Entrenamiento Interactivo (3D) en Redes de Distribución de Energía Eléctrica

Los procesos de aprendizaje exigen innovación en la utilización de herramientas didácticas que faciliten la preparación del personal. Por eso, la Central Hidroeléctrica de Caldas (CHEC), en Colombia, implementó un software de capacitación y entrenamiento en entornos virtuales 3D, donde se simulan ambientes reales y procesos de mantenimiento en redes de distribución de energía.
Por Carlos Mario López Gutiérrez*, Oscar Armando Arias Herrera** y Julieth Paola Giraldo Escobar***

Entrenamiento interactivo de redes

Uno de los principales factores de éxito de las organizaciones es la confiabilidad humana, haciendo de estas competitivas y sostenibles, por lo tanto, se debe dar gran enfoque e importancia al talento humano. Los procedimientos de operación y mantenimiento realizados en las redes de distribución de energía, son en algunos casos complejos y críticos, requieren de personal calificado e idóneo para la ejecución de la labor, especialmente la que se realiza en terreno, de una adecuada instalación depende el buen funcionamiento del sistema eléctrico. Con todo lo anterior se debe hacer énfasis en procesos de capacitación, entrenamiento y evaluación al personal técnico que presta sus servicios en campo. En la actualidad los procesos formativos se hacen de manera tradicional, donde la adquisición de conocimiento se obtiene a través de expertos, conocedores, experiencia y prácticas, este modelo tiene algunas limitantes como la poca interacción de los participantes, riesgos eléctricos, mínima evaluación, procedimientos no estandarizados y cupos limitados de asistentes.

Con lo expuesto anteriormente, surge la necesidad de implementar una tecnología que permita refinar la capacitación, entrenamiento, evaluación, afianzar conocimientos teóricos y prácticos, donde se implemente un proceso de formación interactivo en redes eléctricas subterráneas y aéreas, el cual permita realizar un aprovechamiento mayor en el proceso de formación de los técnicos, alejándolos del modelo actual empírico, con el fin de asegurar el entrenamiento, diagnosticar requerimientos de formación, capacitar o entrenar en trabajos con materiales costosos no reutilizables, optimizar tiempos y costos de entrenamiento, evitar pérdidas económicas en errores cometidos por la ausencia de experiencia del personal, incorporar un mayor número de personas, no solo el personal técnico sino cualquiera que tenga una relación con las redes de energía, apoyar los complejos procedimientos de reclutamiento, fortalecer habilidades, realizar cierre de brechas conceptuales y sobre todo propiciar un ambiente de aprendizaje dotado y controlado.

Algunas investigaciones realizadas en Argentina, han demostrado la necesidad de desarrollar sistemas emuladores de entrenamiento especializado para operarios encargados de ejecutar el mantenimiento en redes de distribución de energía, la realidad virtual se convierte en una opción con alto potencial como método de formación pedagógico para el personal, esta es integrada a un software que permite el entrenamiento bajo simulación de entornos 3D aplicados a redes de distribución de energía.

Presentación, problema y objetivo

Las actividades de mantenimiento realizadas en las redes de distribución de energía, subterráneas y aéreas, contienen maniobras complejas, con alto grado de precaución en su ejecución, requieren de personal calificado para garantizar un buen funcionamiento de la infraestructura eléctrica. La base fundamental para que esto ocurra es contar con procesos de aprendizaje acordes a los procedimientos y necesidades. El modelo actual de capacitación al personal de terreno genera costos en materiales y su respectivo impacto ambiental, riesgos y vacíos en conocimientos de seguridad en el trabajo.

El entrenamiento en tareas de mantenimiento requiere de una interacción del personal técnico, ya que se ha comprobado a través de la experiencia, que “haciendo se aprende mejor”, de ahí se desprende la necesidad de direccionar hacia este tipo de formación. De lo mencionado anteriormente se apunta al objetivo básico que es “capacitar y entrenar”, pero existen otras variables de impacto que se presentan dentro de la organización que se deben mitigar a través de un proceso de formación:
1- Impacto crítico derivado de la ausencia de documentación o herramientas que expliciten las formas para la ejecución de las diferentes maniobras operativas.

2- Impacto crítico derivado de la concentración del conocimiento en los técnicos que hoy hacen parte de los grupos de trabajo de redes subterráneas y aéreas.

3- Impacto crítico por fuga de conocimiento, ya que los técnicos se han cualificado y buscan oportunidades laborales en otras áreas de la organización.

4- Impacto crítico por el uso de este conocimiento a futuro (3-5 años).

5- Impacto crítico, derivado del conocimiento empírico que han desarrollado los diferentes auxiliares técnicos en terreno.

6- Impacto crítico por la necesidad de realizar entrenamientos en ambientes controlados de aprendizaje que faciliten el desarrollo de competencias para el nuevo personal, sin que vayan a presentarse riesgos en la ejecución de maniobras. En la figura 1 se puede observar un riesgo eléctrico, donde existen diversas líneas energizadas que, al momento de un entrenamiento, dificultan el aprendizaje en un ambiente seguro, ya que se puede originar un contacto indebido con algunos de estos elementos.

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Figura 1: Riesgo eléctrico en redes de distribución aéreas.

7- Impacto moderado, por los tiempos de respuesta que se generan, derivado del desconocimiento de los procedimientos operativos de los grupos de daños y reparaciones.

8- Impacto moderado, generado por los costos de los materiales que deben ser usados en los procesos formativos.

Conjugando todos estos elementos se procede a evaluar una herramienta que supla los requerimientos y cumpla con los objetivos planteados:

Realizar estandarización de procedimientos, formas de entrenamiento y formas del conocimiento para el personal de campo.
Realizar un entrenamiento interactivo de herramientas, materiales y procedimientos de uso, utilizados por el personal de campo.
Desarrollar el sistema mediante la implementación de realidad virtual inmersiva y sistemas interactivos.
Realizar un proceso práctico de evaluación interactiva dentro del entorno simulado de capacitación y entrenamiento que permita evidenciar el registro de acciones erróneas.

Iniciativas similares al proyecto que se emprende han sido desarrollas en países como Brasil, México y Colombia. En el caso específico de Brasil, los profesores de la Universidad Federal de Ceará en Brasil desarrollaron un simulador para estudiantes y profesionales en proceso de aprendizaje donde se incorporan, a través de tecnologías de realidad virtual, tareas y maniobras relacionadas con el funcionamiento y mantenimiento de una red de distribución.

Desde México, con el objeto de reducir riesgos y daños a equipos, se desarrolló un sistema de realidad virtual para la capacitación en el mantenimiento llamado ALEn3D, el cual fue concebido como un sistema con el que nuevos linieros se capacitan de forma segura, para posteriormente usar esos conocimientos en una instalación real.

Colombia no ha estado ajeno a este tipo de iniciativas y nuevas prácticas. Prueba de ello, se han realizado esfuerzos adelantados por la Universidad Industrial de Santander en el desarrollo de simuladores de entrenamiento para el personal que atiende la operación de subestaciones eléctricas de transmisión.

Descripción de la propuesta

El proyecto se centra en el desarrollo de un software que posibilita el entrenamiento empleando entornos 3D aplicados a redes de distribución de energía. Para garantizar que se cumpla con todos los requerimientos y necesidades se establece la siguiente metodología:

A. Identificación de hardware y software

Durante el proceso de selección de equipamiento se tiene en cuenta las especificaciones técnicas de los equipos a utilizar orientadas desde los desarrolladores, estos serán finalmente con los que se interactúe en la aplicación:
Computador de alto desempeño y monitor: se requiere gran velocidad de procesamiento para manejar situaciones de interacción, apoyada en gráficos de alta resolución.
Sensores: para la captura de movimientos realizados por las manos y que se reflejen en el entorno de realidad virtual.
Gafas de realidad virtual: dispositivo de visualización que permite reproducir imágenes creadas en la computadora.

La plataforma utilizada es un motor para el desarrollo de video juegos. Asimismo, para la generación de herramientas y materiales que se integraran en las maniobras, se utilizan programas de diseño y modelado que facilitan al usuario la interacción con elementos que utilizan en su día a día.

B. Levantamiento de información

Parte de la identificación de los conocimientos y habilidades que son requeridas para el desarrollo de la función del cargo, posteriormente se realiza con los expertos técnicos una valoración de la criticidad de estas capacidades en función de los riesgos asociados a la labor, por concentración de conocimientos, por dificultad de acceso al conocimiento en el mercado, tiempos de apropiación del conocimiento y uso futuro de este. A partir de este análisis se determinan los procedimientos o maniobras que serán integradas al programa de realidad virtual.

C. Definición de la estrategia pedagógica

En esta etapa se define el modelo de enseñanza-aprendizaje a utilizar, que para el presente proyecto está basado en la gamificación (juego) y el aprendizaje por repetición, donde a través del suministro o la selección de las herramientas y materiales requeridos para la ejecución de la maniobra, el usuario fortalece o desarrolla sus hábitos operativos en función de los procedimientos establecidos por la empresa.

D. Estandarización de procedimientos

Una vez establecidas las maniobras a incluir en el programa, se verifica que existan los procedimientos de estas dentro de la organización, si no, se procede a elaborarlos en compañía de los expertos conocedores, siempre buscando la mejor forma de realizarlo y cumpliendo con todas las normas técnicas.

En este espacio se aprovecha para eliminar esas prácticas rutinarias inadecuadas en los procedimientos, por ejemplo, la utilización de herramienta no apta u omisión de algunas normas de seguridad en el trabajo.

E. Registro fotográfico de entornos

La realidad virtual permite asemejar con gran detalle los ambientes reales, esto conlleva a que el personal detecte condiciones normales de trabajo, por lo cual se establecen, según las maniobras, qué entornos se deben simular y que proporcionen situaciones donde el trabajador estaría forzado a actuar como lo haría en la vida real. Los registros fotográficos y visitas a campo a los entornos, ayudan al desarrollador a dimensionar qué elementos se deben tener en cuenta en la simulación, como son, nivel de iluminación, ruido, contaminación, riesgos de agentes biológicos, limitación en el espacio para movimientos.

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Figura 2: Entorno simulado y real para trabajos con tensión.

F. Listado de herramientas y materiales

Se detectan qué elementos se deben utilizar para cada una de las maniobras, su uso y la función que cumplen dentro de los procedimientos a implementar. En este punto es importante conocer la manera real de cómo se utiliza la herramienta por parte de los técnicos, los materiales y sus componentes, esto hace que en las simulaciones se reconozcan movimientos de giros, cortes, ajustes y manipulaciones.

G. Modelado de herramientas y materiales

Los diseñadores digitalizan las piezas elaborando modelos en tres dimensiones (3D), la complejidad depende del nivel de detalle físico que se quiera obtener, también se aplican las texturas semejantes a las reales, haciendo que se genere una experiencia real.

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Figura 3: Herramientas modeladas (aislador de pin + espigo y protector de cruceta).

Con el objetivo de diagnosticar el conocimiento frente al uso de las herramientas, se hace necesario modelar un mayor número de éstas, así no se utilicen durante la ejecución de la maniobra. Lo anterior hace que el usuario deba analizar y seleccionar el elemento correcto que utilizará; este tipo de estrategias buscan fortalecer y elevar el nivel de conocimiento del técnico basado en el aprendizaje por error, ya que el sistema no lo dejará avanzar hasta no realizar la selección correcta.

H. Diseño de interfaces

Se inicia con el registro de la persona que utilizará el software, con el objetivo de llevar un control del ingreso y asociar su historial de aprendizaje.

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Figura 4: Acceso al programa.

El software consta de cuatro módulos que facilitarán el proceso de aprendizaje partiendo del conocimiento teórico, perfeccionamiento de la habilidad, hasta el reconocimiento de las brechas que deben fortalecerse en el desarrollo de cada maniobra. A continuación, se realiza una descrip
ción de cada módulo:

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Figura 5: Módulos.

Herramientas y materiales:

se accede a los elementos utilizados en los procedimientos, se describe su función y el modelo en tres dimensiones para que pueda ser reconocido por el usuario desde todos los ángulos.

Documentos:

se incluyen todos los instructivos, manuales, procedimientos y documentos de consulta asociados a las maniobras, para que puedan ser estudiados por el usuario antes de iniciar el proceso de entrenamiento virtual.

Cuestionarios:

se realizan pruebas de entrada y de salida relacionadas al tema de conocimiento de estudio con el fin de conocer la curva de aprendizaje que ha desarrollado el técnico, este deberá obtener un puntaje mínimo del 70% “Normal Alto” que indique en términos generales si el trabajador conoce los conceptos y metodologías a profundidad previo al ingreso de la realidad virtual.
Entrenamiento virtual: ambientes simulados en redes de distribución eléctrica, donde el técnico ejecutará las maniobras operativas para desarrollar y fortalecer la habilidad.

I. Desarrollo del entrenamientointeractivo

En este módulo se realiza la selección del tipo de maniobra a ejecutar, en esta fase se da inicio con el entrenamiento interactivo e inmersivo.

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Figura 6: Módulo de entrenamiento virtual.

Las maniobras se clasifican para redes aéreas y subterráneas de media tensión, en aéreas se incluye la especialidad de trabajos con tensión (TCT).

Debido a la incursión en este método de aprendizaje innovador, se corre el riesgo de la falta de destreza en la utilización de estas tecnologías, podría causar estrés en las personas cuando no han usado gafas de realidad virtual y sensores de reconocimiento gestual. Para minimizar lo anterior, se desarrolló un entorno de pre-entrenamiento virtual, buscando familiarizar a las personas antes de enfrentarse al proceso formativo y evaluativo.

El pre-entrenamiento consiste básicamente en guiar a los técnicos en el uso de los equipos, se hace reconocimiento de las manos y movimientos giratorios de la cabeza. Una vez preparado el participante y escogido el procedimiento en el cual se entrenará, se procede a llevarlo al escenario 3D.

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Figura 7: Módulo de pre-entrenamiento virtual.

Para abordar situaciones cotidianas en las redes de distribución, se ha simulado en algunas maniobras, fallas en los componentes, permitiendo evaluar reacciones y conocimientos. Ante una simulación de falla, se establece un contexto que inicia con un reporte de un usuario que está sin servicio de energía, hasta que se detecta el componente de la infraestructura eléctrica que falló, para soportar esto se elaboró un video 360° y diseño de avatar en 2D que entrega el contexto de la maniobra a realizar.

Un aspecto muy importante en los trabajos eléctricos y que es objeto de evaluación, es la utilización de los elementos de protección personal (EPP) y colectivos (EPC), asimismo la aplicación de las reglas de oro, se establece esta práctica para cada maniobra. El usuario selecciona de una galería que EPP debe usar dependiendo de la maniobra a ejecutar, hasta no realizar la selección adecuada no podrá iniciar con el proceso de entrenamiento.

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Figura 8: Selección de elementos de protección.

A partir de este momento inicia la interacción del técnico en el ambiente controlado de aprendizaje, este se da a través de movimientos con las manos para la utilización de las herramientas, retiro e instalación de materiales necesarios para la labor. Antes de ejecutar cada tarea o acción se establecen preguntas validadoras que buscan fortalecer y diagnosticar el conocimiento a fin de que el procedimiento se haga de manera óptima, técnica y segura. Las preguntas son de selección múltiple y varían el orden de respuesta cada vez que se ingresa a la maniobra.

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Figura 9: Maniobra en ejecución.

Para cada maniobra operativa se establecieron etapas de ejecución, las cuales son entendidas como pequeños logros que motivan al participante cuando se finaliza cada una de ellas, a la vez genera pausas en la interacción con los elementos.

En el caso específico de redes subterráneas, durante la ejecución de la actividad, están disponibles para consulta los instructivos de instalación de los materiales según los fabricantes, haciendo

que se cumpla técnicamente la utilización de estos y garantizando el buen funcionamiento del sistema eléctrico.

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Figura 10: Etapas de la maniobra.

J. Resultados de la evaluación

Las acciones que el usuario realice en el programa son registradas en una base de datos, de allí se obtiene la calificación y otros aspectos como fortalezas y debilidades que son insumo para el diseño de los procesos formativos a la medida. Este es uno de los objetivos primordiales del proyecto, el cual consiste en llegar a cada uno de los trabajadores de manera individual, identificando sus capacidades frente a la función básica del cargo, mejorando su desempeño y haciendo que su trabajo sea de calidad, el cual se reflejará en un buen funcionamiento del sistema eléctrico.

En el gráfico 1 se describe el proceso de captura de información en la ejecución de cada una de las maniobras.

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Figura 11: Instructivo preparación de cable con pantalla de cinta.

K. ¿Cómo funciona el entrenamiento virtual?

1. El técnico se coloca el casco o gafas de realidad virtual, donde un avatar en 2D lo contextualiza de la falla presentada en el sistema eléctrico (dependiendo de la maniobra). Un sensor conectado al computador detecta los movimientos del usuario y los plasma en el monitor.

2. Las acciones que realiza con las manos, como cortar, atornillar, apagar, conectar, entre otras, son captadas por un sistema de control gestual.

3. El técnico selecciona los elementos de protección personal necesarios para la actividad a realizar, luego entra a un ambiente modelado en 3D de una red aérea de media tensión, donde encuentra equipos de elevación como carro-canasta, diferentes herramientas y elementos de protección colectivos, asimismo se adicionan algunos efectos de ruido de vehículos y del contacto con la red energizada.

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Figura 12: Resultados de la evaluación

4. Las gafas tienen una visión de 360º del sitio, el usuario puede observar e identificar las diferentes fallas en el sistema, las cuales se pueden representar por aislamientos flameados u otros elementos de la red. Para asemejar a la realidad este tipo de procedimientos, se simula trabajos en alturas utilizando equipos de elevación como carro-canasta.

5. Para avanzar en el procedimiento, el usuario debe responder preguntas que buscan validar el conocimiento y habilidad ya que en la medida que interactúa con el programa recibe una retroalimentación de los aciertos o equivocaciones.

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Figura 13: Ejecución de la maniobra en cámara subterránea por personal técnico.

6. El software evalúa las respuestas, lo que permite detectar en qué operación existen brechas de conocimiento, las cuales se pueden corregir a través de la repetición de la maniobra o con formación presencial.

Resultados

Los procedimientos seleccionados para ser incluidos en el software de entrenamiento interactivo fueron los siguientes:

Redes subterráneas:

1. Reparar una falla en empalme premoldeado configuración doble T 600 A, 15 KV.
2. Instalación y mantenimiento de barrajes.
3. Instalación conector tipo codo de 200 A.
4. Instalación empalme premoldeado recto de 200 A y 600 A.
5. Reemplazo de fusibles en seccionadores.
6. Operación de seccionadores y equipos de telecontrol (Talus 200).
7. Operación equipo localizador de fallas.
8. Cambio de fusibles limitadores de corriente.
9. Instalación de transformador trifásico tipo sumergible.

Redes energizadas TCT:

10. Cambio de aisladores tipo pin y retención.
11. Instalación de protecciones (cortacircuitos, DPS).
12. Instalación de seccionadores monopolares.
13. Cambio de cruceta centro a bandera.
14. Cambiar estructura de paso a estructura en retención o amarre.

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Gráfico 1: Diccionario de datos.

Las maniobras se han ido desarrollando de manera progresiva, en orden de prioridad dada por los conocedores de la parte técnica de redes.

El primer procedimiento integrado para las actividades de trabajos con tensión – técnica a contacto fue el denominado “Cambio de aislador tipo pin (suspensión) en una red 13.2 kV”, asimismo se creó el escenario 3D de la red de distribución aérea.

Dada la incorporación de esta tecnología de realidad virtual a los procesos de entrenamiento, se han realizado diversas pruebas de usuario para validar la funcionalidad, deseabilidad, factibilidad y viabilidad del producto y el comportamiento ante esta nueva tecnología, con el fin de incluir las observaciones del usuario en la implementación.

Estimaciones con la aplicación del nuevo método de entrenamiento:

Gestionar el conocimiento crítico del negocio de Distribución, dejándolo almacenado en procedimientos estandarizados, que pueden ser entregados al personal de una manera pedagógica y lúdica.
Disminuir de dos años la curva de aprendizaje para el nuevo personal técnico, hasta un 50% de ese tiempo, basados en la posibilidad de repetir maniobras operativas en el software y no solo ante la ocurrencia de un evento en el sistema eléctrico (forma tradicional de desarrollar el conocimiento y experiencia).
Desarrollar la competencia del personal técnico de la organización.
Minimizar los altos costos de entrenamiento y de utilización de materiales con respecto a las inversiones actuales.
Se aumenta la eficiencia y seguridad de algunas maniobras críticas en el mantenimiento de redes de distribución aéreas y subterráneas, obteniendo un incremento en la productividad, con base en la efectividad de las tareas realizadas.

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Conclusiones y recomendaciones

La formación en entornos virtuales reduce los costos asociados al entrenamiento actual, por ejemplo, no se utilizan materiales costosos no reutilizables y se capacita un mayor número de personas.
El entrenamiento virtual ofrece un entorno seguro donde los participantes pueden trabajar tranquilamente, no se manipulan elementos con tensión y no existe el riesgo de afectar el servicio de energía ante alguna manipulación.

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Los diferentes escenarios de simulación hacen que los usuarios perciban sitios de trabajo cotidianos, sin necesidad de realizar desplazamientos, todo se encuentra en un solo lugar.
Al ser una participación individual, se pueden identificar necesidades de formación personalizadas, enfocando el cierre de brechas en temas específicos.
El ambiente controlado de aprendizaje permite a los técnicos obtener confianza para desempeñarse en su labor, sin tener que afectar la operación del sistema eléctrico.
Este modelo de capacitación puede llevarse a diferentes grupos interdisciplinarios de la organización, desde aquellos que realizan las compras de materiales hasta quienes los entregan.
En los procesos de selección de personal es una herramienta con mucho potencial, ya que evalúa los conocimientos y da a conocer si la persona tiene el perfil adecuado para desempeñar un cargo.
Las actividades de mantenimiento en las redes de distribución de energía son dinámicas y en algunos casos se deben realizar ajustes a los procedimientos operativos, por tal motivo esta herramienta permite ajustarlos y actualizarlos, de igual forma cuando llegan nuevas tecnologías se deben incluir en los procesos de aprendizaje.
Este método de aprendizaje estandariza procedimientos, formas de entrenamiento, desarrollo del conocimiento y asegura el entrenamiento.
Mediante este proyecto de desarrollo tecnológico se reduce el impacto ambiental, puesto que no será necesario la utilización de materiales y herramientas físicas, evitando generar desechos y sobrecostos.

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El entrenamiento en campo se debe seguir conservando para el desarrollo de habilidades del personal, con esto adquieren experiencia en el trabajo operativo.
Para un proyecto de este tipo de tecnología, se debe formar un equipo de trabajo entre expertos de campo, diseñadores, desarrolladores de programas de realidad virtual y realizar alianzas estratégicas con entidades que tengan experiencia en este tipo de iniciativas.

* Desarrollo Humano y Organizacional de CHEC.
** Equipo de Planeación y Mantenimeinto de Redes de CHEC.
*** Gestora de proyectos de Tecnologías Virtuales de TecnoParque SENA.

Más información: www.chec.com.co

Ver tambien:

mpartirán curso sobre manejo y pérdida de distribución energética

Manual de principios básicos de seguridad para trabajos eléctricos