A pesquisa Operacional e os Recursos Renováveis 4 a 7 de novembro de 2003, Natal-RN DADOS PARA UM ESTUDO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE UM PÁTIO DE MANOBRAS FERROVIÁRIAS Marta Monteiro da Costa Cruz Superintendência de Serviços de Transporte de Cargas Agência Nacional de Transporte Terrestre ANTT SCS Quadra 4 Bloco A - Ed. Vera Cruz 4º andar Brasília DF CEP: 70.304-913 e-mail: marta.cruz@antt.gov.br Marcos Aurélio Scopel Simões Francisco Richieri Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Av. Fernando Ferrari, s/n Campus Universitário de Goiabeiras Goiabeiras - Vitória ES - CEP 29060-970. e - mail: scopel@npd.ufes.br e mail : richieri@terra.com.br RESUMO Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo de um terminal de carga ferroviário. O terminal utilizado como exemplo é o Pátio de Manobra Ferroviária de Carga Geral do Terminal de Tubarão, localizado no complexo de Tubarão, da Companhia Vale do Rio Doce, em Vitória, Espírito Santo. O pátio objeto deste estudo tem como finalidade manusear todas as cargas ferroviárias que chegam ou saem de Tubarão e que não sejam minério de ferro. Foi empregada a modelagem por Redes de Petri para representar as diversas atividades envolvidas na operação.em virtude da complexidade do modelo e da quantidade de variáveis, serão apresentados aqui apenas os principais aspectos considerados na modelagem. Ao final serão apresentadas as conclusões sobre a utilização dessa metodologia. Palavras chave: Modelagem, Ferrovias, Terminais de Carga. ABSTRACT This paper has the purpose to presents a study cargo railway yard. The yard example used in this study is the Tubarão general cargoes railway yard, in Vitória, Espírito Santo, Brazil, that belongs to Vale do Rio Doce Company. This yard has the objective of handling general cargoes (except ore minerals) that arrives or goes off Tubarão area. The Petri nets technology was used to represent the dynamics of the yard. Due the complexity and quantity of variables we will present here only some of the aspects considered in the modeling. At the final part it will be presented the conclusions about the utilization of this technology. Keywords: Modeling, Railroad, Cargo railway yard 1. Introdução: A Estrada de Ferro Vitória a Minas (EFVM), concedida à Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), possui 905 km de extensão, é uma das mais modernas e produtivas ferrovias do Brasil,
transportando cerca de 37% de toda a carga ferroviária nacional. (CVRD, 2003). Um dos componentes importantes deste complexo ferroviário são os pátios de manobras dos quais, o principal é o Pátio terminal de Tubarão, localizado Vitória, ES. Este pátio é responsável pela ligação da ferrovia ao Porto de Tubarão, atendendo aos terminais de carga e/ou descarga, tanto próprios da CVRD como de clientes. O pátio é composto de duas partes independentes; a primeira destinada a receber vagões carregados de minério de ferro; a segunda destinada aos vagões de carga geral Em virtude do volume transportado pela ferrovia, este pátio de manobras necessita de um controle bastante apurado para evitar os congestionamentos que podem gerar dificuldades na operação da ferrovia, bem como na disponibilidade de vagões para clientes. A complexidade operacional do pátio foi um dos motivadores para a elaboração deste estudo que tem como principal objetivo conhecer o comportamento operacional do pátio de carga geral através de sua representação por Redes de Petri. Desta forma, procura-se contribuir para um melhor conhecimento da dinâmica do pátio e auxiliar em seu planejamento operacional. 1.1. Objetivo do Trabalho: Este trabalho tem como objetivo descrever a dinâmica do Pátio de Manobra Ferroviária de Carga Geral do Terminal de Tubarão, localizado no complexo de Tubarão, da Companhia Vale do Rio Doce, em Vitória, Espírito Santo. A técnica modelagem por Redes de Petri foi utilizada para representar as diversas atividades envolvidas na operação do pátio. Em virtude da complexidade do modelo e da quantidade de variáveis, serão apresentados aqui apenas os principais aspectos considerados no estudo. As informações dos trens, vagões e cargas consideradas para a modelagem são casos reais e foram adquiridas no sistema de informações da CVRD SITRANVM (CVRD,2002) e se referem aos meses de fevereiro/ março e setembro/outubro de 2002. 2. Descrição do Pátio Terminal de Tubarão O pátio terminal de Tubarão (PTT) destina-se a receber trens provenientes da linha férrea da EFVM, que chegam de Minas Gerais, ou do pátio de Porto Velho e a enviar trens para esses mesmos destinos. O pátio recebe (ou expede) trens com dois tipos de carga: minério de ferro ou carga geral, sendo que cada tipo de carga, é atendido por terminais próprios para ela, CVRD, 2000. O PTT possui circuitos independentes para os dois tipos de carga. O presente trabalho se limita ao estudo do circuito de carga geral, se bem que existam alguns trens mistos, que também serão considerados.abaixo segue uma Figura esquemática do Pátio Terminal de Tubarão, mostrando os circuitos de minério de ferro e o de carga geral, e os terminais de carga e descarga. Figura 1 Figura Esquemática do Pátio Terminal de Tubarão 934
O minério de ferro é descarregado nos viradores de vagões do porto (VV PORTO). Já a carga geral é carregada ou descarregada em diversos terminais na área do Pátio. O layout do Pátio de Tubarão, mostrando os terminais, as linhas, as balanças e as torres de controle é mostrado na figura 2. 3. Descrição dos serviços realizados no PTT: Os trens que trafegam na linha da EFVM e que chegam ao PTT (Pátio Terminal de Tubarão) são basicamente de três tipos: Trens carregados com minério de ferro; Trens de carga geral; Trens mistos. Os trens de minério de ferro são dirigidos ao circuito de minério, o que não será estudado neste trabalho. Figura 2 Layout do Pátio Terminal de Tubarão 3.1. Chegada de Trens de Carga Geral: Os trens de carga geral que chegam ao PTT são aqueles compostos por vagões carregados com cargas do tipo: Carga chegando a Tubarão Aço Cylpebs Milho Cal Dunito Álcool Derivados petróleo Pelotas Calcário Farelo de soja Big-bag Sucata Quartzo Clinquer Ferro gusa Blocos de pedra Diversos Sínter Contêiner Soja Tabela 1 - Cargas que chegam ao PTT 935
Os trens são compostos por um número variável de vagões (entre 1 e 120 vagões) carregados com as cargas acima ou vazios (para carregamento ou defeituosos, com destino à oficina). Os vagões com as diversas cargas são distribuídos de uma forma aleatória ao longo do trem, podendo existir vagões com a mesma carga em pontos diferentes do trem. Os vagões de mesma carga podem ainda pertencer a clientes diferentes. Normalmente, um trem tem até quatro tipos de cargas diferentes incluindo vagões vazios ou defeituosos. Os vagões são de diversos tipos, sendo que existe uma correspondência entre o tipo de vagão e a carga que ele pode carregar. A chegada dos trens no pátio de Tubarão se dá a partir de duas fontes: Linha ferroviária ligando Vitória a Minas (EFVM). As cargas nesse caso provem de vários locais diferentes; Porto Velho, que é um pátio ferroviário da CVRD localizado na região da grande Vitória e cuja ligação a Tubarão se faz através de um ramal ferroviário da EFVM. Desta forma, todos os trens chegam pelo mesmo ponto, que é a entrada única do pátio de Tubarão. Os dados de chegada de trens foram coletados no sistema de informações SITRANVM da CVRD e se referem a um período de dois meses (fevereiro e março de 2002). Foram considerados cerca de 400 trens, todos referentes a cargueiros (trens C ou L). Os tempos de chegada dos trens foram submetidos a testes de aderência (HILLIER & LIEBERMAN,1995) mostrando uma distribuição de chegada do tipo InverseGaussian (3,75;4,36), apresentado a seguir : Dados de Entrada (horas) Distribuição InverseGaussian Média 3,754867 3,754867 Desvio Padrão 3,140957 3,486555 Variância 9,865608 12,156063 Tabela 2 Comparação entre índices dos dados de chegada de trens e a distribuição InverseGaussian 3.2. A Saída de Trens de Carga Geral: Os trens de carga geral que saem de Tubarão são aqueles compostos por vagões carregados com cargas do tipo: Carga saindo de Tubarão Aço Derivados petróleo Pallets Coque Antracito Diversos Pelotas Lingoteira Bauxita Enxofre Sucata Lona Big-bag Escória úmida Fertilizantes Manganês Carvão mineral Finos de pelotas Cloreto de potássio MFE Carajás Cimento acondicionado Fluorita Contêiner Tabela 3 - Cargas que saem do PTT 936
3.3. Os terminais Os terminais são os locais utilizados para carga ou descarga de vagões de carga geral.são em número de 15, cada qual tendo os equipamentos específicos para as cargas das quais estão preparados, e cada um pertencendo a um cliente diferente. Os dados de atendimento à operação de descarga para cada terminal foram coletados no sistema de informações SITRANVM da CVRD referentes aos meses de abril, setembro e outubro de 2002. Cada terminal possui uma forma de atendimento ao serviço. Será feita uma breve descrição da operação e indicadores de um destes terminais. 3.3.1. Moega de Grãos Descarga A Moega de Grãos é o terminal utilizado para descarga dos grãos soja, farelo de soja e milho. Os vagões chegam carregados da linha e após classificação no pátio Intermediário, são levados às linhas GR1 a GR5 ou AL1 a AL5, depois de pesadas na balança localizada na linha MGB. Então são descarregados na Moega propriamente dita e encaminhados vazios à linha MG2. Neste estudo, foram considerados cerca de 13250 vagões, referentes à soja ou farelo de soja. Por simplificação, considerou-se a operação idêntica para os diversos produtos. O terminal Moega de Grãos possui o layout abaixo: Figura 3 - Leiaute da descarga na moega de grãos A distribuição PearsonVI (3,37;3,23;5,23), foi a de melhor aderência, conforme mostrado a seguir. As distribuições de aderência seguinte foram: Aderência 2 - Lognorm (7,83;7,82); Aderência 3 - Lognorm2(1,71;0,83) Tempo de operação (horas) Distribuição PearsonVI Média 7,966818 7,898169 Desvio Padrão 8,010142 9,187775 Variância 64,162374 84,415207 Tabela 4 - Comparação entre índices dos dados de descarga na Moega de Grãos e a distribuição PearsonVI Um estudo equivalente foi realizado para todos os outros terminais que fazem parte do PTT, incluindo atendimento à carga dos vagões vazios, atendimento à descarga dos vagões carregados, intervalo entre chegada das cargas ao terminal e tamanho médio do lote de vagões utilizados na carga. 937
Os terminais considerados foram: Terminal Descarga Carga Moega de Grãos Moega Velha TPD TPS Mizú Hopper CST CST TEVIT DIPE Pátio Novo ECV MURO Maré A Área G Tabela 5 Terminais com suas aplicações 4. Lógica de Movimentação dos vagões A lógica de movimentação dos vagões no PTT pode ser dividida nas seguintes etapas: Chegada dos trens; Movimentação inicial dos trens até pátios de desmembramento; Desmembramento dos trens; Movimentação dos vagões até seu ponto de descarga; Descarga dos vagões; Retorno dos vagões até o pátio de classificação; Classificação dos vagões; Movimentação dos vagões vazios até seu ponto de carga; Carga dos vagões; Formação dos trens; Partida dos trens; O esquema abaixo apresenta a movimentação dos vagões no PTT: 5 PONTO DE 4 DESCARGA 3 6 PÁTIO 2 DE LINHA DESMEMBRAMENTO E 11 1 CLASSIFICAÇÃO 7 8 10 9 PONTO DE CARGA 6 Figura 4 - Esquema dos movimentos dos vagões no PTT 938
4.1. Esquema Básico O esquema Básico mostrado a seguir engloba todas as etapas envolvidas na movimentação dos vagões no Pátio, em macro visão sem entrar em detalhes. O modelo tem por objetivo apenas permitir uma visão de conjunto de todo o sistema, mostrando as principais partes envolvidas: linha de chegada, pátios de classificação, terminais de carga e descarga e linha de saída. Ao longo do desenvolvimento do modelo em Petri, as diversas partes do esquema básico serão detalhadas, acrescentando-se os recursos e locais pertinentes. EFVM Pátios Classificação Terminais Pátio Formação EFVM Geração Lotes Movimentação Formação trens Partida Trens Movimentação Movimen- Movimentação Desmembratação Descarga mento Movimen- Reclassificataçãçao Carga Movimentação Movimentação Figura 5 Esquema básico da movimentação dos lotes de vagões 4.2. Geração de lotes Os lotes de vagões são gerados segundo uma distribuição InverseGaussian e leva em consideração o tipo de carga e terminal que se destina. Estes lotes são dirigidos para a entrada do Pátio, a partir da qual podem atingir o interior do Pátio pela linha da direita (Linha 1) ou pela linha da esquerda (Linha 2).Os dados coletados (cerca de 400 trens que chegaram em Tubarão nos meses de fevereiro e março de 2002) podem ser utilizados para fins de simulação, quando se escolheria um lote de vagões dessa amostra, gerado um número aleatório entre 1 e 400 e escolhendo o lote de vagões correspondente a esse número. Então sobre esse lote seria construída a identificação do lote (tabela correspondente). O modelo em Petri (REISIG, 1982) desta etapa é apresentado a seguir: Do Identificação Geração Lotes O-EFVM O-Entrada Pátio Identificação = Criação de registro de dados para o lote gerado: Lote (Tipo, NV,NL, Status, ML ((l, d, c, ti),n) ) Figura 6 Geração e identificação dos lotes 939
Ti = 3 (ou 4) 4.3. Identificação do lote Após a chegada, é realizada a identificação do lote, que consiste em construir uma tabela de características dos lotes de vagões, tabela essa que servirá para direcionar o lote ao longo do caminho que vai percorrer. Essa tabela irá acompanhar o lote ao longo de seu caminho sendo definida por uma matriz Lote (Tipo, NV, NL, Status, ML) onde estão definidos: tipo do lote, número de vagões existentes no lote, número de cortes existentes no lote, estado do lote, quantidade de vagões em cada corte, destino de cada corte, carga dos vagões do corte e tipo de vagão para cada corte. 4.4. Movimentação Inicial: Nesse movimento, os lotes chegando da linha devem se dirigir a um pátio (Pátio de desmembramento) onde será feita a separação em cortes de vagões com mesmo destino. O esquema geral dessa movimentação é mostrado abaixo. Entrada do Pátio Ti = 1 Ti = 2 (ou 3) Pátio de Recepção Pátio de Formação Ti = 3 (ou 4) Pátio Intermediário Figura 7 Esquema dos movimentos para os pátios de desmembramento 4.5. Desmembramento dos lotes A operação de desmembramento de lotes é realizada com o objetivo de separar os cortes de um determinado lote de vagões agrupando os vagões de mesmo destino juntos. É realizada nos Pátios de desmembramento, que são: Pátio de Recepção, Pátio de Formação e Pátio Intermediário. No Pátio de Recepção são separados os vagões de minério dos demais. Nos outros dois pátios, são separados os vagões de outros destinos. Quando o lote chega ao pátio de desmembramento, sua tabela já está preparada para separar os vagões de minério dos outros (Pátio de Recepção) ou para separar o último destino dos demais (demais pátios). 4.5.1. Etapas A operação de desmembramento é realizada nas seguintes etapas: 1. Deixar (cortar o último corte na linha em que está o lote); 2. Mover o restante (novo lote) do lote para uma linha auxiliar; 3. Na primeira vez: 3.1 Mover o novo lote para outra linha disponível; 4. Na demais vezes: 4.1 Mover o novo lote para a linha do mesmo destino 4.2 Incorporar logicamente o lote ao corte existente nessa linha; 5. Repetir a operação cortando novamente o último corte do novo lote; 6. Mover o novo lote cortado para uma linha auxiliar; 7. Mover novamente para a linha de origem 8. Incorporar logicamente o lote ao corte que foi aí deixado; 9. Recomeçar a operação até não haver mais cortes a serem separados. 940
10. Após término da classificação, retorna a tabela para original para o corte que ficou para ser classificado depois. 4.6. Movimento dos lotes a partir dos pátios de desmembramento Esse movimento é iniciado assim que exista linha nos Pátios de Recepção, de Formação ou Intermediário após a classificação e com lotes de vagões tipo 4 (a movimentar para Terminais) ou tipo 1 (a mover para outro pátio de desmembramento). Esse fato ocorre: No Pátio de Recepção após a separação dos vagões de minério, quando o lote restante vai ser movido para os demais pátios para ser classificado; No Pátio de Formação (ou Intermediário) quando após a separação dos cortes que possuem destino igual ao do último corte, o restante tem tipo 4 (ou 2) significando tratamento no Pátio Intermediário (ou de Formação); Nos pátios de Formação (ou Intermediário) quando já existe lote preparado para ser movido para terminal de carga ou descarga (lote classificado), com destino referente ao Pátio Intermediário (ou de Formação). 4.7. Descarga dos vagões; A descarga dos vagões se faz a partir dos terminais. Os terminais de descarga são: Moega de Grãos; Moega Velha; TPD; TPS; Mizú; Hopper CST; CST; TEVIT; DIPE; Pátio Novo. A operação de descarga em cada terminal foi estudada a partir de dados referente aos meses de maio, setembro e outubro de 2002. A partir desses dados foi definida, para cada terminal, uma distribuição para o tempo de descarga. 4.8. Retorno dos lotes até os pátios de classificação; Após a descarga os lotes vazios retornam aos pátios de classificação (ou desmembramento) para serem novamente alocados a um novo destino que pode ser terminal de carga, para serem novamente aproveitados para carregamento de produtos ou linha da ferrovia, para irem buscar produtos nos destinos fora do Pátio de Tubarão; 4.9. Classificação dos lotes de vagões 4.9.1. Operação de classificação A classificação dos lotes de vagões vazios é a operação que se realiza no Pátio Intermediário para os lotes de vagões que retornaram vazios dos terminais após descarga, ou que vieram vazios da linha, e se destinam aos terminais de carga para carregamento de produtos. Os terminais recebem os vagões para carga, com tipos dependendo da carga considerada. A movimentação desses vagões se dará após a chegada da locomotiva correspondente. A descrição de cada distribuição de carga gerada em cada terminal, bem como do tamanho do lote para cada terminal foi determinada par a cada terminal a partir dos dados coletados. 941
4.9.2. Tipos de lotes O seguinte critério foi estabelecido para a classificação dos lotes vazios, de forma a não deixar lotes pequenos impactando o pátio, e permitir uma dinâmica de devolução de vagões vazios à linha: Lotes grandes no Pátio Intermediário: são aqueles que possuem pelo ao menos os vagões requisitados pelo terminal, e a sobra é maior ou igual ao lote médio para esse terminal. Para esses lotes, os vagões requisitados são enviados ao terminal e os demais aguardam nova requisição. Lotes médios no Pátio Intermediário: são aqueles que possuem pelo ao menos os vagões requisitados pelo terminal, e a sobra é menor do que o lote médio para esse terminal. Para esses lotes, os vagões requisitados são enviados ao terminal e os demais são devolvidos à linha. Lotes exatos no Pátio Intermediário: são aqueles que possuem exatamente o número de vagões requisitados pelo terminal. Para esses lotes, os vagões requisitados são enviados ao terminal. Lotes pequenos no Pátio Intermediário: são aqueles que possuem menos do que os vagões requisitados pelo terminal, mas cujo número de vagões é maior ou igual ao lote médio para esse terminal. Para esses lotes, os vagões aguardam nova requisição. Lotes muito pequenos no Pátio Intermediário: são aqueles que possuem menos do que os vagões requisitados pelo terminal, mas cujo número de vagões é menor que o lote médio para esse terminal. Para esses lotes, os vagões são devolvidos à linha. A classificação dos lotes em tipos leva em consideração três parâmetros: NL = número de vagões do lote, LR = número de vagões requisitados pelo terminal; e LM = tamanho do lote médio para o terminal que requisitou o lote. 4.10. Movimentação dos vagões vazios até seu ponto de carga; Os vagões vazios, sejam eles oriundos da linha ou oriundos dos terminais de carga, após terem sido requisitados pelos terminais de carga para carregarem produtos, são classificados e separados conforme descrito anteriormente e após isso são encaminhados aos terminais de carga. O movimento dos lotes de vagões vazios aos terminais de carga já formam descritos no capítulo 4.6- movimentos dos lotes a partir dos pátios de desmembramento. 4.11. Carga dos vagões A operação de carga em cada terminal foi estudada a partir de dados de carga referente aos meses de maio, setembro e outubro de 2002.A partir desses dados foram definidos para cada terminal distribuições para o intervalo entre cargas, tamanhos do lote para atender à operação de carga e tempo de atendimento à operação de carga. A carga dos vagões se realiza nos terminais de carga: TPD; CST; MURO; TPS; TEVIT; Maré Mizú; ECV; Área G. 4.12. Retorno dos lotes carregados Os lotes carregados nos terminais retornam ao Pátio de Formação onde serão incluídos em um trem cargueiro que irá de volta à linha descarregar os produtos e trazer novas cargas. 942
4.13. Formação dos cargueiros A formação dos cargueiros se dá a partir do Pátio de Formação. Os trens são formados por lotes de vagões vazios que retornam à linha para pegar novas cargas ou lotes de vagões carregados com cargas adquiridas no Pátio de Tubarão. 4.14. Partida dos trens Os lotes carregados ou os vazios que se destinam à linha são agrupados nas linhas do Pátio de Formação para formar um trem cargueiro que irá se dirigir à linha da EFVM a fim de descarregar a carga, ou buscar novas cargas que retornarão ao PTT. Não entraremos em consideração sobre os diversos destinos possíveis e as cargas relativas a cada um. Por simplificação do modelo consideraremos que os trens serão formados independente de cargas preferenciais para os destinos possíveis. Após a aglutinação de um número suficiente de vagões (consideraremos mais de 100), o trem estará liberado para partir. 5. Lógica de Movimentação das locomotivas A lógica de movimentação das locomotivas no PTT pode ser mostrada no esquema abaixo: Figura 8 - Esquema dos movimentos das locomotivas no PTT As locomotivas consideradas são: Loco 1 - Atende à Moega de Grãos; Loco 2 - Atende à Moega Velha; Loco 3 - Atende ao CST e MURO; Loco 4 - Atende ao Mizú e Área G; Loco 5 - Atende ao TPS e TPD; Loco 6 - Atende ao Hopper/CST, ECV e Maré; Loco 7 - Atende ao TEVIT; Loco 8 - Atende ao Pátio Novo e à DIPE; Loco 9 - Atende ao movimento entre pátios. 943
6. O modelo de Petri A partir das considerações estabelecidas no capítulo anterior foi desenhada a rede de Petri para o sistema. O modelo bastante complexo e grande a que chegamos englobou cerca de: 500 esquemas; 200 lugares; 1200 transições; 400 arcos. 7. Conclusões A partir do presente trabalho foi constatado que para sistemas grandes e complexos como o do pátio de manobras ferroviárias, o modelo de Petri se mostrou uma ferramenta eficiente e que simplifica muito o trabalho de transposição para uma linguagem de simulação a eventos discretos, visto que detalha o sistema, permite uma validação e verificação do modelo antes de ser programado no simulador. Referências Bibliográficas: Companhia Vale do Rio Doce, 2003 Logística Serviços Serviços Ferroviários site: www.cvrd.com.br - acessado em: 09/06/2003 às 09:00 hs. Companhia Vale do Rio Doce, 2002 SITRANVM Sistema de Informações. Companhia Vale do Rio Doce, 2000 - Sistema de Controle da Torre D do Pátio Terminal de Tubarão Descrição Operacional do Pátio - SUEST/SUCIS- REISIG, WOLFGANG (1982) Petri Nets An introduction Springer Verlag Berlin Heildelberg New York HILLIER,F, LIEBERMAN,G (1995) Introduction to Operations Research McGraw-Hill,Inc 6 a Editon - USA 944