TÍTULO TODO EM LETRAS MAIÚSCULAS NO ESTILO <TITULO>

FLÁVIO TORRES FILHO1, MARIA DE FÁTIMA Q. VIEIRA1, WASHINGTON SOARES2. (ESTILO: <AUTORES>)

1. Laboratório, Departamento, Universidade Endereço para Correspondência

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2. Laboratório de Qualquer Coisa, Depto. de Outra Coisa, Universidade de Algum Lugar Caixa Postal 6969, 12345-678 Patopolis, DL, PATOLAND

E-mails: um-autor@acme.com, segundo@acme.com.br, assim@dominio.pais

Abstract� This paper presents a framework to support the development of three-dimensional virtual scenarios to be played on a simulator conceived for training electrical systems operators. Due to the variety of scenarios of interest, their representation can be very complex and thus time consuming. This framework consists of the description of a systematic approach and sup-porting tools from the ontology domain. As it will be discussed, this approach resulted in the reduction of the overall complexi-ty; achieved by the interchange of descriptions from different levels of abstraction such as the representation of 3D objects in a programming language and Coloured Petri Nets (CPN) models of objects’  behaviour  through  XML.

Keywords� Keyword list, separated by, colons. Style: <Palavraschave>. Maximum of four keywords. At least, one of them must match with the topics of interest of the events. Check topics at: http://www.sbai2013.ufc.br/ or http://posmec.ufabc.edu.br/dincon2013/)

Resumo� Este é o lugar de colocar o texto do resumo (um único parágrafo, que é um sumário conciso do trabalho, menos de 200 palavras em geral). Estilo: <Resumo>

Palavras-chave� Lista de palavras-chave, separadas por vírgulas. Estilo: <Palavraschave>. Máximo de quatro palavras-chave, sendo que pelo menos uma delas deve corresponder a um dos tópicos de interesse dos eventos. Conferir tópicos em: http://www.sbai2013.ufc.br/ ou http://posmec.ufabc.edu.br/dincon2013/)

1 Introdução

Aplicações baseadas em realidade virtual, e vol-tadas ao treinamento de operadores de sistemas in-dustriais (Figura 1), favorecem a assimilação dos procedimentos técnicos por parte do usuário-treinando através da vivência de situações virtuais semelhantes às situações reais experimentadas no ambiente de trabalho.

A experiência e aprendizado adquiridos por ope-radores industriais em softwares de simulação estão diretamente relacionados aos cenários de treinamento que são projetados.

Esses cenários podem reproduzir situações de rotina, com o sistema operando em condições nor-mais, quando os operadores realizam tarefas mais simples e frequentes. Mas também podem retratar situações de exceção ou críticas, quando operadores necessitam realizar tarefas mais complexas e raras, a exemplo de ocorrências que demandam a recomposi-ção do sistema.

Dessa forma, os simuladores são úteis tanto na qualificação de operadores iniciantes como na reci-clagem de operadores experientes.

Por outro lado, a fim de garantir uma formação profissional abrangente, existe a necessidade de se criar uma diversidade de cenários de treinamento

com características específicas, que permitam atender as deficiências particulares de cada operador.

Em contrapartida, o processo de desenvolvimen-to desses cenários é uma atividade complexa que envolve o trabalho de uma equipe de profissionais multidisciplinar (designers 3D, programadores, enge-nheiros e especialistas no domínio).

Figura 1. Simuladores baseados em realidade virtual e voltados ao

treinamento de operadores industriais

Nesse trabalho, propõe-se estabelecer uma sis-temática para o desenvolvimento de cenários em am-bientes virtuais tridimensionais voltados para treina-mento, que se apoiará na construção de ontologias para os diferentes domínios de aplicação. Pretende-se que a ontologia possa reduzir a complexidade glo-

bal do processo de autoria do ambiente virtual, asse-gurando a compreensão necessária dos requisitos de treinamento, assim como a reusabilidade e a expansi-bilidade de objetos 3D, componentes de animação e modelos de simulação.

Este artigo está assim estruturado: na seção 2, apresenta-se uma breve revisão de trabalhos relacio-nados; na seção 3, discorre-se sobre ambientes virtu-ais voltados ao treinamento de operadores industriais e, em particular, sobre o sistema SimuLIHM, dedica-do ao treinamento de operadores de subestações elé-tricas; na seção 4, apresenta-se a estratégia de desen-volvido de cenários de treinamento para o Simu-LIHM; E, finalmente, na seção 5, apresentam-se pro-postas de trabalhos futuros e as considerações finais.

2 Estado da Arte

2.1 Ontologia

Na Ciência da Informação, dentre as definições de ontologia mais citadas na literatura, destaca-se a apresentada por Gruber (1993, p. 199). Segundo esse autor, uma ontologia   pode   ser   definida   como   “uma  especificação explicita e formal de uma conceituali-zação  compartilhada”.

O termo conceitualização refere-se a um conjun-to de definições de conceitos e de relacionamentos existentes entre estes conceitos. Uma “especificação explicita” quer dizer que as limitações de uso de conceitos e relacionamentos estão explicitamente definidas. Estando também formalizada, a ontologia é passível de ser processada por máquinas (ALMEI-DA; BAX, 2003).

Além  disso,  por  ser  “compartilhada”, uma onto-logia reflete um conhecimento consensual, aceito por um grupo de pessoas.

Os componentes básicos de uma ontologia são classes (dispostas de forma hierárquica), relações (que representam as formas de interação entre con-ceitos do domínio ontológico), axiomas (regras que regulam as associações entre as classes e relações) e instâncias (elementos específicos do domínio).

Para a engenharia de software, uma ontologia representa um elemento importante no processo de desenvolvimento de aplicações (Alonso, 2006). Por exemplo, ao disponibilizar um vocabulário especiali-zado para descrição de um dado domínio, a ontologia permite reduzir erros conceituais e de terminologia durante a modelagem e o desenvolvimento do soft-ware. Ao mesmo tempo, possibilita tanto o comparti-lhamento do conhecimento entre os desenvolvedores do software quanto à transferência e a aquisição des-se mesmo conhecimento, apoiados pela análise onto-lógica.

Além disso, uma ontologia, enquanto base con-ceitual, pode apoiar a definição, a classificação e a identificação de componentes de software voltados para uma aplicação dentro do domínio ontológico.

Assim, ontologias permitem identificar modelos de componentes reutilizáveis no sistema.

Ontologias podem ser desenvolvidas através de metodologias e ferramentas distintas, bem como es-tão representadas por diferentes linguagens. STAAB et al (2003) apresenta um estudo comparativo entre diferentes metodologias, linguagens e ferramentas que apoiam a modelagem e implementação de onto-logias.

Neste trabalho, em particular, foi adotado o mé-todo 101 (Noy & McGuinness, 2001) de desenvol-vimento de ontologias, a ferramenta de edição Prote-gé (2008), associado ao plug-in Protegé-OWL. Esse plug-in permite a definição de ontologias na lingua-gem OWL (Web Ontology Language), padrão reco-mendado pela W3C.

3 SimuLIHM

O SimuLIHM consiste em um simulador para treinamento de operadores em sistemas elétricos, foi desenvolvido no Laboratório de Interface Homem-Máquina (LIHM), na Universidade Federal de Cam-pina Grande. Seu propósito é apoiar o treinamento de operadores de subestações elétricas na execução de manobras no sistema e na identificação de fa-lhas/faltas nesse ambiente. Sua arquitetura, apresen-tada em (Torres Filho, F., Vieira, M. d. F. Q. & Cos-ta, R. C. d.; 2011), é composta de: módulo operador, módulo tutor e um servidor.

O módulo operador consiste no ambiente utiliza-do pelo operador para executar os seus treinamentos e disponibiliza dois modos de interação com a planta simulada. Um através do supervisório (diagrama uni-filiar) ou através dos painéis de controle.

O módulo tutor é responsável por gerir a comu-nicação entre o servidor e os clientes, criando as ses-sões de treinamento. Este módulo permite a edição de cenários, acompanhar a execução de um treinamento, apresentando as ações do treinando em tempo real; inserir eventos em um treinamento em andamento; visualizar e analisar o histórico de ações, inserir co-mentários e elaborar um parecer sobre o aproveita-mento dos treinandos.

Por fim, o servidor armazena as informações do treinamento através de um sistema de gerenciamento de banco de dados – SGBD (SQL Server) e contém o motor de simulação do sistema. A comunicação entre os módulos é através do protocolo TCP/IP (Trans-mission Control Protocol/ Internet Protocol).

Os objetos de interação representados no simu-lador possuem três camadas distintas, conforme ilus-trado na Figura 2. Cada camada é constituída por um modelo executável que descreveremos a seguir.

Figura 2. Camadas de modelos que constituem um objeto de inte-

ração no SimuLIHM

3.1 Modelo 3D

Esses modelos são descritos na linguagem X3D (eXtensible 3D) e são executados pelo visualizador Xj3D (Brutzman et al, 2007), possibilitando a nave-gação no espaço virtual e a interação com os elemen-tos que o compõem.

Para a elaboração destes modelos é necessário o domínio de ferramentas de modelagem 3D. No proje-to do SimuLIHM, foi utilizado o X3D-Edit como ferramenta de modelagem e desenvolvida uma biblio-teca de objetos que podem ser reutilizados na compo-sição de diferentes cenários (Torres & Vieira, 2012).

3.2 Modelo de animação

Para animar os modelos executados no visuali-zador foi necessário utilizar a API Scene Access In-terface – SAI, desenvolvida em Java e definida pela norma ISO/IEC 19775-2:2004. Essa API oferece um conjunto de métodos que permitem acessar a cena 3D e definir o comportamento dos objetos representados, que também poderá ser alterado a partir de ações dos usuários. Por exemplo, para rotacionar uma chave em um painel de controle, ou pressionar uma botoeira.

Além disso, esta camada comunica-se com os modelos em X3D e os modelos de simulação.

3.3 Modelo de simulação

Para descrever o comportamento dos objetos foi criada uma biblioteca com os modelos de simulação. Estes modelos são descritos em Redes de Petri Colo-ridas (CPN) e representam o funcionamento dos ob-jetos de interação de uma subestação e os seus esta-dos (Torres & Vieira, 2010).

A biblioteca possui dois grupos de modelos: os que modelam o comportamento dos objetos da sala de controle, mais especificamente dispositivos de operação do sistema (chaves, botoeiras, mostradores, painéis e outros); e os que modelam o campo (plan-

ta), localizados na área externa da subestação (por exemplo, linhas de transmissão, disjuntores e chaves seccionadoras).

4 Processo de desenvolvimento de cenários de treinamento

Cenário de treinamento consiste na descrição do es-tado inicial do ambiente de simulação, na evolução das ações do treinamento (descrição da sequência de eventos que devem ocorrer no decorrer do treinamen-to) e dos recursos que serão utilizados durante a evo-lução do cenário. Uma vez que as situações são ante-cipadas, assim como na operação, o treinando deve realizar tarefas de acordo com o prescrito na docu-mentação da empresa.

A abordagem de desenvolvimento de cenários de treinamento 3D, proposta nesse trabalho, é baseada em ontologias no domínio do treinamento a ser reali-zado, conforme é descrito a seguir.

A montagem de diferentes cenários de treina-mento se apoia no reuso de componentes de software (modelos 3D, componentes de animação e modelos de simulação), os quais são combinados e configura-dos de acordo com a interpretação das informações armazenadas na ontologia.

As etapas do processo de desenvolvimento de cenários de treinamento estão representadas na Figu-ra 4 e serão descritas a seguir.

4.1 Etapa 1 – Descrever o cenário de treinamento

O ponto de partida deste processo de desenvol-vimento é a descrição do treinamento através da ins-tanciação de ontologias de domínio. Com base nos termos, relacionamentos e regras definidos, descre-vemos os elementos constituintes do cenário de trei-namento.

Neste trabalho, foram definidas cinco ontologias diferentes para apoiar a modelagem de treinamentos com operadores de sistemas elétricos em um ambien-te de simulação 3D. São elas: Treinamento, Cenário-DeTreinamento, Modelo3D, Planta e IHM.

Figura 3. Integração de ontologias para descrição semântica do treinamento simulado

Conforme ilustrado na

Figura 3, essas ontologias foram integradas. Concei-tos das ontologias Modelo3D, Planta e IHM são in-corporados a ontologia CenarioDeTreinamento. Por sua vez, a ontologia CenárioDeTreinamento é incor-porada a ontologia Treinamento.

Essas cinco ontologias são descritas a seguir. Ontologia Treinamento: define um conjunto

de conceitos e propriedades, permitindo a descrição de treinamentos com operadores de sistemas elétri-cos. Esse vocabulário inclui os tipos de treinamento, métodos utilizados, objetivos, temática do treinamen-to e os recursos necessários ao treinamento (recursos humanos, materiais e financeiros).

A ontologia também é constituída por restri-ções que servem de filtros na descrição do treinamen-to. Por exemplo, se um treinamento é constituído por equipes de pessoas (equipe de tutores, equipe de trei-nandos ou equipe de auxiliares), apenas um subcon-junto das pessoas dessas equipes poderão participar das sessões daquele treinamento.

Em particular, um treinamento simulado (mé-todo adotado em sessões de treinamento) é constituí-do por cenários de treinamento. Participantes de uma sessão de treinamento simulado irão representar um personagem no cenário de treinamento. A ontologia Cenário é abordada a seguir.

Ontologia Cenário De Treinamento: define os conceitos que descrevem os dados gerais de um

cenário de treinamento e seus elementos, de modo a refletir a estrutura genérica representada na Tabela 1.

Tabela 1. Estrutura genérica do cenário de treinamento C

enár

io d

e tre

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ento

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s

Temática do Cenário

Título do cenário

Descrição do cenário

Descrição antes da simulação

Descrição depois da simulação

Pré-requisitos

Objetivo Objetivo geral

Objetivo específico

Tarefa

Descrição da tarefa

Identificação do tipo de tarefa (Iden-tificação de defeito, liberação de equipamento, normalização de equi-pamento, recomposição de sistema, etc.)

Nível de dificuldade

Nível de emergência

Nível de frequência

Duração (Tempo total de execução do cenário)

Documento (Manual de operação, formulário, check list, norma, desenho e outros.)

Elem

ento

s do

cená

rio Ambiente (Identificação do modelo 3D que re-

presenta o ambiente virtual)

Personagem (Operador da planta, operador de sistema, engenheiro, etc.)

Objeto da IHM (Descrição dos objetos de intera-ção presentes no cenário e definição de seus respectivos estados)

Figura 4. Representação da abordagem ontológica para desenvolvimento de cenários de treinamento 3D

Evento

Evento Programado

Evento Temporizado

Evento Condicional

Evento do Personagem

Ação Esperada

Ação Realizada

Ontologia Planta: define os componentes de um

sistema elétrico de potência e os relacionamentos entre cada componente. Essa ontologia se apoia no modelo semântico de dados definido nos padrões IEC- 61968-301 e IEC 61968-11.

Esses dois padrões são conhecidos coletivamente como CIM – Common Information Model.

Ontologia IHM: define os conceitos que des-crevem a interface homem-máquina (IHM) de uma subestação elétrica, constituída por objetos de comu-nicação e objetos de manobra em painéis de controle, tais como chaves, botoeiras, mostradores, quadros de eventos e sinalizadores (Torres & Vieira, 2012).

Os relacionamentos entre esses componentes e os estados que podem assumir também são definidos.

Ontologia Modelo 3D: define um conjunto de conceitos e propriedades que descrevem o modelo 3D dos componentes do cenário virtual, tais como o ambiente da sala de controle, os personagens e a in-terface homem-máquina (IHM).

4.2 Etapa 2 – Gerar o ambiente virtual 3D

A instanciação das ontologias serve como uma base de conhecimento, onde é possível descrever e consultar informações sobre quais elementos são encontrados no cenário de treinamento e quais os modelos que os representam.

A geração automática do ambiente virtual 3D é obtida a partir de um módulo de software capaz de interpretar a informação armazenada nessa base de conhecimento.

Existem diversas APIs disponíveis que apoiam o desenvolvimento de aplicativos de software que utili-zem ontologias representadas na linguagem OWL. Destaca-se aqui o framework Jena, escrito na lingua-gem Java, de código aberto, gratuito, oferecendo recursos para edição de ontologias e realização de consultas com base em motores de inferência.

Conforme mencionado anteriormente, os mode-los 3D estão descritos na linguagem X3D, que segue o padrão XML. Dessa forma, a instanciação dos mo-delos, com base nas informações obtidas do modelo ontológico, é possível através de uma API para edi-ção de documentos no formato XML. Nesse trabalho, utilizamos API Java JDOM Erro! Fonte de referên-cia não encontrada., com a qual podemos alterar, criar e navegar pela estrutura do documento X3D.

Como exemplo, na Figura X é ilustrado os a-tributos da chave CH12J5, uma instância da classe chave_Giro_Pressao_Giro. Esses atributos são pa-

râmetros do modelo geométrico da chave conforme as setas na figura indicam. A representação visual, resultante da execução desse modelo, também é apre-sentada na Figura X.

4.3 Etapa 3 – Configurar modelos de simulação

O CPN Tools (2012), ambiente que executa os modelos de simulação, possui um formato de arquivo XML com extensão .cpn. Sendo assim, a configura-ção desses modelos para representarem um cenário de treinamento também é possível utilizando a API JDOM para edição do arquivo .cpn, de acordo com as informações obtidas da base de conhecimento.

Parte do modelo que representa uma chave Giro-Pressão-Giro é ilustrado na Figura 5 a seguir.

Figura 5. Grafo do modelo CPN da chave tipo Giro-Pressão-Giro

4.4 Etapa 4 – Armazennar o cenário de treinamento no banco de dados

O ambiente virtual 3D, os modelos de simulação e a base de conhecimento são armazenados em um sistema gerenciador de banco de dados (SGBD) com suporte a arquivos no formato XML.

4.5 Etapa 5 – Execução do cenário de treinamento

O treinando e o tutor, engenheiro responsável pelo treinamento, dispõem de uma interface gráfica na qual podem selecionar o cenário de treinamento disponível no banco de dados do sistema e executá-lo.

Durante essa etapa, a base de conhecimento é consultada e atualizada, de modo a registrar os even-tos da simulação. Esses registros apoiam a análise do desempenho do treinando no cenário simulado.

5 Conclusão

Neste artigo foi apresentado o processo de de-senvolvimento de cenários virtuais tridimensionais voltados para o treinamento de operadores industri-ais. Esse processo se apoia na descrição formal do cenário, cujos termos, relacionamentos e restrições estão previstos em ontologias no domínio da aplica-ção.

A solução proposta permite desenvolver cenários de treinamento para ambiente de simulação com mai-or rapidez e por profissionais tutores, especialistas no contexto do treinamento, mas não necessariamente habilitados a desenvolver objetos 3D, modelos de simulação ou de animações.

Contrastando outros trabalhos na literatura, a presente pesquisa busca apoiar a modelagem de cená-rios de treinamento em que o treinando, imerso num ambiente virtual tridimensional, pode interagir com os elementos do cenário simulando a execução de manobras e observando o comportamento de sistema.

Dando continuidade a esta pesquisa, está previs-to o desenvolvimento de um módulo de software in-tegrado a um ambiente gráfico de edição de cenários do SimuLIHM e que irá apoiar a execução das cinco etapas do processo de modelagem dos cenários de treinamento.

Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior) pelo apoio a esta pesquisa.

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