BR102013019072A2 - sistema de identificação de qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários e método de identificação do índice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veículo metroferroviário e a via férrea - Google Patents

Abstract

sistema de identificação da qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários e método de identificação do índice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veículo metroferroviário e a via férrea. a presente invenção refere-se a um sistema de identificação da qualidade da via férrea e da segurança do veículo metroferroviário por meio de critérios de segurança obtidos pela medida do comportamento dinâmico do veículo instrumentado em tráfego pela via irregular, o qual compreende três sensores de aceleração, três sensores de velocidade angular, três sensores magnetométricos (medidores de campo magnético), que juntos formam uma unidade de medida inercial (010) (inertial measuring unit - imu) instalada no corpo do veículo (001), unidade de medida inercial (011) instalada no truque dianteiro (002) e unidade de medida inercial (012), instalada no truque traseiro (003).

Description

SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO DA QUALIDADE DE VIAS FÉRREAS E DE

VEÍCULOS METROFERROVIÁRIOS E MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DO

ÍNDICE DE SEGURANÇA POR ESTIMATIVA DIRETA DAS FORÇAS DE

CONTATO ENTRE AS RODAS DO VEÍCULO METROFERROVIÁRIO E A VIA

FÉRREA

Campo da Aplicação da Invenção A presente invenção se insere no campo de sistema de medição realizada através de sensores instalados em veículos metroferroviários de trens para verificar a segurança do veiculo em tráfego, a qualidade da via férrea, através da segurança do veiculo e auxiliar nos registros de manutenção da mesma via férrea. Tal medição ocorre através de acelerômetros, giroscópios e magnetômetros instalados no veiculo em tráfego sobre o traçado geométrico irregular do via férrea, medindo as acelerações, velocidades angulares e o campo magnético, por exemplo, os quais permitem a determinação das forças atuantes entre as rodas e o trilho e das características físicas tanto da via quanto do veiculo metroferroviário.

Estado da Técnica Em uma ferrovia as irregularidades geométricas existentes nos trilhos excitam os movimentos do veículo que nela trafega, alterando as forças de direcionamento produzidas pelas rodas. Quando a razão entre as forças lateral e vertical de contato entre a roda e os trilhos ultrapassa um determinado valor há redução de segurança e probabilidade de descarrilamento. Identificar e evitar está situação é de extrema importância e utilidade para a operadora da ferrovia ou Metropolitano.

Adicionalmente, a inscrição em curvas produz movimento lateral do vagão fazendo com que as rodas encostem no trilho externo e tendam a escalar o boleto do trilho causando movimento angular intenso da lateral dos truques.

Este comportamento é um indicio da situação de segurança reduzida para o vagão e pode servir de detetor de segurança no tráfego que é objeto desta patente.

Atualmente os sistemas de medida das características das vias férreas em uso são simplesmente geométricos, ou seja, medem apenas a adequação geométrica do traçado projetado com respeito a tolerâncias de montagem da via férrea.

Visando eliminar as limitações do estado da técnica, o objeto do sistema de identificação da qualidade de vias férreas e da segurança de um veículo metroferroviário por meio de critérios de segurança descrito pela presente invenção é baseado na medida do desempenho dinâmico inercial de um veículo instrumentado trafegando por uma via irregular. O sistema revelado é composto por um conj unto de sensores instalados em partes estratégicas do veiculo, de onde são coletados dados que por sua vez são tratados numericamente e utilizados para identificar as reais condições da via e do veiculo. O sistema revelado trata, portanto, de um processo que diferentemente do estado da técnica, utiliza o comportamento inercial completo do vagão quando em tráfego pela via com irregularidades, considerando não apenas a adequação geométrica dos traçados projetados mas também a segurança do veículo quando em movimento.

Documentos do Estado da Técnica No campo da invenção documentos relacionam à quantificação da qualidade da via férrea através de medida do comportamento interativo com o veiculo objeto desta patente: O documento US 3,392,451 (1968) trata apenas do movimento vertical da suspensão do vagão sem considerar os demais movimentos importantes como o de rolagem longitudinal (roll) do chassi do veiculo. Diferentemente do presente invento que considera todos os seis movimentos do veiculo para identificar e quantificar as características das irregularidades da via férrea. O documento US 5,203,089 (1993) consiste em um vagão com um terceiro eixo intermediário medindo apenas a movimentação relativa lateral similar ao sistema de medida da flecha em uma corda de arco. Ou seja, mede a flecha que ocorre no meio de uma corda de comprimento fixo em um arco de circulo. Este método é muito utilizado devido a sua simplicidade, mas, identifica apenas a curvatura de um arco. Enquanto isso, o presente invento tem a vantagem de reconhecer a curvatura nos três planos: curvatura lateral, curvatura vertical e supereievação da via férrea simultaneamente. O documento ÜS 5,331,745 (1994) trata apenas da medida da curvatura da via a partir da medida do alinhamento ótico percebido do vagão durante a inscrição em uma curva. Em contrapartida, o presente invento identifica o alinhamento nas três direções (vertical, lateral e superelevação), pois se utiliza de sensores que medem os ângulos de atitude do veiculo em movimento ao longo da via sendo uma novidade de grande contribuição. O documento US 5,579,013 (1996) apresenta um sistema que, se utiliza de acelerômetro na direção vertical e instrumentação no rodeiro para caracterização da geometria da via. Jã a presente invenção tem como vantagem a utilização de uma tríade ortogonal de acelerômetros que identifica as variações nas três direções simultaneamente. O documento US 6,415,522 (2002) descreve o veículo tradicional de medida geométrica da via com três eixos que identifica apenas o traçado geométrico sem levar em conta sua deflexão devido à passagem do vagão com carga nem a resposta dinâmica do veiculo em tráfego sobre a via.

Enquanto isso, o invento ora descrito, por ser um sistema instalado no próprio veiculo, identifica com seus instrumentos a variação real da geometria da via quando defletida pelo peso próprio do veiculo carregado, sendo uma vantagem em relação aos sistemas existentes. O documento ÜS 6,634,112 (2003) trata apenas de mais uma variação do sistema de medida em três pontos onde a medida da flecha, na corda média, é utilizada para quantificar a curvatura do arco de curva e apenas isso. O documento OS 6,725,782 (2004) descreve detalhes do movimento dos truques de um carro de medida de três eixos baseado no principio da medida da flecha na corda média entre os eixos, sendo similar aos descritos anteriormente. O documento US 6,804,621 (2004) relata um sistema de medida apenas do alinhamento e correção do desvio em relação ao projeto. Já o presente invento tem a vantagem de identificar irregularidades da via que reduzem a segurança ao tráfego do trem em decorrência direta do alinhamento da via. O documento 2007/0246612 (2007) descreve apenas detalhes do método de filtragem da função de transferência do processo de medida em três pontos que, no domínio da frequência, permite a determinação do atraso de fase da medida. A presente invenção possui um método de identificação inercial da atitude do veiculo que se utiliza de técnica de filtragem baseada no filtro de Kalman estendido que identifica a posição exata na via através do atraso de fase do modo de movimento do veiculo e velocidade do trem. O documento US 7.164.975 é baseado no uso apenas da aceleração lateral de uma locomotiva para quantificação da qualidade da via. O referido descritivo também utiliza conjunto de giroscópios em estado sólido ou com fibra ótica apenas para identificação da curvatura e superelevação da via férrea. Diferentemente da presente invenção se utiliza de conjuntos tri-ortogonais de sensores de aceleração e de velocidade angular do tipo micro-eletro-mecânico (Micro- Electro-Mechanical Systems - MEMS) com reduzido tamanho e de elevada precisão para a identificação instantânea do movimento e da atitude completa do veiculo. Enquanto o documento citado utiliza um sistema GPS convencional a presente invenção utiliza DGPS, que é um tipo de sistema GPS com uma estação de emissão de sinal complementar, instalada próxima para tratamento diferenciai da localização, aumentando a precisão na localização georreferenciada da posição e velocidade do veiculo. O documento US 7,469,479 (2008) descreve um veiculo com instrumentação inercial, GPS e ponto fixo externo apenas para localização exata de um ponto da via que é associado com outros dois pequenos reboques afastados que emprega um feixe de laser para identificação do alinhamento da via férrea pelo tradicional sistema geométrico de três pontos. O documento US 7,616,329 (2009) descreve apenas um rastreador laser para identificação do espaçamento entre os dormentes, perfil desgastados dos trilhos, falta de componentes de fixação dos trilhos e condições da superestrutura do lastro ferroviário. O documento US 2010/0004804 (2010) descreve apenas um sistema para localização dos vagões do trem em relação a blocos de sinalização e possui um sistema de comunicação de probabilidade de condição da via.

No documento US 7.979.995 (2011) é feita referência a um sistema de medida da geometria da via pelo método tradicional de três pontos onde um truque reboque posicionado afastado do veiculo de medição aumenta a precisão da medida, tomando uma corda maior. Este método é muito utilizado devido a sua simplicidade e permite identificar a curvatura de uma linha e apenas isso. O documento US 2012/0274772 (2012) descreve um método de localização da plataforma da estação e do passeio lateral de acesso ao trem pelo processo de reconhecimento por imagens e permite identificar apenas alguns aspectos da seção da via férrea. Enquanto isso, o presente invento identifica todo o comportamento dinâmico do veiculo em função das diversas irregularidades contidas na via férrea deformada real e determina a condição mais desfavorável ao tráfego do vagão sob o ponto de vista da segurança, do conforto dos passageiros para efeito de otimização da manutenção da via férrea.

Breve Descrição da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema de identificação da qualidade da via férrea e da segurança do veiculo metroferroviãrio por meio de critérios de segurança obtidos pela medida do desempenho dinâmico do veiculo instrumentado em tráfego pela via irregular, o qual compreende três sensores de aceleração, três sensores de velocidade angular, três sensores magnetométricôs (medidores de campo magnético), que juntos formam uma Unidade de Medida Inercial (010) (Inertial measuring unit - IMU) instalada no corpo do veiculo (001) conforme figura 2.

Essa IMU (010) é formada pelos sensores instalados no veiculo (001) e mede simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (avx, avy, avz) e três velocidades angulares ortogonais (wvx, wvy, wvz), três níveis de campo magnético ortogonais (mvx, mvy, mvz) e a pressão barométrica local. Além disso, outra unidade de medida inercial (011) é formada pelos sensores no truque (002) dianteiro e é instalada no truque dianteiro do veículo (002), conforme apresentado na Figura 3. Essa unidade mede simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (adx, ady, adz) e três velocidades angulares ortogonais (wdx, wdy, wdz) , três níveis de campo magnético ortogonais (mdx, irtdy, mdz) . Ainda, mais uma unidade de medida inercial (012) é instalada no truque traseiro do veiculo (003) , sendo composta pelos sensores no truque (003) traseiro também medindo simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (atx, at y, atz) e três velocidades angulares ortogonais (wtx, wty, wtz), três níveis de campo magnético ortogonais (mtx, mty, mtz). Adicionalmente, é disposto um sensor barométrico (medidores de pressão atmosférica), que juntamente às unidades de medida inercial (IMU) é instalado nas mesmas partes estratégicas do veículo, identificando a altura em relação ao solo através da variação de pressão interligados a um computador central em conjunto com um Sistema de Posicionamento Global Diferencial - DGPS (Differential Global Positioning System). Complementarmente aos sensores descritos anteriormente, são instalados sensores de força nos engates (17 0) , que são os acoplamentos entre vagões e que medem as forças longitudinais dos engates de cada vagão; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nos truques (140) que medem os movimentos angulares da suspensão do truque em relação à caixa, identificando o ângulo da curva; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nas laterais dos truques (148), que medem o curso vertical de cada conj unto de molas da suspensão de cada lado do truque; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nos rodeiros (150), que medem os movimentos angulares dos rodeiros em relação aos truques, identificando os ângulos de ataque dos rodeiros; sensores, ou niveladores inerciais instalados no veículo, para medir a superelevação da via férrea (160); sensores a laser instalados no veiculo, que medem os perfis dos trilhos direito e esquerdo ao longo da via para caracterização dos desgastes nos trilhos (165); sensores a laser instalados nas travessas (144) dos truques para medida de esquadrej amento entre as partes do truque. Tais sensores são medidores interligados por sistema de transmissão de dados sem fio (wireless) e permitem medir deslocamentos, ângulos e. forças do veiculo e da via férrea.

Este conjunto de sensores formam os medidores instalados no veiculo (120). Os dados recolhidos a partir de todos esses sensores passam por um sistema de filtragem e são tratados em uma unidade pré-processadora, a qual executa em tempo real o método para determinação de variáveis complementares que serão utilizadas para a identificação do índice de segurança (Safety Index - SI) , também revelado pela presente invenção.

Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 é uma representação gráfica do sistema de identificação da qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários. A Figura 2 é uma representação gráfica da disposição do sensor inercíal no corpo do veículo. A Figura 3 é uma representação gráfica da disposição do sensor inercial no truque dianteiro. A figura 4 é uma representação gráfica da distribuição das forças sobre o veículo. A figura 5 é uma representação gráfica dos ângulos de inclinação do vagão e da via. A figura 6 é um diagrama em bloco do processo de determinação da atitude. A figura 7 é um diagrama geral do sistema de identificação da qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários. A figura 8 é um diagrama em bloco do sistema de identificação da qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários considerando os processamentos dos sinais do veiculo. A figura 9 é um fluxograma representativo do método de identificação do índice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veiculo metroferroviário e a via férrea.

Descrição Detalhada da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema de identificação da qualidade da via férrea e da segurança do veiculo metroferroviário por meio de critérios de segurança obtidos pela medida do comportamento dinâmico do veiculo ínstrumentado em tráfego pela via irregular, o qual compreende três sensores de aceleração, três sensores de velocidade angular, três sensores magnetométricos (medidores de campo magnético) , que j untos formam uma unidade de medida inercial (010) (Inertial measuring unit - IMO) instalada no corpo do veiculo (001), conforme figura 2. Essa IMÜ (010) é formada pelos sensores instalados no veiculo (001) e mede simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (avx, avy, avz) (123) e três velocidades angulares ortogonais (wvx, wvy, wvz) (124), três níveis de campo magnético ortogonais (mvx, mvy, mvz) (125) e a pressão barométrica local (126). Além disso, outra unidade de medida inercial (011) é formada pelos sensores no truque (002) dianteiro e é instalada no truque dianteiro do veículo (002), conforme apresentado na Figura 3. Essa unidade mede simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (adx, ady, adz) e três velocidades angulares ortogonais (wdx, wdy, wdz), três níveis de campo magnético ortogonais (mdx, mdy, irtdz) . Ainda, mais uma unidade de medida inercial (012) é instalada no truque traseiro (003) do veiculo (001), sendo composta pelos sensores medindo simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (atx, aty, atz) e três velocidades angulares ortogonais (wtx, wty, wtz), três niveis de campo magnético ortogonais (mtx, mty, mtz) . Adicionalmente, é utilizado um sensor barométrico (126) (medidores de pressão atmosférica), que juntamente às unidades de medida inercial (IMU) é instalado nas mesmas partes estratégicas do veiculo, medindo a variação da pressão que permite determinar a altura em relação ao solo e trabalhando ' na parte principal do sistema ligados a um computador central (100) em conjunto com um DGPS (127) (Differential Global Positioning System - Sistema de Posicionamento Global Diferencial) . Além disso, são instalados sensores de força nos engates (170) que medem as forças longitudinais dos engates de cada vagão; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nos truques (140) que medem os movimentos angulares da suspensão do truque em relação à caixa, identificando o ângulo da curva; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nas laterais dos truques (148), que medem o curso vertical de cada conjunto de molas da suspensão de cada lado do truque; sensores ultrassônicos de proximidade (sem contato) ou sistema laser instalados nos rodeiros (150), que medem os movimentos angulares dos rodeiros em relação aos truques, identificando os ângulos de ataque dos rodeiros; sensores, ou niveladores inerciais instalados no veiculo, para medir a superelevação da via férrea (160); sensores a laser instalados no veiculo, que medem os perfis dos trilhos direito e esquerdo ao longo da via e permite a caracterização dos desgastes nos trilhos (165); sensores a laser instalados nas travessas (144) dos truques para medida de esquadrejamento entre as partes do truque. Este conjunto de sensores formam os medidores instalados no veiculo (120). Ta.is sensores são medidores interligados por sistema de transmissão de dados sem fio (wireless) e permitem medir deslocamentos, ângulos e forças do veiculo e da via férrea. Os dados recolhidos a partir de todos esses sensores passam por um sistema de filtragem (122) e são tratados em uma unidade pré-processadora (121), a qual executa o método para determinação de variáveis complementares que permitem a identificação do índice de segurança (Safety index - SI), também revelado pela presente invenção e que será descrito a seguir.

Além disso, pelo presente sistema é possível determinar as acelerações translacionais em três direções ortogonais, as três acelerações angulares do veículo em movimento por giroscópios, deslocamentos relativos entre os chassis do veiculo e os truques por defletômetros de contato ou sensores de deslocamento, medir as rotações relativas entre os chassis do veiculo e os truques por goniômetro angular, medir a bitola da via férrea por rastreadores a laser, medir a elevação vertical da via férrea utilizando barômetro de precisão, medir a inclinação transversal da via férrea por inclinômetros, medir a inclinação longitudinal da via férrea por inclinômetros, medir a velocidade absoluta e posição georreferenciado pelo uso de um DGPS.

Na figura 7 é possível observar a integração do sistema com os sensores acima descritos. Ainda na mesma figura, nota-se que o computador central (100) possui dispositivos de acionamento de comando do computador, sendo teclado e mouse (101) e dispositivos de apresentação gráfica compreendendo monitores de apresentação de dados e imagens (102), que gerenciam todas as atividades em uma rede local de comunicação (105). Os sensores no veiculo (120) são conectados ao computador central (100). Estes sensores formam o sistema de medida inercial (010) que é instalado no veiculo (001), conforme observado na figura 2.

Os sensores no truque (140), nesse caso dianteiro são conectados ao computador central (100). Estes sensores formam o sistema de medida inercial (011) que é instalado no truque dianteiro (002), conforme detalhado na figura 3.

Os sensores medidores instalados no truque traseiro são conectados ao computador central (100). Estes sensores formam o sistema de medida inercial (012) que é instalado no truque traseiro (003) também representado na figura 3.

Os sensores nas travessas (144) dos truques são conectados ao computador central (100) . Os sensores nas laterais (148) dos truques são conectados ao computador central (100) . Os sensores nos rodeiros (150) dos truques são conectados ao computador central (100) . Os sensores no carro para medições na via férrea (160) são conectados ao computador central (100) . Os sensores no carro para medições nos trilhos (165) são conectados ao computador central (100).

Os sensores nos engates (170) do trem são conectados ao computador central (100). Adicionalmente um sistema de rastreamento de satélite com algoritmo de localização do tipo GPS e DGPS (180) de alta frequência, preferencialmente maior que 10 Hz, estão conectados ao computador central (100), Finalmente, o computador central se comunica com o computador de bordo da locomotiva (190) e com a base através de sistema de comunicação (110) . Todas as informações amostradas e pré-tratadas são armazenas sob controle do computador central (100) em mídia de armazenamento digital de alta capacidade e alta velocidade, sistema de armazenamento de dados (115).

Nos Sistemas de Comunicação (110) da Figura 7, que é a interface com os dados da ferrovia, estão incluídos o sistema de sinalização da via, sistema de comunicação ou protocolo de comunicação do tipo Wi-Fi (rede local sem fio), GSM (Global System for Mobile Communications), PRS (General Packet Radio Service), Sistema AutoTrack, WiMax (wireless Worldwide Interoperability for Microwave Access), e outros sistemas de comunicação normalmente disponíveis e utilizados em malhas metroferroviárias.

Basicamente, os sensores no veículo (12 0), em conjunto com os sensores nos truques (140) permitem avaliar o comportamento vibratório do veiculo em tráfego quando observado as propriedades estatísticas (média e desvio padrão).

As unidades de medida inercial (IMÜ) instaladas no veículo medem as acelerações e movimentos angulares do chassi do veículo devido às irregularidades da via férrea. A unidade de medida inercial (IMU) instalada no truque além de medir a atitude de corpo rígido mede também as vibrações angulares durante a inscrição de uma curva na iminência do descarrilamento quando a segurança ao tráfego é reduzida.

Basicamente, o sensor nas travessas (144) entre os truques e os sensores nas laterais (148) dos truques medem o ângulo entre a travessa e as laterais dos truques que caracteriza a distorção ou esquadrejamento das partes do truque (conhecido como warp).

Basicamente, os sensores nos rodeiros (150) em conj unto com os sensores nas laterais (148) dos truques medem o ângulo entre os rodeiros e a linha tangente da via férrea. Este ângulo é conhecido como ângulo de ataque (angle of attack).

Basicamente, os sensores no carro para medições na via (160) medem a superelevação da via férrea por niveladores inerciais e a curvatura por sensores a laser, enquanto que os sensores de varredura a laser no carro para medições nos trilhos (165) medem o perfil dos trilhos, o que permite a caracterização dos desgastes.

Este conjunto de sensores associados com os dados das unidades de medida inercial (IMU) e variáveis complementares permite identificar instantes de segurança reduzida e atuar na forma de condução do trem para garantia da segurança, eventualmente acionando o sistema de freio normal ou de emergência em função da gravidade do evento.

Basicamente, os sensores nos engates (17 0) sâo instalados nas barras de ligação entre os vagões e permite medir as forças, as variações e picos de tração e frenagem.

Na figura 8, pode ser observado que no veiculo (001) são instalados os sensores de aceleração no veiculo (123) e instrumentos de medição. Os sensores de aceleração (123) , sensores de velocidade angular (124), sensores magnéticos (125), medidores barométricos (126) constituem o sistema de medida inercial (IMU - item 010 apresentado na Figura 2) e quando unida ao sistema de localização global por satélite diferencial (DGPS) compõe o sistema local conforme apresentado na Figura 8. As informações coletadas passam pelo sistema de filtragem (122) e são pré-processadas no microprocessador dedicado de pré-processamento, unidade pré-processadora (121), à qual é aplicado o método também revelado pela presente invenção para a determinação de variáveis complementares de atitude necessárias para a identificação do indice de segurança no veiculo em tráfego (Safety Index - SI) , As variáveis adicionais compreendem a posição absoluta (128), as velocidades absolutas (129), as acelerações angulares (130) e a posição angular (131).

Adicionalmente, instrumentos são instalados no veiculo, nos truques (140) e nos rodeiros (150), sensores para medir deslocamentos, ângulos e forças conforme apresentado na Figura 8 . O sistema de filtragem (122) compreende um algoritmo de filtragem de Kalman, em que os dados coletados pela unidade de medida inercial (IMU), determinam a atitude do veiculo composta pelos três ângulos de Euler em relação a um referencial fixo ou conjunto angular definido por quaternions, que é a forma alternativa de descrição da atitude angular sem apresentar singularidades numéricas. O critério de avaliação para determinação do indice de segurança (Safety index - SI) que pode ser diretamente associado com o índice de qualidade da via (track quality index - TQI), podendo ser calculado pela estimativa das forças de contato entre a roda e o trilho a partir dos sensores instalados no veiculo (001), no truque dianteiro (002) e no truque traseiro (003). 0 índice de segurança é inérciaImente recuperado (strapdown inertial recovery) instantaneamente com o veículo em tráfego a partir dos dados sensores citados. 0 presente sistema ainda permite a condução segura do veiculo através do acionamento do sistema de freio para que a velocidade de tráfego esteja de acordo com as condições seguras identificadas pelos sensores,. O referido sistema pode ser aplicado em veículo guiado com dois eixos e suspensão primária, em veiculo guiado com dois truques, quatro eixos, suspensão primária e suspensão secundária, em veículo guiado com dois truques, seis eixos, suspensão primária e suspensão secundária ou finalmente em veículo guiado com três truques, seis eixos, suspensão primária e suspensão secundária.

Os sensores podem ser inerciais mecânicos, os sensores angulares de anel a laser, os sensores giroscópicos ou preferencialmente sensores de baixo custo do tipo sensores do tipo micro-eletromecânico <Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS) com as mesmas funcionalidades descritas dos sensores.

Com os sensores instalados toda a movimentação do veículo é registrada. Os dados obtidos são utilizados para a análise modal de determinação dos modos naturais de movimento do veículo de onde são estimadas as propriedades inerciais (massa individual de cada corpo, momento de inércia e distribuição de massa). O sistema de medição é instalado no veículo com a finalidade de medir o comportamento dinâmico do mesmo através de suas acelerações translacionais e velocidades angulares, sendo utilizado com a função de determinar a segurança do veículo e a irregularidade da via. Esta informação é utilizada para orientar a condução segura do trem.

Os sensores de medida de deslocamento, sensores de medida de rotação, são sistema de medida do tipo laser sem contato. O sistema de identificação de posição geográfica DGPS, permite a identificação da posição e da velocidade do veiculo com precisão.

Quando instalado no veículo, o sistema revelado permite determinar a atitude do veiculo composta pelos três ângulos de Euler e sua altura em relação ao solo utilizando um sensor barométrico de precisão Na presente invenção, mecanismos de medida laser são utilizados para medida de deslocamento e variação angular sem contato. São ainda características do sistema da presente invenção a leveza, a autonomia e a portabilidade, uma vez que por ser modular e flexível pode ser configurado em diversos níveis de complexidade, além de ser intercambiável entre veículos podendo ser utilizado em qualquer veículo da frota, possuindo elevada capacidade de memória, permitindo armazenamento de grande volume de dados e também possuindo bateria própria de alta capacidade para longo tempo de permanência em serviço. A comunicação entre os elementos componentes do sistema bem como a transferência de dados que por ele circulam, se dá de forma que estejam interligados todos os sensores anteriormente mencionados com o computador central (100) que controla e armazena todas as informações amostradas .

Feita a comunicação entre os sensores, o armazenamento e o processamento das informações colhidas, o sistema permite ainda a identificação do comportamento modal do vagão (200), a identificação instantânea da segurança do veiculo durante o tráfego na via, a identificação das irregularidades perniciosa da via, a localização da posição das irregularidades perniciosa da via, a identificação da posição georreferenciada do veiculo, da velocidade do veiculo e até mesmo da direção do veiculo. O tráfego do trem pela via gera oscilações do veiculo devido às irregularidades ali presentes, oscilações essas que são amostradas pelos sensores e os dados colhidos a partir dai processados em tempo real para obtenção de variáveis adicionais. Estas informações permitem conduzir o trem de forma segura. Além disso, o conjunto de informações é digitalizado e armazenado para tratamento. O sistema descrito é capaz de medir e identificar a qualidade da via através da instrumentação do veiculo, utilizando uma forma de tratamento dos dados baseado na identificação do índice de segurança, estimado pelas forças externas agentes no veículo devido às rodas, conforme mostrado na Figura 4. Ά presente invenção descreve ainda um método de identificação do indice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veículo metroferroviário e a via férrea, onde os dados armazenados também são tratados numericamente por filtros e método especializado para resolução do sistema de equações para estimação das forças de contato e identificação do índice de segurança (Safety Index - SI) , A partir do indice de segurança um Relatório de Exceção (300) é emitido indicando o local (posição quilométrica da via), o tipo do problema (irregularidade vertical, ou lateral ou de empenamento) e a intensidade da redução da segurança. De posse deste relatório, as equipes de manutenção da via férrea são programadas para realizar as intervenções/manutenção adequadas.

Finalmente, o sistema apresentado pode ser utilizado para o monitoramento da segurança do veiculo em tráfego como equipamento autônomo baseado no uso dos sensores de medição dos movimentos dinâmicos do veiculo, dos truques e dos rodeiros, com processamento dos sinais dos sensores em tempo real para a identificação do índice de Segurança (Safety Index - SI) que pode ser utilizado para efeito de controle da velocidade de tráfego do trem em operação na via férrea. O referido método compreende as seguintes etapas: Etapa (a) - estimação das forças de contato;

Etapa (b) - identificação do indice de segurança;

Etapa (c) — determinação das variáveis complementares.

Na figura 9 é apresentado um fluxograma representando as informações e o método ora descrito.

Na etapa (a) emprega as 6 primeiras equações, como abaixo descritas, onde é utilizada a medição das três acelerações translacionais, a medição das três velocidades angulares, a medição do campo magnético em três direções ortogonais, a medição da pressão barométrica, a medição da posição georreferenciada, velocidade e direção de movimento. Adicionalmente, é realizada a correção das acelerações tridimensionais medidas no ponto P devido à posição de instalação do sistema de medição para o baricentro G do veiculo. Ocorre também a determinação das propriedades inerciais e distribuição de massa por método de quantificação modal do veiculo no domínio da frequência (200) . É feita a determinação das forças de contato roda/trilho a partir da variação temporal da quantidade de movimento tridimensional, bem como a determinação dos momentos das forças de contato roda/trilho a partir da variação tridimensional da quantidade de movimento angular do veiculo. Adicionalmente, ocorre a identificação dos ângulos de torção da suspensão de cada truque e a obtenção das equações adicionais a partir da torção longitudinal da suspensão do veiculo. Finalmente a projeção da força dos engates nas direções lateral e vertical é incluída no método de identificação do indice de segurança. Além disso, é identificada a posição e a velocidade do veiculo em um referencial fixo e então é obtida a variação temporal da matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler, utilizando as três velocidades angulares do veiculo.

Para tanto, o método de determinação das forças externas agentes no veiculo, ou seja, as forças verticais (VI, V2, V3 e V4), laterais (Ll, L2, L3 e L4) e longitudinais (Hl, H2, H3 e H4) desenvolvidas no contato entre a roda e o trilho são discriminadas na seguinte equação de Newton de aceleração do baricentro do veiculo (posição G): A figura 4 ilustra a distribuição das forças sobre o veiculo .

No tratamento dos dados, o atraso de comportamento devido ao modo de movimento do vagão é compensado pela frequência do modo e velocidade do veículo que resulta em melhor identificação de posição na via e código de processamento mais rápido.

Esta equação vetorial com três componentes também deve ser descrita no referencial móvel acoplado ao veiculo utilizando a transformação ortogonal da base em movimento descrita pela matriz T composta pelos cossenos diretores dos ângulos de Euler, conforme a seguinte equação: As forças externas agentes sobre o veículo são aquelas decorrentes do suporte do peso próprio (devido à aceleração gravitacionai vertical) acrescidos da aceleração vertical do veiculo (VI, V2, V3 e V4) e as forças devido ao direcionamento imposto pela curvatura da via férrea (Ll, 1.2, L3 e L4) e correspondente aceleração lateral, forças horizontais medidas nos engates e sua respectiva proj eção em função do ângulo da curva. As forças medidas nos engates são adicionadas nas componentes lateral e vertical da equação. No caso da velocidade longitudinal de translação ser constante as forças horizontais são nulas.

Esta equação vetorial permite a identificação das forças de contato roda/trilho a partir de medida das três acelerações: longitudinal, lateral e vertical do veículo.

Este sistema é fixado no veículo e se move junto com ele, sendo, portanto uma base de medida móvel. Nesta situação é necessário incluir os efeitos de rotação da base móvel realizado pela equação: Caso os sensores do sistema inercial de medição (identificação IMU) não sej am instalados no baricentro do veiculo, uma correção devido à posição P de medição para o baricentro G do veiculo deve ser realizada. Esta projeção pode ser feita com a expressão de campo de acelerações, conforme mostrado na próxima equação: O movimento completo do veículo inclui as rotações descritas pelos ângulos de Euler.

Desta forma o teorema da variação da quantidade de movimento angular permite obter mais 3 equações independentes de Euler, descritas no referencial do veículo, mostrado na próxima equação: Esta equação vetorial permite a identificação das contribuições dos momentos produzidos pelas forças de contato roda/trilho a partir de medida das três acelerações angulares de rolagem, arfagem e guinada do veículo. É notável a necessidade de conhecer as velocidades angulares de arrastamento do sistema de medida e das acelerações angulares nas três direções ortogonais além das propriedades inerciais de distribuição de massa.

Os momentos externos agente sobre o veiculo MG da equação anterior são aqueles decorrentes das distâncias (L e b da Figura 4) das forças verticais do veiculo (VI, V2, V3 e V4) e os momentos devido as forças laterais de direcionamento (LI, L2, L3 e L4) e das forças nos engates fixados nas extremidades do veiculo. O conjunto de equações apresentadas nâo permite a solução do sistema para identificação das forças, pois o número de incógnitas é maior que o número de equações.

Então equações adicionais devem ser incluídas no processo para a solução do sistema de incógnitas compatível com o mesmo número de equações de estado.

Desta forma foi introduzida no processo de tratamento das informações medidas com o Sistema de Medição a identificação dos ângulos de inclinação do vagão dos truques e dos rodeiros que permite identificar a movimentação angular de cada componente em função da inscrição da uma curva com superelevação.

Os ângulos de inclinação o vagão (cp) e da via (a) são distintos em função do movimento vertical e angular da suspensão (β) , conforme mostrado na Figura 5. Desta forma, tem-se que: φ = <X + β onde, cada componente do veiculo tem ângulo de inclinação próprio, variável ao longo do tempo, identificado pelo sensor angular instalado em cada corpos que permite identificar a história temporal da inclinação de cada corpo.

Na Figura 5 são representados os ângulos de inclinação do vagão e da via.

Para a aplicação do método é necessário obter o mesmo número de equações independentes para o número de forças incógnitas. Desta forma, uma equação adicional decorrente da torção longitudinal da suspensão do veiculo, conforme descrito a seguir, deve ser utilizada: onde k<p é a rigidez torcional da suspensão do vagão e δ o empenamento linear da via férrea. Os valores L e b correspondem à metade do comprimento do vagão e metade da largura entre os trilhos (bitola da via). A importância da identificação das forças de contato entre a roda e o trilho reside no fato deles determinarem a tendência ao descarrilamento do veiculo guiado. Assim por exemplo, um veiculo que trafega em uma determinada velocidade sobre uma via férrea com irregularidades geométricas, produz elevadas forças laterais de guiagem.

Adicionalmente devido à mesma irregularidade geométrica, o veiculo pode oscilar verticalmente variando a carga vertical em cada roda. Assim, um veiculo que produz elevada força lateral de guiagem e concomitantemente pouca carga vertical na roda tem a tendência de descarrilar.

Na etapa (b) é feita a identificação do índice de segurança (Safety Index - SI) a partir da sétima equação empregada no método ora descrito. A estimativa das forças de contato das rodas do veículo com o trilho da via férrea permitem recuperar inércialmente (strapdown inertial recovery) o valor L/V que é a razão entre a força lateral e a força vertical de contato em cada roda que corresponde a segurança contra o descarrilamento. Quando a força lateral é muito intensa (numerador da expressão) a tendência ao descarrilamento é muito grande. Propõe-se aqui o ÍNDICE DE SEGURANÇA (Safety Index - SI) que mede a segurança do veiculo trafegando pela via férrea com irregularidade: 0 ÍNDICE DE SEGURANÇA (SI - Safety Index) calculado como aqui proposto é o parâmetro que quantifica o desempenho dinâmico do veiculo quando estiver trafegando naquele trecho de via férrea com irregularidade para aquela velocidade. Este índice, portanto, agrupa a influência de todos os parâmetros que quantificam a segurança de maneira simultânea, funcionando de maneira indireta (sem contato direto com as rodas em movimento) sendo de fundamental utilidade para a qualificação da segurança do trafego do veiculo.

Adicionalmente, as informações medidas pelo conjunto de sensores permite identificar de forma instantânea o comportamento do veículo e sua segurança permitindo restringir a velocidade de operação do trem para nivel mais seguro pela atuação automática do sistema de freio. Esta tarefa é realizada pela combinação de informações de posição angular, velocidade angular e aceleração angular, além das acelerações advindas dos sensores instalados nas partes do truque, no rodeiro e no veiculo, que quando superam determinados limites indicam a tendência ao descarrilamento permitindo produzir ações de condução adequada do trem.

Na etapa (c) são determinadas variáveis complementares, através das equações 8a a 15a abaixo descritas, onde ocorre a determinação da atitude do veiculo descrita pelos ângulos de Euler do veículo em tráfego. Na etapa (c) é feita a identificação de variáveis adicionais e determinação dos ângulos diretivos da atitude do veiculo em tempo real a partir dos giroscópios e das bússolas magnéticas, bem como a identificação das acelerações angulares tridimensionais do veiculo, bem como a identificação da compensação do atraso de movimento do vagão utilizando a frequência do modo de movimento e a velocidade de tráfego do veiculo, levando à determinação do local exato de menor segurança ao tráfego.

Dessa forma, são determinadas variáveis complementares dos ângulos de Euler e aceleração angular necessárias à recuperação inercial das forças de contato das rodas (strapdown inertial recovery).

Além disso, é feita a determinação do local exato de menor segurança ao tráfego, através da compensação do atraso de movimento do vagão utilizando a frequência do modo de movimento e a velocidade de tráfego do veiculo, com posicionamento georreferenciado de precisão e um relatório de locais de exceção {300) é elaborado informando onde a via produz reduzida condições de segurança e, portanto, é recomendada a intervenção de manutenção da via férrea.

Para a identificação da atitude do veiculo em um referencial fixo é necessário fazer a transformação de base utilizando a matriz T dos co-senos diretores dos ângulos de Euler: Considerando que a velocidade do veiculo expressa na base móvel solidária ao veiculo, onde o sistema medição está instalado, tem-se que: Considerando que a matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler seja expressa por: pode-se calcular a aceleração absoluta do veículo derivando com relação ao tempo a expressão da velocidade medida e projetada no referencial fixo pela transformação T: Pode-se calcular a variação temporal matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler utilizando-se a medida da velocidade angular do veículo Ω: Algumas outras variáveis adicionais devem ser estimadas. Para tanto um programa processando em tempo real permite a determinação dos ângulos de Euler a partir das velocidades angulares medidas e informações da direção da ação gravitacionai e do sistema de bússolas magnéticas.

Para realizar esta tarefa, tanto as medidas de acelerações como as medidas magnéticas realizadas podem ser projetadas na base móvel conforme, descrito nas próximas duas equações: Considerando que os dois vetores, de aceleração e magnético, descritos no referencia móvel não sejam ortogonais é sempre possível reescrever na forma matricial a seguinte expressão, tomando adicionalmente o vetor ortogonal produzido pelo produto vetorial entre eles.

Assim: Desta equação é possivel obter a solução para a matriz de transformação composta pelos cossenos diretores dos ângulos de Euler: Como o processo típico de integração numérica sofre de desvios naturais do processo matemático, uma estimativa melhor da matriz de cossenos diretores que identifica a atitude e direção do sistema de referência pode ser obtida de forma mais refinada utilizando a técnica de filtro de Kalman. Esta técnica se utiliza informações dos diversos sensores disponíveis e modelos de erros e desvios suportados por um algoritmo robusto de filtro de Kalman estendido, conforme diagrama de blocos mostrado na Figura 6. Informações adicionais de DGPS permitem determinar a velocidade, o direcionamento e a curvatura da trajetória. A figura 6 é um diagrama em blocos dos diversos sensores disponíveis e modelos de erros e desvios suportados por um algoritmo robusto de filtro de Kalman estendido.

As propriedades inerciais de massa e respectiva distribuição, correspondente aos momentos e produtos de inércia, devem ser medidas ou estimadas. As medidas do comportamento do veiculo em tráfego permitem estimar a posição do baricentro e respectivos momentos e produtos de inércia pelo processo modal no domínio da frequência ou alternativamente no domínio do tempo pelo processo de decaimento exponencial randômico de movimentos.

Os métodos de tratamento de dados, resolução de sistemas de várias equações simultâneas, método de cálculo estatístico, são eficientes e robustos.

Especificações preferenciais A faixa de operação dos sensores de aceleração é de ±500 m/s2 (123), sendo preferencialmente usada a faixa de ±5 m/s2 para os acelerômet ros instalados na caixa, de ±20 m/s2 para os acelerômetros instalados nos truques, de ±100 m/s2 para os acelerômetros instalados nas laterais dos truques e de ±500 m/s2 para os acelerômetros instalados nos rodeiros. A faixa de operação dos sensores de velocidade angular é de ±2.000 °/s (124), sendo preferencialmente usada a faixa de ±2.000 °/s para os sensores de velocidade angular instalados na caixa, de ±250 °/s para os sensores de velocidade angular instalados nos truques, de ±500 °/s para os sensores de velocidade angular instalados nas laterais dos truques e de ±1.000 °/s para os sensores de velocidade angular instalados nos rodeiros. A faixa de operação dos sensores magnéticos é de ±5.000 μΤ (125), sendo preferencialmente usada a faixa de ±1.200 μΤ para os sensores magnéticos instalados na caixa, de +1.200 μΤ para os sensores magnéticos instalados nos truques, de ±1.200 μΤ para os sensores magnéticos instalados nas laterais dos truques e de ±5.000 μΤ para os sensores magnéticos instalados nos rodeiros. A faixa de operação dos sensores de posição é de ±0.50 m, sendo preferencialmente usada a faixa de ±0,050 m para os sensores posição instalados na caixa, de ±0,010 m para os sensores posição instalados nos truques de ±0,005 m para os sensores posição instalados nos rodeiros. A faixa de operação dos sensores de posição angular é de ±45° sendo preferencialmente usada a faixa de ±15° para os sensores de posição angular instalados na caixa, de ±30° para os sensores de posição angular instalados nos truques, de ±15° para os sensores de posição angular instalados nas laterais dos truques e de ±3° para os sensores de posição angular instalados nos rodeiros. O sistema de amostragem de dados (conversor analógico digital) trabalha na faixa aproximada de 5.000 amostras por segundo (5 kHz) sendo preferencialmente utilizada a faixa de 1.024 amostras por segundo (Hz). Os filtros possuem 12 pólos, mas são preferencialmente utilizados os filtros de 6 pólos. Os filtros são sintonizados em frequências diversas, mas são preferencialmente sintonizados em 512 Hz para as comunicações no pré-processador e 128 Hz para as demais atividades de amostragem e análise. Ά armazenagem dos dados brutos é realizada na maior taxa preferencial de 1.024 amostras por segundo (Hz) . A armazenagem dos dados processados e tratados é realizada na taxa preferencial de 128 amostras por segundo (Hz).

Vantagens O presente sistema permite localizar os pontos da via férrea que possuem características indesejáveis, passíveis de manutenção, através da estimativa das forças de contato roda/trilho sem contato direto, utilizando-se de um sistema de localização georreferenciada por satélites do tipo DGPS de precisão. A presente invenção possui a habilidade de estimar a relação das forças de contato roda/trilho permitindo a identificação do Índice L/V tipico no meio ferroviário para caracterização da segurança do veiculo contra o descarrilamento. Além disso, inclui a estimação da torção longitudinal da suspensão do veiculo, que é uma variável necessária para a solução do sistema de equações que permite recuperar inercialmente {strapdown inertial recovery) o indice L/V, sendo, portanto uma outra inovação e vantagem no que se refere ao tratamento dos dados medidos. O presente sistema contém informações dos sensores angulares que quando tem variação repentina permite a identificação instantânea da tendência ao descarrilamento permitindo a indicação para acionamento de freios para redução da velocidade sendo, portanto um instrumento para condução segura do trem. A invenção aqui descrita apresenta uma vantagem muito grande em função da sua autonomia, ser leve e portátil, ser modular e flexível, podendo ser configurado em diversos níveis de complexidade, ser intercambiável entre veículos podendo ser utilizado em qualquer veiculo da frota, ser um sistema de medição autônomo com bateria própria de alta capacidade de armazenamento de informações e ter longo tempo de permanência em serviço. A presente invenção tem como vantagem, ainda, o tratamento estatístico especializado que permite identificar a localização exata da via onde a condição de segurança reduzida permite recomendar a manutenção localizada e de baixo custo, além de indicar os trechos de pior qualidade onde o investimento em manutenção e recuperação deve ser concentrado, emitindo automaticamente um Relatório de exceção indicando o local e a gravidade do estado geométrico da via- Este aspecto direciona a ações de manutenção da via, melhorando a relação entre o custo e o beneficio auferido pelo processo.

Como vantagem, o sistema apresentado pode ser utilizado também para o monitoramento da segurança do veiculo em tráfego como equipamento autônomo baseado no uso dos sensores de medição dos movimentos dinâmicos do veiculo, dos truques e dos rodeiros, com processamento dos sinais dos sensores em tempo real para a identificação do índice de Segurança (Safety Index - SI) que pode ser utilizado para efeito de controle da velocidade de tráfego do trem em operação na via férrea.

Avanço Tecnológico O presente sistema possui a habilidade de estimar a relação das forças de contato roda/trilho permitindo a identificação do índice de segurança L/V a partir de medidas inerciais realizadas no veículo que corresponde a um avanço tecnológico expressivo. O índice L/V é tipico no meio ferroviário para caracterização da segurança do veículo contra o descarrilamento e sendo a segurança reduzida indica o local exato onde a via férrea deve receber manutenção. A presente invenção inclui a estimativa da torção longitudinal da suspensão do veículo, que é uma variável necessária para a solução do sistema de equações que permite recuperar inercialmente o índice L/V. A presente invenção contempla ainda a identificação instantânea da segurança do veículo em tráfego através das variações das velocidades angulares dos truques quando ocorre a inscrição em curvas. Nesta situação a tendência ao descarrilamento é precedida de intensa variação angular o que permite identificar o instante de segurança reduzida. A presente invenção permite, portanto, identificar o instante e local de segurança reduzida permitindo atuar na forma de condução do trem para manter a maior segurança.

Esta atuação ocorre pelo acionamento dos sistemas de freio de serviço ao freio de emergência reduzindo a velocidade do trem, garantindo a movimentação segura do trem. O sistema apresentado corresponde a um avanço tecnológico expressivo, pois pode ser utilizado para o monitoramento da segurança do veiculo em tráfego como equipamento autônomo baseado no uso dos sensores de medição dos movimentos dinâmicos do veiculo, dos truques e dos rodeiros, com processamento dos sinais dos sensores em tempo real para a identificação do índice de Segurança (Safety Index - SI) que pode ser utilizado para efeito de controle da velocidade de tráfego do trem em operação na via férrea que corresponde a um sistema inédito e não disponível no mercado.

Embora a invenção tenha sido amplamente descrita, é óbvio para aqueles versados na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas sem que as referidas alterações não estej am cobertas pelo escopo da invenção.

Claims (40)

1. Sistema de identificação da qualidade de vias férreas e de veículos metroferroviários, caracterizado pelo fato de compreender três sensores de aceleração, três sensores de velocidade angular, três sensores magnetométricos medidores de campo magnético formando uma Unidade de Medida Inercial (010) instalada no corpo do veículo (001) composta pelos sensores no veículo (001) medindo simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (avx, avy, avz) (123), três velocidades angulares ortogonais (wvx, wvy, wvz) (124), três níveis de campo magnético ortogonais (mvx, mvy, mvz)(125) e a pressão barométrica local (126), em que outra unidade de medida inercial (011) instalada no truque dianteiro (002) do veículo, medindo simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (adx, ady, adz) , três velocidades angulares ortogonais (wdx, wdy, wdz), três níveis de campo magnético ortogonais (mdx, mdy, mdz), em que ainda outra unidade de medida inercial (012) é instalada no truque traseiro (003) do veículo (001), medindo simultaneamente as acelerações em três direções ortogonais (atx, aty, atz), três velocidades angulares ortogonais (wtx, wty, wtz), três níveis de campo magnético ortogonais (mtx, mty, mtz), onde adicionalmente, é disposto um sensor barométrico (126) medidor de pressão atmosférica juntamente às unidades de medida inercial (IMU) sendo instalado nas mesmas partes estratégicas do veículo, medindo a altura em relação ao solo e trabalhando na parte principal do sistema ligados a um computador central (100) em conjunto com um DGPS (127), em que adicionalmente são instalados sensores de força nos engates (170) medidores das forças longitudinais dos engates de cada vagão; sensores ultrassônicos de proximidade ou sistema laser instalados nos truques (140) medidores dos movimentos angulares da suspensão do truque em relação à caixa, identificando o ângulo da curva; sensores ultrassônicos de proximidade ou sistema laser instalados nas laterais dos truques (148) medidores do curso vertical de cada conjunto de molas da suspensão de cada lado do truque; sensores ultrassônicos de proximidade ou sistema laser instalados nos rodeiros (150) medidores dos movimentos angulares dos rodeiros em relação aos truques, identificando os ângulos de ataque dos rodeiros; sensores niveladores inerciais instalados no veiculo (160) medidores da superelevação da via férrea; sensores a laser instalados no veículo medidores dos perfis dos trilhos direito e esquerdo ao longo da via para caracterização dos desgastes do trilhos (165); sensores a laser instalados nas travessas (144) dos truques medidores de esquadrej amento das partes do truque, onde tais sensores são interligados por sistema de transmissão de dados sem fio e permitem medir deslocamentos, ângulos e forças do veiculo e da via férrea, em que os dados recolhidos a partir deles passam por um sistema de filtros (122) e são tratados em uma unidade pré-processadora (121),

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da unidade pré-processadora (121) executar o método de identificação do índice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veículo metroferroviário e a via férrea, onde ainda é possível determinar as acelerações translacionais em três direções ortogonais, as três acelerações angulares do veículo em movimento por giroscópios, deslocamentos relativos entre os chassis do veiculo e os truques por defletômetros de contato ou sensores de deslocamento, medir as rotações relativas entre os chassis do veiculo e os truques por goniômetro angular, medir a bitola da via férrea por rastreadores a laser, medir a elevação vertical da via férrea utilizando barômetro de precisão, medir a inclinação transversal da via férrea por inclinômetros, medir a inclinação longitudinal da via férrea por inclinômetros, medir a velocidade absoluta e posição georreferenciada pelo uso de um DGPS.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do computador central (100) possuir dispositivos de acionamento compreendendo teclado e mouse (101) e apresentação gráfica compreendendo monitores de apresentação de dados e imagens (102) no gerenciamento de todas as atividades em uma rede local de comunicação (105) .

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do computador central (100) estar ligado aos sensores no veiculo (120) , aos sensores no truque (140) dianteiro, aos sensores no truque (140) traseiro, aos sensores nas travessas (144) dos truques, aos sensores nas laterais (148) dos truques, aos sensores nos rodeiros (150) dos truques, aos sensores no carro para medições na via férrea (160), aos sensores no carro para medições nos trilhos (165), aos sensores nos engates (170) do trem, ao sistema de rastreamento de satélite com algoritmo de localização do tipo GPS e DGPS (180) de alta frequência, comunicando-se com o computador de bordo da locomotiva {190} e com a base através de sistema de comunicação (110), onde todas as informações amostradas e pré-tratadas são armazenas sob seu controle em mídia de armazenagem digital de alta capacidade e alta velocidade (115) .

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do Sistema de Comunicação (110) incluir informações do sistema de sinalização da via, sistema de comunicação ou protocolo de comunicação do tipo Wi-Fi, GSM, General Packet Radio Service, Sistema AutoTrack, wireless Worldwide Interoperability for Microwave Access, e sistemas de comunicação normalmente disponíveis e utilizados em malhas metro-ferroviárias.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores no veiculo (120), em conj unto com os sensores nos truques (14 0) permitirem avaliar o comportamento vibracional do veículo em tráfego quando observado as propriedades estatísticas de média e desvio padrão.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores nas travessas (144) entre os truques e os sensores nas laterais (148) dos truques medirem o ângulo entre a travessa e as laterais dos truques caracterizando a distorção ou esquadrejamento das partes do truque.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores nos rodeiros (150) em conj unto com os sensores nas laterais (14 8) dos truques medirem o ângulo entre os rodeiros e a linha tangente da via férrea, onde este ângulo é conhecido como ângulo de ataque .

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores na via (160) medirem a superelevação da via férrea por niveladores inerciais e a curvatura por sensores a laser, enquanto que os sensores nos trilhos (165) medem o perfil dos mesmos, caracterizando desgastes.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores nos engates (170) serem instalados nas barras de ligação entre os vagões permitindo medir as forças as variações e picos de tração e frenagem.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, Caracterizado pelo fato das informações coletadas a partir dos sensores passarem pelo filtro (122) sendo pré- processadas na unidade pré-processadora (121) à qual é aplicado o método para a determinação de variáveis complementares de atitude necessárias para a identificação do índice de segurança no veículo em tráfego, onde as variáveis adicionais compreendem a posição absoluta (128), as velocidades absolutas (129), as acelerações angulares (130) e a posição angular (131), além de deslocamentos, ângulos e forças medidos através de instrumentos instalados no veiculo, nos truques (140) e nos rodeiros (150) .

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do filtro (122) compreender o algoritmo de filtragem de Kalman, em que os dados coletados da utilização da unidade de medida inercial (IMU) determinam a atitude do veiculo composta pelos três ângulos de Euiar em relação a um referencial fixo ou conj unto angular definido por quaternicns.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de estimar as forças de contato entre a roda e o trilho a partir dos sensores instalados no veículo (001), no truque dianteiro (002) e no truque traseiro (003) que permitem calcular o indice de segurança diretamente associado com a qualidade da via férrea.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de determinar instantaneamente o indice de segurança a partir dos dados medidos pelos sensores a condição de segurança do veiculo em tráfego.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de permitir a condução segura do trem acionando o sistema de freio para adequação da velocidade de tráfego para condição mais segura.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser aplicado em veículo guiado com dois eixos e suspensão primária, em veiculo guiado com dois truques, quatro eixos, suspensão primária e suspensão secundária, em veículo guiado com dois truques, seis eixos, suspensão primária e suspensão secundária ou finalmente em veiculo guiado com três truques, seis eixos, suspensão primária e suspensão secundária.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos sensores instalados registrarem toda a movimentação inercial do veículo fornecendo dados a serem utilizados na análise modal de estimação dos modos naturais de movimento do veiculo de onde são estimadas as propriedades de distribuição de massa e medindo o comportamento dinâmico do mesmo através de suas acelerações transiacionais e velocidades angulares.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracter!zado pelo fato de ser modular e flexível, podendo ser configurado em diversos níveis de complexidade além de ser intercambiável entre veículos, possuindo bateria própria de alta capacidade de memória para longo tempo de permanência em serviço.

19. Sistema, de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado pelo fato de ser utilizado para o monitoramento da segurança do veiculo em tráfego como equipamento autônomo baseado no uso dos sensores de medição dos movimentos dinâmicos do veiculo, dos truques e dos rodeiros, com processamento dos sinais dos sensores em tempo real para a identificação do índice de Segurança que pode ser utilizado para efeito de controle da velocidade de tráfego do trem em operação na via férrea.

20. Método de identificação do indice de segurança por estimativa direta das forças de contato entre as rodas do veículo metroferroviário e a via férrea, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: Etapa (a) - estimação das forças de contato; Etapa (b) - identificação do indice de segurança; Etapa (c) - determinação das variáveis complementares.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que na etapa (a) ocorre a medição das três acelerações translacionais, medição das três velocidades angulares, medição do campo magnético em três direções ortogonais, medição da pressão barométrica, medição da posição georreferenciada, velocidade e direção de movimento, a determinação da correção das acelerações tridimensionais medidas no ponto P devido à posição de instalação do sistema de medição para o bari centro G do veículo, a determinação das propriedades inerciais e distribuição de massa por método de quantificação modai no domínio da frequência (200), bem como a identificação das forças de contato roda/trilho a partir da variação temporal da quantidade de movimento tridimensional, bem como a identificação dos momentos das forças de contato roda/trilho a partir da variação tridimensional da quantidade de movimento angular do veículo, a identificação dos ângulos de torção da suspensão de cada truque e a obtenção das equações adicionais a partir da torção longitudinal da suspensão do veículo, a projeção da força dos engates nas direções lateral e vertical, identificação da posição e da velocidade do veículo em um referencial fixo e obtenção da variação temporal da matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler utilizando as três velocidades angulares do veículo.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de aplicação da equação de Newton de aceleração do baricentro: onde as forças externas verticais agentes no veiculo, (VI, V2, V3 e V4), laterais (Ll, L2, L3 e L4) e longitudinais (Hl, H2, H3 e H4) desenvolvidas no contato entre a roda e o trilho são apresentadas.

23. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de transformação ortogonal da base em movimento descrita pela matriz T composta pelos cossenos diretores dos ângulos de Euler conforme a equação: onde a equação de Newton de aceleração do baricentro com 3 componentes é descrita no referencial móvel acoplando ao veiculo, em que as forças externas agentes sobre o veiculo são decorrentes do suporte do peso próprio pela aceleração gravitacional vertical acrescidos da aceleração vertical do veiculo (VI, V2, V3 e V4) e as forças devido ao direcionamento imposto pela curvatura da via férrea (Ll, L2, L3 e L4) e correspondente aceleração lateral, forças horizontais medidas nos engates e sua respectiva projeção em função do ângulo da curva, onde as forças medidas nos engates são adicionadas nas componentes lateral e vertical da equação, em que a equação vetorial permite a identificação das forças de contato roda/trilho a partir de medida das acelerações longitudinal, lateral e vertical do veiculo.

24. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de correção devido à rotação da base móvel realizado pela equação:

25. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de correção devido à posição P de medição para o baricentro G do veiculo pela equação : aG = ap + £0Λ (G — P) + ú) A [ú)Λ (G — P)] onde a pro j eção é feita com a expressão de campo de acelerações caso os sensores do sistema inercial de medição não sejam instalados no baricentro do veiculo.

26. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de obtenção de 3 equações independentes de Euler a partir do teorema da variação da quantidade de movimento angular: onde a equação vetorial apresentada permite a identificação dos momentos produzidos pelas forças de contato roda/trilho a partir de medida das três acelerações angulares de rolagem, arfagem e guinada, em que é necessário conhecer as velocidades angulares de arrastamento do sistema de medida e das acelerações angulares nas três direções ortogonais além das propriedades inerciais de distribuição de massa, onde os momentos externos agentes sobre o veiculo MG da equação são os decorrentes das distancias L e b das forças verticais do veículo (VI, V2, V3 e V4) e os momentos devido às forças laterais de direcionamento (LI, L2, L3 e L4) e das forças nos engates dianteiro e traseiro.

27. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de identificação dos ângulos de inclinação o vagão (<p) e da via (a) distintos em função do movimento vertical e angular da suspensão ( β) : φ = GC + β onde, cada componente do veículo tem ângulo de inclinação próprio, variável ao longo do tempo, identificado pelo sensor angular instalado em cada corpos que permite identificar a história temporal da inclinação de cada corpo.

28. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da etapa (a) compreender a subetapa de aplicação da equação adicional decorrente da torção longitudinal da suspensão do veículo: Onde, k(p é a rigidez torcíonal da suspensão do vagão e δ ο empenamento linear da via férrea, em que os valores L e b correspondem à metade do comprimento do vagão e metade da largura entre os trilhos.

29. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que na etapa (b) é aplicada a fórmula: SÍ = 1 —— V Para a identificação do indice de segurança, onde o indice identificado é o parâmetro que quantifica o desempenho dinâmico do veiculo quando estiver trafegando naquele trecho de via férrea com irregularidade para aquela velocidade, agrupando a influência dos parâmetros que quantificam a segurança de maneira simultânea, qualificando a segurança do tráfego do veiculo.

30. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracteri zado pelo fato de que na etapa (c) são determinadas variáveis complementares dos ângulos de Euler e aceleração angular necessárias à recuperação inércia.) das forças de contato das rodas.

31. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da de que na etapa (c) ocorre uma compensação do atraso de movimento do vagão utilizando a frequência do modo de movimento e a velocidade de tráfego do veículo, é feita a determinação do local exato de menor segurança ao tráfego.

32. Método, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que na etapa (c) um posicionamento georreferenciado de precisão indica o local exato de baixa segurança descrito em um relatório de locais de exceção (300) elaborado contendo informações sobre os locais onde a via produz reduzida condições de segurança e a manutenção preventiva da via férrea é recomendada.

33. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de transformação de base utilizando a matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler utilizando a equação: aplicada com base na identificação da posição e da velocidade do veiculo em um referencial fixo.

34. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de consideração da velocidade do veículo expressa na base móvel solidária ao veiculo onde o sistema medição está instalado pela aplicação da equação:

35. Método, de acordo com a reivindicação 30, carac teri zado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de consideração da matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler expressa por:

36. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de identificação da aceleração absoluta do veiculo derivando com relação ao tempo a expressão da velocidade medida e projetada no referencial fixo pela transformação T conforme:

37. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de identificação variação temporal matriz T dos cossenos diretores dos ângulos de Euler utilizando-se a medida da velocidade angular do veiculo Ω:

38. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de projeção das medidas de acelerações e das medidas magnéticas na base móvel:

39. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de reescrever na forma matricial a expressão tomando adicionalmente o vetor ortogonal produzido pelo produto vetorial entre eles, considerando que os vetores de aceleração e magnético descritos no referencia móvel não sejam ortogonais:

40. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato da etapa (c) compreender a subetapa de solução para a matriz de transformação composta pelos cossenos diretores dos ângulos de Euler: