4o. SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999

TREINAMENTO DE PILOTOS UTILIZANDO SISTEMAS TUTORESINTELIGENTES

Alexandre C. B. Ramos", Elaíne Tomeí", Adilson Marques da Cunha*,Osamu Saotome" e Evaldo C. F. Pereira"

nUniversidade Paulista - UNIP.Av. dos Astronautas,

São José dos Campos. SP. Te!. (55) 129793995. Fax. (55) 123414932.'1 nstituto Tecnológicode Aeronáutica - ITA.CTAlITAlIEC.Rod.Preso Dutra. 12228-900.

São José dos Campos. SP. Tel. (55) 123405896. Fax. (55) 12340 5818.•ramos,elainet,cunha@comp.ita.cta.brosaotome.ecfIasdtêele.ita.cta.br

Resumo:Este .trabalho apresenta uma aplicação de SistemaTutor Inteligente para o treinamento de pilotos de aeronaves.Sua finalidade é auxiliar um professor na tarefa de treinamentode pilotos de uma aeronave EMB145 em manobrasoperacionais realizadas a partir da cabina de controle duranteinstabilidades, paradas e partidas da aeronave. Além deapresentar os manuais de operação do processo a partir deHipertextos, o sistema tutor permite a visualização de situaçõesde instabilidades utilizando animações desenvolvidas comrecursos de Multimídia e Sistemas Baseados em Regras deProdução, permitindo ao piloto agir interativamente com osistema tutor de modo a simular atitudes tomadas durante umaoperação real.

Palavras chave: Sistemas Tutores Inteligentes, IriteligênciaArtificial e Sistemas Hipermídia,

Abstract: This work it presents an application of InteIligentTutoring System for the pilots' of airships training. Its purposeis auxiliary a teacher in the task of pilots' of an airshipÉMB145 training in operational maneuvers accomplishedstarting from the control cabin during instabilities,stops anddepartures of the airship. Besides presenting lhe manuaIs ofoperation-of the process starting from Hypertexts, lhe systemtutor aIlows the visualization of instabilities situations usinganimations developed with resources of Multimedia and BasedSystems in Rules of Production, aIlowing to lhe pilot to actinteractively with the system way tutor to simulate altitudestakings during a real operation.

Keywords: Intelligent Tutoring Systems, Artificial Intelligenceand Hypermedia Systems.

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1 INTRODUÇÃOExiste atualmente uma onda de intensificação do treinamentode pilotos de aeronaves em todo o território nacional devido,entre outras coisas, a grande expansão da frota aeroviária e aoaumento da concorrência entre as empresas aéreas. Tudo istoleva a necessidade de melhorar a qualidade do treinamento dospilotos, aumentar a competitividade da empresa e a segurançados vôos, maximizar os lucros e minimizar acidentes.

Durante operações anormais o piloto de uma aeronave deveagir de maneira rápida, sistemática e eficiente visto que quantomaior a gravidade da situação menor poderá ser o tempo para atomada de decisões para correção da mesma, sendo que umaatitude errada poderá colocar em risco a aeronave e seusintegrantes. Assim, apesar de toda a tecnologia dos sistemas edispositivos eletrônicos das aeronaves, a correção deinstabilidades operacionais ainda depende do conhecimento erapidez de raciocínio do piloto humano.

Atualmente vários estudos tem sido ·desenvolvidos visandoaumentar a eficiência e rapidez na correção de instabilidadesoperacionais [01 a 05J. Esses estudos podem utilizar váriasabordagens diferentes, entre elas:

• O desenvolvimento de sistemas automáticos para adiagnose de falhas dos processos em tempo real,resolvendo ou auxiliando o piloto a resolver asinstabilidades operacionais; e

• A utilização de Sistemas Tutores Inteligentes para otreinamento de pilotos no reconhecimento das maisdiversas situações anormais bem como as estratégias desolução do problema.

Normalmente uma cabina de controle de uma aeronave, videfigo 1.0, possui um sistema residente de gerenciamento dealarmes que, através de um sinal sonoro, dá ciência ao piloto dequais variáveis de controle da aeronave saíram fora do seulimite normal de operação.

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A CORREÇÃO DE INSTABILIDADES Nas limitações do caso 2, objeto do presente trabalho, aOPERACIONAIS EM AERONAVES solução lógica repousa no treinamento intensivo dos pilotos

nos procedimentos operacionais de cada sistema com o qual irátrabalhar, de modo a padronizar os procedimentos , otimizandoo seu tempo de execução, minimizando erros humanos eminimizando prejuízos tanto ao meio ambiente quantofinanceiros.

Figura 1.0 - Interior da cabina de controle de umaaeronave.

Entretanto observa-se que os sistemas de controle existentesnas cabinas de aeronaves não favorecem pilotos com poucaexperiência na atuação dos sistemas eletrônicos, nem fornecemnenhum tipo de base de conhecimento de instabilidades jáocorridas e suas respectivas correções de modo a fornecersubsídios para sua solução.

2.1 Correção de instabilidades utilizandoInteligência Artificial

Uma das abordagens que tem apresentado ..resultadossatisfatórios na diagnose automática de falhas em processos detempo real, corresponde aos Processadores Inteligentes deAlarmes - PIA, estes fornecem aos usuários do sistema umaanálise dos múltiplos alarmes associados a um problema dosistema e a identificação do problema particular que causaramos alarmes [02 e 03]

Entretanto a utilização de PIAs indicam algumas limitaçõesimportantes, tanto tecnológicas quanto políticas,principalmente nos seguintes casos:

1. A base de conhecimento de um PIA nunca possuitodo o conhecimento existente a respeito de um processo,podendo existir várias situações imprevistas que tornariam osistema inútil; e

2. Os pilotos com pouca expenencia no processopodem tornar-se demasiadamente dependentes de sistemasautomáticos de diagnose de faltas, tornando seu conhecimentorestrito e limitando sua capacidade de generalizarprocedimentos para situações não previstas.

Para as limitações do caso 1, existem pesquisas no sentido deampliar a capacidade de generalização dos PIAs utilizando-setécnicas avançadas de Inteligência Artificial (Redes Neurais,Lógica Nebulosa etc.) essas técnicas tem permitido umprogresso parcial, entretanto ainda há muito o que pesquisar.

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3 SISTEMAS TUTORES INTELIGENTES -STI

Estes sistemas surgiram da aplicação da Inteligência Artificialna educação e treinamento, visando substituir a tradicionalinstrução assistida por computador. Os Sistemas TutoresInteligentes - STI devem apresentar três características quedenotam inteligência:

a) assunto deve ser conhecido bem o suficiente para que osistema faça inferências sobre o domínio ou resolvaproblemas que estejam em seu escopo de atuação;

b) deve ser capaz de avaliar o aluno;

c) deve fornecer estratégias pedagógicas que minimizem adiferença entre o aprendiz e o especialista .

Sistema TutorInteligente

Figura 2.0 - Arquitetura de um Sistema Tutor Inteligente.

Um Sistema Tutor Inteligente, conforme a figo2.0 é compostode quatro módulos básicos:

1. Módulo do Domínio, neste módulo estárepresentado/armazenado todo o conhecimento que o sistematem sobre um determinado assunto. As principais decisõestomadas neste módulo são como adquirir o conhecimento ecomo o mesmo ficará armazenado (ou representado) , sendoestes os atuais assuntos de pesquisa nesta área.

2. Módulo do Aprendiz, responsável por manter umainformação detalhada sobre a evolução do estudante noassunto. Vale ressaltar que ele guarda uma informaçãoindividualizada, ou seja, é personalizado para cada estudanteque utiliza o sistema.

3. Módulo Tutor, neste módulo, a partir da informaçãocontida no módulo do aprendiz e do conhecimento armazenadono módulo do domínio, ocorre a seleção e sequenciamento doassunto a ser apresentado sendo enviando, posteriormente, aomódulo de comunicação.

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4. Módulo de Comunicação, é a interface entre oSistema Tutor Inteligente e o aprendiz ou usuário no mundoreal. A principal característica no projeto de uma interface ésua transparência, de modo a facilitar ao aprendiz as tarefas de:

.. aprender sobre algo .que.não domina; e

.. usar a tecnologia para esta aprendizagem por si mesmo.

4 TREINAMENTO DE PILOTOSUTILIZANDO SISTEMAS TUTORESINTELIGENTES

Este subsistema consiste de uma aplicação de um SistemaTutor Inteligente para o Treinamento de Pilotos - STI de umaaeronave. Sua finalidade é auxiliar um professor na tarefa detreinamento de pilotos de uma aeronave do tipo EMBl45 emmanobras operacionais realizadas a partir da cabina de controledurante instabilidades operacionais, paradas e partidas daaeronave.

Módulo do DomínioSistema Baseado em II Sist;ema Procedimentos STI145Regras de Produção eSmulaçao .

TMódulo do Aprendiz

Módulo Tutor too-olII Sistema de Avaliação II Sistema de Informação Ido Piloto do Piloto

=J-1 Módulo de Comunicação IT T1 1

jUsuário IHardwareIFigura 3.0 - Diagrama de blocos do STI.

o paradigma escolhido para o desenvolvimento do projeto foi aPrototipação de Sistemas, devido à facilidade dedesenvolvimento de protótipos utilizando interface gráfica eorientada a objetos, visando treinar o piloto para ocorrências deinstabilidades operacionais em vários subsistemas de umaaeronave de processos.

A fig.03 apresenta um diagrama de blocos do STI, ondepodemos observar seu relacionamento com os vários módulos:

.. Módulo do Domínio:

1. Sistema.de Procedimentos e Simulação; e

2. Sistema Baseado em Regras de Produção.

.. Módulo do Aprendiz:

1. Sistema de Avaliação do Piloto; e

2. Sistema de Informação do Piloto.

.. Módulo Tutor; e

.. Módulo de Comunicação.

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A partir do diagrama de blocos do STI, pode-se verificar que osdois blocos descritos anteriormente possuem funcionamentoindependente sendo que 'a falha ou parada de um dessesmódulos não interfere no funcionamento dos que continuamem operação. Os principais componentes do STI são descritos aseguir.

4.1 " Sistema Baseado em Regras deProdução - SBRP

Com a utilização do Sistema Baseado em Regras de Produção1

será possível montar uma base de conhecimento (deinstabilidades operacionais), a partir de entrevistas comespecialistas no domínio do problema.

O Sistema de Captação de Dados do Processo, módulointegrado ao SBRP, consiste nuin banco de dados de valoreshistóricos das variáveis do processo, obtidas a partir deinformações presentes na estação do piloto e que servem para arepresentação das instabilidades do processo.

A utilização conjugada desses dois módulos-possibilita que asinferências apresentadas pelo sistema sejam justificadas comabsoluta precisão, propiciando:

.. A utilização de técnicas de inteligência artificial parainferir as ocorrências daAeronave de Recuperação deSolventes, a partir das informações históricas de alarmesdo processo durante instabilidades armazenadas na estaçãodo piloto, e

lO A simulação de situações referentes a paradas e partidasdos equipamentos e seus respectivos procedimentosoperacionais.

4.2 Sistema de Procedimentos eSimulação do Processo

Este sistema tem como principal finalidade a interface gráfica eamigável com o piloto. Suas atividades mais importantes são;

.. apresentar aos pilotos todos os procedimentos operacionaisda aeronave (paradas, partidas etc.) a partir de umainterface hipennídia e interativa,

.. reproduzir situações reais de instabilidades utilizando asinformações contidas no banco de dados fornecidos peloSistema de Captação de Dados do Processo,

.. apresentar diagnósticos das instabilidades, bem como aspossíveis atitudes a serem tomadas pelos pilotos no sentidode fazer o processo voltar a seu estado normal,

.. permitir ao piloto, a interação com o sistema de modo afacilitar o treinamento de procedimentos padronizadospara a correção de instabilidades, e

1 Implementado utilizando a ferramenta OPS5 (OffIcial ProductlonSystem 5), versão para microcomputadores padrão IBM-PC

desenvolvida no Instituto de Pesquisas EspacIais - INPE, paradesenvolvimento de sistemas especialistas.

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5 CONCLUSÕES Ciência da Computação. Instituto Tecnológico deAeronáutica. 1996.

Este trabalho apresentou uma aplicação de um Sistema TutorInteligente para o Treinamento de Pilotos - STlTP, de modo aviabilizar o treinamento de pilotos de uma Aeronave Emb145em manobras operacionais realizadas a partir da cabina decontrole durante instabilidades operacionais, paradas e partidasda aeronave.

Figura 4.0 . Aspecto do protótipo de sistema paratreinamento de pilotos.

Atualmente foi desenvolvido um protótipo de ST\TP o qualencontra-se em fase de validação e testes, conformeapresentado na figo4.0. Até o presente momento observou-seum grande interesse, por parte dos pilotos de aeronaves nodesenvolvimento do sistema e obteve-se alguns testemunhos desua utilidade bem como da necessidade do desenvolvimento denovos métodos de treinamento.

AGRADECIMENTOSAgradecemos a empresa aérea Rio-Sul pelo apoio ecolaboração essenciais para o desenvolvimento do presenteprojeto de pesquisa.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA[Ol]Ramos, Alexandre C. B. "Metodologias para

Processamento Inteligente de Alarmes". Tese deMestrado apresentada no Instituto Tecnológico daAeronáutica (ITA). S.J. Campos - SP. 1992.

[02]Ramos, Alexandre C. B. e Cardozo, Eleri - "AlarmProcessing with Neural Nets". WorId Congress onNeural Networks. Portland. Oregon, 1993.

[03]Ramos, Alexandre C. B. e Jesus, Hamilton R.,"Treinamento de Operadores Utilizando SistemasTutores Inteligentes" .IVCongresso de Informática eTelecomunicações - IVlnftel ;1997.

[04]Becraft, W. R. and Lee, P. L., "FauIt Diagnosis Strategiesfor Chemical Plants: a Review of CompetingTechnologies". 4th Int. Symp. on Process SystemsEngng, Montebello, Quebec, Canada,pp.II.12.1-1I.12.15. 1991.

[05]Rarnos, A.C.B, e Cunha, A. M. "O Processamento doConhecimento para a Operação e o Controle deProcessos dos Sistemas Críticos de Tempo Real de umaRefinaria de Petróleo". Tese de Doutorado: Divisão de

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[06]Polson, M.C., Richardson, J.J. Foundations of IntelligentTutoring Systems. New Jersey, Lawrence ErlbaumAssociates, Inc, 1988.