APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO DE EVENTOS DISCRETOS PARA AVALIAÇÃO DE CAPACIDADE DE UM TRECHO FERROVIÁRIO

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1 APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO DE EVENTOS DISCRETOS PARA AVALIAÇÃO DE CAPACIDADE DE UM TRECHO FERROVIÁRIO Raquel Carvalho Morais Silva Luiz Antônio Silveira Lopes, D. Sc. Carmen Dias Castro, D. Sc. Departamento de Ciência e Tecnologia Instituto Militar de Engenharia RESUMO O conhecimento da real capacidade de uma malha ferroviária e de seus gargalos é de suma importância para as organizações, pois baseadas nessas análises é que as decisões estratégicas de longo prazo são definidas. Nesse contexto, o objetivo deste artigo é apresentar o diagnóstico de capacidade atual de um trecho ferroviário singelo e a proposição de novos investimentos ou alteração no modelo operacional que alavanquem essa capacidade, de modo a garantir o atendimento da demanda projetada até o ano de Para as análises de capacidade, foi utilizado o software de simulação de eventos discretos Arena, no qual foi possível mensurar os ganhos dos investimentos propostos ao longo do estudo. Considerando um nível de saturação máxima de 90% na malha, a estrutura atual do trecho e o modelo de operação não são capazes de atender a demanda planejada, sendo necessários novos investimentos em infraestrutura e sinalização para os próximos anos. ABSTRACT Knowing the real capacity of a rail network and its bottlenecks is of much importance for the organizations, for long-term strategic decisions are defined based on such analyses. In this context, this article aims at to present the diagnosis of the current capacity of a single track corridor and the proposal of new investments or changes in the operational model that would leverage railway capacity, in order to guarantee the fulfilment of all projected demand until the year of For all capacity analyses, the Arena discrete event simulation software was used, in which it was possible to measure gains from proposed investments throughout the study. Considering a maximum network saturation level of 90%, the corridor s current structure and the operational model are not able to meet the planned demand, and new investments in infrastructure and signalling systems are required on forth coming years. 1 INTRODUÇÃO No Brasil, o transporte ferroviário tem-se desenvolvido ao longo dos anos e possui expectativa de expandir-se significativamente no horizonte de longo prazo. Isso se deve às vantagens do meio logístico que, quando comparada ao setor rodoviário possui, menor custo para os transportes de médias e longas distâncias, maior segurança, pois utiliza de vias exclusivas e é ecologicamente sustentável, com menor impacto ambiental na emissão de carbono. Neste contexto, o principal desafio das empresas ferroviárias é garantir o atendimento ao crescente volume de transporte. Portanto, torna-se interessante estudar a capacidade atual dos trechos ferroviários que possuem potencial aumento de demanda, para que as restrições sejam mapeadas e novos investimentos sejam projetados, garantindo assim o aumento da capacidade e atendimento à necessidade dos clientes. Dessa forma, uma operadora de logística ferroviária, prevendo esse aumento significativo na demanda de transporte, e preocupada com o nível de atendimento aos seus clientes, tem como foco realizar um estudo de capacidade em um dos seus trechos principais, se preparando, assim, para possíveis investimentos ou cortes de demanda, em caso mais extremo. Assim, o objetivo do referente estudo foi realizar o diagnóstico da capacidade atual do trecho ferroviário, considerando o modelo operacional vigente. Na hipótese de essa capacidade ser

2 inferior ao crescimento previsto, serão apontados novos investimentos que alavanquem a capacidade, de maneira a garantir o atendimento de todo o volume planejado, gerando também resultados econômicos para a empresa. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O conhecimento da capacidade vigente e do desempenho dos processos produtivos é utilizado como base para as decisões estratégicas de longo prazo das organizações. Portanto, dispor desse conhecimento é de total relevância para que as empresas sejam capazes de planejar e se preparar corretamente para os próximos anos. Segundo Veloso (2008), as decisões de capacidade são de suma relevância para as organizações, uma vez que incorrerá em alterações de custos e, pelo fato de ser uma das principais premissas para as estratégias de negócio das empresas, e devem estar alinhadas (decisão de capacidade e estratégias). Segundo Banks et. al. (1996), a simulação é a ferramenta adequada quando se necessita estudar e realizar experimentações com as interações entre elementos de um sistema complexo, experimentar novas políticas de operação antes de sua implementação ou até mesmo para verificar e confirmar o resultado de estudos analíticos. Dos Santos (2014) cita que a essência da modelagem de simulação é a caracterização de objetos da vida real como um conjunto de entidades abstratas, o relacionamento entre estas entidades e um conjunto de mapeamentos que dão uma interpretação real às entidades abstratas. Ainda, segundo o mesmo autor, a simulação permite modelar o comportamento de sistemas de qualquer grau de complexidade, com um nível de detalhes mais ajustado a cada caso, e não é necessário, em geral, fazer hipóteses simplificadoras e específicas como nos métodos analíticos, o que pode incorrer no comprometimento da validade destes. Adicionalmente, Prado (1999) define simulação como uma técnica que, usando o computador, procura montar um modelo que melhor represente o sistema em estudo. Assim como em outras metodologias de modelagem, a simulação é utilizada em função do seu baixo custo, maior segurança e rapidez em comparação com a realização de experimentações na realidade. A capacidade máxima do sistema será medida a partir da quantidade de trens que circulam no trecho, considerando o tempo máximo de fila para entrar no trecho ou tempo de ciclo suportado pelo processo. Sendo o tempo de ciclo, o tempo total que um trem leva para cumprir seu percurso completo, ou seja, o tempo de viagem desde a saída da composição do ponto de carregamento até o seu retorno para o mesmo, conforme apresentado na Figura 1.

3 Carga Circulação Vazio Circulação Carregado Descarga Figura 1: Representação do tempo de ciclo O tempo de ciclo é um importante indicador de capacidade de uma operação ferroviária, pois quanto maior esse tempo, menor a capacidade do sistema, mais custo de transporte, pois aumenta a quantidade de material rodante (vagões e locomotivas) e equipagem circulando na malha. Na perspectiva de capacidade, o ciclo é inversamente proporcional, pois quanto menor o ciclo dos trens, mais rápido eles circulam e maior a produtividade, que como dito anteriormente também reduz o custo agregado do transporte. 3 METODOLOGIA DA PESQUISA Para todas as análises de capacidade foi utilizado um software de simulação de eventos discretos, o qual possibilitou identificar os gargalos e criar cenários fictícios de possíveis investimentos. No que se refere a simulação, sabe-se que a mesma é uma história artificial da realidade, na qual é desenvolvida uma imitação do sistema real para o estudo das características desse processo. O trecho a ser estudado no presente artigo foi escolhido por ser um dos locais mais importantes da referida companhia, além de ser potencial gargalo no sistema, visto que o volume cresce significativamente ao longo dos anos e a estrutura atual do trecho possui diversas limitações, tais como pátios com comprimento inferior ao comprimento de alguns trens, sinalização incompleta do trecho, dentre outros. Ao longo do horizonte de estudo ( ) esse trecho ferroviário possui potencial aumento de demanda, prevendo chegar até 57,7% de aumento em 2056, quando comparado com a demanda prevista para 2018, conforme mostrado na Figura 2.

4 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Percentual de Aumento de Demanda 58% 58% 58% 58% 58% 58% 55% 53% 42% 44% 46% 36% 33% 30% 22% 11% 13% 0% 1% 3% 4% Anos Figura 2: Percentual do aumento previsto no volume ao longo dos anos O estudo possui como horizonte de análise os anos entre 2018 e Inicialmente, para a realização do estudo, o mesmo foi subdivido em duas partes, sendo elas: a) A primeira, um diagnóstico do sistema atual, no qual foi calculada a capacidade vigente do trecho ferroviário; b) A segunda, um cenário de investimentos capaz de elevar a capacidade do sistema e atender a demanda no horizonte proposto. 3.1 Características do trecho ferroviário estudado O trecho da malha ferroviária tratado neste artigo é valoroso para a empresa de logística ferroviária que opera na região, pois une dois estados brasileiros de grande relevância na economia do país. Assim, o mesmo possui cerca de 310 km de extensão em linha singela, com operação predominantemente bidirecional, dispõe de sinalização CTC (Controle de Tráfego Centralizado) em 45% da malha e o restante é operado em ordem de avanço, com comunicação via rádio. A malha ferroviária passa por diversos perímetros urbanos, que consequentemente exigem menores velocidades médias comercias (VMC). Alguns pátios nesses locais também possuem operações específicas, podendo ocorrer total restrição de cruzamento de trens ou permissão apenas de cruzamento dinâmico, na qual os trens cruzam simultaneamente, sem parada no pátio. Além das restrições dos pátios que são localizados dentro de perímetro urbano, existem três pátios que impossibilitam o cruzamento de todos os trens, pois possuem comprimentos inferiores aos de alguns trens que circulam no trecho. Essas restrições ocasionam o aumento do headway dos trens, sendo este o tempo mínimo necessário entre dois trens consecutivos de mesmo sentido, para que o segundo não sofra interferência do primeiro. A circulação dos trens na parte não sinalizada do corredor possui diversas restrições que visam garantir a segurança. O trecho atualmente não dispõe de equipamentos que garantam a passagem completa dos trens, portanto em ocorrência de cruzamento os trens necessitam ter sua integridade conferida, ou seja, deve-se verificar se o último vagão que está fisicamente na

5 composição é o último vagão que foi anexado em sua formação (conferência de cauda). Nesse sentido, as conferências de cauda ocorrem quando trens se cruzam nos pátios (cada maquinista confere a cauda do outro trem) ou quando passam por algum local que possui um profissional que possa realizar a conferência (agente de estação, manobrador, entre outros). Em casos de dois trens circulando sequenciados no mesmo sentido, o que circula atrás de outro que não teve ainda sua integridade garantida deve andar em velocidade restrita, preparado para uma possível parada em no máximo a metade do campo de visão do maquinista, no caso de avistar vagões à sua frente. Essa velocidade restrita é mantida enquanto a conferência não é realizada. Os trens que circulam nesse corredor ferroviário podem ser divididos em três grupos, sendo eles: Trens unitários possuem apenas um tipo de produto e cliente, são formados na maioria das vezes com as mesmas características (quantidade de locomotivas, vagões, comprimento, entre outros) e não possuem horário predefinido; Trens de Carga Geral (CG) são compostos por diversos produto e clientes, formados na maioria das vezes com características diferentes (quantidade de locomotivas, quantidade e tipo de vagões, comprimento, entre outros) e demandam mais paradas ao longo do trecho para anexar ou desanexar vagões, respeitando horários predefinidos; Equipamentos de serviço, comboio de locomotivas, dentre outros. Dos tipos de trens citados acima, o que possui maior representatividade no trecho são os trens de Carga Geral. Por possuírem características específicas, esses trens respeitam uma grade de horários desenhada mensalmente, de acordo com a demanda do período e a necessidade de realização de atividades nos trens (abastecimento das locomotivas, inspeção de vagões para manutenção e pesagem das composições). Como exemplo, é possível verificar a grade horária de um trem na Tabela 1 e a legenda de atividades na Tabela 2. Tabela 1: Modelo de grade horária de trens Carga Geral Trem 1 Tempo de Circulação Total 12:50 Pátio de Paradas Tempo de Hora Hora Tempo de Ciculação Chegada Partida Permanência Pátio :30 - Pátio 5 (Atividade 1) 00:55 17:25 18:05 00:40 Pátio 9 (Atividades 3 e 5) 01:40 19:45 20:25 00:40 Pátio 16 (Atividades 1 e 7) 02:45 23:10 00:05 00:55 Pátio 22 (Atividades 1, 2 e 4) 00:20 00:25 00:35 00:10 P26 04:45 05: Tabela 2: Atividades previstas do trem de grade Código Atividades 1 Anexa/Desanexar vagões 2 Trocar equipagem 3 Abastecer 4 Inspecionar composição 5 Anexar/Desanexar locomotiva 6 Pesar composição

6 O corredor ferroviário possui aproximadamente 26 pátios de cruzamento e 20 terminais de atendimento a clientes. Os pátios que apoiam esses terminais possuem poucas linhas e não dispõem de locais separados para manobras, fazendo com que a grande maioria utilize a linha de circulação durante o atendimento, o que restringe a circulação dos demais trens durante esse tempo. 3.2 Simulação do trecho ferroviário Para a simulação do trecho ferroviário, foi construído um modelo de simulação utilizando o software Arena - versão 14.0, no qual foram inseridos dados reais do sistema para o cálculo da capacidade vigente e, logo após, foram desenhados cenários com possíveis investimentos para o aumento da capacidade. Refletindo o modelo real, a simulação do trecho ferroviário também divide a malha em seções de bloqueio (SB), essas seções são trechos da via de limites bem definidos onde pode haver apenas um trem por vez. Estes subtrechos possuem limites definidos por sinais (região sinalizada), os quais devem permanecer fechados para qualquer outro trem que tente adentrar, ou por pátios (região não sinalizada), que são informadas ocupação do trecho via rádio. Essas seções de bloqueio podem variar entre uma ou duas por entre pátio (duas sessões somente em trecho sinalizado). Nesses sub trechos foram inseridas as seguintes informações/características, conforme pode ser observado na Figura 3: Identificação das 57 sessões de bloqueio (SB s), sendo 26 deles pátios de cruzamento e/ou terminais de clientes; Comprimento de cada seção de bloqueio; Tempo de circulação por seção de bloqueio, separadas para trens carregados e vazios, gerados a partir de dados históricos do local; Tipo de sinalização do trecho; Tempo de manutenção preventiva e corretiva. Sentido Carregado P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 Sentido Vazio Figura 3: Esquemático atual do trecho ferroviário

7 Como inputs foram informados: Quantidades de trens previstos ao longo dos anos ( ); Tipo de produto; Comprimento dos trens; Origem e destino; Locais intermediários de Paradas de Atividade de Trens (PAT), para anexar/desanexar vagões, trocar equipagem, abastecer locomotivas, dentre outras atividades. Todos os cenários foram executados com duas replicações de horas, retirando o período transiente de 720 horas (estado inicial da simulação, até o que o sistema entre em regime). Ao final de cada simulação, os resultados foram calculados a partir do período válido (8.040 horas) com a média das duas replicações. Após o cálculo da capacidade máxima do sistema, a mesma foi comparada à demanda prevista em cada ano e calculado o percentual de saturação do trecho, conforme mostrado na Equação 1. A saturação aceitável depende das características do corredor e modelo operacional, para o trecho em estudo, foi utilizada uma saturação máxima de 90%. Saturação = Demanda (1) Capacidade Nos casos em que a saturação do trecho foi superior a esse valor, foi então considerado que o mesmo não possui capacidade de atender à demanda prevista naquele ano. 3.3 Validação do modelo de simulação O objetivo do desenvolvimento do modelo de simulação é utilizá-lo como ferramenta de suporte para a tomada da decisão. No entanto, para que os resultados dos experimentos sejam realmente aplicados é necessário passar pela etapa de validação, na qual são realizados testes que visam responder se o modelo representa com fidelidade o sistema a ser avaliado. Após a estruturação do modelo de simulação, o mesmo foi testado com as características estruturais e operacionais vigentes do trecho ferroviário. Foi inserida também a demanda realizada de um mês específico, para que os resultados reais e simulados fossem comparados. O resultado escolhido para validar o modelo de simulação foi o tempo médio de circulação real do trecho ferroviário. Foi coletado o tempo médio de circulação do mesmo período da demanda utilizada como dado de entrada, para verificar se os tempos estão semelhantes. Conforme se pode observar na Figura 4, a aderência encontrada foi de 98% no sentido carregado e 110% no sentido vazio, totalizando 103% de aderência. Esse valor é recomendável, dado que a diferença é mínima considerando o sistema simulado.

8 Tempo Real x Tempo Simulado 31:21 32:21 14:46 16:17 16:35 16:04 Tempo Real Tempo modelo de Simulação Carregado Figura 4: Tempo real x Tempo de simulação 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Após a validação do modelo de simulação, o mesmo foi executado com os dados de entrada dos dois cenários propostos: a) Modelo operacional e infraestrutura atuais, diagnóstico da capacidade atual do sistema; b) Modelo com investimentos em melhoria operacional e infraestrutura, previstos no longo prazo. Vazio 4.1 Capacidade atual Com base no modelo operacional atual e premissas apresentadas nos capítulos anteriores, o modelo de simulação foi executado para encontrar a capacidade atual do trecho ferroviário e comparar com a demanda dos anos em estudo ( ). Conforme apresentado na Figura 5, é possível perceber que o trecho não possui capacidade de atender toda a demanda projetada para os próximos anos. Além disso, nota-se que a partir de 2031 a operação atual apresenta saturação maior que a aceitável de 90%, chegando em 2056 com a saturação de aproximadamente 115%. Saturação Atual do Trecho Ferroviário 120% 110% 100% 90% 80% 73% 74% 75% 76% 81% 82% 89% 95% 97% 112% 104% 105% 107% 99% 113% 115% 115% 115% 115% 115% 115% 70% 60% Anos Figura 5: Saturação do trecho ferroviário considerando a capacidade vigente

9 Neste cenário, constatou-se a necessidade de implantar novos investimentos, com o objetivo de aumentar a quantidade de trens circulando, garantindo assim o atendimento ao crescente volume ao longo dos anos, sem reduzir o nível atual de atendimento. 4.2 Capacidade final Diante da confirmação de saturação do corredor ferroviário e identificação dos respectivos gargalos (subtrechos que restringem a circulação de uma quantidade maior de trens), foram estudadas e escolhidas soluções de investimentos em projetos que possibilitem o aumento da capacidade da malha ferroviária. Os principais gargalos encontrados no modelo operacional do trecho ferroviário foram os seguintes: Headway dos trens, ocasionados pelos pátios com restrição de cruzamento devido ao comprimento e as restrições de cruzamento por influência de comunidades; Impossibilidade de acumular trens no mesmo sentido, no trecho sem sinalização; Velocidade de circulação reduzida, nos perímetros urbanos e no trecho não sinalizado. Perante esse contexto, foram priorizados os projetos que reduzirão o headway atual do corredor, aumentando a disponibilidade de pátios para cruzamento de todos os trens. Por esse motivo, foram identificados os três pátios para ampliação e 11 pátios para reposicionamento na malha, retirando de locais de perímetros urbanos. Com a implantação desses investimentos, será possível cruzar trens nos 14 pátios, sem qualquer tipo de restrição mapeada atualmente. Somente com esses investimentos em pátios não foi possível atender a demanda dentro da saturação desejada, então foi sugerida também a implantação de sinalização no trecho que atualmente opera em ordem de avanço e comunicação via rádio. Esse investimento traz a solução de capacidade para o horizonte de estudo, possibilitando o aumento da velocidade comercial no trecho e aumento da segurança operacional. Deste modo, foi estudado o ano de necessidade de implantação de cada investimento, conforme o crescimento da demanda. Ao final, foram gerados gráficos com as curvas de percentual de aumento de capacidade e saturação final, conforme se pode observar nas Figuras 6, 7 e 8. 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Aumento de Capacidade x Saturação do Trecho ( ) 73% 73% 74% 75% 75% 75% 76% 76% 81% 79% 80% 81% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 2% 2% 2% 5% % Pátios % Aumento de Capacidade % Saturação Figura 6: Comparação entre aumento de capacidade e saturação nos anos

10 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 86% 86% 85% 85% 84% 83% 85% 84% 83% 5% Pátios 11% 13% 15% 17% 20% 22% 24% 27% 2033 Aumento de Capacidade x Saturação do Trecho ( ) % Aumento de Capacidade % Saturação % 75% 78% 79% 42% 42% 42% 42% Sinalização Figura 7: Comparação entre aumento de capacidade e saturação nos anos Aumento de Capacidade x Saturação do Trecho ( ) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 80% 80% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 81% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% 42% % Aumento de Capacidade % Saturação Figura 8: Comparação entre aumento de capacidade e saturação nos anos Com a implantação dos novos projetos de ampliação e reposicionamento de pátios, combinados com o projeto de sinalização, a capacidade do trecho será elevada, garantindo atendimento à demanda de todo o horizonte de estudo, com a saturação máxima de 86%, que está dentro dos critérios estabelecidos para utilização da malha ferroviária. Na tabela 3, pode-se observar o ganho previsto dos investimentos mapeados ao longo do estudo, sabendo que para realizar a demanda prevista, esses projetos deverão estar em operação nos anos informados. Tabela 3: Cronograma de investimentos previsto no horizonte em estudo Pacote de Ano de Investimento Implantação Investimentos Pátio Readequação de Pátios Pátios Fase I (2032) Pátios Pátio Pátio Pátio Readequação de Pátio Pátios Fase II Pátio (2040) Pátio Pátio Pátio Sinalização em Sinalização 2040 aproximadamente 170 km do trecho. Ganhos Previstos Redução de headway no trecho, aumentando a disponibilidade de pátios para cruzamento. Ganho de velocidade média comercial (VMC) e aumento de segurança.

11 Outras soluções foram avaliadas, como por exemplo, aumento de carga por eixo, aumento de comprimentos dos trens, equipamentos que garantem a integridade do trem, porém devido aos custos associados ou o ganho de capacidade ser inferior ao esperado, as soluções mais recomendadas foram as definidas anteriormente. 5 CONCLUSÕES A partir do estudo apresentado pode-se concluir que a malha ferroviária e o modelo operacional atual não possuem capacidade de atender a demanda prevista em todo o horizonte estudado ( ). No cenário vigente, a saturação do trecho chega a 115% em alguns anos, sendo que o recomendável é no máximo 90%. Portanto, para que a empresa consiga atender toda a demanda projetada ao longo dos anos, considerando o nível de atendimento atual, recomenda-se a implantação dos seguintes investimentos: Ampliação de três pátios que atualmente não cruzam todos os trens; Realocação de 11 pátios, retirando os mesmo de perímetros urbanos; Implantação de sinalização no trecho que atualmente é operado em ordem de avanço e comunicação via rádio. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BANKS, J.; CARSON, J. S. (2004) Discrete-event system simulation. 4ª. Ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey DOS SANTOS, Thales (2014) Simulação e avaliação de desempenho de ramal ferroviário para trens de carga, Revista Militar de Ciência e Tecnologia. NABAIS, R. J. S. Manual Básico de Engenharia Ferroviária. 1. ed. São Paulo: Oficina de Textos, PRADO, D. S. Teoria das Filas e da Simulação. 2. ed. Belo Horizonte: Desenvolvimento Gerencial, VELOSO, Sabrina (2008) Desenvolvimento de modelo lógico e aplicação ferramental para avaliação de capacidade de pátios ferroviários, Revista Militar de Ciência e Tecnologia.