Semáforos inteligentes auto-organizam-se para evitar congestionamentos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/10/2010

O gráfico compara o rendimento do sistema mais moderno disponível hoje (estado da arte) com o novo sistema de adaptação flexível dos semáforos inteligentes.
[Imagem: Lammer/Helbing]

Um grupo de engenheiros alemães e suíços criou um sistema de semáforos inteligentes que promete diminuir engarrafamentos e economizar combustível sem limitar a mobilidade dos motoristas.

Segundo Stefan Lämmer, da Universidade de Dresden, na Alemanha, e Dirk Helbing, do Instituto ETH de Zurique, na Suíça, seu sistema de controle de tráfego é realmente "verde" e permitirá que os motoristas parem menos e que as cidades melhorem seu meio ambiente.

Temporização aleatória

Os pesquisadores afirmam que é possível reduzir os congestionamentos alterando radicalmente a forma como os semáforos são controlados.

O paradigma atual estabelece que os semáforos devem alternar ciclicamente entre verde e vermelho de forma regular e absolutamente previsível. "Mas esta ideia é desnecessariamente restritiva," afirmam os engenheiros.

Semáforos que sigam padrões cíclicos menos ordenados serão muito mais eficientes, segundo eles, reduzindo o tempo das viagens e tornando os congestionamentos muito menos frequentes.

Hoje, os engenheiros de tráfego ajustam a temporização dos semáforos seguindo os padrões do tráfego verificados no passado recentes - nos últimos meses ou nas últimas semanas. Isto implica, por exemplo, que as luzes verdes ficam acesas mais tempo nas vias principais durante os horários de pico.

Contudo, esses ajustes estão sendo feitos cada vez mais espaçadamente porque o recálculo dos tempos dos semáforos de uma cidade média já exige o trabalho de um supercomputador.

Semáforo inteligente

A solução encontrada por Lämmer e Helbing é passar a responsabilidade da temporização para o próprio semáforo.

Apesar de serem semáforos inteligentes, os pesquisadores apontam que a capacidade de processamento exigida para cada um deles é mínima, bastando serem capazes de seguir algumas regras operacionais simples e contarem com mecanismos para ajustar automaticamente seu tempo de funcionamento - além dos sensores para detectar o fluxo de veículos.

Para evitar que uma via receba um tráfego acima de sua capacidade, uma causa primária de congestionamento, os semáforos usam seus sensores para alimentar um sistema de controle de tráfego que é um meio-termo entre um sistema centralizado e um sistema totalmente descentralizado, com os semáforos formando uma rede para tomar decisões para o tráfego em escala regional.

Essa topologia permite que o sistema calcule o fluxo de veículos esperado para cada via nos próximos minutos, alterando automaticamente, e de forma coordenada, a temporização do verde e do vermelho para aliviar a pressão esperada.

"Com um chip simples", segundo os pesquisadores, pode-se dispensar os sistemas de cálculo central - cada semáforo, recebendo as informações que lhes são afetas, pode decidir sozinho o que fazer.

Auto-organização e caos

Em suas simulações, os pesquisadores verificaram que a regra simples de alterar o tempo entre o verde o vermelho não é suficiente - muitas vezes, as luzes se adaptam demais. Ao permanecer verde por muito tempo quando recebem um aumento de tráfego, os semáforos acabam atrapalhando o trânsito mais à frente.

A solução não é um supercomputador: basta dar a cada semáforo as informações daqueles que lhe são mais próximos, tanto a montante quanto a jusante.

Trabalhando juntos e monitorando as filas de veículos ao longo de segmentos significativos das vias, os semáforos atingem um estágio de auto-organização e de fato minimizam a ocorrência de engarrafamentos.

Apesar da simplicidade tanto do hardware quanto das regras a serem seguidas, o sistema funciona incrivelmente bem. As simulações feitas em computador demonstraram que esse sistema possibilita tanto uma redução no tempo de espera em cada semáforo, como uma redução geral no tempo das viagens.

Uma das maiores surpresas, contudo, é que toda essa melhoria emerge com os verdes e os vermelhos dos semáforos operando de forma aparentemente caótica, sem seguir nenhum padrão regular.

Aproveitando os vazios

A chave do sucesso do sistema de semáforos inteligentes, segundo os pesquisadores, é que o controle não tenta responder às flutuações naturais no fluxo de tráfego impondo um ritmo definido.

Em vez de se concentrar no excesso de veículos em alguns momentos - o item a que mais se presta atenção quando o assunto são engarrafamentos - o novo sistema organizou-se para usar os vazios surgidos aleatoriamente no tráfego.

Essa estratégia permitiu uma redução no tempo de espera nos semáforos entre 10 e 30 por cento, assim como uma variação, embora menos previsível, no tempo total das viagens.

Outro detalhe nada desprezível para os motoristas: os semáforos inteligentes eliminam o irritante problema da espera excessiva nos cruzamentos sem que nenhum carro passe na outra direção porque os semáforos estão ajustados para os momentos de grande tráfego.

Nas vias de menor tráfego, o sistema é capaz de mudar para verde para atender veículos individuais vindos em direções diferentes.

Os primeiros testes do novo sistema serão feitos na cidade de Dresden.

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