o servidor verificará a que módulo esta pertence e a encaminhará para o fluxo
correspondente. Caso receba uma mensagem de solicitação de equipamentos, ela será
encaminhada ao “Consultar Equipamentos” (fluxo 4) que, por sua vez, tem como
funcionalidade acessar e retornar os dados contidos na base CIM (fluxo 6), por intermédio
do EPRI/OTS. Ao obter a resposta (os dados), o servidor os encaminhará ao cliente no
padrão de formatação JSON, pelos fluxos de dados 6, 4 e 1 respectivamente.
Para uma mensagem de solicitação de operação/atuação de equipamento (fluxo 1),
o servidor encaminhará uma mensagem ao módulo ”Atuar Equipamentos” (fluxo 3). Ao
recebê-la, o “Atuar Equipamentos” acessará a base de dados OTS (fluxo 7) e modificará
o estado ou valor de medida do equipamento informado. A modificação será visualizada
quando houver uma nova “Consulta de Equipamentos” pelos fluxos de dados 6, 4 e 1
respectivamente.
Caso o servidor receba uma mensagem de solicitação de alarmes (fluxo 1), ele
acessará essas informações contidas na base de dados do SAGE (fluxo 2 e 5) e as
formatará no padrão JSON para então encaminhá-las ao Cliente AGITO pelos fluxos de
dados 5, 2 e 1 respectivamente.
4. Conclusão
O Ambiente Gráfico Interativo desenvolvido para o treinamento de operadores em
sistemas elétricos permite que o treinando tenha condições de imergir em um ambiente
de simulação, incrementando seu aprendizado, uma vez que o mesmo pode visualizar
em um ambiente tridimensional os equipamentos de subestações e, consequentemente
realizar operações semelhantes às que seriam realizadas em um ambiente real.
Visto a necessidade de integração do ambiente virtual com o sistema de
gerenciamento de energia, optou-se por dividir o sistema em camadas, nas quais são
realizadas a comunicação cliente/servidor. Isto objetivando criar independência de
funcionalidades. Assim, a camada cliente está responsável pela interface com o usuário e
a camada do servidor está responsável pela consulta de dados nas bases.
Com a integração realizada, o treinando é capaz de interagir com o ambiente de
simulação tridimensional de forma que as operações realizadas são direcionadas para o
SAGE ou para o OTS, de acordo com o tipo de manobra realizada. Isto é possı́vel visto
que existe uma troca de informações entre o cliente e o servidor, sendo que todos os dados
de resposta para o cliente estão formatados no padrão JSON. Através desta integração, o
usuário é capaz de visualizar, no ambiente gráfico, o efeito de uma operação realizada.
Durante a integração, testes de comunicação entre cliente e servidor foram
realizados com o objetivo de verificar o tempo de resposta às solicitações de dados,
que se mostrou bastante eficaz. Embora a quantidade de informações provindas do
servidor possam ser, dependendo da subestação, muito extensas (dados de equipamentos,
alarmes e etc.), o processamento que o Servidor AGITO realiza ocorre de maneira efetiva
e, a resposta ao cliente, em tempo hábil. Para uma consulta informações de todos os
equipamentos de uma subestação, o tempo médio de resposta está na ordem de milésimos
de segundos. Para uma consulta de alarmes, o tempo médio é menor que 3 segundos.
Essa diferença de tempo entre a consulta de equipamentos e a de alarmes ocorre devido
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ao tempo de resposta da base do SAGE. Nos testes de manobra/atuação de equipamentos,
mesmo havendo um grande número de operações entre a solicitação do cliente e a resposta
do servidor, o tempo de resposta é quase instantâneo.
Esta ferramenta de auxı́lio no treinamento de operadores, foi desenvolvida
visando minimizar as dificuldades que as empresas encontram durante a necessidade de
treinamento dos mesmos, principalmente quando estes precisam se ausentar do seu posto
de trabalho por um longo perı́odo de tempo. Além disso, um ambiente de simulação
é capaz de proporcionar ao treinando diversas experiências, tais como: resolução de
problemas, manobra correta em equipamentos, entre outras. Assim, essas experiências
adquiridas em um ambiente de simulação, permitiriam que o operador estivesse habilitado
para resolver problemas que talvez nunca tivesse presenciado em um ambiente de
treinamento real.
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