Sistemas de Controle de Tráfego Ferroviário - Aprender

PPGT - UnB
365831 - SISTEMAS DE INFORMAÇÕES EM TRANSPORTES
Rafael Vitale Rodrigues
SISTEMAS DE CONTROLE DE TRÁFEGO FERROVIÁRIO
Rafael Vitale Rodrigues
Universidade de Brasília
Programa de Pós-/Graduação em Transportes
RESUMO
Este texto pretende destacar a essencialidade dos sistemas de controle do tráfego ferroviário para que as
ferrovias atinjam plenamente seus objetivos. Com base no estudo de caso da ferrovia xxxxx, espera-se
evidenciar os benefícios dos investimentos das empresas ferroviárias em seus sistemas de controle de
tráfego, garantindo eficiência produtiva com alto grau de segurança para suas operações.
ABSTRACT
This paper aims to highlight the rail traffic control systems essentiality for railways fully achieve their
goals. Based on the study case of xxxxx railway, expects to show the benefits of the railway companies
investments on their traffic control systems, ensuring productive efficiency and high security level for
their operations.
1. INTRODUÇÃO
O conceito de tráfego deriva da palavra italiana “limitato”, etimologicamente descrito
como o movimento constante de algo através de um caminho particular, um movimento
de massas por certa linha ou rota. Um significado mais moderno da palavra tráfego é
definido como a circulação de veículos por vias ou rotas aéreas, terrestres ou aquáticas.
O tráfego envolve a escolha do meio de transporte e de um caminho específico, assim, o
tráfego ferroviário retrata a circulação de carris em linhas férreas. Devido à
características específicas envolvidas no transporte ferroviário, surgiu a necessidade de
criar sistemas de controle do tráfego ferroviário, cujo principal objetivo é conferir
eficiência produtiva com total segurança.
2. O MODO DE TRANSPORTE FERROVIÁRIO
O modo de transporte ferroviário é composto pela via permanente, que é o meio físico
por onde o transporte ferroviário se desenvolve, e pelo material rodante, que envolve
todo e qualquer veículo ferroviário, capaz de deslocar-se sobre a via férrea. A via
permanente é dividida em infraestrutura e superestrutura, respectivamente o sistema de
sustentação e rolamento dos trens em circulação, enquanto o material rodante é
composto por veículos de tração e veículos de transporte.
A infraestrutura é o conjunto de obras implantadas em uma faixa de terreno, destinadas
ao estabelecimento e à proteção do caminho de rolamento da via. Compreende as obras
de terraplanagem, que formam a plataforma e confere estabilidade e suporte de carga à
ferrovia; as obras de arte corrente, com objetivo de manter a integridade da plataforma
por meio de drenagem; e as obras de artes especiais, estruturas para transpor obstáculos
no caminho da ferrovia, a destacar pontes, viadutos e túneis.
A superestrutura tem a função de guiar os deslocamentos ferroviários, receber as cargas
dos veículos ferroviários e transmiti-las para a infraestrutura. É formada por três
elementos básicos: trilho, dormente e lastro. Os trilhos recebem os esforços aplicados
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pelo material rodante e formam a superfície onde o deslocamento ferroviário
efetivamente acontece. Os dormentes são os elementos de suporte e fixação dos trilhos,
com função de manter a bitola (distância interna entre os trilhos) e transferir os esforços
até o lastro. Juntos, trilhos e dormentes constituem a grade ferroviária. O lastro é
composto por uma camada de pedra britada cuja função é distribuir os esforços sobre a
plataforma, conferir rigidez e elasticidade à grade ferroviária além de facilitar a
drenagem da supesestrutura.
Figura 1: Seção transversal da via férrea
O material rodante são os veículos que se deslocam por uma ferrovia, divididos entre
aqueles de tração e aqueles de transporte. Os veículos de tração, conhecidos como
locomotivas, são equipamentos responsáveis pela força motriz para o deslocamento nas
ferrovias. Os veículos de transporte são chamados de carros quando transportam
pessoas e são denominados vagões quando transportam mercadorias. A formação de um
comboio se dá quando uma ou mais locomotivas são ligadas a um conjunto de vagões
para a realização de um determinado deslocamento.
Os veículos ferroviários possuem rodeiros em forma tronco-cônica, com friso no aro e
ligação rígida das rodas ao eixo, característica essencial para permitir deslocamento do
comboio, uma vez que estes não possuem controle de direção, apenas controle de
velocidade, já que são guiados pelos trilhos. Devido ao baixo atrito existente no contato
roda-trilho, a inércia ao movimento dos trens é um ponto crítico, especialmente nas
frenagens, onde se exige grandes distâncias para a conclusão da manobra.
Figura 2: Contato roda-trilho dos veículos ferroviários
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A circulação do material rodante é limitada aos trechos onde há via permanente, ou seja,
os deslocamentos ferroviários ocorrem em um ambiente fechado, dividido em diversos
segmentos alternados, os pátios e as linhas de circulação, cada um com uma função
específica. A linha de circulação é onde os deslocamentos efetivamente ocorrem e sua
função é ligar dois pátios adjacentes. Normalmente são do tipo singela, ou seja, linha
única, onde a circulação é priorizada em um dos sentidos. O pátio é o trecho de duas ou
mais linhas em que é possível ao trem realizar a mudança da via em que trafega. Essa
mudança só é possível com a utilização de aparelhos de mudança de via.
O pátio de manobras tem a função de possibilitar as manobras de vagões para a
formação de trens. Usualmente são compostos por diversas linhas em paralelo, com
acessos possibilitados pela presença de aparelhos de mudança de via. Os terminais são
pátios em que há a carga e/ou a descarga dos produtos transportados. Normalmente
terminais e pátios de manobras coexistem. Nas linhas singelas ainda existem os pátios
de cruzamento, caracterizado pela presença de um trecho de linha secundária paralela à
linha de circulação, cuja função é permitir o cruzamento de trens, quando circulando em
sentidos opostos, ou ultrapassagem de trens, quando circulando no mesmo sentido.
Figura 3: Representação de uma ferrovia de linha singela
O transporte ferroviário possui um custo fixo elevado devido à exigência de construção
de leitos elaborados, com grandes volumes de terraplanagem e maior incidência de
obras de arte especial para a implantação da via permanente, e também há a necessidade
de aquisição de material rodante, locomotivas e vagões, em quantidade necessária para
atendimento da demanda por transporte. Além disso, este modo de transporte não
apresenta grande flexibilidade por operar através de pontos fixos caracterizados por
estações e pátios.
Para se tornar competitivo, o transporte ferroviário é comumente utilizado no transporte
de pessoas e cargas de médias e longas distâncias, com origens e destinos fixos e de
intensa demanda, pois, com essa configuração, o transporte ferroviário apresenta baixo
custo operacional e baixo impacto ambiental, em função da sua maior capacidade de
carga, baixo custo de manutenção e baixo consumo de combustível.
Diante de suas características, pode-se afirmar que o transporte ferroviário é um sistema
de acesso restrito e utilização intensiva. Se por um lado as ferrovias possuem baixa
flexibilidade para deslocamentos, com pontos fixos de carga/descarga e limitação da
extensão da malha férrea, por outro lado sua operação requer intensa movimentação
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para contrapor seu elevado custo de implantação. Para superar este paradoxo, surge a
necessidade de controlar o tráfego nas ferrovias.
A palavra controle é um substantivo utilizado para definir o domínio ou poder de
fiscalizar e administrar determinada coisa. Ter o controle da situação é dominar ou ter o
poder sobre o que está acontecendo. Também pode fazer referência ao domínio, ao
comando e à preponderância, ou à regulação sobre um sistema. Por sua vez, sistema é
um conjunto ordenado de elementos que se encontram interligados e que interagem
entre si. Também se pode mencionar a noção de sistema informático, bastante comum
nas sociedades modernas.
Portanto, para uma ferrovia atingir excelência operacional, traduzida por eficiência
produtiva executada com segurança, deve haver um sistema de controle do tráfego
ferroviário. Este tipo de sistema diz respeito ao conjunto de hardware, software e
suporte humano, incluem computadores bem como os programas necessários para o
processamento de dados e as pessoas responsáveis pela respectiva gestão.
O papel do sistema de controle do tráfego ferroviário é garantir o máximo de trens
percorrendo a mesma estrutura e, ao mesmo tempo, garantir que dois veículos não
cheguem ao mesmo local ao mesmo tempo. A complexidade é majorada devido às duas
principais características de circulação em uma ferrovia, onde o caminho percorrido
pelos veículos é guiado pelos trilhos, necessitando de dispositivos para mudança de
direção, e os veículos necessitam de grandes distâncias de frenagem devido ao baixo
atrito entre rodas e trilhos.
Figura 4: Cruzamento de trens em ferrovias de linha singela
Por se tratar de um sistema com apenas um grau de liberdade, as colisões somente são
evitadas quando os veículos estão em determinado local em diferentes tempos. Devido
às grandes massas e inércias envolvidas, acidentes ferroviários costumam ser
catastróficos e de grandes proporções, causando perda de vidas e ativos, além da queda
no faturamento devido à interrupção do tráfego. Assim, a segurança operacional é a
base de qualquer operação ferroviária.
Para atingir tal objetivo, independentemente do sistema de controle utilizado, alguns
princípios fundamentais devem ser respeitados: todas as seções da via a frente de um
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trem devem estar livres e permanecer livres até a passagem desse trem; todas as partes
móveis da via devem permanecer alinhadas e travadas de acordo com a rota designadas
para um trem até a passagem total desse trem pela parte móvel; as mudanças na
velocidade de um trem devem ser iniciadas a uma distância suficiente para que o mesmo
atinja a velocidade requerida no local desejado.
3. SISTEMAS DE CONTROLE
O intuito do sistema de controle do tráfego ferroviário é evitar qualquer possibilidade de
dois trens estarem no mesmo local ao mesmo tempo, o que somente ocorrerá caso os
veículos obedeçam às licenças e limites de velocidade estabelecidos pela sinalização
ferroviária. Por essa razão básica é que sua criação e a evolução estão intimamente
ligados à necessidade de se aumentar o fluxo e a velocidade dos trens numa mesma
malha ferroviária.
Primeiramente, o controle do tráfego era realizado por meio de comunicação entre duas
estações adjacentes, registrando as partidas e chegadas dos trens nas estações. Trata-se
do conceito de licenciamento, que é uma autorização de movimento por ordem escrita.
Assim, quando uma licença era emitida a um trem, a mesma era informada às estações
seguintes para que os operadores dessas estações não licenciassem trens para o mesmo
trecho.
Em seguida, desenvolveram-se os sinais mecânicos, permitindo ao maquinista
identificar as posições dos aparelhos de mudança de via com base na posição de uma
alavanca ligada à chave, se aberta ou fechada para sua circulação, facilitando sua
decisão para prosseguir ou parar. Assim surgiu o conceito de intertravamento, pois a
alavanca de um sinal mecânico só poderia abrir se a chave próxima a ela também
estivesse na posição aberta, ao mesmo tempo em que a alavanca que controla o sinal em
sentido oposto ficaria fechada.
No mesmo período surgiu o conceito de Seção de Bloqueio. Trata-se de trecho de via
férrea, de limites definidos, cuja utilização para movimento de trens é controlada por
sinais de bloqueio. Uma seção de bloqueio pode ser ocupada por apenas um trem por
vez, portanto seus sinais de bloqueio devem permanecer fechados para qualquer outro
trem que tente o adentrar este trecho.
Figura 5: Representação de seção de bloqueio nas ferrovias
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Com estas tecnologias já era possível controlar o tráfego de trens sem a necessidade de
licenças verbais ou escritas passadas ao maquinista pelo operador de estação. Contudo,
isso não era feito, pois toda a segurança estava nas mãos do homem. Dessa forma, as
licenças ainda eram transmitidas aos maquinistas em todas as estações a fim de se
mitigar possíveis incidentes e acidentes.
Ainda no século XIX, surge o circuito de via, utilizado para a detecção de trens dentro
de uma seção de bloqueio. Seu princípio de funcionamento é a injeção de uma corrente
em uma extremidade da seção de bloqueio para recepção na outra extremidade. A
passagem dos rodeiros dos veículos na seção causa um curto-circuito de forma que a
não chegada de corrente ao receptor indica a ocupação dessa seção de bloqueio.
Figura 6: Esquema de funcionamento de um circuito de via
A presença de energia elétrica na via férrea permitiu substituir os então sinais
mecânicos por luminosos. Os sinais luminosos apresentam como principal vantagem
sua melhor visualização, principalmente à noite. Além disso, podem apresentar
diferentes aspectos de acordo com a cor, combinação de cores ou intermitência. Cada
aspecto indica uma velocidade máxima e um modo de operação até o próximo sinal.
Ao fim da Segunda Guerra Mundial, surgiram os primeiros sistemas de intertravamento
a relés, Estes equipamentos, consorciados à presença de corrente elétrica nos circuitos
de via, permitiram a automação dos sinais luminosos, pois, com a presença de veículos
em um dado circuito de via, a corrente elétrica é interrompida e o relé é desarmado,
alterando o sinal de permissão para proibição de circulação. Seu funcionamento é
baseado no conceito de falha segura, ou “fail safe”, pois na hipótese de qualquer
eventualidade o sinal sempre tomará a posição mais segura, ou seja, a de proibição de
circulação.
Com o passar dos anos, muitos outros dispositivos para o auxilio do controle do tráfego
ferroviário foram criados. A essência do funcionamento é ligada ao princípio da
detecção, ou seja, fornecer informação da posição de objetos e veículos na ferrovia.
Essas informações são utilizadas, principalmente, para questões de segurança e
prevenção de acidentes por licenciamento. A presença ou não de um veículo em um
determinado ponto da ferrovia é essencial para dar suporte a decisões de controle de
tráfego, ou mesmo para que outros dispositivos e equipamentos sejam acionados
automaticamente.
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Todos os dispositivos apresentados até este ponto são responsáveis pelo processamento
seguro das informações adquiridas diretamente pelos elementos da via, por essa razão
são chamados de sistemas de via. Seu funcionamento pleno e eficaz é complementado
pela presença dos sistemas de bordo, que também são conhecidos por sistemas
embarcados já que englobam os equipamentos que se encontram a bordo dos veículos
ferroviários.
Figura 7: Sistemas de controle do tráfego ferroviário (de via e de bordo)
Os sistemas de bordo não se limitam apenas a mostrar o aspecto do sinal à frente de
maneira contínua ao maquinista, mas também à supervisão e monitoramento das
licenças e velocidades dos trens de acordo com a tecnologia implantada. Numa escala
evolutiva destas tecnologias existe, primeiramente, o “automatic train protection”
(ATP), sistema que observa a separação dos trens, monitorando a licença do veículo e,
caso ocorra quebra desta licença, o sistema atua diretamente nos freios parando o
veículo. Já o “automatic train control” (ATC) adiciona ao sistema o conceito de
controle da velocidade, pois monitora constantemente a velocidade do veículo em
circulação, supervisionando continuamente sua frenagem face a um sinal vermelho a
frente, ou alguma restrição de velocidade do trecho. Por fim, tem-se o “automatic train
operation” (ATO), sistema onde o monitoramento da velocidade também permite o
controle da aceleração do veículo, podendo ser representado pelo conceito de piloto
automático.
Os sistemas mencionados, tanto de via como de bordo, implementam funções de
segurança, sendo projetados em atendimento ao princípios de falha segura, ou “fail
safe”, ou seja, estabelece que na presença de falhas previsíveis, de hardware ou
softwares, o sistema deve ser conduzido para um estado de segurança intrínseco. No
caso dos subsistemas de bordos significa parada dos trens, e nos subsistemas de via o
bloqueio para os trechos de seus domínios. Em outras palavras, os trens devem ser
parados com alto grau de confiabilidade e segurança e nenhuma permissão de circulação
de trens deve ser emitida por um intertravamento no seu trecho de domínio.
Com a integração dos sistemas de via e dos sistemas de bordo em uma ferrovia, emerge
o conceito de sistema de controle do tráfego ferroviário, que, com finalidade gerencial,
objetiva a manipulação do tráfego e emissão de licenças para os trens, permitindo
aumento significativo da velocidade e da densidade de tráfego na malha, obedecendo
rígidos requisitos de segurança. O Controle de Tráfego Centralizado (CTC), também
chamado de Centro de Controle Operacional (CCO), se tornou o modelo mais difundido
de sistema de controle do tráfego ferroviário.
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As principais funções de um Centro de Controle Operacional são: comandos de rotas;
comando de AMVs e sinais; representação das vias e estados de seus componentes;
indicação de restrições na via; rastreamento dos trens por prefixo; programação
operacional por gráfico horário de trens (GHT); despacho automático pela programação
do gráfico horário de trens; previsão de chegada ao destino; registro de eventos; e
estatísticas operacionais.
Figura 8: Centro de Controle Operacional
O sistema de controle do tráfego ferroviário pode ainda contar com a tecnologia
“automatic train supervision” (ATS). Trata-se de um sistema de bordo com a finalidade
de regular a operação ferroviária. Sua atuação pode variar desde um sistema simples de
identificação da localização do trem ao longo da ferrovia, para um sistema inteligente
que ajusta automaticamente a performance da operação ferroviária, permitindo ao
controlador no CCO o comando automatizado de rotas, com acionamento de AMVs e
sinais em modo automático, percepção de desvios na programação operacional original
do gráfico horário de trens com correções automáticas, em tempo real. Ou seja, o ATS
não é um sistema vital do ponto de vista da segurança, entretanto, tem o potencial de
monitorar a performance do serviço e assim maximizar sua capacidade. No entanto, as
estratégias para corrigir irregularidades ou deficiências no trânsito ferroviário são
limitados a menos que haja integração do ATS com o ATO e os todos os sistemas de
via, caso contrário este sistema apenas permitirá que os controladores observem os
problemas, permanecendo incapazes de resolve-los.
4. ESTUDO DE CASO
Dar sequência com um estudo de caso - fazer levantamento especifico de uma ou várias
ferrovias com dados estatísticos de aumento da produtividade e/ou queda de acidentes
após a introdução ou modernização de seus sistemas de controle do tráfego ferroviário.
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