Infra-Estruturas Viárias:

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1 Design e Inovação Infra-Estruturas Viárias: Um Sistema de Gestão Inovador AUTORES: Maria da Conceição M. Azevedo, Professora da FE da Universidade Católica Portuguesa, Directora da CAeMD Paulo Fonseca, Engenheiro Civil, Direcção do Departamento de Engenharia e Inovação da MonteAdriano Engenharia e Construção SA André Costa, Mestre em Geologia, Direcção do Departamento de Engenharia e Inovação da MonteAdriano Engenharia e Construção SA 1. INTRODUÇÃO A principal função de uma rede viária é oferecer ao utente uma infra-estrutura que permita a circulação de veículos em adequadas condições de segurança, conforto e economia. A segurança depende, não só das características de traçado, das condições de drenagem das águas superficiais, do tipo e condições de componentes, tais como, elementos de sinalização (vertical e horizontal), guardas de segurança, semáforos, delineadores, dispositivos de protecção dos motociclistas, mas também das características do pavimento, entre as quais a regularidade e a resistência à derrapagem, conferida pela textura superficial (rugosidade) e pelo atrito. Qualquer dos eventos identificados sofre durante a sua vida útil um processo de degradação sob a acção das condições atmosféricas e da utilização. Se não existirem estratégias de conservação planeadas, pode correr-se o risco da ocorrência de acidentes e de, no limite, ao deixar-se degradar o Património ter de se proceder a uma substituição completa dos elementos ou de uma reconstrução do pavimento. Contudo, com o recurso a meios de auscultação (inspecção) e de modelos de previsão do comportamento, é possível estabelecer prioridades de intervenção e de optimizar a afectação dos recursos disponíveis, de forma a dotar uma rede de um Índice da Qualidade desejado, possibilitando uma gestão integrada da manutenção e reabilitação do Património. Para tal, desempenham um papel importante os estudos dos custos de conservação e os sistemas e planos de conservação mais adequados a cada caso, integrados num Sistema de Gestão. 46 /

2 Um sistema de gestão de infra-estruturas viárias é constituído por um conjunto de módulos, cuja interacção é definida no fluxograma apresentado na figura 1, dos quais se destacam: - Implementação de uma Base de Dados Rodoviária BGT; - Avaliação da Qualidade da Rede, definindo os Indicadores Estrutural e Funcional; - Diagnóstico e Definição das Estratégias de Conservação da Rede (Aplicação dos Recursos); - Estabelecimento dos Planos e Programas de Investimento (outputs). FIGURA 1 - MODELO CONCEPTUAL DE UM SISTEMA DE GESTÃO 2 - SISTEMA SARA Neste contexto, está em curso o desenvolvimento do sistema SARA com o objectivo de disponibilizar critérios racionais de decisão relativamente à gestão da rede, independentemente do nível organizacional da entidade gestora, da complexidade da rede rodoviária em questão, ou da informação disponível sobre a mesma. Os desideratos propostos são conseguidos através da inventariação e caracterização da rede a velocidades normais de circulação (80 km/h), o que permite adquirir informação na ordem das centenas de quilómetro por dia. Por sua vez, a funcionalidade de detecção automática sobre as imagens adquiridas, permite disponibilizar rapidamente a informação de input ao sistema de cálculo dos indicadores que traduzem o estado da rede (figura 1). Os dados a inventariar, adquiridos a partir de uma viatura (SIMI, Sistema Móvel de Inventário, vd. figura 2), tais como as infraestruturas (pavimentos, drenagem, sinalização rodoviária, obras de arte, taludes, etc.), as dependências e os equipamentos que existem nas vias, permitem proceder à avaliação do seu estado de conservação e definir as estratégias de manutenção, centrando-se a análise na qualidade do serviço prestado aos utentes e na optimização da gestão do ciclo de vida da via e dos equipamentos complementares a esta. FIGURA 2 - SIMI VIATURA DE INSPECÇÃO DE PAVIMENTOS O sistema de gestão apresentado no presente artigo resulta de um projecto de I&D promovido pela Monte Adriano Engenharia e Construção SA, enquadrado na estratégia de criação de valor ao conjunto das actividades do Grupo MonteAdriano, na óptica da prestação de consultadoria aos Donos de Obra e para utilização interna do Grupo nos contractos de conservação com base no desempenho. O seu desenvolvimento está direccionado para o mercado da gestão de redes viárias, podendo ser aplicado a qualquer outro tipo de rede, tal como a aeroportuária, portuária, ferroviária, ou outra. Permite a determinação do Valor Patrimonial (conjunto dos activos) de uma rede e serve de ferramenta para a gestão da sua conservação, baseada em estratégias de carácter técnico e económico que potencializam a manutenção de um determinado Índice da Qualidade de uma rede, associadas à minimização dos respectivos custos. O sistema combina um conjunto de câmaras 3D, sensores de aquisição de dados de última geração, em paralelo com rotinas de análises de dados, nas quais a sua detecção automática por via de processamento de imagens digitais representa um dos factores inovadores do projecto. O objectivo principal do Sistema é o de desenvolver um plano estratégico permitindo a cada cliente: a) Capitalizar os investimentos realizados em infra-estruturas e equipamentos; b) Aumentar a eficácia de actuação (estratégias de manutenção óptimas a curto, médio e longo prazo); c) Melhorar a produtividade e optimizar os recursos materiais; d) Visualizar os dados e as estratégias de manutenção em mapas interactivos; e) Monitorizar e comunicar a qualidade de serviço prestado ao utente da rede. / 47

3 Design e Inovação Em termos de inovação e desenvolvimento, a gestão do Património, integrando medidas de observação, reabilitação e conservação, apoia-se no aperfeiçoamento da análise sistemática de informação relativa à rede construída e à evolução do seu estado, ou qualidade, ao longo do tempo. O objectivo é desenvolver programas que permitam optimizar os recursos económicos disponíveis, face a padrões de qualidade predefinidos, fundamentados no adequado conhecimento da evolução do comportamento dos eventos da rede ao longo do tempo. O SIMI, que incorpora já diversas das funcionalidades previstas no projecto (figura 3), é um sistema aberto, permitindo a integração de novos equipamentos, sejam derivados de novos desenvolvimentos tecnológicos, seja pela especificidade imposta por um serviço particular. FIGURA 3 - SISTEMA DE INVENTÁRIO MÓVEL O sistema combina a base de dados das condições dos vários eventos a analisar com as características da rede já conhecidas e permite prever o comportamento futuro, repartindo os recursos da forma mais vantajosa. Um dos aspectos de Inovação do SARA face aos sistemas existentes é a de proporcionar a gestão da conservação de vários eventos do Património como um todo, melhorando a eficácia de actuação dos gestores das redes, principalmente os que dispõem de meios humanos e financeiros limitados. Um outro aspecto ligado não só à Inovação, mas também ao Desenvolvimento, prende-se com o estabelecimento de um Índice da Qualidade que integra não só o Indicador Estrutural, mas também o Indicador Funcional. O sistema SARA integra uma componente de hardware de aquisição de dados no exterior, consistindo basicamente no SIMI, um sistema de software de armazenamento de dados e uma componente de análise e produção de relatórios, já em fase de trabalho de gabinete EQUIPAMENTOS DE INSPECÇÃO A concepção e produção de um equipamento, instalado numa viatura, que permite, em simultâneo, a aquisição de imagens dos vários eventos (levantamento das patologias e do estado), a medição da irregularidade longitudinal do pavimento por sensores laser, a visualização e parametrização da geometria da estrada e recolha de dados sobre o traçado (cruzamentos, intersecções, etc.), a detecção por geo-radar da existência de outras infra-estruturas em profundidade, a composição ou anomalias dos pavimentos em profundidade, constituem um dos aspectos de I&D. Os equipamentos instalados no SIMI são: - Sistemas de geo-referenciação (GNSS associado a sistema inercial e odómetro); - Aquisição de pares de imagem estereoscópicas (resolução dependente das câmaras utilizadas); - Sistema de imagem 3D com iluminação por led para detecção de anomalias no pavimento (fissuras, peladas, etc.); - Aquisição de imagens térmicas de infravermelhos; - Sistema LIDAR para identificação de cavados de rodeira e execução de perfis transversais; - Aquisição de dados com Ground Penetrating Radar (GPR). A aquisição de dados tem uma componente fundamental na detecção automática, a partir de pares de imagens estereoscópicas. A importância deste aspecto reside no rigor dos dados obtidos, na sua geo-referenciação, e na redução de tempo e dos custos de mão-de-obra relativamente a tarefas de interpretação e edição em gabinete. A aquisição de imagens é realizada por 2 ou 3 câmaras que podem ter resoluções variáveis, bem como ângulos de captação consoante as especificidades do trabalho a realizar. A 3ª câmara pode ser de 360o ou apenas de controlo. Neste sistema é utilizado um receptor GNSS com mono ou dupla frequência e com possibilidade de se obterem dados para pós-processamento. Um odómetro permite calibrar o sistema GNSS nas distâncias percorridas de modo a não acumular erros em distância, caso se perca o sinal. O IMU constituído por giroscópios e acelerómetros de 3 eixos cada, vai permitir corrigir as direcções para que não sejam acumulados desvios significativos quando o sinal GNSS é fraco ou inexistente. Com este sistema de posicionamento podem-se obter precisões absolutas de ordem decimétrica e georreferenciadas. Um sistema CAM-SYNC permite sincronizar a obtenção de imagens e etiquetá-las com o tempo GNSS emitido pelas efemérides (figura 4). 48 /

4 O sistema tem autonomia para períodos de operação até 10 horas sendo os dados gravados num dataloger de alta capacidade com memórias não mecânicas para melhor resistir às vibrações provocadas pelo deslocamento da viatura. Trinta minutos de recolha de imagens com resolução de 800x640 equivalem a cerca de 60 Mb de dados armazenados. FIGURA 4 - UNIDADE DE ARMAZENAMENTO DE DADOS E SISTEMAS DE GPS A utilização do registo de reflexão electromagnético proporcionado pelo GPR, abre ainda a possibilidade de estudar os materiais dos pavimentos sob o ponto de vista das suas características dieléctricas, o que oferece perspectivas alargadas que vão desde a inferição de patologias nas camadas betuminosas, à detecção de estados hídricos diferenciais nas camadas granulares. Estes assuntos são também campo de investigação no contexto do projecto SARA. Conforme as especificidades de uma dada rede viária ou por solicitação do Dono de Obra (incluindo o orçamento disponível para a auscultação), poder-se-á utilizar todas ou al gu mas das funcionalidades ou dos equipamentos que integram o SIMI BASES DE DADOS Está ainda prevista a utilização de câmaras 3D para avaliar o estado de fissuração e sensores laser para a determinação da irregularidade do pavimento (IRI). Outro dos equipamentos complementares do SIMI é a unidade de GPR (figura 5), que permite registar as interfaces do pavimento que ocorrem em profundidade, e assim, as diferentes camadas que constituem o pavimento, bem como a definição da sua espessura. Também este equipamento permite operar a velocidades compatíveis com o tráfego. A utilização do método geo-radar permite dispor de informação sobre a espessura das diferentes camadas dos pavimentos e a análise dos materiais do ponto de vista das suas características dieléctricas. FIGURA 5 - ANTENA DE GPR INSTALADA NA VIATURA DE INSPECÇÃO O sistema de aquisição de dados (SIMI) alimentará o Sistema de Gestão de Activos Rodoviários (SARA ). Este, por sua vez cruza os dados históricos da rede, com os dados obtidos por via do modelo de detecção e geo-referenciação automática, tendo em vista suportar as decisões relativas às intervenções de manutenção e/ou reabilitação da via. Para suportar todo o sistema será criada uma base de dados geográfica temporal que foi considerada o tipo de ferramenta que melhor responde às necessidades do sistema. Esta base de dados mantém uma estabilidade e consistência elevadas perante as alterações relativas ao estado de conservação dos elementos da via ao longo dos tempos MODELO DE ESTRATÉGIAS DE CONSERVAÇÃO A metodologia de análise de redes suportada pelo SARA conta com um Índice da Qualidade Global, o qual irá integrar a análise e processamento de todos os elementos recolhidos. O objectivo é definir uma forma objectiva de classificar uma via, com base em algoritmos que integram a informação recolhida. Este Índice inclui não só um Indicador Estrutural, mas também um Indicador Funcional, de forma a poder exibir não só a capacidade de suporte e estrutura do pavimento, mas também a segurança e conforto que a via oferece aos seus utentes. Na figura 7 apresenta-se o fluxograma do processo. FIGURA 7 - FLUXOGRAMA DO PROCESSO O GPR é um método de inspecção em contínuo, que apenas com um reduzido número de carotes de confirmação, apresenta significativas vantagens sobre a tradicional inspecção exclusivamente suportada por carotagem (figura 6), permitindo eliminar as dúvidas sobre os pontos exactos em que ocorre uma mudança entre estruturas de pavimentos diferentes. FIGURA 6 - COMPARAÇÃO DE UM RADARGRAMA (AMOSTRAGEM CONTÍNUA) COM DADOS DISCRETOS DE CAROTES EXTRAÍDAS POR SONDAGEM À ROTAÇÃO / 49

5 esign e Inovação SOFTWARE Além do software instalado na viatura que permite a geo-referenciação, recolha e armazenamento das imagens, este sistema possui um software de reconhecimento automático de imagem de modo a detectar em tempo real os objectos inventariados, identificá-los e georreferenciá-los. Numa posterior passagem da viatura, as correcções e alterações serão feitas de modo quase automático. Após os dados serem armazenados na base de dados geográfica temporal passa-se ao software de classificação das vias. O desenvolvimento e ajuste de algoritmos permitirão disponibilizar indicadores, objectivos e racionais, de apoio à tomada de decisões de gestão no âmbito da exploração das vias da rede. O programa formula de seguida um diagnóstico do estado das secções da rede. Este diagnóstico estabelece a origem provável das degradações e propõe a solução tipo para a conservação ou reposicionamento do estado das secções. Esta análise é baseada sobre a comparação do Índice Global da Qualidade com certos limites fixados. Um exemplo de agrupamento de secções de pavimentos é indicado na figura 8. Recorrendo a imagens estereoscópicas georreferenciadas torna-se possível, após uma rápida passagem pelos lanços de estrada alvo do cadastro, reunir em trabalho de gabinete, a informação mais relevante relativa à sinalização vertical e horizontal existente na via, equipamentos de segurança, sistema de iluminação, muros, taludes, estado do pavimento, etc. Neste trabalho incluem-se já 350 km de vias inspeccionadas e em fase de interpretação em gabinete. Tirando proveito da colecção de imagens com sobreposição, adquiridas segundo eixos paralelos, e baseado nos efeitos de paralaxe, a constituição de pares de fotografias estereoscópicas, permite medições directamente sobre as fotografias (figura 9). FIGURA 9 - IMAGEM DO ECRÃ DO SOFTWARE DE VISUALIZAÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE IMAGENS FIGURA 8 - SOLUÇÕES TIPO DE INTERVENÇÃO FUNÇÃO DO ÍNDICE GLOBAL Deste modo, transfere-se para uma fase de edição em gabinete, um trabalho que até aqui teria que ser desenvolvido in situ, com todas as penalizações que isso implicava, nomeadamente e com grande importância, do ponto de vista de custos. No âmbito do SARA é possível produzir relatórios de avaliação da rede; definição de estratégias de intervenção e identificação de prioridades, assim como mapas temáticos da rede sobre aspectos de inventário e de análise de funcionalidade da rede. 3. CASOS DE ESTUDO Embora o sistema SARA reúna um conjunto de valências, algumas das quais ainda num domínio de investigação e desenvolvimento (I&D), não se encontra integralmente numa fase de pré-produção. De facto, conta-se já com diversos trabalhos em curso suportados por esta tecnologia. Um dos casos de aplicação mais interessantes, actualmente em curso, é o inventário da rede rodoviária do Distrito do Porto em Portugal, para a concessionária rodoviária nacional Estradas de Portugal, EP, que perfaz uma extensão total de mais de 770 km de vias. Naturalmente que existem sempre detalhes e particularidades que justificam uma fase posterior de trabalho de campo, para controlo da qualidade dos dados por via de confirmação presencial por amostragem, assim como a inspecção no local dos aspectos sobre os quais possa pender alguma dúvida, não eliminada com base na análise das imagens. Outros trabalhos que se prevê iniciar brevemente, estão relacionados com a gestão de pavimentos para donos de obra a nível local/regional, que não dispondo de estrutura técnica para administrar as redes viárias de que são responsáveis, perceberam já a importância da gestão sistematizada e suportada por critérios racionais como os que o SARA apresenta. 5 - CONCLUSÕES O SARA é um sistema de gestão de redes viárias inserido num projecto de I&D que, com recurso a ferramentas de auscultação e a modelos de previsão do comportamento, pretende dotar os gestores de redes dos instrumentos necessários para a imple- 50 /

6 mentação das estratégias de conservação mais adequadas, tendo em conta os recursos económicos disponíveis, face a padrões de qualidade predefinidos, fundamentados no conhecimento da evolução do comportamento dos eventos da rede ao longo do tempo. Apresenta, ainda, a flexibilidade necessária para ser aplicado a qualquer outro tipo de rede, tal como a aeroportuária, portuária, ferroviária, ou outra. Uma das componentes deste sistema é o SIMI, sistema de inventário móvel, para aquisição de dados. As potencialidades do SARA tornam-no numa ferramenta indispensável para a gestão optimizada de qualquer rede viária, com importância num contexto internacional e com especial relevância em contratos de conservação integrais do tipo Performance Based Contracts. Nos casos já realizados de aplicação, o sistema implementado permitiu confirmar as potencialidades que lhe estão associadas, não só do ponto de vista da velocidade/custo da aquisição de dados sobre a via, como do ponto de vista do seu rigor e do registo perpétuo que se constitui das estruturas no momento da inspecção. Com um nível de implementação ainda da ordem dos 40%, inseridos num contexto alargado do ambicioso projecto de investigação em curso, face aos resultados já obtidos, prevê-se uma evolução muito significativa, a breve prazo, deste sistema e a colocação no mercado de serviços inovadores nesta área da gestão de vias. BIBLIOGRAFIA AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, American Association of State Highway and Transportation Officials, USA, AZEVEDO, M. C.; SANTOS, L. P.; FERREIRA, A.; MATOS, J.; PEREI- RA, F. C. - Pavement Management System for the Portuguese Administration. Comunicação apresentada à 9th International Road Conference Budapest - Roads for Sustainable Development, Budapeste, Hungria, Abril, AZEVEDO, M. C.; DUARTE, E.; OLIVEIRA, E.; PEREIRA, F. C. - Objectivos e Funcionalidades do Sistema de Gestão de Pavimentos das Estradas de Portugal. Comunicação apresentada ao IV Congresso Rodoviário Português - Estrada 2006, Estoril, Abril, AZEVEDO, M. C.; FERREIRA, A.; PEREIRA, F. C.; SANTOS, L. P. - A Avaliação de Estratégias no Âmbito do Sistema de Gestão de Pavimentos da Administração Rodoviária Portuguesa. Comunicação apresentada ao IV Congresso Rodoviário Português - Estrada 2006, Estoril, Abril, ESTRADAS DE PORTUGAL, SGPav - Sistema de Gestão de Pavimentos, Acção de Formação, Coimbra, Portugal, COSTA, ANDRÉ. Utilização do Georadar na Caracterização de Pavimentos Rodoviários, Tese de Mestrado, DEC-FCT, Universidade de Coimbra, Portugal, COSTA, ANDRÉ; FONSECA, PAULO; GOMES CORREIA, ANTÓNIO. Moisture Map of Pavement by GPR. An Informative Case Study. European Geoscientists Union General Assembly. Vienna, Austria, / 51