Modelagem e Animação de Objetos de um Sistema de
Distribuição de Energia
Régia Talina Silva Araújo
Universidade Federal do Ceará Campus do Pici – Bloco 725, CEP:60455-970, Fortaleza-CE- BR
+55 85 3101.9826
regia@ifce.edu.br
Brígida F. C. Oliveira,
Fátima N. S. de Medeiros
Universidade Federal do Ceará Campus do Pici – Bloco 725, CEP: 60455-970, Fortaleza-CE-BR
+55 85 3101.9826
{brigida.f.c.o@gmail.com,
fsombra@ufc.br}
Manuel Edervaldo Souto Araújo
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará Av. Plácido Aderaldo Castelo, 1646, CEP: 63040-540, Planalto, Juazeiro do
Norte - CE - BR +55 88 2101.5364
maraujo@ifce.edu.br
ABSTRACT
This work emphasizes the development of a simulator for training in electrical engineering. Our goal is to create a non-immersive virtual reality environment to support learning in Energy Distribution and related disciplines of technical courses in Electrotechnical and for training in electrical engineering. This three-dimensional virtual reality environment comprises a scenario, avatars and electrical components for equipment operation in teaching and training of these disciplines. Therefore, one of the most important step in this simulator development is the three-dimensional graphical modeling. From this stage on, the equipment and modeled structures can already assist teachers and instructors to improve the student learning, since they can manipulate and study in detail each modeled object.
RESUMO
Esse trabalho enfatiza o desenvolvimento de um simulador para treinamento em engenharia elétrica. Um dos objetivos do desenvolvimento é criar um ambiente em realidade virtual não-imersiva para dar suporte à aprendizagem da disciplina de
distribuição de energia e disciplinas afins dos cursos técnicos em Eletrotécnica ofertado na modalidade a distância e para capacitação em Engenharia Elétrica. Esse ambiente tridimensional em realidade virtual é composto por um cenário, avatares e estruturas compostas por equipamentos explorados nas disciplinas e no treinamento. Assim, umas das etapas importantes do desenvolvimento do simulador é a modelagem gráfica tridimensional. A partir da etapa de modelagem, os equipamentos e estruturas modeladas auxiliam os professores ou instrutores como ferramenta para melhorar a aprendizagem dos alunos, já que eles podem manipular e estudar com detalhes cada objeto modelado.
Categories and Subject Descriptors
H.5.1 [HCI]: Multimedia Information Systems – Artificial,
augmented, and virtual realities.
H.5.2 [HCI]: User Interfaces – Training, help, and
documentation.
K.3.1 [Computers and Education]: Computer Uses in Education – Computer-assisted instruction (CAI).
General Terms
Reliability, Experimentation, Security.
Keywords
Virtual Reality, Three-dimensional Modeling, Training, Electrical Engineering.
1. INTRODUÇÃO
O avanço das tecnologias alinhado com o avanço na área de comunicação de dados oportunizou o crescimento da oferta de cursos na modalidade a distância e de novas formas de ensinar. Um exemplo desse fato é a oferta de cursos técnicos através de incentivos do Governo Federal por meio da rede e-TEC Brasil. Essa rede tem como objetivo principal desenvolver a educação profissional e tecnológica na modalidade de educação a distância, instituída pelo Decreto no 7.589 de 26 de outubro de 2011. O Instituto Federal do Ceará de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará (IFCE) faz parte dessa rede, ofertando vários cursos, dentre eles, o curso técnico em Eletrotécnica.
Pela demanda de cursos ofertados a distância e com intuito de encontrarmos novas formas de ensinar para incentivar tanto os alunos da graduação em Engenharia em continuar nos cursos quanto os alunos técnicos a ingressarem na Engenharia, os pesquisadores do IFCE, em parceria com a Universidade Federal do Ceará (UFC), aprovaram um projeto através da Chamada CNPq/Vale S. A, no 05/2012-Forma-Engenharia. Esse projeto tem como objetivo desenvolver um simulador para operação e manutenção de chaves de manobra de redes de distribuição de energia, utilizando técnicas de realidade virtual para auxiliar professores ou instrutores na disciplina de Distribuição de Energia e outras disciplinas afins, bem como para ser utilizado em treinamento de profissionais. O foco desse artigo está na modelagem e nas animações de objetos utilizados no simulador. Para tanto, organizamos o artigo da seguinte forma: a Seção 1 aborda a categorização dos componentes de uma atividade presente no simulador, enquanto a Seção 2 discorre sobre o processo de construção dos componentes citados na Seção 1. A
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XXXXXXXXXXXX – As informações serão preenchidas no processo de edição dos Anais.
última seção apresenta as conclusões e possibilidades de trabalhos futuros.
2.
CATEGORIZAÇÃO DOS
COMPONEN-TES DE UMA ATIVIDADE PROPOSTA NO
SIMULADOR
O processo de desenvolvimento de ambientes virtuais compreende as seguintes etapas segundo estabelecem Kirner & Salvador [1]: a) engenharia de requisitos, em que se define o usuário, o ambiente e as definições funcionais comuns ao ambientes virtuais bem como as definições dos requisitos específicos da aplicação; b) projeto, em que se definem dispositivos e equipamentos, projeto de objetos, comportamentos e interações; c) implementação, em que se tem a obtenção/criação/conversão de imagens, criação de objetos 3D e execução do ambiente virtual e d) avaliação, em que se observa o desempenho do sistema, usabilidade, segurança e avaliação da tarefa.
Assumimos que o simulador 3D proposto é um ambiente virtual e delimitamos esse artigo na etapa de implementação sugerida em [1] através do desenvolvimento de uma atividade proposta no presente simulador. Assim, sua implementação/criação requer o emprego de diferentes componentes, que são cenas, objetos tridimensionais, animações, menus e sons.
Em [2], os autores afirmam que desenvolver ferramentas através das novas tecnologias não é uma tarefa simples. Ademais, outros autores [13] e [14] por exemplo, defendem que esses softwares devem contribuir para a formação do indivíduo. Alinhada a esse pensamento da formação, uma das atividades proposta no simulador é colocar/retirar de operação os bancos de capacitores das redes de distribuição de energia. Esta atividade envolve uma conversa prévia ao “pé do poste” entre os avatares instrutor e eletricista com objetivo de repassar os procedimentos necessários para fazer a manutenção requerida. A Figura 1 mostra a categorização dos componentes gráficos presentes nessa atividade.
Figura 1. Categorização dos componentes gráficos da primeira atividade.
Observa-se na Figura 1 que a estrutura da atividade é composta por diversos componentes e alguns são descritos a seguir:
a) Cenário: para deixar o simulador o mais próximo possível da realidade, foi escolhido um espaço que
pudesse caracterizar um local conhecido da cidade onde está sendo desenvolvido o simulador. Então, foi escolhida a Praça Portugal na cidade de Fortaleza no estado do Ceará. Esta praça é um ícone para a cidade desde a época em que foi construída em 1947 [3]. A primeira atividade é realizada em uma das avenidas que dão acesso à praça. A Figura 2 ilustra a modelagem 3D da praça.
Figura 2. Praça Portugal modelada em 3D.
b) Banco de capacitores: a estrutura apresentada na primeira atividade é o banco de capacitores, definido via documento disponibilizado pela concessionária de energia-Coelce e intitulado de Padrão de Estrutura PE-034/2008 R-02: Estruturas Especiais [4]. A Figura 3 ilustra alguns equipamentos modelados que formam essas estruturas e que serão descritos a seguir:
• Capacitores de potência em derivação: são empregados nas redes de distribuição e podem permitir a redução das perdas de energia, correção dos níveis de tensões do sistema de distribuição de energia elétrica, entre outros benefícios.
• Chaves fusíveis: utilizadas para proteção de equipamentos e ramais das redes de distribuição de energia, destinadas à proteção contra sobrecorrentes de circuitos primários (média e alta tensão), especificação técnica da CELPA em [5].
• Para-raios (polimérico óxido de zinco): destinados a proteger os equipamentos de um circuito contra surto de tensão transitória provocado por descargas elétricas atmosféricas, e/ou eventos e anomalias [6]. • Isoladores de pino: a função básica das buchas ou
isoladores nos equipamentos elétricos é proporcionar um isolamento elétrico entre o condutor energizado e a carcaça do equipamento [6].
(a)Capacitor de potência. (b)Chave fusível. (c)Para-raios polimérico de óxido de zinco. (d)Isolador de pino.
Figura 3. Modelagem de equipamentos que compõem a estrutura do banco de capacitores.
c) Avatares: um instrutor (ver Figura 4a) e um eletricista (ver Figura 4b). Na Figura 4c, os dois avatares estão inseridos em um cenário que simula a fase de planejamento preliminar necessária à execução de todas as atividades de operação em redes de distribuição de energia propostas no simulador. Neste instante, são discutidos os aspectos de segurança e técnicos necessários à execução das atividades.
(a)Modelagem do avatar instrutor. (b)Modelagem do avatar aluno. (c)Avatares do instrutor e do aluno inseridos no cenário. Figura 4. Modelagem dos avatares.
3.
PROCESSO DE CONSTRUÇÃO DOS
COMPONENTES DO SIMULADOR
Os componentes foram construídos, tendo em vista a criação de um ambiente RV não-imersivo utilizado em e-learning. Segundo Horacheck [7], e-learning é a utilização de tecnologia digital para facilitar o aprendizado. Assim, as características de RV utilizadas na criação desse simulador e, consequentemente, na atividade proposta neste artigo com intuito de auxiliar a aprendizagem são: • Imersão: De acordo com [8], imersão é a sensação que o
usuário tem de estar dentro do ambiente virtual. Nesse
software, a imersão é realizada ao fazer com que o usuário realize as tarefas da atividade como se fosse um operador realizando manobras em uma rede de distribuição de médio porte. Porém, a classificação do simulador como um ambiente RV não-imersivo vem do fato de o sistema não utilizar nenhum tipo de dispositivo multissensorial, como capacetes e luvas. Apesar disso, ele apresenta características de imersão. • Interação: A interação está ligada à capacidade do computador
detectar as entradas do usuário e modificar instantaneamente o mundo virtual em função das ações efetuadas sobre ele [9]. Assim, no nosso caso, a interação acontece todas as vezes que o usuário utiliza o mouse para selecionar as atividades, nas chaves de manobra, realizando a atividade, ou em algum
botão para ler algum manual ou norma regulamentadora. A ferramenta também informa automaticamente ao usuário, por meio de texto, o tipo de equipamento escolhido por ele, a operação a ser efetuada no equipamento, e também informa a necessidade do usuário observar a sequência correta de operação das chaves.
• Envolvimento: está relacionado ao grau de motivação de uma pessoa para realização de uma determinada atividade [10]. O envolvimento do usuário se dá através da interação dele com as atividades do simulador. Faz parte da motivação inserir o usuário ao selecionar a atividade proposta, em um plano de visão análogo ao de uma eletricista real, quando ele se prepara para efetuar uma manobra de operação nas chaves de um equipamento especial usado nas redes de distribuição de energia elétrica.
• Ambiente de prática seguro: jogos e simulações em tempo real são bons meios de treinamento porque eles são inerentemente seguros, já que o jogador pode praticar uma habilidade dentro de um jogo, sem qualquer risco de dano corporal, repetindo-a diversas vezes em um ambiente virtual [7]. O usuário, quando seleciona a atividade proposta, pode experimentar a instalação e a retirada de operação de banco de capacitores na quantidade de vezes que forem necessárias para aprender os procedimentos, sem os riscos inerentes às atividades do mundo real.
3.1. Construção do cenário
Primeiramente a equipe pesquisou sobre locais caracterizados como cartões postais importantes para a cidade de Fortaleza. Depois, escolheu um desses locais para ser o cenário onde estaria localizada a rede de distribuição de energia do simulador. Como citado anteriormente, o local escolhido foi a Praça Portugal. Na fase seguinte, a modelagem 3D da praça se inicia com base em fotos existentes desse ponto turístico. A Figura 5 ilustra as fases do processo de modelagem 3D do cenário escolhido.
Figura 5. Processo de criação do cenário.
3.2. Construção das estruturas
O processo de modelagem das estruturas realizou-se da seguinte maneira: a) primeiro o especialista indicou as estruturas que seriam utilizadas nas atividades propostas no simulador para serem modeladas. Em paralelo, as atividades propostas estavam sendo roteirizadas. Nessa fase, houve também pesquisa de imagens e normas técnicas dos equipamentos que formavam essas estruturas para escolher aquela que melhor se adequasse à proposta do simulador; b) a partir desse material construído no item (a), deu-se o início do processo de modelagem das peças que compõem as estruturas. O software utilizado para essa tarefa foi o Blender [11]. Trata-se de um software gratuito e opensource de modelagem e animação.
Após a modelagem, os objetos foram avaliados por um especialista, para verificar a semelhança deles com os objetos reais, como mostrado na Figura 6.
Modelagem do cenário. Pesquisar
possíveis locais para ser
o cenário do simulador. Escolha de um desses locais para ser o cenário. Validação pela equipe do projeto.
Figura 6. Processo de criação das estruturas.
3.3.Construção das animações
As animações feitas correspondem ao processo de abertura e fechamento de chaves fusíveis e seccionadoras. A criação das animações iniciou-se com o especialista indicando quais eram os equipamentos utilizados para abrir e fechar as chaves (vara de manobra e loadbuster). O especialista também indica o ângulo de abertura das chaves.
Definidos os equipamentos a serem utilizados na animação, utilizou-se novamente o software Blender [11] para a realização da tarefa. As animações no Blender são feitas salvando posições importantes e respectivos tempos dos objetos na timeline do
software. Assim o próprio Blender movimenta o objeto, levando-o de uma posição a outra, no tempo correto.
Depois de realizadas as animações, estas são salvas no formato blend (formato do próprio Blender) e mostradas ao especialista. O especialista verifica se as animações estão corretas e, se estiverem, são exportadas para Unity 3D [12] no formato fbx para que possam ser utilizadas na criação do simulador. Se as animações não estiverem corretas, estas deverão passar pelo processo de correção e, então, serão avaliadas novamente pelo especialista. A Figura 7 ilustra o processo de criação das animações.
O Unity 3D [12] é o game engine utilizado na criação do simulador. Existem outros game engines no mercado, mas neste artigo o Unity 3D foi escolhido pois ele, apesar de a versão completa ser paga, também disponibiliza uma versão gratuita, que foi a versão utilizada na criação do software.
Figura 7. Processo de criação das animações.
4.
CONCLUSÃO E TRABALHOS
FUTUROS
Este artigo apresentou aspectos da criação dos modelos 3D e animações em RV utilizadas no simulador de operações em redes de distribuição de energia elétrica, abordando os equipamentos
que compõem a estrutura da primeira atividade do simulador, os avatares e o cenário.
Após concluída a primeira atividade, constatamos pela motivação da equipe, que o uso da realidade virtual aplicada em atividades de riscos seria um grande aliado no treinamento de operadores. Ademais, essa técnica poderia ser aplicada na padronização de normas de manutenção estabelecidas pelas concessionárias, por exemplo.
Outro fator relevante no processo de desenvolvimento dessa ferramenta é a disponibilização de todos os equipamentos modelados em 3D para auxiliar professores, instrutores e alunos no processo formação utilizando as características básicas que a realidade virtual oferece que é visualização e manipulação dos equipamentos. A interação em tempo real utilizada na atividade 1 e os feedbacks constantes no decorrer da atividade favorecem uma melhoria no quesito ensino-aprendizagem dos atores envolvidos no processo.
Assim, profissionais e estudantes poderão utilizar o simulador antes de realizar as atividades práticas em campo ou laboratório, ajudando-os a sedimentar os procedimentos necessários para execução das atividades que são essenciais no processo de formação profissional.
Durante o desenvolvimento do simulador, houve também a oportunidade da integração de equipes de pesquisadores e bolsistas do IFCE e da UFC abrindo possibilidades de seguirem com projetos, parcerias e integração de alunos com intuito de desenvolver mais ferramentas que auxiliem professores, monitores ou instrutores no processo de ensino-aprendizagem.
Outro ponto positivo no processo de desenvolvimento foi a melhoria da autoestima dos alunos bolsistas das duas instituições envolvidos no projeto, incentivando alguns a continuarem e outros a ingressarem nos cursos de engenharia, cumprindo assim o intuito do projeto aprovado via edital.
Como trabalho futuro, almejamos a conclusão das demais atividades do simulador, disponibilização e teste do simulador em uma turma do curso técnico em Eletrotécnica ofertado a distância via IFCE. Após testes, validação e ajustes necessários, o simulador deverá ser difundido via rede e-Tec Brasil.
5.
REFERÊNCIAS
[1] Kirner, T. G. e Salvador, V. F. F. (2007) Desenvolvimento de Ambientes Virtuais. In: C. Kirner; R. A. Siscoutto. (Org.). Realidade Virtual e Aumentada: Conceitos, Projeto e Aplicações. Livro do pré-simpósio, IX Symposium on Virtual
and Augmented Reality. Editora: SBC, Porto Alegre, vol.1, pp.90-106.
[2] Santos, L. C. M, Miranda, T. G., Santos, M. A. I., Lobo, T. e Cerqueira, M. M. (2013) Jogando com a Realidade Aumentada e Aprendendo LIBRAS. In: XVIII Conferência Internacional sobre Informática na Educação: Nuevas Ideas en Informática Educativa TISE 2013, Porto Alegre, vol. 9, ISBN: 978-956-19-0836-9. [3] http://tribunadoceara.uol.com.br/especiais/praca-portugal/historia/ [4] https://www.coelce.com.br/media/43743/coelce_padrões_est ruturas_distribuição_20060327_136.pdf. [5] http://www.mzweb.com.br/cemar/web/download_arquivos.as p?id_arquivo=010A013F-D142-4119-976E-E9D200DF1C73. Escolha das estruturas e criação do roteiro das atividades. Modelagem das estruturas. Validação pelo especialista. Definição dos equipamentos a serem utilizados na animação. Processo de animação realizado no Blender. Validação pelo especialista. o Exportação para o Unity 3D. o
[6] Barros, B. F. (2008) Apostila do curso de operação e manutenção de cabine primária, L&B Capacitação e Treinamento, Guarulhos, SP.
[7] Horacheck, D. (2014) Creating E-Learning Games with Unity: Develop your own 3D e-learning game using gamification, system design and gameplay programming techniques. Packt Publishing, ISBN: 978-1-84969-343-1,
2014. Disponível em: http://it-ebooks.info/book/3518/ [8] Santos, R. M., Almeida, H. F., Alves, S. A. R. V. A e Lima,
W. N. Realidade Virtual como ferramenta de auxílio ao Ensino de Astronomia no Acre. Disponível em: http://www.gamahidra.com.br/artigo/Realidade_virtual_com o_ferramenta.pdf.
[9] Netto, A. V., Machado, L. S., e Oliveira, M. C. F. (2002) Realidade Virtual: Definições, Dispositivos e Aplicações, Tutorial. Revista Eletrônica de Iniciação Científica da SBC,
II(2). ISSN 1519-8219.
[10] Carvalho, M. A. e Rover, A. (2009) O Jogo como Ambiente de Realidade Virtual no Cenário das Tecnologias da Informação e Comunicação. Revista Eletrônica Democracia Digital e Governo Eletrônico. Vol. 1, n. 1, ISSN 2175-9391. [11] http://www.blender.org/
[12] http://www.unity3d.com/pt
[13] Fanqi, M. e Yunqi, K. (2010) An Improved Virtual Reality Engine for Substation Simulation. In: IEEE Proceeding of the 2nd International Conference on Future Computer and Communication, Wuhan, vol. 1, pp. 846-849, ISBN: 978-1-4244-5821-9.
[14] Chang, Z., Fang, Y., Zhang, Y., e Hu, C. (2010) A training simulation system for substation equipments maintenance. In: International Conference of the IEEE Computer Society, China, pp. 572-575.
