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CONINFRA 2012 – 6º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2012 - 6º TRANSPORTATION

INFRASTRUCTURE CONFERENCE) April 2nd to 4th 2012

São Paulo – Brasil

06-201

ISSN 1983-3903

CONINFRA 2012 – 6º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2012 - 6º TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONFERENCE)

April 2nd to 4th 2012 São Paulo - Brasil

VAGÕES AUTÔMATOS, UMA SOLUÇÃO PARA AUMENTO DA PRODUTIVIDADE FERROVIÁRIA NO TRANSPORTE DE MÚLTIPLAS

CARGAS AUTOMATON WAGONS, A SOLUTION TO INCREASE PRODUCTIVITY IN

RAIL TRANSPORTATION OF MULTIPLE LOADS

1 Mestre, MOOC P&D Ltda., Ribeirão Preto - SP, Brasil e [email protected]. 2 Prof. Dr., EESC-USP, São Carlos - SP, Brasil, [email protected]. 3 Eng. Mec. Escola Politécnica da USP, SUEN Computadores, Ribeirão Preto - SP, Brasil e [email protected]..

RESUMO Este artigo é um resumo dos argumentos em defesa da automação ferroviária contidos no Plano de Negócio e no projeto de pesquisa apresentado à FAPESP na categoria PIPE I, com o título “Automação ferroviária por meio do uso de vagões autônomos robotizados”. As perdas econômicas com as ferroviárias que disputam cargas heterogêneas são de grande monta. Os retornos são inversamente correlacionados ao mix de carga. O problema das ferrovias não é de custo, mas sim de valor, porque os custos ferroviários são inalcançáveis pelo transporte rodoviário. O baixo valor do serviço ferroviário se deve à lentidão, às barreiras de acesso e à especificidade dos tipos de vagões. Estes atributos afastam os consumidores do transporte das ferrovias. O baixo custo ferroviário se deve em grande parte aos materiais empregados e não à forma de organizar os ativos em comboios. A mensuração da produtividade indica que o vagão ferroviário, nas piores ferrovias, não chegam à velocidade de 1 km/h, ou 720 km por mês. A principal causa da baixa velocidade média pode ser atribuída ao tráfego em composições, por que em cada nó da rede de distribuição é necessário reorganizar os comboios. Uma avaliação preliminar indica que, quando se compara o investimento por vagão, o investimento em motorização de vagões pode ser inferior ao uso de locomotivas. A hipótese em teste na pesquisa é que uso de vagões autônomos robotizados pode oferecer um serviço ferroviário mais rápido, mais eficiente, de baixo custo, de baixo investimento e de maior valor para os usuários de transporte de cargas variadas. O paradigma de automação é uma adaptação de vários modelos, tais como o Kiva Systems. Simulações indicam que, na eliminação de 50% da ociosidade, a produtividade se multiplicaria, a qualidade se aproximaria do transporte rodoviário e a atividade voltaria a ser rentável, com lucro residual positivo. PALAVRAS-CHAVE: automação de ferrovia, vagão autômato, vagão robótico.

SÉRGIO P. TORGGLER1

MARCELO SEIDO NAGANO2

KEMEN SANDER SUEN3




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ABSTRACT

This article is a summary of the arguments in defense of railway automation contained in the

business plan and research project submitted to FAPESP PIPE in category I, entitled "Automation

railway through the use of autonomous robotic cars." Economic losses to the railway vying

heterogeneous loads are of major consequence. The returns are inversely correlated to the mix of

cargo. The problem of the railways is not the cost but the value, because rail costs are unreachable

by road. The low value of the rail service is due to the slowness, the barriers of access and specific

types of cars. These attributes remove consumers away from railroad transportation. The low cost

rail is in large part due to the materials used and not to the way to organize assets in convoys.

Measuring productivity indicates that the rail car, in the worst railways, do not reach the speed of 1

km / h or 720 km per month. A main cause of the low average speed can be attributed to traffic

compositions, because each node in the distribution network is necessary to reorganize the convoy.

A preliminary assessment indicates that investment in powering cars may be lower than the less

investment in locomotives, when comparing the investment per wagon. The hypothesis being tested

in the survey is that the rail service using autonomous robotic cars can be faster, more efficient,

inexpensive and requires less investment and offers a higher value for the users of transport of

various loads. The paradigm of automation is an adaptation of various models, such as Kiva

Systems. Simulations indicate that the elimination of 50% of idleness, would multiply the

productivity, match the road transport quality and turn the activity profitable with positive EVA.

KEY WORDS: robotic wagon, railroad automation, automatic wagon




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INTRODUÇÃO

Apresentam-se neste artigo os argumentos em defesa da automação ferroviária com base no uso de unidades autônomas acompanhado da descrição do modelo, das soluções e das modificações propostas ao modelo ferroviário, mais algumas análises de viabilidade econômica com base em ganho de produtividade e investimento alvo. Trata-se do resumo de projeto de pesquisa apresentado à FAPESP.

A argumentação inicia-se com uma revisão sobre o desempenho do setor ferroviário, ressaltando que os problemas são expressivos e antigos e que a perda de riqueza é da ordem de bilhões de reais ao ano quando medida pelo Lucro Operacional Residual (LOR~EVA) para apenas duas ferrovias brasileiras (América Latina Logistica - ALL e Ferrovia Centro Atlântica - FCA).

Segue-se com um estudo das variáveis físicas e financeiras demonstra que o tráfego em comboios é impróprio para prestar serviço de transporte de cargas ferroviárias heterogêneas em tipos. Destacam-se, como informações relevantes, a mensuração da ineficiência e a indicação de suas causas.

Adicionou-se, então, uma revisão da história da ferrovia, direcionada a evidenciar: (a) os determinantes históricos que provocaram a consolidação do modelo ferroviário em comboios; (b) apresentar a evolução do estado da arte na busca de um serviço ferroviário mais rápido, fracionado e ágil; (c) estabelecer que, o baixo custo ferroviário depende mais dos materiais empregados do que o uso de comboios.

Em seguida, apresenta-se o modelo operacional desejado, com as metas de desempenho esperadas para se oferecer um serviço de valor mais alto ao usuário de transporte de cargas. Apresenta-se também análise de investimento alvo que demonstra ser provável que o investimento em vagões automáticos até pode ser inferior ao investimento em tração do modelo por comboios quando medido em termos de reais por tonelada de capacidade de carga. Com base em simulação econômica, demonstra-se que a automação de vagões pode proporcionar o surgimento de um negócio mais rentável para o operador e muito mais econômico e eficiente ao usuário de transporte, tudo isso proporcionando à sociedade uma atividade de transporte mais eficiente no uso da energia.

Ao término, apresenta-se o plano de pesquisa formado por quatro etapas: revisão preparatória e testes de tração; motorização de unidade piloto; automação da unidade; desenvolvimento de ramal piloto. Cada uma composta de cronograma, atividades, orçamento e metas. Os investidores na pesquisa terão cobertura de instrumentos de proteção da propriedade, uma vez que quase a totalidade das soluções apresentadas foi depositada no INPI.

Pede-se a compreensão dos leitores pela falta de referências a muitas das observações e argumentos colocados em discussão. O contexto deste artigo justifica a relativização das citações. Deve-se considerar primeiro que, muito do que se afirma já são constatações óbvias, suficientes por si só. Os números, puros ou tratados, são de fonte pública, extraídos de relatórios da Agencia Nacional de Transportes Terrestres (ANTT) e Comissão de Valores Mobiliários (CVM), ou seja, são dados verificáveis. O caráter inovador do assunto colaborou pela escassez de referencias. Metodologias dominantes de análise financeira foram utilizadas na construção de argumentos, o que vale dizer que as citações das técnicas não contribuem com a busca da realidade, com a interpretação dos fatores e com o julgamento das possibilidades que se discute para o futuro




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REVISÃO

A crise do setor ferroviário não é um fenômeno nem recente e nem nacional, mas sim mundial e antigo. A atividade ferroviária sofreu uma forte reestruturação em decorrência da perda de carga para outros modais, principalmente para o transporte rodoviário. Por exemplo, a AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007) menciona que malha ferroviária norte-americana foi reduzida de 611 mil quilômetros existentes na década de 30 para 277 mil quilômetros no final da década de 90, ou seja, houve uma redução da malha da ordem de mais de 54 %. No Brasil, segundo a ANTT (2005), a redução da malha no mesmo período foi de 25%, ou seja, de aproximadamente 39 mil para 29 mil quilômetros.

Nos anos 80, os EUA promoveram a desregulamentação do setor. A partir da década de 90 houve uma tendência de privatização do setor em outros países, tal como ocorrido na Austrália, Inglaterra, Alemanha e também aqui no Brasil. O objetivo da privatização brasileira, segundo a ANTT (2005b), era desonerar a União e recuperar a qualidade e produtividade das ferrovias, isto fundamentado na crença de que a gestão privada conseguiria promover a eficiência necessária à atividade, para recuperar competitividade.

Agora, depois de uma década de privatização, o setor ferroviário brasileiro continua com problemas e o objetivo de recuperação através do choque de gestão só surtiu efeito parcial, porque poucas empresas atingiram bom desempenho, a maioria continua em situação de dificuldade financeira e operacional, dependendo regularmente de ajuda para continuar operando.

No plano de negócio do projeto de pesquisa é apresentado um estudo de caso da história da incorporação da Brasil Ferrovias (BF) pela América Latina Logística (ALL), desde 1999. Nele destaca-se que a BF era um desastre financeiro e a ALL não tinha capacidade para resolver o problema e que a atividade continua destruindo riquezas da sociedade.

Uma amostra representativa da tendência dos negócios que se seguiram à fusão da BF com a ALL é formada pela análise das demonstrações contábeis da ALL e da FCA, referente aos primeiros nove meses de 2011. O investimento nestas ferrovias era da ordem de R$ 15 bilhões no final do período, tal como apresentado na Figura 1 a seguir.

Figura 1. Investimento nas ferrovias ALL e FCA e seus credores (valores extraídos das demonstrações contábeis do 3º trimestre de 2011).




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Segundo Assaf Neto (2006), o Lucro Operacional Residual é o resultado da diferença entre o lucro operacional obtido e o lucro operacional desejado. O lucro desejado é estimado por meio da multiplicação entre o investimento e a taxa de referência (custo de oportunidade). Considerando-se que o custo de oportunidade do período seja de 13,9% bruto ou de 9,2% liquido de imposto (isto com base num retorno desejado de 115% do rendimento do CDI, que foi de 8% no período e impostos de 34%), o lucro operacional desejado bruto das duas ferrovias analisadas, ALL e FCA, deveria ser algo por volta de R$ 2,1 bilhões, mas o lucro obtido foi de apenas R$ 0,8 bilhão, demonstrando que os investidores perderam algo por volta de R$ 1,3 bilhão nos primeiros nove meses de 2011, tal como se demonstrado na figura 2, com base em valores brutos, a seguir.

Figura 2. Apuração da perda de riqueza pela comparação entre o lucro desejado (azul) e o obtido

(vermelho).

O paradoxo da ferrovia é ela ser o transporte terrestre de carga sólida de menor custo, mas não consegue rentabilidade porque seu serviço não tem valor para o usuário de transporte. O consumo de diesel chegar a ser 90% menor que o rodoviário. O custo de material rodante pode ser 73% menor. Alguns custos fixos (tais como a depreciação e parte da manutenção), se a produtividade fosse satisfatória, poderiam representar apenas 5% do custo equivalente no transporte rodoviário. A Figura 3, a seguir, demonstra que o custo ferroviário é insuperável pelo transporte rodoviário, isto em grande parte devido às características dos materiais empregados.




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Figura 3. Comparativo de custo (R$/TKU) rodoviário x ferroviário, em função da produtividade e do tamanho dos caminhões. Estimado pelos autores, segundo modelo da NTC (2001).

A tonelada-quilômetro-útil (TKU) é a unidade usual de movimentação de carga, ela é formada pela multiplicação entre o peso das cargas embarcadas (t) e a distância transportada (km). A receita por unidade de TKU é um indicador de tarifa praticada. Nas melhores ferrovias brasileiras, tais como a E. F. Carajás e a E.F. Vitória Minas, a receita líquida é da ordem de 2 a 3 centavos por TKU. Nas ferrovias menos eficientes, tais como a América Latina Logística, a receita líquida atinge valores por volta de 6 a 7 centavos por TKU.

A margem de contribuição por TKU é definida como a sobra da diferença entre a receita e os custos e as despesas variáveis. Na ALL, os custos variáveis são basicamente formados por dois itens, aproximadamente 5/6 de custo de combustível e 1/6 de custos de serviços agregados de pátios. Os demais custos e despesas são de natureza fixa, tais como mão-de-obra, depreciação, arrendamento e juros. A margem de contribuição na ALL (2011) é da ordem de 75% a 80% da receita, conforme pode ser visto na Tabela 1. A elevada margem de contribuição unitária indica que a empresa usa a estratégia de compensar sua ineficiência por meio de aumentos de tarifa. Esta estratégia é válida até que se atinja o valor da tarifa que maximize a margem bruta total. Preços superiores devem proporcionar perdas de volume de carga em proporção superior ao ganho de margem produzida pelo aumento de tarifa.

Tabela 1. Análise de margem de contribuição por TKU e pontos de equilíbrio para a ALL. Os dados originais foram obtidos nos relatórios trimestrais aos acionistas.

R$/TKU % receita Contábil Econômico

1T 2007 427,8 6.932 0,062 -0,0146 0,047 76,4% -351,2 111,6 -24,4 388,1 7.449,6 15.681,01T 2008 511,2 7.911 0,065 -0,0145 0,050 77,6% -376,2 158,9 20,6 380,9 7.500,3 15.094,81T 2009 554,5 8.602 0,064 -0,0154 0,049 76,1% -459,1 180,3 -37,1 448,7 9.358,2 18.505,31T 2010 626,1 8.975 0,070 -0,0162 0,054 76,8% -445,1 224,1 35,9 491,9 8.305,1 17.484,41T 2011 661,2 9.339 0,071 -0,0161 0,055 77,3% -510,3 221,7 1,0 509,9 9.320,7 18.634,13T 2011 766,9 13.151 0,058 -0,0122 0,046 79,1% -511,0 319,7 96,0 589,2 11.071,1 23.837,1

* = ROI = 12% ao ano

C&D Fixos Totais

Lucro Contábil

Lucro Operac.

Desejado*

Lucro Operac. Ant.DF

PONTOS DE EQUILÍBRIO (TKU)

Receita Líquida /TKU

PeríodoCusto

Variável /TKU

MARGEM DE CONTRIBUIÇÃO

Receita Líquida R$ MM

Carga TKU MM

Por outro lado, a elevada margem de contribuição indica que a atividade tem a característica de alta alavancagem operacional, isto é, o lucro operacional é muito sensível às variações do volume de carga e à variação da produtividade. Nas circunstâncias da ALL, aumentos de produtividade devem produzir melhor resultado do que aumentos de tarifa.

A análise do desempenho pelo custeio variável produz também a informação sobre os pontos de equilíbrio para a ALL. Na Tabela 1 são mostrados os pontos de equilíbrio contábil e econômico. Fica evidente que o volume atual está muito distante do ponto de equilíbrio econômico. A produtividade precisa praticamente dobrar para se atingir o desempenho desejado pelos investidores. A proposição de dobrar o volume para atingir o ponto de equilíbrio econômico só vale se, simultaneamente, não houver qualquer novo investimento adicional nos ativos, o que vale dizer que a meta com a frota atual.

Quadro 1, a seguir, mostram-se as vantagens comparativas do setor ferroviário em relação ao transporte rodoviário. É uma demonstração de que o problema das ferrovias não é de custo, mas sim de valor, uma vez que valor é um atributo definido pelo usuário do serviço em comparação com




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demais alternativas de transporte. Há um amplo mercado de cargas, mas os usuários preferem outros meios de transporte, mesmo que o custo seja muitas vezes maior, porque o serviço não atende ao desejo deste consumidor de transporte.

Quadro 1. Análise comparativa de vantagens e desvantagens competitivas da ferrovia em relação ao transporte rodoviário.

VANTAGENS DESVANTAGENS

Baixo custo Baixo valor de uso.

Elevada vida útil Lento, vagaroso, impontual.

Custo adicional de entrada e de saída.

Não atende no estabelecimento do cliente.

Não fraciona carga.

Elevado volume de carga mínima.

Poucos tipos de “carrocerias” especiais.

Exige garantia de volume programado.

Usa comboio, o que obriga a:

• Re-organizar comboios em cada nó da rede;

• Organizar comboios por ordem de peso, tipo e destino.

O baixo valor percebido pelo usuário pode ser resumido em termos de produtividade do vagão, na base de km/mês. As ferrovias dedicadas ao transporte de cargas heterogêneas são improdutivas, ao ponto dos vagões viajarem menos de 720 km por mês. Na figura 4, a seguir, a produtividade das principais ferrovias brasileiras é mostrada num gráfico construído com dados dos relatórios das ferrovias, disponíveis no site da ANTT (2010). Na ALL-MP, se a velocidade comercial fosse de 20km/h, das 720 horas disponíveis, os vagões só teriam viajado 32 horas, nas demais 688 horas os vagões se dedicariam a atividades que não agregam valor ao negócio.

Figura 4. Deslocamento médio mensal dos vagões nas ferrovias brasileiras em 2010, segundo dados da ANTT.




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O propósito da pesquisa é avaliar o uso de vagões robotizados como solução ao problema de como atender a seguinte questão: pode a ferrovia atender plenamente o desejo dos clientes de cargas variadas? Ou também, como prestar um serviço ágil, rápido e barato usando dispositivos ferroviários?

A linha escolhida para resolver a questão foi propor o abandono do uso de comboios. Isto porque, o próprio modelo de comboios é assumido como principal causa da improdutividade e da perda de valor do transporte ferroviário aos olhos do usuário de transporte de cargas variadas.

A improdutividade está ligada a forma de se organizar os dispositivos ferroviários. O comboio é incompatível com a grande demanda de cargas do mundo moderno, formada por cargas menores, fracionadas e de muitas origens para muitos destinos. O modelo de produção pautado no uso de locomotivas é a barreira ao aumento da qualidade e do valor do serviço prestado ao consumidor. Isto se faz por conta das diretrizes do modelo em comboio:

• A composição precisa ser reorganizada em cada nó da rede.

• A composição é organizada por peso, por destino, e por tipo de carga/vagão.

• Enquanto um vagão é organizado, os outros ficam esperando.

A tecnologia ferroviária dominante nasceu da locomotiva a vapor. Toda indústria evoluiu e se fundamentou na lógica das composições. Existe uma barreira econômica e cultural ao abandono do modelo. O custo de transação da mudança da tecnologia é elevado porque além do investimento na pesquisa, a nova tecnologia implica em perdas de ativos relacionados à produção de locomotivas e a perda de valor de outros ativos relacionados ao capital humano, uma vez que muito do que se sabe pode se tornar obsoleto.

SOLUÇÃO PROPOSTA

Os principais dispositivos ferroviários, vagões e trilhos, podem ser organizados de forma mais produtiva para atender clientes de carga variada. Para isso precisam incorporar as novas tecnologias disponíveis na área de motorização e automação.

A solução proposta envolve o abandono do uso de locomotivas e a automação dos vagões. Mas estas mudanças não podem ser tomadas de forma isolada, o atendimento do consumidor de carga torna necessário que sejam feitas as seguintes mudanças simultaneamente:

• Motorização e automação dos vagões. • Mudança no traçado dos pátios de manobra. • Duplicação periódica das linhas singelas. • Mudança no formato e na operação das plataformas de embarque.

Na construção da solução proposta foram utilizadas as referências de modelos operacionais em produção, tais como as plantas produtivas dos centros de distribuição de cargas da empresa Brasspres e dos armazéns automatizados pela Kiva Systems.

O esquema de motorização de um vagão, dedicado ao transporte de caminhão, é apresentado na figura 3. O transporte de carga também poderá ser por meio de vagão porta container ou de vagões




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dedicados a cargas específicas. Destaca-se na figura que os componentes de motorização poderão ser instalados na forma de não permanente e intercambiável.

Figura 5. Forma de operar a ferrovia como via de passagem de caminhões, números 1 a 10 indicam

os componentes de motorização e automação dos vagões.

Os componentes de um vagão automatizado são: (1) Vagão ferroviário de qualquer tipo, na figura é mostrado um vagão do tipo plataforma, destinado ao transporte de caminhões e containers; (2) Motores elétricos conectados às rodas por coroa, pinhão e corrente; (3) Dispositivo de alimentação de energia elétrica, formada por um terminal de contato com barra eletrificada da linha fixa (dispositivo utilizado nos trens metropolitanos); (4) Baterias de alto desempenho e capacidade de carga (Ex.: bateria Zebra); (5) Supercapacitores ou ultracapacitores, destinados ao armazenamento de carga rápida; (6) Computador de bordo com programas de auto-gestão da unidade; (7) Acionadores dos motores e dos freios; (8) Antena de comunicação com os dispositivos da via fixa e com o computador central; (9) Sistema de compressor para suporte de ar para os freios; (10) Sensores de posicionamento, movimentação e de aproximação com outras unidades.

A motorização de unidades autônomas deverá proporcionar ganhos de produtividade por dois motivos, um pela eliminação do tempo de espera para formação de comboios e outro pelo uso de uma relação potência/carga mais elevada. A maior potência aumentará a velocidade média pelo aumento da aceleração e eliminação das locomotivas helpers nos aclives mais fortes.

A utilização de vagões autônomos transportando caminhões deve ser um modelo mais eficiente que vagões especialistas primeiro porque a necessidade de ativos especializados, segundo a Teoria da Firma de Coase (1937), é uma das barreiras aos negócios, o que se traduz na dificuldade da ferrovia em ter igual diversidade de tipos de carrocerias dedicadas a variados tipos de carga que o transporte rodoviário já se utiliza para atender a demanda do mercado. O transporte de caminhões em vagões minimizará a barreira acesso da ferrovia, uma vez que a ferrovia não atende na porta dos clientes, diminuirá os custos de embarque e desembarque e eliminará os custos de conferência e controle das cargas transportadas.

Os pátios de manobras atuais exigem que os demais usuários da linha aguardem uma ordem de preferência, uma vez que as manobras de várias unidades não podem ser feitas simultaneamente. Durante o remanejamento de um vagão, os demais aguardam. A mudança proposta é adotar pátios de movimentação circular, tal se ilustra na Figura 6, na pagina seguinte. Espera-se que o novo modelo permita uma significativa redução do tempo de movimentação e organização dos comboios, primeiro porque o movimento de seleção se fará em apenas uma direção, ao contrário das manobras




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atuais que são feitas movimento em dois sentidos. A movimentação poderá ser feita por muitas unidades simultaneamente. A seleção de trafego passara a ser contínua e rápida.

O traçado circular de pátio de manobra, com raios de curva menores que o usual, é conflitante com modelo de tráfego em comboios, primeiro por que as composições sofrem tensões de tração nas acelerações e de compressão nas frenagens. Nas curvas, as forças resultantes laterais são favoráveis ao descarrilamento e aumentam com a diminuição do raio de curva. O outro problema se refere ao diferencial de giro das rodas fixas em eixo rígido que surgem em trajetos curvos. Nas curvas, a diferença de percurso entre a roda externa e interna da curva aumenta com a diminuição do raio da curva, provocando micro-escorregamentos que desgastam o material rodante e linha fixa. A vida útil das rodas que operam na malha sinuosa da MRV Logística é de 720 mil km e as rodas que operam na malha mais retilínea da Estrada de Ferro Carajás têm vida útil superior a 1.200 mil km. O maior desgaste dos materiais que trafegam em linhas sinuosas, também se deve às forças laterais que surgem na tração e frenagem de composições.

Figura 6. Esquema de pátio de manobras e plataformas de embarque seguindo um modelo para tráfego.

O traçado dos pátios circulares exigirá modificação no sistema de eixos dos vagões. Isto é, mudar de rodas interligadas por eixo rígido para rodas com rotação independente, pois o desgaste por micro escorregamentos das rodas e dos trilhos é um fator que se acentua de forma assintótica com a diminuição do raio de curva. Sisdelli (2006, p.22), citando Alves e Sinatora (2000), descreve que tanto o desgaste normal como anormal dos componentes se dá por deslizamento entre trilhos e rodas, provocando deformação plástica, fadiga de contato, fadiga termomecânica, oxidação, micro-escorregamento e macro-escorregamento.

Outra grande barreira ao ganho de velocidade e ao volume de tráfego é o uso de linhas singelas, formato utilizado em quase toda malha ferroviária brasileira. Neste tipo de linha fixa o trânsito é organizado em tabelas de horários rígidos, com janelas curtas de duração para permitir o cruzamento de fluxos em trechos duplicados. A tabela de partidas e chegadas deverá ser formatada com “janelas” de partida e chegada de 5 a 7 min, com periodicidade de 30 min, em direções opostas para cada intervalo. Tal como ilustra a figura 7, na página seguinte.




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Figura 7. Exemplo de tabela de partidas e chegadas para linha singela.

A quantidade de trechos de cruzamento de tráfegos (nós) numa mesma distância tem uma relação direta com a freqüência de partidas e chegadas aos nós. O comprimento dos trechos duplicados interfere no tamanho da janela de tempo de cruzamentos entre fluxos contrários. A capacidade de tráfego da linha singela vai depender da relação de tempo de janela de passagem em ralação ao tempo disponível, em horas. A freqüência de partidas é obtida pela divisão do comprimento da linha singela pela velocidade média de trânsito. O aumento da velocidade tem que ser associado ao aumento da freqüência de partida para que não haja perda de eficiência. O ganho de produtividade com o aumento de velocidade não pode ser perdido em tempo de espera de nova partida no nó seguinte.

O tempo de embarque e desembarque também é um fator percebido pelo usuário. A meta é que o embarque e desembarque não demorem mais do que alguns minutos. Para containers isso pode ser feito com a tecnologia atual. O embarque de caminhões nos vagões exige que se façam alterações nas plataformas e nos procedimentos para que a meta de tempo seja atingida. Uma das soluções propostas é o desenho construtivo de plataforma de embarque apresentado na figura 5, na página seguinte.

Figura 8. Um dos modelos desenvolvidos para produzir embarque rápidos de caminhões.




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Proteção legal das invenções foi solicitada junto ao INPI. Isto foi tanto para os dispositivos apresentados e como para outras soluções desenvolvidos, mas cuja apresentação não agrega valor aos objetivos deste artigo. Os instrumentos serão passíveis de negociação em reciprocidade de investimentos na pesquisa. A viabilidade comercial do novo modelo foi avaliada positivamente por simulação de tráfego com tarifa atual.

Observado que o custo ferroviário direto por TKU é muito baixo, algo por volta de R$ 0,015 em 2008, e a margem de contribuição é da ordem de 75% a 80% da receita por TKU. Esta elevada margem de contribuição indica que o aumento da produtividade deve ser o caminho mais apropriado para recuperar a rentabilidade da atividade ferroviária.

As simulações de desempenho econômico com base nas produtividades previstas para o modelo de operação ferroviária com base no uso de unidades autônomas, como a apresentada na Tabela 1 a seguir, indicam que o retorno dos investimentos (ativos) pode atingir elevado valor de rentabilidade (ROI), isto mesmo sem chegar próximo do limite das metas de utilização do tempo disponível e da capacidade de carga útil.

Caso as metas operacionais sejam atingidas, a rentabilidade será suficiente satisfatória, mesmo que o investimento seja onerado com taxa de royalties de 5% do valor do vagão automatizado.

Tabela 2. Desempenho esperado para as unidades autônomas com base nos custos atuais das ferrovias brasileiras.

DESEMPENHO POR VAGÃO ATUALMENSAL MÉDIA

ALL Malha Oeste 2008/2009 PESSIMISTA MODERADA MÉDIA OTIMISTA ++OTIMISTAPercurso médio mensal km/mês 1.200 6.000 8.000 10.000 15.000 15.000Velocidade media mensal km/h 1,67 8,33 11,11 13,89 20,83 20,83Carga útil média por vagão t 40 25 30 35 35 35Volume de carga por vagão por mês TKU/mês 48.000 150.000 240.000 350.000 525.000 525.000Tarifa líquida por TKU - de 2007 R$ 0,0545 0,0545 0,0545 0,0545 0,0545 0,0750Receita por vagão mensal R$/mês 2.616 8.175 13.080 19.075 28.613 39.375

(-) CSP R$/mês -3.396 -4.754 -4.754 -4.754 -4.754 -4.754(-) CSP variável R$/mês -1.293 -1.783 -2.383 -3.337 -4.413(+) economia energética R$/mês 495 792 1.155 1.733 1.733

LUCRO/(PREJUÍZO) OPERACIONAL R$/mês -780 2.623 7.334 13.093 22.254 31.940(-) IR 34% -892 -2.494 -4.452 -7.566 -10.860NOPAT R$/mês -780 1.731 4.841 8.641 14.688 21.081

ROI mensal p/ valor de vagão de -0,20% 0,45% 1,26% 2,25% 3,83% 5,49%ROI anual p/ valor de vagão de -2,44% 5,41% 15,13% 27,02% 45,92% 65,91%

DESEMPENHO ESPERADOPARA UNIDADES AUTÔNOMAS

383.813

Hoje, nas piores ferrovias, o valor de uso dos ativos ferroviários é no máximo igual a zero, pois geram fluxos de caixa negativos. Assim, o valor de uso é menor que o custo de aquisição ou reposição. Isto equivale a dizer que, em termo análogo ao q de Tobin (TOBIN e BRAINARD, 1967; TOBIN 1969), que a atividade ferroviária tradicional destrói riqueza. Por outro lado, o valor da ferrovia com base no uso de unidades autônomas, quando a meta de desempenho físico for atendida, deverá ser maior que o custo de aquisição, isto porque se esperam retornos superiores aos exigidos (custo de oportunidade).




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AS METAS DA AUTOMAÇÃO

As metas da automação envolvem aspectos operacionais, construtivos e de investimento. Em tese, o abandono do uso de composições deverá ampliar os limites da qualidade do serviço ferroviário para nível próximo da qualidade do transporte rodoviário. As metas operacionais para a atividade de transporte por vagões autônomos se dividem em função do tipo de linha fixa, se for singela ou dupla, conforme Quadro 2, a seguir.

Quadro 2. Metas operacionais.

Tipo de Linha Fixa Singela Dupla

Tempo de espera para embarque. 0 min. >= 3 min. Tempo de embarque. 3 min. 3 min. Tempo de espera para partida. 30 min. 0 min. Trânsito – intervalo entre partidas. 60 min. Livre Velocidade média em percurso. >70% do limite da linha >75% do limite da linha Tempo de desembarque médio. 2 min. 2 min. Percurso médio mensal produtivo. >12.000 km/mês >18.000 km/mês Ociosidade do tempo disponível. < 50% < 35%

A automação de unidades autônomas, a partir de vagões ferroviários comuns, abre uma série de possibilidades e combinação de soluções, envolvendo desde motores, armazenamento de energia, combustível, suprimento de materiais. Neste contexto, estabeleceram-se algumas metas construtivas descritas no Quadro 2, a seguir, para diminuir o risco de investimento e antecipar soluções de menor custo de manutenção.

Quadro 2. Metas construtivas do projeto de automação

Item Meta – Atributos

Dispositivo de tração/automação Intercambiáveis. Manutenção Substituição rápida de componentes, manutenção fora

do vagão. Reversibilidade dos dispositivos Aplicação não destrutiva, automação não deve alterar

as especificações originais do vagão. Tração Motor elétrico/híbrido com alimentação elétrica

externa em trechos críticos e estratégicos. Relação potência / carga Superior a relação da ferrovia tradicional. Abrangência Para qualquer tipo de vagão e bitola.

As metas de investimento, custo e retorno são apresentadas no Quadro 3, a seguir. Estas metas envolvem o que se espera em termos de desempenho econômico da atividade ferroviária em unidade autônomas, tanto no aspecto de investimento para o operador ferroviário como em termos de custo final ao consumidor do serviço de transporte de carga.

O investimento-alvo de motorização e de automação foi um critério estipulado para determinar o investimento máximo que a automação de vagões poderia custar sem que se ultrapasse o investimento da tecnologia atual, em termos de investimento por vagão. O valor foi apurado dividindo-se o valor da locomotiva nova pelo número médio de vagões nas ferrovias brasileiras,




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relação que era de 28,4 vagões por locomotiva em 2009, tal como dados apresentados na Tabela 2, a seguir.

Quadro 3. Metas de investimento e do custo do serviço ferroviário a ser obtido com a automação dos vagões.

Item Meta – Atributos

Investimento-alvo na unidade automatizada. < de R$ 183.000,00 por vagão. Custo do TKU de carga transportada em caminhões. Deverá ser menor que a metade

do custo do rodoviário puro. Custo do TKU de container e vagões dedicados. O custo do TKU deverá ser próximo

do custo do ferroviário atual. ROI (retorno do investimento). Superior a 15% ao ano.

Nos EUA, o investimento em tração por vagão é perto do dobro do valor do investimento em tração no Brasil, isto porque a relação de vagões por locomotiva é quase a metade da brasileira, apenas 15,8 vagões por locomotiva, segundo levantamento de dados nos relatórios dos administradores de 2008. Para os EUA, o investimento-alvo nas condições econômicas do EUA seria algo por volta de R$ 400 mil por vagão.

Tabela 2. Avaliação do investimento alvo com base na frota de 2009 (ANTT 2011) e no valor de reposição coletados em notícia de transações destes ativos.

Investimento em vagões

Investimento em

locomotivas200 5217

ALL-MS 14.429 485 29,8 2.885.800 2.528.506 5.414.306 ALL-MP 7.707 154 49,9 1.541.400 805.157 2.346.557 ALL-MN 3.194 261 12,3 638.800 1.359.898 1.998.698 ALL-MO 2.346 14 165,6 469.200 73.908 543.108 ALL-TOTAL - Méd. Pon. 27.676 914 30,3 5.535.200 4.767.469 10.302.669 MRS Log 17.678 676 26,2 3.535.500 3.524.518 7.060.018 FCA 10.674 594 18,0 2.134.700 3.098.898 5.233.598 EFVM 16.408 320 51,4 3.281.600 1.666.832 4.948.432 Transnordestina 2236 126 17,7 447.200 657.342 1.104.542

74.671 2.629 28,4 14.934.200 13.715.058 28.649.258 52% 48%

Quantidade média de vagões

Quantidade média de

locomotivas

Vagões / Locomotivas

Ferrovia TOTAL

Há boas chances da meta de investimento-alvo ser atingida, isto porque, num levantamento preliminar, os custos dos componentes disponíveis no mercado somaram importância significativamente inferior ao valor meta, tal como indicado na Tabela 3, a seguir.




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Tabela 3. Levantamento preliminar de custos diretos de componentes de automação de um vagão.

R$/US$ 1,75

Qt Low Hi Low Hi

Battery Z 28,2 kWh 2 19.600 39.200 34.300 68.600

Ultracapacitor bank 0,2 kWh 1 7.000 15.000 12.250 26.250

Motors - 53-kW brushless-dc 2 4.000 8.000 7.000 14.000

ac–dc converter 1 2.000 2.500 3.500 4.375

Control circuit 1 2.000 3.000 3.500 5.250

Services 2.000 5.000 3.500 8.750

Others - unknowledg 9.000 16.000 15.750 28.000

Total 45.600 88.700 79.800 155.225

US$ R$

O transporte ferroviário por meio de vagões robotizados continuará proporcionando um serviço de muito baixo custo ao consumidor porque o baixo custo é, em grande parte, uma propriedade dos materiais utilizados. Esta afirmação é sustentada pelo estudo dos custos ferroviários e rodoviários atuais, com base no modelo de custeio da NTC (2010), que resultou na figura 9, a seguir.

-

10.000,00

20.000,00

30.000,00

40.000,00

50.000,00

60.000,00

70.000,00

RODOVIARIO FERROVIÁRIO COMBINADO

DAT - despesas administrativas e terminal

PE - pedágio

PR - peneus e recauchutagem

LG - lavagem geral

LB - lubrificantes do motor

DC - despesa de combustível

PM - peças e material de manutenção

RCF - seguro da respons. civil faculativo

SV - seguro do veículo

LC - licenciamento

RE - reposição do equipamento

RV - reposição do veículo

SO - salário oficina

SM - salário do motorista

RC - retorno do capital

Figura 9. Estimativas de receitas anuais no serviço de transporte que remuneram o capital a uma mesma taxa de retorno. Receita de uma unidades de transporte: caminhão de 9 eixos, vagão

ferroviário e combinado.

A modelagem dos custos indicou que o custo do transporte combinado de caminhões em vagões autômatos deve ser menor que a metade do transporte rodoviário puro. O custo de transporte de vagões dedicados continuará como muito próximo do transporte ferroviário puro.

A automação de vagões dedicados a cargas especiais aproveitará o benefício do aumento de produtividade sem correspondente aumento de custo diminuir a frota, pois o serviço atual poderá ser feito com um número menor de unidades. Se as receitas e margens forem mantidas, a diminuição do investimento proporcionará um aumento do retorno operacional (ROI). Por outro lado, a margem poderá ser reduzida ao ponto de ainda proporcionar retorno desejado pelo operador ferroviário e proporcionar uma diminuição do custo cobrado da sociedade para se utilizar do transporte.




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O PROJETO DE PESQUISA

As atividades de pesquisa são agrupadas em três etapas, a primeira etapa, pesquisa básica de nove meses, é produzir uma detalhada revisão e levantamento dos materiais e das tecnologias disponíveis em conjunto com um ensaio de tração destinados a produzir elementos básicos para dimensionamento de dispositivos eletromecânicos. O desafio da primeira etapa da pesquisa é dimensionar os componentes de tração e comando de um vagão autônomo e avaliar seu custo. Para isto se fará ensaio de tração para se medir a demanda de energia da unidade em conjunto com um levantamento dos componentes no mercado para avaliar se o custo do investimento na tração em vagões individuais será igual ou inferior ao custo do sistema de tração e controle tradicional (análise investimento alvo).

O consumo de energia, em estudos futuros, poderá utilizar dados reais do ensaio programado em conjunto com modelos empíricos, tais como o modelo de cálculo da força de resistência ao rolamento de Davis Jr. (1926), que ainda é utilizado no Brasil e nos Estados Unidos para quantificar as resistências normais de rolamento do trem, e a expressão do esforço criado pelas curvas de Desdouits, tal como descrito por Toledo et al (1987) citado por Pires (2008, p.35) e Pires et al (2008).

A avaliação dos dispositivos ainda depende de se esclarecer a verdadeira demanda energética de uma unidade autônoma. Estimativas teóricas feitas por cálculos de conversão de consumo de diesel indicam que a demanda energética de um vagão com carga máxima (120 t) consumiria algo entre 60 e 110 kWh para percorrer uma distância de 50 km. O ensaio de tração deverá apontar uma faixa de consumo mais precisa com a qual se dimensionará os equipamentos e as instalações.

Pesquisa intermediária, prevista para durar 2 anos, consiste na motorização de uma unidade autônoma para executar testes de campo com objetivo de se atingir as especificações operacionais desejadas. Relacionar e avaliar materiais e componentes. Produtos da pesquisa: demonstrar viabilidade operacional do veículo ao atingir meta de desempenho e de autonomia, previamente estabelecido; especificação de materiais para promover a interface entre software de gerenciamento e os atuadores de controle; desenvolver conhecimento e habilidade para operar experiência piloto não automatizada em ramal em vias de desativação.

A pesquisa avançada pretende desenvolver software de gerenciamento e automação. Definição do hardware necessário para que as unidades autônomas gerenciem posicionamento e relacionamento com outras unidades e com a via fixa. Sensores, sistema de comunicação. A etapa de automação poderá ser abreviada ao se adaptar a tecnologia da Kiva Sistems. Produtos da pesquisa: sistema de gerenciamento e automação da rede; capacitação e conhecimento para se produzir uma linha operacional automatizada em ramal piloto, provavelmente aproveitando algum ramal ferroviário vias de desativação.

No plano de negócio da pesquisa são apresentados os detalhes das atividades, o cronograma de execução e o orçamento provisório da primeira etapa.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O modelo de transporte ferroviário tradicional é totalmente inapropriado para o transporte de cargas heterogêneas, quer seja no sentido de produto ou no sentido de origem/destino. O melhor




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desempenho ocorre no transporte de cargas homogêneas, onde há grande demanda contínua de único tipo de carga e destino.

Os troncos ferroviários, que operam em regiões que não dispõe de clientes com altos volumes e constante demanda, apresentam desempenho sofrível e quase sempre deficitário, representando um ônus para a sociedade o simples fato de mantê-los em operação.

A adoção do sistema de transporte através de vagões autômatos pode criar uma nova forma de utilização dos trilhos e dos vagões, de forma mais competitiva no mercado, mais rentável à concessionária do serviço ferroviário e mais atraente para ao consumidor de transporte.

Além de todos os benefícios acima, a nova forma de explorar o rolamento aço-aço deverá proporcionar um forte benefício energético, com uma significativa economia de combustíveis na matriz de transporte nacional. A solução proposta deve promover também uma substancial redução no consumo de pneus, com impacto direto na produção de sucatas gerado pela atividade de transporte.

O aumento da velocidade é o elemento chave para atingir o sucesso econômico. Ele permite aumento dos volumes de vendas sem correspondente aumento no investimento, o que em tese, resulta em diluição dos custos fixos e aumento da margem de contribuição total, sem aumento de preço. O aumento da velocidade também melhora a percepção de valor que os clientes dão ao serviço, permitindo tornar a atividade mais atrativa e competitiva por melhores fretes.

Uma vantagem secundária da automação é a substituição do uso do diesel pela eletricidade como fonte de energia. Esta substituição pode permitir significativas reduções de custo dos serviços prestados em até 36%, quando estimado com base nas tarifas cheias da energia elétrica. O benefício, sozinho, não é suficiente para justificar o investimento, mas deve proporcionar uma substancial força em seu favor.

A discussão é oportuna também porque a maior eficiência no uso do combustível derivado de petróleo proporcionará uma conseqüente redução na emissão de CO2, benefício que passou a ser expressivo em nossos dias, podendo inclusive emitir títulos para financiar a sua expansão.

O sucesso da proposta resolveria o problema de milhares de quilômetros de ferrovias que hoje são deficitárias, que, para continuarem operando, necessitam de contínuo aporte de capital governamental, consumindo um recurso escasso tirado da sociedade, ônus inócuo, porque não resolve o problema.

O problema de baixa rentabilidade das ferrovias é um fenômeno mundial. Trata-se de uma perda de valor do serviço prestado frente à oferta de serviço de transporte rodoviário. A perda de valor se deve a má qualidade dos serviços prestados, que se caracterizam pela lentidão e dificuldade de trabalhar com cargas fracionadas.

No levantamento de referencias sobre tentativas de melhorar a rapidez no embarque e desembarque das mercadorias. Mas nenhuma enfrentou o maior causa da ociosidade dos ativos, o uso de composições tracionadas por locomotivas.

Caso as patentes venham a ser confirmadas, os investidores na nova tecnologia poderão operar na condição de monopólio e garantir o retorno dos investimentos que se fizerem necessários.




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