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Un Sistema Tutorial Inteligente

para el Desarrollo de Hábitos y Habilidades de Operación

de Instalaciones Nucleares

Elías Lidia, De la Vega Dalia

lauren@info.isctn.edu.cu

Cuba

 

 

INTRODUCCIÓN

Desde el accidente de la central electronuclear de la Isla de las Tres Millas se detectó la magnitud del impacto de la contribución del factor humano en la explotación segura y confiable de las plantas nucleares.

La Oficina para el Análisis y Evaluación de los Datos Operacionales, dependencia de la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos, observó que existe una reducción perceptible en el número de eventos causados por fallos del equipamiento. Más del 50% de los eventos reportados ocurridos en las centrales electronucleares (CEN) es producto del error humano. La prevención (o corrección) de un problema del desempeño humano está normalmente basado en el balance propio de tres factores, la supervisión, el entrenamiento del personal y los procedimientos [Red93].

Especial atención presta el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) a las actividades de capacitación, lo que se reconoce al plantearse en [SKO94] que también son decisivas para mejorar los niveles de seguridad de las centrales nucleares.

La realización del entrenamiento del personal de operación de CEN está regido por documentos aprobados por el Organismo Internacional de Energía Atómica y de cada país en particular (por ejemplo, [IAEA89], [Know95]). Dicho entrenamiento se diferencia para los distintos puestos de trabajo: Operadores, Ingenieros en Operación, Ingenieros en Mantenimiento.

Internacionalmente para el entrenamiento y certificación del personal de operación de centrales nucleares se utilizan múltiples sistemas computarizados muy costosos y complejos. Se han desarrollado simuladores y sistemas basados en ordenador: simuladores conceptuales, simuladores gráficos interactivos ([ORT94]; [SCH96]) así como se han introducido las técnicas de la Inteligencia Artificial para hacer más potentes estos sistemas: simuladores con sistema experto incorporado (XTEND [MID92], SEPIA [BIL94], [KUR94]) y sistemas inteligentes de instrucción asistida por computadora (EPG-ICAI [TAK94], [YOS92],[KUR92]).

La inteligencia artificial ha sido utilizada en el desarrollo de diferentes sistemas empleados en diversas áreas de la industria y la tecnología nucleares. Se considera por algunos autores que la ingeniería nuclear es una de las áreas con un gran potencial para aplicaciones de tecnologías inteligentes, cuyo desarrollo está aun incipiente [RUA98]. En 1996, Ruan planteó "las áreas de aplicación de las tecnologías inteligentes en la ingeniería nuclear se extiende hasta el control de las centrales nucleares, la administración de la seguridad, el control de los desechos nucleares y la opinión pública" [RUA98]. Este planteamiento reafirma el resultado obtenido en una búsqueda bibliográfica realizada sobre sistemas con aplicaciones inteligentes en la industria nuclear, desde los años 80 hasta 1998, con respecto al desarrollo de sistemas inteligentes en el área de la formación de operadores cuya cantidad es poca y no se menciona en la bibliografía referida como esfera posible de aplicación.

Los sistemas desarrollados hasta el momento se utilizan por ejemplo, para el análisis de la actividad del operador durante la sesión de entrenamiento en situación de avería máxima, en el simulador-replicador (SEPIA [ BIL94] ), para el desarrollo en el operador de los procedimientos a seguir durante las situaciones de emergencias (EPG-ICAI [ TAK94] , [ KUR92] ). Estos sistemas computarizados de enseñanza se emplean para la formación del operador en la explotación de la planta sólo en régimen o situaciones de avería. Esto se debe posiblemente, a que durante el régimen de avería el operador se encuentra bajo una gran tensión y es necesario el desarrollo de hábitos y habilidades, evitando de esa forma la violación de la seguridad de la planta y del personal.

Una correcta formación de hábitos y habilidades de operación en régimen normal de explotación reviste de gran importancia para disminuir la probabilidad de ocurrencia de situaciones de averías debido al factor humano. Por tanto, el desarrollo de un sistema de enseñanza-aprendizaje para la formación de habilidades de operación tanto en régimen de explotación normal como de avería es una necesidad. Por tanto, el desarrollo y empleo de sistemas tutoriales inteligentes (STI) (con simuladores en su estructura) en la formación del personal de operación reduce el costo de esta actividad; en segundo lugar las modificaciones realizadas en las plantas pueden reflejarse en los STI desarrollados y ser asimilados fácilmente por el instruido; por último se facilita la formación del operador de aquellas instalaciones que no cuentan con un simulador-replicador.

 

LA CAPACITACIÓN DEL PERSONAL DE OPERACIÓN

DE CENTRALES ELECTRONUCLEARES EN CUBA

En Cuba, la capacitación del personal que operará la CEN se realizaba "en países que poseen instalaciones apropiadas y centrales similares a la que se construye" [CAS90]. A pesar de que la formación se realizaba en centrales con reactores del mismo tipo que el de la CEN de Juraguá, la misma no era completa pues el reactor a instalar en Cienfuegos tiene particularidades desde el punto de vista constructivo y de parámetros termofísicos que lo hacen algo diferente a los instalados en otras centrales del mismo tipo. El operador debe conocer dichas particularidades y dominarlas para lograr operar correcta y eficazmente. Esta situación se resuelve con la construcción de un simulador replicador de la central de Juraguá. Sin embargo, la posibilidad de construir un simulador réplica para la CEN es una tarea muy costosa, a cumplirse a largo plazo.

En el Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares, en el año 1987 se forma un equipo de especialistas para solucionar problemas vinculados directamente a la efectividad de la preparación del personal de operación de centrales electronucleares, denominado Grupo de Preparación de Personal de Operación (PPO), hoy ASEI (Al Servicio del Entrenamiento Industrial).

Los investigadores de ASEI desarrollaron diferentes sistemas computarizados entre los que se encuentran los simuladores conceptuales de pequeña escala, soportados en computadoras personales (PC), con el objetivo de emplearlos en la formación del personal de operación y mantenimiento que trabajaría en la CEN de Juraguá. El primer simulador conceptual desarrollado fue SIMEXCP (simulador conceptual de pequeña escala con sistema experto incorporado), que permite entrenar al operador en el funcionamiento y operación del compensador de presión de la CEN de Juraguá [ELI98]. Analizando los resultados obtenidos con este sistema se establece la necesidad de guiar al instruido durante su entrenamiento. Este objetivo se alcanza con el desarrollo de un sistema tutorial inteligente, el cual permite adecuar el proceso de enseñanza-aprendizaje al ritmo, nivel y estilo del instruido.

Partiendo de las dificultades arriba mencionadas se plantea como un problema la aún insuficiente preparación de los operadores de instalaciones nucleares que incide en un por ciento importante en la ocurrencia de situaciones de averías, afectando la seguridad de la planta.

Por la complejidad que entraña resolver este problema y la multitud de aristas susceptibles de ser investigadas, se realiza un estudio sobre cómo mejoraría la formación del operador si se guía el proceso de entrenamiento realizado en un simulador inteligente?.

Para resolver el problema se plantea como hipótesis:

"La combinación de estrategias tutoriales con un simulador inteligente facilita el proceso de entrenamiento de los operadores de instalaciones nucleares".

Para el desarrollo del presente trabajo, se planteó como objetivo general:

Obtener un modelo de dirección para la automatización del proceso de entrenamiento con un simulador inteligente que proporcione tareas a resolver por el operador de acuerdo a sus necesidades y al nivel de competencia establecido.

 

DISEÑO DEL SISTEMA TUTORIAL INTELIGENTE

Se parte de la propuesta realizada por Prieto en [PRI89] para un sistema tutorial inteligente, el cual puede ser dividido en dos partes, una general y una específica, realizándose algunas modificaciones con el objetivo de mejorar la organización del trabajo del tutorial. La parte general del sistema contiene todas las estructuras necesarias para el control del proceso de entrenamiento, la conformación del modelo del estudiante y la máquina de inferencia del sistema experto. Mientras, en la parte específica se almacenará toda la información referente a la instalación estudiada incluyendo los procedimientos de operación y las estrategias tutoriales seleccionadas de las programadas en la parte general. Como resultado se obtiene la estructura de CPTUTOR, un tutorial para el entrenamiento en la operación del compensador de presión de una central electronuclear con reactor PWR del tipo WWER-440. En la figura 1 se observan la parte general (TUTOR-HELP) y la parte específica. La primera está compuesta por los módulos del controlador (planificador, corrector, ejecutor), el sistema experto, el modelo del estudiante y las estructuras de datos (grafos de conocimiento y de progresión) [ELIM97]; mientras, la segunda está conformada por la base de cocimientos, las estrategias tutoriales específicas para la aplicación, las tareas y el simulador.





Acción

del

operador

Tarea y nivel de complejidad

 

Estado de los órganos Datos de

reguladores y valores entrada

de P, T y nivel

 

CPTUTOR

Figura 1. Estructura del tutorial CPTUTOR

El controlador realiza la función de dirigir, controlar y ejecutar el proceso de tutoría. Este módulo está formado por tres componentes, el planificador, el corrector y un ejecutor. El planificador genera las tareas a ejecutar por el estudiante. Basa su trabajo en las estrategias tutoriales definidas y en el análisis del estado del conocimiento. El ejecutor realiza las tareas propuestas por el planificador, inicializando las condiciones del sistema de acuerdo a los datos de las tareas. El corrector chequea la respuesta, detecta y realiza el tratamiento de los errores cometidos por el estudiante, actualizando el estado del conocimiento en el sistema.

El proceso de aprendizaje se basa en la proposición al estudiante de ejercicios tipos a resolver, con cuya solución se conforma el estado del conocimiento. Estos ejercicios, según el tema de estudio, se agrupan en tareas, las cuales son definidas durante el proceso de diseño de la aplicación.

El sistema experto es la segunda componente en importancia después del controlador y es el encargado de entregar las acciones del experto a partir de la base de conocimientos con la que trabaja y los datos que recibe del simulador. Como representación del conocimiento utiliza la regla de producción.

El modelo del estudiante es toda información sobre un programa de enseñanza específico para un alumno concreto que esté siendo enseñado, por lo que la conservación de esta información ayuda al sistema a decidir los actos de enseñanza apropiados. La particularidad de la actividad operativa sobre el dominio de las normas y procedimientos de explotación de los sistemas industriales y el reconocimiento que hace Okamoto en [OKA94] sobre la adquisición eficiente de los procedimientos y hechos por parte del alumno al utilizar el modelo de solapamiento, hace posible que la selección de éste para el desarrollo del sistema propuesto.

Como estructuras de datos se desarrollaron los grafos de conocimientos y de progresión. El primero permite trabajar con los conocimientos y las habilidades a desarrollar por el entrenando y brinda las relaciones existentes entre los mismos. Mientras que, el segundo dosifica las tareas a resolver por el instruido facilitando su navegación por el sistema.

 

Base de conocimientos CPRESION

El compensador de presión (CP) es una de las instalaciones fundamentales del primer circuito en una central electronuclear (CEN) con reactor PWR. Este equipo, con sus sistemas auxiliares, tiene como función principal, mantener la presión del refrigerante constante en el primer circuito. Como función secundaria, mantiene la masa del refrigerante constante a través de la regulación del nivel.

Para cumplimentar la primera función el CP tiene entre sus componentes un grupo de calentadores eléctricos situados en la masa líquida y un grupo de rociadores situados en la masa de vapor. Al elevarse la presión excesivamente se emplean las válvulas de descarga al barboteador y en caso de accidentes severos las válvulas de seguridad. La segunda función la realiza con la ayuda de diferentes bombas y válvulas.

Una acción del operador incorrecta o fuera del momento necesario, por desconocimiento del funcionamiento y operación del CP y sus sistemas puede dar lugar a una avería o situación de emergencia, provocando incluso la parada del reactor.

La base de conocimientos contiene toda la información sobre el funcionamiento y operación del compensador de presión de la central electronuclear de Juraguá. Se confecciona la base de conocimientos CPRESION [ELI98] a partir de una simulación cualitativa de los procesos físicos y operacionales que tienen lugar en la instalación. El objetivo de esta base es analizar el funcionamiento correcto de los sistemas de regulación de presión y nivel del CP de acuerdo a las variaciones de los parámetros que caracterizan el proceso que ocurre dentro de la instalación, las acciones del operador y del sistema automático.

CPRESION cuenta con 115 proposiciones y 255 reglas. Está organizada en dos grandes bloques, uno con la información referente a la regulación de la presión y el otro con la regulación de nivel del refrigerante en el compensador de presión. A su vez, en cada bloque se realiza la simulación de los procesos físicos que ocurren al aumentar o disminuir el parámetro fundamental. Por último, existe un tercer nivel en el cual se describe el funcionamiento de los diferentes dispositivos componentes de cada sistema con sus actuaciones en el régimen automático y las acciones del operador durante el régimen manual de operación. En la figura 3 se muestra un diagrama de la organización de la base.

 

 








 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3. Estructura de la base de conocimientos CPRESION

 

 


Nivel superior: Define el sistema de regulación del parámetro específico.


Nivel intermedio: Define los procesos físicos asociados al aumento y disminución del parámetro específico.


Nivel inferior: Define las operaciones de acuerdo al régimen de regulación (automático y manual).

 

Simulador SIMCP

Como simulador se adecuó el utilizado en SIMEXCP (simulador conceptual del compensador de presión con sistema experto incorporado) presentado en [ELID98]. El esquema tecnológico empleado es el de la instalación con sus sistemas auxiliares que aparece en [PTS87], simplificándose el número de las válvulas pertenecientes a cada grupo.

SIMCP es un simulador de principios básicos, no réplica y para una planta específica. En la pantalla gráfica se muestra la variación de los parámetros fundamentales (temperatura (T), presión (P) y nivel (H)) en cifras acompañadas de las unidades de medida; mientras el cambio de estado de los diferentes dispositivos automáticos y órganos reguladores se representan con cambio de coloración.

En la figura 4 se muestra un ejemplo de ventana donde se representa el esquema tecnológico y una tabla de parámetros y estados de componentes. El diseño se corresponde con la variedad de operaciones a realizar por el operador. La simbología utilizada se presenta en la tabla 1.

 

Componentes

Estados

1 -5

grupos de válvulas rociadoras.

A

abierto (válvulas)

e1 e2

grupos de válvulas de descarga al barboteador.

apagado (calentadores)

s1 s2

grupos de válvulas de seguridad.

accionada (avería)

re

válvula de reposición de refrigerante.

C

cerrado (válvulas)

dr

válvula de drenaje de refrigerante.

encendido (calentadores)

g1 g5

grupos de calentadores eléctricos.

N

no está accionada (avería)

1 - 4

AZ-1 al AZ-4 (averías)

   

Tabla 1. Simbología empleada en el esquema del tutorial

El movimiento en cada ventana se realiza utilizando las teclas ¬ , ­ , ® , ¯ , por medio del cursor representado con una flecha blanca dentro de un rectángulo negro ( ).

Para efectuar operaciones manuales el operador debe:

  1. Pasar el regulador del régimen AUTOMATICO a MANUAL.
  2. Seleccionar el tipo de componente para trabajar (válvula, bomba, calentador).
  3. Seleccionar el grupo de componentes a accionar (grupo1, 2, etc.).
  4. Seleccionar el tipo de accionamiento ABRIR o CERRAR (válvulas), ENCENDER o APAGAR (bombas, calentadores).

La acción operativa se realiza posicionando el cursor encima del órgano regulador o señal de emergencia en el esquema tecnológico, o de la letra que acompaña al texto identificador en la tabla de parámetros y estados (Estado del Equipo) y pulsando la tecla de espacios (SPACE BAR). Como resultado se observará un cambio de coloración del órgano accionado en el esquema tecnológico y un cambio de letra y coloración en la tabla de parámetros. Para los órganos reguladores el color ROJO simboliza el estado "A" y el verde el "C". En el caso de las señales de avería, la coloración en rojo del círculo blanco que acompaña las letras en el esquema tecnológico va acompañada de una señalización sonora con diferentes frecuencias en dependencia del tipo de emergencia accionada (más aguda para AZ-1, más baja para AZ-4). En la tabla de parámetros aparecen además, los regímenes de trabajo para el accionamiento (AUTO - Automático o Manual), los cuales también pueden ser cambiados al posicionar el cursor encima de estos. Actualmente se trabaja en la introducción de herramientas de multimedia (ficheros de audio con grabaciones de señales sonoras reales) para acercar más el operador al ambiente real de operación.

Figura 4. Ejemplo de ventana con el esquema tecnológico y la tabla de parámetros empleados en CPTUTOR.

 

Grafo de progresión de CPTUTOR

Las tareas a resolver por el entrenando son definidas a partir de la información escrita en [Know95] sobre las tareas, los conocimientos y habilidades a dominar por los operadores al operar el sistema de compensación de presión de un reactor PWR, estableciéndose las relacionadas en la tabla 2.

 

Nombre

Contenido

T1

Comprueba el conocimiento de la operación de las válvulas de rociado

T2

Comprueba el conocimiento de la operación de las válvulas de descarga.

T3

Comprueba el conocimiento de la operación de las válvulas de seguridad.

T4

Comprueba el conocimiento de la operación de los calentadores.

Tabla 2. Tareas de CPTUTOR

Los datos de entrada para cada tarea y nivel de complejidad se establecen a partir de una combinación del régimen de operación, el estado de los diferentes dispositivos y los valores de los parámetros fundamentales (presión, temperatura y nivel). Los dos primeros tipos de datos se definen con una sola variable de tipo cadena con un rango de 23 componentes (cinco para las válvulas de inyección, dos para las válvulas de descarga, dos para las válvulas de seguridad, cinco para los grupos de calentadores eléctricos, una válvula de drenaje, una válvula de reposición, cuatro averías, un régimen automático, un régimen manual), las que pueden tomar el valor 1 ó 1 según la tabla 3.

Componente o régimen

Estado

Criterio

Válvulas

Abierta

1

 

Cerrada

-1

Calentadores eléctricos

Encendidos

1

 

Apagados

-1

Averías

Accionada

1

 

No accionada

-1

Régimen de regulación

Automático

1

 

Manual

-1

Tabla 3. Criterios de valores para los datos de entrada.

A partir del estado inicial y aplicando los conocimientos y procedimientos establecidos el entrenando debe operar la instalación, cambiando el régimen de regulación (de ser necesario) y accionando los diferentes dispositivos con el objetivo de regresar el parámetro regulado a su valor nominal; a su vez debe prestar atención al comportamiento de la información presentada tanto en el esquema tecnológico como en la tabla de parámetros. Con las tareas definidas se diseñó el grafo de progresión [YAÑ94] mostrado en la figura 5.

En el grafo de progresión para transitar de una tarea a otra se utilizan tres tipos de enlaces, los que han sido representados en la figura 5 de la forma siguiente:


Enlace condicional.


Enlace paralelo.


Enlace requisito.

Los enlaces condicionales son la conexión más simple entre nodo-tareas. Se establecen cuando existe una condición previa para la transición de una tarea a otra.

Los enlaces requisitos, son una clase de los enlaces condicionales. Se establecen por la necesidad de resolver simultáneamente un conjunto de tareas orígenes (con determinados niveles en cada una de ellas), para pasar a recibir instrucción en la tarea destino.

Los enlaces paralelos son un caso particular de la aplicación de enlaces condicionales, pues se establecen cuando existe un conjunto de tareas que no necesitan requisitos ni condiciones previas entre ellas para la transición del estudiante de unas a otras. Es decir, tareas conectadas entre sí, a través de enlaces paralelos, pueden ser recorridas simultáneamente, pues están relacionadas por enlaces condicionales vacíos.

[ ]

[1,2,3] Nivelar

[ ]


[4,5] [3,4,5]

Desviar Desviar

 

Nivelar

 

Figura 5. Grafo de Progresión de CPTUTOR

Las tareas se han confeccionado con diferentes niveles de complejidad (aparecen entre corchetes en la figura 5) definidos a partir de la cantidad de dispositivos a accionar, el tipo de régimen de regulación y la influencia que tiene el efecto del accionamiento de los dispositivos del sistema de regulación de la presión del CP sobre su sistema de regulación del nivel de refrigerante. En la tabla 4 se listan los niveles de complejidades empleados de acuerdo a la numeración utilizada en la figura 5.

Número de complejidad

Determinado por el tipo de acción principal a realizar por el entrenando

1

Accionar dos válvulas del sistema de regulación de presión. (La tarea comienza con el sistema en régimen manual de operación)

2

Accionar tres válvulas del sistema de regulación de presión (la tarea comienza con el sistema en régimen manual de operación).

3

Accionar cuatro válvulas del sistema de regulación de presión (la tarea comienza con el sistema en régimen manual de operación).

4

Accionar dos válvulas del sistema de regulación de presión y del sistema de regulación de nivel (la tarea comienza con el sistema en régimen manual de operación).

5

Cambio de régimen de operación automática a manual + nivel 3 (la tarea comienza con el sistema en régimen automático de operación).

6

Accionar dos grupos de calentadores del sistema de regulación de presión (la tarea comienza con el sistema en régimen manual de operación).

7

Cambio de régimen de operación automática a manual + nivel 6 (la tarea comienza con el sistema en régimen automático de operación).

8

Nivel 7 + accionar válvulas del sistema de regulación de presión.

Tabla 4. Niveles de complejidad definidos y sus significados.

Los niveles definidos para cada tarea comienzan en el menos complejo (accionamiento de varios grupos de órganos o dispositivos), aumentándose la complejidad en correspondencia con el tipo de acción que debe realizar el entrenando (ver figura 5 y tabla 4). De esta forma se desarrollan las habilidades y además los hábitos operativos siguientes:

  1. Observar el comportamiento de los parámetros regulados antes y después de realizada una acción.
  2. Cambiar el régimen de operación de automático a manual para poder accionar un dispositivo u órgano determinado.
  3. Velar por el comportamiento de otros parámetros que pueden variar bajo la influencia de los parámetros regulados o por el efecto de las acciones del operador.

Definidas las tareas a resolver por el estudiante se establecen las estrategias tutoriales reguladoras del proceso de entrenamiento.

 

Estrategias tutoriales

Las particularidades de la actividad operativa hacen que el proceso entrenamiento se realice en presencia del instructor. Por esta razón, las tareas a resolver por el entrenando son establecidas en un orden determinado. En dependencia de la rapidez y la corrección de las acciones, éste navegará por el sistema de una forma más rápida o más lenta, de acuerdo a las estrategias definidas.

Se establece que las estrategias tutoriales se aplican sobre el modelo de dirección del entrenamiento (grafo de progresión) para facilitar la conducción del estudiante a través de éste y como remedial para eliminar el error cometido. Se definen dos tipos de estrategias tutoriales: de progresión y de error. La combinación de estas estrategias durante el proceso de entrenamiento permite el cumplimiento de las estrategias definidas para cada aplicación en particular.

Las estrategias tutoriales empleadas en el tutorial CPTUTOR fueron seleccionadas de acuerdo a los hábitos y habilidades a desarrollar referidos en [Know95] y la experiencia acumulada por una de las autoras durante once años de impartir estos contenidos en las asignaturas "Regulación Automática de CEN" y "Automatización de procesos termoenergéticos", a los estudiantes de las especialidades de Energética Nuclear e Ingeniería Nuclear, en el Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares, así como en el trabajo realizado como experto en la discusión, con los soviéticos, del Proyecto Técnico del Sistema Automatizado de Dirección de Procesos Tecnológicos de la CEN de Juraguá.

En la parte específica se definieron tres tipos de estrategias de progresión: alguna (se resuelve por el estudiante una o varias tareas pero no todas), todas (se resuelven todas las tareas), ninguna (no se resuelve ninguna). De estas, se seleccionó a "todas" para la parte específica del tutorial CPTUTOR. Se parte del criterio que el operador debe dominar correctamente el funcionamiento y operación de cada uno de los órganos reguladores así como las acciones operativas a realizar durante el trabajo de la instalación, por lo cual debe resolver todas las tareas a solucionar.

La estrategia de error definida para cada tarea se muestra en la tabla 5.

Nombre

Tipo de ejercicio

Estrategia de error

T1

Práctico

Nivelar

T2

Práctico

Desviar

T3

Práctico

Desviar

T4

Práctico

Nivelar

Tabla 5. Las tareas de CPTUTOR y sus estrategias de error

La estrategia seleccionada para las tareas T1 y T4 es "nivelar". El operador debe conocer correctamente los parámetros de accionamiento de las válvulas de inyección y calentadores eléctricos para garantizar que el CP trabaje en el régimen normal de explotación y no pase en ningún momento al régimen de avería, garantizando con la estrategia seleccionada que no pase a otro tipo de dispositivo hasta que no domine correctamente la operación de los arriba mencionados.

Las válvulas de descarga se accionan en situaciones de emergencia para evitar apagar el reactor. Mientras, las válvulas de seguridad son accionadas en situaciones de avería máxima de proyecto. Considerando que en ambos casos, el régimen de trabajo de la planta es el de avería o emergencia se considera utilizar la estrategia de error "desviar" para lograr el dominio de la operación de cada tipo de dispositivo.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

El tutorial presentado en este trabajo se emplea en la formación de los ingenieros nucleares y maestros en instalaciones nucleares y energéticas, para el desarrollo de las habilidades y hábitos de operación.

La comprobación del funcionamiento correcto de CPTUTOR se realizó a través de varios experimentos, diseñados con los objetivos siguientes:

  1. Evaluar si la cantidad de ejercicios presentados al entrenando permite desarrollar los hábitos y habilidades necesarios para dominar la operación del compensador de presión.
  2. Evaluar el comportamiento del entrenando al trabajar más de una vez con el tutorial.
  3. Evaluar el entrenamiento cuando trabaja un estudiante de pregrado, un maestrante y un operador.
  4. Determinar las tareas con mayores dificultades durante el entrenamiento con el tutorial.

Una operación correcta se logra si el entrenando desarrolla las habilidades relacionadas a continuación:

  1. Observar los valores de los parámetros caracterizadores del proceso.
  2. Observar el estado de los dispositivos y componentes.
  3. Relacionar el estado de los componentes con los valores de los parámetros.
  4. Planificar las acciones operativas a realizar de acuerdo al resultado del punto 3.
  5. Seleccionar los componentes a accionar.
  6. Ejecutar las acciones.
  7. Observar el comportamiento del proceso después de realizada la operación.

La muestra a participar en el experimento se seleccionó aleatoriamente de grupos de estudiantes de pregrado de diferentes años y de personal de la central nuclear que había sido formado como operadores en el extranjero. El número de miembros del grupo que participó en cada muestra se determinó que fuera cinco, pues esta es la cifra representativa de la cantidad de operadores que se forman en cada turno de operación de la sala de control de una central electronuclear (tres operadores, un jefe de turno y un suplente).

Como datos de entrada se consideraron para:

  1. Los estudiantes de pregrado: el índice académico hasta el año que cursan y si ha cursado la asignatura de Automatización de procesos termoenergéticos (APTE).
  2. Los operadores: edad, año de formación como operador, ocupación actual.

El trabajo con el tutorial se realiza en sesiones de hora y media. Al entrenando se le entrega un manual, una hoja para el registro de los resultados y una tabla con los parámetros de accionamiento de los diferentes dispositivos.

Experimento 1

Muestra: 5 estudiantes de 4to año de Ingeniería Nuclear. En la tabla 6 se muestran los datos de entrada de los estudiantes participantes.

 

Nro. del estudiante

Indice académico

Cursa APTE

1

4,23

2

4,87

3

4,93

4

4,74

5

4,56

Tabla 6. Características de la muestra con estudiantes de pregrado

El experimento se realiza en dos sesiones de trabajo con el tutorial, mediando quince días entre cada sesión. En la primera participan cinco estudiantes y en la segunda cuatro. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 6-10.

Figura 6. Distribución de la frecuencia absoluta de la solución de las tareas y sus niveles al trabajar con CPTUTOR (sesión I)

En la figura 6 se observa que la tarea con mayores dificultades durante la primera sesión de trabajo con el tutorial fue el nivel de complejidad 3 (menor complejidad) de la tarea relacionada con la operación de las válvulas de seguridad. Siguiendo en orden el nivel 4 (menor complejidad) de la tarea 2 (operación de válvulas de descarga al barboteador).

El estudiante con mayores dificultades en el entrenamiento resultó ser el tercero, presentando los mayores problemas en las tareas 2 y 3. Mientras el estudiante 5 resultó el mejor con una media de 1,2 ejecuciones de los diferentes niveles en cada tarea.

Figura 7. Distribución de la frecuencia absoluta de la solución de las tareas y sus niveles al trabajar con CPTUTOR (sesión II)

En la segunda sesión de trabajo con el tutorial participaron cuatro estudiantes pues el quinto se consideró que había adquirido las habilidades y hábitos de operación exigidos. Las mayores dificultades se presentaron en esta ocasión en la tarea 4 (operación de los calentadores eléctricos) (figura 7).

El estudiante 4 presentó mayores dificultades en general. Es necesario señalar que este estudiante no realizó el entrenamiento completo en la primera sesión, razón de los resultados no satisfactorios en su trabajo con el tutorial durante la segunda sesión.

Con el objetivo de observar el comportamiento de los estudiantes en los dos momentos de trabajo con el tutorial se realiza una comparación entre los resultados totales de las tareas en la primera y segunda sesiones, la que se muestra en la figura 8.

Las tareas con mayores problemas en su dominio por parte de los estudiantes resultaron ser las tareas relacionadas con la operación de las válvulas de seguridad (T3) y descarga (T2) en la primera sesión y los calentadores eléctricos (T4) en la segunda (ver figuras 8 y 9). Estos resultados se deben al:

  1. Accionamiento de las válvulas de inyección antes de las de seguridad o descarga provocando un brusca disminución de la presión sin lograr estabilizarla en un valor.
  2. Accionamiento de las válvulas sin cambiar el régimen de regulación de Automático a Manual.
  3. No accionamiento de las válvulas de drenaje o inyección al disminuir considerablemente el nivel debido a la apertura de las válvulas de descarga o seguridad o al trabajo de los calentadores eléctricos.

Por lo general, los resultados mejoraron notoriamente en la segunda sesión, excepto en el caso de la operación de los calentadores eléctricos (T4) en que aumentó casi al doble de las frecuencias en todos los casos. Los mejores resultados fueron obtenidos por el estudiante 5 en la primera sesión y el estudiante 4 en la segunda.

Figura 8. Comportamiento de la distribución de la frecuencia absoluta

de las tareas en las sesiones I y II

Al sumar las frecuencias absolutas de los niveles y dividirla entre la cantidad de estudiantes participantes en el experimento se obtiene la media total para cada tipo de tarea. Con las medias de cada tarea se construyó la figura 9, que muestra como la ejecución de la tarea T1 disminuye aproximadamente en un 30 % en la segunda sesión; T2 en un 77 %, T3 en un 75 %, mientras T4 aumenta en casi 2,5 veces.

Figura 9. Distribución de la media de la frecuencia absoluta de las tareas en las sesiones I y II

 

Los resultados mejoraron no solo desde el punto de vista de cantidad de veces de ejecución de cada nivel y tarea sino además, de la disminución en el tiempo de entrenamiento, lo que se puede observar en la figura 10.

Figura 10. Comportamiento de la duración del entrenamiento con el tutorial por estudiante y sesión

En todos los casos la duración del entrenamiento disminuyó desde más de 60 minutos a menos de treinta. Estos resultados demuestran que el tutorial permite desarrollar la rapidez en la operación de la instalación.

En la segunda sesión de trabajo se estableció que los estudiantes habían adquirido habilidades y hábitos pues accionaron las válvulas de descarga y seguridad rápidamente cuando se alcanzaron los valores de cierre de las mismas, así como cambiaron de régimen de regulación en el momento necesario. Además, dichas habilidades fueron desarrolladas a partir de la cantidad de veces que el estudiante ejecutó cada tarea, siendo diferente para cada uno, en dependencia de su destreza, cumpliéndose el objetivo para el que fue creado el sistema.

El tutorial fue presentado a personal de explotación que fue preparado en países del campo socialista para operar la central nuclear con el objetivo de evaluar su aceptación y determinar si es posible utilizarlo en la formación de operadores, pues las características de este tipo de personal y de los estudiantes son diferentes, realizándose un segundo experimento.

Experimento 2

Muestra: 5 operadores (ingenieros de experiencia que recibieron entrenamiento como Jefe de Turno y Operador de la Sala de Control de centrales nucleares).

En la tabla 7 se muestran los datos de entrada de los operadores participantes.

No. del operador

Edad

Año de formación

Ocupación actual

1

38

1985

Investigador

2

40

1985

Investigador

3

41

1985

Analista

4

39

1986

Analista

5

40

1986

Analista

Tabla 7. Características de la muestra con operadores

Figura 11. Distribución de la frecuencia absoluta de solución de las tareas y sus niveles por los operadores.

Las tareas con mayores dificultades para los operadores fueron al igual que para los estudiantes (en su primera sesión con el tutorial) las tareas T3(3) y T2(4), como se muestra en la figura 11.

El operador con mayores dificultades fue el 4 seguido por el 1.

Al comparar los resultados de las figuras 6 y 11 se observa que aunque las tareas con mayores problemas coinciden, las frecuencias absolutas de ejecución de éstas difieren resultando menores la de los operadores en casi dos o tres veces.

Figura 12. Distribución de la media de la frecuencia absoluta de las tareas

En la figura 12 se observa que la tarea T4 es la de menor frecuencia de ejecución al igual que en la primera sesión de los estudiantes.

La duración del entrenamiento de los operadores oscila entre 20 y 35 minutos, semejante a la obtenida en la segunda sesión de trabajo de los estudiantes con el tutorial (ver figuras 10 y 13).

Figura 13. Comportamiento de la duración del entrenamiento con el tutorial por operador.

 

Conclusiones

La estructura planteada de las partes generales (controlador, sistema experto, simulador, modelo del estudiante, grafos de conocimientos y de progresión, interfaz) y específicas (base de conocimientos, estrategias, simulador específico, tareas) del sistema tutorial inteligente logra una organización adecuada y eficaz de la información necesaria para un buen desarrollo del proceso de entrenamiento y la creación de habilidades operativas.

El grafo de progresión como modelo de dirección del proceso de entrenamiento, organiza y distribuye adecuadamente en función de las necesidades particulares del instruido, los objetivos declarados, las tareas y ejercicios a resolver con diferentes niveles de complejidad.

Las estrategias de progresión y de error definidas para el STI optimizan la navegación del estudiante por el grafo de progresión.

Las tareas relacionadas con la operación de las válvulas de seguridad y de descarga al barboteador son las que presentan mayor dificultad en la solución por parte de los estudiantes y operadores.

La duración del entrenamiento de los estudiantes disminuyó al realizarse la segunda sesión de trabajo con el tutorial.

El tutorial CPTUTOR permite desarrollar hábitos y habilidades de operación del compensador de presión de una central electronuclear así como una reacción rápida ante situaciones transitorias y de avería.