programação semafórica: uma proposta de otimização apoiada...

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Adilson Romualdo do Carmo Programação Semafórica: Uma Proposta de Otimização Apoiada em um Modelo Geo-Temporal Campinas 2016

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

Adilson Romualdo do Carmo

Programação Semafórica: Uma Proposta de Otimização

Apoiada em um Modelo Geo-Temporal

Campinas

2016

Adilson Romualdo do Carmo

Programação Semafórica: Uma Proposta de Otimização

Apoiada em um Modelo Geo-Temporal

Dissertação de Mestrado apresentada à

Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e

Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título

de Mestre em Engenharia Civil na área de

Transportes.

Orientador: Prof. Dr. Diogenes Cortijo Costa

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL

DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO

ADILSON ROMUALDO DO CARMO E ORIENTADO

PELO PROF. DR. DIOGENES CORTIJO COSTA.

ASSINATURA DO ORIENTADOR: ____________________________________________________

Campinas

2016

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Programação Semafórica: Uma Proposta de Otimização Apoiada em um Modelo Geo-Temporal

Adilson Romualdo do Carmo

Dissertação de mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:

Diogenes Cortijo Costa

Presidente e Orientador Departamento de Geotecnia e Transportes – FEC – UNICAMP

Prof.ª Dr.ª Maria Teresa Françoso Departamento de Geotecnia e Transportes – FEC – UNICAMP

Prof.ª Dr.ª Ana Paula Camargo Larocca

Departamento de Transportes da Escola de Engenharia da USP – São Carlos

Prof.ª Dr.ª Maria Lúcia Galves (Suplente)

Departamento de Geotecnia e Transportes – FEC – UNICAMP

Prof. Dr. Antonio Clóvis Pinto Ferraz (Suplente) Departamento de Transportes da Escola de Engenharia da USP – São

Carlos)

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

Campinas, 18 de outubro de 2016

Agradecimentos

A Jeová Deus, pela dádiva da vida, pelos ensinamentos propiciados e pela força

necessária para superar momentos difíceis.

Aos meus pais, Otávio e Lázara, e às minhas irmãs, Gislene e Cintia, pelo apoio e

carinho. Aos meus cunhados Wilson e Cristiano e à minha adorável sobrinha Júlia,

minha linda princesa.

Um agradecimento especial ao meu orientador, Diogenes Cortijo Costa, pela dedicação,

amizade, paciência e incentivo durante o meu trabalho.

Aos professores da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo e do

Instituto de Computação da Universidade Estadual de Campinas, pelos ensinamentos

transmitidos e que muito contribuíram para o meu desenvolvimento acadêmico e

profissional. Aos funcionários de ambas unidades, pela presteza e atenção.

À Ana Maria, minha esposa e companheira de vida, pelo carinho, amor e constante

incentivo para prosseguir, mesmo sabendo que isto nos tiraria um pouco da convivência

diária.

À EMDEC (Empresa Municipal de Desenvolvimento de Campinas) pelo fornecimento

da base georeferenciada dos semáforos da cidade de Campinas e que possibilitou o

desenvolvimento deste trabalho.

“We are as clouds that veil the midnight moon;

How restlessly they speed, and gleam, and quiver,

Streaking the darkness radiantly!—yet soon

Night closes round, and they are lost for ever:

Or like forgotten lyres, whose dissonant strings

Give various response to each varying blast,

To whose frail frame no second motion brings

One mood or modulation like the last.

We rest.—A dream has power to poison sleep;

We rise.—One wandering thought pollutes the day;

We feel, conceive or reason, laugh or weep;

Embrace fond woe, or cast our cares away:

It is the same!—For, be it joy or sorrow,

The path of its departure still is free:

Man’s yesterday may ne’er be like his morrow;

Nought may endure but Mutability.”

MUTABILITY

By Percy Bysshe Shelley

Resumo

Este trabalho procura avaliar o potencial da utilização de um Sistema de Informações

Geográficas - SIG - no auxílio à programação semafórica urbana e propor uma

arquitetura que contemple a questão espaço-temporal na análise dos principais eixos de

congestionamento de uma cidade. Esta arquitetura trata do armazenamento de pesquisas

de volume de tráfego, do cálculo das medidas de desempenho e da integração com um

Sistema de Informações Geográficas para avaliar possíveis alternativas na

reconfiguração do sistema de circulação viária e da própria programação semafórica

para a região estudada, a partir da análise das métricas mais significativas do

monitoramento do sistema de trânsito. O trabalho foi validado através da

implementação da arquitetura usando a base cartográfica digital do município de

Campinas.

Abstract

This dissertation aims to evaluate the possibility of utilization of a GIS tool to help the

urban traffic signal programming and to propose an architecture that addresses the issue

of space-time analysis in the most affected streets in a city. This architecture considers

the storage of volume traffic, the performance measures calculation and the integration

with a Geographic Information System to evaluate possible alternatives in the

reconfiguration of the circulation system and traffic signal programming itself for the

region studied, from the analysis of the most relevant traffic monitoring measures. The

work was validated through the implementation of the architecture using the digital

cartographic base of the city of Campinas.

Lista de Figuras

Figura 1: Viagens por ano, por modo principal (bilhões de viagens) - Ano 2013......... 22

Figura 2: Tempo médio de viagem por faixa de população e modo agregado (minutos) -

Ano 2013 ....................................................................................................................... 23

Figura 3: Custo das externalidades por tipo e faixa de população (bilhões de reais/ano) -

Ano 2013 ....................................................................................................................... 24

Figura 4: Custo da mobilidade por tipo e faixa de população (bilhões/ano) - Ano 2013

.........................................................................................................................................25

Figura 5: Operações de Crossover e Mutação ............................................................... 29

Figura 6: Esquema de uma Rede Neural ....................................................................... 32

Figura 7: Componentes de um SIG ............................................................................... 43

Figura 8: A Abordagem Orientada a Objetos ............................................................... 46

Figura 9: Arquitetura em Três Camadas para Processamento Distribuído ................... 50

Figura 10: Paradigma do Desenvolvimento Evolutivo ................................................. 53

Figura 11: Estados, Métodos e Mensagens de um Objeto ............................................ 54

Figura 12: Impacto dos Métodos de Análise e Projeto Formais no Esforço para

Construir e Manter Bancos de Dados Espaciais ........................................................... 55

Figura 13: Variação Diária do Volume de Tráfego ....................................................... 64

Figura 14: Relações entre Volume, Velocidade e Densidade em Fluxos Não

Interrompidos ................................................................................................................ 66

Figura 15: Ciclo, Fase e Intervalo ................................................................................. 72

Figura 16: Tempo Morto no Ciclo ................................................................................ 75

Figura 17: Interseção de Duas Vias Controladas por Semáforo ................................... 77

Figura 18: Esquema de Alocação do Tempo de um Semáforo ..................................... 79

Figura 19: Zona de Dilema num Cruzamento Semaforizado ........................................ 82

Figura 20: Modelo de Fila D/D/1 numa Interseção com Capacidade de Aproximação

que Excede a Demanda ................................................................................................. 88

Figura 21: Arquitetura Proposta para o Sistema ........................................................... 95

Figura 22: Diagrama de Entidades e Relacionamentos da Solução Proposta ............... 98

Figura 23: Esquema Resultante do Modelo Entidade-Relacionamento ...................... 100

Figura 24: Diagrama de Fluxo de Dados da Solução Proposta (Nível 0) .................... 101

Figura 25: Diagrama de Fluxo de Dados da Solução Proposta (Nível 1) .................... 102

Figura 26: Diagrama de Estrutura da Solução Proposta .............................................. 103

Figura 27: Diagrama de Dispersão entre Variáveis ..................................................... 107

Figura 28: Pesquisa Cordon Line RMC - 2011 ........................................................... 115

Figura 29: Distribuição do Número de Viagens em Campinas Segundo o Modo de

Transporte .................................................................................................................... 116

Figura 30: Taxa de Motorização na Cidade de Campinas ........................................... 117

Figura 31: Total de Acidentes na Cidade de Campinas (1995 - 2011) ........................ 118

Figura 32: Índice de Mortalidade por 100 Mil Habitantes na Cidade de Campinas ... 119

Figura 33: Custo Social e UPS dos Acidentes de Trânsito .......................................... 119

Figura 34: Módulo de Cadastro de Semáforos - Identificação .................................... 121

Figura 35: Módulo de Cadastro de Semáforos - Fluxo de Veículos ........................... 122

Figura 36: Módulo do Cálculo das Métricas de Desempenho ..................................... 123

Figura 37: Módulo de Cadastro das Pesquisas de Volume e Tráfego ......................... 124

Figura 38: Módulo de Geração de Mapas ................................................................... 125

Figura 39: Exemplo de Mapa - Fila Máxima .............................................................. 126

Figura 40: Exemplo de Mapa - Taxa Média de Chegada ....................................... 126

Figura 41: Exemplo de Mapa - Tempo Máximo de Espera ........................................ 127

Figura 42: Exemplo de Mapa - Veículos que Chegam à Intersecção no Ciclo .......... 127

Figura 43: Exemplo de Mapa - Métricas Combinadas ............................................... 128

Figura 44: Exemplo de Mapa - Semáforos e Zoneamento ......................................... 129

Figura 45: Exemplo de Mapa - Zonas Quentes de Semáforos ................................... 130

Figura 46: Estimativa de Fluxos Futuros .................................................................... 131

Figura 47: Exemplo de Mapa - Fluxo Atual - Espera Média ..................................... 132

Figura 48: Exemplo de Mapa - Fluxo Projetado - Espera Média .............................. 132

Lista de Tabelas

Tabela 1: Custos Internos e Externos em Transportes ....................................... 21

Tabela 2: Porcentagem de Custos para Implantação de um SIG ....................... 52

Tabela 3: Tempo de Perda no Início de Movimento de Veículos ...................... 74

Tabela 4: Tempo Perdido Durante a Hora em Ciclos Diferenciados .................. 84

Tabela 5: Fatores de Ajuste da Largura de Faixa ............................................... 85

Tabela 6: Fatores de Ajuste de Equivalência entre Veículos .............................. 85

Lista de Abreviaturas

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANTP - Associação Nacional de Transportes Públicos

AVLS - Automatic Vehicle Location Systems

COCAR – Comissão de Cartografia.

CTA – Controle de Tráfego por Área.

EMDEC – Empresa Municipal de Desenvolvimento de Campinas.

DDE – Dynamic Data Exchange.

DXF - Drawing Exchange Format.

GIS – Geographical Information Systems.

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística.

ITS – Intelligent Transportation Systems.

IVHS - Intelligent Vehicle Highway Systems

MUTCD - Manual on Uniform Traffic Control Devices

ONU - Organização da Nações Unidas

RMC - Região Metropolitana de Campinas

SIG – Sistemas de Informações Geográficas.

SIG-T - Sistemas de Informações Geográficas em Transportes.

SQL – Structured Query Language.

STM - Secretaria de Transportes Metropolitanos

UPS - Unidade de Padrão de Severidade

UVPD – Unidade de Veículos de Passageiros Diretos.

Lista de Símbolos

T - unidade de tempo

X(n) - Vetor n-dimensional que denota o volume, a velocidade e a densidade

Y(n) - Vetor n-dimensional que engloba atrasos, número de paradas e bloqueios

U(n) - Vetor n-dimensional composto do ciclo semafórico e tempo de offset

ξ(k) - Vetor que relaciona as influências externas na corrente de tráfego

Ψ(k) - Vetor das perturbações causadas por sistemas sensores

W - Vetor de pesos associados

ξ(.) - Média

τ2(.) - Variância

d - Distância percorrida

V - Volume

D - Densidade

S - Velocidade

λ - Taxa de fluxo médio

d - atraso médio

C - Capacidade da aproximação [veic./h]

S - fluxo de saturação [veic./h]

g - tempo de verde efetivo [s]

c - comprimento do ciclo [s]

A - tempo de luz amarela [s]

p - tempo perdido no início do verde e no final do amarelo(tempo morto [s])

r - tempo de vermelho efetivo

Sumário

1. Introdução 15

1.1. Considerações Iniciais 15

1.2. Justificativa e Motivação da Pesquisa 16

1.3. Objetivo Geral 17

1.4. Objetivos Específicos 17

1.5. Metodologia de Pesquisa 18

1.6. Estrutura do Trabalho 19

2. Revisão Bibliográfica 20

2.1. Macro Características do Trânsito 20

2.2. Métodos de Programação Semafórica 27

2.3. Resumo 34

3. Sistemas de Informações Geográficas 35

3.1. Bases Cartográficas Digitais 35

3.2. Sistemas de Informações Geográficas 41

3.3. Sistemas de Informações Geográficas Aplicados a Transportes 58

3.4. Resumo 61

4. Sistemas de Controle de Trânsito e Programação Semafórica 62

4.1. Engenharia de Tráfego 62

4.2. Fluxo de Tráfego 63

4.3. Programação Semafórica 69

4.4. A Integração entre o SIG e a Engenharia de Tráfego 89

4.5. Resumo 93

5. Modelo Proposto 94

5.1. Arquitetura Proposta 94

5.2. Aspectos de Implantação 97

5.3. Resumo 113

6. Estudo de Caso 114

6.1. Contexto do Sistema 114

6.2. Produtos Gerados 121

6.3. Resumo 133

7. Conclusões 134

7.1. Contribuições 134

7.2. Extensões 135

Referências Bibliográficas 137

15

Capítulo 1

Introdução

1.1 Considerações Iniciais

O século XXI será o primeiro de população predominantemente urbana. Relatório da

ONU aponta um grau crescente de urbanização. Atualmente, 54% da população mundial vive

em áreas urbanas, cifra que pode aumentar para 66% em 2050, resultando no aparecimento de

mega-cidades - aquelas com mais de 10 milhões de habitantes. Em 1990 estas eram apenas

10, mas em 2014 esse grupo já totalizava 28 e abrigava 12% da população do planeta [1]

, fato

que evidencia sua importância na sociedade humana.

Em decorrência desse fenômeno, surgirão problemas que, se não forem abordados sob

uma perspectiva abrangente, poderão inviabilizar o desenvolvimento sustentável dessas

cidades. Questões como o descarte dos resíduos domésticos e industriais, o uso dos recursos

hídricos, dos serviços de saúde, de educação, de segurança, de infraestrutura e transportes,

entre outros, deverão fazer parte de um planejamento sistêmico em diferentes níveis

institucionais. Uma das áreas de maior importância estratégica para o desenvolvimento de

todos os países e suas cidades são os sistemas de transporte e circulação.

Concorda-se que os sistemas de transportes e sua infraestrutura são um dos vetores

mais significativos para a promoção do desenvolvimento econômico. De fato, Mikkelsen e

Møller[2]

enfatizam esse ponto, embora ressaltem a não existência de uma teoria bem definida

que estabeleça a relação entre os sistemas viários (infraestrutura e sistemas operacionais) e o

desenvolvimento. Entretanto, os autores apontam o consenso estabelecido acerca dessa

relação, visto que o aperfeiçoamento do sistema viário existente ou a introdução de

equipamentos viários numa região desprovida desses recursos gera um incremento da

atividade econômica com a redução dos custos de transporte e facilidades de acesso à

dinâmica social de múltiplas regiões de interesse.

16

Dessa forma, o movimento de pessoas e cargas torna-se um dos grandes desafios das

sociedades contemporâneas. Uma rede de transporte bem planejada proporciona, por

exemplo, um incremento na capacidade de escoamento da produção agrícola e industrial, o

que é um fator importante para a redução de custos relacionados ao frete, além de propiciar o

aumento de divisas e manutenção do equilíbrio da balança comercial.

Paradoxalmente, esse dinamismo econômico propiciado pelos sistemas de transporte

acarreta também um dos maiores problemas dos grandes centros urbanos mundiais em que se

constitui o trânsito. Tome-se, como exemplo, o caso da cidade de São Paulo onde as

estimativas otimistas apontam perdas de R$ 1,79 bilhão anuais em acidentes,

congestionamentos e gastos na saúde pública[3]

com o trânsito; outras pesquisas apontam que

essas perdas podem ser até sete vezes maiores. Considerado nessa cifra, os congestionamentos

respondem por R$ 345 milhões, onde se incluem o consumo extra de combustível, a poluição

e o desgaste da infraestrutura viária; o restante do montante total é gasto com os acidentes.

Cintra[4]

salienta que as despesas geradas pelos congestionamentos são crescentes ao longo do

tempo e passaram de R$ 7 bilhões em 2002 para R$ 10 bilhões em 2012, enquanto que os

custos do tempo perdido saltaram de R$ 10,3 bilhões para R$ 30,2 bilhões no mesmo período

perfazendo assim perdas superiores a R$ 40 bilhões anuais. Apesar dos altos custos

relacionados aos acidentes e dos sérios impactos na vida dos acidentados e seus familiares, a

maior queixa dos condutores de São Paulo é a perda de tempo nos congestionamentos, que

aumentam em até 53% o tempo de viagem dos automóveis, e em 36% dos ônibus[3]

.

1.2 Justificativa e Motivação da Pesquisa

A utilização eficiente do sistema viário requer a busca de métodos que permitam o

fluxo máximo de veículos, bem como garantias de mobilidade para os pedestres, observando

o critério de segurança para ambos. Atualmente, constata-se que o crescimento simultâneo do

fluxo de veículos e da população nos principais centros urbanos mundiais agravou o problema

dos congestionamentos, gerando atrasos que acarretam perdas significativas de recursos

financeiros.

17

Uma solução completa para as perdas descritas anteriormente exige ações coordenadas

de gestão do órgão executivo de trânsito. Por exemplo, as perdas decorrentes do

congestionamento podem ser amenizadas pela adoção de algumas medidas de ordem prática,

como a reprogramação semafórica das vias mais atingidas.

Vários métodos de programação foram propostos ao longo das últimas décadas, como

o clássico método de Webster (1958). Abordagens recentes propõem a adoção de métodos

inovadores para o tratamento dessa questão, como os controladores de semáforo baseados em

lógica fuzzy, redes neurais e a aplicação da teoria de algoritmos genéticos.

O desenvolvimento deste trabalho é motivado pela necessidade de produzir um

modelo que otimize os recursos para permitir a fluidez máxima do trânsito urbano.

Considerando que o território físico é o meio no qual o deslocamento de veículos e pessoas

acontece, procura-se avaliar a introdução de uma ferramenta de geoprocessamento para a

gestão do sistema semafórico de uma cidade.

1.3 Objetivo Geral

O objetivo desta dissertação é estudar as potencialidades da utilização de um sistema

de informações geográficas como auxílio à programação semafórica. Propõe-se uma

arquitetura que englobe bases cartográficas digitais, SIG’s e métodos de programação

semafórica num ambiente de análise de medidas de desempenho da rede de semáforos de uma

cidade operando em modo isolado, fornecendo também o tempo de alocação a cada estágio e

projeções de comportamento do trânsito.

1.4 Objetivos Específicos

O estudo dos principais métodos de programação semafórica;

A avaliação do potencial das ferramentas de SIG (Sistemas de Informações

Geográficas) para auxiliar na resolução do problema;

18

A proposta de uma arquitetura de integração entre diferentes tecnologias para

programação semafórica; e

A implementação da arquitetura proposta e a discussão das dificuldades encontradas e

resultados obtidos.

1.5 Metodologia de Pesquisa

A metodologia desta pesquisa requer considerações quanto à natureza, objetivo e

procedimentos técnicos. Dessa forma, identifica-se os atributos:

Natureza: Trata-se de uma pesquisa aplicada, isto é, um trabalho voltado para a

geração de conhecimento para auxiliar na resolução de um problema prático que

atinge muitas cidades brasileiras;

Objetivo: Promover uma investigação exploratória de recursos tecnológicos

disponíveis para a construção de uma solução integrada para o tratamento da

programação semafórica num ambiente que utiliza uma base cartográfica digital e sua

rede de semáforos;

Procedimento técnico:

o Revisão bibliográfica;

o Estudo de conceitos teóricos para embasar o modelo;

o Obtenção de dados para a construção do produto;

o Definição da tecnologia a ser utilizada;

o Construção e teste de integração do produto.

O modelo proposto será validado através de um estudo de caso aplicado à cidade de

Campinas. O contexto da cidade será analisado, estudando os principais eixos que são

afetados por congestionamentos, e a possível incorporação de métodos dinâmicos para

determinação dos respectivos volumes de tráfego. A seguir, o modelo construído será testado

visando determinar a sua eficácia na resolução do problema considerado. Os órgãos

gerenciadores do trânsito poderão então utilizar os conceitos e ferramenta gerados para prover

um sistema de transporte e trânsito mais seguro e com maior fluidez.

19

1.6 Estrutura do Trabalho

Esta dissertação está organizada da seguinte forma: O capítulo 2 cita algumas

estatísticas relacionadas à mobilidade, introduz os conceitos básicos necessários ao

entendimento da programação semafórica e as potencialidades de alguns métodos

alternativos, como redes neurais, modelos fuzzy e algoritmos genéticos. O capítulo 3 apresenta

os sistemas de informações geográficas, base para o desenvolvimento do produto proposto.

Posteriormente, o capítulo 4 trata dos modelos de gerenciamento de trânsito e do método de

programação semafórica a ser utilizado no trabalho, além de analisar a viabilidade da

incorporação de uma ferramenta SIG para o tratamento do problema. O capítulo 5 descreve a

arquitetura proposta e os aspectos da implantação da solução. Na sequência, o capítulo 6

proporciona um estudo de caso com os conceitos desenvolvidos. Finalmente, o capítulo 7

apresenta as conclusões e as propostas de extensões para o trabalho.

20

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

A construção do modelo proposto neste trabalho exige a discussão dos seguintes

conceitos: bases cartográficas, sistemas de informações geográficas e programação

semafórica. Este capítulo apresenta algumas estatísticas relacionadas à mobilidade urbana e

também um panorama da questão da programação semafórica; O tópico relativo às

geotecnologias (bases cartográficas e sistemas de informações geográficas) será abordado

mais detalhadamente no capítulo 3.

A seção 2.1 apresenta alguns conceitos e dados que enfatizam a importância do tema.

Posteriormente, a seção 2.2 trata dos métodos tradicionais de programação semafórica e

algumas variantes. Para encerrar o capítulo, a seção 2.3 apresenta um resumo do capítulo.

2.1 Macro Características do Trânsito

A importância e os impactos dos sistemas de transporte na vida diária da população

são consideráveis. Clark[5]

menciona que o sistema de transporte é o construtor e o destruidor

de cidades. De fato, a relação entre ambos é tão intensa que o desenvolvimento de uma cidade

afeta as escolhas dos modais de transporte e este, por sua vez, afeta de maneira decisiva o

futuro da própria cidade. Esta relação entre ambos é bastante complexa e o seu equilíbrio é

uma questão vital para a sustentabilidade da urbe. Nos grandes centros urbanos americanos e

europeus, observa-se um fluxo crescente de migração da população em direção aos subúrbios,

ocasionado entre outros fatores pela saturação das áreas centrais. Daí, conclui-se que o

planejamento de uma política de transportes não deve ser dissociado da política de uso e

ocupação do solo.

O quadro não é diferente nos países emergentes. Cite-se o caso de São Paulo, a maior

cidade brasileira. Apesar da estrutura viária contar com 44 mil ruas e avenidas, totalizando 17

21

mil quilômetros de extensão, a mesma não comporta os veículos que por ela circulam

diariamente. O tempo perdido nos congestionamentos cresceu 15% ao ano no período de 2005

a 2007. Esse tempo desperdiçado aumenta de maneira significativa o chamado custo Brasil[4]

.

Vasconcellos et al.[6]

realizaram um estudo sobre a quantificação das chamadas

“deseconomias” do transporte urbano, ou seja, os gastos oriundos da ineficiência dos sistemas

de transporte e trânsito. O estudo aponta o congestionamento, o desperdício de combustíveis e

a degradação da qualidade ambiental como os fatores mais significativos, decorrentes da

deficiência no planejamento e gestão dos sistemas de transporte e de uso e ocupação do solo.

O congestionamento, por exemplo, refere-se ao tempo adicional imposto aos usuários logo

que um veículo entra na via. Tais problemas são denominados “externalidades”, e envolvem

custos e benefícios que não são pagos ou recebidos pelas pessoas. Por este princípio

econômico, os custos não compensados levam a uma utilização não ótima do equipamento

viário. Exemplos destes custos internos e externos são relacionados abaixo:

Tabela 1: Custos Internos e Externos em Transportes

Categoria de Custos Internos Externos

Despesas de Transporte Aquisição, manutenção e operação do

veículo

Tarifa de transporte público

Estacionamento pago por

terceiros

Infraestrutura Imposto de circulação

Imposto sobre combustíveis

Custo de infraestrutura não

cobertos

Congestionamento Tempo do próprio usuário Tempo dos demais usuários

Ambientais Poluição sobre o próprio usuário Poluição sofrida pelos demais

usuários

Acidentes Seguro pago pelo usuário

Custo de acidentes pago pelo usuário

Custo de acidentes pago pelos

demais envolvidos

Dor e sofrimento impostos ao

demais envolvidos

Fonte: Vasconcellos et al. [6]

Uma pesquisa realizada pela ANTP[7]

e publicada em 2015 apresenta alguns dados

interessantes relacionados à mobilidade urbana no Brasil, bem como alguns custos e

problemas oriundos. A figura 1 mostra que a população dos municípios com mais de 60 mil

habitantes (universo considerado para esta pesquisa) realizou 64,3 bilhões de viagens por

22

modo principal, correspondendo a uma mobilidade média de 1,74 viagens por habitante por

dia. Observa-se, ainda, neste gráfico o total de viagens realizada pelos diversos modais em

azul, destacando-se no conjunto em verde o número de viagens pelo transporte coletivo

(municipal, metropolitano e trilhos), transporte individual (automóveis e motos) e transporte

não motorizado (a pé e bicicleta).

Figura 1 - Viagens por ano, por modo principal (bilhões de viagens) – Ano 2013

Fonte: Adaptado da ANTP[7]

Na figura 2, nota-se que os tempos médios de viagem variam entre 38 minutos

(transporte coletivo nos municípios entre 500 mil e 1 milhão de habitantes) e 8 minutos

(transporte individual nos municípios com população entre 60 e 100 mil habitantes).

municípios com população entre 60 mil e 100 mil habitantes). Os dados mostram que o tempo

gasto com o transporte coletivo é sempre superior ao demais modais. Contudo, é importante

salientar que não se deve considerar apenas o tempo de deslocamento ao analisar a questão da

mobilidade, pois fatores adicionais contribuem de maneira significativa para a eficiência e

eficácia do sistema de modo global, como por exemplo, a emissão de poluentes, os custos

Total de

viagens

23

decorrentes dos acidentes e também os dos congestionamentos, que são cada vez maiores nos

grandes centros urbanos do planeta.

Figura 2 - Tempo médio de viagem por faixa de população e por modo agregado - Ano

2013

Fonte: Adaptado da ANTP[7]

Assim, o custo destas "externalidades" (poluição e acidentes) é bastante

representativo, conforme se verifica no gráfico da figura 3. No tocante à poluição, observa-se

que, em cidades com mais de um milhão de habitantes, o transporte individual gera um custo

aproximadamente 145% maior em relação ao transporte coletivo. Esse índice mantém-se

bastante elevado também nas cidades médias.

Situação ainda mais dramática pode ser observada com relação aos acidentes. O

transporte individual responde pela imensa maioria das ocorrências, sobretudo nas cidades de

grande e médio portes. Há apenas equilíbrio nas cidades de pequeno porte. Nas cidades com

mais de um milhão de habitantes, o custo total de acidentes ocasionados pelo transporte

37 38

35 35

29

36

18 16

11

8 8

15 15 16 16 16

17 16

23 23

21 20

18

22

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0-2

50

mil

60

-10

0 m

il

Sist

ema

Coletivo Individual Não Motorizado Total (ponderado)

Tempo

em

minutos

24

individual chega a superar a cifra de 500% quando comparado ao gerado pelo transporte

coletivo.

Figura 3 - Custo das externalidades por tipo e faixa de população (bilhões de reais/ano)

– Ano 2013

Fonte: Adaptado da ANTP[7]

Ademais é necessário observar a existência dos custos sociais no processo, pois o

poder público deve providenciar a estrutura que garante a mobilidade tanto para as pessoas

que utilizam o transporte coletivo quanto para aqueles que optam pela utilização do transporte

privado. A figura 4 ilustra esta situação. Constata-se, ainda, que os custos associados ao

transporte individual são sempre superiores.

Nas cidades com mais de um milhão de habitantes o custo pessoal pelo modo de

transporte individual é da ordem de 3.71 vezes superior ao custo individual pelo transporte

coletivo, ao passo que o custo social no mesmo cenário se mantém praticamente estável,

conforme contata-se na figura 4.

1,1

0,3 0,4 0,40,1

0,90,3 0,5 0,5

0,2

2,7

0,7 0,5 0,3 0,1

5,5

2

2,83,1

1,2

0

0 0 0

0

1

2

3

4

5

6

> 1

.00

0.0

00

50

0-1

.00

0 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

> 1

.00

0.0

00

50

0-1

.00

0 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

> 1

.00

0.0

00

50

0-1

.00

0 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

> 1

.00

0.0

00

50

0-1

.00

0 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

T Coletivo - Poluição T Coletivo - Acidentes T Individual - Poluição T Individual -Acidentes

Custo

(Bilhões R$)

25

Figura 4 - Custo da mobilidade por tipo e faixa de população (bilhões/ano) - Ano 2013

Fonte: Adaptado da ANTP[7]

Os dados apresentados até aqui demonstram que os custos associados ao transporte

individual são bastante superiores ao transporte coletivo. Esse fato é agravado também pela

política governamental de estimular a venda de veículos novos com reduções ocasionais de

impostos, quando o mais prudente seria estabelecer uma política nacional de transportes

públicos de massa. Uma das consequências imediatas desse quadro é o aumento de

congestionamentos e aumento da degradação ambiental nas maiores cidades do país.

Por outro lado, propostas contraditórias para mitigar os problemas do

congestionamento nas vias públicas estão em estudo como a restrição à circulação de

automóveis e a implantação do pedágio urbano. Entretanto, estas medidas podem causar

debates intensos entre os vários atores sociais e sua implantação nem sempre é tranquila.

20,8

5 5,9 5,31,7

38,7

2 0,1 0,1 0,2 0,1 2,5

77,2

22,5 23 21,7

7,7

152,1

2,2 1,1 2,1 2,3 1

8,7

0

20

40

60

80

100

120

140

160>

1.0

00

.00

0

500

-1.0

00 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

Bra

sil

> 1

.00

0.0

00

500

-1.0

00 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

Bra

sil

> 1

.00

0.0

00

500

-1.0

00 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

Bra

sil

> 1

.00

0.0

00

500

-1.0

00 m

il

25

0-5

00

mil

10

0-2

50

mil

60-1

00 m

il

Bra

sil

T Coletivo - Custo Individual T Coletivo - Custo Público T Individual - Custo Individual T Individual - Custo Público

Custo (bilhões

R$)

26

Medidas mais palatáveis, como a reprogramação semafórica, pode ser uma alternativa

menos dramática e mais rápida para minimizar os problemas ocasionados pelos

congestionamentos, sem no entanto ser a solução definitiva.

No Brasil, os grandes centros urbanos possuem órgãos próprios e empregam

tecnologias modernas para a gestão dos seus sistemas de trânsito. Contudo, embora a teoria da

programação semafórica exista há muito tempo e seus resultados comprovem sua eficácia,

pode-se encontrar cidades brasileiras de porte médio (50.000 a 400.000 habitantes) que não

utilizam a tecnologia e os métodos formais para o tratamento do problema. Bezerra et al.[8]

realizaram uma pesquisa com esse grupo de cidades no estado de São Paulo. Os autores

selecionaram 95 dos 103 municípios que se enquadram nesta categoria, obtendo o retorno de

44% deles. Neste universo, os pesquisadores apontam que uma parcela significativa do

universo pesquisado realiza o cálculo da programação semafórica de forma empírica com

observação em campo (37.5%). Outras 32.5% destas cidades utilizam métodos teóricos com

coleta de dados em campo e cálculo manual. Uma parcela adicional de 17.5% utiliza uma

mescla entre estas duas abordagens. Há ainda casos de cidades que utilizam métodos

empíricos com observação em campo, métodos teóricos sem coleta de dados no campo e

casos em que os tempos são calculados pelo fabricante do equipamento com dados fornecidos

pelo órgão responsável. Além disso, segundo os autores desta pesquisa, nenhuma destas

cidades utilizava softwares para o cálculo dos tempos dos semáforos.

A mesma pesquisa mostra que 62.5% destas cidades trabalham com a coordenação de

semáforos nas vias principais. O mesmo percentual se aplica àquelas que realizam contagens

de tráfego. No entanto, um percentual menor (50%) aplica o conceito de equivalência veicular

para os veículos pesados. Os veículos em conversão são considerados por apenas 5% do

universo desta pesquisa, ao passo que 12.5% realizam a contagem de pedestres. Soma-se a

isto o fato de que somente 35% destas cidades realizam análise de desempenho dos seus

semáforos. A maior parte delas (86%) considera o tamanho da fila gerada. O restante analisa

também o atraso.

27

Os resultados desta pesquisa evidenciam a enorme carência de gestão do trânsito nas

cidades brasileiras. Nota-se que, com exceção da grandes cidades, por óbvia necessidade, as

cidades médias e pequenas ainda padecem da falta de uma estrutura adequada para o

ordenamento do seu trânsito. Nesses casos, a prudência recomenda agir o quanto antes, pois o

sistema de circulação tende a piorar sempre na ausência de uma política adequada para o

tratamento da questão.

2.2 Métodos de Programação Semafórica

A função dos semáforos é alternar o direito de passagem de veículos e pedestres num

ponto de uma via pública que permite fluxos veiculares conflitantes. Este dispositivo deve ser

utilizado com critério pois, quando instalado num local inadequado, causa perturbações

profundas na corrente de tráfego. Além do fator localização, deve-se dimensionar

cuidadosamente cada uma de suas fases para não induzir os motoristas ao descumprimento

das regras de circulação impostas pelo equipamento, fato este que pode gerar acidentes.

Ao longo do tempo vários métodos foram propostos para otimizar o funcionamento

dos semáforos; Dentre eles destaca-se o clássico de Webster que será posteriormente

detalhado. O método de Webster foi adotado amplamente em várias cidades e mostrou-se

adequado para intersecções em modo isolado, pois utiliza uma série de parâmetros de controle

que contribuem para minimizar o atraso geral na corrente de tráfego, permitindo ainda o

cálculo da fila média gerada, o que fornece subsídios para a recalibragem do sistema quando

necessário.

Françoso[9]

relaciona alguns dos principais métodos utilizados para a operação de

semáforos com tempo fixo e as estimativas do tempo de espera e do tamanho das filas geradas

por estas abordagens distintas. A autora propõe também um novo método e analisa a

aderência relativa entre a expressão clássica de Webster para cálculo do atraso experimentado

pelos veículos e a abordagem proposta.

Em outra vertente, os processos matemáticos e a ciência computacional fornecem

subsídios interessantes para que novas fronteiras que tratam deste problema sejam exploradas,

dado o caráter aleatório dos cenários reais. Destaca-se a utilização dos algoritmos genéticos,

28

das redes neurais e da lógica fuzzy. Todas estas são áreas promissoras e sua utilização pode ser

ainda mais facilitada pela disseminação da informática e aumento do poder de processamento

dos sistemas computacionais atuais. Estas técnicas estão sob a égide da inteligência artificial.

Russell et al.[10]

a definem como a ciência que procura compreender e construir agentes

inteligentes. Tais agentes são capazes de perceber as condições do ambiente no qual estão

inseridos e reagir a estímulos. Essa característica é bastante apropriada à programação

semafórica, pois permite ao sistema responder às dinâmicas das variáveis que definem uma

corrente de tráfego. Em Liu[11]

encontra-se uma definição matemática para o problema

genérico, que consiste em minimizar o atraso total do tráfego, ajustando parâmetros como

ciclos, sequência de fases, entre outros e pode ser formulado por:

Min PI(k) = ∑ wiyi(k) = WTY(k)

s.t. X(k+1) = f(X(k), U(k), θ, k) + ξ(k), U(k) DU

Y(k) = g(X(k), U(k), k) + Ψ(k)

X(k) = [x1(k), x2(k), …, xn(k)]T

Y(k) = [y1(k), y2(k), …, xm(k)]

T

Onde, T é uma unidade de tempo, X(k) é um vetor n-dimensional que denota o volume

a velocidade e a densidade. Y(k) é um vetor de saída que engloba atrasos, número de paradas

e bloqueios. U(k) é um vetor de controle l-dimensional composto do ciclo e tempo de offset e

pertence à região viável DU. ξ(k) é um vetor que relaciona as influências externas na corrente

de tráfego. O vetor Ψ(k) inclui perturbações causadas por sistemas sensores. W é um vetor

com os pesos associados. As funções f e g são funções não lineares. Os métodos seguintes

podem auxiliar na resolução do problema acima.

Algoritmos Genéticos

Prothmann et al.[12]

definem os algoritmos genéticos como uma área de pesquisa da

ciência da computação que investiga a aplicação de técnicas de resolução de problemas

inspiradas em aspectos da natureza. Deve-se notar que a resolução de alguns problemas

29

científicos pode apresentar dificuldades de grau distinto. Alguns problemas são obscuros e

não parecem oferecer uma solução plausível. Por outro lado, outros podem fornecer uma

solução ótima que necessita ser pesquisada num conjunto numeroso de soluções possíveis,

mas não tão boas, daí a necessidade de técnicas de busca eficiente.

Os algoritmos genéticos imitam a evolução biológica, partindo de um conjunto inicial

(chamado população) de soluções geradas aleatoriamente. Após isso, o algoritmo seleciona

novas combinações através de operadores de seleção, mutação e crossover (Figura 5). Esse

processo se repete pela extração das melhores características dos pais e sua prole, construindo

assim uma nova geração. Em outras palavras, as soluções são aperfeiçoadas a cada iteração do

algoritmo. Basicamente a estratégia de evolução envolve os seguintes passos: inicialização;

representação das soluções potenciais; mecanismo de seleção de pais e sobreviventes;

operações de variação; verificação de adequação e critério de parada.

Figura 5: Operações de Crossover e Mutação

Crossover

Cromossomo 1 11011 | 00100110110

Cromossomo 2 11011 | 11000011110

Filho 1 11011 | 11000011110

Filho2 11011 | 00100110110

Mutação

Filho Original 1 1101111000011110

Filho Original 2 1101100100110110

Filho com Mutação 1 1100111000011110

Filho com Mutação 2 1101101100110110

Pai 02

Filho 02

Recombinação

G11 Y11 R11

G12 Y11 R12

G21 Y21 R21

G22 Y21 R22 Pai 01

G11 Y11 R21

G12 Y11 R22

G21 Y21 R11

G22 Y21 R12

Filho 01

30

Assim, para aplicações de algoritmos genéticos em programação semafórica, gera-se

inicialmente uma população, para a qual o tempo de verde dos indivíduos é alocado de

maneira aleatória dentro de uma faixa permitida. Posteriormente, cada indivíduo da população

é avaliado através do seu grau de aptidão. Este processo aponta os pais mais adequados para a

geração da prole seguinte. Em seguida, os mecanismos de recombinação e mutação são

aplicados. Uma nova avaliação da população gerada é realizada, buscando os mais aptos para

a sobrevivência. Este processo se repete até a obtenção da condição de parada do algoritmo.

Exemplos da utilização dessa técnica na resolução dos problemas de programação

semafórica podem ser encontrados nos trabalhos de Liu[11]

, Prothmann et al.[12]

e Montana et

al.[13]

. O primeiro autor relaciona trabalhos para otimizar planos semafóricos utilizando

combinações de tempos de ciclos, offsets e splits simultaneamente. Os resultados demonstram

que o desempenho global pode ser aperfeiçoado através da diminuição do atraso médio dos

veículos e do número médio de paradas. Prothmann et al.[12]

acrescentam que esta abordagem

é utilizada em cenários distintos: Controles de tempo fixo e variado, intersecções isoladas e

em rede, otimização de objetivo único e multi-objetivos. Como exemplo de eficiência do

método, os autores citam o caso de ganho de 8% no desempenho sobre sistemas mais

tradicionais. Montana et al.[13]

propõem um método que considera o uso de múltiplas

constantes para vários tipos de intersecções, o que permite uma adaptação às geometrias e

taxas de fluxo veicular variados, induzindo à comunicação, especialização e cooperação entre

conjuntos semafóricos. Os autores afirmam que os resultados são ainda preliminares, mas

promissores, visto que foram capazes de obter médias globais melhores.

Kalganova et al.[14]

estudaram a aplicação dos algoritmos genéticos na coordenação

semafórica múltipla através da otimização dos tempos de verde e vermelho de cada elemento

da rede minimizando assim o atraso global. Os autores representam os tempos dos elementos

da rede como um único cromossomo, cuja capacidade corresponde ao atraso total dos

veículos utilizando o trecho em estudo. Esta capacidade é obtida através de simulação, com a

introdução de taxas aleatórias de chegada de veículos nas bordas da rede, o que garante um

modelo robusto para cenários variados. No entanto, os autores apontam a necessidade de

testar o método numa rede mais ampla, bem como estabelecer métricas comparativas de

desempenho com outros modelos.

31

Redes Neurais

Haykin[15]

define uma rede neural como “um processador paralelo e distribuído

constituído de unidades de processamento simples, que tem a propensão natural para

armazenar conhecimento experimental, disponibilizando-o para uso”[Haykin, 1999, p. 24].

Ainda conforme o autor, uma rede neural assemelha-se ao cérebro humano em dois aspectos:

1. O conhecimento é adquirido pela rede do seu ambiente de contexto através de um

processo de aprendizagem.

2. A força da conexão entre os neurônios, conhecidas como sinapse, é utilizada para

armazenar o conhecimento adquirido, associando-se um peso.

O procedimento utilizado para executar o processo de aprendizagem é denominado

“algoritmo de aprendizagem”, cuja função é ajustar os pesos sinápticos de maneira ordenada

para atingir a função objetivo desejada. A modificação dos pesos relaciona-se à forma

tradicional de filtros lineares adaptativos, testada com sucesso em vários casos práticos.

Ademais, a rede pode modificar sua própria topologia, imitando o cérebro humano, onde

neurônios podem morrer e novas conexões sinápticas podem aparecer. Dessa forma, dispõe-se

de uma estrutura bastante flexível, cujo poder deriva basicamente da grande estrutura

distribuída, da capacidade de aprender e de generalizar. Essas características conferem grande

plasticidade ao modelo, que é a sua capacidade de se adaptar ao ambiente no qual está

inserido.

Alguns modelos de programação semafórica utilizam-se das redes neurais devido a

sua capacidade de lidar com cenários não lineares. Liu[11]

afirma que há três casos de

aplicação das redes neurais em controle semafórico. No primeiro caso, a rede é utilizada

exclusivamente para modelagem, aprendizagem e controle. No segundo caso, a capacidade de

generalização da rede neural é usada com base em outros métodos como, por exemplo, para

aperfeiçoar a precisão de controladores fuzzy. O autor cita o exemplo de uma rede que foi

utilizada como um modelo de previsão para o sistema de tráfego, contrapondo-se ao modelo

de previsão tradicional, que nem sempre é preciso. Finalmente, no terceiro caso, a rede neural

32

é combinada com outros métodos para ampliar a capacidade de generalização conjunta. Nesse

caso, o resultado do processo de aprendizagem deve convergir para um ponto ótimo global.

Kagolanu[16]

utiliza uma arquitetura de redes neurais como apoio à lógica fuzzy para

aperfeiçoar o desempenho de intersecção semaforizada (Figura 6). Trata-se de um modelo de

três camadas totalmente conectado: a camada de entrada, a camada oculta e a camada de

saída. O procedimento de treinamento é induzido via retro-propagação com uma função de

transferência do tipo sigmóide.

Figura 6: Esquema de uma Rede Neural

Fonte: Adaptado de Kagolanu[16]

O modelo mostra a relação existente entre as variáveis de entrada do tráfego (o

volume, o atraso e as informações da fase) e as de saída, que apresenta os valores ideais para a

operação do sistema. Além disso, a camada de entrada funciona como um distribuidor para a

camada oculta e o algoritmo opera em duas fases. Na primeira, chamada de aprendizagem,

ocorre o ajuste ótimo de pesos para um padrão típico. Na segunda fase, a previsão adaptativa,

o algoritmo recalcula os pesos conforme os valores recebidos através dos sensores de entrada.

Os dados de treinamento baseiam-se numa amostragem típica do fluxo veicular para a região

considerada.

Otimização

Treinamento

33

Chao et al.[17]

utilizam um modelo estendido que calcula o número de veículos que

passa num cruzamento na fase verde, além do tempo que cada um necessita para a travessia.

Posteriormente, os dados coletados são utilizados em um método de estimativa para

reconhecimento de padrões de fluxo de tráfego em intersecções semaforizadas. Cria-se, então,

um agrupamento distinguindo o grau do fluxo (alto, moderado e leve) para as aproximações

do cruzamento. Os autores apontam que o algoritmo proposto consome menos tempo de

treinamento, menos memória para processamento e gera resultados mais precisos. Além disso,

quando mudanças no fluxo são observadas, o método necessita ajustar apenas uma fração dos

dados, o que contribui para a eficiência global do algoritmo, fazendo com que o mesmo seja

uma solução interessante para controle em tempo real.

Lógica Fuzzy

A modelagem de fenômenos do mundo real nem sempre é possível a partir de

entidades definidas de maneira absoluta. A incerteza, que não é um atributo raro, precisa ser

incorporada de maneira apropriada nos modelos que se propõem a estudar questões do mundo

real. Durante muito tempo a incerteza foi tratada através da teoria de probabilidades. No

entanto, atualmente essa característica é abordada em termos de conjuntos fuzzy e

sobrepostos. O método fuzzy permite que a natureza incerta, complexa e vaga de um objeto,

seja representada através da pertinência parcial a conjuntos sobrepostos[18]

. A vantagem desta

abordagem é permitir a representação e a manipulação mais precisa de conceitos e posterior

tomada de decisão.

A aplicação desse conceito na programação semafórica pode ser observada no trabalho

de Gadêlha et al.[19]

. Os autores realizaram uma experiência em um controlador eletrônico

microprocessado; Apresentou-se o algoritmo fuzzy e a sua implementação neste equipamento.

A experiência foi realizada na operação de um cruzamento isolado simples com duas

aproximações. A partir do levantamento dos fluxos de veículos para um dia típico e da

determinação de um tempo máximo de duração do verde, definiu-se as variáveis de entrada e

saída, as regras de inferência e o universo de discurso, como se segue:

Variáveis de entrada: fluxo de veículos na Rua A, fluxo de veículos na Rua B.

34

Variáveis de saída: tempo de verde para a Rua A, tempo de verde para a Rua B.

Universo de discurso: variáveis de entrada = [0,60] (veículos/tempo).

variáveis de saída = intervalo[10,39] (segundos).

Os fluxos são quantificados na escala: pequeno, médio pequeno, médio, médio grande

e grande. Após descrever os detalhes de operação do algoritmo, os autores apresentaram os

seguintes resultados: redução de 30% no comprimento médio da fila e redução de 20% no

atraso médio por veículo. Os resultados demonstram, a princípio, a viabilidade do método.

Relatos da eficiência da lógica fuzzy em programação semafórica podem ser

encontrados também em Wei et al.[20]

. Neste trabalho os autores testaram esta abordagem na

determinação do tempo do ciclo para um cruzamento com quatro aproximações, que permite

adaptações conforme mudanças observadas na corrente de tráfego. Os autores trabalharam

com o conceito de “grau de urgência”, que descreve as diferentes demandas dos usuários pelo

sinal verde. O algoritmo descrito é capaz de decidir entre alongar ou abreviar a fase atual de

operação e iniciar um novo ciclo. Os autores relataram a redução de 15 a 25% no número de

paradas e de 15 a 30% no atraso médio.

2.3 Resumo

Este capítulo apresentou algumas considerações sobre os problemas decorrentes das

ineficiências do sistema viário em atender todos os movimentos. Observa-se que a

complexidade dos problemas de trânsito gera perdas de milhões de reais anualmente. Além

disso, foi possível constatar a precariedade em várias cidades brasileiras no que tange a

utilização de métodos formais para o tratamento da programação semafórica. O problema do

congestionamento pode ser amenizado pela escolha do local apropriado para a instalação dos

semáforos e a sua correta programação. O capítulo aborda o método tradicional de Webster

para a programação semafórica e os resultados reportados por alguns modelos alternativos. Os

autores destes estudos apontam ganhos interessantes no desempenho global do fluxo veicular

urbano, embora alguns deles enfatizem a necessidade de testes mais amplos.

35

Capítulo 3

Sistemas de Informações Geográficas

Os Sistemas de Informações Geográficas são tecnologias que trabalham com dados e

informações organizados no espaço geográfico, com recursos versáteis de análise de dados e

geração de produtos que subsidiam o processo de tomada de decisão, sempre que o espaço for

em ente importante a ser considerado. Neste trabalho o SIG será um dos componentes do

modelo a ser desenvolvido. Contudo, a proficiência nesta ferramenta depende da aquisição de

um acervo grande de conceitos, os quais serão abordados neste capítulo.

A seção 3.1 apresenta os conceitos relacionados a bases cartográficas digitais.

Posteriormente, a seção 3.2 trata dos sistemas de informações geográficas (SIG). A seção 3.3

introduz uma categoria especial de SIG, a saber, o SIG-T, que são sistemas de informações

geográficos aplicados a transportes. Para encerrar o capítulo, a seção 3.4 apresenta um resumo

dos conceitos.

3.1 Bases Cartográficas Digitais

O primeiro requisito a ser observado para a utilização de um Sistema de Informações

Geográficas é a produção de uma base cartográfica digital. O processo de construção de uma

base cartográfica digital deve ser efetuado seguindo uma série de normas e procedimentos. No

Brasil, a construção de uma base cartográfica é embasada por uma legislação cartográfica

específica e uma série de normas, decretos, portarias, resoluções e emendas, entre as quais,

pode-se citar: Execução de Levantamento Topográfico (NBR 13.133), Rede de Referência

Cadastral Municipal (14.166).

É importante salientar que, mesmo considerando os estes aspectos, uma base

cartográfica pode apresentar características diversas, dependendo da aplicação a ser atendida.

36

Por esta razão, questões como a escala apropriada, a geração da ortofoto e o processo

de reambulação devem ser cuidadosamente planejados, pois os custos envolvidos podem ser

elevados. Uma carta em escala de 1:5000 pode ser suficiente para muitas aplicações em um

SIG. No entanto, para aplicações voltadas para a área de transporte recomenda-se ao menos a

escala 1:1000 contendo elementos como: arruamento, principais edificações, a definição do

meio fio, calçadas, posteamento e vegetação de grande porte.

Elaboração de uma Base Cartográfica Digital.

A Norma Brasileira nº 14.166 define uma base cartográfica como o conjunto de cartas

e plantas integrantes do Sistema Cartográfico Municipal que, apoiadas na rede de referência

cadastral, apresentam no seu conteúdo básico as informações territoriais necessárias ao

desenvolvimento de planos, de anteprojetos, de projetos, de cadastro técnico e imobiliário

fiscal, de acompanhamento de obras e outras atividades projetuais que devam ter o terreno

como referência[21]

.

A elaboração de uma base cartográfica digital é uma tarefa complexa que deve ser

efetivada com a ajuda de especialistas. O primeiro ponto a ser observado é a definição clara

do propósito do projeto, ou seja, o levantamento das camadas de informação que constarão na

base e que viabilizarão a implantação dos mais variados projetos, tanto por parte dos órgãos

públicos quanto privados. Para tanto, dispõe-se normalmente de três métodos: topografia

clássica, levantamento aerofotogramétrico e sensoriamento remoto orbital. A seguir,

apresenta-se de maneira breve conceitos sobre cada um deles.

A topografia clássica é viável quando a área a ser mapeada não é muito extensa, pois o

trabalho de campo exigido, nessa situação, é bastante significativo. Essa modalidade de

levantamento considera a terra plana e utiliza instrumentos para a medição de ângulos e

distâncias, calculando posições utilizando geometria e trigonometria planas. A introdução de

equipamentos mais modernos nessa área (estações totais) contribuiu muito para o aumento da

produtividade na aquisição de dados por essa técnica[22]

. Sua utilização exige o cumprimento

da Norma Brasileira nº 13.133 (1994), que aborda a execução de levantamentos topográficos

e da Norma Brasileira 14.166 (1998) que fixa as diretrizes para a implantação da Rede de

Referência Cadastral Municipal, que tem como objetivo amarrar os serviços de topografia

37

visando a sua correta inclusão nas plantas cadastrais do município, tanto para fins públicos

quanto legais.

O levantamento aerofotogramétrico utiliza um avião com câmera métrica que toma

fotografias sequenciais parcialmente sobrepostas, em faixas paralelas, recobrindo toda a área

de interesse[22]

. De forma resumida, deve-se considerar a seguintes etapas:

1. Planejamento e Execução do Voo: Considera-se principalmente a delimitação da área

a ser mapeada, a altura e a velocidade da aeronave, o sentido e a linha de voo, o

número de faixas, as fotos por faixa, a distância focal da câmera e as superposições

lateral e longitudinal.

2. Trabalho de Laboratório: Os filmes obtidos são revelados (caso não sejam utilizadas

câmeras digitais) para a produção das fotos que podem ser gravadas em papel e

diapositivos e posteriormente são utilizados nas fases de restituição e reambulação.

Também são confeccionados o foto-índice e o mosaico.

3. Apoio Terrestre para Restituição: Consiste na determinação das coordenadas de

pontos bem identificáveis no território e que serão utilizados na restituição analógica e

analítica como pontos de controle.

4. Aerotriangulação: Essa etapa envolve a obtenção de coordenadas e altitudes de pontos

claramente identificáveis nas fotos com o objetivo de aumentar a densidade dos pontos

planialtimétricos.

5. Ortofoto Digital: Tem como produto as fotos aéreas retificada ortogonalmente,

permitindo, assim, a visualização direta das imagens. Podem conter ainda detalhes

como malhas de coordenadas e altimetria, mas sua interpretação nem sempre é direta.

6. Restituição Aerofotogramétrica: Tem por finalidade a produção dos mapas a partir das

ortofotos, extraindo as feições a partir do modelo estereoscópico, ajustados e

referenciados através dos pontos de controle.

7. Reambulação: É a etapa final e envolve a coleta de dados relativos à toponímia,

hidrografia, divisões administrativas e políticas e demais elementos que não podem ser

obtidos diretamente das fotos.

No que tange o sensoriamento remoto orbital, Barnsley[23]

o define como a tecnologia

que utiliza instrumentos (sensores), plataformas (satélites orbitais, aeronaves) e técnicas de

processamento de dados para derivar informações sobre propriedades físicas, químicas e

38

biológicas da superfície do planeta sem recorrer ao contato físico direto, e que são obtidas a

partir da medida das variações da radiação eletromagnética emitida ou refletida, dependendo

do tipo do sensor utilizado (ativo ou passivo).

Muitos usuários tem utilizado o SR para produção de bases cartográficas. Contudo, o

processo por esse método apresenta deficiências quanto a precisão e exatidão para cartas que

serão utilizadas em SIG’s cadastrais, como aqueles específicos de transportes, cujas escalas

são consideradas grandes (1:1.000 e 1:5.000). Apesar dos avanços observados com essa

tecnologia recentemente, o sensoriamento remoto ainda carece de aprimoramentos para a

elaboração de bases cartográficas para projetos de engenharia.

Aplicações Tradicionais e Novas Fronteiras para a Cartografia e as Bases Cartográficas.

Uma base cartográfica digital elaborada a partir da observação de todos os preceitos

cartográficos tem o potencial de auxiliar na resolução de qualquer problema que tenha como

base o território.

Martínez[24]

relaciona algumas das aplicações mais tradicionais com finalidades

cadastrais, urbanísticas, fiscais, jurídicas e gestão dos serviços técnicos municipais. Para o

autor, uma base cartográfica, especialmente em escala grande, age como um valioso

instrumento de comunicação dos projetos urbanísticos. O autor cita, como exemplo, a

utilização de bases cartográficas em projetos técnicos para o traçado de redes de serviço

(telefone, eletricidade, saneamento, gás, TV a cabo) onde, tanto os dados topográficos como a

distribuição das parcelas que afetam o empreendimento, precisam ser conhecidas para o caso

de desapropriações ou manutenções posteriores.

Costa[25]

, por sua vez, reforça esses tópicos de aplicação e adiciona outros,

especialmente na área de transportes. O autor explica que o planejamento de transportes

procura otimizar os modos de transportes para a circulação de pessoas e mercadorias,

minimizando problemas como a demora no tempo dos deslocamentos, congestionamentos e

acidentes de trânsito, garantindo assim melhorias nas condições operacionais dos fluxos. Para

tanto, faz-se necessário a obtenção de um inventário de toda a infraestrutura que é parte do

sistema viário da região de interesse referenciado no espaço, e a sua posterior incorporação a

uma base cartográfica. Esse produto tem ainda a potencialidade de ser utilizado em tópicos

39

como: elaboração de mapas de carregamento, planta cadastral do sistema viário,

gerenciamento do sistema de transporte coletivo, localização de pontos negros de acidentes,

projeto e cadastro da sinalização de trânsito, além de projetos básicos e executivos de

quaisquer elementos pertencentes ao sistema viário.

Outra vertente de aplicações de uma base cartográfica digital é a que diz respeito ao

cadastro técnico multifinalitário. Um cadastro envolve a organização de um acervo de

informações relacionadas a um determinado tópico para atingir um determinado fim ou servir

a uma aplicação. De maneira mais específica, o cadastro técnico multifinalitário pressupõe a

inclusão de um variado número de dados que descreve as entidades pertencentes ao território

em análise e que auxiliam no processo de tomada de decisões, por parte de agentes públicos

ou privados, e que considera tanto o patrimônio público como o privado, bem como as leis

que regem sua posse. O cadastro multifinalitário tem também grande importância para a

gestão dos sistemas de transporte e trânsito, pois pode abarcar dados do sistema viário,

circulação e volumes, gerando assim, um acervo importante para aperfeiçoar a mobilidade

urbana.

Loch[26]

apresenta um perfil evolutivo do cadastro técnico multifinalitário,

considerando desde as primeiras aplicações com o intuito de aumentar a arrecadação fiscal até

a visão mais moderna, que considera além das aplicações tributárias, questões como: a gestão

do território sob o ponto de vista da segurança jurídica, as exigências ambientais, a

incorporação de recursos tecnológicos e a integração entre diferentes órgãos gestores do

território.

Observa-se pelo exposto até esse ponto que um dos impactos mais significativos na

cartografia e nas bases cartográficas foi ocasionado pela introdução da informática em seus

domínios. A facilidade para a produção de novos mapas e a disseminação dos mesmos para

qualquer pessoa com acesso a softwares específicos de SIG (Sistemas de Informações

Geográficas) e à internet transformou as bases cartográficas digitais em um instrumento

valioso para a navegação, a a visualização e compreensão do espaço geográfico no qual a

população está inserida. Esse fato abre espaços para novos desafios e possibilidades.

O atendimento das necessidades de acesso a dados cartográficos por um público com

perfil diferenciado torna necessário o desenvolvimento de interfaces bastante amigáveis que

40

maximizem a interatividade na exploração de dados cartográficos. Dessa forma, a cartografia

procura explorar também a utilização de recursos multimídias para a disponibilização dos

seus produtos, sobretudo os dados distribuídos via internet e telefonia celular, provendo

mapas em tempo real e acesso a um variado número de localização de facilidades de serviços

disponíveis ao cidadão.

Ramos[27]

aborda o tópico acima, explicando que “novos mapas, impossíveis de serem

concebidos em papel, com recursos como animação, interatividade, hipertextualidade,

multimídia, são uma realidade e estão cada vez mais presente no cotidiano”. A possibilidade

de inclusão de tais recursos em um mapa torna a experiência com a cartografia muito mais

interativa e deve-se considerar o fato de que a sociedade atual tem mais facilidade para

absorver conhecimentos e registrar os dados em sua memória quando essa experiência

envolve estímulos visuais. A autora observa, também, que a introdução do conceito de

hipertexto possibilitou o surgimento de outro conceito relacionado, o de hipermapa. Trata-se

de um mapa navegável que explora o conceito de hipertextualidade através da incorporação

de referências geográficas. Além disso, pode-se associá-lo a um banco de dados contendo os

elementos para uma exploração interativa mais efetiva como texto, vídeo, áudio, animações e

fotos.

Neste cenário surgiu um novo conceito, a Cartografia Móvel. Reichenbacher[28]

a

define como “as teorias, os métodos e as tecnologias de visualização cartográfica adaptativa e

dinâmica de informações geográficas e seu uso interativo em dispositivos móveis onde a

visualização se ajusta a um ou mais componentes de um determinado contexto de utilização

(localização, tempo, usuário, atividades, informação e sistemas)”. Deve-se considerar que, se

por um lado, estes dispositivos móveis apresentam algumas restrições na exibição de alguns

detalhes dos mapas, por outro lado são extremamente interessantes no provimento de

informações em tempo real. Além disso, o próprio usuário torna-se partícipe na seleção e

geração dos dados do seu interesse, o quê não é possível com a cartografia tradicional e seus

mapas estáticos.

Diante do exposto pode-se inferir que o processo de construção de uma base

cartográfica é um instrumento crucial para a gestão ordenada do território, gerando

documentos idôneos acerca do processo de apropriação do território por parte da população,

dos órgãos públicos e privados. Assim, fica claro o potencial do produto no ordenamento do

41

território e na promoção do desenvolvimento econômico e social dos municípios que

investem na estruturação de uma base cartográfica digital. Considerando que a base de

atuação legal de qualquer instância de governo é o território cria-se, em consequência, um

estimulo considerável para a produção e manutenção de uma base cartográfica associada a um

cadastro técnico multifinalitário. Entretanto, a consolidação deste processo no Brasil é lenta.

A precariedade dos produtos cartográficos é acentuada e, mesmo municípios com mais

recursos, ainda prescindem de uma base cartográfica digital em escala apropriada para apoio

às atividades de planejamento e gestão do território. Na realidade, poucos estão tomando

ações efetivas referentes à consolidação das informações geográficas que visem a elaboração

de uma base cartográfica digital associada a um cadastro técnico multifinalitário[29]

.

Para a finalidade deste trabalho recomenda-se a produção de uma base cartográfica em

escala 1:1000, obtida a partir de um voo aerofotogramétrico. Esta escala permite o tratamento

adequado da malha viária, com a inclusão de todos os eixos e a incorporação da rede

semafórica. Trata-se de uma escala adequada para a boa visualização de mapas temáticos e

análise das vias mais afetadas pelos congestionamentos.

3.2 Sistemas de Informações Geográficas

Do mesmo modo que a montagem de uma base cartográfica digital exige o

envolvimento de pessoas com grandes conhecimentos técnicos, assim também ocorre com a

implantação de um Sistema de Informações Geográficas (SIG).

Um SIG pode ser definido de múltiplas maneiras, dependendo do enfoque que se

deseje priorizar. Pode-se enfatizar a própria ferramenta de SIG, o banco de dados que gera

seus dados ou ainda a organização na qual o sistema está inserido como um todo. Burrough[18]

apresenta algumas dessas definições:

1. Definição como ferramenta tecnológica (Burrough[18]

): Um poderoso conjunto

de ferramentas para coleta, armazenamento, recuperação, transformação e

exibição de dados espaciais do mundo real.

42

2. Definição como Banco de Dados (Smith et al.1apud Burrough

[18]): Um sistema

de banco de dados onde os dados são indexados espacialmente, e sobre os

quais opera um conjunto de procedimentos para responder perguntas sobre

entidades espaciais na base de dados.

3. Definição Organizacional (Cowen2 apud Burrough

[18]): Um sistema de apoio à

tomada de decisões envolvendo a integração entre dados georeferenciados num

ambiente de resolução de problemas.

Tomlinson[30]

, por sua vez, sugere a adoção de um modelo e reforça a maior

flexibilidade do mesmo em relação às definições precedentes. Segundo o autor, por tratar-se

de uma tecnologia horizontal, isto é, capaz de atender aplicações em praticamente todas as

áreas da sociedade moderna, é desejável considerar um modelo independente de qualquer

contexto específico. Dessa maneira, cria-se informação consistente para toda a organização,

de maneira clara e concisa. Os dados são atualizados com frequência, compartilhados entre

departamentos, evitando-se ainda a duplicação de esforços para o manutenção do ambiente.

Assim, o autor propõe o modelo esquematizado na figura 7. Analisando o modelo,

pode-se observar alguns pontos. Primeiramente, são os dados brutos que tornam todo o

sistema funcional. Os dados geográficos distinguem-se pela presença de coordenadas

referenciadas a um sistema de projeção cartográfica e contidos no cadastro técnico

multifinalitário. Normalmente estes dados são organizados no banco de dados como layers

individualizados e representados através das primitivas geométricas básicas (pontos, linhas e

polígonos) ou no modo raster. Além disso, a riqueza dos atributos descritivos determinará o

poder da solução implantada. Dados históricos são frequentemente registrados em papel,

assim torna-se necessário digitalizá-los ou submetê-los a um scanner com os devidos

cuidados de controle de qualidade. Os dados geométricos que descrevem o território atual

devem ser elaborados observando os preceitos descritos na seção anterior referente à

montagem de uma nova base cartográfica digital.

1 Smith, T.R., Menon, S., Starr, J.L., and Estes, J.E., Requirements and Principles for the Implementation and

Construction of Large-scale Geographical Information Systems, International Journal of Geographical

Information Systems, 1:13-3, 1987. 2 Cowen, D.J., GIS versus CAD versus DBMS: What are the Differences ?, Photogrammetric Engineering and

Remote Sensing, 54: 1551-4, 1988.

43

Figura 7: Componentes de um SIG

Fonte: Adaptado de Tomlinson[30]

Uma vez reunidas essas informações de maneira sistemática num único banco de

dados eletrônico, torna-se possível as xanálises geográficas e a produção de novos mapas,

através da operação interativa com um operador ou da operação com sistemas previamente

construídos.

Os produtos gerados incluem novos dados baseados em atributos, em formas

geométricas ou ainda em ambos. Esses dados podem ser produzidos no formato de tabelas,

relatórios ou mapas e apresentadas na própria tela de um computador, numa impressora ou

serem até disseminadas através da internet ou de uma intranet.

Observa-se que, nas várias raízes dos sistemas de informações geográficas, a

versatilidade do produto está diretamente ligada à estrutura de um banco de dados que

represente de maneira fidedigna a realidade geográfica através dos objetos geométricos e seus

atributos, possibilitando assim a criação de outras entidades geográficas ou a recuperação de

informações baseadas nas primitivas do geoprocessamento e da teoria de banco de dados.

44

Tópicos a serem considerados na implantação de um SIG

Alguns quesitos devem ser ponderados com critério quando da definição das

funcionalidades a serem incorporadas num SIG, entre os quais, destacam-se: considerações

sobre espaço e tempo, qualidade dos dados, arquitetura do sistema, banco de dados e análise

espacial, SIG como ferramenta de gerenciamento e as aplicações operacionais a serem

contempladas no sistema. Apresenta-se a seguir detalhes acerca destes tópicos.

Considerações sobre Espaço e Tempo

A representação de fenômenos espaciais e sua associação a uma escala temporal

sempre foi fonte de debates entre os pesquisadores dos mais variados ramos da ciência que

tratam da questão espaço-tempo, como a matemática, a física, a filosofia e a geografia.

Couclelis[31]

aborda esse ponto e cita as perspectivas conflitantes decorrentes das

várias formas de representação do espaço e tempo em sistemas de informações geográficas. A

autora enfatiza os problemas da representação de espaços absolutos e não métricos, bem como

a incorporação de entidades e fenômenos inexatos. Desse fato, temos quatro perspectivas

diferentes no processo de modelagem dos dados:

1. A empírica, que procura captar as propriedades espaço-temporais das entidades em

estudo (cidade, lagos, áreas verdes, etc.);

2. A formal, que considera as primitivas de pontos, linhas, áreas e superfície e as

restrições impostas pelo modelo digital;

3. A experimental, que considera conceitos cognitivos para a conversão de dados

geográficos de maneira que possam ser assimilados com mais facilidade pelo

público alvo;

4. A social, que considera as perguntas a serem respondidas pelo sistema e as

ontologias mais apropriadas para cada caso.

Essas perspectivas são conflitantes, pois nem sempre uma contempla a visão da outra.

Por exemplo, a tríade ponto-linha-área não é adequada para a representação de fenômenos que

envolvem algum grau de incerteza, sendo recomendável nesse caso a incorporação de

conceitos fuzzy. Da mesma forma, conceitos temporais não são tratados de forma idêntica nas

45

perspectivas descritas anteriormente.

A multiplicidade de conceitos e recursos descritos permite a combinação de um grande

número de dados e descoberta de padrões que não são evidentes, caso analisados de maneira

separada. Dessa forma, a incorporação de objetos e processos que povoam a realidade

geográfica introduz novos paradigmas de espaço e tempo. Almeida[32]

relaciona esses novos

paradigmas:

Reciprocidade: Capacidade de análise de fenômenos e processos espaço-temporais de

maneira sistêmica, considerando efeitos recíprocos em sistemas inter-relacionados.

Simultaneidade: Diz respeito ao acesso imediato às informações em meio digital e a

possibilidade de tomada de decisões em tempo real. Nesse aspecto a integração entre

SIGs e a internet ou dispositivos móveis de comunicação é vital.

Interatividade: Consiste na criação de mecanismos que ampliam as possibilidades de

participação da sociedade na definição dos rumos a serem seguidos na transformação

do espaço geográfico. Faz-se uso das ferramentas do tipo SSP (Sistemas de Suporte ao

Planejamento) que integra o conceito de e-Planning, que permite a participação

popular através de fóruns on-line. Assim, um cidadão interessado pode ser um agente

na transformação do espaço geográfico.

Intemporalidade: Permite a realização de um grande número de tarefas independente

das restrições de espaço e tempo como, por exemplo, acesso a serviços bancários,

compras, videoconferências e pesquisas em instituições estrangeiras.

Recursividade: Possibilita a replicação das estruturas do espaço geográfico e suas

intercomunicações, bem como a consequente análise dos efeitos das mudanças inter-

relacionadas.

Com relação à questão temporal em SIG’s, deve-se observar que essa dimensão

ganhou uma importância significativa nos últimos anos em razão da necessidade de analisar

as alterações espaciais no território e buscar inferir um padrão de comportamento para as

mesmas. Esse efeito temporal é obtido a partir do armazenamento de um novo registro na

base de dados sempre que ocorra uma mudança significativa para o espaço representado.

Assim, os projetistas devem considerar as estruturas mais adequadas para o armazenamento

dos fenômenos e a granularidade temporal a ser adotada.

46

Peuquet[33]

apresenta algumas das estruturas mais aceitas para essa tarefa e suas

vantagens e desvantagens. A autora cita a abordagem da “foto instantânea” que registra as

alterações num layer de informação tendo como referencial uma linha de tempo. A

desvantagem desse método é grande quantidade de espaço de armazenamento em disco

necessário para acomodar essa estrutura. Outra possibilidade é a representação baseada em

entidades, que é mais eficiente do ponto de vista computacional. Todavia, é crescente a

tendência de utilização do modelo orientado a objetos ou do objeto-relacional, porquanto os

conceitos de encapsulamento e herança propiciam a flexibilidade necessária para a

manipulação de dados com características temporais. A figura 8 ilustra essa estrutura.

Figura 8: A abordagem orientada a objetos

Fonte: Adaptado de Peuquet[33]

Uma classe pode ser entendida como uma família de objetos que possuem

características em comum. Estas, por sua vez, dão origem aos objetos, que são componentes

de software reutilizáveis. Praticamente todo substantivo que descreve um ente do mundo real

pode ser representado como um objeto caracterizado por atributos e comportamentos. A

grande vantagem desta abordagem é a maior facilidade de compreensão, correção e

atualização de sistemas[34]

. Em consequência, o desenvolvimento de soluções computacionais

para o tratamento de dados e informações ganha muito em termos de produtividade.

Classe

Objeto

Geográfico

Ge

Componente

não espacial

Ge

Localização

Ge

Componente

Temporal

Ge

É um

Ge

Versões

Localização

Ge

Versões

Atributo A

Ge

Versões

Atributo B

Ge

Versões

Atributo C

Ge

Inicio

Ge

Fim

Ge Eventos

Ge

47

Para explorar com mais intensidade o poder dessa estrutura é necessário que o sistema

gerenciador de banco de dados disponha de uma linguagem de manipulação de dados

igualmente rica e eficiente. Para tanto, o desenvolvimento da linguagem SQL/Temporal, que é

uma extensão da linguagem SQL original, é um avanço incorporado em vários sistemas

gerenciadores de banco de dados atuais.

Qualidade dos Dados

A complexidade inerente à coleta de dados geográficos torna muito difícil a

elaboração de uma base cartográfica totalmente livre de erros. Não é raro o aparecimento de

diferenças entre o conteúdo registrado na base cartográfica e o seu equivalente no banco de

dados. Essas diferenças são normalmente decorrentes de erros nas medições, mas podem

ocorrer também a ausência ou indisponibilidade de dados. Normalmente, define-se o erro

como a discrepância entre o valor codificado no banco e o valor de fato de um atributo. Nesse

ponto aplica-se o conceito de qualidade de dados da representação.

É importante que essa propriedade seja considerada com muita atenção, visto que os

sistemas de informações geográficas são utilizados como ferramenta de gestão e tomada de

decisão, e quando esta é tomada com base em parâmetros deficientes pode apresentar um alto

custo econômico e social, ou gerar até mesmo disputas judiciais. Esse grau de incerteza pode

ser embutido até mesmo como um atributo na base de dados, calculando sempre esse valor

para os produtos gerados.

Veregin[35]

apresenta uma visão dos componentes que caracterizam a qualidade dos

dados, suas interações e dependências. Segundo o autor, a qualidade dos dados pode variar

espacialmente, temporalmente e tematicamente e para cada uma dessas dimensões

consideram-se os seguintes componentes:

Acurácia: A acurácia espacial pode ser considerada nas dimensões horizontal (x,y) e

vertical (z). O erro médio é uma das métricas utilizadas para aferir a qualidade dos

dados e deve ser o menor possível. A acurácia temporal diz respeito à concordância

entre os valores registrados na base para esta dimensão e as coordenadas temporais de

fato. A acurácia temática procura analisar tanto os atributos quantitativos quanto

qualitativos através da seleção de alguns dos elementos na base e posterior

48

comparação com os elementos observáveis em campo, gerando uma tabulação cruzada

de dados.

Precisão ou Resolução: Também conhecida como granularidade. Diz respeito à

quantidade de detalhes que podem ser diferenciados numa amostra de dados. Existe

um limite para a resolução de qualquer amostra devido à aplicação do processo de

generalização, já que é praticamente impossível capturar um grande número de

detalhes de um fenômeno geográfico. A resolução espacial tem origem nos sistemas

de sensoriamento remoto e relaciona-se à área do mundo real representada por um

pixel. A resolução temporal refere-se à duração mínima de um evento que é

identificável. A resolução temática depende da escala adotada é diferenciada conforme

valores qualitativos e quantitativos.

Consistência: Refere-se à ausência de contradições aparentes na base de dados. A

consistência espacial trata basicamente da verificação da conformidade às regras

topológicas para dados geográficos. A consistência temporal procura garantir que dois

eventos diferentes não ocorram para a mesma entidade no mesmo espaço de tempo. A

consistência temática é feita através da introdução de atributos redundantes e a

posterior análise da correlação entre os mesmos para um tema específico.

Completude: Trata-se da verificação da concordância entre a especificação do modelo

de dados elaborado e a abstração do universo específico para a aplicação em questão.

As dimensões mencionadas anteriormente devem ser verificadas para garantir a

integridade do modelo concebido.

Outro ponto a ser observado em relação à qualidade de dados é a propagação dos erros

em modelos espaciais, visto que o processo de produção de dados geográficos está sujeito a

erros. Dados são coletados em campo, classificados, generalizados ou até mesmo estimados.

Podem ainda sofrer variações de natureza espacial e temporal, dessa forma, erros podem ser

introduzidos na base e propagados durante o processo de análise geográfica, ou até mesmo

amplificados. Daí a necessidade de considerar as técnicas para o controle da propagação de

erros.

Basicamente, a teoria de propagação de erros para atributos quantitativos utiliza como

passo inicial a fórmula U(.) = g(A1(.), A2(.),...,AM(.)), onde:

U(.) é o resultado de uma operação geográfica nos M atributos de entrada Ai,

49

conforme apresentado por Heuvelink[36]

e considera principalmente a média ξ(.) e a variância

τ2(.). Esse tipo de análise é adequado quando a função g(.) é do tipo linear. Entretanto, para a

uma análise mais elaborada utiliza-se série de Taylor de primeira ordem ou o método de

Monte Carlo.

É importante observar que os métodos citados permitem determinar o quanto uma

entrada em particular contribui para a propagação do erro numa análise geográfica. Assim, o

usuário pode determinar a viabilidade de investir no retrabalho de coleta de dados para um

layer específico.

Arquitetura do Sistema

As décadas recentes introduziram profundas mudanças na concepção tecnológica dos

produtos utilizados em informática. Novos paradigmas provocaram uma grande redução nos

custos de equipamentos e produtos de software, fato que foi determinante para a introdução

maciça desses recursos em organizações empresariais de portes variados. Além disso,

observa-se a utilização crescente por parte do público em geral.

Com relação a equipamentos, observa-se a utilização disseminada de computadores de

porte cada vez menor, mas com alto poder de processamento. Esse fato estimulou a

configuração de um ambiente computacional distribuído, onde equipamentos se conectam

através de uma rede local, metropolitana ou até mesmo mundial. Os avanços recentes na

comunicação através de banda larga e na computação móvel tornam interessante a integração

desses equipamentos com uma grande rede global.

Coleman[37]

cita a arquitetura em três camadas para a organização de uma rede desse

tipo, conforme ilustra a figura 9. Os pacotes de SIG’s procuram incorporar também os vários

avanços da tecnologia da informação. Neste tipo de arquitetura pessoas, em qualquer parte do

mundo, podem ser usuários e geradores de dados para um ambiente SIG, e a internet funciona

como um grande canal de geração e troca de dados. Observa-se, também, aperfeiçoamentos

na própria arquitetura interna dos softwares de SIG. As empresas proprietárias desenvolvem e

comercializam módulos independentes que realizam funções específicas. Assim, o usuário

final pode adquirir algumas funções do seu interesse, barateando o custo final do produto. É

possível também a integração com pacotes de desenvolvimento de produtos de software de

50

outras empresas, o que permite aos usuários desenvolver aplicativos personalizados para suas

necessidades.

Figura 9: Arquitetura em três camadas para processamento distribuído

Fonte: Adaptado de Coleman[37]

Para que toda essa estrutura funcione de maneira adequada deve-se considerar a

interoperabilidade do sistema. Essa propriedade garante a possibilidade de migração de um

sistema para outro através da aderência a padrões neutros de intercâmbio de dados. Sondheim

et al.[38]

. citam a infraestrutura de comunicação, a interface de programas aplicativos e uma

arquitetura comum para a definição de objetos como meios de implementação da

interoperabilidade. Assim, um sistema autônomo é capaz de trocar dados e processar todo tipo

de requisições através de um modelo comum. Dentre as opções citadas, os autores enumeram

a adoção de um formato comum para o intercâmbio de dados como arquivos no formato DXF,

criado pela Autodesk e aceito como padrão para a entrada de dados em SIGs. Nesse caso, um

tradutor embutido no software se encarrega de incorporá-lo ao sistema para a utilização,

entretanto, deve-se ter em mente que pode ocorrer perda de informações nesse processo. Por

essa razão esforços foram canalizados para estabelecer um padrão de troca de dados

geográficos, separando-se o modelo lógico da codificação de dados, como o sistema

americano SDTS (Spatial Data Transfer Standard) ou o canadense SAIF (Spatial Archieve

and Interchange Format).

Rede

Local

Estação Trabalho Estação Trabalho Estação Trabalho

Servidor Rede longa distância

51

Em outra vertente, Sondheim et al.[38]

citam a atuação do OGC (Open Gis

Consortium) na consolidação de uma interface comum baseada na tecnologia de computação

distribuída. Essa especificação engloba dois componentes mais significativos:

O OGM (Open Geodata Model): Coleção de dados e métodos organizados numa

biblioteca hierárquica de classes que contempla tipo de dados espaciais fundamentais,

incluindo sua representação geométrica, referência espacial e conteúdo semântico.

Serviços de Arquitetura: Mecanismo pelo qual os objetos e suas interfaces podem ser

associados em consultas complexas, transformações e funções analíticas. Permite

ainda a criação de um catálogo para identificação, avaliação e interpretação de

informações geográficas complexas disponíveis numa rede dispersa.

A adesão aos preceitos acima por parte de usuários, vendedores de software e

produtores de dados contribuirão para a quebra de sistemas monolíticos, visto que a utilização

de banco de dados distribuídos, browsers, tradutores inteligentes e ferramentas comuns de

modelagem de dados criam condições para uma grande estrutura comum com a finalidade de

possibilitar o intercâmbio de dados e softwares aplicativos.

Por fim, é necessário dedicar atenção também ao processo de customização das

aplicações em SIG. Maguire[39]

define a customização como o processo de adaptar um sistema

genérico à especificações individuais. Esse processo envolve a modificação das interfaces

gráficas padrão, complementadas pela incorporação de programas especialmente

desenvolvidos que acessam os recursos centrais de um software SIG e do banco de dados.

Deve-se notar que esse é precisamente um dos maiores fatores do sucesso dos sistemas de

SIG, pois a customização torna possível sua utilização em áreas de natureza diversas.

Considera-se que a customização é um dos elementos de custo mais alto no projeto de

implantação de um ambiente de geoprocessamento, juntamente com o processo de captura dos

dados. A tabela 2 ilustra este fato. Neste exemplo, o ambiente simples compõe-se de dois

servidores e oito clientes, ao passo que o ambiente empresarial conta com aproximadamente

trinta e cinco clientes e um servidor possante. Além disso, no primeiro caso os dados foram

adquiridos sem nenhum levantamento em campo.

52

Tabela 2: Porcentagem de custos para implantação de um SIG

Ambiente Simples Ambiente Empresarial

Hardware 22 7

Software 13 12

Dados 6 23

Customização 4 30

Treinamento 55 28

Fonte: Maguire[39]

No Brasil os custos envolvidos para a aquisição de dados são consideravelmente mais

elevados. Isto se deve à implantação tardia da cultura cartográfica e da implantação de

cadastros no país, ao contrário de outros países, que se preocuparam em estruturar agências

com este intuito. Como exemplo, pode-se citar um estudo realizado para o município de

Campinas apontando que o custo para a construção da base cartográfica digital corresponde a

57% do valor do projeto. O cadastro técnico exige outros 37% do valor global estimado, ao

passo que a aquisição de softwares consumiria apenas 6% deste montante[40]

.

Considerando que o processo de customização pode apresentar custos elevados,

procura-se utilizar métodos adequados para atingir os resultados esperados, como os

propostos pela engenharia de software. Sommerville[41]

a define como uma disciplina de

engenharia relacionada a todos os aspectos de produção de um software, desde os primeiros

estágios de especificação, manutenção até o momento em que o sistema deixa de ser utilizado.

Para tanto, a engenharia de software utiliza paradigmas como o ciclo de vida clássico, o

paradigma evolutivo e o paradigma espiral. Maguire[39]

aponta as vantagens dos dois últimos,

pois há a possibilidade do desenvolvimento através do uso de ferramentas gráficas, com a

disponibilidade de resultados rápidos para a avaliação do usuário, fato que contribui para a

redução dos custos finais.

A adoção de um dos paradigmas de desenvolvimento citados anteriormente maximiza

a possibilidade das expectativas dos usuários serem plenamente atendidas, ou seja, a entrega

de um produto que cumpra todos os requisitos e desenvolvido no tempo e custo previstos.

Ilustra-se, a seguir, o esquema do paradigma evolutivo:

53

Figura 10: Paradigma do Desenvolvimento Evolutivo

Fonte: Adaptado de Sommerville[41]

Banco de Dados e Análise Espacial

A montagem do banco de dados é uma das etapas mais importantes na implantação de

um sistema de processamento de dados. Um banco de dados pode ser definido como “uma

coleção de dados relacionados. Dados são entendidos como fatos conhecidos que podem ser

registrados” [Elmasri,R., Navathe, S.B.,2011, p. 4]. Assim, um banco de dados representa um

aspecto do mundo real, conhecido como universo de discurso, organizado de maneira lógica

para atender a um propósito específico [42]

.

O modelo hierárquico e de redes foram os primeiros a serem utilizados na área de

banco de dados. Contudo, o modelo que prevaleceu durante muito tempo foi o relacional,

desenvolvido a partir de uma proposta de Codd num artigo publicado em 1970[43]

. O modelo

relacional pressupõe a estruturação de um banco de dados como uma coleção de arquivos de

registros do mesmo tipo contendo um conjunto de atributos organizados na forma de tabelas.

O DBMS (Data Base Management System), encarrega-se de gerenciar todo o processo de

utilização do banco de dados por um grupo de usuários.

No que tange a área de informações geográficas, Worboys[44]

destaca que há duas

formas para a organização de dados no modelo relacional: a agregação de todos os dados

(espaciais e não-espaciais) numa única base (abordagem integrada), ou a separação dos dados

espaciais dos não-espaciais (abordagem hibrida). Embora, em teoria, ambas sejam passíveis

54

de implementação, a primeira ainda apresenta problemas de desempenho, devido a

basicamente três fatores:

1. Recuperação lenta de dados em função de múltiplas junções para dados geográficos;

2. Índices e métodos de acesso inapropriados, que são basicamente construídos para

dados unidimensionais;

3. Falta de poder de expressão de linguagens para consultas espaciais.

Para sanar essas deficiências, passou-se a adotar uma abordagem diferente para o

tratamento de dados geográficos numa base de dados, a saber, a orientação a objetos. Esse

modelo mostra-se adequado tanto para a modelagem semântica de dados quanto para a

manipulação dos mesmos através de uma linguagem de programação e um banco de dados

associado. A ideia básica consiste na encapsulação de uma coleção identificável de dados e

métodos que operam em conjunto para produzir um objeto. Assim, o estado de um objeto

num determinado instante é dado pelo valor dos seus atributos. Ademais, um método pode

enviar mensagens a outros objetos, que respondem através da execução de novos métodos,

criando assim uma estrutura de operação em rede ilustrada na figura 11.

Figura 11: Estados, Métodos e Mensagens de um Objeto

Fonte: Worboys[44]

55

Outra característica importante do modelo é a possibilidade da utilização dos conceitos

de herança e polimorfismo. O primeiro permite a criação de novos objetos a partir da

modificação de um objeto existente, herdando as propriedades e métodos da super-classe,

bem como acrescentando métodos próprios. O polimorfismo possibilita que um operador,

com mesmo nome, possua diferentes construções. Essa flexibilidade garante a modelagem de

objetos com estruturas internas complexas através da composição de outras unidades.

Para que o modelo descrito anteriormente funcione a contento é necessário um banco

de dados com suporte pleno às operações típicas. Um sistema gerenciador de banco de dados

orientado a objeto procura fornecer os recursos necessários para garantir as funcionalidades

pertinentes ao modelo. Entretanto, observa-se com mais frequência a utilização de uma

abordagem hibrida na utilização de banco de dados, ou seja, a adoção do modelo objeto-

relacional, que combina os pontos fortes do modelo relacional e orientado a objeto. Em outras

palavras, procura-se combinar toda a funcionalidade do modelo orientado a objeto e seu poder

para modelagem semântica de dados e programação de sistemas com a eficiência de

desempenho do modelo relacional.

A adoção de um método formal como descrito propicia um ganho significativo em

termos de custo e tempo de desenvolvimento pois quanto antes o problema for resolvido

menor o seu custo. Outro fator a ser considerado é que a documentação gerada num processo

formal facilita as manutenções futuras e eventuais migrações do sistema. Esses fatos podem

ser comprovados no gráfico da figura 12 apresentado no trabalho de Bédard[45]

:

Figura 12: Impacto dos métodos de análise e projeto formais no esforço para construir e

manter bancos de dados espaciais

Fonte: Adaptado de Bédard[45]

56

Deve-se considerar ainda que em decorrência do desenvolvimento da tecnologia da

informação, a aquisição de dados, inclusive os geográficos, cresceu de forma significativa.

Em consequência, a interação dos usuários com um banco de dados geográficos será mais

profícua se os mesmos possuírem domínio teórico da área de análise espacial, possibilitando

assim a identificação das propriedades de distribuição espacial e a resolução de problemas de

ordem geográfica. Algumas das técnicas utilizadas incluem a estatística espacial, a

inteligência computacional e as redes neurais, embora muitos desses recursos não estejam

ainda incorporados aos produtos comerciais.

A estatística espacial toma por base o princípio de que objetos espaciais próximos são

associados de alguma forma, o que permite derivar significados e projeções a respeito dos

mesmos, utilizando métodos como a associação espacial, análise de padrões, geoestatística,

classificação, modelos de regressão e amostragem espacial[46]

. Esses modelos são de natureza

estática, mas modelos dinâmicos começam a serem desenvolvidos para aumentar a

interatividade do usuário com os sistemas de informações geográficas, através de seleções,

supressões, rotações e demais operações aplicadas a objetos geográficos.

Outras inovações estão também em desenvolvimento como: ferramentas de análise

espacial inteligente para exploração de banco de dados, agentes baseados em vida artificial

para busca sem-fim de padrões e relações existentes, animação computacional para projeção

do espaço geográfico em superfícies multi-dimensionais[47]

.

SIG como Ferramenta de Gerenciamento

A maneira como uma organização percebe e direciona o processo de implantação de

um SIG determina o seu sucesso ou o seu fracasso, e no centro dessa estratégia está o

processo de gerenciamento. Um descuido desse aspecto acarretará invariavelmente perdas

financeiras e de dados, além de comprometer a própria reputação de um sistema dessa

natureza na organização. Em outras palavras, trata-se de definir como o produto pode auxiliar

na execução dos objetivos organizacionais estratégicos, disponibilizando dados de forma mais

rápida e com qualidade. Deve possibilitar ainda a identificação de novas demandas do público

usuário, bem como a canalização dos recursos para atendê-los.

O processo de implementação pode assumir várias formas, dependendo da natureza da

57

organização e do escopo desejado, conforme observa Bernhardsen[48]

. O autor sugere que esse

processo inclua as seguintes fases:

Avaliação do estado atual da empresa;

Desenvolvimento de um modelo de negócios;

Identificação e especificação de requisitos;

Produção de um plano estratégico;

Análise benefício-custo;

Identificação e aquisição de dados;

Definição do hardware e software;

Obtenção do suporte necessário;

Escolha de um fornecedor do SIG;

Implantação do sistema;

Operação e manutenção do sistema;

Um sistema dessa envergadura causa transformações profundas no ambiente

organizacional. Por isso, os objetivos devem ser muito bem definidos e o escopo do sistema

bem delineado, tendo o cuidado de não inserir dados além do que é possível ser atualizado.

Um guia importante do processo de implementação é a análise benefício-custo, que pode ser

aplicada em várias etapas do projeto, e auxilia na avaliação da importância dos diferentes

requisitos.

Pelo fato do processo exigir um comprometimento considerável de recursos

financeiros, humanos e tecnológicos, o estudo benefício-custo torna-se ainda mais necessário,

conforme enfatiza também Obermeyer[49]

. De maneira simplificada, a análise benefício-custo

procura precificar tanto os custos quanto os benefícios, considerando para ambos, os aspectos

tangíveis e intangíveis. Ademais, essa abordagem inclui a taxa de desconto, que tem como

objetivo analisar os efeitos do tempo e da inflação econômica. Esse tópico é importante

mesmo em cenários de taxas baixas de inflação, pois o efeito cumulativo da mesma pode ter

um impacto considerável no resultado final. Deve-se utilizar análise benefício-custo com

bastante critério para sensibilizar a gerência de uma empresa ou agentes públicos acerca da

viabilidade da implantação de um SIG, visto que os custos iniciais são bastante elevados.

Uma vez instalado o sistema, torna-se necessário adotar procedimentos para o bom

58

desempenho operacional. Sugarbaker[50]

observa que o suporte ao cliente, o suporte às

operações, o gerenciamento de dados e o desenvolvimento de aplicações estão entre os

tópicos que merecem maior atenção. Essa estrutura deve estar em sintonia com as

necessidades da empresa adaptando-se, quando for o caso, às mudanças de negócio, ao

mesmo tempo em que a organização procura assimilar os avanços tecnológicos.

3.3 Sistemas de Informações Geográficas Aplicados a Transportes

O avanço dos sistemas de comunicação prometia diminuir ou mesmo abolir a distância

entre as pessoas. Entretanto, constata-se hoje que essa previsão não se confirmou e observa-se

diariamente congestionamentos crescentes nos grandes centros urbanos. A necessidade de

aperfeiçoar a mobilidade urbana é um tema cada vez mais reconhecido entre as autoridades

governamentais e os especialistas do setor.

Os sistemas de informações geográficas aplicados a transportes podem contribuir de

maneira significativa para minimizar os impactos das ineficiências das estruturas de

transportes nas cidades. Miller et al.[51]

esclarecem que os profissionais da área utilizam essa

tecnologia para o planejamento, projeto e gerenciamento da infraestrutura de transportes;

aperfeiçoamento da segurança dos sistemas de transporte e trânsito; estudos de impactos

ambientais e configuração de arranjos de logística, entre outros.

O sucesso desta área de aplicação deve-se, naturalmente, a consolidação da própria

ciência do geoprocessamento, conforme discutido nos tópicos anteriores. Adicionalmente, há

uma tendência crescente da demanda pela resolução de problemas urbanos cada vez mais

complexos, como os sistemas de transporte e trânsito. No cerne dessa questão está o

reconhecimento de que ações no uso do solo, transporte e trânsito são indissociáveis.

Os sistemas de transporte e trânsito existem para superar discrepâncias geográficas em

termos de recursos, mercadorias e serviços. Atuam movendo pessoas, materiais e informações

do local de origem para os destinos. Esse processo acarreta profundas mudanças de

acessibilidade, que por sua vez, geram novas demandas de deslocamentos, promovendo

alterações no uso padrão do solo, e outros desdobramentos daí decorrentes [51]

.

Há ainda o consenso de que os sistemas de transporte e trânsito desempenham papel

59

crucial no nível de qualidade de vida da população e sustentabilidade do planeta.

Adicionalmente, observa-se uma série de problemas como: urbanização sem controle,

crescimento da frota de veículos e utilização massiva de combustíveis fósseis. Esse cenário

contribui para o agravamento de problemas de mobilidade, exclusão social e aumento da

poluição do ar, degradando, assim, a qualidade de vida da população.

Procurando reverter alguns desses problemas, ou ao menos minimizá-los, a ciência dos

sistemas de informações geográficas aplicados a transporte (SIG-T) desenvolveu uma série de

conceitos e propostas para tratar dessa área específica. Essa ferramenta fundamenta-se num

arcabouço científico capaz de prover os usuários com recursos que possibilitam a solução de

múltiplos problemas.

Os princípios fundamentais incluem a modelagem de dados, fontes e integração da

informação. A modelagem trata basicamente de construir um modelo digital do sistema de

fato, considerando também a natureza multi-modal do sistema real e os relacionamentos entre

seus objetos[51]

. A integração com a ciência computacional e a matemática é bastante

acentuada nessa etapa, visto que as técnicas de modelagem de banco de dados tradicionais,

data warehousing e a teoria de grafos mostram-se adequadas para a montagem da rede, bem

como a incorporação de eventos como a condição do pavimento ou pontos negros de

acidentes. Sistemas SIG-T utilizam-se ainda da teoria de bancos de dados distribuídos e

intercâmbio de diferentes tipos de dados em plataformas distintas.

A computação contribui ainda com algoritmos de fluxo em rede que desempenham

papel fundamental em problemas como roteamento de veículos e busca do melhor caminho,

sendo que este necessita, muitas vezes, de resposta em tempo real. Outro caso tratado pelo

SIG-T é a alocação ótima de recursos, que são importantes na configuração de sistemas de

logística. Quando utilizados no provimento de serviços, podem ser aplicados também para

estudar a demanda induzida pelos mesmos, bem como a montagem de matrizes origem-

destino. Outra aplicação para esse tipo de sistema é a operação de clustering, ou agrupamento,

que permite a delimitação de regiões como distritos policiais ou áreas de vendas. Essa

operação procura criar regiões equilibradas em termos de perfil, o que possibilita o

atendimento mais adequado das carências[52]

.

Waters[52]

apresenta também o importante tópico de planejamento em transportes,

60

através do modelo do sistema de transporte urbano, que procura identificar os pólos geradores

de tráfego e a sua distribuição (quantas viagens), modal utilizado e as rotas preferenciais dos

usuários. Essa tarefa é bastante complexa, devido ao número de variáveis envolvidas, tais

como: gênero do usuário, idade, renda, ocupação, tamanho da família, posse de automóvel,

número de filhos e acessibilidade local. Ademais, sistemas sofisticados são projetados e

construídos sob a égide da integração do SIG-T com os sistemas de comunicação. Sobretudo,

nos países economicamente desenvolvidos, observam-se iniciativas nos domínios do IVHS e

do AVLS. O primeiro abarca aplicações como a identificação dos veículos, cobrança

automática de tarifas, pesagem em movimento, detecção de colisões, informações aos

motoristas e orientação de deslocamentos. O segundo refere-se à localização de veículos em

qualquer unidade de tempo, através de um dispositivo de localização do tipo GPS. Há relatos

de casos[52]

onde a utilização desse sistema contribui para otimizar o uso dos meios de

transporte público, reduzindo o tempo de espera dos usuários, ao mesmo tempo em que

promove economia de recursos para as empresas operadoras, como na cidade Quebec, no

Canadá, citada pelo autor[52]

. Na realidade, os dois grupos citados acima fazem parte de um

conjunto maior, denominado ITS (Intelligent Transportation Systems).

O cenário descrito acima é também benéfico ao meio-ambiente, visto que um número

menor de veículos seria necessário para atender a demanda de transporte. Além disso, fornece

subsídios para determinar os fatores que influenciam a relação uso do solo/sistema de

transporte, permitindo a modelagem de estados futuros do sistema.

Apesar da contribuição dos sistemas de transporte para o avanço da economia e do

aperfeiçoamento da mobilidade urban notam-se, também, os problemas gerados por uma

matriz que utiliza, sobretudo, a queima de combustíveis fósseis. A degradação da qualidade

do ar é inquestionável, além de aumentar as possibilidades da ocorrência de acidentes,

principalmente no caso do transporte de cargas perigosas. Dessa forma, os sistemas SIG-T

procuram considerar também os impactos gerados pela rede de transporte nos sistemas

atmosférico e hidrológico. Considera ainda providências a serem tomadas no caso de

acidentes com cargas perigosas. Todas essas aplicações exigem uma grande interação entre os

sistemas de transporte e a geografia, o que faz com que os sistemas de informação geográfica

voltadas para transportes encontrem uma área fértil de aplicações[51]

.

61

3.4 Resumo

Este capítulo apresentou uma visão global sobre os conceitos necessários ao

entendimento da dissertação, a saber, os fundamentos da geotecnologia e as suas

possibilidades de utilização. Procurou-se definir uma base cartográfica digital, apresentar as

aplicações tradicionais de cadastro urbano, bem como as novas fronteiras de aplicação. Além

disso, são introduzidos os conceitos a serem observados na implantação de um sistema dessa

natureza. Este tópico é importante devido a não observância dos mesmos tanto pelos órgãos

públicos quanto pelos privados gerando assim projetos que não são bem sucedidos, com perda

de recursos e tempo. Finalmente, discorre de maneira breve sobre as aplicações da tecnologia

nos sistemas de transporte e trânsito.

62

Capítulo 4

Sistemas de Controle de Trânsito e Programação

Semafórica

Este capítulo tem como objetivo apresentar alguns conceitos de engenharia de tráfego

que serão utilizados no desenvolvimento do modelo proposto. A seção 4.1 conceitua a

engenharia de tráfego. A seção 4.2 introduz os parâmetros básicos utilizados pela engenharia

de tráfego para regular o sistema de trânsito de uma malha viária. Em seguida, a seção 4.3

aborda a programação semafórica. Na sequencia, a seção 4.4 analisa as possibilidades de

utilização uma ferramenta de SIG para auxilio à programação semafórica. A seção 4.5 resume

o capítulo.

4.1 Engenharia de Tráfego

A engenharia de tráfego tem como objetivo a aplicação de princípios científicos,

ferramentas, métodos e técnicas para prover o movimento seguro, rápido, confortável,

conveniente e econômico de pessoas e mercadorias[53]

. Para tanto, a engenharia de tráfego

deve tratar do planejamento, projeto geométrico e operação do tráfego de ruas e rodovias,

suas redes, terminais e seus relacionamentos com outros modos de transporte. Além disso, a

engenharia de tráfego trata de problemas que não são somente dependentes de fatores físicos,

mas também do comportamento humano dos condutores e pedestres. Este trabalho é

desenvolvido em etapas. Primeiramente, as características dos movimentos de tráfego, do

condutor, do veículo e do fluxo de tráfego são estudadas. Os elementos abaixo devem ser

considerados num estudo deste tipo.

O condutor;

O veículo;

O tempo de viagem, a velocidade e o retardamento;

Volumes de tráfego;

Origem e destino;

Capacidade;

Estacionamento, carga e descarga.

Acidentes.

63

Posteriormente, os estudos a serem desenvolvidos incluem a adoção de medidas de

regulamentação e de controle, como as leis e as regras para o controle dos condutores, dos

veículos e dos pedestres. Também são realizados estudos para a operação dos veículos no

fluxo de tráfego, como o controle de interseções, das velocidades permitidas, das vias de mão

única, do sentido de circulação e dos estacionamentos. Essa fase abarca também o projeto, a

instalação e a operação de dispositivos como os semáforos, as sinalizações no pavimento e as

placas de sinalização. Estes estudos embasarão as justificativas técnicas e legais para a

intervenção na malha viária.

4.2 Fluxo de Tráfego

O fluxo de tráfego forma-se pela interação dos elementos relacionados anteriormente e

são descritos por parâmetros que se enquadram em duas classes distintas:

Parâmetros Macroscópicos: Descrevem o fluxo de tráfego como um todo.

Parâmetros Microscópicos: Descrevem o comportamento individual de cada

veículo e sua iteração com os demais veículos da malha viária.

Modelo Macroscópico

O modelo macroscópico utiliza três parâmetros fundamentais: o volume, a velocidade

e a densidade.

Volume: Definido como o número de veículos passando por um ponto durante um

intervalo de tempo e normalmente é expresso em volume horário, diário ou anual. Existe

também o conceito de “taxa de fluxo horário”, que é o volume horário equivalente obtido a

partir de um intervalo de observação inferior a uma hora. A contagem pode ser feita em uma

única faixa de rolamento ou em todas as faixas. Pode referir-se ainda a um único sentido do

tráfego ou a ambos[54]

. Deve-se considerar também a composição do tráfego, pois os veículos

diferem entre si quanto ao tamanho, peso e velocidade e estes fatores influenciam no projeto

geométrico da via e no planejamento do sistema de transportes. Por isso, adota-se um fator de

equivalência (um ônibus ou caminhão correspondem de dois a cinco automóveis), e

transforma-se o montante total num volume de carros de passageiros. Deve-se ressaltar que o

64

volume apresenta variações, tanto independentes quanto dependentes, do tempo. As

independentes são as decorrentes, por exemplo, de acidentes, de manutenção da via, chuva e

quebra de semáforo. Entretanto, as variações de maior interesse para a engenharia de tráfego

são as dependentes do tempo, pois estas repetem-se em função do tempo e de forma cíclica

para uma parcela considerável da malha viária, o que permite a realização de estudos de

planejamento do tráfego. Um exemplo típico pode ser observado na figura 13. O gráfico

apresenta dois picos (manhã e tarde), mas ocorre também um volume relativamente alto das

12 às 14 horas. Além disso, constata-se que 70% das viagens diárias ocorrem no intervalo

entre 7:00h e as 19:00h. Flutuações semelhantes podem ser observadas para volumes

semanais e anuais[54]

.

Figura 13: Variação Diária do Volume de Tráfego

12

9

6

3

0 6 12 18 24

% VDM

Horas do Dia

14

Fonte: Adaptado de Setti[54]

Velocidade: Definida como a taxa entre a distância percorrida numa unidade de tempo,

normalmente expressa em km/h. Trata-se de uma medida importante na avaliação da

qualidade de serviço ofertada aos condutores[55]

. Adotam-se medidas diferenciadas para o

estudo desse parâmetro devido às variações individuais na distribuição da corrente

observável, sendo que as mais comuns são a Velocidade Média Temporal (VMT) e a

Velocidade Média Espacial (VME). A primeira é a média aritmética das velocidades

instantâneas de veículos individuais que passam por uma seção de controle e é dada pela

seguinte fórmula:

VMT =

Onde,

65

n = Número de veículos que passam pelo trecho de controle;

d = Distância percorrida;

ti = Tempo de percurso do i-ésimo veículo.

A segunda é a média harmônica da amostra. Trata-se da relação entre o deslocamento

total dos veículos e o tempo total gasto pelos mesmos. É calculada pela fórmula:

VME =

A definição das variáveis é idêntica ao caso anterior. Deve-se observar, entretanto, que

a velocidade sofre a influência dos seguintes fatores: o motorista, o veículo, a via, o horário, o

clima e a regulamentação.

Densidade: Definida como o número de veículos que ocupam um determinado trecho

da via, e é expresso em veículos/km. Este parâmetro é importante para a caracterização da

qualidade de operação do tráfego, pois reflete a proximidade de um veículo em relação aos

demais, influenciando assim a liberdade de manobras[55]

. Essa liberdade de movimento é

ditada pelos conceitos de espaçamento e headway. O espaçamento é a distância entre dois

veículos sucessivos numa mesma faixa medida em relação à parte dianteira. O headway3 é o

tempo transcorrido entre a passagem de dois veículos numa seção de controle e numa mesma

faixa.

A relação entre os três parâmetros básicos é dada pela seguinte fórmula:

V = D * S onde, V = Volume,

D = Densidade e

S = Velocidade

3 Termo consagrado da língua inglesa correspondente à frequência e usado mais comumente em inglês em

tráfego

66

Para esta fórmula, utiliza-se a velocidade média no espaço, que é diferente da

velocidade média temporal, conforme visto anteriormente.

A relação entre os parâmetros pode ser verificada na Figura 14. O modelo

macroscópico, cuja calibração é bastante simples, feita a partir de análise de regressão,

mostra-se uma ferramenta adequada para a análise de fluxos ininterruptos. A variação mais

simples do modelo, proposta por Greenshields4, utiliza um modelo linear para estudar as

relações entre os parâmetros macroscópicos. Por sua vez, Greenberg5 sugere a adoção de um

modelo não linear. Este é adequado para os casos de tráfego bastante intenso[54]

.

Figura 14: Relações entre Volume, Velocidade e Densidade em Fluxos Não-

Interrompidos

Fonte: Adaptado de HCM[55]

4 Greenshields, B.D., A Study of Highway Capacity, Proceedings of the Highway Research Board, v. 14, 1934.

5 Greenberg, H., An Analysis of Traffic Flow, Transportation Research, v.7, 1959.

67

Modelo Microscópico

Mannering et al.[56]

explicam que o modelo microscópico tem como finalidade analisar

o comportamento individual de cada veículo na corrente de tráfego. Desta forma, os fluxos

são estudados através de modelos que estimam os intervalos entre chegadas sucessivas de

veículos, ou seja, a distribuição dos headways. Os autores esclarecem que a abordagem mais

simples considera que os intervalos entre as passagens dos veículos sucessivos são constantes,

definindo assim, um modelo determinístico. Apesar da simplificação inerente ao modelo, há

aplicações práticas no domínio da engenharia de tráfego às quais essa variante é apropriada,

como o estudo dos headways entre os veículos que partem de uma fila num semáforo.

No entanto, na prática, esta situação apresenta restrições, pois os intervalos de chegada

são normalmente aleatórios. Por isso, um modelo probabilístico de chegadas representa de

forma mais fidedigna o processo de passagem de veículos por uma via urbana. Assim, o

problema passa a ser o de selecionar uma distribuição estatística mais adequada para a

representação dos headways. Considerando o fato de que é mais prático contar o número de

veículos que passa por um ponto de controle do que os intervalos que os separam, e sabendo-

se que a taxa média de chegadas é igual ao inverso do headway médio, os modelos

microscópicos baseiam-se, normalmente, nesta taxa média de chegadas[56]

. Um dos modelos

que se enquadram nesta categoria é a distribuição de Poisson, expressa por:

P(n) =

Onde,

P(n): Probabilidade de n veículos chegarem durante um intervalo de duração t;

t: intervalo de observação;

λ: taxa de fluxo médio no intervalo de tempo t.

O modelo descrito acima é bastante utilizado no estudo de filas. As filas constituem

um dos problemas de maior interesse para os engenheiros de tráfego, pois podem representar

uma parcela significativa do tempo dos condutores, gerando consideráveis prejuízos

econômicos, além de influenciar o nível de serviço das vias. Assim, o modelo de filas procura

68

determinar as medidas de desempenho de um sistema (tempo médio de espera na fila, tempo

médio total no sistema, comprimento da fila, etc.)[54]

. Para tanto, utiliza os seguintes

parâmetros:

Padrão de chegadas: representa como os veículos chegam à fila;

Padrão de partidas: forma como os veículos deixam a fila;

Número de canais de serviço: corresponde ao número de veículos que podem deixar a

fila simultaneamente;

Disciplina da fila: a ordem em que os veículos são atendidos;

O sistema de notação dos modelos em fila é composto de duas letras e um número,

separados por barras (X/Y/z), que indicam respectivamente, o processo de chegada, o

processo de partidas e o número de canais. A letra D representa processos determinísticos,

isto é, headways uniformes, ao passo que a letra M representa uma distribuição

exponencial[56]

. Na prática os modelos mais utilizados são o D/D/1, o M/D/1 e o M/M/1.

A teoria de filas pode ser utilizada na análise de fluxos de tráfego nos

congestionamentos gerados por estrangulamento nas vias, isto é, locais onde a capacidade de

atendimento da via é inferior à demanda. Esses gargalos podem ser de origem incidental ou

recorrente. O fator que os diferem é a previsibilidade, que se aplica ao segundo caso, mas não

ao primeiro. Um exemplo do segundo caso é o estudo de fluxos de veículos em interseções

semaforizadas.

Mannering et al.[56]

apresentam as medidas de desempenho para uma interseção

semaforizada no modelo D/D/1. Pode-se calcular, por exemplo, os seguintes indicadores:

tempo de dissipação da fila após o inicio do verde efetivo; a taxa de veículos parados; o

número máximo de veículos na fila; o atraso total veicular por ciclo; o atraso médio veicular

por ciclo e o atraso máximo de qualquer veículo (assumindo o regime FIFO – First In First

Out). Os autores prosseguem a explanação para o caso de chegadas estocásticas. Embora este

caso represente melhor a realidade, a complexidade introduzida é considerável. O atraso no

modelo probabilístico pode ser determinado a partir do modelo de Webster[57]

:

69

d’ = d +

- 0.65

onde,

d’ é o atraso médio veicular, d é o atraso médio calculado pelo método D/D/1, x é a

taxa entre as chegadas e a capacidade na aproximação (λc/µg), c é o comprimento do ciclo e λ

a taxa média de chegada.

A teoria descrita acima de maneira breve, ajuda a embasar o problema da busca da

otimização da programação semafórica; Este problema é relativamente complexo e não existe

uma solução universal para o mesmo. Os modelos de teoria de fila fornecem uma

aproximação da situação real, mas a solução ideal para o problema necessita do número

preciso de veículos que chegam numa aproximação; Neste caso, os cruzamentos que dispõem

de sensores em tempo real são capazes de fornecer respostas mais satisfatórias em termos de

desempenho global; Contudo, ainda que uma aproximação possua os referidos sensores, o

problema da programação semafórica não se encerra, pois é necessário definir a base para a

sua otimização. Por exemplo, pode-se minimizar o atraso veicular total ou o número de

paradas dos veículos. Naturalmente que os métodos geram resultados diferenciados, o que

garante um ramo ainda frutífero para pesquisas futuras.

4.3 Programação Semafórica

O objetivo de um semáforo é alternar o direito de passagem entre pontos conflitantes

de uma via urbana, evitando assim, acidentes em decorrência da disputa de espaço entre

veículos automotores e destes com pedestres. Um controle típico apresenta uma sequencia de

indicação verde, amarela e vermelha. É possível encontrar também setas indicadoras nos

grupos semafóricos para a orientação dos condutores[58]

. Desta forma, os semáforos

influenciam de maneira significativa as correntes de tráfego, podendo gerar grandes

congestionamentos que afetam o desempenho global do sistema viário. Por outro lado, um

semáforo bem instalado e programado corretamente contribui para o escoamento ordenado

dos veículos, aumentando a capacidade da interseção e diminuindo ainda as possibilidades de

acidentes.

70

Os semáforos são instalados e operados pelas autoridades de trânsito; um projeto bem

realizado pode gerar os seguintes benefícios:

Redução da frequência de acidentes, sobretudo colisões transversais;

Aumento da fluidez e garantia da ordem do tráfego de veículos;

Permissão de fluxo contínuo de pelotões ao longo de uma via, através da operação

coordenada;

Controle do trânsito de forma mais econômica e eficiente.

No lado oposto, um projeto de semáforo mal executado ocasiona:

Aumento da frequência de acidentes;

Geração de atrasos excessivos, aumentando a poluição atmosférica;

Indução à desobediência por parte dos motoristas;

O estudo de instalação de um grupo semafórico deve considerar os seguintes

aspectos[54]

:

Levantamento de volumes de tráfego: contagem de veículos e pedestres nas

aproximações durante um período representativo das condições operacionais;

Estudo de velocidade: determinação das distribuições de velocidades instantâneas

nas aproximações;

Levantamento plani-altimétrico: indica a geometria e condições físicas do

cruzamento, incluindo canalizações, restrições de visibilidade, entradas de

veículos, etc.;

Estudo de acidentes: levantamento do número e tipo de acidentes registrados no

cruzamento durante pelo menos um ano;

Estudo de retardamento: para determinação do atraso ao longo da via principal;

Esse conjunto de critérios encontra-se sistematizado e ampliado em um manual

conhecido através da sigla MUTCD (Manual on Uniform Traffic Control Devices).

Wrigth[59]

afirma que o manual é um guia operacional que tem o objetivo de fornecer

71

padrões uniformes para a utilização segura e eficiente das vias e equipamentos públicos. Sua

utilização é ampla no Brasil para o estudo de implantação de semáforos. O manual aponta os

seguintes fatores a serem observados para a instalação de um semáforo: volume veicular

mínimo, interrupção de fluxo contínuo, volume de pedestres, cruzamento de escolares,

sistema de progressão semafórica, histórico de acidentes, sistema de cruzamento de vias

arteriais, ou uma combinação dos itens citados. É importante lembrar que toda interseção não

deve possuir apenas um grupo focal, visto que existe a possibilidade de queima de lâmpadas

do conjunto, o que torna o sistema não operacional, ademais, a colocação de mais de um

grupo aumenta a visibilidade do equipamento na aproximação. Define-se a seguir alguns

conceitos para a operação de um semáforo.

Ciclo: Rotação completa dos estágios luminosos por todas as indicações possíveis;

Duração do ciclo: Tempo necessário para a execução completa de um ciclo,

medido em segundos;

Aproximação: Trechos de via que convergem para a interseção.

Estágio: Período no qual não ocorre mudança na indicação luminosa.

Fase: É a parte do ciclo alocada a uma corrente de tráfego (ou combinação de duas

ou mais correntes) com o direito de passagem durante um ou mais intervalos, ou

seja, é o estágio verde mais os estágios de mudança e desobstrução que o

acompanham;

Intervalo: Um período no ciclo em que todas as luzes indicadoras permanecem

inalteradas;

Plano Semafórico: Conjunto de parâmetros introduzidos no controlador ou na

central de controle que define a sequência e as durações dos tempos exibidos pelos

semáforos.

A figura 15 ilustra os conceitos de ciclo, fase e intervalo com um exemplo de

cruzamento simples com duas ruas de mão única. Os veículos que trafegam na direção sul-

norte (Fase 1) são orientados pelo grupo de semáforos G1, ao passo que os veículos que

circulam no sentido oeste-leste (Fase 2) utilizam-se do grupo G2. Nota-se também a

existência de quatro intervalos:

I1: O grupo G1 mostra verde e o G2 vermelho (Fase 1);

I2: O grupo G1 mostra amarelo e o G2 continua vermelho (Fase 1);

72

I3: O grupo G2 exibe o verde e o G1 vermelho (Fase 2);

I4: O grupo G2 mostra amarelo e o G1 vermelho (Fase 2).

Figura 15: Ciclo, Fase e Intervalo

N

S

O L G1

G1

G2

G2

Croquis

Sequência de Fases

Fase 1

Fase 2

G1

G2

I1 I2 I3 I4 TC

Fonte:Adaptado de Setti[54]

Tipos de Controladores

O controlador é um equipamento instalado junto ao semáforo e controla a sua

operação, atua acionando as luzes para cada aproximação conforme uma estratégia definida.

Os controladores modernos alocam o tempo de maneira variada desde o simples pré-

temporizado a complexos modos atuados do tipo multi-fase[55]

.

A seguir são descritos os tipos de controladores em relação à sua função:

Controle Pré-Temporizado: A sequência de fases é exibida numa escala pré-

determinada e repetitiva. Cada fase possui um tempo de verde fixo, um tempo de

mudança e um intervalo de limpeza que são repetidos em cada ciclo e geram um

ciclo de comprimento constante;

Controle Atuado: O tempo alocado para todas as aproximações da interseção é

73

adaptado conforme dados gerados pelos sensores de detecção de veículos. Cada

fase é sujeita a um intervalo mínimo e máximo de alocação do tempo de verde e

uma fase pode ser suprimida caso não seja detectada demanda, assim, o

comprimento do ciclo total pode variar frequentemente;

Controle Semi-Atuado: Um sensor é instalado na via secundária, enquanto que a

principal recebe verde contínuo. A via secundária recebe permissão de passagem

quando uma demanda suficiente é registrada. O direito de passagem sempre é

transferido para a via principal quando a demanda da via secundária está abaixo do

necessário ou quando o tempo limite é excedido. Este método é adequado para

locais onde a demanda da via secundária é consideravelmente inferior a da via

principal.

Os controladores que operam de maneira dinâmica exigem a presença de detectores de

veículos. Há vários tipos como os baseados em radar, ultra-som ou infravermelho. O mais

utilizado é o chamado laço indutivo, que funciona com um fio embutido no pavimento ligado

a um dispositivo por onde passa uma corrente elétrica. Esse arranjo gera um campo magnético

que sofre uma perturbação quando um corpo metálico passa sobre o laço.

Cálculo da Programação Semafórica pelo Método de Webster

A capacidade de escoamento de uma via semaforizada é proporcional ao tempo de

verde alocado e à largura da via; Numa primeira aproximação pode-se considerar o fluxo

ininterrupto. Se, por exemplo, a capacidade de escoamento é de 2000 veículos na

aproximação e 50% do tempo fica alocado ao verde, tem-se que 1000 veículos poderiam

atravessar o cruzamento, todavia, estudos práticos, como os realizados por Greenshields6,

demonstram que sempre há uma perda associada no início do deslocamento, conforme

ilustrada na Tabela 3. Esta perda é maior no início do ciclo e se torna estável a partir do

quinto veículo, quando o sistema atinge o headway de saturação.

6 Greenshields, B.D., A Study of Highway Capacity, Proceedings of the Highway Research Board, v. 14, 1934.

74

Tabela 3: Tempo de Perda no Início de Movimento de Veículos

Tempo Entre Veículos

(seg)

No do Veículo na Fila Tempo que leva para entrar

no Cruzamento (seg)

- 1 3,8

3,1 2 6,9

2,7 3 9,6

2,2 4 11,8

2,1 5 13,9

2,1 6 16,0

Fonte: Greenshields apud Setti[54]

O experimento mostra que para um semáforo com ciclo de 60 segundos, dentre os

quais 30 segundos alocados para o verde, a capacidade real seria:

Tempo de passagem dos 5 primeiros veículos: 13,9 segundos.

Tempo de verde restante: 30 – 13,9 = 16,1 segundos.

Total de veículos que ainda passam no ciclo: 16,1 / 2,1 = 7,66 = 8 veículos.

Total de veículo por hora: (8 + 5) * 60 = 780 veículos.

Observa-se assim que o fluxo real é inferior à capacidade, mas outros fatores

contribuem também para essa redução como: veículos em conversão que necessitam reduzir a

velocidade para realizar a manobra; ônibus e caminhões, pois são veículos mais lentos;

permissão de estacionamento nas proximidades; rampas ascendentes e descendentes e o fluxo

de pedestres no entorno[55]

.

Por outro lado, Vilanova[60]

afirma que alguns veículos da fase que se encerra

ultrapassam o cruzamento mesmo quando o seu tempo de verde está encerrado. Na figura 16,

observa-se que o fluxo de passagem está terminando para a via A e alguns veículos passam no

amarelo. A quantidade de veículos que transpassa o cruzamento é representada pela área

hachurada entre a linha azul que descreve o movimento, a ordenada do fim do verde e o eixo

das abscissas.

75

Figura 16: Tempo Morto no Ciclo

Fonte: Vilanova[60]

A grandeza Taf,A representa o tempo necessário para esgotar o Vf,a (volume que

corresponde à área hachurada) caso o fluxo passasse a uma taxa igual ao fluxo de saturação.

Pode-se entender esta grandeza como um prolongamento do tempo de verde e é calculado

pela fórmula:

Taf,A =

Onde,

Taf,A = Tempo aproveitado no final do movimento A;

Vf,a = Quantidade de veículos do movimento A que consegue passar após o término do verde

(amarelo);

FSA = Fluxo de saturação do movimento A.

Nota-se ainda que após a abertura do semáforo para a fase B há uma perda de tempo

76

até que os veículos atinjam o fluxo de saturação FSB, conforme previsto por Greenshields7.

Assim, o tempo de verde efetivo para o movimento B do gráfico é:

Tverde efetivo, B = Tverde,B + Taf,B – Tpi,B

Onde,

Tverde efetivo, B = Tempo de verde efetivo do movimento B em um ciclo;

Tverde,B = Tempo do foco verde para o ciclo;

Taf,B = Tempo aproveitado no final do movimento B;

Tpi,B = Tempo perdido no início do movimento B.

Da Figura 13, pode-se calcular o tempo morto ou tempo total perdido:

Tmorto,A-B = Tam,A + Tvl,A + Tpi,B – Taf,B

Onde,

Tmorto,A-B = Período de transição entre o verde do movimento A para o movimento B, onde o

fluxo é considerado igual a zero para ambos os movimentos;

Tam,A = Tempo de amarelo do movimento A;

Tvl,A = Tempo de vermelho de limpeza do movimento A;

Tpi,B = Tempo perdido no início do movimento B;

Há de se considerar ainda os casos onde existe o estágio exclusivo para pedestres, que

é tratado como um tempo morto adicional. Dessa forma, o tempo morto total é dado por:

Tmorto = + Testágios de pedestres

Onde,

Tmorto = Tempo morto durante o ciclo (parcela que não pode ser utilizada para escoamento);

= Tempo morto entre os estágios i e (i+1);

Testágios de pedestres = Tempo total do estágio de pedestres (verde + vermelho intermitente).

7 Nota na página 75

77

Consideremos agora uma aproximação isolada de duas vias de mão única como na

figura 17:

Figura 17: Interseção de Duas Vias Controladas por Semáforo

A capacidade desta aproximação é dada por:

C = s

Onde,

C = Capacidade da aproximação [veic./h];

S = fluxo de saturação [veic./h];

g = tempo de verde efetivo [s];

c = comprimento do ciclo [s].

O fluxo de saturação é o volume máximo que passa pela interseção se o semáforo

permanecesse continuamente no verde e a fila nunca terminasse. Trata-se também do

headway mínimo observado entre os veículos, o chamado headway de saturação. O

comprimento do ciclo é o tempo necessário para a exibição de todas as indicações

semafóricas e o tempo de verde efetivo (g) é dado por:

g = G + A – p

onde,

78

G = tempo durante o qual a luz verde está acesa [s];

A = tempo durante o qual a luz amarela está acesa[s];

p = tempo perdido no início do verde e no final do amarelo, isto é, o tempo morto [s].

O tempo de vermelho efetivo, r, é o tempo no qual os carros de uma aproximação não

podem cruzar a interseção, ou seja, é a diferença entre o tempo do ciclo (c) e o tempo do

verde efetivo (g)[54]

.

r = c – g.

Para o cálculo dos tempos alocados a cada estágio toma-se o tempo base de uma hora

e determina-se o volume nas aproximações. A seguir, calcula-se a relação (Fn/FSn) * 1 hora

para cada aproximação n (relação entre o volume observado e o fluxo de saturação para a n-

ésima aproximação). Essa taxa fornece o tempo necessário ao escoamento do fluxo na

respectiva aproximação.

Deve-se considerar posteriormente o tempo perdido no cruzamento, visto que nenhum

veículo pode cruzar o semáforo neste período. É importante observar que quanto mais breve

for o ciclo mais intervalos de tempo morto surgirão, o que pode prejudicar o desempenho

global da aproximação. Este tempo é calculado através da seguinte expressão (1 hora / Tciclo) *

Tmorto. Em outras palavras, é o produto do número de ciclos na hora pelo tempo morto

utilizado em cada ciclo.

A Figura 18 ilustra os componentes a serem contemplados no projeto de um plano

semafórico. Caso a soma dos tempos alocados às aproximações e ao tempo morto for inferior

à uma hora, tem-se uma sobra, caso contrário, uma das aproximações não poderá ser

totalmente atendida.

79

Figura 18: Esquema de Alocação do Tempo de um Semáforo

Fonte: Vilanova[60]

Desta forma, considera-se que o ciclo mínimo é o que gera zero para a parcela Sobra. Assim,

pode-se escrever:

yA * 1 hora + yB * 1 hora +

* Tmorto = 1 hora

Ou,

yA + yB +

* Tmorto = 1

Que pode ser reescrita como:

Tciclo min. =

Ou ainda de maneira mais geral:

Tciclo min. =

Onde,

Tciclo min. = Tempo do ciclo mínimo;

Tmorto = Tempo morto do ciclo, ou seja, onde não há deslocamento;

= Somatória das taxas de ocupação de todas as aproximações;

n = Número de aproximações.

80

O ciclo ótimo pode ser definido como o tempo do ciclo mínimo quando a taxa de

chegada à aproximação é constante, pois a espera dos veículos é a menor possível. No

entanto, devem ser considerados fatores imprevisíveis no sistema, como: taxas de chegadas

irregulares, fatores climáticos (chuvas causam diminuição na velocidade dos veículos) e

incidentes ao longo da via (quebra de veículos, colisões, operações de manutenção, etc.).

Dessa forma, torna-se necessário alocar uma parcela do tempo do ciclo aos eventos aleatórios,

o que é possível através da parcela identificada na Figura 18 como “sobra”. A consequência

deste fato é que é necessário trabalhar com tempos de ciclo superiores ao mínimo. Concorda-

se que a melhor abordagem para este problema consiste em gerar os menores atrasos e tempos

mínimos de espera, considerando tanto o fluxo médio quanto os eventos aleatórios.

A proposta de Webster para a calibração de semáforos isolados contempla o cenário

descrito anteriormente, ou seja, determina-se o atraso médio sofrido pelos veículos, de tal

forma que este seja o menor possível. Para uma grande variedade de condições Webster

determinou que o atraso médio sofrido pelos veículos numa interseção controlada por

semáforo é mínimo quando o ciclo é calculado pela fórmula abaixo[54]

:

C =

Onde,

C = comprimento ótimo do ciclo [s];

L = Tempo total perdido (morto) por ciclo [s];

Yi = Relação volume/fluxo de saturação para a aproximação crítica para a fase i;

n = Número de fases.

Nota-se que o valor do tempo total perdido é multiplicado por 1.5 e ainda acrescido de

cinco segundos para acomodar as imprevisibilidades da corrente de tráfego. Para um

cruzamento com duas fases, o tempo de verde efetivo é dado por:

gr = C – L = C –

onde,

81

C = tempo do ciclo [s];

L = tempo total perdido por ciclo [s];

Li = tempo perdido na fase i;

n = número de fases.

O tempo perdido na fase i é dado por:

Li = (I – ta) + pi

onde,

Li = tempo perdido na fase i;

I = entreverdes, ou seja, ta + tr;

ta = tempo de amarelo;

tr = tempo de vermelho geral;

pi = tempo perdido.

A definição do tempo de verde leva em conta a aproximação crítica em cada fase, ou

seja, a que apresenta a maior relação entre o volume (demanda) e o fluxo de saturação

(oferta), dessa forma, o tempo de verde efetivo da fase i, gi, é dado por:

gi =

* gr

onde,

gi = tempo de verde efetivo para a fase i [s];

Yi = taxa de ocupação do movimento i;

=somatória das taxas de ocupação de todos os movimentos críticos i;

n = número de movimentos críticos.

O tempo de luz verde para cada fase pode ser determinado por

Gi = gi + li – Ai

onde,

Gi = tempo de indicação de verde para a fase i [s];

gi = tempo de verde efetivo para a fase i [s];

82

li = tempo perdido na fase i [s];

Ai = tempo de luz amarela na fase i [s];

O próximo passo do processo é a determinação do tempo de amarelo; A função

principal desta indicação é alertar os motoristas para a iminente mudança para a indicação

vermelha, de tal forma que eles possam tomar a decisão de atravessar ou não o cruzamento.

Esse cálculo exige muita atenção, pois uma escolha inadequada provoca o aparecimento das

zonas de dilema, que é uma área próxima à interseção onde um veículo não pode nem parar

com segurança antes de atingir o cruzamento e nem sair do mesmo sem exceder a velocidade

segura de aproximação[54]

. A Figura 19 ilustra esta situação.

Figura 19: Zona de Dilema num Cruzamento Semaforizado

xP

xa w

Deve

Atravessar

Pode

Escolher

Deve

Parar

Sentido do veículo

Fonte: Adaptado de Setti[54]

Na figura acima Xp designa a distância necessária para o veículo parar. Esta distância

é dada por:

Xp = V * t +

Onde,

V = velocidade do veículo [m/s];

t = tempo de percepção e reação do condutor até frear [s];

d = taxa de desaceleração depois da aplicação do freio [m/s2].

Observa-se pela figura anterior que os veículos na via a uma distância inferior a Xp

83

devem atravessar o cruzamento. A distância a ser percorrida pelo veículo é, portanto Xa + W

+ L (comprimento do veículo). Se a velocidade do veículo for V e t o tempo de transição,

temos:

Xa + W + L = V * T

Para a travessia em segurança da interseção o tempo T deverá ser tal que Xa é maior

ou igual Xp. Portanto,

Xa > Xp

Ou,

V * T – (W + L) > V * t + V2/2d

V * T = V * t + V2/2d – (W + L)

T > t + V/ 2d + (W + L)/V

Onde,

T = tempo de transição;

t = tempo de percepção e reação (adota-se l seg.);

V = velocidade de operação da via (dado do problema);

d = desaceleração (adota-se 4,5 m/s2)

W = largura da via a cruzar; e

L = comprimento do veículo (adota-se 5 m).

Na prática não se adota o amarelo menor que três segundos, nem maior que quatro

segundos devido a questões de segurança, além disso, esse valor deve ser padronizado para

uma mesma região geográfica para não induzir os condutores a avaliações equivocadas nas

travessias. Caso o tempo do amarelo exceda o padrão, deve-se transformar o tempo excedente

em vermelho integral[55]

.

É interessante observar que tempos de ciclos mais longos possibilitam a passagem de

84

um número maior de veículos. Este fato decorre do ganho obtido com relação ao tempo

morto, que é menor num ciclo mais longo. Por exemplo, consideremos um período de uma

hora e um tempo morto de seis segundos. Um ciclo de 80s ocorrerá 45 vezes com uma perda

total de 270s, ao passo que um ciclo de 120s ocorrerá 30 vezes gerando uma perda de 180s,

portanto o ciclo mais longo gera um ganho de 90s de amarelo que é transformado em verde,

possibilitando assim um escoamento maior de veículos. No entanto, este ganho diminui com o

aumento do tempo do ciclo; assim, verifica-se a diminuição dos benefícios com ciclos longos,

daí a necessidade de limitar o ciclo em um determinado valor, além disso, deve-se considerar

o efeito psicológico de um ciclo longo sobre os condutores. Uma demora acentuada para obter

o direito de passagem provavelmente induzirá os motoristas ao descumprimento das

orientações do semáforo. A tabela seguinte ilustra este fato, considerando um tempo morto de

8 s.

Tabela 4: Tempo Perdido Durante a Hora em Ciclos Diferenciados

Tempo de Ciclo (s)

Tempo perdido

durante a hora (s)

Ganho em relação ao

ciclo anterior (s)

40 720 -

50 576 144

60 480 96

70 411 69

80 360 51

90 320 40

100 288 32

110 262 26

120 240 22

130 222 18

140 206 16

150 192 14

Fonte: Adaptado de Vilanova[60]

A abordagem de Webster não é a única para o tratamento do problema em questão. Na

realidade, a complexidade inerente à tarefa exige o conhecimento profundo da teoria

desenvolvida e experiência prática para a obtenção de resultados satisfatórios. Um exemplo

pode ser visto no trabalho de Ming[61]

; o autor apresenta uma abordagem para o cálculo do

ciclo de verdes ótimos quando o fluxo de saturação não é constante. Experimentos realizados

na cidade de São Paulo relatam resultados positivos para um fluxo de saturação de 0.88[60]

.

85

Cálculo da Programação Semafórica pelo Método Simplificado

A variedade de métodos disponíveis para o cálculo da programação semafórica é um

forte indício da complexidade do problema. De fato, a dificuldade de tratar um problema que

envolve cenários com alto grau de aleatoriedade fez surgir alguns métodos para a

determinação do ciclo ótimo: o americano (HCM), o inglês (Webster) e o francês (extensão

do inglês)[54]

. Um ponto em comum entre os métodos citados é expressar a capacidade por

metro de largura e não por faixa de tráfego. Isto não representa uma situação realista, visto

que na ausência da demarcação de faixas no solo, os veículos se posicionam de maneira

desorganizada, gerando um número diferenciado de filas. Para corrigir esta distorção

costuma-se utilizar no Brasil uma variação do método inglês que contempla as faixas de solo

definida na tabela abaixo[54]

.

Tabela 5: Fatores de Ajuste da Largura de Faixa

L (m) 2.40 2.70 3.00 a 3.60 3.90 4.20 4.50

FL 0.88 0.93 1.00 1.03 1.045 1.06

Fonte:Adaptado de Setti[54]

É necessário ajustar também o fluxo de equivalência entre os veículos:

Tabela 6: Fatores de Ajuste da Equivalência entre Veículos

Tipo do Veículo Fator de Equivalência (uvpd – unidade de

veículos de passageiros diretos)

1 caminhão 1.75 uvpd

1 ônibus 2.25 uvpd

1 veículo em conversão 1.25 uvpd

Fonte: Adaptado de Setti[54]

Para fins didáticos, ilustra-se o processo de cálculo com um exemplo:

Seja uma interseção semaforizada com duas aproximações (sul e oeste) com os fluxos

descritos na sequencia. A largura da aproximação sul é de 7.4m e permite o acostamento

numa faixa de 2m, enquanto que a largura da aproximação oeste é de 7m sem acostamento. A

86

capacidade é de 1600 uvpd por faixa e por hora de luz verde para ambas as aproximações.

Entrada Sul AUTOS ÔNIBUS CAMINHÕES

FLUXO DIRETO 600 20 30 FLUXO EM CONVERSÃO 200 2 20

Entrada Oeste AUTOS ÔNIBUS CAMINHÕES

FLUXO DIRETO 500 25 20 FLUXO EM CONVERSÃO 180 3 15

Para a aproximação sul, sobram duas faixas de 2.70 m. Assim:

FS = 600 + 20 * 2.25 + 30 * 1.75 + (200 + 2 * 2.25 + 20 * 1.75) * 1.25 = 997 uvpd/hora

CS = 1600 * 2 * 0.93 = 2976 uvpd/hora verde

yS = FS/CS = 0.335 (Este número diz que o fluxo para esta aproximação será escoado se

33.5% do tempo do ciclo for alocado ao verde).

Para a aproximação oeste temos:

FO = 500 + 25 * 2.25 + 20 * 1.75 + (180 + 3 * 2.25 + 15 * 1.75) * 1.25 = 858 uvpd/hora

CO = 1600 * 2 * 1 = 3200 uvpd/hora verde

yS = FO/CO = 858 / 3200 = 0.268

Tempo do Ciclo:

Tc = Σ y = 0.335 + 0.268 = 0.603

Tempo de Transição (admitindo-se uma velocidade(V) de 40 km/h = 11.11m/s, tempo

de percepção(t) de 1s, taxa de desaceleração(d) de 4.5 m/s2, tempo perdido nas

aproximações de 2s e comprimento do veículo de 5m):

TTS = t +

+

= 1 +

+

= 3.31 3.5s

TTO = t +

+

= 1 +

+

= 3.35 3.5s

TPS = 3.5 – 2 = 1.5

TPO = 3.5 – 2 = 1.5

Σ TP = TPS + TPO = 3s

87

Tempo do Ciclo Ótimo:

TCO =

=

=

= 23.92s (24s)

Tempo de Verde para as Aproximações:

TVS = 24 * 0.335 = 8.04 s

TVO = 24 * 0.268 = 6.43 s

Como a engenharia de tráfego não recomenda tempo de amarelo inferior a três

segundos nem superior a quatro segundos e pelo menos doze segundos de tempo de verde

tem-se finalmente:

TVS = 12 segundos.

TVO = 12 segundos.

Tempo de Transição (amarelo) para ambos: 3.5 segundos.

Pode-se agora gerar um diagrama de tempos para a interseção em questão:

Medidas de Desempenho

As medidas de desempenho têm como objetivo estudar a adequação do sistema à

demanda existente, ou seja, estabelecer o grau de qualidade do serviço oferecido aos usuários

da via. No caso de interseções semaforizadas, a teoria de filas é um instrumento bastante útil

88

para avaliar o comportamento do semáforo, permitindo avaliar a eficiência dos dispositivos e

implantar alterações caso seja constatado um estrangulamento. Os modelos mais utilizados

para estes estudos são o D/D/1 e o M/D/1.

O modelo D/D/1 pressupõe a análise das seguintes métricas: Taxa média de chegada;

taxa média partida; taxa de ocupação; grau de congestionamento; tempo de dissipação da fila;

parcela do tempo do ciclo com fila; fila máxima; tempo máximo de espera na fila; espera total

por ciclo; espera média; proporção de veículos que param no cruzamento e fila média. A

figura 20 ilustra uma interseção com capacidade de aproximação que excede a demanda.

Figura 20: Modelo de Fila D/D/1 numa Interseção com Capacidade de Aproximação que

Excede a Demanda

Fonte: Adaptado de Mannering[56]

Desta forma, tem-se:

λ = taxa média de chegadas [veic./s];

µ = taxa média de partidas [veic./s];

t = tempo total decorrido;

to = tempo necessário para a dissipação da fila formada durante a fase vermelha [s];

tVDE = tempo de verde efetivo [s];

tVME = tempo de vermelho efetivo [s];

tc = tempo do ciclo [s];

89

Descreve-se a seguir os cálculos das medidas de desempenho segundo o modelo

D/D/1 para a aproximação sul do exemplo citado anteriormente. Neste caso, a indicação de

verde é de 12 s; o tempo de amarelo é de 3.5 s e o tempo total perdido por ciclo é de 4s. Como

o volume de saturação é 1600 veic./hora de verde, por faixa e temos duas faixas, o fluxo de

saturação da aproximação é de 3200 veic./h. O volume observado é de 872 veic./h. Assim

temos:

Tempo de verde efetivo: 12 + 3.5 – 4 = 11.5 s

Tempo de vermelho efetivo: Tc – Tempo de verde efetivo = 31 – 11.5 = 19.5

λ (taxa média de chegada): volume/3600 = 872/3600 = 0.242

µ (taxa média de partida): fluxo de saturação/3600 = 3200/3600 = 0.888

γ (taxa de ocupação): λ/ µ = 0.242 / 0.888 = 0.272

Veículos que chegam à interseção em um ciclo: λ * tc = 0.242 * 31 = 7.502 veic.

Veículos que podem passar pela interseção em um ciclo: µ * tc = 0.888 * 31 = 27.528

veic.

ρ (grau de congestionamento): 7.502/27.528 = 0.272

T0 (tempo de dissipação da fila): (γ * Tvme)/(1 – γ) = (0.272 * 19.5)/(1-0.272) =

5.304/0.728 = 7.28 s

PQ (Parcela do tempo do ciclo com fila): (Tvme + T0)/TC = (19.5 + 7.28)/31 = 0.863

QMAX (fila máxima): λ * Tvme = 0.242 * 19.5 = 4.72 veic.

WMAX (tempo máximo de espera): 19.5 (ocorre quando o veículo chega e o semáforo

fica vermelho).

WTOT (espera total por ciclo): (λ * Tvme2)/2*(1- γ) = (0.242 * 19.5

2)/2(1-0.272) =

92.0205/1.456 = 63.20 veic.s

WMED (espera média): WTOT/( λ * TC) = 63.20 / (0.242 * 31) = 8.424 s

PS (proporção de veículos que param no cruzamento): λ * (Tvme + T0) / λ * Tc =

0.242 * (19.5 + 7.28) / 0.242 * 31 = 0.863

q (fila média): WTOT / Tc = 63.20/31 = 2.038 veic.

4.4 A Integração entre o SIG e a Engenharia de Tráfego

A relevância de um sistema de informações geográficas para a engenharia de tráfego é

considerável devido à natureza essencialmente espacial dos dados pertinentes aos sistemas de

90

transporte e trânsito. A possibilidade de análise de dados em rede, estatística e análise espacial

tornam o SIG uma ferramenta única para a integração de um grande conjunto de entidades

espaciais, bem como os atributos que as descrevem. Outro ponto a ser observado é que a

utilização de um SIG permite a interação com um ambiente de análise mais amigável ao

usuário, além da possibilidade da geração de produtos como: mapas temáticos, gráficos,

acesso simultâneo a múltiplas camadas de dados espaciais e a possibilidade de operação com

outros produtos de software para gerar soluções customizadas.

As iniciativas de utilização dos SIG na engenharia de tráfego geraram novos usos,

benefícios e desafios, para tanto, é primordial a incorporação da rede viária ao sistema, além

das informações de topografia, tipo e uso do solo. Aplicações típicas dos SIG na engenharia

de tráfego incluem[62]

:

Gerenciamento e manutenção de vias;

Modelagem do tráfego;

Análise de acidentes;

Roteamento de veículos;

Análise de impactos ambientais;

Previsão de demandas de viagens;

Transporte de cargas perigosas;

Um cadastro que permite, por exemplo, o gerenciamento das vias engloba o inventário

(tipo do pavimento, faixas, extensão, largura), os dados históricos (data do projeto, tipo de

construção, reabilitação, manutenção preventiva) entre outros. Posteriormente, com a ajuda de

dados de volume, é possível efetuar análises do desempenho do pavimento e estimar a sua

vida útil. Pode-se ainda traçar estratégia de investimento para recuperação e ampliação da

malha viária.

A análise de acidentes de trânsito, que é uma área que recebe considerável atenção por

parte dos pesquisadores, não se satisfaz apenas com o simples georeferenciamento das

ocorrências e sua exibição em um mapa. Atualmente as ferramentas de análise espacial são

utilizadas para a identificação dos fatores determinantes das ocorrências e das correlações

existentes. Queiroz et al.[63]

utilizam esse arcabouço para caracterizar e diferenciar

91

geograficamente as concentrações de acidentes em uma plataforma SIG; Os resultados

permitem auxiliar na tarefa de fiscalização, engenharia e educação dos usuários das vias.

A identificação dos pontos de congestionamento é outro assunto de interesse para os

engenheiros de tráfego. A partir da representação destes pontos no mapa, o órgão gestor do

trânsito na cidade pode avaliar cenários múltiplos e sugerir corredores alternativos para o

escoamento do tráfego nas áreas mais saturadas. Pode auxiliar também na avaliação da

necessidade de uma reprogramação semafórica numa área mais abrangente, algo que seria

mais trabalhoso sem o uso de uma plataforma SIG. Contudo, a utilização de Sistemas de

Informações Geográficas em Transportes (SIG-T) em programação semafórica, que é o foco

deste trabalho, é relativamente restrita. Produtos de software como o TRANSYT e o

TRANSCAD incorporam recursos interessantes para a gestão do sistema viário, mas

apresentam custos relativamente altos. O TRANSYT, por exemplo, permite o cálculo de

planos de sincronismo para a operação dos sistemas de controle de tráfego por área (CTA).

Um CTA é um agrupamento onde a operação de uma interseção é afetada pelas interseções

vizinhas.

A produção acadêmica no que tange a integração entre os sistemas de informações

geográficas e a programação semafórica é baixa. Sarasua[64]

, um dos poucos autores com

trabalho publicado no assunto, especifica um protótipo para facilitar a produção de modelos

no TRANSYT, através da utilização de funções externas e sistemas especialistas. A proposta

do autor contempla um conjunto de rotinas para a incorporação de uma base cartográfica

adequada à utilização em programação semafórica. Esta base é composta por uma camada de

eixos das vias e outra de pontos representando as interseções. Assim, tem-se a representação

da topologia, dos dados operacionais e de tecnologia dos controladores nas interseções, da

velocidade de fluxo livre, etc. Adicionalmente, o autor incorpora ao modelo o conceito de

bases temporais para a representação de informações dependentes de variações típicas do

tempo na rede.

Por sua vez, Oliveira et al.[65]

revisitam o trabalho de Sarasua[64]

e propõem um arranjo

que utiliza um SIG-T na produção de planos de sincronismo semafórico utilizando o

TRANSYT. Os autores esclarecem que utilizam o SIG-T para a extração de informações de

topologia que posteriormente são codificadas para o TRANSYT. Na sequencia, o SIG-T gera

mapas temáticos para visualizar o desempenho dos planos produzidos. Segundo os autores, o

92

modelo é um refinamento do trabalho de Sarasua[65]

, pois incorpora funções que permitem a

exploração dos recursos de visualização de um SIG-T, além de prover maior funcionalidade e

interatividade com os usuários. A abordagem inclui um método para direcionar os resultados

do modelo de simulação do TRANSYT 9, bem como a programação semafórica proposta para

o SIG-T.

A funcionalidade desejada é viabilizada pela utilização de tecnologias de

desenvolvimento visual de componentes externos ao SIG; Trata-se de uma arquitetura

integrada que incorpora o ambiente de desenvolvimento Delphi, o TransCAD e o TRANSYT.

Observa-se, neste projeto, que o SIG fornece as relações topologias essenciais à

coordenação semafórica, como a distância entre as interseções e os nomes das aproximações.

As rotinas externas executam a interface entre o SIG e o TRANSYT, auxiliando a entrada de

dados, o processamento e o gerenciamento dos dados de saída.

Os dados incorporados ao modelo incluem o nome do logradouro, polos geradores de

tráfego e velocidades livres de percurso. Há ainda a possibilidade de adequação do sistema a

outros usos, como a gerência de pavimentos e o roteamento.

À estrutura de nós estão associadas informações provenientes de dois conjuntos de

tabela; o primeiro armazena os dados que são independentes do tempo (topologia, fluxo de

saturação, identificação e geometria), ao passo que o segundo armazena os dados temporais

(volume nas aproximações, planos de sincronismo, entreverdes, etc.). A comunicação entre os

diferentes módulos é efetuada via DDE (Dynamic Data Exchange), um recurso do ambiente

Windows que permite a troca de dados e informações entre programas, durante a execução.

Na etapa final os planos gerados pelo TRANSYT são processados por um módulo

denominado “Gerenciador” que os traduz para uma tabela associada a uma camada do SIG.

Esta tabela corresponde à rede utilizada pelo TRANSYT permitindo, assim, a visualização

das medidas de desempenho no ambiente SIG.

O TRANSYT é um produto amplamente utilizado e de comprovada eficácia. Desta

forma, a incorporação de um módulo capaz de realizar análises geográficas à ferramenta tem

o potencial de enriquecer as análises de planos semafóricos.

93

4.5 Resumo

Este capítulo definiu a engenharia de tráfego e os elementos a serem considerados na

implantação de um equipamento viário, bem como os métodos utilizados para a gestão do

sistema de trânsito. Foram apresentados os modelos macroscópico, microscópico e os

parâmetros que embasam o estudo do fluxo de veículos. A abordagem mais tradicional para o

cálculo dos ciclos semafóricos é contemplada junto com as métricas de desempenho das

interseções semaforizadas. Finalmente analisa-se a viabilidade da utilização de uma

ferramenta SIG como recurso complementar para os problemas da engenharia de tráfego.

94

Capítulo 5

Modelo Proposto

O projeto de um sistema de programação semafórica envolve múltiplos requisitos.

Primeiramente, para que o modelo seja eficaz, uma grande amostra de dados de pesquisa de

fluxo veicular é necessária e isto exige o projeto cuidadoso de uma base de dados capaz de

gerenciar este volume. Para o modelo proposto neste trabalho, considerações adicionais são

necessárias. A proposta de integração com um modelo geográfico pressupõe a incorporação e

o tratamento de uma base cartográfica digital. Os preceitos para a construção de uma base

cartográfica foram discutidos no capítulo 3, bem como os principais pontos a serem

observados na implantação de um SIG. Além disto, deve-se projetar um ambiente capaz de

interagir de maneira amigável com os usuários do produto.

5.1 Arquitetura Proposta

O aspecto temporal da solução proposta pressupõe a coleta do volume de tráfego para

a malha viária do município, caracterizando-o segundo os conceitos apresentados no capítulo

quatro:

Veículos de passageiro em fluxo direto e fluxo em conversão;

Ônibus em fluxo direto e fluxo em conversão;

Caminhões em fluxo direto e fluxo em conversão.

Adicionalmente, deve-se registrar o dia e o horário da pesquisa do fluxo veicular para

garantir a precisão na estimativa de volumes futuros, visto que o sistema a ser construído

utilizará métodos estatísticos de regressão linear baseado em séries históricas.

A solução proposta é baseada em um sistema integrado, composto de três módulos: o

módulo de Cadastro, o módulo de Análise e Consulta de Dados e o módulo de Apresentação

de Dados. Estes módulos usarão os dados armazenados num banco de dados unificado,

conforme o diagrama ilustrado na figura 21.

95

Figura 21: Arquitetura Proposta para o Sistema

Módulo Cadastro

Os dados recebidos da coleta do volume de tráfego são processados pelo sistema e

armazenados na base específica do “Sistema de Transporte”. O módulo Cadastro deverá

registrar cada amostra, fazendo as devidas consistências, e caracterizar sua natureza

(identificação da localização, data e horário da pesquisa, volume observado para cada

composição). Este módulo deverá ainda identificar o dia da semana em que a pesquisa foi

realizada para aprimorar o processamento das operações de projeção futura do fluxo veicular.

Outra funcionalidade do módulo é o tratamento da inserção da base cartográfica do município

no ambiente garantindo a sua consistência. Por fim, os dados censitários provenientes dos

órgãos oficiais de pesquisa populacional serão incorporados ao modelo.

O conjunto destas três bases (Base Cartográfica, Sistema de Transporte e Dados

96

Censitários), também denominados de Data Marts, após passarem pelo processo de

normalização, darão origem a um grande Banco de Dados a ser utilizado pelo produto

desenvolvido, e serão reunidos em um datawarehouse. Este, por sua vez, fornecerá os dados

necessários ao sistema para a produção dos planos semafóricos.

Módulo Análise e Consulta de Dados

Este módulo terá como função o processamento de todas as consultas dos usuários.

Deve ser projetado um arranjo que permita a recuperação e síntese de informações

alfanuméricas sob múltiplas perspectivas. Por exemplo, pode-se fornecer recursos para uma

pesquisa baseada em um único atributo de todos os semáforos; outra possibilidade é a

recuperação de informações múltiplas para um ou vários equipamentos semafóricos. Pode-se

ainda rever dados pontuais das pesquisas volumétricas de tráfego. Além disso, o módulo

deverá implementar as funções para o cálculo da programação semafórica. Neste trabalho o

método adotado será o cálculo simplificado conforme detalhado no capítulo quatro. Também

faz parte deste módulo o cálculo das métricas de desempenho para cada elemento da rede.

As projeções de desempenho do tráfego na cidade também serão realizadas pelo

módulo Análise e Consulta de Dados. Conforme descrição anterior, estas projeções serão

realizadas tomando como base o histórico de observações registradas para cada interseção

semaforizada da cidade. Empregar-se-á os métodos estatísticos de regressão linear para a

estimativa de cenários futuros, com a busca de curva de melhor ajuste para cada situação.

Outra função deste módulo é a possibilidade de consulta dos equipamentos

diretamente na base cartográfica associada. Desta forma, garante-se uma interação maior dos

usuários com o sistema, através da apresentação da espacialização da rede de semáforos, bem

como dos atributos que os caracterizam.

Módulo Apresentação de Dados

Este módulo tem como objetivo prover e formatar o resultado das análises e consultas

solicitadas pelos usuários. Deverá disponibilizar uma interface amigável para que a interação

seja a mais natural possível.

97

Os planos semafóricos poderão ser apresentados na forma de relatórios gerenciais

tradicionais, ou ainda exibidos na base cartográfica, mostrando o tempo alocado a cada

intervalo e as diversas medidas de desempenho para cada semáforo da rede. Outra

funcionalidade prevista é a geração do diagrama de tempos para interseções selecionadas.

Os dados sobre as projeções para cenários futuros também serão apresentados por este

módulo. Na realidade, o módulo replicará as funções de exibição para o cálculo da

programação semafórica para uma única amostra. A diferença é que o sistema deverá ativar

previamente a função de estimativas de volumes futuros.

A exibição dos dados integrados na base cartográfica permitirá aos usuários a

visualização conjunta de múltiplos aspectos do sistema de programação semafórica da cidade,

permitindo aos mesmos a identificação antecipada de possíveis problemas futuros, bem como

a avaliação de soluções potenciais.

5.2 Aspectos de Implantação

Neste tópico apresenta-se o esquema do banco de dados utilizado e o diagrama de

fluxos de dados que interage sobre o mesmo para viabilizar o modelo proposto.

Adicionalmente são fornecidos o diagrama de projeto e as provas de corretude dos principais

algoritmos utilizados.

Banco de Dados

O banco de dados será construído segundo o modelo relacional. Trata-se de um

modelo que usa o conceito matemático de relações, que se assemelha a uma tabela de valores

e cuja base é a lógica de predicados de primeira-ordem[42/43]

. Representa-se na figura 22 o

esquema do banco de dados segundo a notação do modelo de entidades e relacionamentos:

98

Figura 22: Diagrama de Entidades e Relacionamentos da Solução Proposta

O diagrama mostra que a Prefeitura Municipal é a responsável pelo sistema global. A

área de planejamento tem a incumbência de atualizar e fornecer a base cartográfica digital, ao

passo que a área de transportes gerencia todos os aspectos do sistema de trânsito. Na notação

formal do modelo, o símbolo “U” adjacente ao arco significa uma operação de união. Assim,

a entidade “Prefeitura” é formada pela união de todas as suas secretarias.

A base cartográfica digital é formada pela união de todas as camadas (limite

municipal, divisões territoriais, logradouros, etc.) geradas conforme os preceitos descritos no

capítulo três.

O símbolo do losango designa uma associação entre as entidades representadas e os

valores que acompanham os vértices correspondem à cardinalidade do relacionamento, ou

seja, o número de elementos deste conjunto que participa da associação. Desta forma, pode-se

deduzir que a Secretaria de Planejamento é a única responsável pelo fornecimento da base

99

cartográfica. A Secretaria de Transportes é a única com atribuições para gerenciar o sistema

de trânsito.

Observa-se ainda pelo diagrama que a Secretaria de Transportes será a responsável

pelo processo de contagem dos veículos. Num nível mais amplo, nota-se que todo o sistema

de trânsito é gerenciado pela área de transportes. Este subsistema é tratado no diagrama como

uma nova entidade que agrega os logradouros da cidade, os veículos que por eles trafegam,

bem como os elementos de sinalização que regulam o fluxo de veículos: placas de

advertência, sinalização de solo e semáforos. Ademais, o diagrama indica que um número

qualquer de veículos pode transitar por um logradouro, e, da mesma forma, dado um veículo,

este pode percorrer um número qualquer de logradouros. Indica-se também que um

logradouro pode conter um número qualquer de elementos de sinalização, o que descreve

perfeitamente uma situação real, visto que é preciso inseri-los na maioria das interseções de

um trecho urbano. Por fim, as placas de regulamentação e controle disciplinam o fluxo de um

número qualquer de veículos e, dado um veículo, seu percurso pode ser controlado por um

conjunto qualquer destes elementos.

O modelo de entidades e relacionamentos (MER) fornece os elementos necessários

para a implementação do banco de dados num sistema computadorizado. Assim, uma

entidade do MER gera um arquivo no banco de dados. Este esquema define ainda os atributos

que farão parte deste arquivo, bem como a composição da chave primária. As associações

estabelecem os atributos que deverão ser replicados nos arquivos relacionados.

A figura 23 ilustra o esquema resultante do diagrama de entidades e relacionamentos

proposto.

100

Figura 23: Esquema Resultante do Modelo Entidade-Relacionamento Proposto

Neste esquema, os prefixos Entr1 e Entr2 referem-se às duas aproximações do

cruzamento em questão. A sigla FD designa “Fluxo direto” enquanto que FC refere-se a

“Fluxo em conversão”. A tabela “Semáforos Consolidados” tem como objetivo agrupar os

dados provenientes da tabela “Históricos”, para um período de pesquisa previamente

estipulado. Deve-se observar, ainda, que as tabelas da base de dados foram normalizadas (3ª

Forma Normal) conforme recomendações da teoria de banco de dados. Desta forma, evita-se

as anomalias de atualização dos dados que compõem a base.

Diagrama de Fluxo de Dados

O diagrama de fluxo de dados é uma das ferramentas mais utilizadas para a

especificação de um sistema. Trata-se de uma especificação semiformal das funcionalidades

101

descrevendo o sistema como uma coleção de dados que são manipulados por funções

(componentes). Os dados são armazenados em banco de dados, ou podem estar contidos em

fluxo de dados unindo duas ou mais funções. A vantagem do seu uso é a simplicidade da

notação, o que garante o rápido entendimento por parte dos usuários. A figura 24 designa o

diagrama de contexto para o sistema em estudo. Neste nível (0), o diagrama utiliza um único

processo e as entidades que interagem com o sistema.

Figura 24: Diagrama de Fluxo de Dados da Solução Proposta (Nível 0)

O propósito do diagrama de nível zero é identificar as entidades que interagem com o

sistema, bem como os dados que devem ser fornecidos e/ou recebidos nesta interação. O

retângulo com as pontas arredondadas indica um processo onde ocorre uma transformação.

Neste nível utiliza-se um único processo, onde todas as funções serão embutidas. O diagrama

do próximo nível, apresentado na figura 25, ilustra com mais detalhes os relacionamentos

existentes para a consecução dos objetivos do projeto.

102

Figura 25: Diagrama de Fluxo de Dados da Solução Proposta (Nível 1)

Neste nível observa-se a decomposição no sistema em funções mais elementares. Cada

função desempenha uma tarefa específica, que pode ser descrita com mais detalhes no nível

seguinte. Os fluxos de dados que entram e saem de um processo devem ser mantidos quando

ocorrer um novo detalhamento. Neste nível são introduzidos também os arquivos a serem

utilizados pelo sistema.

103

Diagrama de Estrutura do Projeto

O diagrama de estrutura do projeto deriva-se do diagrama de fluxo de dados

apresentado no item anterior. O propósito deste diagrama é ilustrar a segmentação de um

sistema em módulos – caixas pretas – mostrando sua hierarquia, organização e

comunicação[66]

. A figura 26 é o diagrama final dos módulos para a solução proposta.

Figura 26: Diagrama de Estrutura da Solução Proposta

104

Algoritmos

O último item desta seção tem como objetivo descrever e analisar os principais

algoritmos utilizados. Um algoritmo é um procedimento computacional bem definido que

transforma um conjunto de dados de entrada em um conjunto de dados de saída, visando

atingir um objetivo pré-estabelecido. A especificação do problema estabelece a relação que

deve existir entre os dados de entrada e os dados de saída[67]

. Posteriormente estes algoritmos

são utilizados para a codificação do sistema em um computador. O processo de análise de um

algoritmo engloba três quesitos:

1. Finitude: O algoritmo para ?

2. Corretude: O algoritmo cumpre seu objetivo ?

3. Complexidade do Tempo: Análise do tempo necessário para cumprir sua função no

pior caso.

As provas de corretude serão baseadas no princípio de Loops invariantes, que

especificam as condições que se mantêm verdadeiras em todas as iterações do algoritmo[67]

.

Para tanto, deve-se demonstrar três fatos sobre um loop invariante:

a) Inicialização: Uma condição é verdadeira previamente a primeira iteração do

algoritmo.

b) Manutenção: Se algo é verdadeiro antes da iteração do loop, ele se mantém

verdadeiro antes da iteração seguinte.

c) Término: No encerramento do loop, o invariante fornece uma propriedade útil que

auxilia na compreensão da corretude do algoritmo.

A complexidade do tempo é analisada pelo número de instruções básicas (operações

elementares) executadas a partir de uma entrada. A teoria da complexidade de algoritmos

utiliza, para isto, a notação assintótica, que é uma abordagem para o estudo do

comportamento do algoritmo para instâncias de tamanho elevado. Assim, se um algoritmo

possui complexidade de tempo de pior caso θ(n2), podemos afirmar que o tempo de execução

deste algoritmo é limitado superiormente por um polinômio da forma an2.

105

Algoritmo 1: Programação_Semafórica

Entrada: Dados_Aproximações (Largura_Via, Capacidade, Acostamento, Fluxos)

Saída: Tempo_Ciclo, Tempo_Verde, Tempo_Amarelo, Tempo_Vermelho

Inicio

1. Soma_Tempo_Perdido = 0; Soma_Parcial = 0

2. Para i =1 até Total_Aproximações Faça

3. X(i) = Calc_Prog_Semaforo(i)

4. Soma_Parcial = Soma_Parcial + X(i)

5. Tt(i) = TempoAmarelo(i)

6. Soma_Tempo_Perdido = Soma_Tempo_Perdido + Tt(i)

7. Próximo

8. Tempo_Ciclo_Otimo = (1.5 * Soma_Tempo_Perdido + 5) / (1 – Soma_Parcial)

9. Para i =1 até Total_Aproximações Faça

10. Tempo_Verde(i) = Tempo_Ciclo_Otimo * X(i)

11. Se Tempo_Verde(i) < 15 então Tempo_Verde(i) = 15

12. Ajustar Tempo_Amarelo(i) {> 3s e < 4s}

13. Tt(i) = TempoAmarelo(i)

14. Soma_Tempo_Perdido = Soma_Tempo_Perdido + Tt(i)

15. Tempo_Vermelho(i) = Tempo_Verde(i) + Tempo_Amarelo(i)

16. Próximo

17. Tempo_Ciclo = Tempo_Verde + Tempo_Amarelo + Tempo_Vermelho

18. Exibir Tempo_Ciclo, Tempo_Verde, Tempo_Amarelo, Tempo_Vermelho

Fim

O algoritmo 1 tem como objetivo calcular o tempo do ciclo total do semáforo pelo

método de Webster, determinado os tempos do vermelho, do amarelo e do verde. O algoritmo

possui dois laços (linhas 2-7 e 9-16). Para cada um deles o valor da variável i é incrementado

para cada um dos semáforos da interseção até o valor (Total_Aproximações +1), quando o

laço se encerra e as instruções seguintes são executadas. As demais instruções são operações

sequenciais de cálculo e atribuição. Portanto, o algoritmo interrompe a execução na linha 18 e

o primeiro critério (Finitude) é satisfeito.

O segundo critério (Corretude) é provado pelo loop invariante. O cálculo do ciclo

ótimo exige a determinação da soma dos tempos perdidos e do tempo do amarelo para cada

aproximação. No inicio do algoritmo as variáveis (Soma_Tempo_Perdido e Soma_Parcial)

possuem valores nulos. O primeiro loop aciona a rotina para o cálculo da relação entre o fluxo

e a capacidade e o tempo do amarelo de maneira incremental. A seguir, o algoritmo gera o

tempo do ciclo ótimo no passo 8. O segundo loop determina o tempo do verde de cada

aproximação, ao mesmo tempo em que ajusta o tempo do amarelo para as aproximações. Com

isto é possível calcular também o tempo do vermelho. Na condição de término temos os

106

elementos necessários para o cálculo do ciclo total da aproximação. Logo, o algoritmo está

correto.

O terceiro critério analisa a eficiência do algoritmo. Afirma-se anteriormente que o

algoritmo possui dois laços que são executados n vezes (uma para cada aproximação) e

instruções diretas de cálculo e atribuição. Assim, o tempo de execução do algoritmo é 2 *

θ(n), que resulta na complexidade de tempo θ(n). Donde se conclui que o algoritmo opera em

tempo polinomial no tamanho da entrada.

Algoritmo 2: Cálc_Prog_Semaforo

Entrada: Dados_Aproximações (Largura_Via, Capacidade, Acostamento, Fluxos)

Saída: Tempo_Ciclo, Tempo_Verde, Tempo_Amarelo, Tempo_Vermelho

Inicio

1. Inicializar Tabela_Faixas

2. Para o Semáforo Selecionado Faça

3. Obter Largura_Via

4. Obter Dados_Acostamento

5. Determinar Número_Faixas

6. Fat_Ajuste_Via = 1

7. Enquanto (Fat_Ajuste_Via < 5) e (Largura_Via > Tabela_Faixa

(Fat_Ajuste_Via, 2)) Faça

8. Fat_Ajuste_Via = Fat_Ajuste_Via + 1

9. Fluxo_Total = Fluxo_Direto + Fluxo_Conversão

10. XCapacidade = Capacidade * Número_Faixas * Fator_Ajuste

11. Calc_Prog_Semaforo = XCapacidade / Fluxo_Total

12. Próximo

Fim

A função do algoritmo 2 é determinar a vazão possível em cada aproximação. Para

tanto, considera os dados da largura da via, a existência de acostamento e os fluxos locais.

Com exceção do loop das linhas 7 e 8, as instruções do algoritmo são cálculos simples e

operações de atribuição. O referido loop é controlado pela variável Fat_Ajuste_Via que é

iniciado na linha anterior com o valor 1. Este trecho do algoritmo pesquisa a tabela de faixas

para determinar o ajuste da largura da faixa. Como o valor é incrementado em uma unidade

por ciclo do loop (tabela de fator de ajuste da largura da via) e o limitante superior é cinco, o

critério de finitude é satisfeito.

Quanto à corretude, deve-se observar que a vazão é dada pela relação entre a

107

capacidade e o fluxo total. No primeiro passo, o algoritmo gera uma matriz com os limitantes

inferiores e superiores da largura das vias, bem como os respectivos fatores de ajuste. A

seguir, o algoritmo considera a largura da via e desconta o espaço para um eventual

acostamento, obtendo o fator de ajuste. A linha 9 totaliza todos os tipos de fluxo para a

aproximação. A instrução seguinte ajusta a capacidade final da aproximação e fornece o

resultado para a etapa seguinte calcular a vazão desejada. Por conseguinte, o algoritmo está

correto.

A complexidade de tempo é dada por θ(n) quando o cálculo é necessário para toda a

rede semafórica do município. Portanto, este algoritmo também opera em tempo polinomial

no tamanho da entrada.

O algoritmo seguinte é utilizado para estimar o fluxo futuro de um semáforo tendo

como base o histórico registrado em diferentes dias e horários. Para tanto utilizar-se-á os

modelos de regressão linear. Estes modelos são utilizados com frequência em muitas

aplicações científicas para o equacionamento de relações entre variáveis[58]

. Estas relações

podem ser obtidas a partir de estudos experimentais em campo ou laboratório. A figura 27

representa a relação entre as variáveis X e Y para um experimento.

Figura 27: Diagrama de Dispersão entre Variáveis

A reta y = ax + b que melhor se ajusta à amostra de dados é denominada reta dos

mínimos quadrados. O método para a obtenção desta reta determina os coeficientes que

108

minimizam a soma dos desvios (d1, d2, d3, ..., dn) elevados ao quadrado. Este modelo pode ser

adequado para estimativas futuras de tráfego, visto que é possível observar um padrão

relativamente homogêneo de comportamento do tráfego em algumas ruas e avenidas,

considerando fatores como: horas de rush; proximidade de polos atratores de tráfego;

sazonalidade de fluxo em algumas áreas, sobretudo unidades educacionais; variações

temporais, como fluxos diurno e noturno; fluxos para dias úteis e finais de semana. Assim, se

for registrado o fluxo para as aproximações para um período longo, pode-se admitir que o

modelo gera estimativas razoáveis para o comportamento do fluxo, não obstante o caráter

aleatório do mesmo.

Em termos matemáticos, encontrar o valor a e b da equação anterior significa

minimizar a soma[58]

:

S =

onde,

S = Soma dos desvios

Yi = Valor real observado para a variável Xi

di = Valor correspondente de Xi na equação da reta y.

Para minimizar o valor de S em relação às variáveis a e b, deve-se expressar a equação

anterior em termos destes parâmetros. Assim, substituindo a equação da reta na fórmula

anterior, tem-se:

S =

Aplicando-se a derivada parcial em relação aos parâmetros e igualando-as a zero,

obtem-se:

= 0

= 0

Dividindo por 2 e reorganizando os termos, obtem-se o sistema que fornece os valores

109

de a e b.

na + =

+

=

A grande utilidade de se equacionar um fenômeno é a possibilidade de extrair

informações sobre o mesmo que somente uma linguagem matemática possibilita. Contudo,

deve-se observar que o ajustamento por reta pode apresentar inconsistências, sobretudo

quando o valor dos desvios é grande. Por esta razão, é recomendável averiguar se o

ajustamento por outras curvas oferece uma somatória de desvios de quadrados menor. Uma

possibilidade é o ajustamento por uma equação de parábola cuja forma é y = a + bx + cx2. A

resolução do sistema abaixo fornece os valores para os parâmetros a, b e c.

Σ y = aN + bΣx + cΣx2

Σ(xy) = aΣx + bΣx2 + cΣx

3

Σ(x2y) = aΣx

2 + bΣx

3 + cΣx

4

Uma terceira forma de estimativa é ajustamento por uma curva exponencial. Sua

equação é representada por y = abx e é bastante útil em análises onde uma variável cresce ou

decresce muito em relação à variação da outra. Neste caso os coeficientes a e b são

determinados pelo sistema:

Σ y = a’N + b’Σx

Σ(xy’) = a’Σx + b’Σx2

Onde,

a = ea’

e b = eb’

.

Na solução proposta, o sistema deverá selecionar a curva que melhor se ajusta ao

cenário em questão para que as estimativas sejam as mais confiáveis possíveis. Para tanto, o

algoritmo deverá selecionar a amostra de dados a ser utilizada na pesquisa e calcular os

desvios para cada um dos três tipos de curva explicitados anteriormente. Tendo selecionado a

110

curva mais adequada ao cenário estipulado, o algoritmo deverá projetar o volume de tráfego

para o período futuro desejado na pesquisa. Esta é a função o algoritmo 3, descrito abaixo:

Algoritmo 3: Curva_Mínimos_Quadrados

Entrada: Dados_Aproximações (Fluxos), Amostra_Base_Pesquisa, Período_Projeção

Saída: Estimativa_Tráfego_Futuro

Inicio

1. Inicializar Tabela_Tipo_Fluxo

2. Obter Registros(Amostra_Base_Pesquisa)

3. Obter Data_Projeção

4. Para Cada Registro Faça

5. Gerar Tabela_Tipo_Fluxo

6. Próximo

7. Obter Coeficientes_Reta

8. Obter Coeficientes_Parábola

9. Obter Coeficientes_Exponencial

10. D1 = Somatoria_Desvio_Reta

11. D2 = Somatoria_Desvio_Parábola

12. D3 = Somatoria_Desvio_Exponencial

13. Dx = Curva(Minimo(D1, D2, D3))

14. Projetar_Fluxo_Trafego(Dx, Data_Projeção)

15. Retornar (Projeção_Tráfego)

Fim

O algoritmo 3 possui um único laço (linhas 4 a 6), cuja finalidade é alocar os fluxos

para as entradas corretas na Tabela_Tipo_Fluxo, que registra os fluxos para cada tipo de

veículo. Como a cardinalidade desta amostra é finita (linha 2), o laço encerra-se após o

processamento da Amostra_Base_Pesquisa. As demais instruções são operações de atribuição

e cálculos diretos e, portanto, o algoritmo encerra-se na linha 15, validando o critério de

finitude.

A corretude do algoritmo é garantida pelo fato de, após a execução das instruções da

linha 9, dispor-se de todos os coeficientes necessários para cada uma das curvas de

ajustamento. Estes coeficientes podem ser obtidos de maneira simples através da aplicação da

regra de Cramer para a resolução de sistemas lineares do tipo n x n, como é o caso das curvas

de ajustamento do modelo proposto. Após isto, as instruções entre as linha 10 e 12 calculam a

somatória dos desvios mínimos para cada curva de ajustamento. Na linha 13 ocorre a seleção

da curva com o menor desvio mínimo quadrado. Finalmente, o fluxo é projetado na instrução

seguinte aplicando a data de projeção desejada na curva de ajustamento selecionada.

111

Este algoritmo também é executado em tempo polinomial, já que o mesmo é limitado

pela cardinalidade da seleção da linha 2. Assim se n registros forem selecionados para compor

a amostra, o algoritmo será executado no tempo de θ(n).

O último algoritmo da solução proposta tem como finalidade apresentar as medidas de

desempenho dos volumes de tráfego espacializadas numa base cartográfica digital.

Algoritmo 4: Gerar_Mapas_Medidas_Desempenho

Entrada: Dados_Aproximações (Largura_Via, Capacidade, Acostamento, Fluxos)

Saída: Mapa_Métricas_Desempenho

Inicio

1. Tipo_Projeção = Selecionar (Fluxo_Atual, Fluxo_Futuro)

2. Para i =1 até Total_Aproximações Faça

3. Se Tipo_Projeção = “Fluxo_Futuro”

4. Call Curva_Mínimos_Quadrados

5. Call Programação_Semafórica

6. Call Métricas_Desempenho

7. Próximo

8. Load Layer (Base_Cartográfica, Limite_Municipal)

9. Load Layer (Base_Cartográfica, Logradouros)

10. Load Layer (Base_Cartográfica,Semáforos)

11. Enquanto OPCAO(Metrica_Desempenho) <> “FIM” Faça

12. Gerar Mapa_Métrica (Metrica_Desempenho)

13. Load Layer (Base_Cartográfica, Mapa_Métrica)

14. Exibir Mapa

Fim

O algoritmo 4 começa por selecionar o tipo de projeção a ser utilizada na geração do

mapa de métricas (linha1). Caso a situação desejada seja a projeção do tráfego para um

cenário futuro, a rotina para o cálculo da curva de mínimos quadrados (algoritmo 3) é

chamada, caso contrário o algoritmo utiliza a amostra corrente para a aproximação. A

instrução seguinte invoca a rotina para o cálculo da programação semafórica (algoritmo 1).

Posteriormente, as medidas de desempenho são calculadas para todas as aproximações. O laço

entre as linhas 2 e 7 é controlado pela variável i e é incrementado em uma unidade e limitado

superiormente pelo total de semáforos do município. As instruções entre as linhas 8 e 10

carregam as camadas a serem exibidas no sistema. O laço entre as linhas 11 e 14 apresentam

as métricas selecionadas pelo usuário na base cartográfica digital até que o usuário decida

112

encerrar este módulo. Assim, o critério de finitude se aplica ao algoritmo.

Ademais, observamos que os algoritmos precedentes estão corretos. O algoritmo 4

invoca os demais algoritmos para a consecução do seu objetivo. Pode-se assim inferir que o

critério de corretude também é verificado para o algoritmo 4.

Da mesma forma que os algoritmos 1, 2 e 3 são executados em tempo polinomial e o

algoritmo 4 basicamente os utiliza através de uma chamada de rotina, concluí-se que a

execução do algoritmo 4 é limitada superiormente no tempo por uma função polinomial. Em

outras palavras, trata-se também de um algoritmo eficiente do ponto de vista computacional.

A arquitetura proposta forneceu os elementos para a construção de um sistema

computadorizado que tem como objetivo realizar a gestão da rede semafórica em modo

isolado de uma cidade. O sistema foi implementado em um ambiente único que integra

diversas ferramentas, dentre as quais destaca-se:

Linguagens de programação: HTML (HyperText Markup Language), PHP (PHP

Hypertext Preprocessor), Javascript e Java;

Banco de dados: PostgreSQL para gestão de dados alfanuméricos, com a extensão

POSTGIS para o tratamento de dados espaciais;

Servidor de mapas para internet: Apache, Mapserver com a extensão Pmapper.

O HTML está no cerne de toda aplicação voltada à Internet. Consiste numa linguagem

que permite a apresentação de textos com links embutidos no documento capazes de

direcionar a navegação para outros documentos em servidor local ou remoto[68]

. O PHP é uma

linguagem de programação para ser executada em um servidor e gerar como resultado um

documento HTML[69]

. Dessa forma, pode-se gerar conteúdo sob demanda, conforme opções

selecionadas pelo usuário. A linguagem Java é bastante poderosa e inclui os conceitos de

orientação a objetos para o desenvolvimento de aplicações empresariais de larga escala,

sistemas distribuídos e baseados em internet[34]

. O Javascript é utilizado principalmente para

adicionar funcionalidades de programação às páginas da internet, como animações e, também,

para aumentar o grau de interatividade com o usuário final[34]

.

O banco de dados PostgreSQL segue o modelo objeto-relacional e é um dos mais

113

avançados servidores de banco de dados disponíveis. Dentre suas principais características

destaca-se o poder da orientação a objetos, o processamento de transações, a integridade

referencial, múltiplas linguagens procedurais e a extensibilidade[70]

. Por sua vez, o POSTGIS

é uma extensão espacial para o banco de dados PostgreSQL que adiciona os tipos de dados

espaciais, bem como mais de 300 funções de manipulação de dados espaciais, criando assim

um ambiente completo para o tratamento de dados georeferenciados[71]

. Por fim, a

disponibilização desses dados ao usuário final é feita através de um servidor Apache para web

e do servidor de mapas Mapserver. Este cria imagens de mapas a partir de dados espaciais

digitais, tanto em formato raster quanto vetor[72]

.

O produto gerado abarca as funcionalidades de todo esse conjunto de ferramentas. O

sistema permite o cadastramento da rede semafórica, dos fluxos observados e das pesquisas

de tráfego. Posteriormente, o mesmo calcula o ciclo ótimo de cada semáforo e possibilita a

incorporação de uma base cartográfica digital para auxílio à pesquisa e à geração de mapas

temáticos de medidas de desempenho, criando condições de antever o comportamento do

trânsito em cenários futuros fornecendo, assim, subsídios para minimizar os possíveis

problemas.

5.3 Resumo

Este capítulo especificou a arquitetura proposta para aperfeiçoar a gestão do sistema

semafórico em modo isolado de um município. Procurou-se introduzir métodos formais para a

construção do produto (modelagem de banco de dados, engenharia de software, análise e

projeto estruturados, prova de correção dos algoritmos), visto que a sua adoção apresenta

benefícios consideráveis para o ciclo de vida do sistema, conforme relatado no capítulo três.

114

Capítulo 6

Estudo de Caso

Este capítulo tem como objetivo apresentar os resultados para o modelo elaborado. A

solução proposta neste trabalho foi validada através da utilização da base cartográfica do

município de Campinas-SP com a incorporação dos semáforos georeferenciados. A seção 6.1

deste capítulo especifica o contexto do sistema. Em seguida, a seção 6.2 mostra as

potencialidades do sistema na análise de cenários variados de demanda de tráfego através dos

produtos gerados. A seção 6.3 resume o capítulo.

6.1 Contexto do Sistema

Com uma população superior a um milhão de habitantes - dados do IBGE do censo de

2010 - a cidade de Campinas é a sede da Região Metropolitana de Campinas (RMC). Os vinte

municípios que a integram caracterizam-se pela complementaridade de funções econômicas

tais como: produção industrial diversificada, centro avançado de serviços médicos,

entroncamento estratégico multimodal para o transporte de cargas apoiando a exportação e

importação, centro de apoio ao desenvolvimento agropecuário e a presença de um importante

aeroporto em nível nacional e internacional[73]

. Por ser o centro desta região e oferecer

serviços de grande amplitude, seja em saúde, educação, trabalho ou lazer, a cidade de

Campinas atrai inclusive pessoas provenientes das regiões vizinhas, o que naturalmente

acarreta impactos no seu sistema viário. O fluxo externo que adentra a cidade é viabilizado

por uma privilegiada malha rodoviária, formada por algumas das melhores rodovias do país.

Uma pesquisa origem-destino e cordon line realizada em 2011 pela STM (Secretaria

de Transportes Metropolitanos) dimensiona com precisão o fluxo de deslocamento realizado

pela população num dia útil típico fornecendo elementos que os caracterizam[74]

. A pesquisa

aponta que são realizadas 4,75 milhões de viagens diárias na RMC, dentre as quais 72,6% por

modo motorizado. Uma pesquisa semelhante realizada pela mesma STM em 2003 concluiu

que os deslocamentos motorizados na RMC totalizavam 64,16% das viagens. Esse

incremento mostra uma tendência crescente no uso do transporte motorizado observada em

anos recentes. A figura 28 mostra os resultados da pesquisa cordon line do fluxo de veículos

115

por posto e movimento (dia todo).

Figura 28: Pesquisa Cordon Line RMC - 2011

Fonte: STM[74]

Na cidade de Campinas, o sistema viário interno compõe-se de aproximadamente treze

mil vias assim caracterizadas: 4 vias de trânsito rápido (trecho da Aquidabã, Lix da Cunha,

Prestes Maia e Rodovia Milton Tavares de Lima); 151 vias arteriais; 538 vias coletoras e

12.303 vias locais. Na base disponível para o modelo construído, os cruzamentos

semaforizados perfazem um total de 433 sendo que 370 são operados por controladores

eletrônicos, 29 possuem programação fixa e 34 permanecem no amarelo piscante. Neste

conjunto, 205 equipamentos operam com fase exclusiva para pedestres[75]

.

A última pesquisa origem-destino para a cidade de Campinas, realizada em 2003,

aponta que são realizadas diariamente 1.546.833 viagens, assim distribuídas[75]

:

116

Figura 29: Distribuição do Número de Viagens em Campinas Segundo o Modo de

Transporte

Fonte: Adaptado da EMDEC[75]

A mesma pesquisa informa que pouco mais da metade dos deslocamentos por veículo

individual (55%) ocorre por motivo de trabalho, ao passo que a educação gera 21% deste total

e os demais motivos respondem por um montante de 24%. Nos deslocamentos por circulação

a pé, que representam a maior parte das viagens realizadas, o motivo principal é a educação

(61%), enquanto que 27% são devidos ao trabalho e o restante (12%) diz respeito a outros

motivos.

Nota-se, assim, que aproximadamente 50% dos deslocamentos diários na cidade

dependem dos veículos automotores; Este fato está em consonância com a atual taxa de

motorização (habitantes/veículos) da população local, uma das mais elevadas do país e com

tendência de alta. Estimativas da EMDEC (Empresa Municipal de Desenvolvimento de

Campinas) apontam que esta taxa cresceu de 1.47 em 2010 para 1.31 em 2014, conforme se

observa na figura 30. Isto significa um aumento de 12.21% no período; a cada dia, a cidade

recebe, em média, 113 veículos novos.

27

23

30

20

0

5

10

15

20

25

30

35

Transporte Coletivo Veículo Individual A pé Outros

Po

rce

nta

gem

Modos de Transporte

117

Figura 30: Taxa de Motorização na Cidade de Campinas

Fonte: Adaptado da EMDEC[76]

A primeira consequência deste quadro é o aumento acentuado dos níveis de

congestionamento nas principais ruas da cidade. Uma série de matérias publicada no jornal

"Correio Popular" em abril de 2011 traçou um panorama do problema[77]

. Constata-se que o

trânsito da cidade está próximo do seu limite. Além do aumento da taxa de motorização,

outros fatores contribuem para agravar o problema: transporte coletivo insuficiente, falta de

políticas públicas de desestímulo ao uso do carro, vias com capacidade aquém do necessário e

pouco investimento em infraestrutura.

O resultado imediato é que o trânsito trava as vias estratégicas; tome-se como exemplo

as avenidas que servem às regiões Sudoeste e Noroeste - John Boyd Dunlop, Amoreiras, Ruy

Rodriguez e Lix da Cunha. Há períodos do dia em que a velocidade média chega a 12 km/h.

Nas regiões Norte e Leste, o problema manifesta-se em decorrência da expansão urbana, pois

a população dos condomínios ali localizados utilizam as rodovias como avenidas.

Na região central e adjacências, as vias expressas não conseguem cumprir o seu papel.

Em algumas delas, concebidas para permitir um deslocamento de até 60km/h, não é possível

trafegar a mais de 40km/h. Ademais, na área central observa-se fatores que agravam ainda

esse cenário: vias estreitas, estacionamento liberado ao longo de artérias importantes de

tráfego e desrespeito à sinalização.

2,58

2,40

2,32

2,23

2,18

2,13

2,09

2,06

2,02

1,98

2,00

1,89

1,71

1,63

1,56

1,47

1,39

1,33

1,33

1,31

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Taxa de motorização(habitantes/veículos)

118

Segundo dados da EMDEC de 2012, no trânsito campineiro a velocidade média cai

1,5% ao ano com o aumento da frota. Esse mesmo estudo aponta que nos principais eixos a

velocidade média é de 18km/h ao longo do dia e se reduz para 15 km/h no horário de pico[78]

.

Num outro dado disponível à respeito do trânsito campineiro, constata-se que o

crescimento de veículos supera o de habitantes[79]

. Em 2014, a população da cidade cresceu

0,85%, enquanto a frota teve aumento de 2,6%. Com isso, a população local tem,

proporcionalmente, mais veículos que a médias brasileira, mexicana e argentina. Projeções

apontam que a cidade deve ter um carro por morador em sete anos, caso esse ritmo seja

mantido.

Outra consequência deste alto grau de motorização é o conflito no uso do espaço

público. O sistema de circulação, que envolve tanto veículos quanto pedestres, é sempre uma

fonte de preocupação para as autoridades gestoras do trânsito. O resultado deste conflito é a

ocorrência de acidentes, que geram prejuízos econômicos e, sobretudo, traumas profundos nas

vitimas. Desta forma, torna-se necessário a adoção de medidas que aumentem a segurança, ao

mesmo tempo em que garantam a fluidez do sistema. Embora as estatísticas apontem

reduções ocasionais na taxa de acidentes e vítimas, os números ainda causam preocupação,

como demonstram os gráficos seguintes.

Figura 31: Total de Acidentes na Cidade de Campinas (1995-2011)

Fonte: Adaptado da EMDEC[80]

17

82

0

19

21

5

20

71

3

20

49

0

21

18

2

19

37

0

17

77

8

16

13

6

14

74

0

16

56

7

17

27

4

17

05

3

18

98

3

19

47

9

17

89

0

17

70

0

17

81

8

0

5000

10000

15000

20000

25000

Tota

l de

acid

ente

s

119

Figura 32: Índice de Mortalidade por 100 mil Habitantes na Cidade de Campinas

Fonte: Adaptado da EMDEC[76]

Figura 33: Custo Social e UPS dos Acidentes de Trânsito

Fonte: Adaptado da EMDEC[80]

Segundo dados deste relatório, o custo dos acidentes em 2003 foi de R$ 94.000.000,00

e em 2011 atingiu R$ 134.000.000,00, um aumento de 43%. No mesmo período a UPS –

Unidade de Padrão de Severidade – sofreu um incremento de 33%. Em outras palavras, os

acidentes estão apresentando consequências mais sérias para as vítimas. A UPS consiste numa

média ponderada que considera os acidentes fatais e os não fatais.

96

93

96

98

29

77

99

50

24

1006

918

1031

887

1045

706

1059

420

1039

297

1056

644

1064

669

1080

113

1088

611

1039

297

1144

862

1154

617

11,24

9,56

10,25

8,84 8,928,32

9,06

11,55

12,87

11,08

9,63

13,6

7,1

8,828,31

0

2

4

6

8

10

12

14

16

850000

900000

950000

1000000

1050000

1100000

1150000

1200000

População Indice Mortalidade2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

126

114 107

94

110

126 127

143 149

132 130 134

32 30 27 24 28 32 32 36 37 33 32 32

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Custo Social UPS

120

Nota-se que há um desafio duplo na questão: aumentar a fluidez do trânsito e

aprimorar a segurança das pessoas que utilizam o sistema viário.

Como mencionado anteriormente, as propostas para aumentar o escoamento deste

fluxo crescente de veículos podem não ser factíveis. Algumas são extremamente custosas,

outras impopulares. Por exemplo, o custo com desapropriações para ampliação de algumas

ruas e avenidas é certamente proibitivo na maior parte das cidades brasileiras com alto grau de

urbanização. Medidas como a adoção do pedágio urbano para restringir o acesso dos veículos

automotores à região central das cidades causam debates acalorados entre os favoráveis e os

contrários à ideia. Assim, a solução mais plausível parece ser a promoção do aumento da

eficiência do sistema de trânsito da cidade.

Diante deste panorama, propõe-se a adoção de ação capaz de propiciar ganhos de

eficiência no sistema global através de um sistema adaptável de programação semafórica.

Para tanto, serão utilizadas pesquisas de fluxos realizadas ao longo dos anos para análise de

tendência do comportamento do tráfego. A solução operará ainda em um ambiente espacial,

capaz de prover funções de visualização e análise das métricas de desempenho para a

identificação dos pontos mais críticos do sistema viário.

Espera-se que este recurso forneça subsídios para o estudo de medidas alternativas

para o sistema de circulação, sobretudo nos pontos que apresentarem as maiores restrições de

desempenho, além de contribuir para o aumento da segurança do sistema, tanto para os

condutores de veículos quanto para os pedestres.

Desta forma, a integração de um sistema adaptável de programação semafórica a um

sistema de informações geográficas é uma alternativa bastante viável. A tecnologia permite a

análise espacial das medidas de desempenho, facilitando o entendimento do relacionamento

entre os vários semáforos que compõem a rede. Isto não seria possível com a produção de

relatórios ou planos que apresentassem os resultados obtidos sem os mapas incorporados, fato

que mostra a vantagem do uso de um SIG. Ademais pode-se incorporar ao modelo dados

bastante úteis para análises mais completas como os polos geradores de tráfego e o

zoneamento do território.

Outro fator determinante para a geração do produto é o fato desta integração ter sido

121

pouco explorada nos trabalhos acadêmicos, conforme observações realizadas no capítulo

quatro.

6.2 Produtos Gerados

A figura 34 apresenta o módulo de cadastro dos semáforos. Na primeira aba,

observam-se os atributos que caracterizam os semáforos: Número identificador; localização;

disponibilidade de aparelho fotosensor; área de origem; número de fases e data de

implantação do aparelho.

Figura 34: Módulo de Cadastro de Semáforos - Identificação

A figura 35 mostra, para cada aproximação, como é feito o cadastro da largura da via,

da capacidade (uvpd), da existência e largura do acostamento e dos fluxos diretos e em

conversão para cada tipo de veículo (automóveis, ônibus e caminhão). Observa-se ainda os

botões que permitem efetivar a operação de gravação dos dados, o cancelamento da entrada, o

acionamento da função de pesquisa de volume para o cruzamento selecionado e também a

geração de um relatório com as suas principais características.

122

Figura 35: Módulo de Cadastro de Semáforos - Fluxos de Veículos

A figura 36 apresenta o modelo de relatório apresentado ao ativar o botão "Gerar

Ficha" ilustrado anteriormente. Esta ficha tem como finalidade fornecer todos os itens

cadastrados pelo usuário, para fins de controle e acompanhamento do desempenho do

dispositivo.

Esse relatório identifica a aproximação através do seu código e fornece os dados

relevantes complementares: área de origem, disponibilidade de foto sensor, número de fases,

data da implantação. Além disso, para cada aproximação há uma entrada com os dados

pertinentes como: nome, existência e largura de acostamento, fluxos direto e em conversão e

também as medidas de desempenho, conforme o modelo D/D/1 detalhado no capítulo 4. Para

enriquecer ainda mais o relatório, apresenta-se também o diagrama de tempo da programação

semafórica e mapas de localização do aparelho.

123

Figura 36: Módulo do Cálculo das Métricas de Desempenho

O módulo seguinte do sistema tem como objetivo realizar o cadastro das pesquisas de

fluxo para o município em dias e horários diferenciados. A figura 37 ilustra a tela concebida

para esta tarefa. Nota-se que o lay-out da tela deste módulo é bastante semelhante ao do

módulo de cadastro do semáforo.

124

Na primeira aba apresenta-se a identificação pré-gravada do semáforo apenas para fins

de conferência, sem a possibilidade de edição desses dados. Logo abaixo, disponibiliza-se os

campos básicos de cadastro: data da pesquisa, bem como os horários de inicio e término da

pesquisa. Além disso, na aba posterior, o sistema apresenta duas guias (uma para cada

aproximação) para o preenchimento dos dados que caracterizam os fluxos separados por tipo

de veículos (automóveis, ônibus e caminhão), fazendo também a distinção entre o fluxo direto

e o fluxo em conversão. Com isso, cria-se condições para o registro de uma série longa de

pesquisa, o que vai tornar mais rica a qualidade da estimativa de fluxos futuros.

Figura 37: Módulo de Cadastro das Pesquisas de Volume de Tráfego

A tela principal do sistema oferece ainda uma opção para o cálculo da programação

semafórica de toda a rede cadastrada. Nessa operação gera-se também todas as medidas de

desempenho para os conjuntos semafóricos. Essa operação sempre deve ser executada antes

das análises espaciais, pois o sistema utiliza a última posição consolidada registrada no banco

de dados. Ilustra-se, a seguir, alguns mapas temáticos do produto.

125

Figura 38: Módulo de Geração de Mapas

A figura 38 apresenta a tela inicial de apresentação da base cartográfica com os

semáforos georeferenciados. À direita, observa-se um painel com as camadas para viabilizar

as análises geográficas das métricas de desempenho dos semáforos. Esse painel engloba itens

do recorte geográfico da cidade ( loteamentos, unidades territoriais básicas, plantas de

referência cadastral e macrozonas), elementos de trânsito (arruamento, rodovias, semáforos e

polos geradores de tráfego), uso e ocupação do solo e as métricas associadas.

O processo de análise espacial das métricas é bastante simples. Basta ativar a opção

desejada e o sistema redesenha o mapa oferecendo, ainda, os recursos pertinentes quando

mapas são objetos de análise, como: aproximação, afastamento, reposicionamento em uma

área desejada e detalhamento de um objeto selecionado. Como exemplo, a figura 39 apresenta

um recorte de uma área da cidade, com a respectiva rede semafórica associado ao tema "fila

máxima". Observa-se que os pontos vermelhos são os mais críticos dessa área, ao passo que

os amarelos são de intensidade média e os verdes e azuis os mais suaves. A ferramenta

enfatiza esse ponto dimensionando os objetos proporcionalmente.

126

Figura 39: Exemplo de Mapa - Fila Máxima

Um exemplo adicional pode ser visto na figura 40, que ilustra a taxa média de

chegada. Novamente, os pontos mais críticos são realçados pela cor vermelha e a sua

dimensão ajustada de maneira proporcional ao tema.

Figura 40: Exemplo de Mapa - Taxa Média de Chegada

127

O sistema construído permite também a análise por recortes geográficos mais amplos.

O mapa da figura 41 apresenta a métrica "tempo máximo de espera", divido pelos loteamentos

do município, ao passo que na figura 42 a métrica "veículos que chegam à intersecção num

ciclo, respeitando a divisão de unidade territorial básica na cidade de Campinas.

Figura 41: Exemplo de Mapa - Tempo Máximo de Espera

Figura 42: Exemplo de Mapa - Veículos que Chegam à Intersecção no Ciclo

128

Os exemplos precedentes deixam claro que o sistema é bastante maleável e permite a

incorporação de qualquer recorte geográfico para análises múltiplas. Pode-se, por exemplo,

utilizar recortes menores, talvez mais adequados para monitoramentos mais específicos, como

os controles de tráfego por área, que são utilizados em muitas cidades de médio e grande

porte.

Outro recurso do produto apresentado é a possibilidade de análises combinando

diferentes métricas de avaliação do tráfego, conforme mostra o mapa da figura 43.

Figura 43: Exemplo de Mapa - Métricas Combinadas

No caso acima, sobrepõe-se as métricas "veículos que passam pela intersecção num

ciclo" e "fila média". Observa-se, nesse caso, que embora em alguns locais os veículos que

passam por um conjunto semafórico seja considerável, ainda assim forma-se filas grandes.

Esse tipo de análise permite identificar precisamente as áreas mais afetadas e em que grau

essas medidas se relacionam. A partir desse momento, o gestor do tráfego urbano está em

posição de tomar medidas corretivas com muito mais eficácia. Nota-se ainda que é possível

combinar as métricas de cada intersecção com o conjunto geográfico de sua localização, o que

aumenta ainda mais o poder de análise de cenários do modelo.

129

A flexibilidade do produto construído é significativa. Pode-se, por exemplo,

incorporar dados relacionados ao zoneamento e uso e ocupação do solo, bem como polos

geradores de tráfego, conforme apresenta o mapa da figura 44.

Figura 44: Exemplo de Mapa - Semáforos e Zoneamento

Neste mapa observa-se o zoneamento municipal em conjunto com os semáforos com a

métrica "grau de congestionamento". Tome-se, como exemplo, a faixa lilás que, no caso,

representa uma área de uso predominante habitacional multifamiliar vertical. O adensamento

daí decorrente em anos recentes agravou o sistema de trânsito local. Nota-se que a maioria

dos semáforos apresenta alto grau de congestionamento.

Dessa forma, o produto passa a ser interessante para a gestão em nível estratégico de

uma cidade, inclusive balizando a viabilidade de implantação de novos empreendimentos. É

importante ressaltar que quaisquer itens adicionais podem ser facilmente incorporado ao

sistema. Uma análise cruzada do fluxo atual, com o zoneamento permitido, os polos geradores

de trafego presentes e em estudo de implantação garantem que situações de congestionamento

adicionais sejam evitadas, garantindo assim qualidade de vida para os habitantes.

O projeto concebido permite ainda funcionalidades extras. O gerenciador de banco de

130

dados selecionado possibilita a conexão com pacotes de softwares de geoprocessamento,

dentre os quais alguns de código aberto, como por exemplo o Quantum GIS. Este possui uma

interface gráfica bastante amigável e de fácil utilização, abarcando recursos para tratamento

de dados raster e vetorial, bem como um conjunto de operações espaciais[81]

. Assim, torna-se

possível efetuar análises não contempladas no modelo. Um exemplo pode ser visto na figura

45, onde é apresentado uma mapa do tipo "calor", que são utilizados para identificar grupos

onde existe uma elevada concentração de atividade.

Figura 45: Exemplo de Mapa - Zonas Quentes de Semáforos

No exemplo acima, constata-se que a região central é a mais crítica em termos

operacionais, o que confirma a exatidão do modelo. O alto fluxo que circula por essa região

aponta a localização das áreas mais críticas ao bom encaminhamento da corrente de tráfego.

Nota-se, também, uma malha circular ao redor dessa primeira região mais crítica, que

funciona como uma zona de transição que capta o movimento das regiões periféricas. Por

último, a área verde identifica as áreas onde o fluxo não é tão intenso, com perfil mais

residencial e alguns serviços locais.

131

Por fim, o módulo de projeção de fluxo é capaz de estimar os volumes futuros para

cada aproximação, considerando fluxos direto e em conversão para automóveis, ônibus e

caminhões. Inicialmente uma rotina separa as amostras da pesquisa que serão utilizadas como

base para a geração da equação de ajuste pelo método dos mínimos quadrados, conforme

explicado no capítulo 5, e ilustrado na figura 46. Na mesma tela é solicitado o parâmetro de

projeção a ser utilizado no cálculo, isto é, a unidade de tempo, que representa o número de

meses, para o computo dos fluxos desejados.

Figura 46: Estimativa de Fluxos Futuros

Neste ponto, o sistema aciona a função de projeção de fluxos (reta dos mínimos

quadrados). Posteriormente, os resultados das estimativas e as métricas projetadas podem ser

analisadas na opção "Mapas" do menu principal. As figuras 47 e 48 apresentam exemplos de

mapas de fluxo gerados a partir desse recurso do software.

Ressalta-se, contudo, que a precisão dessa estimativa depende bastante da qualidade e

do número de elementos da amostragem. Quanto mais elementos o espaço amostral tiver,

mais preciso será o resultado final.

132

Figura 47: Exemplo de Mapa - Fluxo Atual - Espera Média

Figura 48: Exemplo de Mapa - Fluxo Projetado - Espera Média

Observando-se os mapas acima, confirma-se a utilidade deste módulo do produto. Nas

áreas em destaque, verifica-se a mudança de cenário no decorrer do tempo. Enquanto que na

figura 47, essas áreas não chegam a constituir um problema para a métrica "espera média", o

mesmo não acontece com a situação representada pelo mapa da figura 48, onde o fluxo foi

133

projetado para 12 meses. O modelo de regressão linear foi capaz de antever uma situação

futura, mantendo as tendências atuais, e traduzi-la para números que representam uma boa

aproximação do que pode vir a ocorrer no tempo designado. Assim, o órgão gestor do trânsito

municipal ganha um instrumento adicional para agir de maneira preventiva em eixos que

podem se tornar novos problemas na rede de circulação.

Constata-se, desta forma, que o sistema cumpre os requisitos especificados no que

tange à parte cadastral dos semáforos, pesquisas de volume de tráfego, cálculo da

programação semafórica e espacialização de métricas de desempenho para uma interseção

isolada.

6.3 Resumo

O presente capítulo apresentou uma caracterização da região geográfica selecionada

para testar a validade do modelo proposto no trabalho. Foram apresentados fatos referentes à

atratividade da Região Metropolitana de Campinas e o fluxo de movimento daí decorrente.

Em seguida, algumas estatísticas foram apresentadas para retratar os impactos gerados na

malha viária da cidade de Campinas, sobretudo os relacionados à dimensão do fluxo, os tipos

mais importantes de movimento e a acidentalidade ocasionada no uso das vias públicas. Por

fim, apresenta-se o modelo computacional proposto no trabalho, com algumas ilustrações de

uso possível.

134

Capítulo 7

Conclusões

7.1 Contribuições

A gestão eficiente do sistema semafórico de uma cidade propicia ganhos na utilização

do sistema viário como a redução dos congestionamentos e da poluição ambiental. Esta gestão

pode ser aperfeiçoada pela utilização de ferramentas que possibilitem o cálculo automático da

programação semafórica de cada interseção, bem como das medidas de desempenho

associadas. Os principais objetivos deste trabalho foram estudar os métodos de programação

de ciclos de semáforos mais utilizados e propor uma arquitetura que permitia a integração de

um destes métodos com um ambiente de sistemas de informações geográficas.

A princípio, verificou-se que a ineficiência do sistema de trânsito nos grandes centros

urbanos acarreta perdas significativas de recursos financeiros. Posteriormente, foram relatadas

algumas experiências com abordagens que propõem conceitos diferenciados para a

programação semafórica. A seguir, foram introduzidos alguns conceitos sobre os sistemas de

informações geográficas e os tópicos a serem observados para o seu uso correto. A etapa

seguinte consistiu em estudar princípios de gestão do sistema de trânsito e a verificação da

produção acadêmica na área.

O resultado desta pesquisa foi a elaboração de uma arquitetura para um sistema de

gestão da programação semafórica de uma cidade que contempla a questão espacial da

medida de desempenho da rede semafórica. O modelo gerado adota a programação para

semáforos isolados. A proposta abarca ainda um módulo para estimar o fluxo futuro gerado a

partir de uma série histórica. O ambiente gerado permite a interatividade com os usuários

através da disponibilização de ferramentas gráficas. Assim, o produto construído permite a

gestão do ciclo semafórico desde o cadastro de cada unidade na malha viária, pesquisas de

volumes, cálculos de programação semafórica, geração de relatórios técnicos e produção de

mapas temáticos de medidas de desempenho.

O modelo proposto foi validado através da utilização de dados provenientes da cidade

135

de Campinas.

Em síntese, as principais contribuições deste trabalho foram:

Apresentação de custos e problemas da ineficiência do sistema de trânsito,

sobretudo congestionamentos;

Averiguação de modelos existentes para o tratamento da programação semafórica;

Estudos sobre a integração de um Sistema de Informação Geográfica com modelos

de controle de trânsito para aperfeiçoar a gestão do trânsito urbano;

Proposta de uma arquitetura integrada para a gestão geo-temporal da programação

semafórica;

Implementação da arquitetura através de um sistema de ambiente único, adotando-

se uma abordagem formal;

Observa-se ainda que a solução gerada pode até mesmo suprir uma carência

identificada em cidades que não dispõem de ferramentas automatizadas para a gestão

semafórica da sua malha viária.

7.2 Extensões

As extensões possíveis para este trabalho são:

Integração com sistemas de comunicação: A versatilidade do sistema pode ser

ampliada pela incorporação de um sistema de comunicação de dados em tempo

real. Assim, a instalação de sensores capazes de detectar o fluxo de maneira

dinâmica e a sua posterior transmissão a uma central de controle tem o potencial

de incrementar o poder da solução que seria ajustado conforme a demanda

verificada em eixos específicos.

Operação do modelo em rede coordenada: O modelo construído opera com a

programação de semáforos isolados. Trata-se de uma simplificação do modelo

normalmente adotado nos grandes centros urbanos. A solução proposta pode ser

interessante uma vez que um elemento otimizado isoladamente pode contribuir

para a melhoria do fluxo numa região mais ampla. Contudo, sabe-se que a situação

136

ideal contempla a otimização de semáforos em rede pois, conforme mencionado

anteriormente, um exerce influência sobre os demais. Dessa forma, uma extensão

possível para este trabalho seria a construção de um modelo que operasse em uma

rede totalmente coordenada.

Incorporação de outros métodos: Uma terceira extensão ao modelo seria a

incorporação dos métodos de redes neurais, lógica fuzzy e algoritmos genéticos

para o tratamento da programação semafórica. Conforme estudos relatados no

capítulo dois, pesquisadores apontam ganhos de eficiência em alguns cenários pela

adoção destes métodos. Assim, pode-se incorporar funções para cada uma das

variantes acima e verificar a sua adequação a uma cidade específica.

Avaliação geográfica comparativa do desempenho de diferentes métodos:

Finalmente, outra extensão é a incorporação do modelo geográfico para avaliação

comparativa das medidas de desempenho geradas pelos métodos propostos no item

anterior, bem como a previsão de cenários futuros pelos mesmos.

Em suma, o modelo ora proposto pode ser implantado em municípios com população

de até 1.000.000 de habitantes que, na maioria das vezes, não conta com um órgão executivo

de trânsito com a capacitação técnica em projetos de semaforização, e recursos financeiros

para aquisição de grandes sistemas. Deste modo entende-se que este trabalho contribuiu

efetivamente para parte da solução dos problemas de trânsito apontados, que tendem a se

agravar com o aumento desenfreado da frota brasileira no final da década de 2000 e meados

desta década.

137

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