REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8091939
Alexandre Silva dos Santos1
Resumo: O presente trabalho apresenta as atividades para o desenvolvimento de uma prova de conceito (POC) de acionamento remoto e automação do uso de tecnologias de SONAR. O foco é demonstrar a viabilidade dessa tecnologia em termos de execução e custo. A justificativa é a contínua necessidade de minimizar impactos ambientais em ecossistemas aquáticos próximos a áreas de operação de Usinas Hidrelétricas (UHE). O uso do SONAR torna possível o mapeamento de grandes áreas em um tempo relativamente curto, e promove a obtenção de informações ricas, precisas e georreferenciadas. Mesmo assim, as áreas mapeadas são enormes e muitas vezes são necessários deslocamento em grandes áreas para a realização de capturas e obtenção de informações. Além disso, técnicos especializados no manejo, captura e obtenção dos dados de SONAR são alocados para a realização dessas atividades. O estudo demonstra a possibilidade de pesquisadores acessarem os dados e configurações do aparelho de SONAR remotamente. Os resultados evidenciam a viabilidade técnica da solução, e indicam que, futuramente, não será preciso a presença física de um pesquisador para coletar os dados e mudar padrões de captura do aparelho, o que resulta na diminuição dos custos de execução do campo e mais agilidade nos processos de captura.
Palavras-chave: Hidrelétricas, sonar, acesso remoto, impactos ambientais.
Abstract
The present work presents the activities for the development of a proof of concept (POC) of remote activation and automation of the use of SONAR technologies. The focus is to demonstrate the feasibility of this technology in terms of execution and cost. The justification is the continuous need to minimize environmental impacts on aquatic ecosystems close to areas of operation of Hydroelectric Power Plants (UHE). The use of SONAR makes it possible to map large areas in a relatively short time and promotes rich, accurate, and georeferenced information. Even so, the areas mapped are huge and it is often necessary to travel over large areas to perform captures and obtain information. In addition, technicians specialized in handling, capturing, and obtaining SONAR data are allocated to carry out these activities. The study demonstrates the possibility for researchers to access SONAR device data and settings remotely. The results show the technical feasibility of the solution and indicate that in the future, the physical presence of a researcher will not be necessary to collect the data and change the capture patterns of the device, which results in the reduction of field execution costs and more agility in the capture processes.
Keywords: Hydropower, sonar, remote access, environmental impacts.
1 Introdução
O uso do som para a detecção de objetos em lagos, rios e oceanos tem seus principais avanços a partir do ano de 1912, após o trágico acidente que levou o navio Titanic a pique. Esse evento levou pesquisadores e cientistas a desenvolverem técnicas para a localização de icebergs na tentativa de impedir novos acidentes. O sucesso veio em 1914 quando um objeto foi detectado a cerca de 3km de distância, ou seja, a localização de icebergs era uma realidade. Nascia a hidroacústica, o estudo das técnicas de utilização, transmissão e propagação do som na água e sua penetração nesse meio para a análise e detecção de objetos, vivos ou inertes. Conhecida também como acústica submarina ou acústica subaquática, a hidroacústica está relacionada com outros campos de estudo, dentre eles sonares, transdução, processamento do sinal acústico, acústica oceanográfica, bioacústica e física acústica.
Dos campos citados, a utilização de sonares para a localização, verificação de abundância e análise comportamental de peixes, teve seu início em 1929 (Simmonds e MacLennan 2008). As principais vantagens dessa metodologia são: os peixes não são machucados ou sofrem interferência quando amostrados; possibilidade de amostragem de grandes áreas em períodos relativamente curtos; dados espaço-temporais de alta resolução e confiabilidade são adquiridos durante a amostragem (Prado 2012). A palavra SONAR vem do inglês Sound, Navigation and Ranging, que numa tradução literal é “Navegação e Medição de Distância pelo Som”. Essa terminologia foi utilizada pela primeira vez na Segunda Guerra Mundial pelos Estados Unidos da América (Jensen 2009). Basicamente, ondas sonoras geradas por um equipamento se propagam pelo corpo d’água até atingirem o alvo e retornam, por meio do eco, ao sistema de origem.
Infelizmente, nem tudo é simples na captura de informações e pesquisadores enfrentam desafios quando trabalham com equipamentos de SONAR. Algumas tecnologias de processamento de imagens nesses equipamentos são proprietárias e é necessária a utilização de softwares pagos, ou muitas vezes, de um conjunto de softwares livres para alcançar os devidos tratamentos, como por exemplo, a remoção de sombras acústicas, a identificação dos leitos d’água, classificação de substrato do leito entre outras.
Outro fator complicador são as áreas de estudo, no caso específico é a realização do “campo” nas proximidades de UHE. Como nosso meio de coleta de informações é hídrico, e ao mesmo tempo falamos de barragens para a criação de gigantescos reservatórios, as áreas a serem mapeadas são enormes e muitas vezes, mesmo com o aparato tecnológico as capturas são in loco, e necessitam do deslocamento em grandes áreas de técnicos especializados no manejo, captura e obtenção dos dados de SONAR.
1.2 Justificativa
Com isto exposto, a ideia central do estudo foi desenvolver e apresentar uma proposta de automação do uso do SONAR e possibilitar o acionamento remoto, e toda a operação do aparelho, nos casos de instalação e monitoramento de pontos fixos, como vertedouros, sistemas de transposição de peixes (STP) (Kusma e Ferreira 2009) e cordões de isolamento como o log boom (Zanotele Hemerly de Almeida, Sávio Cordeiro, e Lopes 2020).
Isso será possível graças a um hardware de baixo custo (Andrade, Soma, e Eiki 2016), e através do desenvolvimento de software de código livre e aberto (Buscombe 2017). Ao final, tudo será disponibilizado em um sistema de acesso pela web.
2 Materiais e Métodos
A criação de ferramentas tecnológicas seguem etapas claras, normalmente baseadas em boas práticas, engenharias e técnicas conceituadas (Sommerville 2012). Para o desenvolvimento desta proposta o foco foi um modelo experimental. O trabalho levou em consideração o conhecimento prévio das necessidades e dificuldades encontradas na operação de equipamentos de sonar próximo às UHE. Foram escutados técnicos de empresas, pesquisadores e profissionais que trabalham dia a dia em UHE. O fundamento das necessidades partiu do relato desses profissionais na coleta de dados de sonar. O conhecimento de elaboração de hardware e software partiu do autor deste estudo e a organização das etapas ocorreu conforme a seguinte ordem:
- Estudo das práticas de aquisição de dados de sonar – (sítio UHE de Jirau);
- Levantamento de requisitos;
- Análise de tecnologias;
- Projeto e construção do hardware;
- Elaboração do software;
- Fase de testes (viabilidade da proposta);
- Estudo de integração com tecnologias de monitoramento de ictiofauna;
2.1 Área de Estudo
As análises para realização desse estudo experimental levaram em consideração a UHE Jirau, suas características e relato dos profissionais lotados nessa unidade geradora de energia. Construída no Rio Madeira, no estado de Rondônia, a UHE Jirau está a 120 Km de Porto Velho e possui um reservatório com uma área de 361,6 Km2 em seu volume máximo. A capacidade de geração energética é de 3.750 MW, sendo assegurados 2.184 MW de capacidade contínua (Figura 1). Num clima tropical úmido, com precipitação anual por volta de 1.900 a 2.200 mm e a vazão média anual desse grande Rio é de cerca de 18.500 m3/s, e chega a 45.000 m3/s nos períodos de fortes inundações.
Figura 1 – Localização da UHE Jirau
2.2 Requisitos
Reuniões com profissionais da empresa Venturo, pesquisadores da UnB e do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia – INPA, foram realizadas em dois momentos. O intuito foi explorar e saber como os equipamentos de sonar são operados. Como dito anteriormente, o foco foi a utilização, instalação e monitoramento de pontos fixos, como vertedouros, sistemas de transposição de peixes (STP) e cordões de isolamento como o log boom.
2.3 Tecnologias
Com base nos requisitos levantados definiu-se uma proposta idealizadora do protótipo (Figura 2).
Figura 2 – Proposta conceitual da Plataforma.
A ideia inicial do projeto era fornecer apenas o acionamento remoto do equipamento de SONAR. Como a central de processamento pensada, o RaspberryPi – um minicomputador próprio para automação, como seu uso seria subaproveitado, novos sensores foram acrescentados ao projeto. Seria possível adicionar informações de temperatura, humidade, monitorar a voltagem da bateria e acrescentar um a painel solar para gerar autonomia da base como um todo. Os dados capturados seriam mais ricos. Com isso, o hardware da plataforma de acionamento remoto foi definido e a seguinte lista de materiais foi elaborada (Tabela 01).
Tabela 01 – Lista de componentes para montagem do protótipo.
| Nº Item | Descrição | Fornecedor |
| 1 | Raspberry Pi3 B | Raspberry |
| 2 | Sensor de Temperatura DS18B20 (a prova d’água) | SLA SHOP |
| 3 | Sensor de Umidade e Temperatura – AM2320 | ROBOMIX |
| 4 | Módulo GSM GPRS – SIM800L | Casa da Robótica |
| 5 | BATERIA SELADA 12V/7A (Unipower, Moura, Powerteck) típica de nobreak/alarme | Unipower/Moura |
| 6 | Placa de extensão Gpio + 40pin fita cabo plano para raspberry pi | ARMAZEMTECH |
| 7 | Case acrílico com Cooler para Raspberry Pi 2 Pi 3 Pi2 Pi3 | Raspberry |
| 8 | Caixa Montagem pvc 500mmx380mmx200mm com fecho e dobradiça | Shumacher |
| 9 | Carregador Automotivo para celular com duas portas USB – 3.1 A | ROHS |
| 10 | Kit Painel Placa Solar Fotovoltaica 10w + Controlador Carga | Sinosola |
| 11 | Módulo Relé 8 Canais 5v Arduino Pic Raspberry Esp32 | Montimport |
| 12 | Qr91f 4g Lte Usb Wifi Modem Router 100m Mini | LTE |
| 13 | Sensor De Tensão ( Voltagem ) 0 – 25 Vdc | MJ |
Apenas a construção de um hardware não é suficiente para fazer a plataforma funcionar. Para tanto, uma arquitetura de tecnologias foi pensada para dar suporte a ideia e ao ecossistema de aplicações que seriam criados para realizar as tarefas de acionamento e monitoramento (Figura 3). Destaque para a linguagem de programação Python, pois é a linguagem mãe da codificação da plataforma.
Figura 3 – Tecnologias de código aberto na criação da plataforma.
2.4 Projeto
Nesta etapa, um projeto esquemático foi elaborado (Figura 4) e posteriormente a isso, com todos os materiais em mãos iniciou-se a construção do protótipo e a posterior programação do módulo central. Todas as etapas de montagem, ocorreram com testes intermediários, era necessário saber se sensores e módulos de acionamento estavam em perfeito funcionamento.
Figura 4 –Diagrama esquemático da Plataforma de Acionamento Remoto. (A – Módulo de controle de carga; B– Painel Solar; C– Display SONAR; D– Bateria selada de 12v/7a; E- Módulo GPS USB; F- Sensor de temperatura e humidade interno; G- Sensor de temperatura externo à prova d´água; H- Módulo de processamento central – RaspberryPie; I- Relay de acionamento; J- Conector de força principal)
Para o sistema de controle, uma arquitetura de software foi montada e composta por elementos com propriedades externamente visíveis ao relacionamento entre eles. No desenvolvimento, optou-se pela utilização do modelo em camadas, onde cada camada fornece um conjunto de serviços para as camadas acima dela. Para isso acontecer, é necessária uma interface de comunicação entre a camada superior e a camada inferior. Os requisitos do software apontaram para esse formato arquitetural.
O software seguiu alguns padrões de projeto, que são modelos de soluções para problemas e permitem implementações genéricas. Os padrões adotados foram: padrão state, que permite a um objeto de determinada classe modificar seu comportamento baseado em seu estado interno, padrão observer para transmitir informações de um objeto para um conjunto indefinido de objetos que esperam essas informações e o padrão singleton que garante a existência de apenas uma instância de uma classe.
3 Resultados
Após três meses de trabalho, um protótipo operacional foi concluído. A aquisição de componentes eletrônicos direcionou a montagem conforme a seguinte ordem: construção do módulo principal de controle (RaspberryPie), monitoramento (sensores de temperatura e posição) e acionamento (relais de acionamento).
Para controle da plataforma uma interface web foi construída. Opera através de uma VPN é acessada por um link. Isso possibilita segurança na transferência dos dados e robustez quanto a conexão (Figura 7).
Figura 7 – Interface provisória do sistema e controle de acionamento.
Testes iniciais foram feitos, e tanto o acionamento remoto, quanto a aquisição de informações dos sensores ocorreram com sucesso. Isso mostra que é possível o funcionamento remoto e aquisição de dados nesse modelo de operação (Figura 8).
Entretanto, testes de estresse devem ser executados, isso deve ser feito para validar a utilização do dispositivo em uso contínuo e na captura de grandes volumes de informações. Para tanto, testes em campo devem ser agendados com a empresa, pesquisadores e técnicos da UHE Jirau.
Figura 8: Sequência de montagem da POC: A) Planejamento de fixação dos componentes; B) Início da fixação na placa mãe; C) Preparo inicial para inserção da placa mãe em sua caixa final; D) Ligação dos módulos principais; E) Acréscimo dos módulos finais e rearranjo interno; F) Fixação dos conectores externos; G) Finalização do módulo principal; H) Adaptação provisória da placa do painel solar; I) Testes de bancada e externo utilizando uma piscina de 6.5 mil litros.
4 Discussão
O sistema apresentado permite acessar dados de forma remota, trazendo grandes vantagens ao trabalho de pesquisadores, principalmente, aos que realizam estudos nas proximidades ou nas próprias UHE. A tecnologia oferece uma série de benefícios e a ideia é trazer uma discussão sobre os benefícios tecnológicos da solução, e as possibilidades de automatizar outros processos.
Um dos principais benefícios desse tipo de proposta é oferecer um excelente custo-benefício. A utilização de tecnologias de padrão aberto e livre, facilita o acesso a ferramentas de desenvolvimento, muitas vezes gratuitas, e baixam o custo de construção, tanto de hardware, quanto de software.
Outra vantagem, é a maior delas na opinião do autor, é a possibilidade de pesquisadores acessarem os dados e configurações do aparelho de sonar. Isso dispensa a necessidade da presença física de um pesquisador para coletar os dados e mudar padrões de captura do aparelho, o que resulta em mais agilidade nos processos operacionais.
Gastos com infraestrutura estão centralizados nos equipamentos e ferramentas necessários para o deslocamento e coleta de dados, no caso de UHE, isso implica em carros e barcos para movimentação de materiais e pessoas. A proposta sugere que gastos com esse tipo de aquisição sejam menores e necessários apenas na instalação e manutenção do sistema de acesso remoto. No processo tradicional, cada nova captura que utilize um SONAR, dependeria da alocação de veículos (carros e barcos) para a movimentação dos equipamentos e pesquisadores envolvidos no processo.
O último ponto a ser visto são as irregularidades ocasionadas por instabilidade na conexão de internet, falhas na rede e operadoras. Esse é um elemento que afeta a disponibilidade do serviço e operação da plataforma e merece bastante atenção durante a captura de informações em campo.
5 Conclusão
Os experimentos realizados com a plataforma e seus serviços de acesso remoto mostram a possibilidade real de automatizar processos, monitorar atividades e capturar dados remotamente. A utilização desta plataforma pode reduzir custos operacionais de campo e provavelmente proporcionar um monitoramento contínuo de áreas onde outrora isso não era possível.
Além disso, seu custo de construção é relativamente baixo. Esse fato aumenta a possibilidade de adoção e utilização da proposta. Com o uso de tecnologias livres, foi possível uma rápida montagem, e a utilização de componentes amplamente utilizados no mercado de automação, torna a aquisição e reposição de partes uma tarefa fácil.
Os experimentos preliminares confirmam a viabilidade de uso da tecnologia exposta, agora são necessários a montagem do protótipo definitivo e testes em campo para validação.
Referências
Alves, Diego Corrêa, Lilian Paula Vasconcelos, Luís Fernando da Câmara, Lisiane Hahn, e Angelo Antonio Agostinho. 2019. “Protocol for the Assessment of Mortality and Injuries in Fish Larvae Associated with Their Downstream Passage through Hydropower Dams”. Reviews in Fish Biology and Fisheries 29 (2): 501–12. https://doi.org/10.1007/s11160-019-09564-0.
Andrade, Alexandre, Andrea Soma, e Cassio Eiki. 2016. Automação de baixo custo baseada no Raspberry Pi. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.1282.3920.
BBC News Brasil. [s.d.]. “Hidrelétricas matam toneladas de peixes e ameaçam espécies nos rios brasileiros, aponta estudo”. Acessado 5 de maio de 2021. https://www.bbc.com/portuguese/brasil-56738148.
Brown, Richard S., Thomas J. Carlson, Andrew J. Gingerich, John R. Stephenson, Brett D. Pflugrath, Abigail E. Welch, Mike J. Langeslay, et al. 2012. “Quantifying Mortal Injury of Juvenile Chinook Salmon Exposed to Simulated Hydro-Turbine Passage”. Transactions of the American Fisheries Society 141 (1): 147–57. https://doi.org/10.1080/00028487.2011.650274.
Buscombe, Daniel. 2017. “Shallow Water Benthic Imaging and Substrate Characterization Using Recreational-Grade Sidescan-Sonar”. Environmental Modelling & Software 89 (março): 1–18. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.12.003.
Carrington, Gerry, e Janet Stephenson. 2018. “The Politics of Energy Scenarios: Are International Energy Agency and Other Conservative Projections Hampering the Renewable Energy Transition?” Energy Research & Social Science 46 (dezembro): 103–13. https://doi.org/10.1016/j.erss.2018.07.011.
EschB.P.M, van, e SpiertsI.L.Y. 2014. “Validation of a Model to Predict Fish Passage Mortality in Pumping Stations”. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, setembro. https://doi.org/10.1139/cjfas-2014-0035.
Harrison, Philip M., Eduardo G. Martins, Dirk A. Algera, Trina Rytwinski, Brent Mossop, Alf J. Leake, Michael Power, e Steven J. Cooke. 2019. “Turbine Entrainment and Passage of Potadromous Fish through Hydropower Dams: Developing Conceptual Frameworks and Metrics for Moving beyond Turbine Passage Mortality”. Fish and Fisheries 20 (3): 403–18. https://doi.org/10.1111/faf.12349.
Jensen. 2009. “Livro:Sensoriamento Remoto do Ambiente: uma perspectiva em Recursos Terrestres”. Sadeck – Geotecnologias (blog). 21 de março de 2009. https://geotecnologias.wordpress.com/2009/03/21/livrosensoriamento-remoto-do-ambiente-uma-perspectiva-em-recursos-terrestres/.
Kusma, Camila Munareto, e Francesca Werner Ferreira. 2009. “Mecanismo de transposição de peixes de pequena central hidrelétrica”. Ciência Rural 40 (1): 89–94. https://doi.org/10.1590/S0103-84782009005000247.
Moretto, Evandro Mateus, Carina Sernaglia Gomes, Daniel Rondinelli Roquetti, e Carolina de Oliveira Jordão. 2012. “Histórico, tendências e perspectivas no planejamento espacial de usinas hidrelétricas brasileiras: a antiga e atual fronteira Amazônica”. Ambiente & amp; Sociedade 15 (3): 141–64. https://doi.org/10.1590/S1414-753X2012000300009.
Prado, Ivo Gavião. 2012. “AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE PEIXES À MONTANTE DA BARRAGEM DA UHE TRÊS MARIAS COMO SUBSÍDIO PARA A CONSERVAÇÃO DA ICTIOFAUNA”, 93.
Simmonds, John, e David N. MacLennan. 2008. Fisheries Acoustics: Theory and Practice. John Wiley & Sons.
Sommerville, Ian. 2012. Engenharia de software. 9a edição. Pearson.
Westphal, Gisela Geraldine Castilho, Antonio Ostrensky, Gisela Geraldine Castilho Westphal, e Antonio Ostrensky. 2016. “Use of Side-Scan Sonar for Estimations of Crassostrea Brasiliana (Lamarck, 1819) Stocks in Subtidal Banks on the South Coast of Brazil”. Brazilian Journal of Oceanography 64 (1): 49–56. https://doi.org/10.1590/S1679-87592016104506401.
Winemiller, K. O., P. B. McIntyre, L. Castello, E. Fluet-Chouinard, T. Giarrizzo, S. Nam, I. G. Baird, et al. 2016. “Balancing Hydropower and Biodiversity in the Amazon, Congo, and Mekong”. Science 351 (6269): 128–29. https://doi.org/10.1126/science.aac7082.
Zanotele Hemerly de Almeida, Rynaldo, Joao Carlos Sávio Cordeiro, e Luiz Eduardo Lopes. 2020. “Caracterização de carregamentos de campo sobre sistema fluvial de contenção de detritos”. REVISTA IPT TECNOLOGIA E INOVAÇÃO 4 (14). https://doi.org/10.34033/2526-5830-v4n14-6.
1Universidade de Brasília (UnB) – Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Ciências Ambientais
Campos Planaltina – 73340-710 – Brasília -DF – Brasil – silva-alexandre.as@aluno.unb.br