Principais critérios que influenciam na determinação dos coeficientes da capacidade ferroviária Marcelo do Vale Coimbra* Frederico Augusto Coelho Vieira Costa Heygon Henrique Fernandes Araújo Marcos André de Miranda Pinto Reinaldo Pimentel Loyola Meireles Gerência Executiva de Engenharia e Planejamento Logístico, Av. Dante Michelini, 5500. Jardim Camburi. CEP 29000-000, Vitória, Espírito Santo. e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] RESUMO Este artigo tem como objetivo apresentar uma metodologia para o cálculo da capacidade de um trecho de linha singela determinado analiticamente pela fórmula de Colson e por simulação dinâmica e avaliar os principais critérios que influenciam na determinação dos coeficientes da capacidade. Para isso, será aplicada a teoria de filas no método analítico e será utilizado o software Arena para simulação dinâmica no trecho considerado gargalo na ferrovia, a fim de identificar o valor aproximado do fator K referente a eficiência operacional. Palavras-Chaves: gestão da capacidade ferroviária, fórmula de Colson, modelagem e simulação. 1. INTRODUÇÃO A Vale é a principal fornecedora de serviços de logística no Brasil sendo responsável pela maior parte das cargas movimentadas no país, e suas ferrovias, Estrada de Ferro Vitória à Minas e Estrada de Ferro Carajás estão entre os grandes diferenciais competitivos da empresa. Para reforçar a competitividade e sustentar a expansão de suas operações, a Diretoria de Logística da Vale desenvolve estudos que subsidiam a tomada de decisão para execução de investimentos correntes e de capital. Investimentos em infraestrutura ferroviária são elevados e uma ferrovia já construída não é facilmente ajustada ou modificada. A capacidade atual e futura das ferrovias da Vale é definida a partir de criteriosa análise realizada pela área de planejamento de longo prazo da Logística, que tem por objetivo, identificar e eliminar os gargalos operacionais a fim de garantir a capacidade de transporte. Determinar a capacidade de uma ferrovia é uma tarefa complexa que depende de diversos fatores que estão inter-relacionados, sejam aspectos físicos ou operacionais da via. A avaliação da capacidade de uma ferrovia pode ser realizada utilizando métodos analíticos, como por exemplo, a fórmula de Colson, que permite o cálculo da capacidade física de uma linha singela a partir do conhecimento dos tempos de percurso entre desvios de cruzamento consecutivos. Também pode ser utilizado modelos de simulação dinâmica com o objetivo de prever o comportamento futuro da ferrovia, por exemplo, num cenário de crescimento do transporte onde é preciso avaliar a necessidade de duplicação de determinados trechos. O artigo tem como objetivo apresentar uma metodologia para aferir o valor aproximado do fator K referente à eficiência operacional isolando este fator das demais variáveis da fórmula de Colson, utilizando dados reais referente ao sistema integrado (mina – ferrovia - porto) por simulação dinâmica e por teoria de filas. Para atingir o objetivo proposto, o presente artigo foi estruturado em 6 sessões, conforme a seguir: a seção 2 descreve sobre os conceitos de capacidade ferroviária; a seção 3 apresenta a metodologia para o cálculo da capacidade e os cenários avaliados; a seção 4 apresenta o desenvolvimento do trabalho; na seção 5 são apresentados os resultados e na seção 6 as conclusões. ti: tempo de viagem entre os dois pátios de cruzamento sentido importação (minutos) tl: tempo de licenciamento de trens necessário para permitir a entrada de um trem após a passagem de outro pelo trecho entre os dois pátios (t licen exp + t licen imp) em minutos Para este método, Brina (1988) indica a necessidade do uso de um fator que diferencia as ferrovias conforme sua eficiência, variando de 60% a 80%, denominado de fator “K”. Além de Brina (1988), Kraft (1982) cita que este fator K pode variar entre 60% a 75%. Krueger (2000) apud Barros (2013) cita que este parâmetro, o valor do fator K, representa a capacidade que pode ser permanentemente fornecida sob condições normais de operação e representa aproximadamente 2/3 da capacidade teórica. Contudo, Krueger (2000) apud Barros (2013), utiliza três diferentes definições para classificar os tipos de capacidade na avaliação do desempenho de um sistema ferroviário, diferente de Brina, sendo: capacidade teórica, prática e utilizada. A relação entre estes tipos de capacidade pode ser observada na Fig. 1. 2. CAPACIDADE FERROVIÁRIA Capacidade de tráfego ou vazão de um trecho ferroviário é definida pelo número de trens que poderão circular num determinado intervalo de tempo (BRINA, 1988). O autor indica duas possibilidades de cálculo, sendo uma através do gráfico real de circulação dos trens e analiticamente pelo método de Colson, conforme a equação 1. C k 1440't vp (t e ti tl ) (1) Fórmula de Colson (adaptado) (Fonte: BRINA, 1988) Sendo, C: capacidade em pares trens/dia K: fator de eficiência operacional (%) tvp: tempo médio diário de manutenção da via permanente (minutos) te: tempo de viagem entre os dois pátios de cruzamento sentido exportação (minutos) Fig. 1 Relação entre capacidade e confiabilidade. (Fonte: KRUEGER, 2000) A capacidade teórica é definida por Krueger (2000) apud Barros (2013) como sendo o número de trens que trafegam em uma rota, em um determinado período de tempo definido, em condições ideais, caracterizado por um cenário virtual em que os trens apresentam movimento constante com headway mínimo entre eles. Este parâmetro expressa o limite máximo da capacidade de tráfego, considerando que o movimento dos trens é homogêneo ao longo do dia, que estes são espaçados uniformemente e não há interrupções no sistema. Por ser um valor obtido através de fórmula empírica e não considerar os efeitos da variação do tráfego e das operações é impossível que seja praticado em condições reais. A capacidade prática é o limite de número de unidades que podem se movimentar na linha ferroviária com certo nível de confiabilidade. Pelo fator de refletir as condições de circulações de diferentes tipos de trens, com prioridades distintas, segundo o acúmulo de tráfego e outras condições do sistema, representa uma medida mais realista de capacidade. Como representa a combinação específica de infraestrutura, tráfego e operações para movimentar o volume máximo de produtos, com um nível de serviço e confiabilidade pré-determinados, é a media mais significativa de capacidade do sistema ferroviário. (KRUEGER, 2000 apud BARROS, 2013). Ainda Krueger (2000) apud Barros (2013) define a capacidade utilizada como sendo a que representa o volume de tráfego e as operações realizadas, de fato, na linha ou rede ferroviária e, em geral, é menor que o valor da capacidade prática por diversos motivos tais como: variação do tempo de viagem entre estações nos ramais, atrasos no despacho dos trens nos terminais e pátios, atrasos decorrentes do volume de tráfego na via ou congestionamento, atrasos devido à eficiência dos equipamentos utilizados na operação, atrasos devido às restrições decorrentes das condições climáticas e vários outros eventos não programados ou indesejáveis. Por fim, definiu-se a capacidade disponível que representa a diferença entre a capacidade prática e a capacidade utilizada e corresponde ao volume de tráfego adicional, que pode ser inserido na rota de circulação dos trens. Havendo disponibilidade, a inserção de novos trens é considerada capacidade excedente, caso contrário, é considerada capacidade perdida. Revisando as obras dos autores Brina (1988), Kraft (1982), Krueger (2000) apud Barros (2013), entre outros, observa-se que eles não definem claramente os critérios para utilização dos valores do índice de eficiência, apresentando apenas o intervalo de variação do fator K. Além disso, as principais normas técnicas internacionais AREMA (1998) e UIC 406 (2004), citam que a determinação da capacidade de uma ferrovia depende de diversos fatores que estão inter-relacionados, tais como, perfil da via, sistema de sinalização, manutenção programada e não programada, indisponibilidade de via por eventos diversos (falhas de via, de eletroeletrônica, de material rodante, interdição por comunidade, etc.), regularidade nos horários de chegada de trens, trem tipo, modelo operacional, eficiência operacional, tamanho dos pátios, distância entre pátios, entre outros. 3. A METODOLOGIA PROPOSTA Conforme verificado a partir da revisão bibliográfica realizada sobre capacidade ferroviária na seção anterior, para se definir a eficiência de uma ferrovia, ou seja, o fator K deve-se levar em conta diversos fatores, alguns previsíveis outros completamente aleatórios que exercem influência na capacidade de uma ferrovia. O objetivo da aplicação da metodologia é aferir o valor aproximado do fator K referente à eficiência operacional isolando este fator das demais variáveis da fórmula de Colson. Com o objetivo de apresentar um estudo de caso que retratasse a condição operacional de maneira genérica das ferrovias da Vale, aplicamos a metodologia proposta neste artigo em um determinado trecho da Estrada de Ferro Carajás (EFC), dado que esta ferrovia está no limite de sua capacidade e, por este motivo, estão sendo realizadas atualmente obras de duplicação. Sendo assim, a metodologia foi aplicada para os seguintes cenários a seguir: a) Simulação cenário “real”: capacidade determinada por simulação dinâmica (software Arena) a partir da utilização de dados reais do mês recorde de transporte na ferrovia. b) Simulação cenário “de stress”: capacidade determinada por simulação dinâmica (software Arena) a partir da utilização de dados reais referente ao mês recorde de transporte na ferrovia, entretanto, incluindo mais trens na malha até o limite de sua saturação, a fim de verificar o impacto na capacidade e no fator K no trecho gargalo. c) Teoria de filas (fórmula de Colson): capacidade determinada considerando fila média de 1 trem aguardando, haja vista que a capacidade de atendimento de um trecho singelo é de 1 trem por vez em condições normais. Este cenário é o que retrata a melhor utilização no trecho a fim de evitar uma elevada formação de filas. Para o desenvolvimento da metodologia proposta no presente artigo foram necessárias as seguintes etapas: identificar o mês recorde de transporte na ferrovia, coletar os dados reais para calibração do cenário base no software de simulação, identificar o trecho gargalo e, por fim, aplicar os resultados obtidos na fórmula de Colson, conforme descrito na seção 4. 4. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO A Fig. 2 apresenta o fluxograma de desenvolvimento da metodologia com todas as etapas que serão detalhadas nas próximas subseções. O recorde histórico de transporte de minério de ferro e carga geral na EFC ocorreu no mês de junho/2015, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1. Recorde histórico de transporte Recorde histórico de transporte junho/2015 Total pares trens/dia minério + carga 13,05 geral + obras e serviços (Realizado) * * Refere-se a média dos pares trens/dia que circulou na ferrovia no período de 1 mês no trecho gargalo. 4.2 Coleta de dados para simulação A partir da definição do período a ser avaliado, ou seja, o mês de recorde histórico de transporte, foram coletados os dados reais para calibração do modelo de simulação, tais como: Premissas terminal carregamento (mina): ferroviário de tempo médio de carregamento; tempos e movimentos no terminal ferroviário; peso médio ponderado por tipo de produto; manutenção do sistema de carregamento (silos); Premissas ferrovia: transit time simulado no software TDS 5000; eventos e tempos de interdição de via por falhas ou defeito (eletroeletrônica, via permanente, comunidade; precaução de via, material rodante, etc.). eventos e tempos de manutenção preventiva; tempos de paradas programadas (abastecimento e troca de equipe); Fig. 2 Fluxograma das etapas do trabalho. 4.1 Identificação do mês recorde de transporte na ferrovia O primeiro passo foi identificar, a partir de dados históricos, o recorde mensal de transporte na ferrovia, que por analogia, nos remete a maior quantidade de trens que foi possível circular na via. Premissas terminal ferroviário de descarga (porto): tempo médio de descarga por lote; tempos e movimentos no terminal ferroviário; manutenção do sistema de descarga (viradores de vagão); 4.3 Software utilizados na simulação A seguir são apresentados os softwares utilizados no presente estudo. 4.3.1 TDS 5000 O TDS 5000 é um simulador de operação de trens fabricado pela NYAB (New York Air Brake) e utilizado pela VALE na Engenharia de Operação de Trens. Consiste em um software que uma vez alimentado com os parâmetros adequados de locomotivas, vagões e perfil de via, reproduz em simulação o desempenho de um trem na via, fornecendo ao usuário dados e informações a respeito da dinâmica trem-via, tais como, transit times, forças e choques de tração e compressão, velocidade e consumo de combustível. Os transit times simulados no TDS 5000 representam o tempo de circulação do trem no trecho sem interferência de qualquer natureza por problema operacional na via (quebra de trilho, quebra de material rodante, falha eletroeletrônica, manutenção de via, interdição por bloqueio da via, intempéries etc.). 4.3.2 ARENA O software ARENA é um ambiente gráfico integrado de simulação que contém todos os recursos para modelagem de processos, desenho & animação, análise estatística e análise de resultados. A Vale desenvolveu e vem aprimorando os modelos de simulação para a Estrada de Ferro Vitória à Minas (EFVM) e para a Estrada de Ferro Carajás (EFC) por meio do software ARENA. Sendo assim, o software ARENA será utilizado neste trabalho para modelar os cenários propostos. 4.4 Calibração do modelo de simulação e identificação da quantidade máxima de pares trens/dia no trecho gargalo A partir da coleta dos dados reais e utilizando o software ARENA, foi simulado o cenário do mês de recorde mensal de transporte na ferrovia, onde os resultados obtidos apresentaram uma aderência de aproximadamente 99,8% entre o real e o simulado, conforme a Tabela 2. Tabela 2. Quantidade de pares trens/dia transportados na ferrovia (realizado x simulado) Pares Cenários trens/dia Total pares trens/dia minério + carga 13,05 geral + obras e serviços (Realizado) * Total pares trens/dia minério + carga 13,02 geral + obras e serviços (Simulado) * Refere-se a média dos pares trens/dia que circulou na ferrovia no período de 1 mês no trecho gargalo. Com os resultados da simulação foi possível identificar o segmento de linha singela que obteve a maior utilização dentre todos os trechos da ferrovia, sendo o trecho que restringiu a quantidade máxima de pares trens/dia no período simulado. 4.5 Transit time do trecho gargalo Considerando que o modelo apresentou aderência no resultado da simulação e foi identificado o trecho mais restritivo, os transit times deste trecho determinados através da simulação do software TDS 5000 foram utilizados para aplicação na fórmula de Colson. Desta maneira, a Tabela 3 apresenta os transit times na unidade decimal em minutos, no sentido carregado (exportação) e no vazio (importação). Tabela 3. transit times trecho gargalo transit time (minutos) importação exportação 29,00 25,66 4.6 Aplicação da fórmula de Colson para aferir o fator K para o cenário “real” e “de stress” Considerando o resultado obtido para o valor da capacidade do trecho gargalo e os transit times, ambos determinado por simulação, foi possível aferir o valor aproximado do fator K, isolando esta variável das demais variáveis que são utilizadas na fórmula de Colson, conforme a equação 2 a seguir: k Csimulada (te ti tl ) 1440'tvp (2) Sendo, Csimulada: capacidade “simulada” em pares trens/dia no trecho gargalo K: fator de eficiência operacional (%) tvp: tempo médio diário de manutenção da via permanente (minutos). Considera-se 3 horas/dia (ou 180’ por dia). te: transit time “simulado” do trecho gargalo entre os dois pátios de cruzamento sentido exportação (minutos) ti: transit time “simulado” do trecho gargalo entre os dois pátios de cruzamento sentido importação (minutos) tl: tempo de licenciamento de trens necessário para permitir a entrada de um trem após a passagem de outro pelo trecho entre os dois pátios (t licen exp + t licen imp) em minutos. Considera-se “zero” haja vista que a ferrovia é sinalizada por sistema “on time”. 4.7 Aplicação dos conceitos da teoria de filas para determinar o fator K A teoria das filas é um ramo da probabilidade que estuda a formação de filas, através de análises matemáticas precisas e propriedades mensuráveis das filas. Um sistema de filas pode ser definido como clientes chegando, esperando pelo serviço (se não forem atendidos imediatamente) e saindo do sistema após terem sido atendidos. A disciplina de filas refere-se à maneira como os clientes são escolhidos para entrar em serviço após uma fila ser formada. A disciplina mais comum é FIFO (first in first out), ou seja, o primeiro a chegar é o primeiro a ser servido (Prado, 2006). No caso da ferrovia, fila representa o número de trens aguardando circulação em um determinado pátio de cruzamento para utilizar a linha principal, pois um trecho de linha singela possui um único servidor e por isso, só poderá atender a um único cliente (trem) de cada vez para cada par de pátios de cruzamento, sendo considerados apenas os pátios habilitados para cruzamento de trens, conforme é apresentado na Fig. 3. chegada de trens num determinado trecho ferroviário. Considerando que a capacidade de atendimento de um trecho singelo é de 1 trem por vez, a situação que retrata a melhor utilização no trecho seria a condição de ter 1 trem em fila (espera) para utilizar o trecho assim que outro trem terminou de livrar a linha singela. O modelo M/M/1, também conhecido como modelo de Poisson, é o modelo em que tanto as chegadas quanto o atendimento são markovianos, ou seja, seguem a distribuição de Poisson ou a Exponencial Negativa em que temos um único atendente. A teoria das filas dita que para o modelo M/M/1 a taxa de utilização é a relação entre o ritmo médio de chegada e o ritmo médio de atendimento, representado pela equação a seguir: Sendo: ρ = taxa de utilização λ = ritmo de chegada μ = ritmo médio de atendimento O número médio de trens em fila é: E ( LQ ) 2 1 (4) Prado (2014) cita que um sistema no qual o tempo de resposta é importante (a fila deve ser pequena) deve ser tal que ρ fique abaixo de 0,6. Caso esse sistema esteja em processo de crescimento (λ está crescendo), deve-se pensar em substituir a capacidade de atendimento antes de atingir 0,9, conforme é apresentado na Fig. 4. Fig. 3 - Cruzamento de trens em linha singela. O ideal é que não exista tempo de espera em uma fila, porém isto nem sempre é possível devido principalmente à aleatoriedade de (3) Fig. 4 - Relação do tamanho da fila x taxa de utilização Utilizando os conceitos e as premissas descritas nesta seção, foi possível efetuar a aplicação da teoria conforme será apresentado na próxima seção. Logo, considerando o valor da capacidade igual a 13,81 pares trens/dia (com o acréscimo de até 0,79 pares trens/dia) na Equação 2, obtemos o seguinte resultado para o fator K: 5. RESULTADOS OBTIDOS k 13,81 A seguir são apresentados os resultados da aplicação da metodologia para determinação do fator K para os cenários simulados (“real” e “de stress”) e por teoria de filas. 5.1 Cenário “real” Aplicando as premissas referente a capacidade “real” e os transit times, na Equação 2, ambos determinados por simulação, obtemos o seguinte resultado para o fator K: k 13,02 (25,66'29,00'0' ) 1440'180' k 56% 5.2 Cenário “de stress” (25,66'29,00'0' ) 1440'180' k 60% 5.3 Teoria de filas De acordo com o que foi citado na subseção 4.7, a melhor utilização no trecho seria a condição de ter 1 trem em fila (espera) para utilizar o trecho assim que outro trem terminou de livrar a singela. Partindo deste princípio e, aplicando os conceitos da teoria de filas é possível determinar o fator de utilização, conforme abaixo: 2 E ( LQ ) 1 Com o objetivo de avaliar se o cenário real apresentou a máxima utilização do trecho, partirmos para avaliação do cenário “de stress” incluindo mais trens na malha a fim de verificar o impacto na capacidade e no fator K no trecho gargalo. Os resultados simulados obtidos para o cenário “de stress” indicaram que o acréscimo de até 0,79 par de trem/dia, ou seja, 13,81 pares trens/dia, representa uma condição operacional mais eficiente, haja vista que os cenários que apresentaram ganhos superiores a este valor resultaram num crescimento exponencial do indicador ciclo (horas) em função do aumento do indicador trem hora perdido (THP), conforme pode ser observado na Fig. 5. 1 0,63 O valor de 63% vem sendo utilizado nos cálculos de capacidade pela área de Planejamento de Longo Prazo para as ferrovias da Vale. Considerando os transit times simulados para o trecho gargalo e o fator K = 63% determinado por teoria de filas, foi possível verificar a capacidade dos trechos, conforme a seguir: C k C 63% Fig. 5 – Comportamento do indicador THP com o acréscimo de pares trens/dia 2 1 1440't vp (t e ti tl ) 1440'180' (25,66'29,00'0' ) C 14,52 pares _ trens _ dia Sendo assim, a Tabela 4 apresenta o resumo dos resultados obtidos a partir da aplicação da metodologia por simulação dinâmica e por teoria de filas. Tabela 4. Resumo resultados cenários Pares Trens Fator Capacidade trens/dia em fila K a) Simulação cenário real 13,02 0,7 56% b) Simulação cenário stress 13,81 0,9 60% c) Fórmula de Colson aplicando teoria de filas 14,52 1,0 63% Os resultados obtidos por simulação para o cenário “real” e “de stress” referente ao valor do fator K, que nos remete ao índice de eficiência operacional, foram valores inferiores ao determinado por teoria de filas. O cenário “de stress” obteve um fator K=60% maior que o cenário “real” (K=56%), no entanto, é um valor próximo ao fator K=63% determinado por teoria de filas. 6. CONCLUSÕES Tendo em vista os aspectos observados, determinar a capacidade e o fator “K” de eficiência operacional de uma ferrovia é uma tarefa complexa que depende de diversos fatores que estão inter-relacionados, sejam físicos, operacionais ou indisponibilidade por eventos diversos (falhas de VP, eletroeletrônica, material rodante, interdições, etc.). A partir da aplicação da metodologia proposta neste artigo, foi possível aferir o valor do fator “K” referente a eficiência operacional do trecho gargalo por simulação dinâmica e por teoria de filas. O valor do fator “K” igual a 63%, determinado analiticamente por teoria de filas, vem sendo utilizado nos cálculos de capacidade para as ferrovias da Vale, à nível de planejamento, a fim de buscar garantir uma melhor eficiência e redução dos custos operacionais. Isto só é possível na condição de se utilizar a linha singela sempre que o trecho esteja liberado para circulação mantendo em média 1 trem em fila. Por sua vez, os resultados obtidos por simulação demostraram que, a medida que se aumenta a quantidade de pares trens/dia na via e, consequentemente, eleva-se a eficiência operacional (fator “K”), há um crescimento exponencial do indicador trem hora perdido (THP) que gera impacto direto no ciclo (horas) de vagões e locomotivas. Por todos esses aspectos, é possível concluir que, para determinar o fator de eficiência operacional é imprescindível o conhecimento dos fatores físicos e operacionais dos trechos da ferrovia e o valor deste fator “K” deve refletir na via a melhor condição de circulação dos trens, evitando-se uma elevada formação de filas e, consequentemente, uma maior necessidade de material rodante para a execução de um mesmo volume de transporte. Para uma ferrovia que esteja em processo de crescimento, deve-se pensar em duplicar a capacidade de atendimento antes de se atingir um elevado valor de eficiência operacional no trecho gargalo, sendo necessário, uma avaliação trade off entre a duplicação do trecho versus compra de material rodante em função do aumento de trens em fila. REFERÊNCIAS [1] AREMA, American Raílay Engineering Association, 1998. [2] BARROS, J. M. F. M, Avaliação dos Principais Métodos Analíticos de Cálculo de Capacidade de Tráfego Utilizados em Ferrovia Nacional e Internacional, Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Geotécnica e Transportes da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2013. [3] BRINA, H. L. Estradas de ferro 2. 2ª Ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 1988. [4] KRAFT, E. R. Jam Capacity of Single Track Rail Lines. Proceedings of the Transportation Research Forum, Vol. 23, Nº 1, pp. 461-471. [5] KRUEGER, H. et al. Simulation within the railroad environment. In: Winter Simulation Conference, Orlando. Proceedings … [S.L.: son.], 2000. P. 1191-1200, 2000. [6] PRADO, D. A. Teoria das Filas e da Simulação: série pesquisa operacional volume 2, 5ª edição, Belo Horizonte: Indutes, 2014. [7] UIC, Union Internationale dês Chemins de Fer UIC. Capacity, Conde 406, Setembro, 2004.