Sistema Telemétrico Autônomo para Monitoramento e Automação de Malhas Metroferroviárias. Resumo

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1 Sistema Telemétrico Autônomo para Monitoramento e Automação de Malhas Metroferroviárias Resumo O presente trabalho descreve um novo método para monitoramento e rastreamento de trens, baseado na transmissão de sinais via radiofrequência, composto por sensores estrategicamente posicionados no trem e ao longo da via. Para seu funcionamento, o sistema de supervisão e controle receberá os dados enviados pela intranet, o que lhe permitirá avaliar a posição e velocidade do trem. Mediante os endereços de cada dispositivo na rede de sensores, o sistema será capaz de obter a localização e exibir em uma tela o rastreamento dos trens, possibilitando ao controlador ter uma visão geral do posicionamento de cada trem em toda a malha ferroviária. Além disso, a velocidade é monitorada. Sabendo da velocidade e da localização do trem, o controlador de tráfego poderá realizar estratégias operacionais, a fim de agilizar o tráfego e reduzir o tempo de espera dos passageiros. Introdução Este trabalho propõe um sistema de localização e monitoramento de trens baseado no protocolo ZigBee de comunicação. O padrão ZigBee/IEEE de comunicação tem sido utilizado em sistemas de medição em várias áreas (Hwang e Baek 2007, Bucci et al 2002, Dunbar 2001, Ramamurthy et al 2007, Ferrari et al 2006, Ferrigno et al 2005, Wheeler 2007, Tsai et al 2007). Isso se deve, entre vários fatores, ao fato de ser uma tecnologia de baixo custo, baixo consumo, confiável e suportar um grande número de nós (Ciardiello 2005, Egan 2005, Poole 2004). Os métodos convencionais de manutenção e monitoramento de trens baseados em inspeção periódica podem não ser suficientes para evitar alguns defeitos operacionais (Aboelela et al 2006). Por isso, nos últimos anos estão sendo feitos vários estudos para viabilização de sistemas que permitam o monitoramento de trens em tempo real. Em Aboelela et al (2006), é proposto um sistema de algoritmo peculiar, que utiliza uma rede de sensores sem fio para monitoramento da linha para diagnosticar e prevenir possíveis falhas. Nesse sistema, os sensores estão dispostos ao longo da via, e os dados relativos às medidas dos trilhos são transmitidos para as estações bases. Outras técnicas têm sido utilizadas para o diagnóstico de falhas em linhas férreas utilizando sensores na própria via. Em Delprete e Rosso (2008), é verificado o desgaste por fadiga dos trilhos e o risco de quebra utilizando strain gauges. Em Kenneth et al (2008), é proposto um sistema telemétrico que utiliza link Radiofrequência (RF) e dual probe-fed radiating cavities, fornecendo a tensão e a deformação sofrida pelos trilhos. Os sistemas que utilizam sensores ao longo da via geralmente apresentam alto custo quando comparados aos sistemas cujos sensores estão localizados nos trens, devido à grande quantidade de sensores necessários para ter um bom desempenho. Outro ponto que se deve observar é o tempo de vida desses sistemas, cujos sensores estão sujeitos a intempéries e ao vandalismo. 1

2 Mirabadi et al (1999) propôs um "sistema de navegação a bordo do comboio" OTNS (Onboard Train Navigation System), método que permite o diagnóstico de falhas e identificação da localização dos trens em uma ferrovia com radar Doppler, balizas de base (ou balizas) e sensores de giroscópios. Em Nejikovsky e Keller (2000), GPS (Global Positioning System) receptores são usados em combinação com o transceptor sem fio, fornecendo as coordenadas do trem a uma estação de controle central equipado com Sistemas de Informação Geográfica (SIG) baseado em terminais. Ao mesmo tempo, os sensores associados ao transceptor emitem diversos eventos relacionados com o trem em movimento. O sistema proposto, assim como o Nejikovsky e Keller (2000), apresenta a vantagem do monitoramento remoto em uma estação base, que permite tomadas de decisões e envios de sinais de controle baseados em dados de tráfego da via. Essa característica não é observada em Mirabadi et al (1999), onde as informações são disponibilizadas apenas no próprio trem em movimento, e em Aboelela et al (2006), Delprete e Rosso (2008) e Kenneth et al (2008), onde o monitoramento é feito através das linhas férreas. O sistema apresentado neste trabalho também evita as falhas por interferência eletromagnética observadas em sistemas que utilizam receptores GPS quando o trem está trafegando em túneis (Bertran e Delgado-Penín 2004), como em Nejikovsky e Keller (2000). Além disso, apresenta um custo mais baixo. Uma rede ZigBee permite a formação de grande redes de sensores, suportando mais de nós (Ciardiello 2005). No sistema ora apresentado, em uma ou mais centrais de monitoramento são captadas as informações fornecidas pelos sensores a bordo, assim como a localização dos trens em tempo real. Isso permite estudos de simuladores ou de automação de tráfego, visando a uma significante economia de energia e minimizando a deteriorização de equipamentos (Leahy et al 1993). O sistema proposto neste trabalho consiste de um OTNS, que utiliza sensores integrados para os módulos ZigBee a bordo do trem em movimento, permitindo o monitoramento dos parâmetros de desempenho dinâmico do veículo, como a velocidade do trem e a localização na via. O sistema proposto utiliza tecnologia ZigBee e permite a automação de sistemas metroviários para o monitoramento wireless de trens de forma segura, de baixíssimo custo e boa precisão. Redes de Sensores Sem Fio com ZigBee Durante o percurso do trem, diferentes sinais serão enviados da cabine dos trens para uma estação base com a ajuda de roteadores. Para captação desses sinais, será montada uma rede de sensores sem fio (RSSF) por toda a via onde os trens trafegam. Para comunicação entre os nós da rede, é utilizada a tecnologia ZigBee. O protocolo ZigBee é desenvolvido por uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado chamada "ZigBee Alliance" e segue o padrão IEEE para implementação das camadas MAC (Medium Access Control) e PHY (Physical Layer). As demais camadas do protocolo são definidas pela ZigBee Alliance. 2

3 O ZigBee oferece atualmente interfaces com velocidade de conexão de 250kbps, opera em frequências livres de até 2,4GHz e possui um alcance de transmissão de até 1.600m, dependendo diretamente da potência dos equipamentos e de características ambientais (obstáculos físicos, interferência eletromagnética, etc.). Ele apresenta algumas vantagens importantes sobre os demais protocolos de comunicação, como o WiFi e Bluetooth, por exemplo. Seu consumo de energia é geralmente mais baixo que nas redes com WiFi ou Bluetooth. Uma característica importante do ZigBee que o diferencia dos outros protocolos é que ele permite expandir uma rede por meio de milhares de nós. Teoricamente, uma rede ZigBee pode conter cerca de nós, embora, na prática, não é recomendável exceder nós em uma rede (Ascariz 2007). Outra vantagem do protocolo ZigBee é a velocidade com que novos nós podem ser adicionados à rede: 30 ms; enquanto um nó que estava em estado de sono pode ser acordado em 15 ms, e então começar a comunicação com outros nós da rede. Esse aspecto pode ser vital para muitas aplicações industriais (Ascariz 2007). Uma rede ZigBee é composta por três tipos de nós: Nós Finais, Roteadores e Coordenador. O Coordenador é responsável pela inicialização, distribuição de endereços, manutenção da rede e reconhecimento de todos os nós, entre outras funções, podendo servir como ponte entre várias outras redes ZigBee. Os Roteadores têm a característica de um nó normal na rede, mas com poderes extras de também exercer a função de roteador intermediário entre nós sem precisar do Coordenador. Por meio de roteadores, uma rede ZigBee pode ser expandida e, assim, ter mais alcance. Os Nós Finais, onde os atuadores ou sensores serão ligados, são responsáveis por captar os sinais dos sensores e enviá-los para o nó coordenador da rede. O ZigBee suporta três topologias de rede: estrela, malha e cluster-árvore. Para esse trabalho, será utilizada uma rede com topologia em malha. Esse tipo de rede foi escolhido porque os nós finais, que ficarão instalados nas cabines dos trens, estarão em constante movimento e terão que se comunicar com qualquer um dos roteadores instalados ao longo das vias férreas. Esses roteadores, por sua vez, retransmitirão os dados recebidos para outros nós roteadores até que os dados alcancem uma estação base. Uma rede em malha garante uma maior confiabilidade, pois em caso de falha de um roteador os nós finais podem facilmente se associar a outro, garantindo assim a entrega dos dados ao coordenador. Os pacotes de dados do protocolo podem ter formatos diferentes, dependendo do fabricante do dispositivo de transmissão e do tipo de aplicação para o qual foi projetado. No sistema proposto neste artigo, foram utilizados dispositivos projetados para o desenvolvimento de redes de sensores em malha. Eles possuem 4 canais de I/O analógicos e 8 digitais, além de conversores analógicos/digitais embutidos. Os valores obtidos nos canais analógicos e digitais habilitados no dispositivo são colocados no pacote a ser enviado juntamente com outros dados, como endereço do dispositivo, quantidade de canais habilitados e qualidade de link do sinal (RSSI). 3

4 Visão Geral do Sistema O sistema de telemetria proposto será organizado em três módulos: Estações Móveis, Estações Base e Estação Central, conforme a Figura 1. Figura 1 Arquitetura do sistema. As Estações Móveis (EM) estarão localizadas nas cabines dos trens, e cada EM será composta de um nó final, que terá suas entradas analógicas ligadas a diversos sensores para medição de grandezas como a velocidade e a corrente do motor de tração. A Figura 2 ilustra a arquitetura básica de uma estação móvel. O microcontrolador do nó final recebe os sinais dos sensores, realiza o processamento dos dados e irradia o sinal por frequência de rádio utilizando um transceiver e uma antena. Figura 2 Arquitetura básica da EM. 4

5 Os Nós Finais têm seu endereço de destino configurado com o endereço do nó coordenador da rede. Dessa forma, os nós roteadores, ao receberem os dados enviados pelos nós finais, os retransmitirão até alcançarem o nó coordenador da rede. As Estações Base (EB) estarão localizadas em um ponto da via próxima às estações de passageiros. Elas serão compostas de um Nó Coordenador conectado a um circuito FPGA (Field Programmable Gate Arrays), com um sistema embarcado para processamento dos dados colhidos pelo coordenador. Esse sistema atua como um sistema servidor de dados para a rede ethernet que interliga as estações do metrô. O coordenador de cada EB captura os dados enviados pelas EM ao passarem na área abrangida pela rede de uma estação de passageiros e, por meio da comunicação serial, repassa os dados recebidos para a FPGA, onde um sistema embarcado decodifica o pacote do protocolo ZigBee, realiza os cálculos necessários sobre os valores referentes às grandezas medidas nas cabines dos trens, empacota os dados calculados no protocolo TCP/IP e os envia pela intranet, que interliga as estações até a Estação Central (EC). Como o nó coordenador não pode ser conectado diretamente à intranet, e este precisa ser colocado em pontos estratégicos da via, o que inviabiliza o uso de um computador comum para processamento e envio dos dados, optou-se por utilizar um FPGA para realizar essa tarefa. O FPGA possibilita o desenvolvimento de um sistema embarcado capaz de realizar várias tarefas em paralelo, permitindo que os processos de tratamento dos dados (cálculo das medidas de velocidade e posição), recebidos das EM e dos processos de gerenciamento de conexões e envio de dados para o sistema de supervisão, possam ser executados paralelamente. Além das vantagens citadas anteriormente, o FPGA possibilita a montagem de um hardware customizado com interfaces para acesso aos periféricos necessários ao sistema. O circuito que constitui o sistema de tratamento da EB é composto basicamente por um FPGA, com um processador embarcado soft-core para processamento dos dados, uma interface UART (RS232) para conexão com o coordenador, módulos de memória SRAM e SDRAM e uma interface ethernet para comunicação com uma rede local. A Figura 3 apresenta a arquitetuta desse sistema. UART FPGA SRAM Ethernet Processador SDRAM Figura 3 Arquitetura do sistema embarcado da EB. 5

6 A Estação Central (EC) está situada no Centro de Controle Operacional (CCO) e consiste em um sistema para recepção, armazenamento e visualização das medidas obtidas em tempo real. O sistema de supervisão localizado no CCO (Figura 4) recebe os dados enviados pela intranet de todas as EB, extrai os dados referentes às medidas obtidas e mostra em tempo real essas informações. Figura 4 Máscara software de supervisão CCO. O sistema da Estação Central exibe gráficos dos dados de velocidade do trem e sua localização na via em tempo real (Figura 5), como também possibilita consultas aos dados armazenados em banco de dados, permitindo aos engenheiros realizar estudos e gerar relatórios que ajudarão a tomar medidas preventivas e corretivas. Figura 5 Máscara software de velocidade e posição do trem. 6

7 Técnicas de Localização Neste trabalho, existem duas sugestões possíveis para localização de trens em vias permanentes. Uma delas utiliza propriedades do próprio protocolo ZigBee/IEEE Cada trem que trafega na via possui uma unidade móvel com um endereço permanente, assim como todos os componentes da via. Quando uma unidade móvel transmite as informações dos sensores, também é informado em cada pacote o endereço da respectiva unidade móvel, o endereço do roteador mais próximo e a potência de recepção desse sinal. Os roteadores são mapeados e se estima a posição por meio do cruzamento das informações do endereço do roteador mais próximo e da potência do sinal recebido. Por exemplo, na Figura 6 é recebido pelo nó Ca o pacote enviado pelo nó MS1 informando que o referido trem está ligado ao roteador Ra3 e que o pacote foi recebido com um determinado valor RSSI (Received Signal Strength Indication). Da mesma forma, no pacote recebido pelo nó Cb também constam as informações referentes ao roteador associado Rb2 e do respectivo RSSI. Figura 6 Localização dos trens na via. Outra proposta para localização seria utilizar sensores de velocidade e de corrente de armadura do motor de tração. A equação a seguir define a posição nesses termos: T = C. vdt + L 0 (1) Onde: C assume +1 ou -1 dependendo do sentido em que o trem trafega na via; v velocidade do trem na via em m/s; T localização do trem na via, em m; L 0 localização de referência do trem, em m. C é determinado pela leitura da corrente de armadura do motor, onde seria atribuído um valor -1 ou +1, dependendo do sentido de rotação do motor. Nas duas técnicas utilizadas de localização, os dados recebidos são correlacionados com dados de mapeamento do trem na via, permitindo que seja dada a localização do trem em tempo real na central de controle de operação. 7

8 Além desses algoritmos citados, outros também poderiam ser usados. Como em Saab (2000), onde é implementado um algoritmo baseado na fusão de um giroscópio, um sensor de velocidade ou um odômetro de baixo custo é montado no veículo em movimento. Mediante a correlação entre os dados de mapeamento e os dados fornecidos pelos sensores, é informado o posicionamento do trem. Resultados Os testes realizados em campo foram feitos em um trem de transporte público em linha férrea urbana, onde foi verificado o comportamento do sistema em diversos aspectos, cujos resultados foram comparados com os dados colhidos e armazenados por um instrumento de referência. O instrumento de referência utilizado foi um oscilógrafo Yokogawa, modelo OR100E, que atualmente é utilizado pela companhia de trens local para monitoramento preventivo. Para se determinar a posição do trem na via, foi utilizada a equação (1). A Figura 7 ilustra o gráfico da posição do trem entre duas estações obtidos por meio dos dados do oscilógrafo e dos dados fornecidos pelo sistema e o respectivo erro entre as medidas. Para esses testes, foi utilizada uma frequência de aquisição dos sinais de 8 Hz. 800 System Oscilograph Error 6 Position (m) Error (m) Time (s) -6 Figura 7 Localização dos trens na via por meio de dados do oscilógrafo e do sistema proposto e o respectivo erro entre as medidas. Com os dados da curva da Figura 7, foi obtido um índice de correlação entre as curvas de 99,998%, com um erro máximo de 4.3 m entre as medidas efetuadas. Foram realizadas medidas da velocidade, que podem auxiliar na avaliação do desempenho dos trens, para melhorar o desempenho no que diz respeito ao gasto de energia no tráfego e aumento do tempo de vida do trem. Estudos aprofundados também podem auxiliar na construção de softwares de simulação de tráfego. 8

9 A Figura 8 ilustra diferentes curvas de um mesmo trem operado por diferentes maquinistas, em um mesmo percurso, mostrando uma tendência diferente de utilização do motor de tração do trem por seus operadores. Velocidade (Km/ h) :06:58 21:35:20 22:32: Tempo (s) Figura 8 Coleta dos dados de velocidade em três diferentes horários. Conclusão Neste trabalho, foi apresentado um Sistema Telemétrico Autônomo para Monitoramento e Automação de Malhas Metroferroviárias, que utiliza o protocolo ZigBee/IEEE de comunicação. O sistema proposto surge como uma nova alternativa para monitoramento de trens, onde podem ser observados em tempo real dados de velocidade e localização do trem na via, por exemplo, além de dados relativos ao desempenho operacional do trem. Esse sistema tende a eliminar algumas deficiências existentes nos métodos do estado da arte, como as falhas por interferência eletromagnética em sistemas baseados em localizadores GPS ou os defeitos operacionais que não são detectados pelos métodos convencionais baseados em inspeções periódicas. Os testes realizados em trens de transporte público de linha férrea urbana mostraram a viabilidade de implementação, abrindo portas para a automação completa. O sistema apresenta um custo bem menor que os sistemas atuais, possuindo confiabilidade e capacidade de monitoramento de uma grande quantidade de variáveis em tempo real. Benefícios do sistema: Sistema de rede eletrônica embarcada telemétrica móvel, composto de hardware, de software, transdutores para medição e controle, autônomo e integrável na rede mundial, diferenciado dos existentes e com uma relação custo/benefício muito favorável; Aproveita a estrutura existente e se apresenta praticamente de forma não intrusiva. Possui uma arquitetura modulada, aberta, para incorporar novas tecnologias de medições e controle, e abrangência a qualquer conjunto de veículos que circulam em vias permanentes; Permite estudos teóricos de novas tecnologias para melhoria da gestão e de serviços para usuários; Base de dados desenvolvida, que permite o uso individual ou uma integração do acompanhamento dos elementos da rede pelos operadores, técnicos de manutenção; Produto com tecnologia nacional, que potencializa um grande mercado. Permite uma gestão moderna da operação, manutenção e melhoria de serviços para o usuário. 9

10 Referências Aboelela, E., Edberg, W., Papakonstantinou, C., Vokkarane, V., Wireless sensor network based model for secure railway operations. International Performance, Computing, and Communications Conference, 2006, September Munich, Germany, Ascariz, J. M. R., L., System for Measuring Power Supply Parameters with ZigBee Connectivity. in Proc IEEE Instrument and Technology Conf., 1-2. Bertran, E., Delgado-Penín, J. A., On the Use of GPS Receivers in Railway Environments. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 53 (5), Bucci, G., Fiorucci, E., Landi, C., Ocera, G., The use of wireless network for distributed measurement applications. In Proc. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference May 2002 Anchorage-AK, Ciardiello, T., Wireless communications for industrial control and monitoring. Computing & Control Engineering Journal, 16 (2), Delprete, C., Rosso, C., An easy instrument and a methodology for the monitoring and the diagnosis of a rail. Mechanical Systems and Signal Processing, 23 (3), Dunbar, M., Plug-and-play sensors in wireless networks. IEEE Instrumentation Measurement Magazine. 4 (1), Egan, D., The emergence of ZigBee in building automation and industrial control. Computing & Control Engineering Journal, 16 (2), Ferrari, P., Flammini, A., Marioli, D., Taroni, A., IEEE sensor networking. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 55(2), Ferrigno, L., Paciello, V., Pietrosanto, A., A Bluetooth-based proposal of instrument wireless interface. IEEE Transactions on Instrumentaton and Measurement, 54 (1), Hwang, I-K., Baek, J.-W., 2007.Wireless Access Monitoring and Control System based on Digital Door Lock. IEEE Transactions on Consumer Electronic,53(4), Kenneth E. Browne, Chi-Chih Chen, John L. Volakis, A Novel Radiator for a 2.4 GHz Wireless Unit to Monitor Rail Stress and Strain, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 56, NO. 3, MARCH 2008, pp Leahy, F., Judd, M., Shortis, M., Measurement of railway profiles using GPS integrated with other sensors. in Proc. IEEE-IEE Vehicle Navigation Information Systems Conf., Mirabadi, A., Mort, N., Schmid, F., Design of fault tolerant train navigation systems. in Proc. Amer. Control Conf., 1, Nejikovsky, B., Keller, E., Wireless communications based system to monitor performance of rail vehicles. in Proc. ASMEE-IEEE Railroad Conference, Poole, I., What exactly is ZigBee?. Communications Engineer, 2 (4), Ramamurthy, H., Prabhu, B. S., Gadh, R., A. M. Madni, Wireless industrial monitoring and control using a smart sensor platform. IEEE Sensors Journal, 7 (5), Saab, S. S., 2000.A Map Matching Approach for Train Positioning Part I:Development and Analysis. IEEE Transactions on Vehicular Technology,49(2), Tsai, H.-M., Tonguz, O. K., Saraydar, C., Talty, T., Ames, M., Macdonald, A., Zigbee-based intra-car wireless sensor networks: a case study. IEEE Wireless Communications, 14 (6), Wheeler, A., Commercial applications of wireless sensor networks using ZigBee. IEEE Communications Magazine, 45 (4),