Avaliação de desempenho operacional de terminais portuários de

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO OPERACIONAL DE TERMINAIS
PORTUÁRIOS DE CARGA UNITIZADA: UMA APLICAÇÃO DAS REDES DE
PETRI COLORIDAS
BRUNO DE ATHAYDE PRATA
ORIENTADOR: Prof. Dr. João Bosco Furtado Arruda
CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Giovanni Cordeiro Barroso
FORTALEZA - CE
JANEIRO / 2006
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES
BRUNO DE ATHAYDE PRATA
Monografia apresentada à disciplina
Projeto de Graduação da Coordenação
do Curso de Engenharia Civil da
Universidade Federal do Ceará como
requisito parcial para obtenção do grau
de Engenheiro Civil.
FORTALEZA - CE
JANEIRO / 2006
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO OPERACIONAL DE TERMINAIS
PORTUÁRIOS DE CARGA UNITIZADA: UMA APLICAÇÃO DAS REDES DE
PETRI COLORIDAS
Bruno de Athayde Prata
MONOGRAFIA SUMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DO
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
CIVIL.
Aprovada por:
________________________________________
Prof. João Bosco Furtado Arruda, PhD.
________________________________________
Prof. Giovanni Cordeiro Barroso, Pós - D. Sc.
________________________________________
Profa. Suelly Helena de Araújo Barroso, D. Eng.
FORTALEZA, CE - BRASIL
JANEIRO / 2006
i
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Universidade Federal do Ceará, instituição que possibilitou minha
formação como engenheiro e que, acima de tudo, me ensinou a enxergar um pouco mais
a realidade. Sinto-me realizado por ter tido a oportunidade de estudar na Universidade
supracitada e sempre levarei um pouco dela comigo pelo resto de minha vida.
Agradeço a todos os servidores da UFC que nas coordenações, nos
departamentos, nos laboratórios, nas pró-reitorias, nas bibliotecas, nos consultórios e
nos restaurantes universitários, deram fundamental suporte às minhas atividades
estudantis. Sem o apoio destas pessoas, minha vida acadêmica teria sido completamente
inviável.
Agradeço ao Núcleo de Pesquisa em Logística, Transporte e Desenvolvimento
pelo acolhimento que me propiciou ingresso tão profundo nos ramos da Engenharia de
Transportes, Pesquisa Operacional e Logística.
Agradeço ao professor João Bosco Furtado Arruda por todos os ensinamentos
concedidos e, sobretudo, pela visão humanista e sistêmica que ele sempre me passou
nos momentos de orientação e nas horas de aula. Grande parte do que sei hoje, e do que
estou continuamente aprendendo, se deve ao aprendizado concedido pelo professor
Bosco, pessoa de minha mais intensa admiração, gratidão e estima. Sou grato ao
professor Bosco também pela concessão do microcomputador e do espaço físico que
possibilitaram a elaboração deste trabalho.
Agradeço ao professor Giovanni Cordeiro Barroso pela consideração, pelo
respeito, pela valiosa amizade e pela vasta gama de lições que com ele aprendi. Sua
simplicidade e sua competência foram, e continuam a ser, inestimáveis modelos para
minha formação como indivíduo. Agradeço também ao professor Giovanni pelo apoio,
em termos de software, de hardware e de acervo bibliográfico, que viabilizaram o pleno
desenvolvimento desta monografia.
ii
Agradeço ao professor Ernesto Ferreira Nobre Júnior, pessoa que, ao longo da
minha carreira acadêmica, mais confiou em meu potencial e mais me estimulou a
prosseguir com seu entusiasmo. Seu otimismo, sua atenção e sua amizade foram
ingredientes imprescindíveis para minha formação técnica e acadêmica, portanto sintome orgulhoso de ter compartilhado de sua companhia. O aprendizado propiciado por ele
nas diversas disciplinas ministradas, assim como nos momentos de orientação,
consolidou minha formação como engenheiro de maneira singular.
Agradeço ao professor Mário Ângelo pela atenção, pela imensa consideração
que ele sempre teve para com a minha pessoa, pelo grande aprendizado que ele me
propiciou nas disciplinas de Engenharia de Tráfego e de Transporte Urbano e,
sobretudo, pela sua amizade.
Agradeço ao professor Macário pelas inesquecíveis e, sobretudo, espetaculares
aulas de Teoria das Estruturas e de Otimização, bem como pela consideração e pela
amizade. O Professor Macário é um exemplo de docente e me orgulho de ter sido seu
aluno.
Agradeço ao professor Felipe Loureiro, pessoa pela qual nutro grande admiração
e estima, primeiramente por ter proferido uma palestra no início de meu curso que me
cativou a me especializar na área de Engenharia de Transportes e, principalmente, pela
atenção, pela consideração e pelos fundamentais ensinamentos que ele me transmitiu na
fabulosa disciplina de Planejamento dos Transportes.
Agradeço à professora Suelly Barroso pela proeminente contribuição
metodológica na concepção deste trabalho, pelos inúmeros conhecimentos concedidos
em sala de aula e pela grande consideração que ela sempre teve para com a minha
pessoa.
Agradeço aos professores Ciro, Walmick e Mateus pelas formidáveis e
memoráveis aulas de Cálculo, Física e Cálculo Numérico, pois estas aulas consolidaram
de maneira singular o embasamento de minha formação como engenheiro.
iii
Agradeço
a
Fábio
Abreu
e
a
Márcio
Carvalho,
engenheiros
da
CEARÁPORTOS, pelo auxílio estratégico na coleta de dados no terminal portuário do
Pecém. Sou muito grato aos amigos Diego e Nauri pelo fundamental apoio na coleta de
dados. Ao meu grande amigo Ciro, pelo apoio inestimável logístico, um agradecimento
especial.
Agradeço aos colegas de NUPELTD Expedito, Venescau, Carlos André, Emílio,
Inês, Eduardo Praça, Moésio, Alysson, Filipe, Thaís, Diego e Nauri pelo aprendizado e,
principalmente, pelo convívio.
Agradeço a todos os colegas de faculdade, especialmente aos meus grandes
amigos (em ordem alfabética): Alexandre, Carlildson, Carlos Eduardo, Ciro,
Crislayberg, David Hermann, Ednardo, Eloneide, Érico George, Gildemir, Héber, João
César, Leonardo, Lindemberg, Luiz Alberto, Magno, Osvaldo, Paulo Igor e Teresa pelo
convívio que tornou os cinco anos de graduação memoráveis.
Agradeço e homenageio o amigo de faculdade Eglacízio que, subitamente, nos
deixou.
Agradeço aos meus grandes amigos Caio e Regis pelo apoio, pelo aprendizado e,
principalmente, pela estima.
Agradeço ao meu tio Archimedes Fortes Avelino pelo inestimável apoio, pelos
conselhos e pelos inúmeros conhecimentos de matemática, física e engenharia
concedidos nestes últimos cinco anos.
Agradeço aos meus pais Benedito José Nogueira Prata e Helena Badaró de
Athayde Prata por moldarem o meu caráter de maneira singular e por me apoiarem com
tamanho afinco ao longo dos meus anos de vida.
Agradeço a Nadja Paulino Pessoa, por tudo.
iv
“A mais bela de todas as coisas é
quando
os
fracos
e
desencorajados
levantam suas cabeças e deixam de crer na
força de seus opressores”.
Brecht
v
SUMÁRIO
Lista de Figuras
viii
Lista de Tabelas
ix
Lista de Nomenclaturas e Abreviações
x
Resumo
xi
Abstract
xii
1. INTRODUÇÃO
1
1.1 Considerações iniciais
1
1.2 Justificativa do tema abordado
1
1.3 Definição do problema
2
1.4 Objetivos
2
1.4.1 Objetivo geral
2
1.4.2 Objetivos específicos
3
1.5 Metodologia
3
1.6 Estrutura do trabalho
5
2. TERMINAIS PORTUÁRIOS DE CARGAS UNITIZADAS
2.1 Introdução
6
7
2.1.1 Definição de um porto
7
2.1.2 Histórico e evolução do conceito de porto
8
2.1.2.1 Portos de 1ª. geração
9
2.1.2.2 Portos de 2ª. geração
9
2.1.2.3 Portos de 3ª. geração
10
2.1.2.4 Portos de 4ª. geração
10
2.2.Portos voltados para o desenvolvimento
10
2.2.1 As dimensões em um porto enquanto equipamento-suporte do
desenvolvimento econômico-regional
10
2.2.2 Como (re) definir o papel de um porto no mundo hodierno
globalizado
12
2.3.Aspectos relacionados às cargas
14
2.3.1 Características da carga
14
2.3.1.1 Tipo da carga
15
2.3.1.2 Natureza da carga
15
vi
2.3.2 Embalagem e marcação
17
2.3.3 Unitização
18
2.3.3.1 Pallets
18
2.3.3.2 Contêineres
19
2.3.3.3 Outros tipos de unitização
21
2.4.A operação de terminais portuários de cargas unitizadas
21
2.4.1 Lógica da operação
21
2.4.2 Equipamentos
22
2.4.3 Multimodalidade e intermodalidade
24
2.4.4 Mão-de-obra portuária
25
2.5.A avaliação de desempenho de terminais portuários de cargas unitizadas
26
2.5.1 Indicadores de desempenho operacional
26
2.5.2 Modelagem matemática e desempenho operacional
29
3. REDES DE PETRI COLORIDAS
3.1 Conceitos básicos
31
32
3.1.1 Sistemas a eventos discretos
32
3.1.2 Apresentação das redes de Petri
34
3.1.3 Redes de Petri com restrições de tempo
37
3.2 Apresentação informal às redes de Petri coloridas
38
3.3 Apresentação formal às redes de Petri coloridas
46
3.4 Multi-conjuntos
47
4. MODELO DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO OPERACIONAL DE
TERMINAIS PORTUÁRIOS DE CARGA UNITIZADA
48
4.1 Concepção do modelo
49
4.2 Descrição do Terminal Portuário do Pecém
49
4.2.1 Considerações gerais
49
4.2.2 Descrição da infra-estrutura
50
4.2.3 Descrição dos equipamentos
53
4.2.4 Lógica operacional
54
4.2.5 Descrição da operação
55
4.3 Sistema modelado
57
4.4 Validação do modelo
60
4.4.1 Discussão conceitual
60
vii
4.4.2 Avaliação do modelo
63
4.4.3 Análise das propriedades comportamentais da rede
64
4.5 Simulação de cenários, análise e discussão dos resultados obtidos
5. CONCLUSÕES
65
68
5.1 Introdução
68
5.2 Relevância, originalidade e resultados do modelo
68
5.2.1 Importância do modelo desenvolvido
68
5.2.2 Originalidade da modelagem apresentada
69
5.2.3 Resultados obtidos pelo modelo
69
5.3 Limitações do modelo proposto
70
5.4 Proposições para estudos futuros
71
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
73
Anexos
ANEXO I – CÓDIGO FONTE DO MODELO DESENVOLVIDO
78
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1
Dimensões envolvidas com um porto voltado para o desenvolvimento
sócioeconômico
11
Figura 2.2
Ilustração de tipos de pallets
18
Figura 2.3
Estrutura operacional de um típico terminal de contêineres
22
Figura 2.4
Portêiner em operação
23
Figura 2.5
Trator de terminal (TT)
23
Figura 2.6
Empilhadeira içando contêiner vazio
24
Figura 3.1
Exemplo do disparo de uma transição
35
Figura 3.2
RdP descrevendo a alocação de recursos do sistema (marcação inicial M0)
40
Figura 3.3
RPC descrevendo a alocação de recursos do sistema (marcação inicial M0)
42
Figura 3.4
Visão esquemática do jantar dos filósofos
44
Figura 3.5
Modelo, do jantar dos filósofos, baseado em redes de Petri ordinárias
45
Figura 3.6
Modelo, do jantar dos filósofos, baseado em redes de Petri coloridas
45
Figura 4.1
Operação de contêineres do Terminal Portuário do Pecém modelada por uma
Figura 4.2
rede de Petri colorida
57
Relação utilidade versus validade de um modelo
63
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1
Classificação dos portos em gerações
Tabela 2.2
Dimensões de alguns tipos de contêineres
19
Tabela 2.3
Tipos de contêineres e descrições
20
Tabela 3.1
Analogia entre redes de Petri e linguagens de programação
42
Tabela 4.1
Ponte de acesso aos píeres
51
Tabela 4.2
Píer de produtos siderúrgicos e carga geral
51
Tabela 4.3
Píer 2 – píer de granéis líquidos e gases liquefeitos
52
Tabela 4.4
Píer dos rebocadores
52
Tabela 4.5
Equipamentos utilizados no Terminal Portuário do Pecém
53
Tabela 4.6
Legenda dos lugares da rede apresentada na Figura 4.1
58
Tabela 4.7
Legenda das transições da rede apresentada na Figura 4.1
58
Tabela 4.8
Descrição das cores da rede apresentada na Figura 4.1
59
Tabela 4.9
Descrição das variáveis da rede apresentada na Figura 4.1
59
Tabela 4.10
Taxas de utilização dos equipamentos empregados no cenário 1
66
Tabela 4.11
Análise de sensibilidade da variável quantidade de caminhões no desempenho
do sistema
8
67
x
LISTA DE NOMENCLATURAS E ABREVIAÇÕES
ANTAQ
Agência Nacional de Transportes Aquaviários
CEARÁPORTOS
Companhia de Integração Portuária do Ceará
CPNTools
Editor de redes de Petri coloridas, de domínio público,
desenvolvido e distribuído pela Universidade de Aarhus
(Dinamarca).
FCL
Full container load
FEU
Forty Feet Equivalent Unit
FLO/FLO
Float-on/Float-off
LCL
Less than container load
LO/LO
Lift-on/Lift-off
RA/RA
Rail-on/Rail-off
RA/RO
Rail-Road
RdP
Redes de Petri
RO/RO
Roll-on/Roll-off
RPAN
Redes de Petri de Alto Nível
RPC
Redes de Petri Coloridas
RPT
Redes de Petri Temporais
SED
Sistemas a Eventos Discretos
TEU
Twenty Feet Equivalent Unit
UNCTAD
United Nations Conference on Trade and Development
xi
Resumo da monografia submetida ao Curso de Engenharia Civil/UFC como parte dos
requisitos para obtenção do título de Engenheiro Civil.
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO OPERACIONAL DE TERMINAIS
PORTUÁRIOS DE CARGA UNITIZADA: UMA APLICAÇÃO DAS REDES DE
PETRI COLORIDAS
Bruno de Athayde Prata
Janeiro / 2006
Orientador: Prof. João Bosco Furtado Arruda, Ph.D.
Co-Orientador: Prof. Giovanni Cordeiro Barroso, Pós – D.Sc.
O presente trabalho decorre de uma pesquisa que buscou a proposição de um
modelo matemático de avaliação de desempenho operacional de terminais portuários de
carga unitizada, vistos como Sistemas a Eventos Discretos. Sendo assim, o objetivo
deste trabalho foi elaborar um modelo de avaliação de desempenho operacional em
terminais portuários, baseado nas redes de Petri coloridas, tendo como principal variável
de decisão o tempo total de deslocamento das cargas unitizadas em um porto e suas
implicações no tamanho da frota dos equipamentos de transporte utilizados. Este
modelo foi aplicado ao caso do Terminal Portuário do Pecém, Ceará. Realizaram-se
levantamentos de campo com o intuito de caracterizar a lógica operacional do Porto do
Pécem, assim como coletar informações inerentes aos tempos operacionais dos
equipamentos do terminal em questão. Utilizou-se o programa CPNtools, editor e
simulador de redes de Petri coloridas, para implementação, simulação e análise do
modelo proposto. As análises realizadas permitiram observar que o modelo assemelhase à realidade modelada, sendo requeridos alguns aperfeiçoamentos para sua melhor
representação. As simulações realizadas permitiram avaliar que o terminal supracitado
está operando de forma ineficiente, no que tange à frota de caminhões alocada para a
movimentação de contêineres. Como conclusões, pode-se destacar que as redes de Petri
coloridas são uma técnica de grande valia para modelagem, simulação e análise de
terminais de carga.
Palavras chaves: Logística portuária, redes de Petri coloridas, Avaliação de desempenho
portuário.
xii
Abstract monograph submitted to Civil Engineering Course as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Civil Engineer.
ASSESSING PERFORMANCE OF CONTAINER TERMINALS: A COLORED
PETRI NETS APPROACH
Bruno de Athayde Prata
2006 / January
Advisor: Prof. João Bosco Furtado Arruda, Ph.D.
Co- Advisor: Prof. Giovanni Cordeiro Barroso, Pós – D.Sc.
This work is a result of an under-graduate research with the aim to propose a
mathematical model to assess performance of container terminals, based on Discrete
Events Theory. The objective of this work was create a model, using colored Petri nets,
where the principal decision variable was the goods transit time in the port and the
implications of that variable in the fleet size of transportation equipments. This model
was applied to the case of the Port of Pecém. In the accomplished surveys, the logic of
the system operations was described and data were gathered about the transport
operational times in the terminal. Software CPNtools, editor and simulator of colored
Petri nets, was used for the implementation, simulation and analysis of the proposed
model. The analysis made possible to observe that the model works, in an acceptable
way, as a reflection of the reality modeled but also that it requires some adjustments for
a real-world best representation. Simulations were made to evaluate the operational
efficiency of the studied port. As conclusions, one can observe that the colored Petri
nets are a feasible and useful technique for the modeling, simulation and analysis of port
terminals, mainly those specialized in container operations.
Key words: Port logistics, colored Petri nets, Port evaluation techniques.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A princípio, pode-se imaginar que estudar a operação de um porto é uma
atividade com foco pontual; no entanto, tal análise é muito mais abrangente do que
inicialmente se imagina. Um porto que opera de forma eficiente e eficaz pode induzir o
desenvolvimento na região onde está inserido, captando novos clientes e mantendo os já
existentes, de modo a facilitar o escoamento da produção local.
Segundo Souza (2002), os portos são elementos de entrada e saída de quase todo
o comércio exterior, sendo considerados elos logísticos estratégicos para integração de
uma nação à economia globalizada. A competitividade da economia depende, em
grande medida, da eficiência e do baixo custo das atividades portuárias.
O atraso na modernização do sistema portuário, portanto, compromete todo o
esforço do país para melhorar a competitividade dos seus produtos e equilibrar a
balança comercial. Logo, para atingir altos níveis de eficiência operacional, um
planejamento rígido das atividades logísticas deve ser realizado nos terminais portuários
de modo a reduzir ao máximo os custos logísticos e os tempos de permanência das
embarcações.
De acordo com Santos e Martins (1998) apud Souza (2002), em uma pesquisa
realizada pela Confederação Nacional dos Transportes, constatou-se que o Brasil perde
cerca de US$ 5 bilhões anuais considerando-se todas as ineficiências de seus portos.
Deste modo, a avaliação de desempenho mostra-se fundamental para a caracterização de
um terminal portuário, bem como para o diagnóstico de possíveis problemas
encontrados na sua operação.
1.2 JUSTIFICATIVA DO TEMA ABORDADO
O desempenho de um sistema logístico impacta significativamente os custos
logísticos associados a um produto ou serviço, refletindo o nível de serviço ofertado ao
2
cliente. Conforme Ballou (2001), um sistema logístico eficiente permite a uma região
geográfica explorar suas vantagens competitivas pelo direcionamento de seus esforços
produtivos àqueles produtos com ela mais compatíveis, implicando na maior exportação
desses produtos para outras regiões.
O atraso na modernização do sistema portuário, portanto, compromete todo o
esforço do país para melhorar a competitividade dos seus produtos e equilibrar a
balança comercial. Logo, para atingir altos níveis de eficiência operacional, um
planejamento rígido das atividades logísticas deve ser realizado nos terminais portuários
de modo a reduzir ao máximo os custos logísticos e os tempos de permanência das
embarcações.
O porto do Pecém é um equipamento logístico de importância estratégica para o
Estado do Ceará, pois ele se constitui como uma das principais portas de escoamento,
para o mercado externo, dos produtos locais, dentre os quais podem ser destacados os
produtos agrícolas (ARRUDA e BASTOS, 2001a).
Os portos brasileiros, em contraste com o que ocorre com os portos das nações
desenvolvidas, ainda não se capacitaram para atingir elevados níveis de eficiência
logística. Deste modo, tornam-se necessários os esforços que contribuam para a
maximização da eficiência operacional dos terminais portuários do Brasil.
1.3 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Dentro de tal conjuntura, temos o seguinte problema de pesquisa: como avaliar o
desempenho operacional de um terminal portuário de cargas unitizadas, tendo em vista
a quantidade de contêineres a ser movimentada e os equipamentos empregados no
terminal, de modo a obter-se uma maior compreensão do sistema avaliado?
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo geral
Elaborar um modelo de avaliação de desempenho operacional em pátios
portuários, baseado nas redes de Petri coloridas, tendo como principal variável de
decisão o tempo total de deslocamento das cargas unitizadas em um porto e suas
3
implicações no tamanho da frota dos equipamentos de transporte utilizados. Este
modelo será aplicado ao caso do Terminal Portuário do Pecém, Ceará.
1.4.2 Objetivos específicos
Como objetivos específicos do presente trabalho, podem ser ressaltados:
i) Determinar a lógica da operação de cargas unitizadas no Terminal Portuário do
Pecém, permitindo a avaliação de desempenho operacional do sistema com base no
estado da arte tanto dos instrumentos de aferição daquele desempenho como da
utilização das redes Petri coloridas;
ii) Simular a aplicação do modelo de movimentação de contêineres, no âmbito do
Terminal Portuário do Pecém;
iii) Analisar as propriedades estruturais do modelo desenvolvido, permitindo uma maior
compreensão da realidade modelada;
iv) Mensurar, em termos da redução do tempo de ciclo, os benefícios resultantes da
aplicação do modelo em vários cenários de simulação, comparativamente à infraestrutura operacional atualmente vigente no Terminal Portuário do Pecém;
v) Determinar as taxas de ocupação dos equipamentos empregados nos cenários
operacionais.
1.5 METODOLOGIA
A metodologia foi composta de seis etapas, apresentadas a seguir.
(i) Revisão bibliográfica
A revisão de literatura da presente pesquisa consistiu no levantamento de obras
que abordassem as redes de Petri e suas aplicações, traçando paralelos entre estas e o
problema da operação de terminais portuários de cargas unitizadas. Também foi
levantado o estado da arte sobre o planejamento e a operação de portos.
(ii) Caracterização do sistema a modelar
Foi levantada, junto à Autoridade Portuária CEARÁPORTOS, a lógica de
operação do Terminal Portuário do Pecém, assim como as características operacionais
4
dos equipamentos empregados na movimentação de cargas unitizadas e dados acerca de
situações reais de embarque e desembarque de mercadorias.
(iii)Concepção do modelo
Foram estabelecidos os eventos mais significativos a serem modelados no
sistema de movimentação de cargas unitizadas do Terminal Portuário do Pecém, assim
como a suas relações de causa e efeito.
(iv) Aplicação e análise do modelo
A aplicação e a análise do modelo idealizado consistiram nas seguintes
atividades:
a) Implementação computacional do modelo;
b) Análise das propriedades do modelo;
c) Simulação de cenários operacionais;
d) Validação e calibração do modelo;
e) Apresentação e discussão dos resultados.
O modelo foi implementado no software CPNTools, editor de redes de Petri
coloridas, de domínio público, desenvolvido e distribuído pela Universidade de Aarhus
(Dinamarca). Após a fase de implementação, foram analisadas as propriedades do
modelo. Foram simulados diversos cenários operacionais visando a avaliação de
desempenho do Terminal Portuário do Pecém. A análise do modelo e a simulação de
cenários permitiram a validação e a calibração do modelo proposto. Por fim, foram
apresentados e discutidos os resultados obtidos.
(v) Elaboração de Relatório
Esta etapa da metodologia consistiu na redação da monografia propriamente
dita. A fase de elaboração escrita foi realizada ao longo de todo trabalho,
concomitantemente às demais atividades propostas.
5
(vi) Defesa do trabalho
Por fim, a monografia foi apresentada, sendo avaliada por uma banca
examinadora.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
A monografia é composta por cinco capítulos, descritos a seguir. O primeiro
capítulo constitui a introdução do trabalho. O segundo capítulo descreve o estado da arte
sobre terminais portuários de cargas unitizadas, com foco na avaliação de desempenho
operacional. No terceiro capítulo, são apresentadas as redes de Petri coloridas. O quarto
capítulo apresenta o modelo de avaliação de desempenho operacional de terminais
portuários de carga unitizada baseado em redes de Petri coloridas, assim como delineia
e discute os resultados obtidos na análise do modelo e na simulação de cenários. Por
fim, no quinto capítulo, são apresentadas as principais conclusões acerca do trabalho,
bem como sugestões e recomendações para estudos futuros.
6
CAPÍTULO 2
TERMINAIS PORTUÁRIOS DE CARGAS UNITIZADAS
Até as últimas décadas do século XX, os portos eram vistos como meros
terminais de carga que interligavam dois ou mais modais de transporte. Contudo, dado o
processo de globalização da atividade econômica, ocorrido a partir dos anos 80, os
portos deixaram de ser vistos como simples instrumentos de transbordo e passaram a ser
tratados como elementos estratégicos para a participação de países no mercado
internacional. A excelência da operação portuária tornou-se imprescindível para o êxito
das cadeias produtivas, contribuindo, ainda mais, para o desenvolvimento sócioeconômico regional.
No estágio atual da economia globalizada, os países, tanto desenvolvidos quanto
aqueles ainda em estágio de desenvolvimento, necessitam planejar o escoamento de
importação/exportação de produtos agrícolas e industrializados de modo a obter uma
balança comercial favorável. Dentro de tal conjuntura, os portos exercem papel
fundamental na economia de uma nação, sendo um dos principais canais de acesso de
uma região aos mercados nacionais e internacionais.
Este capítulo apresenta o estado da arte acerca de terminais portuários,
restringindo a análise à movimentação de cargas unitizadas e enfatizando questões
inerentes ao planejamento e à operação de tais facilidades. A estrutura do capítulo será
dividida em cinco seções, explicitadas a seguir.
Na primeira seção é feita uma sucinta introdução ao tema abordado, sintetizando
a evolução do conceito de porto. Na segunda seção, evidencia-se a importância dos
terminais portuários no contexto econômico regional. A terceira seção apresenta as
características de cargas movimentadas por portos e as formas de unitização correntes.
Na quarta seção são discutidos os aspectos inerentes à operação do sistema portuário.
Por fim, na quinta seção, aborda-se a avaliação de desempenho de terminais portuários.
7
2.1
2.1.1
INTRODUÇÃO
Definição de um porto
Um sistema de transportes é composto pelos indivíduos e bens transportados,
pelos veículos que proporcionam estes deslocamentos e pelas redes onde ocorrem os
fluxos de transporte. As redes onde ocorrem os fluxos de transportes são conjuntos de
trechos interligados por nós.
Os trechos de uma rede são as vias que propiciam o deslocamento de qualquer
que seja o modo, ou seja, rodovias, dutovias, ferrovias, hidrovias, aerovias, dentre
outras. Por nó, entende-se o encontro de duas ou mais vias em uma rede de transportes;
os nós são compreendidos, basicamente, por interseções de vias e terminais de um ou
mais modais de transporte.
Os portos são terminais onde se encontram diversos segmentos de uma
complexa rede de transportes. Na sua concepção mais simples, um porto é um nó
compreendido pela interseção de hidrovias, rodovias, ferrovias, aerovias e dutovias que
recebe tanto cargas quanto indivíduos. No entanto, neste texto, aborda-se apenas o
transporte de cargas.
A concepção, a construção e a operação de um porto podem implicar em um
elevado custo de oportunidade para qualquer município, estado ou nação, se tais etapas
não forem tecnicamente otimizadas. Por ser um investimento de grande porte e incluir a
participação e interação de diversos modais de transporte, um terminal portuário deve
movimentar uma grande quantidade de cargas para ter viabilidade financeira e
econômica. Como conseqüência disto, um porto deve ser um terminal multimodal e
intermodal.
Um porto normalmente é um elemento de conexão entre o modal hidroviário
com os demais modais. A existência do modal aeroviário na retroárea imediata de um
porto é menos freqüente, mas há uma tendência atual de se construirem aeroportos
especializados em cargas nas retroáreas portuárias, quando as restrições ambientais ou
de outra natureza são removíveis. A interação física entre os modos hidroviário e
dutoviário já é tão evidenciada quanto a interação entre o modal hidroviário e os modos
8
rodoviário e ferroviário. Neste trabalho, o conceito de intermodalidade em portos
enfatizará os modais hidroviário, ferroviário e rodoviário.
2.1.2
Histórico e evolução do conceito de porto
No início da década de 90, o UNCTAD (United Nations Conference on Trade
and Development) agrupou os portos de acordo com sua estratégia de desenvolvimento,
sua política comercial e sua organização gerencial e espacial, sendo então definidas três
gerações de portos.
Durante os anos seguintes, notou-se uma nova tendência na organização dos
grandes portos de todo o mundo e constatou-se o surgimento de uma nova geração de
portos, conhecida como portos de 4a. geração. Na Tabela 2.1 é apresentada uma
definição geral de cada geração de terminais portuários, assim como algumas das suas
características.
Geração
Tabela 2.1: Classificação dos portos em gerações
Definição geral e algumas características
Interface entre dois modos de transporte
- Não existe desenvolvimento estratégico específico
- Atividades tradicionais de manuseio e armazenagem não-organizadas
- Atividades localizadas nas docas
1a.
- Justaposição das transações dos portos
- Supremacia do suprimento
- Pouca atenção dada às necessidades dos usuários
Centro de transporte, atividades industriais e comércio
- Surgimento e expansão do desenvolvimento estratégico
- Atividades de transformação (indústrias pesadas), serviços de navios
a
2.
- Ampliação da zona portuária
- Início de uma comunidade portuária
- Relacionamento ocasional entre o porto e sua cidade adjacente
Centro de transporte integrado com plataforma logística para o comércio internacional
- Desenvolvimento estratégico orientado ao mercado
- Distribuição de mercadorias, atividades logísticas, centro de distribuição
3a.
- Sistema de Informação (EDI) utilizado pelo porto
- Racionalização do espaço do porto
- Comunidade portuária unificada e ativa, coordenação das atividades
- Forte relacionamento entre porto e cidade
Portos em rede
- Estratégia para tornar-se um membro da rede mundial, diversificação das atividades
- Parceria com operadores na organização dos serviços logísticos
- Uso das redes EDI integradas entre os portos
4a.
- Participação em pesquisa de locais para portos visando possível desenvolvimento e
integração
- Cooperação entre as comunidades portuárias
Fonte: ISEMAR (1997).
9
2.1.2.1
Portos de 1a geração
Os portos de 1a geração são caracterizados, principalmente, pela sua função de
mera interface entre o modal hidroviário e os modais terrestres. Nesta geração de
terminais portuários, as operações eram focadas nas docas, realizadas de forma, muitas
vezes, desprovida de qualquer planejamento, efetuada por mão-de-obra bruta.
Os portos eram usualmente localizados dentro das grandes urbes, demonstrando
total falta de planejamento estratégico por parte da gestão portuária. O crescimento
urbano em torno da área portuária foi desenfreado e, muitas vezes, evidenciava-se a
deterioração da atividade residencial nessas regiões.
Dada suas desorganizações espacial e operacional, as autoridades gestoras dos
portos de 1a geração pouco se importavam com a satisfação dos clientes, esperando que
estes se adequassem às características do terminal. A carga predominante era a carga
geral, evidenciando-se a supremacia do suprimento.
2.1.2.2
Portos de 2a geração
A partir de 1945, diversas tendências importantes puderam ser discernidas no
que tange à movimentação de carga nos portos mundiais. Conforme Oram e Backer
(1971), a primeira e mais importante tendência pós-guerra foi a introdução de
equipamentos mecânicos na movimentação de cargas.
Este pode ser considerado o marco da 2a geração de portos: os navios não podem
esperar, a movimentação de mercadorias deve ser a mais rápida possível. A
mecanização foi imprescindível para aumentar a produtividade dos serviços portuários
e, conseqüentemente, satisfazer à necessidade de redução de custos.
A área do porto se expande e estes passam a se localizar mais afastados das
atividades urbanas, fato que enfraqueceu o relacionamento dos portos com as cidades.
No entanto, os portos de 2a geração se destacaram por fomentar o surgimento de
atividades do setor industrial e de serviços atreladas ao espaço portuário, evidenciando o
desenvolvimento estratégico da gestão dos portos.
10
2.1.2.3
Portos de 3a geração
A principal característica dos terminais portuários de 3a geração é que estes
deixam de ser encarados simplesmente como elementos de uma rede de transportes e
passam a ser vistos como locais de excelência logística, consolidando-se como
elementos de suma importância para a gestão da cadeia de suprimentos.
O porto passa a ter uma visão orientada para o mercado, onde abordagens
mercadológicas e de comércio exterior caracterizam o porto como um produto que deve
estar apto a gerar benefícios para os seus clientes atuais e potenciais.
As atividades portuárias passam a ser cada vez mais racionalizadas: os
equipamentos tornam-se gradativamente mais eficientes, o leiaute passa a ser
continuamente planejado e a gestão portuária evidencia-se como mais incisiva e
permanente. Os portos de 3a geração são monitorados e controlados por robustos
sistemas de informação logística que garantem uma operação cada vez mais otimizada.
2.1.2.4
Portos de 4a geração
Dada a vital importância dos portos para as economias regionais, notou-se que
estes não deviam competir entre si, mas sim formar coalizões de modo a estruturar uma
rede mundial. Este é o conceito dos portos de 4a geração: terminais dotados de agilidade
gerencial e operacional que, interligados por sistemas de informações, tornam-se
plataformas logísticas integradas.
O conceito de terminal portuário de 4a geração é recente, sendo uma realidade
apenas em terminais extremamente organizados. O tema pode ser aprofundado em
Paixão e Marlow (2003) e Marlow e Paixão Casaca (2003).
2.2
2.2.1
PORTOS VOLTADOS PARA O DESENVOLVIMENTO
As
dimensões
em
um
porto
enquanto
equipamento-suporte
do
desenvolvimento econômico regional
Segundo Oram e Baker (1971), nada causa um impacto mais direto nas despesas
de um país dotado de costa marítima do que a velocidade de atendimento de navios em
seus portos.
11
Diante do exposto, pode-se perceber que um porto tem como função receber e
distribuir cargas, fazendo o melhor uso possível da intermodalidade para este devido
fim. Pode-se dizer que, devido a um porto ser um elemento prestador de serviços,
movimentar mercadorias é uma função em nível microeconômico; contudo, em nível
macroeconômico, este desempenho é bem mais abrangente.
Conforme Arruda e Bastos (2001a), um porto possui uma série de dimensões
mais amplas que, se exploradas adequadamente, podem propiciar o desenvolvimento
integrado na área de influência do terminal. Na Figura 2.1 são explicitadas as dimensões
subjacentes a um terminal portuário de terceira geração.
Figura 2.1: Dimensões envolvidas com um porto voltado para o desenvolvimento socioeconômico.
Fonte: Arruda e Bastos (2001a).
A dimensão social deve maximizar a qualidade de vida dos indivíduos residentes
no entorno do porto. A dimensão tecnológica diz respeito à interação do terminal
portuário com suas infra-estruturas e equipamentos. A dimensão econômica deve
garantir o desenvolvimento regional, induzindo investimentos e o pleno emprego das
potencialidades do porto. A dimensão financeira deve primar pela definição de políticas
que gerem economias de escala na operação do terminal. A dimensão geopolítica diz
respeito à concorrência regional ou continental entre portos. A dimensão comercial deve
promover o terminal portuário como um produto, através de maciço emprego de
marketing. Por fim, a dimensão organizacional deve primar pela harmonia entre as
dimensões supracitadas, objetivando a eficiência do porto em nível operacional e
macroeconômico.
12
2.2.2
Como (re)definir o papel de um porto no mundo hodierno globalizado?
A partir da década de 80, com a ascensão do neoliberalismo, cresce a
interdependência econômica entre as nações, e este processo de inter-relação culmina
com a globalização da economia mundial. Em uma economia globalizada, eleva-se a
interação comercial entre os países e os produtos passam a vencer grandes distâncias
com maior facilidade. Tanto um bem de consumo valioso, como um automóvel, quanto
um produto de baixo valor, como uma caneta, cruzam continentes para se inserirem em
mercados externos.
No ambiente de uma economia globalizada, a competitividade é elevada, pois os
custos têm de ser reduzidos ao extremo para que a comercialização de um produto logre
êxito em mercados internos e externos. Esta competitividade tem suas vantagens e
desvantagens. Como primordial vantagem da competitividade, pode-se citar a maior
variedade de produtos disponíveis ao consumidor em geral, a um menor custo de
aquisição. A grande desvantagem da competitividade é o desemprego gerado pela busca
contínua de redução de custos, oriundo do intenso processo de modernização do
maquinário industrial e da terceirização de serviços.
Tendo em vista o contexto exposto acima e dada a função de um porto como
interface primordial de uma região, tanto com os mercados ao seu entorno quanto com
os mercados mais longínquos, como definir, ou redefinir, o papel de tal infra-estrutura
de transportes no atual mundo globalizado?
Pode-se dizer, em linhas gerais, que um porto deve buscar maximizar os
benefícios sociais oriundos da globalização da atividade econômica e minimizar os
impactos negativos (sociais, econômicos e ambientais) desta sobre os diversos atores de
nossa sociedade. Um porto deve, então, procurar atingir a excelência operacional de
modo a reduzir os custos de transporte e, conseqüentemente, os preços de venda dos
produtos movimentados e, ao mesmo tempo, configurar-se como um instrumento de
desenvolvimento, beneficiando não somente a produção industrial e a prestação de
serviços, como também o setor primário.
13
Nos países em desenvolvimento, os terminais portuários ainda não se
estruturaram de modo a atingir tais níveis de eficiência e, sobretudo, de abrangência.
Tais portos apresentam, ainda, uma série de problemas que prejudicam sua
produtividade e atração de novos clientes: carência de mão-de-obra especializada,
controle insuficiente das operações portuárias, plataformas logísticas restritas e
ineficiente de integração entre os terminais portuários com os diversos modais de
transporte.
Conforme Arruda e Bastos (2001b), partindo-se do princípio que os portos
podem ser (re)estruturados, tal (re)estruturação deve ser compreendida pelos quesitos
citados a seguir:
(i) Inter-relação entre transportes e economia.
Os portos não devem ser vistos, pelos olhos do poder público, apenas como
pólos de movimentação de mercadorias, mas serem estruturados de tal forma que
propiciem efetivamente o desenvolvimento econômico na sua área de influência.
Partindo das diretrizes de um processo de planejamento regional, onde estejam
definidos os objetivos mais gerais da economia da região onde o porto se insere, devem
ser definidas as estratégias e linhas de ação para que os terminais portuários contribuam
incisivamente para a consecução de tais objetivos.
(ii) Integração horizontal e vertical da atividade econômica, a partir de
empreendimentos âncoras.
Conforme tendência já comentada na evolução histórica do conceito de porto, a
partir dos portos de 2a geração, percebeu-se a importância de agregar às atividades
básicas do terminal portuário, atividades do setor industrial ou de serviços, tais como a
siderurgia e a indústria petroquímica. Deste modo, o porto dotado de um complexo
industrial poderá exportar produtos de valor agregado, em quantidade e diversidade, e
não meramente matérias primas.
(iii) Autoridade pública com pessoal dinâmico e qualificado, e com ênfase na
captação e manutenção de clientes dos três setores da economia;
14
A geração e a manutenção da eficiência portuária será possível somente se o
porto for gerido por um corpo técnico altamente qualificado, que combine as novas
tendências gerenciais com a experiência prática. O empirismo deve ser erradicado da
gestão portuária, dando lugar a uma gestão calcada em critérios técnicos. Para a
captação e a conservação de clientes é necessária a formulação de políticas que
promovam o porto como um produto composto por um conjunto de serviços capaz de
benefícios para os seus usuários atuais e potenciais.
(iv) Organização espacial como indução das (e resposta às) atividades dos três
setores da economia;
O papel do porto, no território onde se insere, deve ser revisto. As infraestruturas e o uso do solo devem ser planejados de modo a propiciar não somente uma
maior acessibilidade dos setores público e privado às atividades portuárias, como
também minimizar as influências negativas do complexo portuário ao meio ambiente.
(v) Conexões de transportes marítimos e terrestres de alto grau de acessibilidade
ao Porto.
A consonância entre o porto e as infra-estruturas de transporte no seu entorno,
como, por exemplo, conexões marítimas, rodoviárias e ferroviárias, é de fundamental
importância para a eficiência portuária, pois propicia uma redução nos tempos de
operação e, conseqüentemente, dos custos de transporte. O incremento da acessibilidade
do porto pode contribuir para a expansão da sua área de influência, possibilitando,
inclusive, a captação de novos clientes.
2.3
ASPECTOS RELACIONADOS ÀS CARGAS
Após a caracterização da macro-função dos terminais portuários, é necessário
abordar suas características físicas e operacionais. O primeiro passo a ser dado nessa
direção é apresentar os tipos de carga e as formas de unitização e embalagem, pois a
operação do terminal será função das características das mercadorias a serem
movimentadas.
2.3.1
Características da carga
Segundo Handabaka (1994), as características da carga podem ser definidas de
acordo com o seu tipo e sua natureza, conforme segue:
15
2.3.1.1
Tipo da carga
O tipo da carga diz respeito às características físicas das mercadorias que
influem predominantemente na definição da forma de acondicionamento (embalagem e
armazenagem) destas e na escolha dos modos e equipamentos empregados no seu
transporte e na sua movimentação. No que se refere ao tipo, as cargas podem ser
classificadas em:
(i) Carga geral.
A carga geral, também conhecida como carga solta, consiste em itens avulsos,
dotados ou não de embalagem, que são embarcados separadamente. Exemplos de carga
geral são embrulhos, pacotes, fardos, sacos, caixas, tambores, peças, bobinas, toras de
madeira e pedras de granito.
(ii) Carga unitizada.
A carga unitizada consiste no agrupamento de itens individuais tais como caixas,
pacotes ou outras cargas avulsas em unidades como pallets e contêineres, que permitem
o embarque de grandes quantidades de mercadoria simultaneamente.
Devido ao enfoque dado, neste capítulo, às operações de cargas unitizadas, o
conceito de unitização será discutido com maior profundidade em um outro ponto deste
texto.
(iii) Carga a granel.
A carga a granel consiste no transporte de grandes quantidades de mercadorias
mensuradas em unidades de massa ou de volume. As cargas a granel podem ser
divididas em dois tipos: granéis sólidos e granéis líquidos. Como exemplos de granéis
sólidos podem-se citar os cereais, as sementes e os minérios. Como exemplos de granéis
líquidos, podem-se citar os óleos e gases combustíveis e as bebidas.
2.3.1.2
Natureza da carga
A natureza da carga se refere às características físicas e químicas das
mercadorias que, por suas peculiaridades, influem na definição da forma de
acondicionamento (embalagem e armazenagem) destas e na escolha dos modos de
16
transportes e equipamentos empregados na sua movimentação. No que se refere à
natureza, as cargas podem ser classificadas em:
(i) Perecíveis.
As cargas perecíveis consistem nas mercadorias que têm características tais
como sabor, odor ou cor alteradas drasticamente quando manuseadas e transportadas
sem condições especiais. As cargas perecíveis são, usualmente, produtos alimentícios,
como, por exemplo, frutas, legumes, carnes, laticínios e flores.
(ii) Frágeis
As cargas frágeis consistem nas mercadorias que têm sua integridade física
comprometida ao serem manuseadas e transportadas sem a devida proteção a choques
mecânicos e a vibrações. Como exemplos de produtos frágeis, pode-se citar produtos
eletrônicos, flores e instrumentos de precisão.
(iii)Perigosas
As cargas perigosas consistem nas mercadorias que, devido a serem explosivas,
combustíveis, oxidantes, venenosas, radioativas ou corrosivas, põem em risco, quando
são manuseadas e transportadas, a integridade de seres vivos ou de outras cargas,
necessitando de cuidas especiais nessas operações. Como exemplos dessas cargas podese citar os fogos de artifício e o óleo diesel.
(iv) Volumosas
As cargas volumosas consistem nas mercadorias que, devido a apresentarem
dimensões especiais ou elevado fator de estiva, necessitam de condições especiais para
sua movimentação e transporte.
(v) Pesadas
As cargas pesadas consistem nas mercadorias que, devido a apresentarem pesos
elevados, ou baixo fator de estiva, necessitam de condições especiais para sua
movimentação e transporte.
17
2.3.2
Embalagem e marcação
Conforme Handabaka (1994), as cargas, estejam elas armazenadas ou em
trânsito, podem encontrar-se sujeitas aos seguintes inconvenientes:
(i) Efeitos mecânicos do movimento dinâmico (impactos, quedas, choques, oscilações e
vibrações);
(ii) Tensão estática por meio da pressão (empilhamento);
(iii)Fatores climáticos (calor, frio, umidade);
(iv) Incêndio e água;
(v) Furto; e
(vi) Contaminação (roedores, odores, poluição de diferentes tipos).
Pode-se perceber que manusear e transportar produtos sem qualquer tipo de
proteção específica seria uma prática que prejudicaria a qualidade e a serventia dos bens
de consumo, não atendendo às exigências do consumidor final. Como proteger as
características da carga e preservar a qualidade das mercadorias nela contidas?
A embalagem é a resposta para tal indagação. Por embalagem, entende-se o
conjunto de elementos destinados a proteger a carga durante as atividades de manuseio,
transporte e armazenagem, de modo a permitir que as mercadorias mantenham suas
características iniciais a um nível satisfatório para o usuário. As embalagens, deste
modo, caracterizam-se como elementos primordiais nas atividades logísticas.
A marcação constitui a identificação de cada unidade de carga, visando fornecer,
aos operadores logísticos, informações relacionadas ao conteúdo, ao peso, à origem, ao
destino, à forma adequada de armazenagem, à forma adequada de manuseio e aos
cuidados especiais requeridos pela carga marcada.
Dentre os principais tipos de marca, pode-se ressaltar a marca de embarque
padrão, a marca de informação e os símbolos pictóricos. Com a modernização das
tecnologias de informação, os códigos de barras tornaram-se marcações de suma
relevância para a agilidade das atividades logísticas.
18
2.3.3
Unitização
O manuseio de carga geral possui a inconveniência de demandar muito tempo e
mão-de-obra para sua realização, além de, em determinadas circunstâncias, não prover a
carga de proteção adequada a intempéries, vibrações e choques mecânicos. O advento
da unitização, no início do século XX, foi um marco na tecnologia dos transportes,
permitindo a movimentação e o transporte de cargas de uma forma mais ágil e segura.
Segundo Martins e Silva (2001), a unitização é o acondicionamento da carga
geral em algum tipo de estrutura, de forma a permitir a movimentação das unidades de
carga acopladas a equipamentos rodoviários, ferroviários ou hidroviários, podendo ser
içadas a bordo sem as carretas, sendo empilhadas umas sobre as outras em células no
navio, permitindo e facilitando a estivagem.
No que se refere ao transporte marítimo, existem diversos tipos de unitização,
dentre os quais podem ser destacados os pallets e os contêineres, abaixo descritos.
2.3.3.1
Pallets
Conforme Martins e Silva (2001), o pallet é um estrado plano, construído
principalmente de madeira, podendo ser também de alumínio, aço, plástico, fibra,
polipropileno ou papelão, com características adequadas a facilitar a unitização,
armazenagem e o transporte de pequenos volumes. Podem ser descartáveis, utilizados
em apenas uma viagem (one way), ou para uso constante. A adoção de cada tipo
depende da logística escolhida, que envolve um estudo sobre custos e o seu retorno.
A altura dos pallets deve permitir a entrada de garfo de empilhadeira, mas não
deve ser excessiva para não roubar espaço nos compartimentos de carga. A seguir, na
Figura 2.2, são ilustrados dois tipos de pallets.
Figura 2.2: Ilustração de tipos de pallets.
Fonte: Martins e Silva (2001)
19
O pallet permite uma grande flexibilidade, no que se refere ao transporte porta a
porta, sem a necessidade de desconsolidação da carga. É comum nos grandes
supermercados a disposição de mercadorias diretamente sobre pallets.
2.3.3.2
Contêineres
A primeira notícia que se tem de utilização de um tipo de contêiner em
transporte de carga vem da revista National Geographic, no ano de 1911, através de uma
foto de seu içamento para bordo.
Os contêineres são modulados, sendo mais usados os cofres de 20’ x 8’ x 8’, que
tem suas dimensões utilizadas como o módulo padrão adotado internacionalmente, o
chamado Twenty Feet Equivalent Unit (TEU), ou Unidade Equivalente a 20 pés. Os
contêineres de dimensões diferentes destas podem ser referidos a este módulo padrão,
utilizando-se suas unidades em TEU.
Outro módulo padrão bastante utilizado é o Forty Feet Equivalent Unit (FEU),
ou Unidade Equivalente a 40 pés, célula com dimensões 40’ x 8’ x 8’. Na Tabela 2.2
são apresentadas dimensões típicas de contêineres, padronizadas pela ISO.
Tabela 2.2: Dimensões de alguns tipos de contêineres
Série do
Comprimento
Largura
Altura
contêiner
Pés
Metros
Pés
Metros
Pés
Metros
1A
40
12,19
8
2,44
8
2,44
1AA
40
12,19
8
2,44
8,5
2,59
1C
20
6,05
8
2,44
8
2,44
1CC
20
6,05
8
2,44
8,5
2,59
Fonte: Goebel, (1996).
Os contêineres são identificados através de marcas, números, definição de
espaço e peso que podem comportar, proprietário e informações do conteúdo da carga.
Estas características de identificação dão aos contêineres vantagens como segurança,
controle, inviolabilidade, rapidez e redução de custos no transporte.
O advento das tecnologias de informação, como, por exemplo, scanner, código
de barras e identificação por rádio freqüência, realçou ainda mais os benefícios do
transporte de cargas via contêineres, permitindo um maior controle das operações
logísticas de manuseio, transporte e armazenagem das células unitizadas.
20
No que se refere à utilização de sua capacidade, o contêiner pode ser classificado
em: (i) Full container load (FCL): contêiner carregado com toda sua capacidade; e (ii)
Less than container load (LCL): contêiner carregado com parte da sua capacidade.
Muitos são os tipos de contêineres utilizados no transporte de cargas. A seguir,
na Tabela 2.3, é apresentada uma síntese dos principais tipos de contêineres empregados
na atualidade, bem como suas características.
Tipo
dry box
ventilated
reefer
bulk
conteiner
open top
half
height
open side
flat rack
plataform
tank
Tabela 2.3: Tipos de contêineres e descrições.
Descrição
Totalmente fechado, com portas nos fundos, sendo o mais utilizado e adequado para o
transporte da maioria das cargas gerais secas existentes. Pode ter 20’ ou 40’.
Semelhante ao dry box, porém com pequenas aberturas no alto das paredes laterais, podendo
também tê-las na parte inferior das paredes, para permitir a entrada de ar, para transporte de
cargas que requerem ventilação, como café e cacau.
Também semelhante ao dry box, é totalmente fechado, com portas nos fundos, apropriado
para embarque de cargas perecíveis congeladas ou refrigeradas, que precisam ter a sua
temperatura controlada, como carnes, sorvetes, frutas e verduras. Pode ser integrado com
motor próprio para refrigeração, cuja única desvantagem é a perda de espaço ocupado pelo
motor. Também pode ser isolado (insulated), sem motor próprio, tendo na parede da frente
duas aberturas (válvulas) para entrada e saída de ar, que é injetado por meio externo. O
contêiner reefer tem para controle de temperatura um gráfico de registro (Partlow Chart) e
pode atingir até -25º C.
Similar ao dry box, totalmente fechado, tendo aberturas no teto (escotilhas) para o seu
carregamento e uma escotilha na parede do fundo e na parte inferior para o descarregamento,
sendo apropriado para transporte de granéis sólidos, como produtos agrícolas
Contêiner sem teto, que é fechado com lonas para transporte de cargas que apresentam
dificuldades para embarque pela porta dos fundos e necessitam de um acesso especial,
embora também possua a porta normal nos fundos. Próprio para mercadorias que excedam a
altura do contêiner, cujas cargas não poderiam ser estufadas num contêiner dry box
tradicional.
Contêiner open top, sem teto, porém de meia altura – 4’ ou 4’3”, fechado com lonas e
cabeceira basculante, adequado para embarque de minérios, cuja carga é extremamente densa
e se embarcada em um open top, este não poderia ser utilizado integralmente em seu volume,
representando uma ocupação de espaço indevida no navio.
Com apenas três paredes, sem uma parede lateral, este contêiner é apropriado para
mercadorias que apresentam dificuldades de embarque pela porta dos fundos, ou que
excedam um pouco a largura do equipamento ou ainda para agilização de sua estufagem.
Contêiner plataforma, sendo uma combinação do open top e do open side, sem as paredes
laterais e sem teto, com cabeceiras fixas, ou dobráveis, adequado para cargas pesadas e
grandes, que excedam um pouco as suas dimensões.
Contêiner plataforma sem paredes e sem teto, tendo apenas o piso apropriado para cargas de
grandes dimensões ou muito pesadas.
Contêiner tanque próprio para transporte de líquidos em geral, perigosos ou não.
Fonte: Martins e Silva (2001).
21
Para fins de dimensionamento de equipamentos, considera-se que a capacidade
de carga de um TEU seja de 16 a 20 toneladas e, de um FEU, de 25 a 28 toneladas. Um
FEU não possui o dobro da capacidade de um TEU, pois os materiais empregados
atualmente na composição dos contêineres não conseguem resistir aos momentos
fletores oriundos de grandes carregamentos.
2.3.3.3
Outros tipos de unitização
Conforme Goebel (1996), existem dois outros tipos de unitização significativos
no transporte marítimo: as marino-slings e os big-bags.
As marino-slings são cintas de material sintético, que formam uma rede, com
dimensões padronizadas, geralmente utilizadas para sacaria. Podem transportar até
1500kg de mercadoria e, dependendo do embarque, seguem com a carga até o destino
ou apenas até o porão do navio, quando são retiradas.
Os big-bags são sacos de material sintético dotados de fundo circular ou
quadrado, geralmente utilizados, em substituição da sacaria, para o manuseio de
produtos industrializados em grãos e pós. Permitem o reaproveitamento e a sua
capacidade geralmente é superior à dos marino-slings, entretanto seu custo é superior ao
destes e, por isso, em operações de comércio exterior, geralmente, não embarcam
juntamente com a carga.
2.4
A
OPERAÇÃO
DE
TERMINAIS
PORTUÁRIOS
DE
CARGAS
UNITIZADAS
2.4.1
Lógica da operação
Conforme o exposto por Yun e Choi (1999), um Sistema Terminal de
Contêineres (STC) é composto de três subsistemas: entradas, pátios de contêineres e
berços. Os equipamentos de movimentação neste sistema são basicamente portêineres,
transtêineres, tratores de terminal, empilhadeiras e carretas.
As tarefas básicas na operação de um STC consistem no recebimento, entrega,
carregamento
e
descarregamento
de
contêineres.
simultaneamente e interativamente (Yun e Choi, 1999):
Estas
operações
ocorrem
22
(i) Operação de recebimento: transportar contêineres para exportação, trazidos por
caminhões vindos de fora do porto, até os equipamentos de movimentação vertical;
(ii) Operação de entrega: erguer contêineres para importação através de equipamentos
de movimentação vertical, colocando-os em caminhões ou trens estacionados no
pátio de contêineres que levarão as cargas para fora do porto;
(iii)Operação de carregamento: erguer contêineres para exportação através de
equipamentos de movimentação vertical, colocando-os em tratores de terminal
localizados no pátio de contêineres e transportando-os até o berço, onde serão
embarcados através de equipamentos de embarque e desembarque;
(iv) Operação de descarregamento: descer contêineres para importação do navio através
de equipamentos de embarque e desembarque, colocando-os em tratores de terminal
com a finalidade de transportar as cargas até o pátio de contêineres.
2.4.2
Equipamentos
A estrutura operacional de um típico STC é ilustrada na Figura 2.3:
B
E
R
Ç
O
1
2
3
P
Á
T
I
O
Figura 2.3: Estrutura operacional de um típico terminal de contêineres.
Conforme o apresentado na figura acima, existem três tipos de equipamentos
empregados na movimentação de cargas entre o berço e o pátio ou armazém. São eles:
23
1. Equipamentos de Embarque e desembarque:
Para retirada e colocação de cargas unitizadas nos navios, são necessários
equipamentos de grande porte, como, por exemplo, portêineres, guindastes móveis
sobre pneus, guindastes de bordo, dentre outros. Na Figura 2.4 é ilustrado um
equipamento de embarque e desembarque.
Figura 2.4: Portêiner em operação.
Fonte: Magalhães (2003)
2. Equipamentos de manuseio:
Os equipamentos de embarque e desembarque colocam as cargas unitizadas em
veículos que as transportarão para o pátio. Estes veículos podem ser caminhões ou
tratores de terminal. Na Figura 2.5 é ilustrado um equipamento de manuseio.
Figura 2.5: Trator de terminal (TT).
Fonte: Magalhães (2003)
3. Equipamentos de movimentação vertical:
Os caminhões ou tratores de terminal transportam as células até o pátio, onde
estes serão armazenados na forma de pilhas. Para realizar tal organização, são
requeridos equipamentos de movimentação vertical ou empilhamento, dentre os quais
podemos citar os transtêineres, as empilhadeiras e os reach stackers. Na Figura 2.6 é
ilustrada a operação de uma empilhadeira.
24
Figura 2.6: Empilhadeira içando contêiner vazio.
Fonte: Magalhães (2003)
2.4.3
Multimodalidade e intermodalidade
Na operação de terminais portuários, dois conceitos são requeridos para a
consecução de agilidade e flexibilidade nas atividades de manuseio e transporte:
multimodalidade e intermodalidade. Por multimodalidade entende-se o emprego de
múltiplos modos de transporte e o verbete intermodalidade remete à idéia de interseção
de dois ou mais modos de transporte. Estes dois conceitos são comentados a seguir.
No século XIX, predominava a filosofia da necessidade de competição entre os
modos de transporte. Contudo, na atual conjuntura, é de notório conhecimento que a
multimodalidade é condição indispensável para redução dos custos de transporte. Os
modais não devem competir entre si, mas sim fazer uso da multimodalidade, isto é,
combinar vantagens específicas em termos operacionais de modo a otimizar o transporte
de mercadorias.
De acordo com o Parlamento Europeu (2000), por intermodalidade entende-se
um sistema de transportes com base no qual seja possível integrar pelo menos dois
meios diferentes numa cadeia de transporte porta a porta (ferroviário-rodoviário-navalaéreo-dutoviário) de forma a garantir uma utilização mais racional das capacidades de
transporte disponíveis e aumentar a qualidade e a eficiência dos serviços conexos.
Dentre os principais tipos de interseções entre modos de transporte, podem ser
destacados:
25
(i) RO/RO (Roll-on/Roll-off) ou autrotransbordo: tipo de transbordo no qual veículos
do modal rodoviário são embarcados em navios, possibilitando maior flexibilidade
nas operações de embarque e desembarque;
(ii) RA/RA (Rail-on/Rail-off) ou ferrotransbordo: tipo de transbordo no qual vagões
ferroviários são embarcados em navios, possibilitando maior flexibilidade nas
operações de embarque e desembarque;
(iii)RA/RO (Rail-Road) ou transbordo ferro-rodoviário: tipo de transbordo no qual
veículos do modal rodoviário são embarcados em vagões ferroviários, possibilitando
maior flexibilidade nas operações de embarque e desembarque;
(iv) FLO/FLO (Float-on/Float-off), transbordo por flutuação ou transflutuação:
transbordo característico do transporte marítimo no qual balsas são carregadas e
descarregadas por embarcações de maior porte;
(v) LO/LO (Lift-on/Lift-off) ou transbordo por suspensão: transbordo característico do
transporte marítimo no qual veículos de outros modais de transportes são içados e
carregados ou descarregados em embarcações.
2.4.4
Mão-de-obra portuária
Apesar da drástica redução de mão-de-obra oriunda do intenso processo de
mecanização ao qual o transporte marítimo foi submetido no século XX, os operários
continuam sendo fator imprescindível na operação de um porto. A mão-de-obra bruta,
constituída essencialmente por estivadores e práticos, está sendo gradativamente
substituída por trabalhadores mais especializados, capazes de operar os equipamentos
portuários e sistemas de informação.
De nada adianta que um porto possua modernos equipamentos, se os seus
operadores não souberem operar os equipamentos ou se não se sentirem estimulados a
operá-los da maneira ideal. Não deve haver uma valorização excessiva da máquina e,
por conseguinte, uma desvalorização do indivíduo, mas sim a busca contínua da
consonância entre homem e máquina.
26
A modernização do processo de gestão portuária; característica das últimas
décadas do século XX, demanda um corpo técnico cada vez mais especializado
acompanhando as atividades portuárias. As atividades humanas em um porto, que
outrora eram essencialmente físicas, estão sendo cada vez mais substituídas por
atividades intelectuais.
2.5
A AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE TERMINAIS PORTUÁRIOS DE
CARGAS UNITIZADAS
2.5.1
Indicadores de desempenho operacional
Dado à acirrada competição oriunda da globalização da economia, a operação
ineficiente e ineficaz de sistemas logísticos, tais como os terminais portuários de cargas
unitizadas, não pode mais ser admitida.
É necessário, portanto, que existam informações disponíveis acerca da operação
do sistema portuário, permitindo a avaliação do seu desempenho e, conseqüentemente, o
subsídio da tomada de decisão na gestão do terminal. As informações que permitem a
avaliação operacional de sistemas logísticos são denominadas indicadores de
desempenho ou indicadores operacionais.
Conforme Bogossian (1983), é imprescindível conhecer os indicadores
operacionais que permitam avaliar o nível de serviço prestado por um porto. Os
indicadores operacionais se constituem no mais importante instrumento de avaliação
dos serviços portuários, principalmente quando respaldados nas estruturas de custos de
cada modalidade. Estes indicadores são gerados a partir de parâmetros de natureza:
(i) Quantitativa: através do estabelecimento da produção a ser alcançada em
determinado período de tempo;
(ii) Qualitativa: através de acompanhamento e observação sistemática da eficiência
operacional em face dos recursos utilizados;
(iii)Econômica: através da determinação dos custos totais de transporte para cada
conjunto de alternativas operacionais.
27
De acordo com Bogossian (1983), os indicadores podem ser classificados
segundo o nível de abrangência, considerando as seguintes características:
(i) Nível 1 – indicadores econômicos.
São parâmetros estabelecidos em função da economia nacional, para a avaliação
do seu desempenho, como, por exemplo, produção esperada e demanda futura. São
importantes considerações devido aos seus possíveis impactos nas condições de
operacionalidade do porto.
(ii) Nível 2 – indicadores dos sistemas globais de transportes.
São aqueles que abrangem o sistema de transportes como um todo, restringindose apenas aos resultados finais, sem considerações a respeito dos meios de transporte
envolvidos, como, por exemplo, custo de distribuição do produto e tempo total de
viagem (intermodal).
(iii)Nível 3 – indicadores parciais dos sistemas de transportes.
São aqueles que permitem a avaliação do desempenho de cada uma das
modalidades de transporte que compõem o sistema, como, por exemplo, taxa de
utilização do navio, tonelada-milha transportada por ano e taxa de ocupação do berço.
(iv) Nível 4 – indicadores específicos dos componentes de cada modalidade.
São aqueles que permitem avaliar o comportamento de cada elemento
componente de determinada modalidade de transporte, como, por exemplo, número de
ciclos de guindaste por hora e tempo de estadia de uma embarcação.
É pertinente destacar que, no presente trabalho, a abrangência do modelo de
avaliação proposto enquadra-se no Nível 4.
Dentre as principais características dos indicadores de desempenho dos portos,
podem ser destacadas (ANTAQ, 2003):
(i) Estão expressos em unidades de medida significativas para aqueles que vão utilizálos, servindo para fins de avaliação de resultados ou para subsidiar a tomada de
decisão;
28
(ii) São compostos de um número ou percentual para indicar a magnitude (quanto) e de
uma unidade de medida que dá um significado ao número ou percentual (o quê);
(iii)Servem para detectar causas e efeitos de ações operacionais e administrativas;
(iv) Permitem qualificar os serviços em cada porto, fazer comparações evolutivas de
desempenho de cada terminal ou conjunto de berços, a comparação entre terminais e
conjuntos de berços de um mesmo porto, ou entre portos distintos, possibilitando
monitorar a evolução do processo, com o estabelecimento de benchmarking.
ANTAQ (2003) propõe e apresenta uma cartilha que orienta os gestores
portuários a acompanhar o desempenho dos serviços dos portos brasileiros.
Infelizmente, grande parte dos portos do Brasil não segue às recomendações da
ANTAQ e tampouco fazem uso de outras metodologias de avaliação de desempenho.
No que se refere às limitações dos indicadores de desempenho correntes, podese destacar:
(i) Apesar de propiciarem uma visão geral do desempenho do porto, os indicadores
operacionais não permitem uma compreensão da dinâmica operacional do sistema;
(ii) Os indicadores operacionais apenas orientam os gestores do porto no que se refere à
caracterização do serviço ofertado pelo terminal, não fornecendo sugestões para a
melhoria do processo;
(iii)Os indicadores operacionais não permitem que sejam idealizadas conjecturas
formais (cenários) acerca do que pode vir a ocorrer em determinadas circunstâncias
futuras.
Deste modo, justifica-se a busca de outras metodologias que permitam a
avaliação de desempenho de terminais portuários, visando uma complementaridade com
os indicadores operacionais preconizados pela literatura.
29
2.5.2
Modelagem matemática e desempenho operacional
Conforme reportam Paixão e Marlow (2003) e Marlow e Paixão Casaca (2003),
os órgãos de administração portuária e as universidades de todo o mundo fazem uso de
diversas metodologias para planejar e gerir as operações de um porto, dentre as quais
podem ser salientadas: filosofia just-in-time, produção enxuta, gestão da qualidade total,
programação matemática e simulação.
Psaraftis (1998) apud Rios e Maçada (2000) enfatiza a importância do
desenvolvimento de estudos com aplicação de técnicas de Pesquisa Operacional em
problemas de movimentação de contêineres em pátios portuários. O uso de técnicas de
simulação tem sido freqüentemente aplicado para planejar e gerenciar o sistema
portuário e auxiliar os executivos no processo de tomada de decisão.
Rios e Maçada (2000) apontam que vários estudos já foram realizados visando a
elaboração e a validação de modelos que possam diminuir tempo de operação de
equipamentos e, conseqüentemente, o custo operacional de um terminal portuário.
Dentre eles, as técnicas de modelagem matemática mostram-se de grande valia para
auxiliar a tomada de decisão na gestão de um porto.
Um porto é um sistema complexo que muda de estados ao longo do tempo, ou
seja, trata-se de um sistema dinâmico. Os estados dos subsistemas do porto são discretos
e variam ao longo do tempo, condição que dificulta o estabelecimento de equações
analíticas que possam representar o comportamento do porto em operação.
Conforme Degano e Di Febbraro (2001), devido às suas características, um
terminal intermodal de contêineres pode ser representado como um Sistema a Eventos
Discretos (SED), o que permite o projeto e a implementação de estratégias de controle
embutidas no próprio sistema.
Os trabalhos de Yun e Choi (1999), Legato e Mazza (2001) e Fernandes (2001)
apresentam modelos bastante atualizados de simulação em terminais portuários de
contêineres. Estes modelos, além de considerarem a aleatoriedade da operação do
30
sistema portuário, fornecem parâmetros importantes para o gerenciamento do terminal,
tais como as taxas de ocupação dos berços e dos equipamentos.
Uma crítica a estes modelos é que eles, apesar de utilizarem programas de
computador que permitem a visualização da simulação da operação do porto, não
propiciam ao analista do sistema uma visão da estrutura operacional do terminal, bem
como dos seus possíveis gargalos.
Degano e Di Febbraro (2001) utilizam um modelo baseado em redes de Petri
para diagnosticar falhas nas atividades de um terminal intermodal de contêineres,
apresentando a técnica supracitada como uma metodologia bastante promissora para
modelar a operação de terminais portuários.
Segundo Palomino (1995), as redes de Petri são um modelo do tipo estadoevento, onde cada evento possui pré-condições que vão permitir sua ocorrência e póscondições, as quais são, por sua vez, pré-condições de outros eventos posteriores. As
redes de Petri coloridas são uma evolução deste conceito, facilitando a adição de
informações ao processo de modelagem.
Costa (2002) apresenta as redes de Petri como uma metodologia para avaliação
de desempenho de sistemas logísticos, destacando, inclusive, a potencialidade da
metodologia supracitada na avaliação de desempenho de terminais portuários.
Conforme Prata et al (2005), o emprego das redes de Petri coloridas permite uma
modelagem mais compacta e abrangente das operações portuárias.
31
CAPÍTULO 3
REDES DE PETRI COLORIDAS
No ano de 1962, Carl Adam Petri defendeu na Alemanha, na Faculdade de
Matemática e Física da Technical University of Darmstaldt, sua tese de doutorado,
sendo esta intitulada de Kommunikation mit Automaten (ou, em português,
Comunicação com Autômatos).
Anos depois, em um período situado entre o término da década de sessenta e
início da década de setenta, Anatol W. Holt, fascinado pela originalidade do trabalho
proposto por Petri, reuniu-se com um grupo de pesquisadores do renomado
Massachussetts Institute of Tecnology – MIT, situado nos Estados Unidos da América.
O resultado desta parceria foi a idealização das bases da teoria das redes de Petri como a
conhecemos hoje.
Desde então, a teoria das Redes de Petri não tem parado de se expandir.
Pesquisadores do mundo todo têm trabalhado tanto com o desenvolvimento e
aprimoramento desta técnica, como com sua vasta gama de aplicações. Modelos
baseados nas redes de Petri são amplamente empregados em diversos campos de
conhecimento, dentre os quais podemos destacar as telecomunicações, os sistemas de
manufatura e os sistemas de transportes.
Com a ampliação do desenvolvimento e da aplicação das redes de Petri na
modelagem de sistemas, muitos foram os estudos realizados objetivando mitigar as
limitações da metodologia supramencionada. A concepção das redes de Petri de alto
nível, dentre as quais se podem destacar as redes de Petri coloridas (RPC), ilustra o
grande progresso teórico nesta direção.
As redes de Petri coloridas foram idealizadas por Kurt Jensen, pesquisador da
Universidade de Aarhus, na Dinamarca. Seu artigo, datado do ano de 1981, intitulado
Coloured Petri Nets and the Invariant Method foi um trabalho promissor, que induziu
uma série de estudos sobre coloração das fichas.
32
Este capítulo destina-se a fazer uma breve introdução sobre as redes de Petri
coloridas, buscando enfatizar a aplicabilidade dos conceitos explicitados. A estrutura do
capítulo será dividida em cinco seções, explicitadas a seguir.
Na primeira seção são apresentados conceitos básicos para compreensão das
redes de Petri coloridas, tais como a teoria de sistemas a eventos discretos e as redes de
Petri ordinárias. Na segunda seção, as redes de Petri coloridas são apresentadas
informalmente e, na terceira seção, elas são apresentadas formalmente. A quarta seção,
por fim, introduz o conceito de multi-conjunto.
3.1 CONCEITOS BÁSICOS
3.1.1
Sistemas a eventos discretos
Um sistema é um conjunto de partes, que interagem entre si, visando a
consecução de um objetivo comum. De certo modo, este é um conceito bastante
relativo, pois a delimitação de um sistema é uma atividade subjetiva e depende sempre
de algum referencial. Por mais que se esforce em delinear um sistema, sempre existirão
sistemas que o englobam e sistemas englobados por ele.
De acordo com Palomino (1995), todo sistema apresenta os seguintes
componentes listados a seguir.
(i)
Fronteiras: São os limites do sistema, que podem ter existência física ou apenas
uma delimitação imaginaria para efeito de estudo.
(ii)
Subsistemas: São os elementos que compõem o sistema.
(iii) Entradas (inputs): Representam os insumos ou variáveis independentes do sistema.
(iv) Saídas (outputs): Representam os produtos ou variáveis dependentes do sistema.
(v)
Processamento: Engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que
interagem entre si para converter as entradas em saídas.
(vi) Retroação (feedback): É a influência que as saídas do sistema exercem sobre as
suas entradas no sentido de ajustá-las ou regulá-las ao funcionamento do sistema.
33
Dada a complexidade de qualquer sistema, por menor que seja a delimitação
dada a este por aquele que o analisa, o número de variáveis envolvidas no seu
funcionamento é tão grande que realizar uma análise completa de tal conjunto de partes
pode ser uma tarefa impossível. Sendo assim, cabe ao analista, após a delimitação e
concepção do sistema, ponderar sobre quais variáveis são mais representativas do
fenômeno que se pretende estudar. Tal conduta remete ao conceito de modelo, ou seja, o
modelo é uma representação simplificada do sistema.
Em engenharia, existe uma ampla gama de sistemas nos quais se pode
estabelecer uma relação entre as taxas de variação das suas variáveis de estado,
permitindo que tais sistemas sejam modelados por equações diferenciais. Entretanto,
existem categorias de sistemas cuja complexidade limita ou impossibilita sua
representação analítica.
Conforme Ramadge e Wonham (1989) apud Deifan (1999), os Sistemas a
Eventos Discretos (SED) são sistemas concebidos pelo homem (man made systems) e
cuja dinâmica é dirigida pela concorrência de eventos discretos a intervalos irregulares e
desconhecidos.
Segundo Cardoso e Valette (1997), “sistemas a eventos discretos são sistemas
modelados de tal sorte que as variáveis de estado variam bruscamente em instantes
determinados e que os valores das variáveis nos estados seguintes podem ser calculados
diretamente a partir dos valores precedentes sem ter que considerar o tempo entre estes
dois instantes”. Neste caso, as equações diferenciais se mostram ineficientes para
representar o comportamento do sistema, sendo requeridos outros métodos de análise.
Exemplos de SED são sistemas de manufatura, redes de computadores, sistemas
de telecomunicações e sistemas de transportes. Dentre as técnicas de modelagem de
SED, podem ser destacadas as redes de Petri, os autômatos, a teoria das filas e as
cadeias de Markov. Para um aprofundamento na teoria de Sistemas a Eventos Discretos,
vide Cassandras e Lafortune (1999).
34
3.1.2
Apresentação das redes de Petri
Segundo Palomino (1995), as redes de Petri (RdP) são um modelo do tipo
estado-evento, onde cada evento possui pré-condições, que vão permitir sua ocorrência,
e pós-condições, as quais são, por sua vez, pré-condições de outros eventos posteriores.
A técnica em questão pode ser vista como uma evolução do conceito da Teoria
dos Grafos, pois nas RdP existem dois tipos de nós, denominados respectivamente de
Lugar – P, e Transição – T, e dois tipos de arcos (Pre e Post). Deve-se salientar que
uma rede de Petri é um grafo bipartido, ou seja, só existem arcos ligando nós do tipo P a
nós do tipo T e vice-versa.
Formalmente, uma rede de Petri é uma quádrupla (Cardoso e Valette,1997):
R = <P,T,Pre,Post>
3.1
em que:
-
P é um conjunto finito de lugares de dimensão n;
-
T é um conjunto finito de transições de dimensão m;
-
Pre: P x T → N é a aplicação de entrada (lugares precedentes ou incidência
anterior), com N sendo o conjunto dos números naturais;
-
Post: P x T → N é a aplicação de saída (lugares seguintes ou incidência
posterior).
É importante ressaltar que, na literatura, a nomenclatura da rede de Petri
apresentada na equação 3.1 pode ser explicitada por rede de Petri ordinária ou rede de
Petri lugar-transição (RLT). Caso a RdP modele um sistema real, ou seja, possua um
significado físico, a rede pode ser denotada rede de Petri interpretada e, caso contrário,
pode ser chamada de rede de Petri não interpretada. Como este é um trabalho voltado
para uma aplicação prática da metodologia em questão na operação de sistemas de
transportes, assume-se, nesse momento, que todos os modelos constantes no texto se
referem a redes interpretadas.
Uma Rede de Petri marcada é uma dupla:
N = <R,M>
3.2
35
em que:
-
R é uma rede de Petri;
-
M é uma marcação dada pela aplicação M : P → N.
A marcação é um número inteiro não-negativo associado a cada lugar, sendo
representada por um vetor n-dimensional:
M = (m1, m2, ... mj)T
3.3
em que:
mj = é o número de fichas do lugar pj.
A rigor, a marcação é um vetor coluna, sendo o vetor transposto ao vetor linha
apresentado na equação (3.3). Na prática, é usual ser omitida a denotação de vetor
transposto.
De acordo com Palomino (1995), a marcação num determinado instante
representa o estado da rede de Petri ou, mais precisamente, o estado do sistema descrito
pela RdP; assim, a evolução do estado do sistema corresponde a uma evolução da
marcação, a qual é causada pelo disparo de transições como veremos posteriormente.
Um exemplo de representação gráfica de uma rede de Petri é apresentado na Figura 3.1.
(a)
(b)
Figura 3.1: Exemplo do disparo de uma transição
Fonte: YAMADA et al, 2001.
Os círculos representam os lugares, o retângulo representa a transição, as setas
que saem dos lugares e chegam na transição representam Pre, as setas que saem da
transição e chegam nos lugares representam Post e os discos negros representam as
marcações. A estas marcações damos o nome de fichas.
36
Yamada et al (2001) afirmam que um lugar pode ser utilizado como indicação
de um estado do sistema (conjunto dos valores atuais dos parâmetros que definem um
dado sistema, num dado instante) a ser modelado. Um lugar possui os seguintes
atributos: identificação, marcação e capacidade. A identificação diferencia um lugar dos
demais, a marcação equivale ao número de fichas contidas em um lugar e capacidade é
o número máximo de fichas que um lugar pode armazenar por um determinado tempo,
não sendo denotada para lugares de capacidade infinita. As fichas simplesmente
indicam que as condições associadas aos lugares são verdadeiras.
As transições podem representar operações ou ações realizadas pelo sistema,
possuindo os seguintes atributos: identificação e, para as redes de Petri com restrições
de tempo, o tempo, que indica o tempo associado ao seu disparo. Um arco que sai de
um lugar e chega a uma transição indica, juntamente com as fichas, as condições para
que uma ação seja realizada.
Um arco originado em uma transição que se destina a um lugar, representa as
funções que geram os estados após a execução da ação. Um arco com peso k, em que k é
um número inteiro positivo, pode ser interpretado como um conjunto k de arcos
paralelos. Os arcos com peso um usualmente têm seu peso omitido na representação
gráfica.
Uma transição é considerada apta a disparar quando o número de fichas contidas
em cada um de seus lugares de entrada é maior ou igual ao peso dos arcos de
precedência. Quando isto ocorre, a transição ti é dita habilitada, estando pronta para o
disparo. Como podemos verificar pela RdP apresentada na Figura 1, ao disparar t1, uma
ficha é retirada do lugar p1, duas fichas são retiradas do lugar p2, uma ficha é adicionada
ao lugar p3 e três fichas são adicionadas ao lugar p4.
É comum encontrar na literatura a palavra “ferramenta” associada às redes de
Petri, sendo que tal conexão, na opinião do autor, é equivocada. O verbete ferramenta
remete à idéia de um utensílio, ou seja, de um objeto limitado, de recursos prédeterminados e de uso repetitivo. As redes de Petri não se enquadram em tal adjetivo,
37
pois permitem a modelagem, a análise e a simulação de uma vasta gama de sistemas,
propiciando uma maior compreensão da realidade modelada por parte do analista.
Um modelo idealizado pelas redes de Petri pode ser considerado uma
ferramenta, mas a teoria por trás do modelo não pode ser considerada como tal. Para o
autor, as redes de Petri são uma técnica capaz de suportar a geração de modelos e/ou
ferramentas computacionais, não se caracterizando meramente como um utensílio.
3.1.3
Redes de Petri com restrições de tempo
Como apontam Berthomieu e Diaz (1991), existem sistemas que se comportam
baseados em parâmetros temporais explícitos. Utilizar e ampliar o conceito das redes de
Petri clássicas, ou seja, adicionar características de tempo às transições, possibilita a
aplicação desta técnica na modelagem de sistemas inerentes a diversos campos do
conhecimento.
A rede de Petri temporal (RPT) é obtida associando-se a cada transição um
intervalo (θmín, θmáx), ou seja, a duração de sensibilização da transição deve ser maior do
que θmín e menor do que θmáx.
Segundo Cardoso e Valette (1997), pode-se associar um intervalo [a,a] a uma
transição para representar uma duração a. Se a transição estiver sensibilizada no tempo
τ, ela irá disparar no tempo τ + a, caso continue, nesta data, sensibilizada pela
marcação.
Formalmente, uma rede de Petri temporal é um par:
NtI= <N,I>
em que:
3.4
-
N é uma rede Petri <P,T,Pre,Post> com uma marcação inicial M0;
-
I = θ (t)= [θmín(t), θmáx(t)] é uma função que, a cada transição t, associa um
intervalo racional que descreve uma duração de sensibilização.
As RPT’s são de grande valia para a avaliação de desempenho operacional de
sistemas dinâmicos. A determinação dos tempos de ciclo da operação de um sistema,
38
variando-se os seus insumos e recursos de infra-estrutura através da simulação de
cenários, pode subsidiar a tomada de decisão na gestão do sistema modelado.
3.2 Apresentação informal às redes de Petri coloridas
Uma grande limitação das redes de Petri ordinárias é o fato de que esta demanda
uma grande quantidade de lugares e de transições para representar sistemas complexos
(também chamados pela literatura como sistemas reais). Na medida em que a rede se
expande, a visão geral do sistema modelado, por parte do analista, começa a ser
comprometida e a análise do sistema modelado, por parte do computador, começa a ser
dificultada.
Os sistemas reais, muitas vezes, apresentam processos semelhantes que ocorrem
paralelamente ou concorrentemente, diferindo entre si apenas pelos seus insumos e
produtos. As fichas, por expressarem basicamente se as condições associadas a um lugar
são verdadeiras ou falsas, requerem uma grande quantidade de lugares e,
conseqüentemente, de transições, para representar tais sistemas com processos
similares.
E se ao invés de aumentarmos a quantidade de lugares, diferenciarmos os
processos, insumos ou produtos através das fichas? Se as fichas, ao invés de portarem
uma função binária, portarem um vetor de informações, a quantidade de lugares e
transições de uma rede que modela um sistema real pode ser sensivelmente reduzida.
Esta é a filosofia das redes de Petri coloridas, conceito alvo do presente capítulo.
A seguir, será realizada uma abordagem informal do tema em questão, evidenciando
seus benefícios e desvantagens frente às redes de Petri lugar-transição. A seguir, será
apresentado um exemplo, retirado de Jensen (1992), que ilustra bem a evolução do
conceito das redes ordinárias para o conceito das RPC.
Será assumido que existem dois tipos de processos em um sistema qualquer,
denominados processos-p e processos-q, que compartilham três tipos de recursos,
denotados por recursos-r, recursos-s e recursos-t. Tais processos ocorrem paralelamente
e demandam os insumos supracitados simultaneamente.
39
Os processos-p podem ser divididos em quatro principais estados. O primeiro
estado indica a quantidade de processos-p a serem operados. O segundo estado necessita
da utilização de dois recursos-s para a operação do sistema. O terceiro estado requer a
utilização de dois recursos-s e um recurso-t para a operação do sistema. Por fim, o
quarto estado demanda a utilização de dois recursos-s e um recurso-t para a operação do
sistema.
No que tange às ações mais significativas dos processos-p, pode-se destacar a
primeira ação, que utiliza dois recursos-s para que o sistema passe do estado inicial para
o segundo estado, a segunda e a terceira ação, que buscam um recurso-t para o sistema
avance do segundo para o terceiro estado e do terceiro para o quarto estado e, por fim, a
quarta ação, que reinicia o processo-p.
Os processos-q podem ser divididos em cinco principais estados. O primeiro
estado indica a quantidade de processos-q a serem operados. O segundo estado necessita
da utilização de um recurso-r e de um recurso-s para a operação do sistema. O terceiro
estado requer a utilização de um recurso-r e de dois recursos-s para a operação do
sistema. O quarto estado necessita da utilização de dois recursos-s para a operação do
sistema. Por fim, o quinto estado demanda a utilização de dois recursos-s e um recurso-t
para a operação do sistema.
No que diz respeito às ações mais significativas dos processos-q, pode-se
destacar a primeira ação, que utiliza um recurso-r e um recurso-s para que o sistema
passe do estado inicial para o segundo estado, a segunda ação, que utiliza um recurso-s
para o sistema avance do segundo para o terceiro estado, a terceira ação, que libera um
recurso-r para que o sistema passe do terceiro para o quarto estado, a quarta ação,
demanda um recurso-t para que o sistema passe do quarto para o quinto estado e, por
fim, a quinta ação, que reinicia o processo-q.
Na Figura 3.2 é apresentada a modelagem do sistema descrito acima. Os lugares
Bp. Cp, Dp e Ep correspondem respectivamente aos estados 1, 2, 3 e 4 dos processos-p.
As transições T2p, T3p, T4p e T5p correspondem respectivamente aos eventos 1, 2, 3 e
4 dos processos-p. Raciocínio análogo pode ser aplicado aos lugares e transições do
40
lado direito da rede ilustrada, que representam, correspondentemente, os estados e ações
dos processos-q descritos anteriormente. Os lugares R, S e T correspondem aos
recursos-r, recursos-s e recursos-t, respectivamente.
Na RdP apresentada na Figura 3.2, foi necessário representar os dois tipos de
processos por duas sub-redes separadas, ainda que os dois processos distintos
compartilhassem os mesmos recursos, utilizando-os de uma forma semelhante.
Aq
T1q
Bp
Bq
R
T2p
T2q
2
Cp
Cq
S
T3p
T3q
Dq
Dp
T
T4p
2
T4q
2
Eq
Ep
T5p
2
T5q
Figura 3.2: RdP descrevendo a alocação de recursos do sistema (marcação inicial M0).
Fonte: Jensen, 1992.
No que diz respeito à visão do analista sobre o sistema modelado, a rede
supramencionada propicia uma maior sensibilidade dos gargalos operacionais. Tal
benefício, entretanto, diminui na medida que o sistema modelado se torna mais
complexo.
No que se refere à implementação do modelo, a utilização de sub-redes similares
acarreta em ineficiência computacional, refletida pela entrada e pelo processamento dos
41
dados. Tal deficiência é aceitável para um sistema simples, como o representado na
Figura 3.2. Contudo, para sistemas maiores, redundâncias desta natureza podem
implicar em um custo computacional elevado.
Sistemas de manufatura ou sistemas de telecomunicações, usualmente,
apresentam diversos processos a serem efetuados paralelamente ou concorrentemente,
compartilhando inúmeros recursos. Imagine que o sistema a ser modelado, ao invés de
contar com dois tipos de processos e três insumos distintos, apresentasse dezenas de
processos e recursos. A representação gráfica do sistema seria muito pouco inteligível e
a implementação computacional do modelo, assim como sua análise, seria
extremamente complexa.
Uma estratégia para mitigar esse tipo de problema é aplicar o conceito das redes
de Petri hierárquicas. Neste tipo de rede, considera-se a existência de sub-redes que se
comportam como lugares ou como transições e, deste modo, uma RdP passa a incluir
mais dois conjuntos de elementos: os macro-lugares, que representam uma sub-rede por
um lugar, e as macro-transições, que representam uma sub-rede por uma transição.
Embora teoricamente interessantes e potencialmente úteis, as redes de Petri
hierárquicas não resolvem eficientemente o problema do crescimento excessivo do
número de nós da rede, quando se pretende modelar um sistema não trivial (Barros,
2001). Essa é, portanto, uma das grandes limitações das redes de Petri lugar-transição na
modelagem e análise de sistemas reais.
Conforme Kernigham et al. (1988) apud Barros (2001), o salto que se dá ao
passar das redes de Petri ordinárias para as redes de Petri coloridas é, mais do que em
qualquer outro tipo de rede Petri de alto nível, extremamente semelhante ao salto que se
dá ao passar da programação em linguagem Assembly para linguagens de alto-nível
como PASCAL ou C.
Comparando-se as redes de Petri com as linguagens de programação, conforme é
ilustrado na Tabela 3.1, pode-se perceber que as redes de Petri ordinárias são análogas a
uma linguagem de baixo nível.
42
Tabela 3.1: Analogia entre redes de Petri e linguagens de programação.
Redes de Petri
Linguagens de Programação
RdP Ordinárias
Linguagem Assembly
RdP hierárquicas
Linguagem Assembly com macros
RdP de alto nível
Linguagem de alto nível
Fonte: Barros (2001).
As redes de Petri de alto nível (RPAN), dentre as quais se pode ressaltar as redes
de Petri coloridas, redes de Petri predicado - transição e redes de Petri a objetos, são
modelos que foram desenvolvidos para facilitar a representação e análise de sistemas
complexos. Neste trabalho, apenas as redes de Petri coloridas serão enfocadas. Para
mais detalhes sobre as RPAN, consultar Cardoso e Valette (1997).
De acordo com Jensen (1992), uma representação mais compacta de uma rede de
Petri é obtida através da associação, a cada ficha, de um conjunto de dados,
denominados cores da ficha. O conceito de cor é análogo ao conceito de tipo, comum
nas linguagens de programação.
Na Figura 3.3 é ilustrado o sistema apresentado na Figura 3.2, modelado por
intermédio das redes de Petri coloridas.
color U = with p | q;
color I = int;
color P = product U* i;
color E = with e;
var x : U;
var i : I;
P A
e
1 1'e
R
E
3 3'e
S
E
2 2'e
T
E
if x=q
3 3'(q,0) then 1' (q,i+1)
else empty
(x,i)
[x=q]
T1
case x of
(x,i)
p => 2'e
2 2'(p,0)
e
| q => 1'e P B
if x=p
(x,i)
then 1' (p,i+1)
T2
else empty
(x,i)
if x=q then 1'e
P C
else empty
(x,i)
T3
(x,i)
if x=p then 1'e
else empty
P D
e
(x,i)
T4
(x,i)
2'e
P E
case x of
p => 2'e
| q => 1'e
(x,i)
T5
Figura 3.3: RPC descrevendo a alocação de recursos do sistema (marcação inicial M0).
Fonte: Jensen, 1992.
43
Para um determinado lugar, as fichas nele contidas devem possuir cores que
correspondam a um determinado tipo. Este tipo é denotado conjunto de cores do lugar.
Analisando a rede constante na Figura 3.3, no lugar R, todas as fichas nele contidas
serão do tipo E. Deste modo pode-se perceber que o conceito de cores está para as redes
de Petri coloridas assim como o conceito de tipo está para as linguagens de
programação.
Aos arcos são associadas variáveis, funções matemáticas ou expressões de uma
linguagem de programação. Para que ocorra o disparo de uma transição, as estruturas de
dados contidas nas fichas devem satisfazer as condições contidas nos arcos de uma rede
de Petri colorida, assim como interagiam as fichas e os pesos dos arcos em uma rede de
Petri ordinária.
No canto superior esquerdo da Figura 3.3, pode-se perceber a existência de um
retângulo composto por linhas tracejadas, contendo declarações de uma linguagem de
programação. Qualquer linguagem pode ser utilizada em modelos de RPC, contudo, na
atual conjuntura, é quase que uma regra empregar-se o padrão ML, que possui uma
sintaxe similar à da linguagem C.
Jensen, o criador das redes de Petri coloridas, alavancou pesquisas acerca desta
técnica de modelagem. O Departamento de Ciência da Computação da Universidade de
Aarhus tornou-se o maior expoente mundial no tema em questão e desenvolveu a
ferramenta computacional mais robusta já desenvolvida, até o momento, para a edição e
análise de RPC: o CPN Tools. O CPN Tools utiliza uma linguagem similar ao padrão
ML, denotada CPN ML.
A Expressão [x=q], associada à transição T1 da rede constante na Figura 3.3, é
classificada como uma guarda. Uma guarda é uma regra que restringe o disparo de uma
transição apenas a uma variável de um tipo especificado. No exemplo em questão, a
guarda [x=q] especifica que a transição T1 só está habilitada para processos-q, não
efetuando disparos para processos-p.
44
A seguir, será apresentado um dos problemas clássicos que traçam um paralelo
entre as redes de Petri lugar-transição e as redes de Petri coloridas. O jantar dos
filósofos é um exemplo introdutório do avanço da modelagem advinda da coloração das
fichas.
Cinco filósofos chineses estão sentados ao redor de uma mesa circular, na qual,
em seu centro, existe uma deliciosa travessa com arroz e, entre cada par de filósofos,
existe um garfo. Cada filósofo pode optar por duas ações: pensar ou comer. Para comer,
um filósofo necessita de dois garfos, e ele só pode utilizar aqueles que estão na sua
proximidade, ou seja, o garfo ao seu lado direito e o garfo ao seu lado esquerdo. O
compartilhamento
dos
garfos
impede
que
dois
filósofos
vizinhos
comam
simultaneamente. Na Figura 3.4 é apresentada uma visão esquemática do clássico
problema do jantar dos filósofos.
Figura 3.4: Visão esquemática do jantar dos filósofos.
Fonte: Jensen (s/d).
O leitor se habilita a tentar modelar esse sistema por intermédio de equações
analíticas? Como se trata de um sistema a eventos discretos, modelar esse sistema por
intermédio das redes de Petri, torna a tarefa bem mais simples. Na Figura 3.5 é ilustrado
um modelo do jantar dos filósofos, baseado nas redes de Petri lugar-transição.
45
Figura 3.5: Modelo, do jantar dos filósofos, baseado em redes de Petri ordinárias.
Fonte: Barros (2001).
Os lugares de cor branca representam os estados “filósofo pensando”, os lugares
de cor cinza escuro representam os estados “filósofo comendo”, e, por fim, os lugares
de tonalidade cinza claro representam os garfos.
É importante salientar que, na modelagem de redes de Petri coloridas, o sentido
da palavra cores não está relacionado à idéia de pigmento ou tonalidade, mas sim à idéia
de associação de estruturas complexas de dados às fichas, ao invés das estruturas
binárias utilizadas na modelagem clássica. Este procedimento, dependendo do sistema
modelado, pode reduzir sensivelmente a quantidade de lugares e transições de uma rede.
Na Figura 3.6, é apresentado o problema do jantar dos filósofos modelado por
intermédio de redes de Petri coloridas.
Figura 3.6: Modelo, do jantar dos filósofos, baseado em redes de Petri coloridas.
Fonte: Jensen (s/d).
46
3.3 Apresentação formal às redes de Petri coloridas
Para a modelagem de um sistema, a compreensão, por parte do analista, da
lógica matemática que rege uma RPC não é uma condição indispensável para a
utilização da técnica em foco. Conforme Jensen (1992), qualquer rede poderá ser
especificada apenas em termos da sua representação gráfica.
A definição formal, contudo, propicia ao analista uma maior compreensão da
técnica utilizada, bem como permite analisar propriedades do modelo. Para aqueles que
desejam se aprofundar nos estudos acerca das redes de Petri coloridas, a compreensão
da sua definição formal é tarefa imprescindível.
Conforme Desrochers e Al-Jaar (1995), uma rede de Petri colorida é um grafo
bipartido dirigido representado por uma quíntupla:
CPN = <P,T,C,I,O>
3.5
em que:
-
P é um conjunto finito de lugares de dimensão n;
-
T é um conjunto finito de transições de dimensão m;
-
C são os conjuntos de cores associados com os lugares e com as transições de
modo que:
C(pi)= {ai1,..., aiui}, ui = | C(pi) |, i = 1, ..., n.
C(tj) = {bj1,..., bjvj}, vi = | C(tj) | , j = 1, ..., m.
Os símbolos a’s e b’s representam as cores associadas.
-
I é uma aplicação de entrada C(p) x C(t) → N (inteiros não-negativos)
correspondendo ao conjunto de cores direcionadas dos arcos de P para T.
-
O é uma aplicação de saída C(t) x C(p) → N (inteiros não-negativos)
correspondendo ao conjunto de cores direcionadas dos arcos de T para P.
Note que O(p,t) = OT(t,p).
A associação de dados às fichas torna o modelo mais compacto, mas, em
contrapartida, paga-se um preço: a complexidade das funções de precedência. Nas RdP,
são associados aos arcos Pre e Post valores inteiros, enquanto que, nas RPC, são
associadas aos arcos funções complexas.
47
3.4 Multi-conjuntos
Numa rede de Petri ordinária, a adição ou remoção de fichas de um determinado
lugar implica na operação de soma ou subtração, pois as fichas não portam estruturas de
dados. Nas redes de Petri coloridas, o jogo de fichas não é uma operação tão trivial.
A marcação de cada lugar de uma RPC é um multi-conjunto do conjunto de
cores associado ao lugar. A utilização de multi-conjuntos é necessária para que um lugar
possa armazenar duas ou mais fichas da mesma cor.
Os multi-conjuntos, também denominados bolsas, são um tipo de conjunto no
qual podem ocorrer múltiplas ocorrências de um mesmo elemento. Admitindo um
conjunto X com três elementos, tal que X = {x1,x2,x3}, ao adicionarmos ao conjunto X o
elemento x2, o conjunto continua sendo X = {x1,x2,x3}. Em um multi-conjunto, a adição
do elemento x2 implica no multi-conjunto X’ = {x1,x2,x2,x3}. A repetição do elemento
x2 diferencia o conjunto X do multi-conjunto X’.
O aprofundamento sobre o conceito de multi-conjuntos foge ao escopo deste
texto, sendo cabível neste trabalho apenas uma sucinta introdução sobre o tema. Para
uma discussão mais detalhada sobre tal questão, o leitor pode consultar Jensen (1992).
48
CAPÍTULO 4
MODELO DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO
OPERACIONAL DE TERMINAIS PORTUÁRIOS DE
CARGA UNITIZADA
A avaliação de desempenho é uma atividade de suma importância para a
manutenção da eficiência da operação de um sistema. Lima (2001) apud Costa (2002)
identifica três objetivos distintos para a criação de uma sistemática de avaliação de
desempenho: (a) a monitoração de variáveis e a antecipação de ações dentro de uma
postura preventiva; (b) a resolução de problemas visando à eliminação de causas de
insatisfações ou elevação do nível de satisfação, buscando um processo de melhoria
contínua; e (c) a dissolução do sistema pela obsolescência de sua finalidade.
Os ganhos oriundos da eliminação de deficiências operacionais em terminais
portuários são substanciais devido às economias de escala, pois reduções nos tempos de
movimentação de um contêiner resultam em uma grande redução de tempo, tendo em
vista a quantidade total de cargas movimentadas por um porto em um dado intervalo de
tempo como, por exemplo, meses ou anos.
Este capítulo destina-se a apresentar o modelo proposto, baseado nas redes de
Petri coloridas, para avaliação de desempenho operacional de terminais portuários de
carga unitizada. São citadas, a seguir, as seções que compõem o presente capítulo.
Na primeira seção são apresentadas as condições para a idealização de um
modelo geral da avaliação de desempenho operacional de terminais de carga unitizada.
Na segunda seção, é realizada uma descrição da área de estudo. A terceira seção
destina-se a apresentar o modelo da operação do Terminal Portuário do Pecém. A quarta
seção aborda a validação do modelo proposto. Por fim, a quinta seção tem como
objetivo expor os resultados obtidos através das simulações do modelo, seguidos das
devidas discussões.
49
4.1 CONCEPÇÃO DO MODELO
A concepção geral do modelo de redes de Petri coloridas, a ser aplicada em
qualquer terminal portuário de cargas unitizadas, consiste na definição dos estados, a
serem representados por lugares, dos eventos, a serem representados por transições, e
das informações adicionais do modelo, a serem representadas por cores (tipos de dados).
Após a concepção e a validação do modelo, apresentam-se as recomendações
propostas. É pertinente destacar que todo terminal possui suas peculiaridades, sendo
necessária a adequação do modelo a cada caso analisado. No caso das operações
portuárias, tem-se:
(i) Lugares
Os lugares de uma rede Petri colorida devem representar estados tais como: (a)
contêineres armazenados no pátio; (b) equipamentos livres para uso, como
empilhadeiras, reach satckers, stradle carriers, trantêineres, guindastes ou portêineres;
(c) contêineres sendo movimentados por equipamentos; e (d) contêineres dispostos nas
embarcações.
(ii) Transições
As transições de uma rede Petri colorida deverão representar eventos tais como:
(a) ações de movimentação, remoção e transporte de contêineres; e (b) retorno dos
equipamentos após cada operação.
(iii)Cores
As cores adicionadas às fichas deverão armazenar informações tais como: (a)
identificação dos contêineres; e (b) localização dos contêineres no pátio e nas pilhas de
células unitizadas.
4.2 DESCRIÇÃO DO TERMINAL PORTUÁRIO DO PECÉM
4.2.1 Considerações gerais
O Estado do Ceará possuía, até a década de 90, apenas um grande porto para a
movimentação de suas cargas: o Porto de Fortaleza, também denotado por Porto do
50
Mucuripe. Este terminal se constitui como um porto de 1ª. geração, estando incrustado
no tecido urbano do município de Fortaleza.
O aumento da movimentação de cargas no Porto de Fortaleza tem gerado
grandes problemas para o terminal, pois: (i) o porto em questão não estava apto a
receber grandes embarcações devido às restrições de equipamentos, de instalações e de
calado; e (ii) o fluxo intenso de veículos rodoviários nas operações de entrada e saída do
terminal causava grandes impactos na malha viária do seu entorno.
Deve-se ressaltar, também, que se tornava praticamente impraticável a instalação
de pólos industriais, tais como indústrias petroquímicas, siderúrgicas ou metalmecânicas, no entorno do Porto de Fortaleza. A implantação de equipamentos
industriais de grande monta nas vizinhanças do porto em questão traria uma série de
problemas, não apenas para a capital cearense, mas para o próprio funcionamento das
indústrias.
Tendo em vista a necessidade de expandir a capacidade das modalidades
marítima e de cabotagem no Estado do Ceará, o Governo do Estado decidiu pela
construção de um terminal portuário de grande porte, localizado numa posição
estratégica, que não estivesse contido na cidade de Fortaleza nem demasiadamente
afastado dela. O local escolhido foi Pecém, distrito do município de São Gonçalo do
Amarante, distante cerca 56 km da capital do Estado.
4.2.2 Descrição da infra-estrutura
No que se refere ao acesso marítimo, o Porto do Pecém trata-se de um Terminal
off shore, pois o acesso marítimo às instalações se dá de forma direta não havendo canal
de acesso nem bacia de evolução. A Companhia de Integração Portuária do Ceará CEARÁPORTOS, empresa responsável pela administração do terminal, possui sede na
área do porto, instalando-se em uma edificação de cerca de 1.300 m² de área construída.
Existem diversos órgãos públicos, pertencentes às esferas federal e estadual,
instalados junto ao porto em questão. No que tange aos órgãos da Administração
Pública Federal alojados no Terminal Portuário do Pecém, pode-se citar a Secretaria da
51
Receita Federal; o Ministério da Agricultura; o Ministério da Justiça, representado pela
Polícia Federal; o Ministério do Meio-Ambiente, representado pelo Ibama; o Ministério
da Saúde, representado pela Vigilância Sanitária e o Ministério da Marinha,
representado pela Capitania dos Portos. No que diz respeito aos órgãos da
Administração Pública Estadual pode-se relevar a Secretaria da Fazenda e a Secretaria
da Agricultura.
Conforme CEARÁPORTOS (2004), a concepção do terminal, de buscar águas
profundas, bem como preservação das condições ambientais, faz com que as instalações
para atracação de navios se localizem a certa distância da costa. Portanto, tornou-se
necessária a construção de uma ponte de interligação entre os píeres de atracação e as
instalações em terra, cujas características constam na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Ponte de acesso aos píeres.
Comprimento até o Píer 1
1.789,33 m.
Comprimento até o Píer 2
2.142,61 m.
Largura da faixa de rolamento
7,20 m.
Passeio para pedestre
1,30 m.
Suporte para tubulação
6,75 m.
Suporte para correia transportadora
6,20 m.
Canaleta de serviço para cabos elétricos e cabos óticos
1,10 m x 0,27 m
de comunicação, sob o passeio para pedestre.
Fonte: CEARÁPORTOS (2004).
O Píer 1 foi projetado para operar com carga geral, carga unitizada, assim como
produtos siderúrgicos. O Píer 2 foi projetado para operar com granéis líquidos e gases
liquefeitos, devendo atender prioritariamente aos produtos derivados de petróleo, álcool
anidro e hidratado e o óleo. Nas Tabelas 4.2 e 4.3 são apresentadas as características dos
píeres 1 e 2, respectivamente.
Tabela 4.2: Píer 1 – píer de produtos siderúrgicos e carga geral.
Comprimento
350 m.
Largura
45 m.
Berços de atracação
02 (dois).
Carga máxima admissível
10tf / m².
Berço Interno
16 cabeços de 100 tf.
Berço Externo
16 cabeços de 150 tf.
Profundidade junto aos berços
15,5 m.
Profundidade no canal de acesso
Variando de 15m a 18m.
Profundidade na bacia de evolução
Variando de 15 a 16m.
Fonte: CEARÁPORTOS (2004).
52
Tabela 4.3: Píer 2 – píer de granéis líquidos e gases liquefeitos.
Comprimento
336,56 m.
Plataforma de atracação
45m x 32m.
Berços de atracação
02 (dois).
Ponte de acesso à plataforma
145,96 m
Suporte para tubulação
6,20 m.
Profundidade junto aos berços
Variando de 16m a 17m.
Profundidade do canal de acesso
Variando de 16m a 20m.
Profundidade da bacia de evolução
Variando de 16m a 18m
04 (quatro) dolfins de amarração
08 (oito) dolfins de atracação
Fonte: CEARÁPORTOS (2004).
Junto à ponte de acesso do píer 2, foi construído um píer para os rebocadores
que deverão auxiliar os navios nas manobras de atracação, nos píeres 1 e 2. Na Tabela
4.4, são apresentadas as características do píer para rebocadores.
Tabela 4.4: Píer de rebocadores.
Comprimento
Plataforma de operação
Berços de atracação
Capacidade dos rebocadores
Fonte: CEARÁPORTOS (2004).
76,55 m
60,0 m x 12,5 m.
02 ( dois )
até 50 tf de bollard pull
Como o porto do Pecém foi projetado para ser um terminal marítimo off shore
artificialmente abrigado, foi construído um quebra-mar do tipo berma (rubble mound
breakwater), em forma de "L", com comprimento total de 1.768 m. O quebra-mar
possui uma forma trapezoidal, com uma parte central construída de argila e pedras
fragmentadas de tamanhos variados, e nas laterais inclinadas, pedras de grandes
dimensões, com o objetivo de absorver a energia das ondas.
O pátio, cuja área é de 380.000 m², foi construído para armazenar bobinas e
chapas planas para a usina siderúrgica. O leiaute do pátio permite a armazenagem de
contêineres, sendo reservadas áreas especiais para contêineres refrigerados e contêineres
vazios. Seu pavimento foi construído com Concreto de Alto Desempenho (CAD), de
modo à estrutura resistir às solicitações das cargas gerais e unitizadas.
O porto do Pecém possui dois armazéns: um com área coberta do armazém
6.250 m² e outro com área coberta do armazém 10.000 m². Tais instalações foram
construídas para atender à movimentação de outras cargas soltas que não podem ficar
53
abrigadas a céu aberto, bem como para serem utilizados nas operações de ova e desova
de contêineres.
4.2.3 Descrição dos equipamentos
O porto do Pecém possui um conjunto de equipamentos que obedece à lógica
apresentada no capítulo 2: equipamentos de embarque e desembarque (guindastes),
equipamentos de manuseio (caminhões) e equipamentos de movimentação vertical
(empilhadeiras e reach stackers). Na Tabela 4.5, são descritos os equipamentos de carga
e descarga, bem como os equipamentos de movimentação vertical, pertencentes ao
terminal analisado.
Tabela 4.5: Equipamentos utilizados no Terminal Portuário do Pecém.
Equipamentos PSO - CTO
Tipo de equipamento
Quantidade capacidade
Vida útil
Ano fabricação
RS - 01 reach stacker Ferrari 269
1
70 ton
10 anos
2001
RS - 02 reach stacker Ferrari 269
1
70 ton
10 anos
2001
RS - 05 reach stacker Ferrari 269
1
70 ton
10 anos
2003
RS - 06 reach stacker Ferrari 269
1
70ton
10 anos
2003
Empilhadeira Hyster - h-50xm -gás
1
2,5 ton
10 anos
2003
Yale mod. gtp 050r gás
1
2,5 ton
10 anos
2003
Empilhadeira Hyster - h-50xm gás
1
2,5 ton
10 anos
2003
Guindaste Gottvald. mod. hmk 300e
2
100 ton
10 anos
2002
Equipamentos PSO - TERMACO
Empilhadeira Milan
1
33 ton
10 anos
1987
Empilhadeira Milan
1
39 ton
10 anos
1987
Empilhadeira Milan
1
12 ton
10 anos
2002
Empilhadeira Milan
1
15 ton
10 anos
2002
Empilhadeira Hyster - mod. h55xm gás
1
2,5 ton
10 anos
1992
Empilhadeira Hyster - nº 03
1
2,5 ton
10 anos
1997
Empilhadeira Hyster - nº 03
1
4,0 ton
10 anos
1997
Empilhadeira Hyster - nº 04
1
4,0 ton
10 anos
1997
Empilhadeira Hyster - nº 05
1
4,0 ton
10 anos
1996
Empilhadeira Hyster - nº 06
1
4,0 ton
10 anos
1991
Equipamentos PSO - CTIL
Empilhadeira Top Lander- Hyster ep 33 h1
33 ton
10 anos
1988
diesel
Empilhadeira mod. lind nº 01-gás
1
2,5 ton
10 anos
2001
Empilhadeira mod. lind nº 02-gás
1
2,5 ton
10 anos
2001
Empilhadeira Hyster- gás - nº 01
1
2,5 ton
10 anos
1993
Empilhadeira Hyster- gás - nº 02
1
2,5 ton
10 anos
1993
Equipamentos CEARÁPORTOS
Guindaste Zpmc mod. mpc
1
35 ton
10 anos
2000
Guindaste Zpmc gsu (descarregador de
1
30 ton
10 anos
2000
minério)
54
No que tange à eficiência operacional de seus equipamentos, o porto do Pecém
possui aquilo que há de mais simples na atualidade em movimentação de carga em
terminais portuários. Contudo, seu maquinário atende às suas necessidades, pois o
volume de cargas movimentado pelo porto ainda é modesto, se comparado a outros
terminais de grande porte.
4.2.4 Lógica operacional
Com base em visitas de reconhecimento, pôde-se caracterizar a lógica
operacional do sistema a ser modelado, que consiste no conjunto de procedimentos a
serem realizados para as operações de manuseio. A lógica operacional do porto do
Pecém, no que se refere às operações de embarque e desembarque de contêineres, será
delineada a seguir.
(i) Contêiner no pátio
O pátio do terminal portuário do Pecém possui uma capacidade de 15.600
TEU’s, sendo que estes podem ser dispostos da seguinte forma: (a) contêineres cheios:
pilha de quatro células; (b) contêineres refrigerados: pilha de duas células; e (c)
contêineres vazios: pilhas de seis células.
(ii) Colocação do contêiner no caminhão
O equipamento do tipo reach stacker retira o contêiner da pilha e o coloca em
um caminhão. Caso o contêiner a ser retirado não esteja no topo da pilha, deve haver a
remoção das células acima da unidade escolhida, e, em seguida, recolocação dos
contêineres na pilha.
(iii)Contêiner em trânsito
O contêiner colocado no caminhão é transportado do pátio, passando pela ponte
e chegando ao píer, esperando pelo momento de embarque.
(iv) Contêiner sendo embarcado
O contêiner é retirado do caminhão pelo guindaste, sendo embarcado no navio.
55
(v) Contêiner sendo desembarcado
Na operação de desembarque, a lógica é análoga à da operação de embarque,
ocorrendo na ordem inversa. O guindaste remove uma célula unitizada do navio e a
coloca no caminhão.
(vi) Remoção
A tarefa de remoção consiste na movimentação de contêineres na própria
embarcação, ou, em outras palavras, trata-se da redisposição das células unitizadas no
navio. Embarcações que farão escalas em terminais à jusante do porto do Pecém podem
fazer uma readequação dos contêineres na embarcação, sendo estas movimentações
computadas nas estatísticas do terminal.
(vii) Contêiner em trânsito
O contêiner desembarcado no píer é transportado pelo caminhão, passando pela
ponte e chegando ao pátio.
(viii) Retirada do contêiner do caminhão
Um reach stacker retira o contêiner do caminhão e o coloca em uma pilha do
pátio.
(ix) Contêiner no pátio
Por fim, o contêiner está armazenado no pátio, à espera de ser transportado, via
modal rodoviário, para fora do terminal.
4.2.5 Descrição da operação
A seguir, será descrita a operação corrente do Terminal do Pecém, no que se
refere à movimentação de contêineres.
As embarcações chegam ao terminal e, se o berço estiver livre, um prático efetua
as manobras de atracação. Existe uma inspeção no navio, cuja duração é de cerca de
uma hora, que objetiva verificar, essencialmente, as condições sanitárias da embarcação,
a existência de cadáveres ou de tripulantes portadores de doenças contagiosas, assim
como o porte de armas ou entorpecentes.
56
Após as inspeções, inicia-se a operação propriamente dita. Prioriza-se a
operação de desembarque de contêineres, e, após sua conclusão, inicia-se a operação de
embarque.
Caminhões com características específicas para o recebimento de contêineres
ficam em fila ao lado do guindaste do tipo MHC (Mobile Harbor Crane). O guindaste
retira o contêiner da embarcação e, em seguida, o coloca no caminhão, que parte para o
pátio para a operação de descarga.
É pertinente ressaltar que a atividade de retirada do contêiner do navio é mais
demorada do que a da sua colocação no caminhão. A disposição de contêineres em
locais de difícil acesso (como, por exemplos, os porões da embarcação), e a trepidação
do navio, advinda do movimento ondulatório do mar (efeito conhecido como swell),
contribuem para esta diferença dos tempos.
No pátio, os caminhões são descarregados pelo reach stacker, existindo uma
variabilidade nos tempos desta operação. O tempo de descarregar o primeiro contêiner
diretamente no pavimento do pátio é menor, pois o equipamento praticamente lança a
célula unitizada a uma altura de trinta a quarenta centímetros do piso. Descarregar um
contêiner em cima de outro exige maior cautela por parte do operador, pois choques
mecânicos entre duas células podem danificar a integridade dos contêineres.
No que se refere à operação de carregamentos de caminhões no pátio, os
contêineres que estão no topo da pilha requerem um menor tempo de movimentação.
Por exemplo, caso o contêiner que está na base da pilha tenha que ser embarcado, serão
necessárias as remoções dos contêineres acima deste para que a célula possa ser
colocada no caminhão. Os contêineres removidos, após o carregamento do caminhão,
devem ser recolocados em suas posições iniciais do pátio.
Os caminhões carregados ficam em fila para serem descarregados pelo
guindaste, que retira o contêiner da carreta, colocando-o, em seguida, na embarcação. O
tempo de descarga do caminhão é inferior ao tempo de carregamento do navio, pelos
motivos já explicitados na operação de desembarque. É importante ressalvar que os
57
tempos de remoção do contêiner do navio para o caminhão e os tempos de remoção do
contêiner do caminhão para a embarcação tendem para um mesmo valor, que é de,
aproximadamente, três minutos e meio.
Existem atividades que não consistem na movimentação de contêineres
propriamente dita e que implicam em atrasos na operação. São elas: (a) remoção e
recolocação das tampas dos porões da embarcação; e (b) movimentação do guindaste.
4.3 SISTEMA MODELADO
Tendo em vista as recomendações constantes no item 4.1, assim como a
descrição do funcionamento do terminal realizada no tópico 4.2, desenvolveu-se um
modelo matemático, baseado em redes de Petri coloridas.
Figura 4.1: Operação de contêineres do Terminal Portuário do Pecém modelada por uma rede de Petri
colorida.
58
Nas Tabelas 4.6, 4.7, 4.8 e 4.9 são descritos, respectivamente, os lugares, as
transições, as cores e as variáveis do modelo proposto. O código fonte utilizado na
concepção do modelo, implementado na linguagem CPNML, consta no Anexo I.
Tabela 4.6: Legenda dos lugares da rede apresentada na Figura 4.1.
Lugar
Descrição
P1 Contêineres, no pátio, a serem embarcados.
P2
Reach stacker disponível para manuseio de contêineres.
P3
Contêineres, no pátio, a serem desembarcados.
P4 Caminhão, no pátio, disponível para transporte de contêineres.
P5
Contêiner a ser embarcado, em trânsito, no reach stacker.
P6
Contêiner a ser desembarcado, em trânsito, no reach stacker.
P7
Caminhão, no pátio, pronto para retornar ao píer.
P8
Contêiner a ser embarcado, em trânsito, no caminhão.
P9
Reach stacker pronto para manobra.
P10
Contêiner a ser desembarcado, em trânsito, no caminhão.
P11
Contêiner embarcado no navio.
P12
Contêiner, no navio, a ser desembarcado.
P13
Caminhão, no píer, carregando contêiner para embarque.
P14
Guindaste disponível.
P15
Caminhão, no píer, carregando contêiner para desembarque.
P16
Caminhão, no píer, pronto para retornar ao pátio.
P17
Guindaste, após carga ou descarga, pronto para manobra.
P18
Caminhão, no píer, pronto para receber contêiner.
P19
Contêiner, no navio, a ser removido.
P20
Contêiner removido.
Transição
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T11
T12
T13
Tabela 4.7: Legenda das transições da rede apresentada na Figura 4.1.
Descrição
TA (s)
Reach stacker erguendo contêiner.
10
Reach stacker colocando contêiner no pátio.
27
Reach stacker retornando à posição de manuseio de contêineres.
8
Reach stacker colocando contêiner no caminhão.
27
Reach stacker retirando contêiner do caminhão.
27
Caminhão descarregando transitando do píer para o pátio.
153
Caminhão transportando contêiner do pátio para o píer.
143
Caminhão transportando contêiner do píer para o pátio.
153
Caminhão descarregando transitando do pátio para o píer.
143
Guindaste retirando contêiner do caminhão e colocando-o no navio.
179
Guindaste retornando à posição de manuseio de contêineres.
0
Guindaste retirando contêiner do navio e colocando-o no caminhão.
107
Remoção de contêineres.
183
Em que: TA – tempo mínimo de disparo da transição; e TB – tempo máximo de disparo da transição.
TB (s)
36
92
57
92
92
181
176
181
176
260
0
356
370
59
Tabela 4.8: Descrição das cores da rede apresentada na Figura 4.1.
Cor
Descrição
C1 Conjunto de cores relacionado ao contêiner.
C2 Conjunto de cores relacionado ao reach stacker.
C3 Conjunto de cores relacionado ao contêiner em trânsito no reach stacker.
C4 Conjunto de cores relacionado ao caminhão.
C5 Conjunto de cores relacionado contêiner em trânsito no caminhão.
C6 Conjunto de cores relacionado ao guindaste.
Tabela 4.9: Descrição das variáveis da rede apresentada na Figura 4.1.
Variável
Tipo
Descrição
Inteiro
Identificação do contêiner.
c
l
Inteiro
Localização do container no pátio ou no navio.
p
Inteiro
Posição do container na pilha do pátio ou do navio.
rs
Inteiro
Identificação do reach stacker.
Inteiro
Identificação do caminhão.
ca
g
Inteiro
Identificação do guindaste.
O modelo desenvolvido objetiva representar a dinâmica operacional da
movimentação de contêineres no terminal portuário do Pecém. A adição de cores busca
incrementar a verossimilhança do modelo como instrumento refletor da realidade
portuária, pois facilita a diferenciação das cargas e dos equipamentos do terminal
supracitado.
Como se admitiu a dinâmica da operação do porto como condizente com a teoria
dos Sistemas a Eventos Discretos (SED), os lugares representam os estados do sistema e
as transições os eventos que implicam na mudança de estados.
Os conjuntos de cores associados aos lugares especificam as variáveis que
podem ser associadas a cada lugar. Por exemplo, no lugar P12, só podem ser
armazenadas as variáveis “c”, “l” e “p”.
A variável “c” caracteriza o contêiner. O número associado a essa variável pode
ser relacionado com um banco de dados que descreva minuciosamente as peculiaridades
mais significativas da célula unitizada como, por exemplo, tipo de carga, dono da carga,
data de entrada do contêiner no terminal, data prevista de saída da carga do terminal.
A variável “l” caracteriza a localização do contêiner no pátio. A carga a ser
embarcada encontra-se numa quadra do pátio, assim como a carga a ser desembarcada
60
destina-se a uma determinada quadra do pátio. Pode-se associar cada quadra do pátio a
um valor inteiro.
A variável “p” caracteriza a posição do contêiner na pilha de armazenagem do
pátio. Por exemplo, se p=1, o contêiner é o primeiro da pilha.
A variável “rs” caracteriza cada reach stacker. O número associado a essa
variável pode ser relacionado com um banco de dados que descreva minuciosamente as
peculiaridades mais significativas do equipamento como, por exemplo, características,
dono e operador do equipamento.
A variável “ca” caracteriza cada caminhão e a variável “g” caracteriza o
guindaste. Deve-se proceder analogamente ao que foi proposto para a variável “rs”.
Essa diferenciação dos componentes do sistema traz os seguintes benefícios: (a)
pode-se avaliar, individualmente, a eficiência de cada equipamento empregado na
operação do terminal; e (b) pode-se mensurar o tempo em que cada contêiner foi
manuseado.
4.4 VALIDAÇÃO DO MODELO
4.4.1 Discussão conceitual
A fase de validação é uma das etapas mais relevantes no processo de modelagem
de sistemas, pois ela qualifica um modelo como apto a ser implementado como
instrumento de auxílio à tomada de decisões na realidade analisada. A validação é,
também, um tema bastante polêmico no meio acadêmico, existindo diversas
controvérsias e divergências entre as diversas correntes de pensamento. Deste modo, é
oportuna uma discussão mais aprofundada sobre o tema.
Shannon (1975) destaca os três principais paradigmas relacionados à validação
de modelos: o paradigma racionalista, o paradigma empirista e o pragmatismo absoluto.
O pensamento racionalista está estritamente relacionado com a matemática e a
lógica. Os racionalistas, usualmente, buscam desenvolver uma hipótese expressa
61
matematicamente, ajustando os fatos observados através de aplicação regras de lógica
formal, com o intuito de deduzir diversas conseqüências. Para os racionalistas, o modelo
é válido quando se estabelecem equações ou formalismos que demonstram sua validade.
O pensamento empirista está na outra extremidade do espectro filosófico. Os
empiristas recusam-se a admitir que exista qualquer premissa ou consideração que não
possa ser verificada a partir de experimentos ou da análise de dados empíricos. Para os
empiristas, o modelo é validado através de comparação experimental entre os resultados
do modelo e a realidade.
O pragmatismo absoluto é uma corrente de pensamento mais radical. Se o
modelo desenvolvido para um determinado objetivo ou uso atende à sua finalidade,
então o modelo é válido. Os pragmáticos absolutos não se preocupam com o
comportamento interno do modelo, eles vêem apenas as relações entre os dados de
entrada e de saída do modelo.
Neste trabalho, buscou-se mesclar essas três correntes de pensamento. O
formalismo das redes de Petri permitiu a validação lógica do sistema; o resultado das
simulações foi contrastado com a realidade através de experimentação; e, por fim, o
modelo foi considerado válido por se constituir num instrumento de auxílio à tomada de
decisão na gestão do porto do Pecém.
Modelos de simulação têm como função ampliar o entendimento do analista
sobre o atual funcionamento do sistema modelado e sobre como este se comportaria
após intervenções em sua estrutura operacional. Essa compreensão pode ser obtida
através da projeção de cenários e da análise de sensibilidade.
Fishman e Kiviat (1967) apud Shannon (1975) dividem a avaliação de
simulações em três categorias: (a) verificação: assegura que o modelo se comporta de
acordo com o intuito do analista do sistema modelado; (b) validação: testa a
concordância entre o comportamento do modelo e do sistema real; e (c) análise do
problema: concebe inferências estatisticamente significativas geradas a partir de
simulações.
62
De acordo com Moldt e Kordon (2003), o termo verificação é freqüentemente
confundido com validação. De modo geral, a verificação é a tarefa de checagem do
atendimento de um modelo a uma dada especificação. Um modelo é correto se ele
preenche todas as propriedades contidas na especificação. A validação é a tarefa de
checagem de que um modelo ou sistema satisfaz as expectativas do usuário ou cliente.
Outro termo freqüentemente confundindo com validação é a palavra calibração.
A calibração consiste no ajuste dos parâmetros de um modelo de modo que este se torne
mais representativo da realidade analisada. A calibração é, na verdade, uma fase do
processo de validação.
Conforme Goldbarg e Luna (2000), a fase de validação do modelo destina-se a
comparar seu comportamento com a realidade e, se necessário, atuar sobre seus
componentes de modo a aproximar ao máximo o desempenho do modelo ao
funcionamento do sistema real.
De acordo com Shannon (1975), a validação é o processo de avaliação, para um
nível aceitável de confiança do usuário, se qualquer inferência sobre o sistema, derivada
de uma simulação, é correta.
A relação entre a utilidade de um modelo e o seu grau de validade é ilustrada na
Figura 4.2. Pode-se afirmar que a validade de um modelo varia em uma escala de 0 a 1.
Na medida que se pretende incrementar a representatividade de um modelo, aumenta-se
também o custo da modelagem.
Figura 4.2: Relação utilidade versus validade de um modelo.
Fonte: Shannon (1975).
63
Um modelo com validade igual a 1 seria uma abstração completamente válida da
realidade; contudo, os custos para concepção de um modelo desta natureza, usualmente,
não justificariam os benefícios obtidos. Logo, não é a maximização da validade do
modelo que deve ser buscada, mas sim a maximização de sua razão benefício/custo.
Dependendo da finalidade da modelagem e da natureza do sistema modelado,
deve-se buscar um maior grau de validade. Por exemplo, o modelo do protótipo de um
satélite deve ser altamente válido, já o modelo do atendimento de um supermercado não
necessita ser tão preciso.
Como especificações ou modelos podem ser validados? Segundo Moldt e
Kordon (2003), existem diferentes soluções quando se usam redes de Petri: (a)
observação e inspeção das propriedades estáticas da rede, no caso de redes não
executadas; (b) simulação e observação, inspeção de cobertura, avaliação de
desempenho, julgamento, teste, correção e diagnóstico; (c) animação; e (d) geração e
execução de código.
Sendo assim, pode-se ressaltar a potencialidade das redes de Petri como técnica
de análise de sistemas, principalmente no que se refere à validação de modelos.
4.4.2 Avaliação do modelo
O modelo constante no item 4.3 foi concebido gradualmente, passando por
diversos ajustes até chegar à sua versão final. As visitas de reconhecimento ao porto do
Pecém foram imprescindíveis para esse processo, principalmente no que se refere à
adição e remoção de lugares na rede.
Os tempos aferidos in loco trouxeram uma maior compreensão do processo de
passagem de estados do sistema, isto é, das ocorrências de eventos.
Ao longo dos estágios da modelagem, foram realizadas diversas simulações, sob
a forma de animação, com o intuito de observar o funcionamento do modelo. Essas
simulações possibilitaram a detecção de falhas e incoerências no modelo.
64
No item 4.5, onde são apresentados e analisados os resultados obtidos nas
simulações, as saídas do modelo são avaliadas e comparadas com o sistema real.
4.4.3 Análise das propriedades comportamentais da rede
A seguir, são analisadas as propriedades comportamentais da rede modelada.
(i) Reiniciabilidade
A rede não é reiniciável, pois não existe nenhuma marcação a ser alcançada que
permita o retorno à marcação inicial.
A não verificação desta propriedade corrobora com os princípios empregados na
modelagem proposta. As fichas representam, em essência, equipamentos e contêineres.
Se os contêineres vão sendo removidos da embarcação para o pátio ou vice-versa, não é
desejável que o sistema volte ao seu estado inicial. Se isso ocorresse, todos os
contêineres retornariam para seus lugares de origem (navio ou pátio), o que seria um
absurdo.
(ii) Vivacidade
A rede não é viva, pois no término da operação de embarque e desembarque, o
sistema entra em bloqueio.
Como se partiu da premissa de que, a partir do momento que toda carga fosse
manuseada, o sistema pararia de operar, a ausência da vivacidade é coerente com os
princípios empregados no processo de modelagem.
(iii)Limitação
A limitação depende da marcação da rede. A verificação da limitação é de suma
importância para a constatação da coerência do modelo, pois a partir da análise dessa
propriedade pode-se avaliar se existe algum erro na rede que está produzindo ou
excluindo fichas de modo não condizente com o modelo idealizado.
65
Verificou-se a limitabilidade na rede modelada no software CPNtools e viu-se
que ela era coerente com as marcações utilizadas.
4.5 SIMULAÇÃO DE CENÁRIOS, ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS
RESULTADOS OBTIDOS
Com base nos dados da operação do navio Urca, que foi atendido no porto do
Pecém no dia 12 de janeiro de 2006, foi realizada uma simulação computacional,
denominada cenário 1, com o intuito de avaliar o desempenho do sistema.
Foram considerados como dados de entrada do cenário inicial: (a) 47 contêineres
a serem desembarcados; (b) 31 contêineres a serem embarcados; (c) 2 reach stackers; e
(d) 10 caminhões.
A operação do Porto do Pecém é de responsabilidade de empresas privadas, não
tendo sido possível a obtenção de dados relativos aos planos de embarque e
desembarque de contêineres. Deste modo, foram atribuídos valores unitários às
variáveis “c”, “l” e “p”, já que estas não afetam na simulação propriamente dita.
Admitiu-se que o tempo de ocorrência dos eventos fosse equivalente à média
entre o tempo mínimo e o tempo máximo de disparo das transições. É oportuno
relembrar que estes tempos estão ilustrados na Tabela 4.7.
O sistema real movimentou, em média, treze contêineres por hora, enquanto, no
modelo, o porto movimentou, em média, 15,2 contêineres por hora.
O tempo de operação do Urca, na data supracitada, foi de 6 horas, e, em
contrapartida, o tempo de operação obtido pelo modelo foi de 5,11 horas. Essa
discrepância de 14,8%, entre o tempo real e o tempo simulado, pode ser justificada
pelos seguintes fatores: (a) não foram consideradas as operações de retirada e
recolocação das tampas dos porões da embarcação; (b) não foi modelada a atividade de
movimentação do guindaste; não foram considerados outros tipos de paralisações.
Os tempos de retirada e de recolocação da tampa de um porão do navio,
somados, tendem ao valor de três minutos; já o tempo de movimentação do Mobile
66
Harbor Crane aproxima-se de oito minutos. Pode-se perceber que as interrupções
consomem parcelas significativas do tempo de operação.
O modelo representa uma operação ideal, em que não ocorrem interrupções. A
movimentação de contêineres no terminal portuário do Pecém não é contínua, devido à
ocorrência de paralisações. O modelo, portanto, não representa fielmente a realidade;
contudo, a modelagem é válida no sentido de avaliar o desempenho do porto no que se
refere à quantidade de contêineres a serem movimentados e às frotas de equipamentos
alocadas.
A seguir, apresenta-se um exemplo de como aplicar o modelo proposto na
análise de eficiência do terminal, assim como no dimensionamento de frotas.
Por taxa de utilização entende-se a razão entre o tempo em que um recurso passa
sendo efetivamente usado e o tempo total de operação do sistema. Na Tabela 4.10, são
ilustradas as taxas de utilização dos equipamentos no cenário 1.
Tabela 4.10: Taxas de utilização dos equipamentos empregados para o cenário 1.
Equipamento
Tempo de operação (h) Taxa de utilização (%)
Reach satcker 1
4,79
88,3
Reach satcker 2
4,78
85,8
Caminhão 1
3,58
61,4
Caminhão 2
4,50
79,1
Caminhão 3
4,70
89,1
Caminhão 4
5,00
82,9
Caminhão 5
4,69
88,7
Caminhão 6
4,89
88,0
Caminhão 7
5,13
95,1
Caminhão 8
5,08
94,7
Caminhão 9
4,84
96,4
Caminhão 10
4,63
79,3
Guindaste 1
5,30
97,0
Com base nas taxas de utilização apresentadas na Tabela 4.10, pode-se ressaltar
que o guindaste é o equipamento que governa a operação do terminal. Esse resultado
corrobora com o modelo proposto, pois condiz com a realidade observada nas visitas de
reconhecimento.
67
Os caminhões, apesar de apresentarem altas taxas de utilização, possuem, neste
cenário, ociosidade acentuada. Na animação do modelo, pode-se perceber que os
caminhões passam a maior parte do tempo à espera de atendimento de outros
equipamentos do que efetivamente em operação. Essa característica do modelo também
condiz com a realidade observada nas visitas de campo.
A frota de dez caminhões foi bastante elevada para a operação do Urca,
implicando numa operação extremamente ineficiente. Cenários foram simulados
reduzindo-se, paulatinamente, o número de caminhões alocados. Na Tabela 4.11 são
ilustrados os resultados destas simulações.
Tabela 4.11: Análise de sensibilidade da variável quantidade de caminhões no desempenho do sistema.
Variação no tempo de
Frota de caminhões
Tempo de operação (h)
total de operação (%)
10
5,14
0
8
5,14
0
6
5,14
0
4
5,14
0
2
6,83
32,8
Com base nos resultados obtidos pelo modelo, pode-se constatar que uma frota
composta por apenas quatro caminhões seria suficiente para a operação analisada. É
pertinente ressaltar que o tempo total de operação do sistema não varia utilizando-se dos
quatro, seis oito ou dez caminhões.
68
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
5.1 INTRODUÇÃO
A presente monografia derivou de uma pesquisa cuja finalidade era o
desenvolvimento de um modelo de avaliação de desempenho operacional de terminais
portuários de carga unitizada, enfocando as operações de embarque e desembarque de
contêineres em navios.
Tendo em vista que um porto pode ser considerado com um Sistema a Eventos
Discretos, o modelo desenvolvido foi baseado em redes de Petri coloridas, sendo
aplicado ao caso do Terminal Portuário do Pecém, situado no Estado do Ceará.
Este capítulo tem por objetivo destacar a relevância e a originalidade do modelo
proposto, assim como os benefícios obtidos com sua aplicação. O capítulo em questão
também explicita as limitações da modelagem apresentada, tecendo recomendações para
o aprimoramento do modelo.
5.2 RELEVÂNCIA, ORIGINALIDADE E RESULTADOS DO MODELO
5.2.1 Importância do modelo desenvolvido
A metodologia, apresentada neste trabalho, para avaliação de desempenho
operacional de terminais portuários de carga unitizada, mostrou-se de grande valia para
a gestão de portos. Os sistemas portuários são, além de complexos, onerosos em sua
operação. As economias de escala resultantes de um planejamento rígido das atividades
portuárias justificam os esforços direcionados para uma maior compreensão e controle
da dinâmica dos sistemas portuários.
É oportuno destacar que a avaliação de desempenho deve ocorrer nos diversos
níveis do planejamento portuário. Pouco adianta avaliar as operações de embarque e
desembarque de contêineres sem, por exemplo, avaliar a eficiência de um terminal em
sua totalidade. Deste modo, as avaliações de desempenho nos níveis operacional, tático
e estratégico, não são concorrentes, mas sim complementares.
69
5.2.2 Originalidade da modelagem apresentada
É imprescindível ressaltar que, na revisão bibliográfica que deu suporte a este
trabalho, assim como em buscas feitas na internet, não foi encontrado nenhum trabalho
que utilizasse as redes de Petri coloridas para a modelagem de terminais portuários.
Sendo assim, pode-se constatar que o presente trabalho é original, constituindo-se como
uma pequena contribuição científica para a área de Planejamento e Operação de
Sistemas de Transportes.
Enquanto as modelagens correntes de simulação consideram as variáveis do
sistema de uma forma agregada, o emprego das redes de Petri coloridas permite o
acompanhamento de diversas variáveis, tais como localização dos contêineres, tempo de
movimentação de cada célula unitizada e diferenciação dos equipamentos, de uma
forma concisa.
O formalismo matemático característico à técnica supracitada, também é um
diferencial no modelo desenvolvido neste trabalho, no tocante à utilização de outras
metodologias de simulação. A análise de propriedades estruturais e comportamentais
pode propiciar ao analista uma maior compreensão da realidade modelada.
5.2.3 Resultados obtidos pelo modelo
A modelagem proposta apresenta diversos aspectos relevantes, dentre os quais
podem ser destacados:
(i)
Através da modelagem efetuada obteve-se uma maior compreensão da dinâmica
da operação de um terminal portuário de carga unitizada, em que a operação do
sistema portuário pôde ser acompanhada a cada instante, ao contrário do que
ocorre com outros modelos de simulação;
(ii)
A aplicação ao caso do Terminal Portuário do Pecém mostra que o modelo
proposto pode ser empregado no dimensionamento e caracterização de frotas de
equipamentos de movimentação e transporte, trazendo ganhos à produtividade
portuária;
70
(iii) O modelo proposto não se restringe à operação de contêineres, podendo também
ser empregado na simulação operacional do manuseio de outros tipos de carga
unitizada; e
(iv) A modelagem pode ser aplicada, após ajustes, a qualquer terminal portuário de
carga unitizada.
No que diz respeito à aplicabilidade do modelo proposto, podem ser feitos os
seguintes comentários. Apesar da teoria das redes de Petri coloridas estar calcada em
um arcabouço matemático complexo, exigindo um elevado grau de conhecimento do
assunto, por parte do analista, para a tarefa de modelagem, manusear um modelo já
estabelecido não se caracteriza como uma atividade difícil.
O software CPNTools, editor de redes de Petri coloridas utilizado nesta
monografia, possui uma interface orientada a objetos bastante amigável e de manuseio
simples para usuários correntes de microcomputadores. Tal fato torna plenamente
plausível o emprego do modelo proposto no planejamento da operação de terminais
portuários. Para que tal utilização se concretize, basta a realização de um treinamento do
corpo técnico do terminal para que este possa realizar, com autonomia, simulações de
modo a subsidiar a tomada de decisão na gestão do porto.
5.3 LIMITAÇÕES DO MODELO PROPOSTO
O modelo apresenta algumas limitações intrínsecas ou que decorreram de
simplificações no escopo da pesquisa, dentre as quais pode-se ressaltar:
(i)
Não foram consideradas, no modelo, as atividades de manuseio das tampas dos
porões das embarcações, as atividades de preparação dos guindastes, tampouco
outros tipos de paralisações;
(ii)
O modelo proposto restringiu-se a modelar as operações entre o pátio e o píer,
relativas ao embarque e desembarque de contêineres. Outros segmentos da
atividade portuária, tais como entrada e saída de cargas no terminal via ramais
rodoviários e ferroviários, inspeções alfandegárias, armazenagem de cargas em
depósitos e movimentação de granéis sólidos e líquidos, não foram contemplados;
71
(iii) Não foi feita uma avaliação econômica dos cenários de operação, fator
extremamente limitante para a escolha do melhor cenário operacional; e
(iv) O modelo é determinístico, em que as incertezas não são consideradas.
5.4 PROPOSIÇÕES PARA FUTUROS ESTUDOS
Tendo em vista os promissores resultados que podem advir da aplicação das
redes de Petri em portos, sugere-se a aplicação desta técnica na modelagem de outros
tipos de terminais de transportes, tanto de carga como de passageiros.
Uma pesquisa complementar a esta monografia seria uma modelagem do
Terminal Portuário do Pecém baseada nas redes de Petri estocásticas. O ajuste de
funções de densidade de probabilidade às transições poderia ser um incremento
substancial de verossimilhança da realidade representada. Um maior volume de dados é
requerido para uma melhor compreensão da natureza probabilística das operações de
um porto.
O conhecimento acerca do processo de chegada de navios ao píer do porto é de
suma relevância para o cálculo da taxa de ocupação; portanto, sugere-se agregar essa
atividade ao modelo desenvolvido nesse trabalho.
Devem ser adicionadas, ao modelo, as atividades de retirada e recolocação das
tampas dos porões das embarcações e de movimentação dos guindastes, assim como de
outros tipos de interrupções das atividades de manuseio de contêineres.
Uma definição das composições de custos de operação dos equipamentos do
Porto do Pecém é de suma importância para a aplicação de estudos de simulação
voltados para a gestão contínua do terminal. Sendo assim, propõe-se um estudo que
objetive a quantificação das composições de custos operacionais do terminal
supramencionado.
Partindo-se da premissa de que o comportamento do Porto do Pecém não é
satisfatório, ele pode ser modificado através de controle. A modificação do
comportamento de um sistema pode ser realizada pela restrição do seu funcionamento a
72
um subconjunto do conjunto de eventos passíveis de ocorrência no sistema não
controlado.
Os conceitos da Teoria do Controle Supervisório (TCS) podem ser aplicados no
planejamento e no controle das atividades portuárias, evitando a ocorrência de situações
indesejáveis como, por exemplo, acidentes, congestionamentos e elevados tempos de
espera. Sugere-se, portanto, o emprego da TCS no âmbito do Terminal Portuário do
Pecém.
73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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acompanhamento de preços e desempenho operacional dos serviços portuários:
cartilha de orientação. Brasília.
Arruda, J.B.F. e Bastos, M.M.M. (2001a) Instrumentos estratégicos para o
Desenvolvimento Regional. Revista Econômica do Nordeste.V.32.
Arruda, J.B.F. e Bastos, M.M.M. (2001b) Contribuição para a definição de uma
política orientada para o desenvolvimento socioeconômico nacional em uma
economia globalizada: o caso do subsetor portuário brasileiro. Transportes –
experiências em rede, p. 35-57. FINEP.
Ballou, R. H. (2001) Logística Empresarial, Editora Atlas, São Paulo.
Barros, J.P.M.P (2001) Introdução à modelação de sistemas utilizando redes de Petri.
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17, No. 3.
Bogossian, M.P. (1983) Modelo de análise para a operação portuária de carga geral.
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Cardoso, J. e Valette, R. (1997), Redes de Petri. Ed. UFSC. Florianópolis.
Cassandras, C.G e Lafortune, S. (1999) Introduction to Discrete Event Systems. Kluwer
Academic Publishers. United States of America.
CEARÁPORTOS (2004) www.cearaportos.ce.gov.br. Acesso no dia: 20/11/2004.
74
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77
ANEXOS
78
ANEXO I
CÓDIGO FONTE DO MODELO DESENVOLVIDO
Standard declarations
colset INT = int;
var c,l,p,rs,ca,g:INT;
colset C1 = product INT*INT*INT timed;
colset C2 = INT timed;
colset C3 = product INT*INT*INT*INT timed;
colset C4 = INT timed;
colset C5 = product INT*INT*INT*INT timed;
colset C6 = INT timed;
colset C7 = INT;