INTEGRAÇÃO DE SIG E GPS NO GERENCIAMENTO DA VIA PERMANENTE 2
RESUMO O aumento da carga movimentada na malha ferroviária gera um dilema, quanto maior a quantidade transportada, maior a solicitação da via permanente e menor o tempo para sua manutenção. Em conseqüência, aumenta a importância do gerenciamento da manutenção de via permanente, do tempo de acesso aos pontos onde ela está sendo executada, da correta identificação dos componentes da via e dos problemas existentes. Para a inspeção da Via Permanente é utilizado um carro controle que verifica a geometria da via em ciclos de 3 a 4 meses. Os parâmetros observados são comparados com limites pré-estabelecidos para verificar aqueles que excedem os limites de tolerância. Todo o levantamento é feito levando em consideração os marcos quilométricos da via. Contudo, falhas na identificação podem ocorrer. Pontos de defeitos podem não ser trabalhados adequadamente ou a companhia ferroviária poderá investir material e serviços em extensões maiores do que as necessárias para garantir que os defeitos sejam realmente tratados. O método tradicional de levantamento não satisfaz a aspectos econômicos e a utilização de um levantamento mais preciso pode ajudar a minimizar este problema, pois o sucesso de gestão da manutenção da Via tem a ver com a melhor forma de representar os dados para atender às necessidades dos usuários. A precisa identificação da via permanente pode ser otimizada com a utilização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) e do Sistema de Posicionamento Global (GPS). O presente trabalho mostra como pode ser feita a integração destas tecnologias para criar uma base de dados que possa ser utilizada por todos os setores de uma empresa ferroviária e que possibilitará substituir os mapas de via que são utilizados na maior parte do sistema ferroviário brasileiro. O trabalho descreve a forma como vem sendo preparada a base de dados, partindo de levantamentos de campo e de restituições fotogramétricas para criar um banco de dados georreferenciados visando sua utilização através de um SIG com um o nível de precisão adequado para cada atividade e de maneira que sejam úteis a vários setores da empresa. 3
1. INTRODUÇÃO Atualmente, para a inspeção da Via Permanente, a empresa utiliza um carro controle que verifica a geometria da via em ciclos de 3 a 4 meses. Os parâmetros observados são comparados com os limites determinados pela Federal Railroad Administration (FRA) para verificar aqueles que excedem os limites de tolerância. Todo o levantamento é feito levando em consideração os marcos quilométricos da via. Assim, os responsáveis pela manutenção recebem um relatório com todos os parâmetros verificados e sua localização de acordo com a quilometragem que se encontra marcada ao longo da via. Embora os marcos quilométricos sejam identificados, quase sempre, por um poste com a identificação do início do quilômetro, a distância entre dois postes de marco quilométrico raramente é igual a 1.000 metros, face as interferências realizadas na via. Essa referencia precisa ser mantida por uma questão de compatibilidade. O carro controle também registra alguns pontos notáveis durante a inspeção, como pátios ferroviários, pontes e passagens de nível, por exemplo. Estas marcações são utilizadas para auxiliar na localização dos defeitos indicados durante a inspeção. Para a manutenção estas indicações quilométricas e de pontos notáveis podem ser suficientes, pois uma equipe experiente será capaz de identificar os locais da falhas. Contudo, falhas na identificação podem ocorrer. Pontos de defeitos podem não ser trabalhados adequadamente ou a companhia ferroviária poderá investir mais material e serviços em extensões maiores do que as necessárias para garantir que os defeitos sejam realmente tratados. Os equipamentos de manutenção modernos bem como locomotivas, entre outros, já possuem a possibilidade de determinar sua posição por GPS, entretanto, esse recurso é subutilizado por falta de uma base de dados georreferenciada desenvolvida especificamente para gerenciamento da malha. Para o desenvolvimento da base de dados, o método tradicional de levantamento via topografia não satisfaz, levando a utilização de equipamentos que obtém suas coordenadas por GPS, pois o sucesso de gestão da manutenção da Via tem a ver com a melhor forma de representar os dados para atender às necessidades dos usuários. O desafio que o presente trabalho pretende equacionar é a maneira de utilizar essas técnicas, com um rendimento compatível com o nível de precisão necessário para cada atividade e de maneira que sejam úteis a vários setores da empresa. 2. SISTEMAS DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS (GIS) De uma forma simplificada, um SIG é um sistema gráfico que trabalha com apenas três tipos de feições, ponto, linha e polígono, as quais possuem coordenadas geográficas(latitude e longitude), ou seja estão georrefernciadas. 4
De acordo com (CÂMARA, 1994) os Sistemas de Informações Geográficas SIG podem ser definidos como uma coleção organizada de hardware, software, dados geográficos e alfanuméricos, projetados para eficientemente, capturar, armazenar, atualizar, manipular, analisar e apresentar informações referenciadas geograficamente. Constitui-se basicamente em um mapeador temático automatizado, onde as informações obtidas são organizadas em camadas (layers) e tais características se unem à potencialidade dos bancos de dados automatizados. Ainda, um SIG pode ser considerado como um tipo de sistema de informação que envolve de forma sistêmica e interativa bancos de dados, tecnologia e pessoal, sendo capaz de realizar análises espaciais, armazenar, manipular, visualizar e operar dados georreferenciados para obtenção de novas informações. Os sistemas de informações geográficas são utilizados para georreferenciar regiões de interesse de certos estudos. O termo georreferenciar é uma palavra chave deste trabalho. De acordo com (LOPES E SABOYA, 2006), o SIG é um híbrido entre os bancos de dados tabulares tradicionais e os softwares de desenho assistido por computador CAD que acrescentam um componente de localização aos bancos de dados convencionais e um componente de informação ao desenho de CAD. A esta ação de vincular dados tabulares a informações geográficas se dá o nome de georreferenciar uma dada região. Existem vários sistemas que podem ser utilizados para esse tipo de tarefa, entre eles o ArcGIS e o Transcad. O TransCAD é um Sistema de Informação Geográfica (SIG) especificamente concebido para utilização por profissionais de transporte para armazenar, exibir, gerenciar e analisar dados. Ele combina um sistema SIG e capacidades de modelagem em transporte em uma única plataforma integrada. Pode ser utilizado para todos os modos de transporte, em qualquer escala ou nível de detalhe e é ideal para a construção de sistemas de informação e de apoio à decisão. Incorpora, além das funções básicas de um SIG, rotinas específicas para soluções de problemas de logística, de pesquisa operacional e transportes em geral. O ArcGis é um SIG de aplicação geral que pode reunir informações do banco de dados corporativo da empresa com a base de dados georreferenciada, possibilitando desenvolver uma série de analises que seriam muito difíceis apenas utilizando os sistemas convencionais. 2.1. O Sistema GPS O Sistema de Geoposicionamento Global (GPS) foi criado em 1973 e é baseado em um sistema de rádio-navegação que consiste em uma constelação de satélites e de estações terrestres utilizadas para o monitoramento e controle. Existem pelo menos 24 satélites de GPS que orbitam a Terra a uma altitude de aproximadamente 11.000 milhas fornecendo aos usuários com informações precisas sobre a posição, velocidade e tempo em qualquer lugar do mundo e em todas as condições meteorológicas. O GPS básico fornece aos usuários aproximadamente 100 metros de precisão, 95% do tempo, em qualquer lugar ou perto da superfície da terra. Para isso, cada um dos 24 satélites 5
emite sinais para os receptores que determinam a sua localização pelo cálculo da diferença entre o tempo que um sinal é enviado e o momento em que é recebido. Os satélites GPS têm relógios atômicos extremamente precisos. A informação de tempo é anexada no código transmitido pelo satélite, para que um receptor possa determinar continuamente o tempo que o sinal foi transmitido. O sinal contém dados que o receptor utiliza para calcular as posições dos satélites e fazer outros ajustes necessários para o posicionamento preciso. O receptor usa a diferença de tempo entre o momento da recepção do sinal e o tempo de antena para calcular a distância, ou o intervalo, a partir do receptor ao satélite. O receptor deve levar em conta os atrasos de propagação e a redução da velocidade do sinal causada pela ionosfera e da troposfera. Com a informação sobre a distância a três satélites e a localização do satélite quando o sinal foi enviado, o receptor pode calcular a sua própria posição tridimensional. Um relógio atômico sincronizado com o GPS é necessário a fim de calcular a variação entre estes três sinais. No entanto, tomando uma medida de um quarto satélite, o receptor evita a necessidade de um relógio atômico. Assim, o receptor utiliza quatro satélites para calcular a latitude, longitude, altitude e tempo. 2.2. Integração GPS e SIG O maior proveito dessas tecnologias só pode ser obtido através de integração entre elas daí a importância do desenvolvimento de uma base de dados comum com a utilização das coordenadas levantadas por GPS. A importância do trabalho é relacionar as informações do banco de dados com as feições encontradas no campo, o que foi conseguido através das coordenadas fornecidas pelo GPS. 3. A BASE DE DADOS Para integrar GPS e SIG é essencial a existência de uma base de dados referenciada da via permanente homogênea e com o maior nível de precisão possível, entretanto, fazer o levantamento de toda a malha utilizada requer tempo e interfere com a operação. Em conseqüência, para dar início ao trabalho foi criada uma base com parte do levantamento feito no campo e parte obtida em cartas topográficas existentes e de escalas variadas, dependendo da disponibilidade. O levantamento realizado no campo obteve erros menores que 1m que aumentou de acordo com a escala utilizada. O objetivo final é compatibilizar toda a malha com a mesma precisão, na medida em que haja possibilidade de fazer o levantamento de campo completo. Progressivamente, a base de dados deverá ser substituída pelos levantamentos de campo. A linha vermelha da figura 01 mostra um trecho obtido pelo levantamento de campo feito com GPS sobre a restituição 1:50.000 do IBGE. 6
Figura 01 - Levantamento de campo sobre a restituição 1:50.000 do IBGE na região de Juiz de Fora 3.1. Levantamento de Campo O levantamento de campo usado como referencia foi realizado entre os pátios ferroviários de Serraria e Santos Dumont no dia 22 de julho de 2009. Foi utilizado um GPS do tipo Pathfinder ProXT da marca Trimble que permite coletar características pontos, linhas e área, além de informações personalizadas de atributo. Realizou-se um mapeamento sistemático com GPS acoplado a um veículo com um kit rodo ferroviário (o que permite sua utilização tanto na rodovia quanto na ferrovia) para atualização do eixo ferroviário. O GPS processou as informações em modo código, com taxa de coleta de 2 segundos. Foram coletadas informações paralelas, através da edição de dicionário de coleta de dados, embutidos no coletor do GPS, referentes à chaves de entrada e saída de pátios ferroviários, pontes, passagens de nível, etc. Os dados foram pós-processados e corrigidos pelo software Pathfinder Office 2.02. Em seguida, foram convertidos para o formato shapefile, o padrão utilizado pelos SIG. 7
O receptor GPS Pro XT foi desenvolvido especialmente para a coleta de dados SIG. O conjunto composto pelo receptor, antena e bateria forma uma unidade leve e compacta o que facilita o manuseio. Possui tecnologia Wireless Bluetooth para operações em campo sem o uso de cabos e bateria interna e substituível com autonomia de 12 horas trabalho o que proporciona autonomia suficiente para um dia de trabalho. A precisão do equipamento é: Precisão de 1 metro em tempo real. Precisão submétrica utilizando o Código C/A. Precisão de 30 cm utilizando a Fase da Portadora L1 com 5 minutos de rastreio. Precisão de 1 cm utilizando a Fase da Portadora L1 com 45 minutos de rastreio. 4. RESULTADOS O trabalho possibilitou visualizar as características mais importantes da base de dados de uma forma bastante completa. Progressivamente, vão sendo substituídos trechos que foram obtidos de restituições por obtidos por levantamentos de campo e novas informações serão acrescidas a base de dados. Embora ainda não esteja preparada para isso, a base pode ser acessada pelos diversos setores da empresa com custos baixos, basta que possuam uma versão de um SIG livre como o Open Jump por exemplo. Outra característica muito interessante é a possibilidade de fazer um sobrevôo sobre qualquer trecho da base de dados utilizando o Google Earth, o que facilmente pode ser feito convertendo o segmento da base de dados do padrão SIG(shape file) para o padrão utilizado pelo Google Earth e, posteriormente, abrindo o arquivo diretamente no Google Earth. A linha vermelha da figura 02 mostra como ficou o levantamento de campo usando este procedimento. Convém ressaltar que as diferenças obtidas se referem as imagens do Google Earth não estarem corrigidas para esse tipo de uso. A base de dados assim preparada possibilita o planejamento do acesso aos pontos críticos, o controle e o rastreamento dos componentes da via permanente e ainda, várias outras possibilidades como o gerenciamento do material rodante e atuar nas áreas de segurança, controle de passagens de nível, marketing e previsão da demanda. 8
Figura 02 Levantamento de campo realizado inserido no Google Earth 5. CONCLUSÕES SIG e GPS são tecnologias novas e precisam ser utilizadas de forma conjunta conforme está apresentado nesse trabalho. A utilização das técnicas apresentadas mostra uma nova solução para um problema antigo existente nas ferrovias que é a referência aos diversos pontos a serem estudados. A utilização do GPS nas inspeções realizadas em campo pode aumentar significativamente a produtividade das equipes de manutenção, pois as mesmas serão direcionadas para os pontos realmente necessários. Os dados coletados através da utilização do GPS para o levantamento em campo podem eliminar o processo dispendioso e ineficiente do envio de informações suplementares para o planejamento da manutenção. O uso do GPS integrado a um SIG melhora a qualidade da manutenção e proporciona um processo de planejamento mais preciso e possibilitando à padronização da nomenclatura e o acesso a base de dados por diversos setores da empresa simultaneamente, abrindo perspectivas para novas possibilidades. 9
6. BIBLIOGRAFIA http://www.trimble.com/pathfinderproxt.shtml http://www.caliper.com/tcovu.htm http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservic es/gnss/gps/ CÂMARA, G., Anatomia de um SIG. Fator Gis, Curitiba, Brasil, 1994. LOPES, L. A. S.; SABOYA, E. Sistemas de Informação Geográfica Aplicação com ArcView, 2006. Rocha, C. H. B., Geoprocessamento Tecnologia Transdisciplinar, Juiz de Fora, Ed. do Autor, 2000. SILVA, A. N. R., WAERDEN P., Fisrt Steps with TRANSCAD for Windows, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil. Southby, L.J., Judd, A.M., Integration GPS and GIS Technologies for Effective Management of Railways, Department of Geomatics, The University of Melbourne, Australia, 1994. Wildi, T., Glaus R., A Multisensor Platform for Kinematic Track Surveying, HTA Burgdorf, Zürich, Switzerland. 10