Título: Utilização do Sistema Telemétrico Dinâmico RailBee para estimativa em tempo real do número de passageiros e análise do desempenho do TUE

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2 Título: Utilização do Sistema Telemétrico Dinâmico RailBee para estimativa em tempo real do número de passageiros e análise do desempenho do TUE 2

3 Resumo O sistema de telemetria proposto objetiva a obtenção de informações, como velocidade real e pressão nas bolsas de ar da suspensão dos trens, de grande valia para os controladores de tráfego e engenheiros da Companhia de Transporte Metroferroviário. Por meio da visualização e análise contínua desses dados, problemas são identificados em tempo real permitindo que ações sejam tomadas de forma mais rápida. Além disso, a análise dos dados indica a necessidade da tomada de ações que visem a melhorar a qualidade dos serviços prestados. Pela medida da pressão, é possível estimar o número de passageiros dentro do trem em tempo real. Tendo essa informação, os controladores tomam medidas que objetivam melhorar o nível de conforto dos passageiros, entre elas a inclusão de mais trens trafegando no horário de pico. Benefícios alcançados com o sistema: Otimização dos trens programados para a operação comercial, mantendo-se a mesma demanda elétrica contratada, porém com a maior produtividade do TUE; Redução no intervalo entre trens nos horários de pico nos trechos de maior carregamento; Aumento na segurança para os usuários com a redução do fluxo deles no embarque / desembarque nos horários de pico; Redução no tempo de parada nas plataformas para embarque / desembarque de passageiros nos horários de pico, diminuindo o tempo de viagem; Acompanhamento on line do tempo de parada dos trens nas plataformas; Desempenho do trem em relação à velocidade em tempo real; Acompanhamento on line da estimativa dos usuários no interior dos TUE, bem como o seu nível de conforto dos usuários; Melhoria do serviço prestado ao usuário com elevação do nível de conforto; Armazenamento dos dados recebidos em um banco de dados; Diferentes opções de interfaces que permitam ao controlador visualizar as medidas, exibindo gráficos dos dados obtidos em tempo real; Permissão aos engenheiros para gerarem relatórios dos dados armazenados, a fim de serem realizados estudos que auxiliem nas tomadas das medidas preventivas e corretivas. 3

4 Introdução O sistema de telemetria de sinais de trens desenvolvido e implementado nos TUE (Trem Unidade Elétrica) da Companhia de Transporte Metroferroviário (CTMF) é composto por três subsistemas (Figura 1): Subsistema telemétrico para captação de sinais na via de tráfego, Subsistema de recebimento, decodificação e envio dos dados recebidos pelo sistema de captação para o sistema de supervisão; e Subsistema de supervisão para armazenamento e visualização dos dados processados pelo sistema. Figura 1: Visão geral do sistema desenvolvido e implementado Esse sistema, denominado Sistema Telemétrico Dinâmico RailBee, é capaz de obter dados de sensores remotos dentro da cabine do TUE, processá-los e enviá-los a centrais de controle e monitoramento. Ele utiliza redes de sensores sem fio (RSSF), com tecnologia ZigBee para processamento e distribuição dos dados coletados, possibilitando o monitoramento e a distribuição de informações sobre o desempenho dos trens na via de tráfego. A obtenção de informações como velocidade real e pressão nas bolsas de ar da suspensão do trem é de grande valia para os controladores de tráfego e engenheiros da CTMF. Por meio da visualização e análise contínua desses dados, problemas são identificados em tempo real permitindo que ações sejam tomadas de forma mais rápida. Além disso, a análise dos dados indica a necessidade da tomada de ações que visem melhorar a qualidade dos serviços prestados. Pela medida da velocidade, analisamos em tempo real o desempenho do trem/operador de trem. Por sua vez, pela medida da pressão, é possível estimar o número de passageiros dentro do trem em tempo real. Tendo essas informações, os controladores tomam medidas para melhorar o nível de conforto dos passageiros, entre elas a otimização do material rodante no horário de pico. O sistema de transportes de passageiros sobre trilhos da Região Metropolitana da Cidade A (RMCA) é administrado pela Companhia de Transporte Metroferroviário (CTMF). Essa unidade operacional atende diretamente quatro municípios da RMCA e, indiretamente, os demais municípios vizinhos, mediante a integração com o transporte sobre pneus. O sistema sobre trilhos possui três linhas implantadas nos corredores ferroviários centro e sul da RMCA: as Linhas Centro e Sul, com padrão de trem metropolitano e tração elétrica, a Linha Diesel, com trem de subúrbio e tração a diesel. O traçado da Linha Centro, no qual está implantado o sistema RailBee, é definido por uma linha troncal, que parte 4

5 da Estação R (ETR), na área central da cidade R, e segue no sentido oeste até a Estação C (ETC), onde se divide em dois ramais: Cidade J (ETJ) e Cidade G (ETG). O material rodante é composto por 25 Trens Unidades Elétricas (TUE). O TUE é composto por 4 carros, sendo 2 carros-motor e 2 carros-reboque. Os carros-motor são localizados nas extremidades do TUE, onde estão instalados a cabine de comando e os motores de tração, e sua capacidade de lotação é de 268 passageiros, sendo 61 sentados e 207 em pé. Os carros-reboque são os carros centrais, que possuem uma capacidade de lotação é de 289 passageiros, sendo: 72 sentados e 217 em pé. A bolsa de ar é o componente da suspensão secundária do TUE (Figura 2), fabricada em borracha, a qual está fixada entre o sobestrado da Caixa e o Truque, ligada à válvula niveladora por uma haste, por meio da qual a bolsa é cheia ou esvaziada de acordo com a carga no carro. Válvula niveladora Bolsa de ar Velocidade Real Velocidade ATC Haste de nivelamento Figura 2: Suspensão secundária do TUE Os modos de operação do TUE são comando manual controlado (Controle Automático de Trens - ATC ativo) e comando manual livre (ATC cancelado). Na modalidade ATC, existe a supervisão de velocidade, que faz o controle de frenagem do TUE, e o cab-signal, que indica a velocidade que o operador deve obedecer no console da cabine (Figura 3). Descrição do projeto Figura 3: Console da Cabine de Comando do TUE Para este trabalho, instalamos uma rede ZigBee com topologia em malha. Esse tipo de rede foi escolhido porque o nó final, que foi instalado na cabine do TUE 11, está em constante movimento e tem que se comunicar com o coordenador, diretamente ou por meio do roteador. Cada um dos módulos do sistema realiza uma função específica dentro da rede, que é definida pelo tipo e pelas configurações do firmware instalado no módulo. O sistema RailBee está instalado e registrando os dados no trecho entre as estações L (ETL) e W (ETW) situadas na linha centro. A estação móvel (EM) é constituída por um dispositivo ZigBee configurado para atuar como nó final. Esse dispositivo está instalado no armário elétrico (Unidade de Controle de Propulsão PCU), local de coletada dos sinais dos sensores de velocidade real e pressão das bolsas de ar da suspensão secundária do TUE (Figura 5). A frequência de amostragem dos dados é de 8Hz. A estação roteadora (ER) é composta de um dispositivo ZigBee programado como roteador, instalado na extremidade leste da plataforma via 2 da estação W (ETW). Essa estação retransmite os dados recebidos da EM para a estação base (EB). 5

6 A EB, instalada na sala do responsável de ETW, constitui-se de um dispositivo ZigBee configurado para atuar como nó coordenador da rede conectado a um computador. O subsistema que compõe a EB é responsável pela recepção dos dados da EM pela RSSF e por sua decodificação e envio dos dados processados à estação central (EC) no Centro de Controle Operacional (CCO) via intranet (fibra óptica). O subsistema de supervisão (EC), recebe os dados enviados da EB e extrai os dados referentes às medidas de velocidade real e pressão das bolsas de ar da suspensão secundária do TUE, mostrando em tempo real as informações de velocidade real, pressão das bolsas de ar e estimativa do número de passageiros, bem como o nível de conforto dos usuários no TUE, possibilitando ao controlador de tráfego ter uma visão em tempo real do desempenho do trem (Figura 6). PCU Estação Móvel Figura 5: Localização PCU e EM Figura 6: Software de visualização em tempo real do subsistema de supervisão O sistema de supervisão fica responsável pelo gerenciamento do armazenamento e visualização dos dados recebidos. O sistema armazena os dados recebidos em um banco de dados com diferentes opções de interfaces, que permitem ao controlador visualizar as medidas. O sistema exibe gráficos dos dados obtidos em tempo real, como também dos dados armazenados no banco de dados, possibilitando aos engenheiros realizar estudos sobre esses dados e gerar relatórios que ajudarão a tomar medidas preventivas e corretivas. Para a realização do trabalho, utilizamos as variáveis velocidade real (Km/h) e pressão nas bolsas de ar da suspensão secundária (psi) do TUE. Os dados da pressão foram coletados no momento da partida do trem das plataformas de ETL e ETW. Nos testes de carga realizados pelo Instituto de Pesquisa Tecnológica de São Paulo (IPT), a variação do carro-motor foi de 893,55 kg/psi. Estimamos o número de passageiros transportados por meio da ponderação dos dados de pressão das bolsas. Com os dados obtidos em tempo real, tomamos decisões mais rápidas e confiáveis, com os dados históricos, definiremos os parâmetros de referência que irão controlar o tráfego na via, melhorando a qualidade da prestação de serviço. Para validação do sistema, foram realizadas 5 (cinco) deslocamentos no trecho ETL/ETW com o TUE 11 vazio. Um oscilógrafo foi instalado dentro do trem para realizar a aquisição dos dados em paralelo com a rede ZigBee. Utilizamos os mesmos pontos de captação dos sinais, concomitantemente, para garantir a comparação dos dados coletados pelo Sistema RailBee em relação ao Oscilógrafo. Os dados do Oscilógrafo foram registrados na cabine do TUE, e os dados do RailBee foram registrados na EC (CCO), ocorrendo correlação positiva, e observamos que não houve diferença estatística, validando, dessa forma, o sistema RailBee em relação ao instrumento de avaliação padrão da CTMF. 6

7 Resultados obtidos Análise dos dados coletados por meio do sistema RailBee. Como exemplo, o gráfico (Figura 7) da coleta de dados do sistema RailBee, na data de 11 de maio de 2009, com relação à estimativa do número de passageiros no TUE 11. Figura 7: Gráfico da coleta de dados do Sistema RailBee, de 11 de maio de 2009 Nesse gráfico (Figura 7), constatamos em destaque dois picos de carregamento, um no horário da manhã e outro no horário tarde/vespertino. De manhã, o fluxo de usuário é no sentido dos ramais ETJ/ETG para ETR (via 2); e de tarde/vespertino, é no sentido oposto (via 1), de ETR para os ramais ETJ/ETG. No pico manhã, a via 1 está com carregamento mínimo, enquanto que no pico tarde/vespertino o carregamento mínimo é na via 2. Nos horários de vale, o carregamento é médio tanto na via 1 como na via 2. No gráfico da Figura 8, observa-se o nível de conforto dos passageiros em pé no TUE 11 (mensurado na data 11 de maio de 2009). Figura 8: Nível de conforto dos passageiros do TUE 11 em 11 de maio de

8 Por meio da velocidade, monitoramos o desempenho do TUE, auxiliando a segurança e a regularidade do sistema. Na Figura 9, podemos comparar o desempenho do TUE nos horários de Pico e Vale, bem como o tempo de parada nas plataformas. No horário de pico, o tempo é maior que no vale, devido ao fluxo maior de usuários. Figura 9: Comparação do desempenho da velocidade Real do TUE 11 (pico e vale) Para aumentarmos a produtividade do Material Rodante, realizamos um estudo com o objetivo de identificar o trecho de maior fluxo de usuários. Atualmente, nos horários dos picos manhã e tarde/vespertino utilizamos uma frota de 14 (quatorze) TUE com intervalo médio entre trens de 5,0 min na linha troncal centro. Analisamos os dados coletados pelo sistema RailBee e sugerimos, durante o pico da manhã, a utilização de 12 (doze) TUE para atender o carrossel nos ramais ETJ e ETG. Além do carrossel ETR-ETJ/ETG, implantaremos uma operação comercial especial no tronco ETR-ETC para atender a via 2 (sentido de maior carregamento) com 2 (dois) TUE, utilizando trem direto de ETR para a área de manobra em ETC e injetando o trem vazio no carrossel ETR-ETJ-ETG para o trecho ETC-2/ETR-2, diminuindo o intervalo na linha troncal para 4,1 minutos, uma redução de 18% no headway, resultando um melhor conforto na prestação do serviço no trecho de maior carregamento. Para o pico tarde/vespertino, sugerimos também a utilização de 12 (doze) TUE para atender o carrossel nos ramais ETJ e ETG. Além do carrossel ETR-ETJ/ETG, implantaremos outro carrossel, ETI-ETJ/ETG, com 2 (dois) TUE, sendo a estação I (ETI) a 4ª estação sentido ETR/ETC. Nesse caso, para atender a via 1 (sentido de maior carregamento), implantaremos uma operação comercial especial no trecho ETI-ETJ/ETG, utilizando trem direto de ETJ/ETG para a estação ETI e injetando um trem vazio no carrossel ETR-ETJ/ETG para o trecho ETI-ETJ/ETG, diminuindo o intervalo de 5,0 minutos no trecho ETI/ETJ/ETG para 4,5 minutos, uma redução de 10% no headway, resultando um melhor conforto na prestação do serviço no trecho de maior carregamento. Estamos realizando testes para recepção dos dados de tensão de alimentação e corrente de motor de tração, bem como a posição do trem em relação à via permanente. Estudos também estão sendo realizados para enviar do CCO à cabine de comando a informação do destino do trem. Este trabalho foi desenvolvido em parceria CTMF, Universidade e Instituto de Educação e Tecnologia. 8

9 Conclusão O sistema permite à CTMF um maior controle sobre o tráfego de trens. Esse sistema pode ser ampliado para atender as novas funcionalidades de acordo com as necessidades de controladores de tráfego e engenheiros. Este trabalho tem um grande impacto nesse segmento, pela proposta de desenvolvimento de tecnologia inovadora, facilitando e aperfeiçoando os mecanismos de segurança dos sistemas de transportes metroferroviários. Por meio da visualização e análise contínua dos dados, problemas são identificados em tempo real permitindo que as ações sejam tomadas de forma mais rápida e segura, visando melhorar a qualidade dos serviços prestados. Pela velocidade real do trem, acompanhamos o desempenho do trem em tempo real. Por meio da medida da pressão, é possível estimar o número de passageiros dentro do trem em tempo real. Tendo essas informações, os controladores e engenheiros tomam medidas que objetivam melhorar o nível de conforto dos passageiros. Benefícios alcançados com o sistema: Otimização dos trens programados para a operação comercial, mantendo-se a mesma demanda elétrica contratada, porém com a maior produtividade do TUE; Redução no intervalo entre trens nos horários de pico nos trechos de maior carregamento; Aumento na segurança para os usuários com a redução do fluxo deles no embarque / desembarque nos horários de pico; Redução no tempo de parada nas plataformas para embarque / desembarque de passageiros nos horários de pico, diminuindo o tempo de viagem; Acompanhamento on line do tempo de parada dos trens nas plataformas; Desempenho do trem em relação à velocidade em tempo real; Acompanhamento on line da estimativa dos usuários no interior dos TUE, bem como o seu nível de conforto dos usuários; Melhoria do serviço prestado ao usuário com elevação do nível de conforto; Armazenamento dos dados recebidos em um banco de dados; Diferentes opções de interfaces que permitam ao controlador visualizar as medidas, exibindo gráficos dos dados obtidos em tempo real; Permissão aos engenheiros para gerarem relatórios dos dados armazenados, a fim de serem realizados estudos que auxiliem nas tomadas das medidas preventivas e corretivas. 9