Artigo - Sinalização

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Tiago Costa
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Artigo - Sinalização

Mensagem não lida por Tiago Costa » 05 Jun 2008, 17:34

Parte 1 - O princípio da sinalização

Fonte original do texto: http://www.railway-technical.com/sigtxt1.shtml
Tradução: cruisespeed
Revisão e layout: Tiago Costa


O desenvolvimento e princípios da sinalização inglesa (muito parecida com outras sinalizações)

Um esboço da história, desenvolvimento e princípios básicos da sinalização ferroviária britânica, incluindo sinais multi-aspecto.

Índice
  • Sinalização Pioneira
  • Sinalização por Intervalos de Tempo
  • Capacidade da Linha
  • Sinalização Fixa
  • Sinais de Distância
  • Intertravamento
  • Blocos
  • Circuitos de Via
  • Circuitos de Via – Bloco desocupado
  • Circuitos de Via – Bloco Ocupado
  • Sinais de mais de dois aspectos
  • Sinalização de quatro aspectos
  • A distância segura de frenagem
  • O Overlap

Introdução

A sinalização é uma das partes mais importantes que compõem um sistema ferroviário. A segurança da movimentação dos trens depende dela e o controle e gerenciamento dos trens também. Através dos anos, muitos sistemas de sinalização e controle de trens se envolveram tanto que hoje uma indústria altamente técnica e complexa se desenvolveu. Esta é uma tentativa de explicar, em termos simples, como a sinalização ferroviária britânica se desenvolveu e como ela realmente funciona, baseada nos padrões britânicos.


Sinalização Pioneira

Por volta de 1830 a 1840, logo no início das ferrovias, não havia sinalização fixa – nenhum sistema para informar ao maquinista a situação da linha à frente. Os trens eram operados "a olho". Os maquinistas tinham de ficar de olhos bem abertos, atentos a qualquer sinal de trem à sua frente para que pudessem parar antes de bater. Logo, porém, experiências práticas provaram que deveria haver alguma maneira de prevenir que os trens fossem um contra o outro. Muitos acidentes terríveis mostraram que era muito difícil parar um trem apenas pela distância que o maquinista podia enxergar. Os problemas eram inexperiência, freios precários e o contato bastante tênue que existia na ferrovia entre a roda e o trilho de aço na tração e no freio. Os níveis de adesão eram muito menores e o peso dos carros muito maiores nas ferrovias do que nas rodovias e, portanto um trem precisa de um espaço bem maior para parar do que um carro na mesma velocidade. Mesmo sob as melhores condições, era (e atualmente é ainda em altas velocidades) extremamente difícil parar o trem apenas pelo campo de visão do maquinista.


Sinalização por Intervalos de Tempo

Nos primórdios das ferrovias, pensava-se que a maneira mais fácil de aumentar a distância para o maquinista parar o trem era impor um intervalo entre os trens. A maioria das ferrovias escolheu aproximadamente 10 minutos como intervalo de tempo. Somente era permitido que um trem andasse na velocidade máxima 10 minutos após a partida do trem anterior. Os trens tinham então, um "headway", como é chamado o intervalo, de 10 minutos. Bandeiras verdes, amarelas e vermelhas eram usadas por um "policial" para mostrar aos maquinistas como prosseguir. Uma bandeira vermelha era mostrada nos primeiros cinco minutos após a partida de um trem. Se o trem tivesse partido após 5 minutos, a bandeira amarela era mostrada. O sinal indicador de velocidade máxima, verde, só era mostrado após ter passado 10 minutos.
O "sistema de intervalo de tempo", na tentativa de usar o "headway" para proteger os trens, acabou criando sérios problemas. O mais sério deles era que o sistema continuava sendo inerentemente perigoso. Naquela época, os trens eram considerados menos confiáveis do que são hoje e freqüentemente quebravam entre as estações. Também não era garantido que a velocidade de um trem fosse suficiente para o que um segundo trem não o alcançasse. O resultado foi uma série espetacular de colisões causadas, em cada caso, porque o maquinista acreditava que tinha uma zona livre à frente com pouco ou nenhum perigo se havia um intervalo de 10 minutos. Mesmo se o tempo fosse reduzido o bastante de modo que fosse possível ver o trem à frente, geralmente ele não tinha capacidade de frenagem o suficiente para evitar a colisão.


Capacidade da Linha

Outro problema sério, do ponto de vista ferroviário, era a capacidade da linha. Ainda que se pudesse autorizar todos os trens a não fazerem paradas programadas e viajar na mesma velocidade, o intervalo de 10 minutos restringia o número de trens em circulação por hora (6 neste caso) sobre determinada linha. Conforme mais trens foram necessários, iniciou-se gradualmente a redução do intervalo entre os trens. Como reduziarm o tempo, ou "headway", o número de trens por hora aumentavou. Também, ao mesmo tempo, aumentou o número de acidentes. Eventualmente, tiveram de fazer algo. A resposta foi a sinalização fixa.


Sinalização Fixa

Mesmo com o sistema de intervalos de tempo, a regra básica de sinalização era dividir a via em seções e assegurar que apenas um trem estaria autorizado a entrar em uma seção por vez, e é assim ainda hoje. Cada seção (ou bloco, como é geralmente chamado) é protegida por um sinal fixo em sua entrada para mostrar ao maquinista a aproximação de um trem. Se a seção está liberada – por exemplo, não há trem nela – o sinal mostrará a indicação de "Prossiga".

Durante muitos anos na Grã-Bretanha era, geralmente, um braço de semáforo levantado. Ainda há alguns desses largados pelo país, mas atualmente é, normalmente, uma luz verde ou "aspecto" verde, como é chamado pelos ferroviários. Se, contudo, a seção estiver ocupada por um trem, o sinal mostrará uma indicação de "Pare", geralmente de um aspecto vermelho. O próximo trem terá que esperar até que o trem à frente libere a seção. Essa é a forma básica que todos os sistemas de sinalização são projetados e operados.

Os semáforos mecânicos apareceram primeiramente no Reino Unido em 1841, e uma caixa de sinalização com alavancas de controle os semáforos remotos e pontos em surgiu em 1860. Originalmente, a passagem de cada trem por uma seção era rastreada visualmente pelo homem sinaleiro. Quando o trem liberava sua seção, o sinaleiro "dizia" à caixa de sinalização no lado de aproximação (nota da revisão: o lado da aproximação, na cabine de sinalização, é o lado pelo qual os trens chegam, em linhas singelas – com apenas uma via – e de sentido único) que a seção estava livre e que ele poderia, se necessário, "aceitar" um novo trem. As mensagens entre as caixas de sinalização eram transmitidas por um sistema de códigos de campainhas transmitidos por telégrafos elétricos.

O uso obrigatório do "telégrafo de bloco" elétrico para passar mensagens e o intertravamento dos semáforos, em que os pontos e sinais eram impedidos mecanicamente de permitir a configuração de movimentos conflitantes (nota da revisão: movimentos que provavelmente provocariam colisões), foi introduzido no Reino Unido seguindo a Lei de Regulamentação de Ferrovias de 1889.


Sinais de Distância

A sinalização básica pare/prossiga utilizada para proteger cada seção da linha seria suficiente enquanto o maquinista de um trem se aproximando pudesse ver o sinal a tempo de parar. Raramente era este o caso, então um sistema de sinais de "distância" foi providenciado em diversos locais.

Sinais de distância foram colocados em posições de tal forma que o maquinista poderia parar a tempo se o próximo sinal de parada estivesse em situação perigosa. O posicionamento deles dependia da visibilidade, curvatura, velocidade máxima permitida da linha e cálculo da frenagem do trem. No Reino Unido, trens de carga com frenagem reduzida (sem carga ou parcialmente carregados) só andavam com suas velocidades máximas limitadas para permitir uma distância de frenagem (distância necessária para o trem parar) segura entre os sinais de distância e os sinais de parada.

Originalmente, os sinais de distância eram semáforos, como os sinais de parada mencionados acima. Eles mostravam uma luz verde à noite se o sinal de parada correspondente estivesse verde também (ou liberado) e amarelo se o sinal de parada estivesse vermelho. O padrão vermelho-amarelo-verde foi adotado para sinais de luzes coloridas e eles foram utilizados eventualmente para fornecer uma forma mais sofisticada de controle de trens.


Intertravamento

Outro elemento de segurança, que foi introduzido na metade do século XIX, foi o intertravamento mecânico de pontos e sinais. Seu propósito era impedir a autorização de uma rota e a liberação de seu sinal de proteção (nota da revisão: o sinal de proteção de uma rota só é liberado – geralmente, fica verde – quando essa rota é liberada) se já tivesse sido autorizada outra rota com sinal de proteção já liberado conflitante com ela. O intertravamento era executado por uma série de bastões interagindo mecanicamente conectados às alavancas de operação dos sinais na caixa de sinalização. O arranjo dos bastões impedia fisicamente a autorização de movimentos conflitantes. Conforme os sistemas se desenvolveram, algumas cabines de sinalização maiores em entroncamentos complexos tinham enormes estruturas de alavancas de intertravamento, que deram o nome de "estruturas de alavanca" para a fileira de alavancas de operação da caixa de sinalização.

Eventualmente, na época em que as alavancas de sinais foram substituídas por alavancas menores (miniaturização) ou botões, as estruturas mecânicas de intertravamento foram substituídas por intertravamentos a relés. Relés eletromagnéticos foram utilizados em série para garantir a segurança da liberação de rotas nos entroncamentos. Complexas "tabelas de controle" foram feitas para projetar o modo em que esses relés interagiriam e para garantir a integridade e a segurança.


Blocos

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Figura 1 – Blocos em uma via ferroviária

As ferrovias são providas de sinalização primária para garantir que há sempre espaço suficiente entre os trens, de modo a permitir que um trem pare antes de chocar-se com o trem à frente. Isso é feito dividindo-se cada via em seções ou "blocos". Cada bloco é protegido por um sinal localizado na sua entrada. Se um bloco é ocupado por um trem, o sinal mostrará um "aspecto" vermelho, como é chamado, avisando que o trem deve parar. Se a seção estiver livre, o sinal pode mostrar um aspecto verde ou um aspecto de "prosseguimento".

O diagrama simplificado da figura 1 mostra o princípio básico do bloco. O bloco ocupado pelo trem 1 está protegido pelo sinal vermelho na entrada do bloco. O bloco anterior está livre e um sinal verde permitirá que o trem 2 entre neste bloco. Isso reforça a regra básica onde a sinalização ferroviária, que diz que apenas um trem pode ocupar um bloco por vez.


Circuitos de Via

Atualmente, para os propósitos da sinalização, os trens são monitorados automaticamente por meio de "circuitos de via". Os circuitos de via foram primeiro experimentados nos Estados Unidos nos anos 1890 e logo depois eles apareceram na Grã-Bretanha. O Metrô de Londres foi o primeiro a utilizá-los em larga escala em 1904-1906.

Correntes de baixa tensão aplicadas nos trilhos causam o sinal, por meio de uma série de relés (originalmente) ou circuitos eletrônicos (mais recentemente) a mostrar um aspecto de "prosseguimento". A o fluxo da corrente será interrompido pela presença das rodas de um trem. Tal interrupção também causará a exibição de um sinal de "pare". Um sistema assim significa que uma falha gerará um aspecto vermelho – um sinal de parada. Esse sistema às vezes é referido como sistema de "falha segura" ou "vital". Um sinal de "prosseguimento" só irá ser mostrado se a corrente flui. A maioria das principais linhas européias com tráfego moderado ou pesado está equipada sinais de luzes coloridas, operados de forma automática ou semi-automática por circuitos de via.


Circuitos de Via – Bloco desocupado

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Figura 2 – circuito de via em um bloco desocupado

O diagrama da figura 2 mostra como um circuito de via é empregado em uma seção ou bloco de via. Uma baixa tensão vinda de uma bateria é aplicada a um dos trilhos no bloco e retornada pelo outro. Um relé na entrada da seção detecta a tensão e se eletrifica para conectar uma fonte separada de eletricidade à lâmpada verde do sinal.


Circuitos de Via – Bloco Ocupado

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Figura 3 – circuito de via em um bloco ocupado

Quando um trem entra no bloco, as primeiras duas rodas curto-circuitam a corrente (já que elas são metálicas e são unidas por um eixo, também metálico), o que causa o corte de alimentação elétrica do relé e a queda do contato da fonte de eletricidade das lâmpadas do sinal (nota da revisão: esse contato pode ficar em duas posições, abaixado e levantado. Quando abaixado, faz a lâmpada vermelha se acender, e quando levantado, faz a lâmpada verde se acender. Quando a eletricidade do relé é cortada, a gravidade puxa o contato para baixo). Portanto, a fonte de alimentação das lâmpadas agora ativa a lâmpada vermelha. Esse sistema é chamado de "falha segura", ou às vezes "vital", porque qualquer interrupção no circuito causará a exibição de um sinal de perigo (vermelho).

A figura 3 é uma descrição simplificada do circuito de via. A realidade é um tanto mais complexa. Um bloco é normalmente separado eletricamente das suas seções vizinhas por juntas isolantes nos trilhos. Entretanto, as instalações mais recentes utilizam componentes eletrônicos para permitir circuitos de via sem juntas isolantes. Algumas áreas também possuem circuitos adicionais, que permitem que os sinais sejam mantidos manualmente em vermelho a partir de uma caixa de sinalização ou centro de controle, mesmo se a seção estiver livre. Esses são conhecidos como sinais semi-automáticos. Uma complexidade ainda maior é necessária nos entroncamentos.


Sinais de mais de dois aspectos

Sinais básicos de dois aspectos (vermelho/verde) são perfeitos para operações de menor velocidade, acima de 50 km/h, o maquinista necessita de um aviso de sinal vermelho à frente para lhe dar espaço suficiente para parar. No Reino Unido, isso levou a idéia de sinais de aviso (originalmente chamados sinais de "distância" quando eram braços de semáforos operados mecanicamente) localizados a uma distância suficiente do sinal de proteção da entrada do bloco, dando ao maquinista um aviso e uma distância segura para parar o trem. Quando isso foi desenvolvido para sinalização de circuitos de via, o sinal de aviso foi providenciado um bloco antes do sinal de parada. Cada sinal mostraria agora um aspecto vermelho, amarelo ou verde – um sinal multi-aspecto.

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Figura 4 – Funcionamento de sinais de 3 aspectos

O diagrama da figura 4 mostra uma via com sinais de 3 aspectos. O bloco ocupado pelo trem 1 está protegido pelo sinal vermelho na entrada do bloco. O bloco anterior está livre, mas um sinal amarelo providencia um aviso adiantado do sinal vermelho à frente. Este bloco providencia uma distância segura para o trem 2 parar. O bloco atrás deste também está livre e mostra um sinal de aspecto verde. O maquinista do trem 2 vê o sinal verde e sabe que tem, pelo menos, dois blocos livres à frente e que pode manter a velocidade máxima permitida nesta linha até ver o sinal amarelo.


Sinalização de quatro aspectos

A sinalização multi-aspecto utilizada normalmente no Reino Unido atualmente é o sistema de 4 aspectos. Ele funciona de forma similar ao sistema de 3 aspectos, exceto que dois avisos são providenciados antes do sinal vermelho, um aviso de aspecto amarelo duplo e um aviso de aspecto amarelo simples. Isso tem dois propósitos. Primeiro, ele dá sinais com mais antecedência para trens de alta velocidade ou pode permitir uma melhor ocupação da via diminuindo o comprimento dos blocos. Os trens de alta velocidade têm aviso adiantado de sinais vermelhos, enquanto que trens de baixa velocidade podem andar mais próximos a 50 km/ h nos sinais "amarelos duplos".

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Figura 5 – Blocos de via com sinalização de 4 aspectos

O diagrama da figura 5 mostra uma via com sinalização de sinais de quatro aspectos com (no diagrama de cima) um trem de alta velocidade com três blocos livres à sua frente e (no diagrama de baixo) um trem mais lento, com dois blocos livres à sua frente. Os trens mais lentos podem andar mais próximos, portanto, mais trem podem ser operados sobre uma dada seção da linha.


Distância segura de frenagem

A descrição anterior da sinalização tem mostrado, até agora, o conceito de aviso ou reforço da indicação restrita de sinais. A descrição ainda não levou em consideração de distância de frenagem (distância necessária para o trem parar) ou headway. Primeiro, existe o problema da distância de frenagem. Como nós já vimos, um trem não pode parar rapidamente. Um trem interurbano viajando a 100 mph (160 km/h) andará por mais de 1,6 km até parar totalmente. Mesmo um sistema de sinalização com reforço (ATP), como o Metrô de Londres, conforme descrito até agora, existe o risco de o trem passar um sinal de parada, e então ser parado pela aplicação do sistema ATP (n.r.: veremos como isso funciona na próxima parte) e ainda bater no trem à frente. Essa situação pode ocorrer se o trem à frente estiver logo após o sinal de proteção. Esse problema já é reconhecido há bastante tempo e pode ser resolvido pela provisão de um espaço para o trem parar, um "overlap".


O Overlap

Em sua forma mais simples, o "overlap" é a distância permitida que para o trem parar caso ele passe por um sinal mostrando um aspecto de parada. Ele é providenciado posicionando-se o sinal de forma a ficar antes da entrada na seção que está protegendo.

Nas ferrovias britânicas, pelo fato de ser impossível calcular todas as variadas distâncias de frenagem de diferentes tipos de trens e porque também é impossível prever quando um maquinista vai reagir a um sinal de parada, um valor fixado em 185 metros (200 jardas) é utilizado. Em metrôs que utilizam o sistema ATP, a distância é calculada por uma fórmula precisa baseada na capacidade de frenagem conhecida dos trens do metrô, o gradiente (subida ou descida) do local em questão, a velocidade máxima possível dos trens na seção, a visão do sinal por parte do maquinista e uma pequena margem de segurança. O resultado do cálculo é chamado "distância segura de frenagem". O overlap incorpora essa distância de segura de frenagem. Mais detalhes sobre o overlap serão mostrados na parte 2.

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Tiago Costa
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Mensagem não lida por Tiago Costa » 05 Jun 2008, 17:37

PARTE 2 - SINALIZAÇÃO ATP



Fonte original do texto: http://www.railway-technical.com/sigtxt2.shtml
Tradução: cruisespeed
Revisão e layout: Tiago Costa


Índice
  • Introdução
  • O Overlap
  • Overlaps de circuitos de via
  • Proteção Automática do Trem (Automatic Train Protection – ATP)
  • Códigos de velocidade ATP
  • Operação com ATP
  • Distância Alvo (Distance-To-Go)
  • Monitoramento da Velocidade
  • Operação com Distância Alvo
  • Notas

Introdução

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Figura 1 – Sinalização Metroviária Simples

A sinalização utilizada em linhas de metrô de alta densidade é baseada nos mesmos princípios da sinalização das outras linhas ferroviárias. Uma linha de metrô é dividida em blocos, e cada bloco é protegido por um sinal. Em metrôs, porém, os blocos são menores e conseqüentemente o número de trens na linha pode ser aumentado. Originalmente, a sinalização do metrô era baseada no sistema simples de dois aspectos (vermelho/verde) como mostrado na figura 1. As velocidades não são altas, portanto sinais de três aspectos não eram necessários e sinais amarelos eram colocados apenas como repetidores onde a visão era restrita.

Muitas linhas de metrô ficam em túneis e tem sido praticado há bastante tempo por algumas empresas operadoras dos sistemas metroviários a provisão de alguma forma de forçar a obediência aos sinais através da instalação de equipamentos adicionais. Estes ficaram conhecidos como Proteção Automática do Trem (em inglês, Automatic Train Protection – ATP), e podem ser tanto mecânicos quanto eletrônicos.

O metrô de Londres, por exemplo, usa ambos os tipos em suas linhas, dependendo da época em que foram instalados. O tipo mais antigo, a versão mecânica, é o trainstop (“parador do trem”), e a versão eletrônica depende do fabricante. O trainstop consiste em um bastão de aço montado ao lado da via e ligado um sinal. Se este sinal estiver verde (aspecto de prosseguimento), o trainstop é abaixado e o trem pode passar. Se o sinal estiver vermelho, o trainstop sobe e, se o trem tentar ultrapassá-lo, ele é atingido pelo tripcock (desarmador) do trem, que imediatamente aplica os freios e impede corta a tração.

O ATP eletrônico envolve a transmissão via-trem dos aspectos de sinais e (às vezes) seus limites de velocidade associados. O equipamento de bordo verificará a velocidade do trem, comparando-a com a velocidade permitida e diminuirá a velocidade ou parará o trem se qualquer ele entrar em qualquer seção em uma velocidade maior que a permitida.


O Overlap

Se a linha está equipada com um sistema de ATP simples, que automaticamente pára o trem se o mesmo passar pelo sinal vermelho, o ATP não evitará uma colisão com o trem à frente, caso este esteja logo após o sinal. Deve haver um espaço para o trem parar. Isso é conhecido como “distância segura de frenagem” e um espaço é fornecido após cada sinal para acomodá-la. Na verdade, o sinal está posicionado na entrada do bloco. A distância entre o sinal e a entrada do bloco é chama de “overlap”. Os overlaps dos sinais são calculados para conter as distâncias seguras de frenagem dos trens que utilizam a linha. É claro, as distâncias variam de acordo com o local; gradiente (rampas), a velocidade máxima e a taxa máxima de frenagem do trem, todas são utilizadas para fazer o cálculo.

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Figura 2 – Overlap simples utilizado com o ATP

O diagrama da figura 2 mostra um arranjo de sinais numa linha de metrô onde eles são equipados com trainstops (ATP mecânico) e cada um tem um overlap, cuja distância é calculada com base na distância segura de frenagem daquele local. Os sinais são colocados a uma distância de frenagem segura das entradas dos blocos. O sinal A2 mostra a condição do bloco A2, que está ocupado pelo Trem 1. Se o Trem 2 ultrapassasse o sinal A2, o trainstop levantado (representado na forma de “T” na base do sinal) acionaria o freio de emergência e o Trem 2 pararia dentro do overlap do sinal A2.

Os overlaps são comumente utilizados nas ferrovias também. No Reino Unido, a prática é prover um overlap de 200 jardas (185 m) após cada sinal luminoso. Nos Estados Unidos, o overlap é considerado tão importante que um bloco inteiro é utilizado como overlap. Veremos mais essa forma de ATP a seguir.


Overlaps de circuitos de via

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Figura 3 – Condição indesejada do overlap

Nada na vida é tão simples quanto parece e o mesmo vale para os overlaps. Uma linha que utiliza overlaps e possui headways baixos pode ter uma situação como a mostrada pela figura 3, onde o trem no overlap do sinal A1 (Trem 1) está com um sinal verde logo atrás dele. Embora ele esteja protegido pelo sinal A2, que está vermelho, o condutor do Trem 2 poderá ver o sinal A1, verde, atrás do Trem 1 e poderá “passar direto” ("read through") ou ficar confuso com dois sinais em seu campo de visão, um dizendo pare e outro prossiga ("stop and proceed").

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Figura 4 – Overlaps com circuitos de via

Então, onde existe a possibilidade de um sinal verde ser visível atrás de um trem, circuitos de via são colocados nos overlaps, como mostrado na figura 4. Embora não haja nenhum trem ocupando o bloco protegido pelo sinal A1, o sinal está mostrando um aspecto vermelho porque o trem está ocupando o circuito de via do overlap. Isso dará origem a dois sinais vermelhos atrás de um trem enquanto estiver no overlap.


Proteção Automática do Trem (Automatic Train Protection – ATP)

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Figura 5 – Sistema ATP

Para adaptar a sinalização do metrô para ATP moderno, eletrônico, os overlaps são incorporados ao sistema de blocos (circuitos de via). Isso é feito contando-se o bloco anterior ao bloco ocupado como overlap. Assim, em um sistema de ATP com blocos fixos completo, haverá dois sinais vermelhos e bloco desocupado, ou overlap, entre os trens, de forma a fornecer uma distância segura de frenagem, como mostrado na figura 5. Por outro lado, lembre-se de que, embora eu tenha mostrado os sinais aqui, muitos sistemas equipados com ATP não têm sinais às margens das vias porque a sinalização é transmitida diretamente ao painel na cabine do condutor (sinalização de cabine).

Em uma linha equipada com ATP, como mostrado acima, cada bloco carrega um código eletrônico de velocidade no topo de seu circuito de via. Se o trem tentar entrar em um bloco que possua velocidade autorizada zero ou que esteja ocupado, ou ainda se ele entrar em um bloco a uma velocidade mais alta que a autorizada pelo código, os circuitos eletrônicos de bordo aplicarão o freio de emergência. Esse é o sistema usado no Metrô de Londres na Linha Victoria desde 1968 – a primeira ferrovia de transporte de passageiros totalmente automática. Era um sistema simples com apenas três códigos de velocidade – normal, atenção e pare. Muitos sistemas feitos desde então são baseados nele, porém foram melhorados.


Códigos de velocidade ATP

Um trem em uma linha com versão moderna de ATP precisa de duas informações sobre a situação da linha à frente – qual velocidade máxima permitida no bloco atual e a velocidade máxima que deve entrar no próximo bloco. Esses dados sobre a velocidade são captados por antenas no trem. Os dados são codificados por equipamentos eletrônicos que controlam os circuitos da via, e são transmitidos através dos trilhos. Os dados dos códigos consistem de duas partes, o código de velocidade autorizada para o bloco atual e o código de velocidade alvo do próximo bloco. O diagrama da figura 6 mostra como isso funciona.

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Figura 6 – Códigos de velocidade em um sistema ATP moderno

No exemplo da figura 6, o trem no bloco A5 se aproximando do sinal A4 recebe um código 40 por 40 (40/40) para indicar uma velocidade máxima permitida de 40 km/h neste bloco (A5) e uma velocidade alvo de 40 km/h para o próximo bloco (A4). Esses são os dados de velocidade normais. No entanto, quando o trem entra no bloco A4, o código muda para 40/25 porque a velocidade alvo é de 25 km/h, quando o trem entrar no bloco A3. Quando o trem entra no bloco A3 o código muda para 25/0 porque o próximo bloco (A2) é o bloco de overlap, território proibido, portanto a velocidade deverá ser zero quando o trem chegar ao final do bloco A3. Se o trem tentar entrar no bloco A2, o equipamento de bordo detectará o código de velocidade zero (0/0) e isso causará a aplicação do freio de emergência. Como mencionado acima, o bloco A2 age como overlap, ou distância segura de frenagem, antes do trem que está ocupando o bloco A1.


Operação com ATP

Trens em uma linha equipada com ATP podem ser operados tanto manualmente quanto automaticamente. Para operar manualmente, os códigos ATP são exibidos no painel da cabine do trem. Em nosso exemplo da figura 7, ele começaria a parar em algum ponto próximo ao ponto de iniciação de frenagem porque veria o código 40/25 no painel e saberia, pelo seu próprio conhecimento da linha, onde deveria parar. Se não há sinais, a posição dos mesmos será indicada normalmente por placas marcadoras de bloco às margens da via, para indicar aos condutores dos trens as entradas dos blocos.

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Figura 7 – Sistema ATP

Se o trem possui instalado um sistema de condução automática (ATO – Automatic Train Operation, ou Operação Automática do Trem), a iniciação da redução até a velocidade alvo pode ser realizada tanto por um “remendo” ou “baliza” eletrônicos, situados no ponto em que se deve iniciar a frenagem do trem ou, mais simples, pela mudança do circuito de via codificado (como demonstrado acima). Ambos os sistemas são utilizados por diferentes fabricantes, mas em ambos, o trem passa por uma série de “patamares de velocidade” na parada sinalizada.

Quando o Trem 1 desocupar o Bloco A1, os códigos dos blocos A2, A3 e A4 mudarão para as próximas velocidades (nota da revisão: cada bloco terá seu código de velocidade aumentado para o próximo patamar) e qualquer trem passando neles (no caso da figura 7, o Trem 2) receberá imediatamente a nova velocidade permitida e a nova velocidade alvo para o próximo bloco. Isso permite uma resposta instantânea a condições alterada e ajuda a manter os trens em movimento.


Distância Alvo* (Distance-To-Go)

O próximo estágio do desenvolvimento do ATP foi a tentativa de eliminar o espaço perdido pelo bloco de overlap vazio após cada trem. Se ele pudesse ser eliminado, a capacidade da linha poderia aumentar em até 20%, dependendo do tamanho dos blocos e da velocidade da linha. No diagrama da figura 8, o trem no Bloco A1 causa uma série de patamares de reduções de velocidade atrás dele. Então, se um trem atrás do Trem 1 entrar no bloco A6, ele receberá uma redução na velocidade alvo. Conforme ele continua até o Bloco A2, de velocidade zero, ele recebe reduções da velocidade alvo em cada bloco, até parar no final do Bloco A3. Ele parará antes de entrar no bloco A2, o bloco de overlap. A curva de frenagem é mostrada no diagrama em laranja como curva de frenagem “padrão”.

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Figura 8 – Comparação do ATP padrão com o sistema Distance-To-Go

Para remover o bloco de overlap, é uma simples questão de mover a curva de frenagem um bloco para frente. O trem estará apto a prosseguir um bloco mais próximo (A5, ao invés de A6) do bloco ocupado, antes que ele tenha uma redução da velocidade alvo. No entanto, chegar a essa distância do bloco ocupado (Bloco A1) requer uma verificação constante e precisa da frenagem pelo próprio trem, portanto, um computador embarcado calcula a curva de frenagem necessária, baseado na posição do ponto de parada e utilizando um mapa da linha (rampas), guardado na memória do computador. A nova curva é mostrada em azul no diagrama da figura 8. Uma margem de segurança de 25 metros ou próxima disso permite uma margem de erro de cálculo, de modo que o trem sempre pare antes de alcançar o limite crítico entre os blocos A2 e A1. Note que a curva de frenagem deve se deformar (ou “aumentar”) próxima ao ponto do final da parada, de modo que forneça aos passageiros uma parada mais confortável (nota da revisão: isso acontece porque próximo do ponto de parada a frenagem é diminuída, para evitar uma parada brusca).


Monitoramento da Velocidade

Ambos os métodos eletrônicos de ATP, tanto o método antigo de patamares de velocidade quanto o método de distância-alvo (distance-to-go) requerem que a velocidade do trem seja monitorada. Na figura 8, podemos perceber que a curva de frenagem padrão do sistema de patamares de velocidade sempre permanece dentro do perfil dos patamares de velocidade. O equipamento de ATP do trem somente monitora a velocidade dele, comparando-a com a velocidade máxima permitida no bloco em que ele se encontra. Se o trem ultrapassa a velocidade máxima permitida, o freio de emergência é aplicado. A curva padrão de frenagem feita pelo trem não é monitorada.

Para o sistema de distância-alvo, o desenvolvimento da eletrônica moderna permitiu o monitoramento contínuo da curva de frenagem, tornando os patamares de velocidade desnecessários. Quando o trem entra no primeiro bloco com código de velocidade restrita, o trem também recebe a informação de quão distante está o ponto de parada. O computador de bordo sabe onde o trem está atualmente, utilizando o “mapa” da linha guardado em sua memória e calcula a curva de frenagem necessária. Conforme o trem freia, o trem verifica o progresso da curva, para garantir que o trem não “saia” dela. Para garantir que a rotação das rodas do trem, utilizada para calcular sua posição na linha, o mapa da linha é atualizado regularmente durante a viagem através de balizas nas vias, localizadas entre os trilhos.


Operação com Distância Alvo

O ATP de distância-alvo possui várias vantagens sobre o sistema de patamares de velocidade. Como vimos, ele pode aumentar a capacidade da linha, mas também pode reduzir o número de circuitos de via necessários, uma vez que você não são necessárias várias mudanças de patamares para manter a distância de frenagem ajustada. Os blocos agora são apenas espaços para serem ocupados por trens, não sendo mais utilizados como overlaps. O sistema de distância-alvo pode ser utilizado tanto em operação automática quanto em operação manual.

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Figura 9 – Perfis de curvas de frenagem

Os sistemas variam, mas freqüentemente, diversas curvas são providenciadas ao perfil de frenagem do trem. O exemplo da figura 9 mostra três: o primeiro é a curva normal na qual o trem deve frear. A segunda é uma curva de atenção que fornece um aviso ao condutor (um alarme audiovisual ou aplicação do freio de serviço – frenagem comum máxima do trem) e o terceiro é a curva de emergência que forçará uma aplicação do freio de emergência se o condutor não reduzir a velocidade em relação à velocidade prevista pela curva normal.

Por que todos os sistemas não utilizam o sistema de distância-alvo? Em parte, porque os sistemas utilizados por muitas empresas operadoras de trens e metrôs foram instalados antes do sistema de distância-alvo ficar disponível. Também, algumas operadoras requerem uma margem de segurança, particularmente nos Estados Unidos, onde insistem em uma margem extra, conhecida como fator “surpresa”, para dar segurança a trens que tenham decidido acelerar erroneamente, ao invés de frear, como aconteceu uma vez em São Francisco (sistema BART).

Notas:
Headway: O intervalo de tempo, em um ponto fixo (plataformas, por exemplo), entre a passagem de dois trens.
“Passar direto” (“Read Through”): Situação na qual o um sinal verde visto após um sinal vermelho causa o provoca o condutor do trem a prosseguir erroneamente.
Stop and Proceed: Utilizado em situações especiais para permitir a passagem de um trem sob sinal vermelho a uma velocidade severamente restrita.

* Não existe um termo apropriado em português para “distance-to-go”, sendo esse termo utilizado aqui, distância-alvo, não oficial.

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