EMISSÃO DE CO2
GLAUBER ROGER NEVES (CEETEPS) 7glaub@gmail.com Antonio Cesar Galhardi (CEETEPS) prof.galhardi@fatec.sp.gov.br
Nas últimas décadas, o setor de transportes tem sido considerado um dos principais responsáveis pela emissão de poluentes na atmosfera, devido principalmente à queima de combustíveis fósseis. Dentre as principais substâncias emitidas destaca-se o dióxido de carbono (CO2). O software simulador de tráfego AIMSUN permite avaliar os impactos das reais condições de tráfego na emissão de poluentes. Este trabalho tem como objetivo analisar a produção bibliográfica publicada na literatura com o propósito de investigar as abordagens dos estudos relacionados ao uso do simulador de tráfego AIMSUN aplicado nas emissões de CO2. Para isso foram selecionados dez artigos em que houve algum estudo de caso abrangendo o simulador em situações de exaustão de poluentes.
Palavras-chave: Simulador de tráfego, AIMSUN, emissão de CO2
2 1. Introdução
As nações ao redor do mundo adotam cada vez mais regulamentações rigorosas para monitorar e controlar as emissões de gases no tráfego de veículos. O transporte de pessoas e de mercadorias é responsável por cerca de 20% das emissões globais de CO2, que é um dos principais gases causador do efeito estufa (DE CARVALHO, 2011). Neste sentido, a emissão de poluentes é um importante indicador em termos de planejamento para a engenharia de tráfego das cidades. A coleta de dados de emissões de gases é uma tarefa complicada, sendo que o ideal seria uma coleta dinâmica de informações de cada veículo, algo infactível de se realizar. Assim, alguns simuladores de tráfego podem modelar com fórmulas matemáticas as taxas de emissões de gases, estimando dados de vários poluentes (DIAS, 2015).
Mediante tais justificativas, este trabalho tem como objetivo analisar a produção bibliográfica publicada na literatura com o propósito de investigar as abordagens dos estudos relacionados ao uso do simulador de tráfego AIMSUN aplicado nas emissões de CO2. Para isso foram selecionados dez artigos em que houve algum estudo de caso abrangendo o simulador em situações de exaustão de poluentes.
2. Referencial teórico
Nas gestões atuais de engenharia de tráfego, verifica-se um aumento na procura por estudos confiáveis sobre o impacto do tráfego nas emissões e qualidade do ar. Em vez dos métodos tradicionais de estimar os níveis de poluentes baseados em medidas como o fluxo de veículos e a velocidade média, agora é possível combinar modelagens de emissões instantâneas com microssimulação (RINELLI e FEDDO, 2011).
O software AIMSUN (Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non- urban Networks), é uma ferramenta de modelagem de tráfego integrado, desenvolvido e comercializado pela empresa TSS, localizada em Barcelona, na Espanha. De acordo com Swidan (2011), o sistema simula condições de tráfego real para diferentes tipos de redes de
3 tráfego, modelando o comportamento individual de cada veículo no sistema através de etapas de processos. Além de suas capacidades de modelagem muito detalhadas, o software oferece grande flexibilidade fornecendo uma Interface de Programação de Aplicativos (API).
Conforme Rinelli e Feddo (2011), o AIMSUN tem três modelos ambientais embutidos: um modelo de consumo de combustível e dois modelos de emissão de poluição. Um dos modelos calcula as emissões de CO2, NOx (óxido de nitrogênio), PM10 (partículas inaláveis de diâmetro inferior a 10 micrômetros) e VOC (compostos orgânicos voláteis) a partir da velocidade instantânea e da aceleração dos veículos, aplicando uma fórmula desenvolvida por Panis et al. (2006). O usuário define os parâmetros de calibração para cada tipo de veículo e poluente. A emissão total é então calculada integrando esta emissão instantânea em cada viagem do veículo.
De acordo com Bartin et al. (2007), os simuladores microscópicos que dispõem de modelos de emissões é uma ferramenta apropriada para estimar sistemas viários de transporte levando em consideração as emissões de poluentes dos veículos devido:
Possuírem interações detalhadas de veículo-veículo e veículo-ambiente;
Considerarem velocidade instantânea e informação de aceleração;
Atribuir características específicas do veículo, por exemplo, tipo e idade do veículo.
Todos esses fatores afetam as emissões e devem ser contabilizadas para produzir estimativas de emissões mais precisas.
3. Método
Neste artigo foi investigado como alguns autores têm trabalhado as emissões de CO2
modeladas pelo software de simulação de tráfego AIMSUN. Desse modo trata-se de um estudo de base bibliográfica, que não utilizou fontes primárias de investigação.
Para a pesquisa dos artigos, foram realizadas buscas por meio do Portal de Periódicos Capes, nas bases ScienceDirect (Elsevier), IEEE Journals, ISI Web of Science, Emerald e Springer.
4 Como termos de busca foram utilizadas as palavras “AIMSUN” e “CO2” concomitantemente.
Os termos foram buscados nas categorias título, resumo e palavras-chave para o período dos anos 2000 a 2017. Esta busca foi realizada durante o mês de abril de 2017.
Com base nos resultados obtidos com cada termo, foram excluídos os trabalhos duplicados e depois foi realizada uma análise individual de cada título e resumo para avaliar a adequação, ou não, de cada artigo à nossa pesquisa. Em relação à abrangência da amostra, foi restrita apenas ao estudo de artigos nos quais apresentaram um estudo de caso envolvendo o AIMSUN e CO2, de acordo com a temática desta pesquisa.
A grande incidência de estudos nesta área se dá apenas a partir do ano de 2010, o que demonstra ser um tema ainda a ser mais explorado. Após o filtro inicial foram encontrados 23 artigos. Destes, selecionamos 10 trabalhos e estes envolvem estudos de diferentes autores e também tratam do assunto sob diversas perspectivas. No Quadro 1, é mostrado os artigos selecionados bem como seus autores e ano de publicação em ordem decrescente.
Quadro 1 – Artigos selecionados para estudo
Fonte: Os Autores
5 Os artigos selecionados para estudo foram escritos em língua inglesa, com exceção do artigo de Chanut e Chevallier (2012), este desenvolvido em língua francesa. Com relação aos periódicos em que foram publicados os artigos, se destacam o Procedia-Social and Behavioral Sciences, o Transportation Research Part D: Transport and Environment e o Transportation Research Procedia, cada um com duas pesquisas estudadas. O artigo mais antigo utilizado foi publicado em 2006. Os anos de 2014 e 2015 se revelam como os anos de maior publicação do tema pesquisado.
6 4. Análise das publicações
Nesta seção serão apresentadas as discussões acerca dos artigos selecionados. O Quadro 2 exibe as principais características dos estudos.
Quadro 2 – Características dos artigos selecionados
Fonte: Os Autores
Na pesquisa de Morello et al. (2016), foi desenvolvida uma plataforma de software utilizando e aprimorando os modelos adotados nas ferramentas comerciais existentes com o intuito de simular o tráfego com motoristas de diferentes comportamentos, ou seja, motoristas com condução econômica (eco-drivers) e motoristas com condução normal. O método combina a modelagem de tráfego e emissão em escalas micro e macro. O cenário selecionado para avaliar esse impacto foi um pequeno trecho de vias da cidade de Turim, na Itália. As análises foram realizadas considerando três condições de tráfego: livre, normal ou congestionado.
Além disso, a análise utilizou cinco taxas de difusão para o modo econômico: 0%, 25%, 50%,
7 75%, 100%. A microssimulação no AIMSUN produziu os perfis de velocidade para cada veículo viajando dentro da área. Estes perfis de velocidade, tanto para o condutor normal como para o econômico, foram utilizados como entrada do modelo que permitiram ter uma avaliação do consumo de combustível e emissão de CO2 na atmosfera. Os resultados demonstraram que os diferentes comportamentos dos motoristas podem impactar de maneira diferenciada a respeito das emissões de gases. Os autores notaram que um motorista econômico tem um maior impacto benéfico em condições de tráfego livre e normal, sendo que em situação de congestionamento o impacto é irrelevante, devido ao aumento do consumo de combustível e das emissões de CO2.
O trabalho de Silva et al. (2015), se concentrou na avaliação do desempenho da solução turbo rotatória quando aplicada em um corredor viário, em comparação com uma rotatória normal de dupla via. A análise baseou-se em dois componentes chave: capacidade e emissões poluentes. O trabalho foi apoiado por técnicas de microssimulação utilizando o software AIMSUN, com base em um estudo de caso calibrado e validado para uma sucessão de três intersecções da rede rodoviária da cidade de Coimbra, em Portugal, que poderiam ser transformadas em soluções turbo rotatórias. O estudo desenvolvido baseou-se numa análise comparativa do desempenho de soluções correspondentes a dois possíveis cenários: solução existente composta por rotatórias convencionais com circulação de dupla via e solução alternativa com as rotatórias convencionais transformadas em turbo rotatórias. Os autores concluíram que o desempenho da turbo rotatória é fortemente influenciado pela carga de tráfego da via, perdendo severamente seu desempenho em condições de supersaturação e congestionamentos. O desempenho da solução também foi particularmente sensível à distribuição direcional de tráfego, tanto nas entradas quanto no corredor. Em termos de emissões de gases, visualizou-se que sob condições de tráfego normal, as turbo rotatórias tendem a reduzir a emissão de CO2 na natureza. Porém, as emissões de hidrocarbonetos (HC) e óxido de nitrogênio tendem a aumentar se comparadas com as rotatórias convencionais. Em termos globais, verificou-se que os resultados dos indicadores ambientais acompanham o avanço dos indicadores de capacidade viária.
8 Com relação ao estudo de Galatioto et al. (2015), este investiga as emissões de gases do tráfego interrompido durante a manutenção do pavimento de uma estrada interurbana, com várias opções de gerenciamento de tráfego, em comparação com as atividades de construção e manutenção. O local do estudo de caso foi definido em uma estrada do condado de Lincolnshire, na Inglaterra. O microssimulador AIMSUN foi utilizado neste estudo para avaliar as emissões geradas pelo tráfego sob diferentes medidas de gerenciamento de tráfego.
Mais especificamente, para quantificar o efeito do tempo de fechamento da faixa da via e comparar com o impacto do desvio. Segundo o autor, o software foi selecionado devido à sua capacidade de modelar a geometria da rede rodoviária, o comportamento de cada veículo em resposta aos sinais de controle do tráfego e sua facilidade de utilização. As emissões de tráfego foram calculadas usando o modelo de emissões instantâneas incorporadas ao AIMSUN. Quatro tipos de veículos foram simulados: automóveis movidos à gasolina, automóveis movidos à diesel, veículos urbanos de carga e veículos pesados. Os resultados da modelagem confirmaram que o tipo e a duração da manutenção podem afetar significativamente o tráfego e as emissões associadas. Para o estudo de caso, os aumentos nos níveis de tráfego resultaram num aumento exponencial das emissões de gases durante a interrupção da via, devido à supersaturação e ao atraso causado pela redução da capacidade de escoamento após o fechamento da faixa. A comparação entre as emissões de CO2 resultantes da interrupção do trânsito e a restauração do asfalto, para este estudo de caso, mostraram-se relativamente pequenas.
A pesquisa de Osorio e Nanduri (2015), propõe uma metodologia de otimização que aborda uma variedade de problemas de transporte urbano enquanto se contabilizam diretamente ambas as métricas instantâneas de emissões veiculares e as métricas tradicionais de congestionamento. A metodologia consiste em uma abordagem de otimização baseada em simulação de metamodelos. O metamodelo combina informações de tráfego e emissões de simuladores microscópicos de alta resolução com informações de modelos macroscópicos analíticos de baixa resolução. O AIMSUN foi calibrado com um trecho da cidade suíça de Lausanne e o tráfego considerado foi no período de pico noturno. O modelo representou
9 veículos individuais na rede, simulando uma demanda média de aproximadamente 12.400 viagens sobre a cidade inteira. As viagens foram geradas com base em um destino, juntamente com um modelo de evolução estocástica. Foi utilizado o modelo de emissões microscópicas incorporado no AIMSUN, que dá a taxa de emissões instantâneas de quatro poluentes com base na velocidade instantânea e aceleração. Verificou-se que as emissões de poluentes como o CO2, NOx, VOC e PM dependem fortemente dos atributos individuais dos veículos e dinâmicas complexas de tráfego local. O estudo demonstrou que o uso dos modelos de alta resolução não está mais limitado à avaliação ambiental de um pequeno conjunto de esquemas predeterminados e podem ser abordados de uma maneira computacionalmente eficiente.
Conforme a pesquisa realizada por Anya et al. (2014), esta investigou se um conjunto selecionado de parâmetros de simulação que usavam trajetórias de velocidade observadas no campo em alta resolução temporal poderia melhorar as emissões estimadas a partir de um corredor arterial sinalizado. O local do estudo foi um trecho de duas milhas do corredor arterial na Rua Hillsborough, em Raleigh, capital da Carolina do Norte, nos Estados Unidos.
Em suas conclusões os autores revelaram que sob os parâmetros padrões utilizados pelo pacote do software AIMSUN, a atividade simulada do veículo a partir de um corredor arterial sinalizado na micro-escala não representou a atividade real do veículo. A pesquisa mostrou que ajustes dos parâmetros do modelo de carro seguindo dados de campo gera atividades mais realistas dos veículos. Também enfatizaram que os modelos de simulação microscópicos são calibrados com medidas de desempenho de tráfego que estão a cada dia mais se aperfeiçoando. As conclusões deste artigo apresentam o potencial para usar estas estimativas de emissões melhoradas a partir da atividade de veículo simulada para a calibração adicional de modelos de microssimulação.
O estudo desenvolvido por Melo et al. (2014), analisa como o uso de veículos elétricos de pequeno porte, substituindo ou complementando o trabalho de vans e caminhões nas operações de logística da cidade, afeta o tráfego, a eficiência energética e as emissões. A análise foi baseada na comparação de quatro cenários aplicados na cidade do Porto em Portugal, que apresentam uma estimativa dos efeitos ambientais, operacionais e econômicos
10 de uma penetração no mercado por veículos de pequeno porte na logística da cidade de 10, 30, 50 e 100%. A avaliação seguiu duas abordagens distintas, baseadas na cobertura geográfica e no impacto das partes interessadas (stakeholders). Foram quantificados os seguintes indicadores: distância percorrida, intensidade energética (consumo de combustível) e CO2 global emitido em uma abordagem de ciclo de vida de combustível, velocidade média (excluindo paradas para fazer entregas), tempo de viagem, tempo de atraso e densidade de tráfego. Durante a simulação do cenário no AIMSUN, foram considerados sete tipos de veículos na análise de acordo com a seguinte categorização: veículos elétricos de pequeno porte, carro, ônibus, caminhão, van, táxi e outros transportes públicos. Os autores revelaram que em termos ambientais, verificou-se que, para o cenário mais benéfico em termos de tráfego global (cenário com 10% de veículos elétricos), são obtidos ganhos de aproximadamente 3 a 4% no consumo de energia e nas emissões de CO2. Também para este cenário, 56 euros por ano devem ser gastos para economizar 1 MJ de energia, o que segundo os autores não prova que o uso de carros elétricos de pequeno porte na logística urbana seja particularmente eficaz.
O trabalho de Costa et al. (2014), explora quatro alternativas diferentes para gerenciar a demanda de estacionamento em uma área hospitalar, através da limitação do acesso às zonas de estacionamento, da introdução de um sistema de pagamento ou da criação de uma nova área adicional de estacionamento. Os autores estimaram os efeitos de tráfego, efeitos ambientais e monetários das alternativas propostas de estacionamento. A comparação entre os diferentes cenários permitiram determinar se a gestão do estacionamento pode ser feita com menos recursos e sem piora a mobilidade da área, bem como os efeitos ambientais e as receitas monetárias. O estudo de caso refere-se a uma situação real ocorrida em um hospital distrital de Algarve, em Portugal. Com a utilização do software AIMSUN, os autores realizaram uma análise dos efeitos de quatro cenários de gestão de estacionamento em termos de poluição de tráfego e ambiente. Os resultados comparativos revelaram que os cenários que exigem a utilização de mais recursos e que implicam uma despesa pública mais elevada são piores em termos de tráfego e ambiente. Foi possível concluir que, quando os sistemas de
11 estacionamento se tornam mais controlados e restritos, o tráfego, os efeitos ambientais e monetários pioram em curto prazo. Em médio e longo prazo, a introdução de um sistema de controle sobre a capacidade das zonas de estacionamento ou a cobrança de taxas irá contribuir para a transferência do transporte privado para o transporte público e para outros meios de transporte sustentáveis. A emissão de CO2 foi verificada em quatro distintos cenários e considerando o principal interesse dos administradores de estacionamentos, que é a rentabilidade, os cenários que contribuem para uma rentabilidade mais elevada são as que, em curto prazo, apresentam os piores resultados em termos de emissões para o meio ambiente.
No estudo de Zhu e Ferreira (2013), focou-se na quantificação de erros associados às saídas dos modelos de microssimulação. Em particular, a estimativa das emissões de CO2 foi utilizada como exemplo. As incertezas que provavelmente estariam presentes nos dados de entrada necessários para calibração do software simulador, bem como os erros de especificação inerentes aos modelos foram discutidos neste trabalho. Foi demonstrado que a análise de simulação de Monte Carlo pode ser utilizada com sucesso para quantificar incertezas de modelagem de emissões globais. Os dois tipos de erros identificados, dados de entrada e especificação do modelo, apresentaram características distintas para cada estágio do ciclo de condução urbana. Ambos os tipos de erros foram tratados em relação à modelagem de emissões de CO2 usando um estudo de caso em um trecho da cidade de Brisbane, na Austrália. Sob condições de fluxo livre, os dois tipos de erros estão estreitamente alinhados e a precisão das saídas do modelo está fechada ao seu nível ótimo. Contudo, para as condições de congestionamentos, os erros de dados de entrada forneceram a principal fonte de incerteza.
Com referência a pesquisa de Chanut e Chevallier (2012), esta apresenta uma ferramenta de estimativa capaz de medir todos os efeitos das políticas de gestão de tráfego. Baseia-se num modelo de fluxo de tráfego dinâmico comumente utilizado (AIMSUN) combinado com diferentes modelos de emissão, a fim de identificar características de modelação que conduzam ou não a diferenças nos resultados. Diferentes modelos de combinação foram aplicados e comparados para duas estratégias de regulação de tráfego: uma via de alta ocupação (HOV) dedicada apenas a ônibus e táxis criados na pista A1 da esquerda entre o
12 aeroporto Charles de Gaulle e a cidade de Paris, na França, e uma redução dos limites de velocidade numa seção da estrada A86 no noroeste de Paris. São destacadas diferenças substanciais nas previsões de diferentes modelos de emissão. Essas não podem ser inteiramente explicadas pelas diferenças nas leis de emissões.
O trabalho de Dia et al. (2006), apresenta os resultados de uma avaliação comparativa de dois algoritmos australianos baseados no consumo de combustível e emissões ambientais utilizando simulação de tráfego. A abordagem de simulação forneceu uma série de vantagens para este tipo de trabalho através da modelagem detalhada da geometria da estrada e grau, comportamento do condutor, desempenho do veículo e parâmetros de tráfego. Os modelos foram interligados a um simulador de tráfego microscópico e aplicados a cada veículo na rede rodoviária. O consumo de combustível e as emissões de poluentes segundo-por-segundo foram estimados numa base de seção por seção e em toda a rede. O estudo de simulação examinou uma série de tipos de veículos e reuniu informações detalhadas sobre seus perfis de velocidade, aceleração, desaceleração, consumo de combustível e emissões de poluentes. Os resultados mostraram que as saídas de consumo de combustível foram semelhantes, mas as estimativas de emissão foram substancialmente diferentes para os dois modelos. O artigo também comparou as saídas dos dois modelos contra vários testes padrão. Os resultados mostraram que ambos os modelos proporcionaram maiores taxas de emissão de poluentes quando comparados com os dados de teste padrão disponíveis.
5. Considerações finais
Este estudo teve por finalidade verificar na literatura as abordagens dos estudos relacionados ao uso do software simulador de tráfego AIMSUN aplicado nas emissões de CO2. Para isso foram selecionados e analisados dez artigos em que houve algum estudo de caso abrangendo o simulador em situações de exaustão de poluentes.
Percebeu-se que diferentes métodos e assuntos, vindas de contribuições de diversos campos do conhecimento, permitiram a construção dos estudos de caso nos trabalhos. Entre os trabalhos analisados destaca-se o artigo de Morello et al. (2016), que estudou como motoristas
13 de diferentes comportamentos, econômicos ou com condução normal, influenciam na emissão de CO2. A pesquisa desenvolvida por Melo et al. (2014), trouxe uma interessante e contemporânea perspectiva a respeito de como o uso de veículos elétricos pode afetar o tráfego, a eficiência energética e as emissões nas cidades. Alguns outros trabalhos focaram não apenas na emissão de CO2 como também em outros gases poluentes.
Comprovou-se através dos trabalhos verificados que aliar a quantificação de poluentes ao estudo de tráfego permite observar os pontos benéficos e maléficos que alterações nos planos de circulação de um sistema de transporte podem trazer ao meio ambiente.
Os artigos revelaram que o software AIMSUN avalia os estados de deslocamento dos veículos, como por exemplo a velocidade, aceleração, desaceleração, declive e aclive, permitindo assim avaliar os impactos das reais condições de tráfego no consumo de combustível e na emissão de poluentes.
Constata-se que, de acordo com os resultados das pesquisas, para se obter uma resposta mais precisa, é de suma importância calibrar corretamente os parâmetros no software, uma vez que as emissões de poluentes dependem fortemente dos atributos individuais dos veículos e de dinâmicas complexas do tráfego viário.
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