Sistema de Recolha de Resıduos Adaptativo para

Cidades Inteligentes

Diana Lopes, Orlando J. Pereira, Paulo Carvalho, Solange Rito LimaCentro Algoritmi, Universidade do Minho, Braga

Resumo

Neste artigo e discutida a otimizacao da coleta de resıduos em Cida-des Inteligentes. Recorrendo a sensores incorporados nos contentores deresıduos, informacoes relevantes sobre o estado de ocupacao dos mesmossao enviadas para o camiao de recolha para apoiar a selecao adaptativade rotas. Em particular, se o limite de nıvel de ocupacao for excedido,o contentor notifica o camiao para a necessidade de coleta. Na solucaoproposta, as rotas de coleta podem ser ajustadas dependendo da dinamicade enchimento dos contentores. O cenario de simulacao e testes permiteobter informacoes concretas sobre a viabilidade do sistema e como a oti-mizacao de rotas na recolha de resıduos contribui para economizar tempo,recursos humanos e materiais.

Keywords - Cidades inteligentes; Redes de Sensores Sem Fios; Sistemas Adap-tativos.

1 Introducao

Nos ultimos anos tem sido notoria a necessidade de otimizar os servicos dasgrandes cidades recorrendo a tecnologias e dispositivos de comunicacoes, mo-tivando a introducao do conceito de Cidades e/ou Regioes Inteligentes (SmartCities) [Komninos (2002)]. As Cidades Inteligentes sao compostas por diversosprocessos sensıveis ao ambiente onde estao envolvidos, que produzem, conso-mem e distribuem um grande numero de informacoes em tempo real.Em termos computacionais, a inteligencia de um sistema e caracterizado pelasua flexibilidade, adaptabilidade, memoria, aprendizagem, dinamica temporal eatuacao perante a incerteza e a informacao precisa.As Cidades Inteligentes tem tambem como principal objetivo a resolucao deproblemas emergentes em grandes cidades devido ao consumo e/ou uso exces-sivo de alguns servicos, gerando assim duas grandes areas de problemas a sa-ber: problemas de Eficiencia de Transportes e problemas Ecologicos [Shepard(2011)]. No que concerne aos problemas de Eficiencia de Transportes temos, porexemplo, problemas relacionados com meios de transporte publicos (otimizacao

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da utilizacao dos autocarros), questoes relacionadas com os parques de esta-cionamento, principalmente em epocas festivas. Ja nos problemas ecologicosencontram-se, por exemplo, os congestionamento de transito nas vias publicas epoluicao sonora, assim como a recolha de lixo por vezes desnecessaria em certasareas.Perante toda esta problematica, este artigo foca-se primordialmente sobre a re-colha otimizada de resıduos nas cidades inteligentes, recorrendo a sensores devolumetria nos contentores que, baseados em limites, despoletam mensagensque permitem adaptar em tempo real a rota da recolha de resıduos. Recorrendoao ambiente de simulacao CupCarbon, vocacionado para a simulacao de SmartCities, um prototipo do modelo de recolha de resıduos adaptativo e implemen-tado, discutindo-se as vantagens e dificuldades inerentes ao mesmo. A provade conceito avalia o impacto deste modelo em termos de metricas temporais ede uso de recursos, relevantes para o problema em analise. A implementacaopratica e tecnologias de suporte ao modelo sao tambem discutidas.

Este artigo esta organizado da seguinte forma: na Seccao 2 e apresentado otrabalho relacionado; na Seccao 3 discute-se o modelo conceptual proposto e osparametros relevantes para a avaliacao do mesmo; a implementacao no Cup-Carbon e apresentada na Seccao ??; na Seccao 5 apresentam-se os testes preli-minares ao modelo e na Seccao 6 as conclusoes do trabalho.

2 Trabalho Relacionado

A problematica da recolha de resıduos sensorial consiste em, atraves da co-locacao de sensores nos contentores de resıduos, monitorizar a lotacao do con-tentor a medida que o lixo e depositado no mesmo e, quando e atingido umdado limite, os detentores do sensor, neste caso a equipa da empresa de recolhade resıduos, e notificado que sera necessario passar por aquela rua para realizara recolha. Caso nao seja recebido este sinal o camionista vai ignorar as ruas naosinalizadas.Dentro do tema deste artigo, Barcelona desenvolveu um projeto que consisteem avisar o utilizador apenas quando os contentores da cidade estao cheios [Fa-bio Kon (2016)] e Amesterdao tambem desenvolveu um projeto relacionado coma monitorizacao das principais vias da cidade, abordando a questao de tomadade decisao de mudanca de rota [Fabio Kon (2016)], exemplos estes que inspira-ram o desenvolvimento deste projeto.

A presente proposta, estende as solucoes existentes, desenvolvendo um sistemade multiplos limites (thresholds) para otimizar a rota no desempenho do sistemade recolha de resıduos.

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3 Modelo de Recolha de Resıduos Adaptativo

3.1 Objetivos

Com o desenvolvimento deste projeto foram estabelecidos como principais ob-jetivos:

• Reducao do tempo utilizado na recolha de resıduos, reduzindo-se destaforma o numero total de quilometros percorridos pelos camioes;

• Reducao do combustıvel usado devido ao facto do camiao nao parar tantasvezes, visto que so o faz quando os contentores se encontram acima de umdado limite (threshold) previamente definido. Como consequencia destefacto observa-se tambem uma conservacao do estado do camiao superior.

• Ao ser acionada uma rota devido a um dado contentor dessa rota apre-sentar uma utilizacao acima de 75% da sua capacidade, entao o camiaovai recolher tambem os resıduos de todos os contentores que tiverem comuma lotacao igual ou superior a 50% da sua capacidade. Esta medida temcomo intuito evitar que ao longo do dia seguinte se excede o limite decapacidade e, adicionalmente, evitar a necessidade de no dia seguinte sevoltar a fazer aquela rota visto nenhum dos contentores ter atingido 75%da sua capacidade.

3.2 Modelo Conceptual

A definicao do modelo de recolha de resıduos adaptativo envolve considerar aspossıveis rotas da cidade e colocar nas devidas zonas os contentores, mesmo queestes nao estejam mesmo a face da estrada, codificando-se os sensores a eles as-sociados de modo a que, a partir de uma determinada capacidade de uso, enviemuma mensagem ao camiao aquando da passagem deste no raio de cobertura darota a eles associada.

Neste sentido, em vez de definir o mapa da cidade como uma rota geral, revela-semais eficiente definir uma rota principal onde dela advinham ramificacoes paraas ruas a si ligadas onde existem contentores.Deste modo definiu-se a rota principal e garantiu-se que a entrada em rami-ficacoes (sub-rotas) fica condicionada a rececao do aviso de sensores nessas ra-mificacoes que apresentem um valor de ocupacao � 75% do limite da sua capa-cidade, para que seja realizada a recolha dos resıduos caso contrario e seguidaa rota principal.

Como mencionado acima, quando o veıculo entra numa ramificacao foi criadoum segundo limite de 50% da capacidade do contentor, de forma a que, tendoentrado nessa rota, recolha tambem esses contentores que apresentem a condicaode verificacao do limite inferior.

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Assim, numa primeira etapa define-se a rota principal e, numa segunda etapa,definem-se as ramificacoes, com o intuito de que, caso seja enviada uma men-sagem de um contentor existente nessa ramificacao, o camiao faca um “desvio”e entre na nova rota para recolher esses resıduos. Caso a mensagem nao existaeste mesmo continua na rota principal seguindo o caminho base do percurso.Com isto consegue-se tornar a ronda do camiao menos demorada e otimizarvarios parametros de utilizacao de recursos.

3.3 Parametros em analise

Neste trabalho consideram-se os seguintes parametros como indicadores de de-sempenho:

(a) tempo total do percurso: t

tot

=P

Vi

i=1 ni

⇤ t

i

(1) onde ttot

e a variavelque define o tempo total que os veıculos demoram a realizar o percurso totale recolher os resıduos dos contentores; V

i

indica que o veıculo i realizou algumtrajeto; n

i

diz respeito ao numero de nodos que o veıculo i percorre para realizaro trajeto de recolha; t

i

define o tempo que o mesmo veıculo demora a transitarde nodo em nodo.

(b) distancia total percorrida: d

tot

=P

Vi

i=1 ni

⇤ di

(2) onde dtot

correspondea uma estimativa da distancia total percorrida na simulacao pelos veıculos; V

i

indica que o veıculo i realizou algum trajeto; n

i

traduz o numero de nodosque o veıculo percorre para realizar o trajeto de recolha; d

i

define a media deespacamento entre cada nodo.

(c) consumo total de combustıvel: ctot

=P

Vi

i=1 ci⇤di(3) onde ctot

diz respeitoao combustıvel gasto na rota de recolha efetuada pelos veıculos; c

i

correspondea media de combustıvel que o camiao i consome por quilometro; d

i

correspondea uma estimativa da distancia media percorrida na simulacao pelo camiao i,considerando os nodos visitados.

(d) desgaste total dos veıculos: gtot

=P

Vi

i=1 g1i⇤di+g2i⇤ri(4) onde gtot

defineo desgaste que os veıculos tem no fim do percurso definido; g1i corresponde amedia de desgaste do camiao por km; g2i corresponde a media de desgaste docamiao na recolha de um contentor; r

i

e a variavel que diz respeito ao numerode nodos que o veıculo i recolhe no trajeto.

4 Ambiente de desenvolvimento - CupCarbon

Para iniciar a implementacao do sistema explicado anteriormente comecou-sepela criacao de uma rota sem a existencia de qualquer ramificacao. O Cup-Carbon possui a opcao Marker que solicita a indicacao de dois pontos criandoum segmento de reta entre os mesmos. Contudo esta opcao nao tem em con-sideracao qualquer tipo de constrangimento. Assim, existe uma segunda opcaoRoute from markers que, a partir dos dois pontos definidos anteriormente, cria

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uma nova rota de acordo com as ruas existentes no mapa previamente carre-gado. Terminado este passo, e possıvel guardar a rota criada atraves das opcoesDraw all routes ou Hide all routes.

Apos a criacao da rota inicial, foi criado um nodo movel que simula o movimentodo camiao de recolha na simulacao. Este nodo movel incorpora um sensor demodo a garantir a comunicacao entre o veıculo e os sensores que enviam men-sagens provenientes dos contentores de resıduos. Este sensor tem associado umficheiro GPS onde esta definida a rota principal e uma script, que permite rece-ber e processar mensagens dos sensores existentes ao longo da rota, decidindocorretamente o seu comportamento nao havendo qualquer tipo de historico as-sociado ao camiao.

Em seguida definiu-se o nodo de rede que simula o contentor. Neste caso foiutilizado um sensor de volumetria (gas) uma vez que este pode ter associado umgerador de eventos naturais, onde sao gerados numeros aleatorios, simulando oato de depositar os resıduos domesticos no contentor.

Por fim foi necessario definir um sensor para determinar se serıa necessario oveıculo de recolha parar ou nao num determinado contentor. Para que o pro-cesso funciona-se de forma eficiente foi implementada uma script para realizar oscalculos de volumetria, onde se indica que se um contentor estiver num limite de75% da sua capacidade entao e enviado um sinal para o camiao efetuar a reco-lha dos resıduos, caso contrario o veiculo seguira a sua rota sem efetuar paragem.

Apos a simulacao correta dos requisitos basicos partiu-se para a implementacaoda funcionalidade ramificacao da rota. Como se pode observar na Figura 1a, apartir da rota basica criaram-se ramos que para cobrir novas zonas, colocandotambem a opcao do camiao entrar ou nao na zona em questao. O processo decriacao do contentor e do sensor do contentor e identico, contudo passa agora aexistir uma rede de sensores para garantir a passagem das mensagens, pois umcontentor pode nao estar posicionado de modo a conseguir comunicar com osrestantes contentores e fazer passar a mensagem.Na rede de sensores ilustrada na Figura 1b, cada sensor tem uma script asso-ciada que determina a leitura e para que sensor e enviada a mensagem lida. Ossensores associados as extremidades da rede tem uma funcionalidade acrescidapois: (i) o que esta no inicio da sub-rota tem como objetivo passar a mensagemquando um contentor necessita de recolha e, caso isto se verifique, fazer comque o veıculo de recolha mude de rota; (ii) e o que esta no fim da sub-rota temcomo finalidade colocar o veıculo novamente na rota principal.

Apos a concretizacao da segunda etapa decidiu-se que quando o veiculo de reco-lha entra numa rota devido a um ter sido excedido o limite superior de um doscontentores da sub-rota em questao, criar um segundo limite correspondendo ametade da capacidade do contentor. Desta forma, os contentores que estiverem

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(a) Exemplo de uma ramificacao da rota principal (b) Exemplo de rede de sensores associada

aos contentores de resıduos

Figura 1: Exemplos Praticos

nesta situacao sao tambem recolhidos, permitindo uma melhor racionalizacaode recursos.

5 Testes preliminares e resultados

O modelo final usado nos testes encontra-se ilustrado na Figura 2. Ao exe-

Figura 2: Ronda de recolha de resıduos

cutar a simulacao consegue-se verificar o veıculo a percorrer a rota principalnormalmente, assim como a receber corretamente as mensagens enviadas pelossensores associados aos contentores, tomando as decisoes de entrar ou nao naramificacao, dependendo da mensagem enviada/recebida. Se entrar numa rami-

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ficacao tambem e possıvel verificar que consegue voltar a rota principal. Paraalem disto o veıculo ao longo do percurso recolhe os resıduos quando e acionadoo sensor associado ao contentor, colocando posteriormente o valor associado avolumetria do contentor a zero.

Nesta fase de testes e resultados tem-se tambem como objetivo avaliar: (i) otempo total que o veıculo demora a realizar a rota de recolha;(ii) a distanciapercorrida pelo camiao; (iii) o desgaste do carro; (iv) o combustıvel gasto naviajem de recolha de resıduos.

Para demonstrar o pretendido, face ao cenario de teste ilustrado, consideram-seas variaveis seguintes: numero de nodos da rota principal - 39; numero de nodosda rota principal com todas as ramificacoes - 96; media de distancia entre osnodos - 0.03; media por quilometro que o veıculo consome - 0.065; media dedesgaste do veıculo por Km - 0.001.

Recorrendo as metricas descritas na Seccao 3, obtem-se os resultados ilustradosna Figura 3. Como e visıvel, o tempo total despendido a realizar a rota derecolha e bastante diferente se tivermos 39 nodos sendo muito menor do que seo veıculo percorrer 96 nodos. Com isto consegue-se concluir que o facto de ocamiao nao percorrer uma ou todas as ramificacoes influencia positivamente otempo gasto na rota de recolha, permitindo uma recolha mais eficiente.

Figura 3: Relacao entre os diferentes parametros

Relativamente a distancia, consegue-se observar que o impacto do numero denodos e similar a demonstracao anterior. Com isto verifica-se que pelo facto de oveıculo percorrer a rota principal faz com que a distancia percorrida seja muitomenor do que se percorrer todas as sub rotas existentes, que era o pretendido.

No fator de desgaste observa-se que, pelo facto de percorrer um maior numerode nodos, o desgaste do carro aumenta visto que percorre uma distancia mais

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elevada e para mais vezes para recolha. O mesmo se aplica ao consumo de com-bustıvel, diretamente proporcional a distancia percorrida pelo automovel.

6 Conclusoes

Este artigo abordou a problematica da recolha de lixo nas Cidades Inteligen-tes com o recurso a sensores colocados nos respetivos contentores. Tendo emvista a otimizacao do desempenho do sistema de recolha, foi proposto um mo-delo de rotas adaptativas baseado em duplo limite da ocupacao dos contentoresexistentes na rota principal e suas ramificacoes. Recorrendo a um prototipodesenvolvido no CupCarbon, foi implementada e analisada a proposta para aotimizacao das rotas de recolha de resıduos, em que os resultados obtidos refe-rentes ao tempo gasto, consumo de combustıvel, e outros fatores relacionadoscom o veıculo usado na recolha permitem comprovar o conceito inicial. Poremha alguns aspetos que nao foram cobertos no prototipo devido as limitacoesque a ferramenta CupCarbon neste momento ainda apresenta. Dado ser umferramenta relativamente recente e em processo de desenvolvimento, ainda naocontempla funcionalidades que permitam, por exemplo, colocar um limite decarga no camiao que realiza a recolha, ou imobilizar o veıculo para simular otempo gasto no processo de recolha dos resıduos.Apesar dos objetivos principais inicialmente definidos terem sido alcancados,como trabalho futuro, pretende-se melhorar alguns aspetos do modelo proposto,nomeadamente considerar diferentes distribuicoes para o enchimento dos con-tentores ao longo do dia assim como em diferentes epocas do ano.Por fim, destaca-se que com a execucao deste trabalho, alem da prova de con-ceito associada e da familiarizacao com a problematica das Cidades Inteligentes,determinou o upgrade da ferramenta CupCarbon em funcionalidades relevantes,nomeadamente na adaptacao dinamica de rotas.

Referencias

Fabio Kon, E. F. Z. S. (2016). Cidades inteligentes: Conceitos, plataformas edesafios. CSBC 2016.

Komninos, N. (2002). Intelligent Cities: Innovation, Knowledge Systems, andDigital Spaces. Spon Press is an imprint of the Taylor & Francis Group.

Shepard, M. (2011). Sentient City: Ubiquitous Computing, Architecture, andthe Future of Urban Space. The MIT Press c�2011.

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