BRPI0601895B1 - “Sistema e método de bloqueio de circulação de trens em uma via de uma linha férrea” - Google Patents

Abstract

"sistema e método de bloqueio de circulação de trens em uma via de uma linha férrea". em uma situação nominal, o funcionamento do sistema de bloqueio da invenção é o seguinte: a posição do trem (1) é estimada a bordo através de um localizador baseado em sistemas de gnss (11) e outros sensores (12). através de um procedimento de fusão de dados, monitoração e algoritmos, esta posição do trem será determinada através de equipamentos qualificados em segurança. o sistema preferencialmente incorpora uma certa redundância no hardware, para garantia de sua confiabilidade em uma aplicação de segurança intrínseca. é preciso dispor a bordo de um mapa digital do traçado da via (31), que pode ser gerado a partir de dados de campo e deve ser cotejado com referências topográficas do traçado. uma vez qualificada a posição como segura, esta é transmitida via rádio ao centro de controle de tráfego centralizado ctc (100) através de um protocolo de comunicações seguro e, preferencialmente, com uma encriptação projetada especificamente para este sistema. o equipamento de rádio de bordo (15, 150) manda a informação de forma autônoma com uma cadência temporal configurável pelo usuário. o sistema é bidirecional, permitindo a transmissão trem - ctc e ctc - trem pelo canal de rádio.

Description

(54) Título: SISTEMA E MÉTODO DE BLOQUEIO DE CIRCULAÇÃO DE TRENS EM UMA VIA DE

UMA LINHA FÉRREA (51) Int.CI.: B61L 25/02; B61L 23/34 (30) Prioridade Unionista: 21/03/2005 EP 05380052 (73) Titular(es): SENER, INGENIERIA Y SISTEMAS, S.A.

(72) Inventor(es): SÉRGIO DE MIGUEL SANZ; ENRIC DOMÍNGUEZ SAURA

1/39

SISTEMA E MÉTODO DE BLOQUEIO DE CIRCULAÇÃO DE TRENS EM UMA VIA DE UMA LINHA FÉRREA

Campo da Invenção

A invenção está englobada nos sistemas de segurança 5 para o controle do tráfego ferroviário em linhas de baixa densidade de tráfego. Esta invenção é especialmente indicada para linhas com baixa densidade de tráfego ferroviário, nas quais um forte investimento na sinalização da linha não é justificado economicamente.

Antecedentes da Invenção

Na Europa, existe um grande número de linhas férreas sem sinalização. Pegando como exemplo a rede ferroviária espanhola, dos 12140 quilômetros da rede convencional, são destacáveis 5510 quilômetros de via única sem sinalização, dos quais 4763 quilômetros de via são gerenciados através de bloqueio telefônico. Na rede ferroviária espanhola unicamente existem 3667 quilômetros de via sinalizada.

Os quilômetros da rede ferroviária podem ser divididos por tipo de bloqueio. Na rede ferroviária espanhola, cabe destacar o bloqueio com condução automática de altas obrigações usado nas linhas de alta velocidade (518 km) ; o bloqueio em que intervém um centro de tráfego centralizado (5352 km); os bloqueios automáticos (1189 km); os bloqueios elétricos manuais (743 km); os bloqueios telefônicos (4763 km) e por rádio (57 km).

O baixo tráfego de trens neste tipo de linhas da rede ferroviária convencional geralmente não justifica a instalação e a manutenção de sistemas de sinalização. Por esta razão, persistem hoje em dia sistemas de bloqueio por comunicação telefônica, que não menos eficientes a nível de

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 8/53

2/39 exploração.

Os sistemas de bloqueio surgiram pela necessidade de regulagem do tráfego entre duas estações colaterais, especialmente em via única. Realmente, o bloqueio é qualquer procedimento que se realize verbalmente, por escrito ou tecnologicamente para a evitação da colisão frontal em via única e o alcance de trens em via dupla.

O bloqueio em via única mais generalizado foi o bloqueio telefônico (BT). Neste caso, os agentes de circulação das duas estações solicitam uma autorização mútua para expedição dos trens, devendo receber tal consentimento e uma confirmação posterior da chegada do trem que foi expedido.

Para evitar as falhas humanas do bloqueio telefônico, foi implantado o assim denominado bloqueio elétrico manual (BEM), pelo qual são incompatibilizadas as saídas das estações colaterais até o trecho de via comum entre ambas, e é impedido também que, uma vez que o trem esteja no trajeto, seja impossível fazer alguma saída para o mesmo trecho de via até que o trem chegue à estação receptora. Neste caso, o trajeto fica totalmente bloqueado, devendo também a estação receptora apertar em seu quadro de comando o botão de aquiescência de chegada do trem completo.

Mais modernamente, quando entre duas estações em via única existiam circuitos de via em sua totalidade ou contador de eixos, foi implantado o assim denominado bloqueio automático em via única (BAU), podendo ter vários ramais e uma sucessão automática de trens. Foi posto em funcionamento um sistema de BAU entre estações com contadores de eixos, o que supõe uma importante vantagem

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 9/53

3/39 econômica ao se evitar a instalação dos circuitos de via de trajeto e demais elementos, como juntas isolantes, extensão de linha de média tensão para alimentação dos ramais, etc.

O bloqueio automático (BA) usado na via dupla garante 5 que todo trem que se encontrar em uma seção ou ramal, limitado por um circuito de via ou conta eixos, esteja protegido pelo sinal situado na entrada do referido ramal, que implica um itinerário e que ordena uma parada de qualquer trem que queira entrar no ramal ocupado por um trem. O bloqueio é realizado de forma automática, já que são os eixos do trem que interrompem ou causam um curtocircuito na via, cortando o sinal correspondente anterior. Estes bloqueios permitem também um aumento da capacidade das linhas, já que os ramais são mais curtos do que o espaço entre estações. Quando os trens podem circular indistintamente no mesmo sentido, tanto pela via da direita como pela da esquerda, o chamado sistema de bloqueio automatizado banalizado (BAB) permite a circulação por ambas as vias em qualquer sentido com sucessão de trens.

Os sistemas de bloqueio são baseados em equipamentos instalados em via e nas estações (intertravamento eletrônico, de relés ou de módulos geográficos), sinais de circulação, contadores de eixo, circuitos de via, motores de agulha, etc.; estes sistemas permitem que os trens possam circular por via única banalizada ou via dupla banalizada e sem banalizar, com segurança intrínseca, sem que nenhum tipo de pessoal intervenha. No caso que nos concerne, a alternativa do sistema de bloqueio da invenção é considerar a eliminação do que é denominado um “bloqueio telefônico, que consiste em duas pessoas situadas em duas

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 10/53

4/39 estações onde se efetua o cruzamento de trens (via única) se ponham de acordo através das consignações correspondentes estipuladas no Regulamento de Circulação da Administração Ferroviária, onde é explicitado o mencionado bloqueio telefônico, para liberar a via para um dos trens, assegurando-se que o trajeto pelo qual o referido trem tem de circular não esteja ocupado por nenhum outro trem, e situando-se o trem sem prioridade na estação de cruzamento até que o trem que vem em sentido contrário estacione na estação de cruzamento onde está estacionado o outro trem.

Existem antecedentes de aplicação de sistemas de navegação global por satélite no setor ferroviário. Por exemplo, na US-A-2004/0015275 ou na US-A-2004/0015276 ou na GB-2378302-A são descritas aplicações ferroviárias que utilizam sistemas de navegação global por satélite para aplicações nas quais se atua sobre comandos e sinais do veículo, como freis, motor ou sinais de aviso. Na US6641090-B2, é descrito um sistema de localização baseado em um filtro de Kalman que usa medidas de GPS e outros sensores.

Hoje em dia também existem sistemas de ajuda à exploração (SAE) que são baseados na tecnologia de navegação por satélite. Entretanto, os SAE atuais baseados em GPS não constituem um sistema de bloqueio com segurança intrínseca para linhas sem sinalização. Este aspecto é fundamental por ter implicações essenciais tanto em nível de requisitos como em nível de definição da arquitetura do sistema e do método de realização (solução técnica). Para assegurar a confiabilidade e a segurança do sistema de bloqueio, é requerida uma solução distinta e um nível maior

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 11/53

5/39 de complexidade no sistema e no método.

As instalações de sinalização com circuitos de via, contadores de eixos, sinais, motores de agulha e intertravamento eletrônico são caras de se instalar e manter.

Pretende-se com o sistema de bloqueio proposto pela invenção que sejam modernizadas de forma econômica as linhas ferroviárias de baixa densidade de tráfego, permitindo-se, inclusive, um aumento da capacidade das linhas sem por isso ter que aumentar a inversão em infraestrutura em via e mantendo-se os níveis de segurança.

O sistema também pode ser aplicado como um sistema redundante para o controle do tráfego ferroviário, em caso de falha do Telecontrole de Tráfego ou o centro de controle de tráfego centralizado (CTC), e através deste sistema controlar a localização dos trens, e atuar de maneira que se creia que seja mais conveniente, através dos operadores dos Postos de Comando.

Descrição da Invenção

A invenção se refere a um sistema de acordo com a reivindicação 1 e a um método de acordo com a reivindicação 9. As modalidades preferidas do sistema e do método são definidas nas reivindicações dependentes.

O sistema de bloqueio com segurança intrínseca para linhas de ferrovia da presente invenção é concebido para poder ser utilizado como um sistema de bloqueio em linhas de ferrovia sem eletrificação ou sinalização ou com eletrificação, mas sem sinalização.

Este novo sistema permite que, desde um centro de controle de tráfego centralizado (CTC), um responsável

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 12/53

6/39 possa outorgar permissões necessárias de movimento aos maquinistas através da informação segura que chega ao CTC da localização dos trens na via.

O sistema objeto da invenção, portanto, permite 5 efetuar o bloqueio sem necessidade de pessoal, e fica assegurado por um operador no CTC que, através deste sistema, é ele que autoriza aos maquinistas que podem sair das estações adjacentes àquela em que se efetua o cruzamento dos trens. Não são requeridos equipamentos instalados em via (circuitos de via, contadores de eixos, etc.), nem sinais de circulação.

Deve ser ressaltado que o sistema de bloqueio com segurança intrínseca objeto da presente invenção é uma ferramenta segura, autônoma e robusta de assistência ao controle da circulação.

O sistema da invenção aporta melhorias quanto à segurança, eficiência e flexibilidade da exploração da infra-estrutura ferroviária, já que proporciona, entre outros parâmetros, o ponto quilométrico do trem, sua velocidade e a via em que se encontra. Ademais, é econômico com respeito a outros sistemas onde a gestão da circulação depende da comunicação telefônica entre o pessoal situado nas estações onde são efetuados os cruzamentos de trens ou na sinalização.

Com efeito, dispõe-se de um sistema misto de hardware e software no qual são combinados, com um nível adequado de redundância, sensores complementares e unidades de processamento. Sobre esta estrutura foram desenvolvidos algoritmos de monitoração e resolução de ambigüidades quanto à ocupação da via, que permitem para a função de

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 13/53

7/39 bloqueio generalizar o nível de integridade da segurança

até SIL 4	em	todo o	âmbito	de atuação. Tal como é	definido
na norma	EN	50128,	este sistema de bloqueio pode	garantir
uma taxa	de	risco	(perigo)	menor do que 10-8 por	hora de
5 operação.

O sistema de bloqueio da invenção está indicado para trens com locomotiva ou vagão trator e um número limitado de vagões. O sistema seria instalado em todas as locomotivas.

Pode ser utilizado tanto para o transporte de mercadorias quanto para o transporte de passageiros.

Assim, de acordo com um primeiro aspecto da invenção, esta se refere a um sistema de bloqueio de circulação de trens em uma via de uma linha de ferrovia.

O sistema de bloqueio compreende uma unidade de bordo de assistência a bloqueio por veículo, que por sua vez inclui:

- um receptor global de navegação por satélite GNSS que proporciona medidas geo-referenciadas de posição PGNSS e/ou velocidade Vgnss do referido trem para cada período de tempo TGNSS,

- um grupo de sensores e meios de conexão com um odômetro que proporcionam medidas de velocidade angular Wz do eixo vertical da locomotiva e de velocidade VODOM do referido trem,

- um módulo de aquisição de dados e razoabilidade configurado para receber as referidas medidas de velocidade VGNSS e VODOM, e para checar as referidas medidas com respeito a critérios pré-estabelecidos de razoabilidade,

- um módulo de qualificação com segurança da medida de

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 14/53

8/39 posição Pgnss, com base em um banco de dados digital da referida via e configurado para proporcionar uma projeção da posição do trem sobre a via PProy qualificada em segurança,

- um módulo de navegação e decisão configurado para receber a referida medida de posição PProy qualificada em segurança, e/ou as medidas disponíveis de velocidade Vgnss e/ou VODOM checadas ambas pelo módulo de aquisição de dados e razoabilidade, e para determinar a localização estimada do referido trem Pest e sua localização quanto a um ponto quilométrico PK e sua velocidade estimada Vest,

- um módulo de detecção de passagem por desvio e de ocupação da via, configurado para receber a referida medida de posição Pest e de velocidade angular w checada pelo módulo de aquisição de dados e razoabilidade, e configurado para determinar a partir de um banco de dados digital da via com os pontos singulares de desvio o estado do trem quanto à ocupação da via TS ou Status de Trilho (quer dizer, trata de determinar se o trem está em uma zona de desvio ou, nesse caso, em que via está localizado o trem, ou decreta sua indeterminação, se não forem dadas condições necessárias para a determinação da localização do trem com a segurança suficiente), e

- um subsistema de comunicação bidirecional por rádio para envio de pelo menos a posição Pk do referido trem e o estado de ocupação da via TS para um centro de controle de tráfego centralizado CTC.

Por outro lado, o sistema da invenção, no referido centro de controle de tráfego centralizado CTC, compreende:

- meios de comunicação bidirecional por rádio para

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 15/53

9/39 recepção de pelo menos a referida posição Pk do referido trem e do estado de ocupação da via TS,

- um equipamento de aquisição, processamento e visualização de dados, configurado para a extração pelo menos da posição Pk e do estado de ocupação da via TS para o referido trem, e para representar de forma gráfica o estado de ocupação dos trechos de via da linha em uma tela de visualização de dados.

O referido envio por rádio pode ser realizado de forma 10 automática ou por interrogação. Preferencialmente, os meios de comunicação bidirecional por rádio incluem um módulo de codificação e encriptação.

Desta forma, o bloqueio de ramais (trechos de via sem sinalização) é representado de forma automática e quase em tempo real no centro de controle de tráfego centralizado CTC, sem a necessidade de estabelecimento de contato telefônico com o pessoal nas estações de cruzamento ou precisar de uma infra-estrutura em via.

O sistema de bloqueio proposto introduz um alto grau de autonomia com respeito a outros sistemas de bloqueio existentes (por exemplo, bloqueio telefônico), mantendo os níveis de segurança. A referida segurança é conseguida com uma arquitetura de hardware robusta a falhas, complementada por algoritmos matemáticos para a detecção de falhas do hardware, assim como com um processo formal de desenvolvimento.

O sistema incorpora meios para a melhoria das precisões da localização do trem nos casos em que se perca a cobertura de satélites GNSS.

Uma base importante da invenção é a fusão que se

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 16/53

10/39 realiza dos dados procedentes dos distintos sensores e bancos de dados.

Uma limitação de todo sistema de posicionamento baseado em satélite é a garantia da precisão. Inclusive com receptores diferenciais de bifreqüência, a precisão de posição é da ordem de 1 a 5 metros tão somente em 95% das vezes. Para os outros 5% das vezes, cabe esperar que localmente as obrigações do sistema estejam fora da faixa admissível para esta aplicação. Isto pode ser devido, por exemplo, ao ricochete dos sinais procedentes dos satélites provocado por obstáculos próximos (edifícios, vegetação, pontes, etc.) ou por interferências. Além disso, sempre há que se considerar o problema da visibilidade de satélites, que pode ser insuficiente em muitas situações operativas.

No caso que nos concerne, confia-se em uma constelação de ajuda tipo de SBAS (Sistema de Aumento Baseado em Satélite) para melhoria das obrigações do sistema quanto à integridade e precisão. Mais adiante, a constelação de SBAS será substituída por uma constelação Galileo. O problema de ocultação em SBAS é freqüente por haver poucos satélites na constelação SBAS e, dependendo da situação geográfica da aplicação, sua elevação sobre o horizonte pode ser bastante baixa.

Por outro lado, nas estações de cruzamento, é necessário saber com altíssima integridade não apenas o ponto quilométrico, mas, também, a via em que está o trem. Para a determinação da via ocupada com segurança, foram implementados mecanismos específicos de qualificação com segurança e detecção.

De concreto, foram idealizados um sistema e um método

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 17/53

11/39 de detecção de passagem por desvio e de ocupação de via, que fazem parte do sistema da invenção. Este sistema ou módulo permite determinar com integridade a localização do trem decidindo entre duas ou mais vias adjacentes. O método permite a detecção da via ocupada com uma alta disponibilidade e integridade.

Quanto a sensores, este módulo de detecção necessita, além do sensor de GNSS, de um sensor que meça a rotação angular da locomotiva sobre seu eixo geométrico vertical, por exemplo, um giroscópio. Para maior disponibilidade e confiabilidade, pode ser utilizada, adicionalmente, a medida de velocidade de um odômetro.

Este módulo precisa de uma tabulação prévia de cada desvio da linha em um banco de dados de pontos singulares. Como mínimo, dever-se-iam introduzir no referido banco de dados as coordenadas geo-referenciadas de cada desvio, por exemplo, no sistema UTM seriam as coordenadas UTMX e UTMY. Para garantia da detecção efetivamente ocupada em uma faixa ampla de condições dinâmicas, são introduzidos a curvatura e o comprimento do desvio. Estes dados são armazenados em um banco de dados digital de pontos singulares ao qual o referido módulo tem acesso.

O funcionamento do método de detecção preferencialmente é o seguinte. Em função da posição estimada do trem Pest, dada pelo módulo de navegação e decisão, é identificado se o trem está na zona próxima a um desvio. Se assim for, ativa-se o referido módulo no qual é analisada a evolução da velocidade angular da locomotiva ω_ζ. Se esta evolução de (V indicar um giro sustentado no sentido esperado do desvio, e for de velocidade angular

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 18/53

12/39 similar à velocidade instantânea estimada do trem Vest dividida pelo raio de curvatura de entrada do desvio, o módulo decretará que o trem se desviou. De forma análoga, procede-se para a detecção da entrada na nova via.

Geralmente, a entrada na via de destino será produzida depois de um giro no sentido contrário ao giro anterior. Se os giroscópios não detectam um giro na zona de desvio, é interpretado que não houve um desvio. Depois desta análise, o módulo decreta o estado de ocupação de via TS. TS pode valer 1, 2 ou n, sendo n o número máximo de vias na referida estação de cruzamento. Se o giro ou a ausência de giro não é detectado com nitidez suficiente, o módulo não decide sobre a via e decreta uma indeterminação.

Como será visto mais adiante, a unidade de bordo de assistência a bloqueio é dotada de sistemas redundantes. Se houver uma discrepância entre o sistema primário e o sistema de monitoração da unidade de bordo, o módulo também poderá diagnosticar uma indeterminação. Isso pode ser devido a uma falha de hardware ou a outras causas.

De maneira opcional, pode-se utilizar o impacto e a aceleração lateral que o eixo da locomotiva sofre durante a mudança de via como elemento de ajuda independentemente da detecção do TS. Isto é, o impacto percebido pode ser medido por um acelerômetro de eixo simples ou duplo de precisão média que corroboraria se foi ou não produzida a mudança de via. No caso de não coincidir com o parecer baseado em velocidade angular, incorrer-se-ia em uma indeterminação que seria reportada ao CTC.

Para a detecção da ocupação da via em estações com mais de duas vias paralelas, é utilizada a velocidade do

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 19/53

13/39 odômetro Vodom para o cálculo da distância percorrida entre o primeiro giro (correspondente à saída da via de origem) e o segundo giro (correspondente à entrada na via seguinte de destino). A velocidade do odômetro, uma vez calibrada pelo filtro de navegação e decisão, oferece maior precisão que a do GPS a velocidades baixas e é insensível a uma ocultação de satélites.

Como critério geral, a zona de ativação do desvio é definida como uma circunferência centralizada nas coordenadas UTMX e UTMY do desvio de raio pelo menos seis vezes o pior erro médio quadrático esperável nessa zona. Entre outros parâmetros, este raio dependerá da presença de obstáculos na zona que possam reduzir a visibilidade de satélites GNSS ou SBAS e, portanto, possam reduzir a precisão da localização do trem nessa zona. obviamente, o raio deve ser tal que não contenha um trecho de curva, para evitar que se confunda com um desvio.

Em qualquer caso, se o sistema não puder estimar com suficiente garantia a posição do trem, será reportada uma indeterminação ao CTC, de concreto se colocando a 0 o campo TS da mensagem de rádio.

Em uma modalidade preferida da invenção, a unidade de bordo de assistência ao bloqueio inclui um módulo de qualificação da posição GNSS no sentido longitudinal da via. Este módulo é denominado qualificação por posição razoável. Neste caso, o módulo calcula uma posição razoável do trem, Praz(n), a partir da posição e da velocidade estimadas anteriormente pelo módulo de navegação, respectivamente, Pest(n) e Vest(n-1) . Se a posição dada pelo

0 receptor de GNSS Pgnssm distar de Praz(n) mais do que uma

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 20/53

14/39

distância	limite	de qualificação,	a posição	PGNSS(n) é
declarada	errônea.	Nesse	caso,	o	módulo de	navegação
utiliza a	posição	razoável	como	a	melhor estimativa da
posição do	trem. De acordo	com esta	modalidade,	podem ser
detectadas	as situações nas	quais	a	posição Pgnss	satisfaz

ao critério de qualificação de projeção sobre o banco de dados digital de via, mas que é potencialmente errônea.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, o módulo de aquisição de dados e razoabilidade, configurado para comparar as medidas de velocidade proporcionadas pelo receptor global de navegação por satélite (GNSS) e pelo odômetro do trem, utilizaria as restrições do trem e da via também como critério para a verificação da razoabilidade das referidas velocidades. De fato, se conhecem o máximo de velocidade alcançável por cada locomotiva e os raios de curvatura mínimos de cada trecho com o que podem ser determinadas cotas superiores de velocidade razoável. Nesta modalidade também é monitorada a mudança de velocidade com respeito à medida anterior e é etiquetada como não razoável se superar uma aceleração máxima ditada pela norma ferroviária para este tipo de linha e trem.

De forma similar, este módulo de aquisição de dados e razoabilidade monitora a razoabilidade da velocidade angular Wz da locomotiva.

Como uma modalidade adicional, o sistema pode utilizar a diferença entre as velocidades VGNSS e VODOM, já filtradas com respeito à razoabilidade, para estimativa dos erros sistemáticos do odômetro. Isto é realizado através de um filtro linear recursivo, no qual é estimado de forma contínua e em tempo real a bordo do trem o erro constante

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 21/53

15/39 do odômetro (desvio). Este erro sistemático pode ser devido, por exemplo, a variações do raio real da roda na qual foi instalado o odômetro para cada trem monitorado por este sistema de bloqueio. O filtro recursivo tem a base teórica dos mínimos quadrados e sua formulação matemática pode ser encontrada na literatura. É uma extensão da estimativa por mínimos quadrados para situações nas quais se deseja realizar uma filtragem das medidas à medida que a amostra for crescendo com o tempo. Superfície de transporte de artigo modalidade opcional permite que, quando durante um tempo se perde a cobertura dos satélites da constelação de GNSS ou SBAS, o erro da posição estimada pelo filtro de navegação e decisão (a partir da velocidade do odômetro) seja muito menor ao se poderem corrigir os erros sistemáticos. Este filtro matemático é ativado a partir de uma certa velocidade mínima (por exemplo, 10 km/h) e apenas aceita velocidades que tenham passado pelo filtro de razoabilidade, tudo isso para que os erros sistemáticos do odômetro possam ser estimados com maior precisão e integridade.

De acordo com o segundo aspecto da presente invenção, esta se refere a um método de bloqueio de circulação de trens em uma linha de ferrovia, que compreende:

- adquirir medidas de posição PGNSS e/ou velocidade

VGNSS do referido trem para cada período de tempo TGNSS,

- adquirir medidas de velocidade VODOM do referido trem e de velocidade angular do eixo vertical da locomotiva Wz,

- comparar as referidas medidas de velocidade VODOM do referido trem e de velocidade angular wz com as medidas de velocidade VGNSS, e checar todas as medidas com respeito a

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 22/53

16/39 critérios pré-estabelecidos de razoabilidade,

- qualificar em segurança as referidas medidas de posição Pgnss com base em um banco de dados digital da via, e proporcionar medidas de posição do trem PProy projetada sobre o mapa digital da via,

- determinar a partir da referida medida de posição PProy qualificada em segurança e/ou das medidas disponíveis de velocidade VGNSS e/ou VODOM ambas checadas pelo módulo de aquisição de dados e razoabilidade a situação estimada do referido trem Pest e sua situação quanto a um ponto quilométrico Pk e sua velocidade estimada Vest,

- detectar a passagem por desvio e a ocupação de via em zonas com mais de uma via adjacente, com base nas referidas medidas de posição Pest e de velocidade Vest e na velocidade angular Wz já checada, e de um banco de dados digital com os pontos singulares (isto é, desvios), e proporcionar uma informação sobre o estado de ocupação da

via TS,	transmitir,	periodicamente	e/ou na	passagem de
20 pontos	singulares	pelo menos as	referidas	estimativas
seguras	de posição	Pk e o estado de	ocupação da	via TS para

um centro de controle de tráfego centralizado CTC, usando um protocolo que permita uma comunicação bidirecional, e no referido centro de controle de tráfego centralizado CTC:

- extrair a posição Pk do referido trem e do estado de ocupação da via TS, para o referido trem, e representar de forma gráfica o estado mais recente das vias monitoradas em uma tela de visualização de dados.

O método preferencialmente compreende estimar a partir da referida medida de posição PGNSS e de Vest a localização

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 23/53

17/39 provável do referido trem Pest e seu ponto quilométrico Pk; levando em conta o parecer dos módulos de qualificação em segurança por projeção e por posição razoável Praz(n), entendendo-se que, se PGNSS não cumprir nenhum dos critérios, será utilizada como ponto de partida a posição Pest estimada no instante anterior, no lugar de PGNSS.

Quando não se dispuser de Pproy, pode-se utilizar a posição Pest estimada no instante anterior. Assim mesmo, para cada período de tempo Vest pode ser uma média de VGNSS e/ou Vodom, uma vez que se tenham subtraído de Vodom os erros sistemáticos do odômetro através de um filtro linear recursivo.

De acordo com uma modalidade da invenção, o método, adicionalmente, inclui:

- realizar uma filtragem linear recursiva para estimativa dos erros sistemáticos das medidas do odômetro (desvio) e corrigir a Vodom subtraindo os referidos erros estimados,

- determinar a partir de Vgnss e/ou da referida Vodom corrigida uma estimativa da velocidade do trem Vest através de uma filtragem (intermediário balanceado) de ambas as medidas.

Preferencialmente, a informação transmitida ao centro de controle de tráfego centralizado (100) CTC é codificada e encriptada, antes de sua transmissão, e decodificada e desencriptada no referido centro de controle de tráfego centralizado.

Breve descrição dos desenhos

Em seguida, passa-se a descrever de forma breve uma série de desenhos cuja intenção é que ajudem a compreender

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 24/53

18/39 melhor a invenção e que estão relacionados expressamente a uma modalidade da referida invenção que é apresentada como um exemplo não limitativo desta.

A Figura 1 mostra um esquema de funcionamento completo 5 do sistema de bloqueio objeto da invenção e das partes que compõem o referido sistema.

A Figura 2 mostra o núcleo funcional do método de bloqueio que reside na unidade de bordo de assistência ao bloqueio.

A Figura 3 mostra a arquitetura de hardware da unidade de bordo de assistência ao bloqueio.

A Figura 4 mostra a arquitetura de hardware do sistema no CTC.

A Figura 5 mostra o conceito de qualificação em 15 segurança da posição PGNSS.

A Figura 6 mostra o conceito de qualificação por posição razoável da posição PGNSS.

A Figura 7 mostra o problema de determinação do estado de ocupação da via TS.

A Figura 8 mostra graficamente o conceito de funcionamento do módulo de detecção de passagem por desvio e de ocupação de via.

A Figura 9 mostra uma seqüência típica de operação do sistema de bloqueio, tal como seria visualizada no MMI do

CTC - de concreto, é refletido um cenário em que dois trens próximos a duas estações se dirigem em sentido oposto e devem circular ordenadamente por um trecho de via única comum.

A Figura 10 mostra a título de exemplo um possível protocolo de comunicações por rádio entre a unidade de

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 25/53

19/39 bordo e o CTC. Foi eliminado o protocolo de comunicações de CTC para trem.

Descrição de uma modalidade preferida da invenção

Em uma situação nominal, o funcionamento completo do 5 sistema é como o que é ilustrado na figura 1. A posição de cada trem 1 é estimada na unidade de bordo de assistência a bloqueio 10 situada na locomotiva 2 à frente do trem, através de um método que é baseado em sistemas de GNSS e outros sensores, que será explicado mais adiante de forma mais detalhada. A posição do trem é estimada e qualificada em segurança a bordo de forma automática, através de um procedimento de fusão de dados, monitoração e uso de algoritmo. Foi projetada uma arquitetura e foram selecionados equipamentos que permitem a qualificação e a certificação, seguindo-se as normas CENELEC, e foi contemplada a certificação até o nível máximo de integridade de segurança (SIL 4). O sistema incorpora redundância no hardware, para se garantir sua confiabilidade em uma aplicação de segurança crítica.

Na figura 2 é mostrada a essência do conceito e o fluxo de informação e cálculo que reside na unidade de bordo de assistência a bloqueio. A unidade de bordo de assistência a bloqueio utiliza as medidas dos seguintes sensores: um receptor global de navegação por satélite (GNSS) 11 de qualidade diferencial, quer dizer, com possibilidade de adquirir sinais de satélites de uma constelação de SBAS (por exemplo, OMNISTAR, EGNOS) ou de Galileo, que determina a posição PGNSS e/ou a velocidade VGNSS de um ponto de referência do trem 1 com respeito a um sistema de coordenadas geo-referenciado; um odômetro 14 que

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 26/53

20/39 mede a velocidade de rotação de uma roda da locomotiva 2, um giroscópio 12 (redundante 12') que mede a velocidade angular do eixo vertical da locomotiva Wz com respeito a uma referencia inercial; também se pode incluir pelo menos um acelerômetro (não representado, e que também pode estar em redundância), e que mediria a aceleração linear do eixo geométrico az e/ou a aceleração lateral ay da locomotiva com respeito a uma referência inercial.

Os sistemas SBAS (Sistema de Aumento Baseado em 10 Satélite) 200 permitem melhorar a qualidade da solução de GNSS nos aspectos de integridade e precisão, sempre que a antena puder receber os sinais que são transmitidos pelos satélites geoestacionários do referido sistema. Deixando de lado que os referidos sistemas SBAS não foram certificados hoje em dia como seguros de acordo com a definição da CENELEC, é previsto que a combinação de ambas as constelações, GPS e SBAS, melhore sensivelmente as obrigações do receptor GNSS. Entretanto, nem depois de uma eventual certificação das constelações de GNSS e/ou SBAS o receptor de GNSS será por si somente suficiente para conformidade com os níveis de segurança exigidos de um sistema de bloqueio ferroviário. De forma previsível, não se poderá manter um nível de integridade da segurança menor do que 10^-7 por hora e não se poderá garantir uma disponibilidade maior do que de 90 a 95% aproximadamente. Em qualquer caso, sempre haverá zonas de sombras nas quais o receptor de GNSS não poderá proporcionar uma solução íntegra e, às vezes, nem sequer uma solução, devido a ocultações por edifícios, túneis, bosques, montanhas, etc.

Por isso, como foi apontado anteriormente, o processo

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 27/53

21/39 necessita de métodos complementares de assistência para garantir a disponibilidade e a integridade da função de assistência a bloqueio (ambas insuficientes) . O sistema SBAS é altamente vulnerável a obstáculos presentes no terreno ao contar com poucos satélites geoestacionários (tipicamente de 1 a 3).

Quanto ao processamento dos dados, o sistema consiste em um módulo de aquisição de dados e razoabilidade 20 no qual são realizadas as tarefas básicas de processamento de sinal (filtragem e conversão de analógico para digital), e é realizada uma monitoração da razoabilidade das medidas de velocidade e velocidade angular dos sensores de bordo. Neste módulo são observadas as diferenças entre as medidas de velocidade do receptor de GNSS e do odômetro e são verificadas as referidas medidas com respeito a critérios de razoabilidade, contando para isso com uma informação pré-carregada no sistema sobre restrições dinâmicas de trem e via 21. A faixa de valores numéricos que se considera razoável na filtragem é estabelecida a partir da faixa de dinâmicas esperáveis do trem (velocidades, acelerações, etc.), levando-se em conta não apenas as obrigações da locomotiva, mas também os perfis estáticos da via (raios de curvatura, etc.).

Se ambas as velocidades coincidirem dentro de um valor aceitável de discrepância, são decretadas como sendo razoáveis. O valor aceitável de discrepância é ajustado em função da velocidade, já que a precisão de ambos os sensores é muito distinta a baixas e altas velocidades.

Na modalidade preferida, o odômetro é calibrado através de um filtro linear recursivo que reside no módulo

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 28/53

22/39 de navegação e decisão 40. A unidade de bordo de assistência a bloqueio pode estimar de forma contínua o erro constante do odômetro, de modo que quando a cobertura dos satélites for perdida, o erro efetivo da navegação seja muito menor. O filtro matemático recursivo é ativado a partir de uma certa velocidade mínima (por exemplo, 10 km/h) e se e somente se ambas as Vgnss e Vodom forem razoáveis. Desta forma, o erro sistemático do odômetro pode ser estimado com maior precisão.

Como é mostrado na figura 2, a unidade de bordo de assistência a bloqueio inclui um módulo de qualificação 30 da posição GNSS no sentido longitudinal da via, ou módulo de qualificação por posição razoável. Este módulo calcula uma posição razoável do trem, Praz(n), a partir da posição e da velocidade estimadas pelo módulo de navegação e decisão no instante anterior, respectivamente, Pest(n-1) e Vest(n-1) . Se a posição dada pelo receptor de GNSS Pgnssm distar de Praz(n) mais do que uma distância limite de qualificação, a posição PGNSS(n) é declarada errônea. Nesse caso, o módulo de navegação utiliza a posição razoável como melhor estimativa da posição do trem. De acordo com esta modalidade, podem ser detectadas as situações nas quais a posição PGNSS satisfaz ao critério de qualificação por projeção sobre o mapa digital de via 31, mas que é potencialmente errônea.

Por outro lado, como foi indicado anteriormente, nas estações de cruzamento é necessário saber com integridade não apenas o ponto quilométrico, mas, também, a via em que está o trem. Para isso, o sistema da invenção inclui um módulo de detecção de passagem por desvio e de ocupação de via 50. Este módulo permite determinar com integridade a

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 29/53

23/39 localização do trem decidindo entre dois ou mais vias adj acentes.

Quanto aos sensores, este módulo de detecção necessita, além do sensor de GNSS, de um sensor que meça a rotação angular da locomotiva sobre seu eixo vertical. Para maior disponibilidade e confiabilidade, pode ser utilizada, adicionalmente, a medida de velocidade de um odômetro.

Este módulo precisa de um registro prévio de cada desvio da linha em um banco de dados de pontos singulares.

Como mínimo deveriam ser introduzidas no referido banco de dados as coordenadas geo-referenciadas de cada desvio, por exemplo, em um sistema UTM seriam as coordenadas UTMX e UTMY. Para se assegurar a detecção da via efetivamente ocupada em uma faixa ampla de condições dinâmicas, são introduzidos, adicionalmente, a curvatura e o comprimento do desvio. Estes dados são guardados em um banco de dados digital de pontos singulares 51 ao qual o referido módulo tem acesso.

Adicionalmente, o sistema inclui um subsistema de comunicação bidirecional por rádio para envio automático ou por interrogação de diversos dados de interesse (veja a figura 10), incluindo a posição quanto a um ponto quilométrico Pk do referido trem e o estado de ocupação da via TS, para o centro de controle de tráfego centralizado

CTC 100.

Este sistema de comunicação bidirecional inclui um módulo de codificação e encriptação 71, assim como um módulo de recepção / transmissão por rádio 72.

A Figura 3 mostra a implementação do conceito exposto 30 anteriormente na figura 2. O sistema de bordo conta com um

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 30/53

24/39 receptor global de navegação por satélite GNSS 11, com a antena correspondente 110 para a recepção dos sinais proporcionados pelo sistema de GNSS 300 (veja a figura 1). De modo similar conta com um receptor / transmissor de rádio 15, também com sua antena correspondente 150 para a recepção de sinais de rádio.

O processamento dos algoritmos mencionados anteriormente e descritos na figura 2 é efetuado nas unidades de processamento central. As medidas do odômetro e dos sensores inerciais são interpretadas, verificadas e usadas nas unidades de processamento central. Para facilitar a detecção rápida de erros, os elementos de interface e os sensores inerciais estão em redundância (sistema primário e do sistema de monitoração). O projeto proposto assegura um máximo de independência entre ambos os sistemas e minimiza o cabeamento. A velocidade do trem de acordo com o odômetro é obtida a partir dos pulsos TTL e de um módulo implementado em software que relaciona o número de pulsos recebidos por unidade de tempo com a velocidade teórica do trem. Claramente, esta velocidade derivada do odômetro está sujeita a erros de deslizamento e de desgaste da roda.

A unidade de bordo tem interfaces externas com um odômetro do trem 14 e com uma fonte de alimentação 140 que alimenta a fonte de alimentação 130 da unidade de bordo. O odômetro é um sensor que mede revoluções de roda por unidade de tempo e é utilizado para informar a velocidade do trem ao maquinista. O elemento de hardware de interface com o odômetro consiste em três elementos principais: um circuito de filtros analógicos para a filtragem do ruído do

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 31/53

25/39 sinal do odômetro, um circuito de adequação de impedâncias e um dispositivo opto-isolado que transforma o sinal filtrado do odômetro em pulsos digitais (tipicamente níveis de TTL). Cada revolução da roda do trem na qual se instalou o odômetro provoca um certo número de pulsos, dependendo do tipo de instalação. Tipicamente, será gerado um pulso por cada revolução de uma roda da unidade tratora.

A unidade de bordo tem as interfaces internas identificadas na figura 3. O elemento que é encarregado da aquisição dos sensores inerciais tem a função principal de transformar os dados brutos do sensor em dados em formato digital, de maneira que possam ser interpretados na CPU. Se forem requeridas filtrações de passa baixa, por exemplo, serão realizadas por hardware neste elemento de interface ou por software na CPU. Se os sensores inerciais tiverem uma saída digital, poderão ser conectados diretamente a portas de entrada da unidade de processamento com o que a função de entrada / saída I/O residiria na CPU.

A unidade de processamento CPU 16 foi tornada redundante (redundante 16') para se poderem detectar falhas (no módulo de detecção e identificação de falhas 60, veja a figura 2) de processamento em alguma das CPU e/ou falhas dos sensores de velocidade angular, e/ou falhas das interfaces de I/O dos giroscópios e do odômetro. Estas falhas podem ser devido a um hardware ou a problemas não deterministas originados pela execução do software em tempo real. Note que ambas as CPU utilizam o mesmo receptor de GNSS, mas elementos distintos de interface com o odômetro e os giroscópios.

Como foi indicado anteriormente, também foram tornados

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 32/53

26/39 redundantes os sensores de medida de rotação angular, já que são a base para a detecção das mudanças de via: giroscópio 12 (redundante 12').

Note que são monitoradas em tempo real as diferenças 5 entre o sistema primário e o de monitoração. De concreto, são revisados os valores de uma série de variáveis essenciais (isto é, posição de GNSS, velocidade de GNSS, velocidade de odômetro, velocidade angular, tempo e estado da ocupação da via).

Se a CPU principal detectar que o resultado de seus cômputos não coincide com o resultado dos cômputos da CPU do sistema paralelo de monitoração, a CPU principal informará o problema o CTC através do enlace de rádio, pondo-se um código específico no campo DVC de validade dos dados (veja a figura 10). O código permitirá identificar a que nível foi produzido o erro, para se facilitar uma rápida reação de manutenção. De forma similar, se a CPU de monitoração detectar que seu parecer não coincide de forma qualitativa com o parecer da CPU principal, será declarado um erro de comparação entre ambos os sistemas e, nesse caso, será enviada uma mensagem de advertência ao CTC, fazendo-se uso da interface paralela com o rádio de bordo. No caso de coincidência qualitativa, a CPU de monitoração não enviará uma mensagem ao CTC.

Uma vez estimada a posição do trem e o estado de ocupação da via, ou detectada sua indeterminação, a informação relevante é transmitida via rádio para o CTC. O equipamento de rádio de bordo pode mandar a informação de forma autônoma para o CTC e/ou por interrogação. Quer dizer, o envio de informação trem - CTC pode ser efetuado

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 33/53

27/39 com uma ou combinações de estas três opções: 1) com uma cadência temporal regular configurável pelo usuário (por exemplo, um informe a cada 2 minutos), e/ou 2) por interrogação com demanda do CTC, e/ou 3) por ultrapassagem de um ponto singular (por exemplo, entrada de um novo trecho de via).

O sistema é bidirecional, permitindo a transmissão trem - CTC e CTC - trem pelo canal de rádio.

Em relação ao sistema de telecomunicações utilizado na modalidade preferida, usa-se o sistema GSM, por ter menores custos de exploração, sem por isso reduzir-se o nível de segurança. A latência típica de GSM é de uns segundos, embora possa chegar a ser de diversos minutos. Este atraso seria inaceitável para um sistema com requisitos de funcionamento em tempo real. Por isso, o sistema deve utilizar um serviço de telefonia por rádio que garanta tempos de latência admissíveis para o operador. Este serviço de telefonia por rádio de altas obrigações é comercial e é utilizado já em algumas linhas férreas.

0 Não obstante, o sistema pode ser adaptado ao uso de outros canais de comunicações.

Para se garantir o serviço em zonas sem cobertura da rede de comunicações (por exemplo, GSM) atua-se da maneira a seguir. Posto que a disponibilidade do sistema de bloqueio deve ser total nas imediações dos cruzamentos de trens com mudanças de via (estações de cruzamento, etc.), são identificados aqueles pontos de cruzamento que não dispõem de cobertura. Os referidos pontos singulares sem cobertura são equipados com equipamentos fixos de rádio compatíveis para que, através de uma interface com a linha

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 34/53

28/39 telefônica convencional se estabeleça uma conexão com o CTC. Tudo isso de forma automática. O conteúdo do pacote, assim como sua encriptação, é idêntico ao utilizado para a transmissão aberta. Em qualquer caso, o trem deverá permanecer na via em que se encontrar até receber a permissão de movimento da autoridade de circulação.

Com o objetivo de se garantir a integridade dos dados durante a transmissão trem - CTC e CTC - trem, foi projetado um protocolo de comunicações robusto a interferências e a outros erros de transmissão. Todas as mensagens de comunicações incluem uma verificação por redundância cíclica (CRC) e estão encriptadas para se evitarem usos fraudulentos. O sistema envia, como é mostrado na figura 10, por esta ordem: identificador do veículo através da inscrição do mesmo VID, número de mensagem NUM, número da CPU (a primária ou a de monitoração), hora da medida HH-MM-SS, código para a identificação da rota ou do trajeto do trem RT, ponto quilométrico em que se encontra o trem Pk, módulo da velocidade SP, sentido do movimento WM, indicador de controle de validade de dados DVC, e um controle de redundância cíclica CRC de 32 bits. Opcionalmente, podem ser definidos protocolos similares para funções de manutenção.

Com este protocolo se asseguram a integridade, a autenticidade e a seqüência da mensagem, tal como exigido pela norma 03.432.806.1 sobre exploração e segurança de bloqueios para a Sub-rede de tipo B e C utilizando sistemas de transmissão abertos via rádio.

0 A mensagem deve ser encriptada, tal como exige a

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 35/53

29/39 citada norma ferroviária e a norma européia correspondente (EN 50159-2 do CENELEC).

Os equipamentos de bordo contam com testes integrados (Testes Integrados) que comprovam que o hardware e o software estão sendo executados em tempo real de forma correta.

Como é mostrado na figura 4, o equipamento de aquisição e processamento de dados situado no centro de controle de tráfego centralizado CTC 100 consiste essencialmente em um equipamento de rádio de buffer múltiplo 101 conectado a uma antena 102, um equipamento de processamento 103 e uma interface gráfica ou tela de visualização 104, além de um console de operação 105 e uma fonte de alimentação 106. A fonte de alimentação 106 é conectada a um sistema externo de alimentação ininterrupta (SAI). Opcionalmente, o CTC inclui um equipamento de GPS de modelo igual de referência ao de bordo, para a sincronização dos tempos.

O equipamento de aquisição e processamento de dados no

CTC mantém a garantia de integridade iniciada no equipamento de bordo e mantida por sua vez pelo enlace de rádio através do protocolo de comunicações. Esta característica é indispensável para uma aplicação de segurança crítica. Como na unidade de bordo, os equipamentos no CTC contam, por sua vez, com testes integrados que comprovam que o hardware e o software estão se comportando em tempo real da forma esperada. Os equipamentos no CTC podem ser redundantes (duplicar-se ou triplicar-se) de forma similar à unidade de bordo, se o operador exigir maior nível de disponibilidade e

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 36/53

30/39 confiabilidade .

A informação que a unidade de bordo de assistência a bloqueio envia é desencriptada e decodificada no CTC. Em seguida, o sistema de assistência a bloqueio no CTC (SAB) representa de forma gráfica a localização dos trens e o estado de ocupação dos ramais monitorados em uma tela de visualização de dados 104 que, junto com o console 105, conforma a interface homem-máquina (MMI). Isso permite ao responsável do CTC monitorar o tráfego, e atribuir a ocupação de ramais de forma remota, sem a necessidade de contatar um chefe de estação destacado in situ, como ocorre até hoje em linhas de baixa densidade. Uma outra informação, tal como a velocidade, pode ser adicionada na tela.

Nos casos operativos nos quais o retardo do sistema de telecomunicações é excessivo, ou nos quais não foi recebido um informe de um trem no prazo previsto, o software do SAB no CTC pode ser configurado de maneira que se antecipe à mensagem de rádio para decretar como ocupação de via indeterminada aquela de um ramal contíguo a outro ocupado e que, segundo modelos cinemáticos deterministas baseados na posição e na velocidade estimadas anteriormente, e perfis estáticos de velocidade, e uma medida de tempo sincronizada, permita prever que foi ou pode ser ocupado em um prazo muito curto. Isso permite ao responsável do CTC gerenciar o tráfego com maior informação e precaução e evitar problemas devido a pequenas latências no sistema de comunicações. Por exemplo, ao chegar um trem a uma estação de cruzamento, o ramal seguinte, caso livre, poderia ser marcado como indeterminado, já que previsivelmente será

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 37/53

31/39 ocupado em curto prazo pelo referido trem. Se, depois de haver dado passagem a um referido trem, um trem em sentido contrário solicita a entrada no referido ramal marcado ainda como indeterminado pela latência da comunicação, o responsável pela circulação saberá que este ramal foi ou pode ser ocupado muito em breve pelo primeiro trem, e não dará permissão ao segundo trem.

A infra-estrutura mais básica no CTC suporta a monitoração de até seis trens simultaneamente, com pelo menos doze estações de cruzamento.

Na tela da interface homem-máquina é mostrada a informação necessária e suficiente para se permitir ao responsável gerenciar a linha de forma segura. A interface gráfica no CTC cumpre as normas do operador ferroviário. A informação principal que esta interface gráfica oferece é o estado livre / ocupado / indeterminado dos ramais de via, estações e plataformas, a localização dos trens e uma identificação inequívoca dos mesmos com o código de inscrição. A localização do trem é indicada com o ponto quilométrico em que se encontrar o trem.

Em caso de conflito, por exemplo, em que o SAB detecte a presença de mais de um trem no mesmo ramal, o sistema emite um sinal de aviso audível e identifica na tela o ramal e os trens afetados.

O tempo de latência máxima desde a chegada de uma mensagem ao CTC até a apresentação da informação na tela da MMI, no pior caso (6 mensagens simultâneas e um rádio), deve ser menor do que 1 segundo.

O console 105 é do tipo PC, e os comandos não reconhecidos são rejeitados.

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 38/53

32/39

De momento, apenas é contemplado um comando do CTC até a unidade de bordo: o estabelecimento da configuração quanto à transmissão da comunicação trem - CTC. Esta pode ser fixada como a) um modo periódico e/ou como b) um modo por ultrapassagem de pontos singulares. No primeiro modo, são transmitidas mensagens periodicamente, no segundo somente são emitidas mensagens quando se ultrapassam pontos importantes para o gerenciamento do tráfego (por exemplo, desvios). Em qualquer caso, o controlador de tráfego pode a qualquer momento solicitar a um trem que emita seu informe (funcionamento por interrogação).

Na figura 9 é mostrada, a título de exemplo, uma seqüência (seq) na qual os trens ID 2275 e ID 0034 se aproximam de duas estações colaterais com ramais desocupados (seq. 1). Em seguida, na entrada de cada estação, são ocupados os ramais pertinentes (seq. 2) ; é outorgada prioridade a um dos trens, de concreto o identificado como ID 2275, para ocupação do trecho de via comum entre ambas as estações. Assim, o responsável pelo

CTC comunica a permissão de movimento a um referido ID 2275, que ocupa o trecho de via comum (seq. 3), enquanto que ao ID 0034 comunica que deve permanecer na espera. O ID 2275 entra, em seguida (seq. 4) na estação seguinte, naquela em que se encontra esperando o ID 0034, ocupando o ramal livre da referida estação, e desocupa o trecho comum entre estações, pelo que o ID 0034 já pode seguir. Ambos os trens ID 2275, ID 0034 estão preparados para a ocupação do trecho seguinte de via, em cada caso desocupado (seq. 5). Por último, o ID 0034 ocupa o trecho de via comum entre estações colaterais, enquanto o ID 2275 se afasta da

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 39/53

33/39 estação ocupando um ramal desocupado (seq. 6).

A visualização no centro CTC seria substancialmente igual à indicada nesta figura 9, mas com a diferença de que cada nova fileira da figura não corresponderia a um momento da seqüência e sim a estações distintas e trens.

Critério de quantificação por projeção sobre o mapa digital da via

Na figura 5 é mostrada graficamente a posição em duas dimensões fixadas pelo receptor de GNSS, Pgnss, e sua projeção Pproy sobre o mapa digital da via. A distância entre estes dois pontos é definida como a distância d1. Os pontos de cor preta representam o mapa digital da via, e as linhas que delimitam de forma superior e inferior a zona hachurada representam os limites fixados como aceitáveis pelo critério de qualificação; a zona hachurada representa a área de aceitação. Nesta figura, é mostrada também a posição real Preal do trem.

A distância d1 é comparada com a distância máxima dada pelo critério de qualificação. Se a distância d1 for inferir ou igual à referida distância máxima, esta posição será qualificada como aceitável. Inversamente, se a distância d1 for superior à distância máxima do critério de qualificação, esta posição será qualificada como não aceitável.

Com este critério de qualificação podem ser detectadas as discrepâncias importantes de posição que podem ocorrer entre a posição estimada pelo receptor de GNSS e a posição real do veículo. Se a posição for declarada não aceitável, esta não será utilizada e o filtro de navegação e decisão a jusante estimará uma posição razoável a partir da leitura

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 40/53

34/39 do odômetro e do traçado da via.

A qualificação por projeção é realizada para cada nova solução de GNSS e, tipicamente, é efetuada uma vez por segundo.

Este módulo permite aumentar a integridade do sistema de bloqueio. De concreto, protege contra falhas do receptor de constelação de GNSS, ou simplesmente com respeito a situações nas quais a precisão da solução de GNSS é inferior à desejada.

Como segurança adicional, o sistema de bordo de assistência a bloqueio emite uma mensagem explícita de precaução para o CTC, no caso de muitas medidas de GNSS serem rejeitadas, já que se a situação se prolongasse a segurança do serviço poderia ser comprometida. Esta situação poderia indicar um problema relacionado ao receptor de GNSS ou à instalação.

Método de qualificação por posição razoável

Na figura 6 é mostrado graficamente o conceito da qualificação da posição no sentido longitudinal da via com o método da posição razoável. Os pontos de cor preta representam o mapa digital da via; o círculo que delimita a zona hachurada representa o limite fixado como aceitável por este critério de qualificação, e a referida zona hachurada representa a área de aceitação. O ponto Pest(n-1) representa a última posição estimada pelo filtro de navegação e decisão; o ponto Pproy(n) representa a posição real dada pelo receptor de GNSS projetada sobre o mapa digital da via e, por último, o ponto Praz(n) representa a posição considerada como razoável para o instante atual. A posição razoável Praz(n) é calculada a partir da propagação

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 41/53

35/39 da última posição Pest(n-i) estimada pelo filtro de navegação e decisão, levando-se em conta a velocidade estimada e verificada para este intervalo.

A distância entre Praz(n) e Pproy(n), que é definida como 5 a distância d2, é comparada com uma distância máxima dada por um novo critério de qualificação. Se a distância d2 for inferior ou igual à referida distância máxima, esta posição será qualificada como aceitável. Se, ao contrário, esta distância d2 for superior ao critério de qualificação, esta posição não se qualificará como aceitável. O critério de qualificação deve ser suficientemente severo para detectar prematuramente erros excessivos no eixo longitudinal da via e suficientemente amplo para aceitar pequenos erros dentro das obrigações do sistema.

Note que com este critério são detectados erros de posição, que satisfazem ao critério de qualificação de projeção sobre o mapa digital de via, mas que são pouco razoáveis no sentido longitudinal da via e potencialmente errôneos.

O problema da indeterminação da ocupação de via

Nas estações de cruzamento, as vias adjacentes podem estar separadas por tão pouco quanto 2 metros. As soluções baseadas unicamente em GNSS não podem determinar a via efetivamente ocupada, e estão, portanto, sujeitas a uma indeterminação. Por isso, foi implantado um módulo específico para a detecção da ocupação da via. Este pressão pode ditar em que via se encontra um veículo com altíssima disponibilidade e integridade ou, em seu caso, decretar a incapacidade do sistema de determiná-lo com a integridade requerida.

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 42/53

36/39

Na figura 7 é representado graficamente o problema da indeterminação da ocupação de via em que se incorre, caso não se disponha de um método de detecção de ocupação de via. As linhas contínuas representam as vias e os pontos representam posições diferentes de trem dadas pelo receptor de GNSS; d1 e d2 representam as distâncias mínimas de dois trechos de via adjacentes para uma mesma posição. Foram representados dois cenários de grande importância para um sistema de bloqueio ferroviário. O primeiro cenário corresponde à posição A e o segundo cenário à posição B.

O cenário a representa um trem em um ambiente próximo a um desvio. A posição que fixa o receptor GNSS, a posição A, induz a uma indeterminação. Não é possível assegurar que o veículo entrou ou não no desvio, e que caminho seguiu, porque as distâncias d1 e d2 estão dentro da faixa da precisão do sistema de GNSS. Por isso, há que definir um método independente que assegure em um ambiente tão reduzido como é um desvio a posição do veículo.

O cenário B representa o ambiente de via dupla. De modo igual ao cenário A, a posição fixada pelo receptor de GNSS, a posição B, induz a uma indeterminação. Não é possível assegurar que o veículo se encontra em uma ou na outra via do trecho de via dupla, porque as distâncias d1 e d2 não são suficientemente significativas para a definição de um critério que assegure em um ambiente tão reduzido como a separação entre vias a posição do veículo. Esta indeterminação, de modo igual ao caso anterior, porta um risco inaceitável para um sistema de bloqueio ferroviário por tratar-se de um sistema que afeta a segurança de pessoas e bens materiais.

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 43/53

37/39

Método de detecção de passagem por desvio e de ocupação de via

Foi projetado um método específico com o objetivo de detectar sem ambigüidade a via na qual está situado o

5 veículo. Na figura	8 é mostrado graficamente	o conceito	de
funcionamento.
O módulo de	detecção de passagem por	desvio e	de
ocupação de via	faz parte do sistema	de bordo	de

assistência a bloqueio. O objetivo do módulo é determinar com segurança a ocupação da via em situações em que o trem pode tomar mais de um caminho, por exemplo, em estações de cruzamento. Este módulo é necessário para a complementação da solução de localização, já que os sensores de GNSS não garantem a precisão necessária com um nível suficiente de confiança. Em definitivo, o módulo produz um aumento da integridade do sistema de bloqueio em cenários de cruzamento.

Este módulo, constituído por elementos de hardware e software, detecta a passagem do veículo por um desvio e resolve a rota seguida por este com alto nível de integridade. Esta vantagem é conseguida através da detecção segura de um giro sustentado da locomotiva durante a tomada do desvio e o giro esperável da locomotiva durante a saída do desvio e a entrada na nova via. O sentido esperado do giro é uma informação de que se dispõe a priori e é introduzida no banco de dados de pontos singulares, para contraste do sentido do giro detectado com o giro esperado.

Adicionalmente, pode-se usar um acelerômetro para a detecção do choque e da aceleração lateral característica que se produzem no veículo durante um desvio ao passar

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 44/53

38/39 através do desvio de agulhas. Para a detecção destes fenômenos são utilizadas as medidas inerciais aportadas pelo giroscópio (12) e, opcionalmente, as aportadas por um acelerômetro (não indicado na figura).

Como foi indicado anteriormente, estes elementos de medida de giro e aceleração encontram-se em redundância para a detecção de inconsistências originadas por falhas de hardware, como medida adicional de segurança. Se for desejado, os sensores inerciais podem ser usados em triplicata, para assim se garantir a continuidade do serviço em caso de avaria de um dos referidos sensores, permitindo-se um tráfego seguro até a próxima estação de manutenção.

Em casos de desvio em que o trem ao entrar em um desvio pode optar por tomar vias distintas adjacentes de saída, o sistema utiliza a leitura do odômetro para determinar a distância percorrida durante o desvio e resolver a ocupação de via sem ambigüidade.

Quando o veículo 1 se encontra afastado de um desvio, o módulo de detecção de passagem por desvio e ocupação de via se encontra em um estado de espera (fase de Espera). Com antecipação suficiente, quando o veículo se aproxima de um desvio, é ativado o módulo de detecção (fase de Ativação). É definida uma zona de ativação (como uma circunferência centralizada nas coordenadas UTMX e UTMY do desvio de raio pelo menos seis vezes o pior erro médio quadrático esperável nessa zona), dentro da qual o módulo se encontra ativo (indicada na figura 8 pelo círculo de raio maior). É necessário, portanto, dispor a bordo da posição dos desvios no banco de dados 51. A antecipação com

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 45/53

39/39 a qual se ativa o módulo de detecção é suficiente para se evitar a situação na qual o trem passa efetivamente por um desvio e o módulo se encontra em espera. Isso poderia ocorrer por problemas de precisão na determinação da posição do veículo.

Uma vez ativado o módulo, os computadores 16 e 16' do sistema de bordo adquirem as medidas procedentes dos giroscópios e de acelerômetros, se houver disponibilidade deles. Isto é realizado de forma independente, por um lado, com um conjunto primário de equipamentos, processador e sensores inerciais e, por outro lado, com um conjunto de equipamentos de redundância de monitoração para melhoria da

integridade	da	detecção.	Quando o	veículo passa
efetivamente	pelo	desvio (fase	de Detecção)	e	ocupa uma via
15 (Caso A: a	rota	contínua ou	Caso B: rota	desviada), o

módulo emite um parecer em que se informa a via ocupada. Caso não se possa afirmá-lo com a segurança suficiente, o módulo informa uma indeterminação. Esta informação é transmitida a um CTC para bloqueio do ramal de via correspondente ou para marcar o estado como indeterminado nos ramais.

Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 46/53

1/7

Claims (14)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Sistema de bloqueio de circulação de trens (1) em uma via de uma linha férrea, compreendendo:

   - uma unidade de bordo de assistência ao bloqueio 5 (10), uma em cada locomotiva do trem, que por sua vez inclui : - um receptor global de navegação por satélite

   (GNSS) (11) que proporciona medidas geo-referenciadas de posição PGNSS e/ou velocidade VGNSS do referido trem para

   10 cada período de tempo Tgnss,

   - um grupo de sensores (12) e meios de conexão com um odômetro (14) que proporcionam medidas de velocidade angular Wz do eixo vertical da locomotiva (2) do referido trem e de velocidade VODOM do referido trem,

   15 - um subsistema de comunicação bidirecional (15,

   150) por rádio para envio de dados para um centro de controle de tráfego centralizado CTC (100); o referido sistema compreendendo no centro de controle de tráfego centralizado CTC (100):

   20 - meios de comunicação bidirecional por rádio (101, 102) para recepção de dados a partir da unidade de bordo de assistência ao bloqueio (10), e

   - um equipamento de aquisição, processamento e visualização de dados (103, 104, 105);

   25 o sistema é caracterizado pelo fato de que ainda compreende:

   - um módulo de aquisição de dados e razoabilidade (20), configurado para receber as referidas medidas de velocidade VGNSS e VODOM, e para checar as referidas medidas

   30 com respeito a critérios pré-estabelecidos de

   Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 47/53
2. 2/7 razoabilidade, de modo que em resposta ambas velocidades coincidirem dentro de um valor de discrepância préestabelecido, esse módulo de aquisição de dados e razoabilidade (20) decide que eles são razoáveis,

   5 - um módulo de qualificação com segurança (30) da medida de posição PGNSS, com base em um banco de dados digital da referida via (31) e configurado para proporcionar uma projeção da posição do trem sobre a via PProy qualificada em segurança e determinar se a referida

   10 Pproy é aceitável,

   - um módulo de navegação e decisão (40) configurado para receber a referida medida de posição PProy qualificada em segurança, e/ou as medidas disponíveis razoáveis de velocidade VGNSS e/ou VODOM, ambas checadas pelo módulo de

   15 aquisição de dados e razoabilidade, e para determinar a localização estimada do referido trem Pest e sua localização quanto a um ponto quilométrico PK e sua velocidade estimada Vest,

   - um módulo de detecção de passagem por desvio e de

   20 ocupação da via (50), configurado para receber a referida medida de posição Pest e de velocidade angular Wz, checada pelo módulo de aquisição de dados e razoabilidade, e configurado para determinar a partir de um banco de dados digital da via com os pontos singulares de desvio (51) o

   25 estado do trem quanto à ocupação da via TS, e em que o subsistema de comunicação bidirecional (15,

   150) da unidade de bordo de assistência ao bloqueio (10) é disposto para enviar de pelo menos a posição Pk do referido trem e o estado de ocupação da via TS para um centro de

   30 controle de tráfego centralizado CTC (100), em que a

   Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 48/53
3. 3/7 referida posição Pk do referido trem e do estado de ocupação da via TS são recebidos pelos meios de comunicação bidirecional por rádio (101, 102), e em que o equipamento de aquisição, processamento e 5 visualização de dados (103, 104, 105) é configurado para a extração pelo menos da posição Pk e do estado de ocupação da via TS para o referido trem, e para representar de forma gráfica o estado de ocupação dos trechos de via da linha em uma tela de visualização de dados (104).

   10 2. Sistema de bloqueio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a referida unidade de bordo de assistência a bloqueio ainda incluir, no referido módulo de qualificação da posição PGNSS, um módulo de qualificação baseado na posição razoável Praz(n) do

   15 trem, calculada a partir da propagação da última posição Pest(n-1) estimada pelo filtro de navegação e decisão, levando em conta a velocidade que é estimada e verificada para este intervalo.

   3. Sistema de bloqueio, de acordo com qualquer uma

   20 das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a unidade de bordo de assistência a bloqueio (10) ainda incluir, no módulo de navegação e decisão, meios de calibração da velocidade do odômetro através de um filtro matemático linear recursivo que observa a diferença entre o

   25 valor de velocidade VGNSS proporcionado pelo receptor global de navegação por satélite (GNSS) e o valor de velocidade VODOM proporcionado pelo odômetro (14).
4. 4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a unidade

   30 de bordo de assistência a bloqueio incluir pelo menos um

   Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 49/53

   4/7 acelerômetro para checar a passagem por um desvio através da medição do impacto que é produzido na mudança de via e/ou na aceleração lateral.
5. 5. Sistema, de acordo com qualquer uma das 5 reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de os referidos critérios pré-estabelecidos de razoabilidade estarem baseados em restrições dinâmicas de via e trem.
6. 6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a unidade

   10 de bordo de assistência ao bloqueio incluir um módulo de codificação e encriptação (71).
7. 7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de alguns ou todos os elementos de hardware da unidade de bordo serem

   15 redundantes (duplicados ou triplicados).
8. 8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de os meios do centro de controle de tráfego centralizado CTC (100) serem redundantes (duplicados ou triplicados).

   20
9. 9. Método de bloqueio de circulação de trens (1) em uma via de uma linha férrea, caracterizado pelo fato de compreender:

   - adquirir medidas de posição PGNSS e/ou velocidade VGNSS do referido trem para cada período de tempo TGNSS,

   25 - adquirir medidas de velocidade VODOM do referido trem e de velocidade angular do eixo vertical da locomotiva Wz,

   - comparar as referidas medidas de velocidade VODOM do referido trem e de velocidade angular Wz com as medidas de velocidade VGNSS, e checar todas as medidas com respeito

   30 a critérios pré-estabelecidos de razoabilidade, tal que se

   Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 50/53

   5/7 ambas as velocidades coincidirem dentro de uma discrepância pré-estabelecida, é decidido que elas são razoáveis,

   - qualificar em segurança as referidas medidas de posição PGNSS com base em um banco de dados digital da via

   5 (31) , e proporcionar medidas de posição do trem PProy projetada sobre o mapa digital da via, e determinar se a referida Pproy é aceitável,

   - determinar a partir da referida medida de posição PProy qualificada em segurança e/ou das medidas disponíveis
10. 10 de velocidade Vgnss e/ou Vodom, ambas checadas pelo módulo de aquisição de dados e razoabilidade, a localização estimada do referido trem Pest e sua localização quanto a um ponto quilométrico Pk e sua velocidade estimada Vest,

    - detectar a passagem por desvio e a ocupação de

    15 via em zonas com mais de uma via adjacente, com base nas referidas medidas de posição Pest e de velocidade Vest e na velocidade angular Wz já checada, e de um banco de dados digital com os pontos singulares ou desvios da via (51), e proporcionar uma informação sobre o estado de ocupação da

    20 via TS,

    - transmitir, periodicamente e/ou na passagem de pontos singulares, pelo menos as referidas estimativas seguras de posição Pk e o estado de ocupação da via TS para um centro de controle de tráfego centralizado CTC (100),

    25 usando um protocolo que permita uma comunicação bidirecional (72) , e no referido centro de controle de tráfego centralizado CTC (100) :

    - extrair a posição Pk do referido trem e o estado 30 de ocupação da via TS para o referido trem, e representar

    Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 51/53

    6/7 de forma gráfica o estado mais recente das vias monitoradas em uma tela de visualização de dados.

    10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender

    5 estimar a partir da referida medida de posição Pgnss e de Vest a localização provável ou estimada do referido trem Pest e seu ponto quilométrico Pk, levando em conta o parecer do módulo de qualificação em segurança (30) da posição Pgnss através da projeção que proporciona uma projeção da posição

    10 qualificada em segurança Pproy do trem na via e um modo de qualificação através da posição razoável Praz(n), entendendose que, se Pgnss não cumprir com um dos critérios do referido módulo, a posição estimada no instante anterior Pest(n-1) será utilizada como ponto de partida no lugar de

    15 Pgnss .
11. 11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de, quando Pproy não estiver disponível, a posição estimada no instante anterior Pest(n-1) é utilizada.

    20
12. 12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender:

    - realizar uma filtragem linear recursiva para estimar os erros sistemáticos para as medidas do odômetro

    25 (desvio) e corrigir a VODOM através da subtração dos referidos erros estimados,

    - determinar, a partir de Vgnss e/ou da referida Vodom corrigida, uma velocidade do trem Vest através de meios de filtragem de ambas as medidas.

    30
13. 13. Método, de acordo com qualquer uma das

    Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 52/53

    7/7 reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de Vest para cada período de tempo ser uma média de Vgnss e/ou Vodom, uma vez que os erros sistemáticos do odômetro tenham sido subtraídos de Vodom através de meios de filtragem linear

    5 recursiva.
14. 14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de a informação transmitida ao centro de controle de tráfego centralizado CTC (100) ser codificada e encriptada.

    Petição 870170091626, de 27/11/2017, pág. 53/53