Wagon Tracking Mário André Rocha Cristóvão Coelho Dispositivos e Redes de Sistemas Logísticos Professor Alberto Manuel Ramos da Cunha

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1 Wagon Tracking Mário André Rocha Cristóvão Coelho Dispositivos e Redes de Sistemas Logísticos Professor Alberto Manuel Ramos da Cunha Dezembro de 2008

2 ÍNDICE Introdução..2 Objectivo.. 2 Métodos Actuais. 3 Tecnologias Propostas...4 RFID...4 GPS.8 Código de Barras..9 Impacto na Gestão de Carruagens Conclusão...13 Bibliografia.14 Anexos..15 1

3 INTRODUÇÃO Apesar do grande desenvolvimento que as áreas da electrónica e comunicações têm sofrido actualmente, existem ainda vários trabalhos mais pontuais, mas não menos importantes, que continuam a ser executados manualmente. Neste trabalho pretende se sugerir novos métodos que possivelmente aumentem a segurança, a eficiência e a eficácia dos métodos de gestão de carruagens. OBJECTIVO Neste trabalho tem se como objectivo pesquisar e analisar informações sobre sistemas de gestão de carruagens actualmente utilizados pelas empresas ferroviárias, bem como sugerir melhorias e analisar essas sugestões, comparativamente aos métodos usados actualmente. 2

4 MÉTODOS ACTUAIS Actualmente as carruagens são na maioria dos casos, monitorizadas manualmente. Enquanto os comboios de passageiros, em viagens regulares, são monitorizados a cada duas horas, as carruagens de carga são monitorizadas entre períodos que variam entre os 4 a 5 dias. O problema da monitorização manual é a grande possibilidade de ocorrerem erros humanos. Por exemplo, um funcionário de um posto de controlo regista o número de série de cada carruagem e, depois, insere esse número manualmente no sistema de gestão da empresa de caminhos de ferro. Desta forma, só neste simples acto, existem dois pontos em que pode ocorrer erro humano o registo no papel e a introdução no sistema. Geralmente, o número de identificação de cada carruagem que é inserido na base de dados da empresa é composto por 12 a 14 dígitos alfanuméricos, sendo eles, 5 a 7 dígitos com o número da carruagem, 2 a 3 letras que identificam a via férrea onde se encontram e o proprietário, e 4 letras que indicam o tipo de carruagem e que material transporta. Assim, qualquer erro que possa acontecer na transmissão desta informação, resulta na transmissão de informação completamente diferente da realidade. Cada erro pode resultar na elaboração de relatórios em conflito e tem o potencial para corromper toda a base de dados da empresa e gerar o caos. 3

5 TÉCNOLOGIAS PROPOSTAS Com o principal objectivo de eliminar a elevada probabilidade de ocorrência de erro humano, existem tecnologias que permitem informatizar todo o processo. Exemplos são o GPS (Global Positioning System) e o RFID (Radio frequency identification), vamos abordar este último com mais pormenor, pois é independente de sistemas de satélite e mais preciso. RFID Radio frequency identification A sigla RFID, em Português Identificação por Rádio Frequência, e representa uma tecnologia de identificação automática via rádio através de um sistema de emissores/receptores designados por tags RFID que permite recuperar e armazenar dados remotamente. Uma tag ou etiqueta RFID passiva é um pequeno objecto que pode ser colocado numa pessoa, animal, equipamento, embalagem, veículo, entre outros. Esta etiqueta contém chips e antenas que a permitem responder a sinais de rádio enviados por uma base transmissora. Existem ainda etiquetas RFID activas, equipadas com uma bateria, que podem também enviar sinais, para permitir maiores trocas de informação com a base transmissora. Estas são consideravelmente mais caras do que as etiquetas passivas, sendo que o preço de uma etiqueta passiva é aproximadamente 5 euros e o de uma etiqueta activa anda perto dos 50 euros. Quanto ao restante equipamento necessário para o total funcionamento do sistema RFID, deve contar se com: 4

6 Leitores (RFID readers) O leitor é o componente de comunicação entre o sistema RFID e os sistemas externos de processamento de informações. A complexidade dos leitores depende do tipo de etiqueta (tag) e das funções a serem aplicadas. Os leitores mais sofisticados apresentam funções de verificação de paridade de erro e correcção de dados. Uma vez que os sinais do receptor sejam correctamente recebidos e descodificados, podem ser aplicados algoritmos para decidir se o sinal é uma repetição de transmissão de uma tag. Cabeça de leitura/escrita Uma cabeça de leitura/escrita realiza a comunicação dentro do sistema de RFID. É uma antena que fica num dispositivo junto com o transmissor e o descodificador, geralmente em configurações portáteis. A antena induz energia às etiquetas, para comunicação de dados dentro do campo de transmissão, estes dados, depois de lidos, são passados ao controlador do sistema de RFID. A antena emite um sinal de rádio, activando a etiqueta e realizando a leitura ou escrita. Essa emissão de ondas de rádio é difundida em diversas direcções e em distâncias desde uma polegada até alguns metros, dependendo da potência e da frequência usada. O tempo decorrido nesta operação é inferior a um décimo de segundo, portanto o tempo de exposição necessário do tag é muito pequeno. A função da cabeça de leitura/escrita é ler e descodificar os dados que estão numa etiqueta que passa pela zona electromagnética gerada pela sua antena. As cabeças de leitura existem em diversas formas e tamanhos conforme a exigência operacional da aplicação. Controladores O controlador de RFID é o dispositivo de interface que controla todo o sistema periférico de RFID (antena e transponders) além da comunicação com o resto do sistema. Existem vários controladores de RFID disponíveis para vários protocolos de comunicação. Os sistemas de RFID também podem ser definidos pela faixa de frequência em que operam: 5

7 Sistemas de Baixa Frequência (30 a 500 KHz): Para curta distância de leitura e baixos custos. Normalmente utilizados para controlo de acesso, rastreamento e identificação de animais. Sistemas de Alta Frequência (850 a 950 MHz e 2,4 a 2,5GHz): Para leitura em médias ou longas distâncias e leituras em alta velocidade. Normalmente utilizados para leitura de etiquetas em veículos ou colecta automática de dados numa sequência de objectos em movimento. Figura 1: Esquema do sistema RFID Figura 2: Sistema RFID aplicado a linhas férreas Figura 3:Cabeça de leitura/escrita Para dispositivos com etiquetas RFID activas, o tempo de vida da bateria ainda é um problema. A curta duração da carga das baterias actuais limita o tempo de vida das etiquetas, pois estas requerem mais poder de processamento, que por sua vez requer maior fornecimento de energia. Para dispositivos com etiquetas RFID passivas, embora eles recebam energia transmitida pelo leitor no momento da utilização, a carga obtida nesse momento é proporcional à distância que a etiqueta se encontra do leitor, de modo que quanto mais distante estiver, menor será a carga que recebe. Isto limita alguns aspectos de funcionamento, pois obriga que as etiquetas 6

8 passem mais próximo do leitor para receberem a carga apropriada para o processamento. Assim, através de etiquetas colocadas nas diferentes carruagens, cada carruagem pode fornecer informações ao sistema que permitem saber qual a composição do comboio em termos de numero e tipo de carruagens que o compõem e qual a posição que está a passar em cada momento. Ainda pode ser útil se existirem informações sobre a última revisão efectuada em cada carruagem ou locomotiva, avisando em tempo prévio que essa composição deve ser alvo de cuidados de manutenção. Se a empresa optar por um sistema de etiquetas activas, pode ter ainda outros proveitos, como indicar ao maquinista qual a velocidade recomendada a que deve passar em cada local, de acordo até com informações meteorológicas e com o horário que a cumprir. Existe muitas vezes o problema de não se saber onde se encontra determinada carruagem, que faz falta para um determinado transporte específico. Com este sistema, o controlador simplesmente procura no sistema quais foram os últimos pontos por onde a etiqueta dessa carruagem passou, e sabe onde essa carruagem se localiza. Existem já empresas que fornecem sistemas de RFID também para locais de carga/descarga, que não só identificam como também pesam cada carruagem. Isto pode facilitar em cais de embarque para determinar o peso das mercadorias carregadas nos barcos ou mesmo para simplesmente saber o peso que foi carregado em cada carruagem. Como se pode ver na figura: Figura 4: Cabeça de leitura/escrita com balança 7

9 GPS Global Positioning System O sistema GPS (Global Positioning System) ou Sistema de Posicionamento Global, é um sistema de posicionamento por satélite, por vezes incorrectamente apelidado de sistema de navegação. O sistema está dividido em três partes: espacial, de controlo e utilizador. O segmento espacial é composto pela constelação de satélites. O segmento de controlo é formado pelas estações terrestres dispersas pelo mundo ao longo da Zona Equatorial, responsáveis pela monitorização das órbitas dos satélites, sincronização dos relógios atómicos de bordo dos satélites e actualização dos dados de almanaque que os satélites transmitem. O segmento do utilizador consiste num receptor que capta os sinais emitidos pelos satélites. Um receptor GPS (GPSR) descodifica as transmissões do sinal de código e fase de múltiplos satélites e calcula a sua posição com base nas distâncias a estes. A posição é dada por latitude, longitude e altitude, coordenadas geodésicas referentes ao sistema WGS84. O receptor capta os sinais de quatro satélites para determinar as suas próprias coordenadas, e ainda o tempo. Depois, o receptor calcula a distância a cada um dos quatro satélites pelo intervalo de tempo entre o instante local e o instante em que os sinais foram enviados (esta distância é chamada pseudodistância). Descodificando as localizações dos satélites a partir dos sinais de microondas (tipo de onda electromagnética) e de uma base de dados interna, e sabendo a velocidade de propagação do sinal, o receptor, pode situar se na intersecção de quatro calótes, uma para cada satélite. Figura 5: Esquema GPS 8

10 Até meados do ano 2000, o departamento de defesa dos EUA impunha a chamada "disponibilidade selectiva", que consistia num erro induzido ao sinal impossibilitando que aparelhos de uso civil operassem com precisão inferior a 90 metros. Porém, nesse ano foi assinada uma lei que determinou o fim dessa interferência no sinal do sistema, desse modo entende se que não há garantias que em tempo de guerra o serviço continue a disposição. Outro ponto fraco do sistema GPS é que a maioria dos receptores não consegue garantir uma precisão inferior a 10 metros, sendo que existem receptores com precisão de 1 metro cujo preço ronda os 3000 euros. Figura 6: Esquema do sistema GPS em conjuntos Locomotiva/carruagens Porém, a não ser que se instalassem sistemas de GPS em todas as carruagens, o que é bastante dispendioso e poderá tornar o sistema algo pesado e confuso, apenas seria possível saber a localização de uma composição de carruagens. Este é o método utilizado pela CP com o programa Autodesk Map Guide, implementado em 1998, como se poderá ver em anexo. Código de barras O código de barras é um sistema de etiquetas com código binário que compreende barras em preto e espaços em branco dispostos numa configuração paralela de acordo com um padrão predefinido. A sequência, composta de barras largas e estreitas e de espaços, pode ser interpretada alfanumericamente. As barras e os intervalos entre elas, a altura das barras, a posição da barra e a distância da barra mais próxima, podem caracterizar o código de 9

11 barras. A leitura é feita por um sistema óptico de laser pela reflexão diferente de um feixe de laser pelas barras pretas e pelos espaços brancos. Um dos problemas com o código de barras é que se pode fazer a identificação de apenas um objecto de cada vez. Além disso, a quantidade de dados que pode ser armazenada no código é limitada. O leitor de código de barras tem necessariamente que estar apontado para o código para efectuar sua leitura, logo, ocorrem erros de leitura caso o artigo codificado esteja empoeirado, sujo ou com algum defeito na sua etiqueta de identificação. A grande vantagem é o baixo custo de implementação e manutenção, bastando a impressão das etiquetas codificadas e um aparelho de leitura. A ideia é dar a cada objecto um número de identificação único. Este número de identificação pode ser representado por código de barras que, por sua vez, podem ser lidos por um scanner e enviados para o sistema (computador). A captura automática da informação é rápida e exacta, levando a que os erros de leitura e intervenção humana sejam menores. O código de barras poderá ser uma alternativa menos dispendiosa para reduzir a possibilidade de ocorrência de erro humano na introdução de dados no sistema pelos funcionários dos postos de controlo. Este sistema, apesar de ser menos dispendioso, é bastante mais simples e não abre tantas possibilidades quanto os anteriores (RFID E GPS) na informatização de toda a rede férrea em que a empresa actua, para além de que só será feita a identificação nos postos de controlo existentes com presença humana e com o conjunto de carruagens parado. Figura 7: Código de barras Figura 8: Leitor de código de barras 10

12 Impacto na Gestão de Carruagens Todas as tecnologias descritas acima têm as suas vantagens e desvantagens, convém reflectir sobre elas, na aplicação aqui estudada que é a gestão de carruagens. A tecnologia de código de barras, não pode ser vista como uma inovação no sistema, mas também não é dispendiosa quando comparada com o GPS ou o RFID. Daí que, se a empresa apenas pretende reduzir a probabilidade de ocorrência de erro humano, sem fazer um investimento avultado, poderá optar por esta tecnologia, e manterá todo o seu método de trabalho. Se a empresa for mais ambiciosa, e pretender oferecer um melhor serviço, virando se para o futuro e inovando tecnologicamente, deverá analisar a tecnologia RFID e GPS. A tecnologia RFID permite a monitorização de todas as carruagens, através da instalação de etiquetas RFID passivas em todas elas. O único defeito é os espaços entre leitores, não serem monitorizados. A tecnologia GPS, apesar de poder ser utilizada em qualquer parte, sem necessidade de leitores físicos no local e totalmente sem fios, visto não ser reconhecia como um sistema de navegação e ser dependente de sistemas satélite, que são comandados por países estrangeiros, poderá ser pensada como um complemento do sistema RFID. O ideal seria implementar o sistema RFID em todas as carruagens e implementar um aparelho GPS apenas nas locomotivas. O Sistema RFID é preferido na monitorização das carruagens porque: Permite avisos automáticos visuais e sonoros a bordo (ASVA). Posiciona o comboio no sistema com uma precisão de 10 cm. controla automaticamente a velocidade do comboio, com sistemas de travagem de emergência. Revela a informação da configuração do comboio (todas as informações relacionadas com as carruagens acopladas). Nos comboios de passageiros, tem precisão suficiente para auxiliar o enquadramento com os apeadeiros e estações, para permitir a entrada e saída de pessoas. 11

13 Permite á gestão, saber onde foi a ultima passagem de cada carruagem, eliminando a perda de carruagens e permitindo uma optimização do processo. - Suporta múltiplas operações de leitura/escrita (actualizações: as carruagens podem dispor de uma etiqueta que conterá o manifesto de carga, o qual é actualizado à medida que estas são carregadas ou descarregadas no caso de etiquetas activas). Desta forma seria possível monitorizar todos os elementos da empresa, e ter como sistema auxiliar um sistema do estilo Autodesk MapGuide utilizado pela CP (ver anexo) que permita a monitorização em tempo real de cada conjunto em circulação. As alterações que estas tecnologias provocariam no sistema actual serão a diminuição progressiva do número de postos de controlo físicos humanos, até a sua extinção, e a instalação progressiva de postos de controlo electrónicos (RFID), até ao ponto em que a rede seja monitorizada na sua totalidade e em todos os pontos necessários. Quantos mais pontos de controlo digitais forem criados, maior será a precisão do sistema de gestão. 12

14 Conclusão Ao longo deste trabalho foi identificado o método de gestão mais utilizado na monitorização de carruagens e foram descritas as tecnologias que melhor poderão revolucionar o método de gestão actual. Os transportes férreos serão importantes no futuro, devido à preocupação ambiental, existindo cada vez mais locomotivas eléctricas. Nesse sentido, será obrigatória a informatização do sistema em tempo real, para possibilitar a gestão de todos os conjuntos locomotiva carruagens. Posto isto, o uso dos actuais postos de controlo e também das etiquetas com código de barras não será uma evolução para o futuro da gestão de carruagens. Neste trabalho ouve dificuldades na pesquisa de informações relacionadas com a gestão utilizada pelas empresas de transporte férreo, sendo que o trabalho poderia eventualmente estar mais enquadrado com a actualidade se houvesse acesso a mais informações e a casos de estudo sobre o tema. 13

15 Bibliografia RFID Field Guide : Deploying Radio Frequency Identification Systems by Manish Bhuptani wagons_will_build_on_consignment_tracking.html Com Australia/Range of RFID tags andreaders available from Electro Com n Solucoes Para Industria Ferroviaria/ networking.com/articles/articledisplay.asp?id=

16 ANEXOS 15

17 Caso de Estudo GIS GIS - Sistemas de Informação Geográfica 23 CP - Caminhos de Ferro Portugueses Optimização dos transportes ferroviários da CP A CP utiliza a tecnologia Autodesk MapGuide inserida num vasto projecto, que começou a delinear-se em 1998 com a necessidade que a empresa sentiu em optimizar o seu desempenho, através de um acompanhamento em tempo real dos seus meios de produção e mercadorias transportadas. Tendo em conta a optimização do seu desempenho e a prestação de melhores serviços e Informações ao cliente a CP desenvolveu um projecto denominado Train Office. Os seus objectivos fundamentais prendem-se com, a obtenção de um maior controlo sobre os desvios do realizado em relação ao programado, uma melhor gestão de meios e uma mais eficaz informação ao cliente. É nesta sequência que surge o projecto Train Office, como ferramenta que envolve todas as aplicações que têm por base a recolha de informação em tempo real dos comboios para os centros, e recolhe essa informação suportada numa rede de transmissão rádio GSM. O Autodesk MapGuide é utilizado no Train Office numa aplicação de georeferenciação, onde se visualizam os O cliente beneficia deste projecto de uma forma indirecta, através de uma gestão mais eficaz da produção do transporte conseguida pela CP, e, numa fase seguinte, de uma forma directa, pela informação que lhe será disponibilizada através do sistema passageiros e clientes de transporte de mercadorias continua Pedro Carreira. O Train Office é um projecto em constante desenvolvimento, tendo sempre em conta a qualidade dos serviços prestados ao cliente. A disponibilização de web sites para consulta dos clientes será apenas efectuada numa fase seguinte, quando o produto se encontrar num estádio de maior implementação. Por outro lado, o projecto visa também uma integração futura em toda uma logística de transporte envolvendo terminais de AMMOS que foi desenvolvido em parceria entre a CP e outras empresas de transportes públicos de Lisboa. O AMMOS consiste num web site que permite guiar utilizadores dos transportes da cidade indicando nomeadamente, horários, interfaces e ligações intermodais. Objectivos do Projecto Train Office > Comerciais - Elaboração e controlo das Declarações de Expedição de mercadorias - Informação ao cliente da localização das mercadorias e estimativa de prazo de entrega > Operacionais - Informação on line sobre a circulação dos comboios - Gestão da movimentação de carruagens, vagões e locomotivas - Emissão a bordo dos boletins de circulação e frenagem - Visualização do horário dinâmico no Computador de bordo pelo pessoal de condução - Comunicações de voz entre o Cº e os Centros > Gestão de Recursos - Informação da localização e estado dos veículos - Recolha de dados sobre a ocupação dos recursos humanos e realização das respectivas tarefas comboios na sua posição actual, sobre a rede ferroviária inserida no mapa de Portugal. Para a obtenção da localização dos comboios, essa aplicação recorre ao posicionamento por GPS, enviado periodicamente por SMS através de uma rede GSM. A aplicação permite também localizar veículos individuais locomotivas, carruagens e vagões. A utilização da tecnologia MapGuide era necessária ao projecto, com vista à georeferenciação, que é uma funcionalidade considerada essencial. Além da visualização em tempo real da posição dos comboios, é possível a partir dos objectos no mapa comboios, estações, passagens de nível, etc., estabelecer links a queries de dados, actuais ou históricos, úteis à gestão da produção, refere Pedro Carreira, chefe de projecto do Train Office. mercadorias e outros transportes rodoviários e marítimos. Desta forma, cedendo e transmitindo dados, os operadores poderão encadear todas as suas operações por forma a alimentar a cadeia logística do transporte porta a porta e permitir ao cliente um acompanhamento completo da sua mercadoria. As entidades envolvidas neste projecto são a Dir. de Programação e Controlo da CP, as Unidades de Negócio de Mercadorias e de Passageiros e a Efacec, que é o fornecedor do projecto Global Train Office e responsável pelo seu desenvolvimento. A CP compreende ainda um outro projecto, o qual utiliza a tecnologia Autodesk MapGuide. Estamos a falar do projecto Funcionalidades futuras - Disponibilização de informação para consulta dos clientes dos comboios de passageiros, incluindo em trânsito - Informação sobre o estado dos veículos e respectivos órgãos (alarmes técnicos, temperatura de de eixos, etc) - Informação sobre o estado das mercadorias (temperatura dos vagões frigoríficos, registo e choques mecânicos, etc) Sobre a CP A CP é uma empresa de transportes ferroviários de passageiros suburbanos e interurbanos - e de mercadorias, orientada para o cliente. O seu principal objectivo é prestar serviços de transporte ferroviário com uma dinâmica de inovação, salvaguarda do ambiente e melhoria da segurança através de: oferta de comboios competitivos em termos de rapidez, frequência, pontualidade, conforto e higiene; pessoal qualificado e motivado; organização flexível com resposta aos desafios do mercado; sistemas de preços tendo em conta a relação preço/qualidade; desenvolvimento de parcerias estratégicas; valorização das relações com as comunidades locais, entre outros. A utilização da tecnologia MapGuide era necessária ao projecto, com vista à georeferenciação, que é uma funcionalidade considerada essencial." M[27]