Simulador de Trem

 
Sistema de realidade virtual para a simulação da condução de trem para treinamento de maquinista desenvolvido por equipes da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo está instalado no LABORATÓRIO DE DINÂMICA E SIMULAÇÃO VEICULAR – LDSV. Este projeto foi patrocinado pela VALE S/A e possui instalações nas dependências da VALE em Vitória e Moçambique.Possui inovações na descrição da geometria da via férrea pois utliza informações de topografias georeferenciadas obtidas de fotos de satélite. O instrutor pode controlar até 24 cabines de instrução simultaneamente além de outros módulos equivalentes em outra localidade com sistema de avaliação com pontuação automática. Possui ainda imagens tridimensionais estereoscópica (3D com profundidade) o que permite uma melhor imersão virtual do usuário. Pode ainda funcionar com controle remoto através de rede de internet permitindo ao instrutor preparar cenário ou acompanhar o treinamento em outro local da empresa. Estas são algumas das inovações incorporadas no laboratório.

Descrição do Projeto de Desenvolvimento do Simulador de Trem

Veja o video com a descrição do desenvolvimento do simulador de trem:

O Brasil possui uma das maiores reservas minerais do planeta. Para fazer uso deste recurso é necessário extrair e processar o minério de ferro, produzindo matéria prima para o consumo. O Brasil está entre as maiores produtoras internacionais de minério de ferro junto com a Austrália e a China. A VALE S.A., detentora da concessão de exploração é uma empresa global que atua nos cinco continentes, e conta com mais de 100 mil empregados.

Motivação: A VALE extrai e processa mais de 300 milhões de toneladas de minério de ferro por ano. Como realizar o transporte deste material de forma eficiente e segura? Este desafio foi apresentado a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo que propôs um projeto de pesquisa para o desenvolvimento de Simulador de Realidade Virtual para o treinamento dos mais de 3000 maquinistas que operam cerca de 1000 locomotivas da frota de trens da VALE por todo o país.

A Universidade de São Paulo tem pautado sua existência sobre um importante tripé: o ensino, a pesquisa e a extensão. Conta com mais de 5000 doutores sendo uma das mais importantes Universidades do país e da América Latina.

Dentro da USP está localizada a Escola Politécnica que assumiu este desafio multidisciplinar contando com pesquisadores de diferentes áreas da POLI. Três dos quinze departamentos, que compõe a Escola Politécnica, participaram deste projeto:

O LABORATÓRIO DE DINÂMICA E SIMULAÇÃO VEICULAR do departamento de Engenharia Mecânica da POLI envolvido com a modelagem matemática e simulação do comportamento dinâmico de sistemas mecânicos, para a descrever e representar os componentes do trem.

O LABORATÓRIO DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE do departamento de Engenharia Elétrica (LAC), atuou na concepção da arquitetura do sistema de simulação com processamento distribuído em diversos computadores interconectados em rede, propiciando elevada capacidade computacional.

O TANQUE DE PROVAS NUMÉRICOS (TPN) do departamento de engenharia naval com atuação na área de petróleo junto a Petrobrás, com sua grande experiência em processamento de imagens e realidade virtual, contribuiu com o desenvolvimento da estrutura de visualização e imagens de satélite.

As expectativas iniciais para o do sistema foram:

  • Ser um ambiente de simulação que represente com fidelidade o comportamento dinâmico do sistema simulado;
  • Ser de fácil utilização para o treinamento de maquinistas da VALE;
  • Ser facilmente configurável e atender aos requisitos de utilização do Centro de Excelência em Logística – CEL para treinamento dos recursos humanos da VALE;
  • Incorporar a tecnologia de ponta disponível na Universidade e a nível internacional;
  • Desenvolver novas ferramentas para a melhoria da qualidade do sistema;

O conjunto dos trabalhos desenvolvidos pelos diversos departamentos resultou no SISTEMA DE REALIDADE VIRTUAL PARA A SIMULAÇÃO DO TREM. O sistema de realidade virtual para a simulação do trem é capaz de representar virtualmente as mesmas condições existentes na operação do sistema ferroviário com objetivo de treinar os maquinistas.

Desta forma pode-se realizar o treinamento em condições controladas, verificando o desempenho do maquinista em situações regulares e adversas sem produzir risco ou mobilizar os ativos da empresa. Assim o ganho em produtividade e a possibilidade de preparar o maquinista de forma ampla são pontos fortes desta ferramenta.

O treinamento é realizado em uma cabine similar a cabine da locomotiva. Possui telas de computador ou projetores emulando todos os painéis de comando em escala real, exatamente como em uma locomotiva, para maior imersão do usuário no ambiente virtual. Em um painel de controle, o supervisor prepara um cenário que será utilizado no treinamento.

Nesta etapa é possível montar um trem com as locomotivas e vagões, editar os parâmetros, como peso próprio, potência do conjunto, motor diesel, gerador, motores de tração e muitos outros componentes de um trem, o que permite a montagem virtual de uma composição idêntica às existentes na operação da Vale. Todos os comandos são apresentados graficamente constituindo uma interface intuitiva e eficiente, mostrando em tempo real os objetos de simulação.

Com o editor de vias é possível construir trechos de vias para simular condições específicas de avaliação no ambiente de simulação. As principais malhas ferroviárias operadas pela VALE foram reconstruídas em ambiente virtual com todos os detalhes utilizando mapas georeferenciados, que permitem grande semelhança de elementos de relevo e vegetação, elementos de via como: sinalizações, construções de entorno, pontes, rios, cruzamentos, túneis e AMV´s. A integração da geometria da via com o relevo topográfico de mapas de satélites é uma das inovações do projeto que aumenta a fidelidade do simulador e amplia o realismo do ambiente virtual sendo inédito no cenário internacional. Permite ainda a integração com outros sistemas de informação e bases georeferenciadas medidas através GPS e DGPS entre outros.

Para envolver o usuário no ambiente virtual pode-se criar um roteiro para controlar variações de clima e ambiente como: horário de simulação, chuva, neblina, animais ou veículo cruzando a via. Esse roteiro permite ainda a criação de composições de locomotivas operadas pelo computador para criar as mais diversas situações encontradas em uma via real. Na cabine de treinamento o maquinista terá um console com os mesmos instrumentos da locomotiva e verá em uma tela de alta resolução imagens estereoscópicas e tridimensionais da via e do relevo topográfico em seu entorno e irá operar a composição em um ambiente virtual, sendo este mais um recurso inédito incorporado no simulador que aumenta a imersão virtual do treinando.

Durante o treinamento, o instrutor pode alterar as condições do cenário programado a fim de testar as reações e respostas dos maquinistas, podendo degradar as condições de funcionamento de equipamentos, produzir regiões de baixa visibilidade ou pane em um determinado equipamento ou outras situações adversas sem produzir o risco real. A partir das reações tomadas pelo maquinista durante a simulação, um sistema de pontuação automático é capaz de avaliar cada usuário e classificá-lo de acordo com parâmetros previamente definidos pelo avaliador. O sistema de realidade virtual para a simulação de trem permite ainda a conexão pela internet.

Desta forma o treinamento pode ser observado em outro local. O supervisor então pode visualizar em sua estação todas as sessões em operação. A interface do supervisor permite acompanhar cada ação dos maquinistas, permite a duplicação da tela do maquinista ou mesmo uma visão aérea do ambiente simulado, alternando entre as sessões com a possibilidade de pausar, reiniciar ou abortar a simulação. Todas as informações calculadas durante o treinamento são gravadas e podem ser revistas e analisadas pelo instrutor no processo de treinamento do aluno. Esta base de dados pode ser utilizada também para medir a evolução do processo de instrução e treinamento de cada maquinista.

Adicionalmente como ferramenta de engenharia o Simulador de Trem também permite o estudo de formação de trem para efeito de avaliação das forças longitudinais. Pode-se realizar a estimativa da distância de parada, controle do trem em descida de serra, consumo de combustível e o índice de segurança dos vagões, entre outros utilizando-se de ferramentas de pós processamento e análise que permitem a criação de gráficos, histogramas e informações estatísticas, facilitando o trabalho de avaliação de desempenho. Através da criação desta ferramenta de treinamento a Universidade cumpre o seu papel, desenvolvendo tecnologia de ponta e transferindo-a na forma de aplicativos de grande interesse para o meio externo.

Os Requisitos sobre os quais o Desenvolvimento do Sistema foi Apoiado Foram:

  • Plataforma livre, universal e de baixo custo (Linux);
  • Equipamentos de hardware convencionais disponíveis no mercado;
  • Ambiente amigável de fácil utilização
  • Programa com facilidade de modificação e manutenção
  • Programa com facilidade de expansão e atualização;
  • Programa com facilidade de integração e adaptação com outras bases de dados da empresa
  • Custo reduzido de hardware com facilidade de manutenção e atualização
  • Replicação livre e de baixo custo;
  • Códigos abertos e proprietários com transferência de tecnologia
  • Confiança e credibilidade no comportamento do sistema e resultados de simulação

Outras Possibilidades de Desenvolvimento de SISTEMAS DE REALIDADE VIRTUAL:

  • Simulador Multiplayer (Locomotiva Helper Pátio de manobra e ramp yard) (imagem de três locos interagindo)
  • Veículo completo (sistema MBS com indicador de forçamento)
  • Simulador de Caminhão de mina (Cabine móvel (plataforma de Stwart)
  • Simulador de Escavadeira de mina
  • Simulador de Descarregadora de navios
  • Interação de escavadeira com mina (partículas)
  • Simulador de Recuperadora de minério

O desenvolvimento do SIMULADOR DE TREM, propiciou não só o desenvolvimento de sistemas de REALIDADE VIRTUAL, como também inovações em outras áreas:

  • Desenvolvimento de Freio Eletropneumático
  • Eficiência energética – Economia de combustível
  • Otimização de formação do trem e da estratégia de condução
  • Simulador de CCO
  • Sistemas com informações de GPS e D-GPS de alta precisão para Mina
  • Monitoramento e instrumentação de sistemas
  • OBC – On board computer

Existem outros projetos realizados nos diferentes laboratórios da POLI como:

  • Visualizador 3D para treinamento e manutenção (Maquete eletrônica operação e manutenção)
  • Projeto em Obras de Arte com a VALE (Laboratório de Estruturas – Departamento de Engenharia Civil da POLI)
  • Modelo em escala reduzida do porto da ponta da madeira (CTH)
  • Manobra de navio porto da ponta da madeira (Centro Tecnológico de Hidráulica da POLI – CTH)

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Figura: Modelo de vagão completo

Desta maneira a Escola Politécnica da USP realizando este importante desenvolvimento para o setor metro-ferroviário nacional, incrementando sua experiência no desenvolvimento do Sistema de Realidade Virtual para a Simulação do Comportamento Dinâmico de Sistemas de Mobilidade, mostrando a elevada capacidade dos pesquisadores dos diversos departamentos envolvidos cumpre a sua missão fundamental fomentando o ensino através da participação e colaboração de alunos no desenvolvimento do projeto, através de bolsas de estudo de graduação e pós-graduação.

O SISTEMA DE REALIDADE VIRTUAL PARA A SIMULAÇÃO DO TREM compõe enfim, um sistema inovador e integrado, inédito no âmbito internacional, dotado de alta tecnologia estabelecendo-se como padrão no âmbito nacional. Juntamente com a VALE e as principais instituições de pesquisa nacionais, colabora para que o Brasil obtenha autonomia nas diversas áreas científicas de sua competência, além de contribuir com a emancipação da engenharia no país e estimulando o intercâmbio internacional.

Veículo Completo

Foi desenvolvido o modelo do veículo completo para apresentar em tempo real o comportamento dinâmico do vagão no trem. Trata-se de modelo em codigos de alta eficiênica computacional para permitir em processamento paralelo o calculo de todos os movimentos do vagão além da apresentação gráfica de seus movimentos. Adicionalmente é apresentado no sistema MBS com indicador das solicitações durante o seu trajeto sobre a via férrea.

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Figura: Modelo do Vagão Completo (indicação das forças nas rodas)

Módulo Multiusuário

Foi desenvolvido o modulo multiusuário que permite que o diversos modulos de treinamento sejam integrados dentro da mesma plataforma. Desta forma cada modulo de treinamento de trem visualiza o outro e pode interagir em tráfego (sinalização) e ação de forças (manobra de patio ou helper). Desta forma, o sistema de realidade virtual de simulação de trem para treinamento de maquinistas torna-se uma ferramente inédita a nível internacional, pemitindo o treinamento de trens em tráfego na malha ferroviária, treinamento de operação de locomotiva de auxilio (helper) e formação e manobra de trens em pátio além de visualizar o comportamento dinâmico do vagão.

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Referencias Bibliograficas

Barbosa, R. S. (1999) Aplicação de sistemas multicorpos na dinâmica de veículos guiados. Tese de Doutorado. USP.

Barbosa, R. S. (1999) Estudo da Dinâmica Longitudinal de Trem. Dissertação de Mestrado, UNICAMP.

Sistemas de Realidade Virtual para Simulação de Equipamentos de Movimentação e Treinamento de Operadores. II Encontro de Ferrovias, 2010, Vitória. Anais do II Encontro de Ferrovias. São Paulo: OTM Editora, 2010. v. 1. p. 1-2.

Sistema de Realidade Virtual de Simulação Multiusuários de Trens em Malha Ferroviária para Treinamento de Operadores. III Encontro de Ferrovias, 2011, Juiz de Fora. III Encontro de Ferrovias. Sao Paulo: OTM Editora, 2011

Revista CNT