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DRA. TAOMEI ZHU, PRÊMIO EXTRAORDINÁRIO DE TESE DE DOUTORADO DA UPM

6 de diciembre de 2018

O maior ativo do CITEF é o seu capital humano, e um bom exemplo disso é a Tese de Doutorado de Taomei Zhu, intitulada “Traffic Conflict Detection and Resolution (CDR) in ERTMS System”, que lhe permitiu obter o título de Doutora em Engenharia Industrial, e que foi desenvolvida no CITEF sob a orientação de José Manuel Mera Sánchez de Pedro.


Esta tese recebeu nestes dias o Prêmio Extraordinário de Doutorado, concedido pela Universidade Politécnica de Madrid – UPM, como reconhecimento à importância e qualidade da pesquisa realizada.


A pesquisa desenvolvida aborda a problemática dos conflitos que ocorrem no tráfego ferroviário. Embora, atualmente, o gerenciamento do tráfego ferroviário possa ser parcialmente realizada por um sistema de controle de tráfego, este sistema de controle é insuficiente para tomar decisões operacionais já que as perturbações são cada vez mais frequentes, particularmente nos nós ferroviários com tráfego significativo. No ERTMS/ETCS, enquanto todos os avanços são usados para aumentar a segurança, a velocidade do trem e reduzir o intervalo entre os trens, os desafios relacionados com a resolução de conflitos em tempo real também aumenta.


Esta tese trata da criação de métodos para a detecção e resolução de conflitos com o objetivo de desenvolver um sistema CDR de apoio para o controle e gerenciamento do tráfego ferroviário.


A pesquisa desenvolvida na tese gerou as seguintes publicações e apresentações em congressos:


  • Zhu, J.M. Mera, B. Suarez, and J. Maroto. “An agent-based support system for railway station dispatching,” Expert Systems With Applications 61 (2016) 39–52. Factor de impacto JCR: 2.571 Q1


  • Zhu and J.M. Mera. “Railway traffic conflict detection via a state transition prediction approach,” IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, Volume: 18, Issue: 5, May 2017. Factor de impacto JCR: 3.039 Q1


  • Zhu, J.M. Mera. A 3D simulation approach for railway conflict detection in Traffic Management System layer, Computers in Railways XIV, 2014.


  • Zhu, J.M. Mera, E. Castellote, J. López. Feasibility evaluation and critical factor analysis for subway scheduling, Computers in Railways XV, 2016


A seguir explicamos o trabalho desenvolvido na Tese e que foi o motivo da distinção da UPM.

 

Modelagem 

 

Para descrever o ambiente onde ocorrem os problemas de detecção e resolução de conflitos, o tráfego ferroviário foi modelado utilizando modelos da infraestrutura, material rodante e horários programados. Estes modelos parciais foram baseados em dados.


  • Um horário programado original ou atualizado (reprogramado) é representado com o fim de fornecer objetivos comuns para as entidades envolvidas no sistema ferroviário e organizar os recursos relacionados com o controle do tráfego em tempo real.


  • O modelo do trem consiste em rotas relativas dos trens e suas derivadas junto com as informações dinâmicas da circulação dos trens, tais como a posição e a velocidade dos trens, os circuitos de vias ocupados, os tempos de operação, as autoridades de movimento, etc.


  • O modelo da infraestrutura foi estabelecido em relação a uma linha (ou uma rede) e no nível regional. O primeiro foi descrito pelas estações e pelos corredores entre as estações, as quais são chamadas de seções. E o último foi representado principalmente por rotas e segmentos. Os dados de descrição das vias para o controle dinâmico do trem também está baseado nos estados instantâneos das rotas e segmentos no modelo da infraestrutura.


Os sinais de conflitos nas fases iniciais dos potenciais conflitos são expressos através dos modelos propostos.

 

A detecção de conflitos (CD) 

 

O procedimento de detecção de conflitos e as aproximações factíveis são estudados separadamente (como aproximações às resoluções de conflitos). Com base no modelo do trem e da infraestrutura, respectivamente, são propostas as aproximações das trajetórias seguidas pelos trens e a transição de estados da infraestrutura para prever o tráfego em curtos períodos de tempo e para detectar conflitos.


  • Nas aproximações das trajetórias dos trens, as informações detalhadas da movimentação dos mesmos são monitoradas. As correlações entre cada uma das duas dimensões são supervisionadas cooperativamente. Particularmente, os desvios de distância, as vias utilizadas e as velocidades são detectados nos perfis de trajetórias multidimensionais.



  • A aproximação das transições de estado da infraestrutura está baseada em mapas precisos de transição de estado e nas correspondentes matrizes de relação. Os históricos de segmentos e os estados das rotas (vetores de estados) são armazenados para obter mapas de transição empíricos. Estes mapas são aplicados na detecção de anormalidades no ambiente dinâmico ferroviário, e por outro lado, as restrições estruturais topológicas da infraestrutura e as incompatibilidades entre rotas são aplicadas para prever potenciais situações de conflito.


O procedimento de detecção de conflitos se preocupa em prever o tráfego em curtos períodos do horizonte de previsão baseado nos dados atuais coletados. As duas aproximações cooperam para prever o tráfego e detectar os potenciais conflitos e desvios significativos. Os conflitos detectados ou os riscos dos mesmos são agrupados de acordo com diferentes códigos de identificação, e por isso as respectivas aproximações para sua resolução podem ser implantadas para preveni-los.

 

A resolução de conflitos (CR) 

 

Em função das categorias dos conflitos detectados e dos avisos de conflito, é estabelecida uma metodologia de resolução dos conflitos estruturada em duas camadas:

  • Uma camada está resolvendo continuamente o problema de roteamento dentro da área da estação, quando potenciais conflitos entre rotas são previstos.



  • Na segunda camada, uma aproximação no nível de reprogramação dos horários dos trens é proposta para prevenir a propagação de potenciais conflitos dentro de uma área ampla.

Nesta tese, um conjunto de fórmulas baseadas na programação “mixed integer linear” é apresentado para um roteamento local e uma reprogramação dos horários de âmbito variável. Flexivelmente, é possível acrescentar novas estratégias para o roteamento local assim como novos e melhorados algoritmos na reprogramação dos horários, modificando unicamente a camada correspondente.

 

Sistema de apoio para a detecção e resolução de conflitos baseado em um Agente 

 

Uma aproximação de modelagem baseada em um agente é aplicada ao desenho de um sistema de apoio na detecção e resolução de conflitos para o controle e gerenciamento do tráfego ferroviário. Os modelos e aproximações propostos para a detecção e resolução de conflitos estão integrados no modelo do agente.


O sistema de apoio CDR (chamado D-Agent) é modular. É composto de seis módulos básicos, que são respectivamente: um banco de dados local, uma base de conhecimentos, uma base de habilidades, um processamento de dados, um mecanismo de raciocínio, e interfaces de comunicação. As aproximações de detecção e resolução de conflitos são implantadas principalmente como as habilidades fundamentais do D-Agent.

 

Detecção e resolução de conflitos no sistema ERTMS 

 

Nas aplicações dentro do sistema ERTMS/ETCS, a previsibilidade da influência sobre as funções do CDR devido aos diferentes níveis operacionais do ERTMS e à necessidade de adaptar o CDR a esses diferentes níveis são discutidas. A conclusão é que uma função de adaptação no nível operacional do ERTMS pode ser acrescentada ao sistema de apoio CDR baseado no agente para o sistema ERTMS, que permita aproximações do CDR apropriadas para serem aplicadas num nível especifico ERTMS/ETCS ou nas situações onde o nível ERTMS/ETCS é modificado.


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