Sistema de pricing dinâmico de cobrança de portagens

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA

Sistema de pricing dinâmico de cobrança de portagens

João Miguel Ribeiro Gomes

Mestrado em Engenharia Informática

Especialização em Sistemas de Informação

Dissertação orientada por:

Professor Doutor António Manuel Silva Ferreira

Engenheiro António Ricardo Ruano Pinto

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Resumo

A constante expansão dos centros metropolitanos provoca aumentos no congestionamento em inúmeras estradas em todo o mundo, pondo em causa a qualidade de vida dos seus utilizadores. A criação de instalações para cobrança de portagens não é suficiente para combater este aumento, pois a procura de transportes e a utilização das estradas é cada vez maior. Face a estes problemas e à falta de soluções práticas para os resolver, neste projeto, que foi realizado na empresa Accenture, explorei a abordagem de aplicação de uma portagem variável nas estradas, em resposta ou antecipando a severidade do con-gestionamento usando dados recolhidos em tempo real.

O primeiro objetivo consistiu no estudo e desenvolvimento de um algoritmo para o cálculo dinâ-mico de preços para os pórticos ou portagens, tendo em conta variáveis relacionadas com o estado do trânsito num determinado ponto no tempo, entre outras. Os resultados da avaliação mostraram que o algoritmo é capaz de ir ajustando o preço da portagem ao longo do dia em função do volume de tráfego de automóveis e da sua velocidade média, sem exceder os limites de preços impostos à partida.

O segundo objetivo deste projeto consistiu no desenvolvimento de uma aplicação configurável que utilize e avalie o algoritmo de otimização de cálculo do preço de uma portagem definido no objetivo 1. Esta aplicação utilizou regras de avaliação e um serviço externo para recolher dados reais de trânsito na autoestrada I-90, nos Estados Unidos, tendo sido necessário criar métodos computacionais para pesqui-sar e distinguir entre os vários troços de estrada que se encontram junto a cada pórtico, e os respetivos sentidos de circulação automóvel. Os resultados da avaliação demonstraram o funcionamento da apli-cação, que consegue juntar a recolha dos dados do trânsito ao algoritmo e calcular um preço para os períodos de tempo definidos.

O terceiro e último objetivo passou por verificar o comportamento e uso da aplicação para a totali-dade dos pórticos de pelo menos uma estrada ou concessão, em períodos consecutivos de tempo, por forma a analisar os preços calculados pela aplicação e verificar que estes são adequados face à condição do trânsito. A avaliação mostrou que a aplicação recolheu informação e calculou os preços para todos os pórticos de uma concessão da autoestrada I-90, ao longo das 24 horas do dia. Mostrou também que o preço calculado varia acompanhando o aumento ou decréscimo do congestionamento.

A conclusão destes objetivos mostra a viabilidade da abordagem de cobrança de portagens de valor variável aos utilizadores de uma estrada em função do estado de congestionamento do trânsito num contexto real.

Palavras-chave: Dynamic Pricing, Congestion Pricing, Otimização de Problema, Algoritmo Dinâmico, Sistema Configurável

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Abstract

The steady expansion of metropolitan centers causes congestion increases on numerous roads around the world, undermining the quality of life of its users. The creation of toll collection facilities is not sufficient to fight this increase, as the demand for transport and the use of roads is increasing. Given these problems and the lack of practical solutions to solve them, in this project, which was carried out at Accenture, I explored the approach of applying a variable toll on roads in response to or anticipating the severity of congestion using data collected in real time.

The first objective was the study and development of a dynamic pricing algorithm for toll gates, considering variables related to the state of the traffic at a certain point in time. The results of the eval-uation showed that the algorithm can adjust the toll price throughout the day as a function of the volume of traffic and its average speed, without exceeding the price limits imposed at the start.

The second objective of this project consisted in the development of a configurable application that uses and evaluates the optimization algorithm for calculating the price of a toll developed in objective 1. This application used evaluation rules and an external service to collect actual traffic data on the I-90 motorway in the United States, and it was necessary to create computational methods to search for and distinguish between the various road sections adjacent to each gantry and their respective motorway directions. The results of the evaluation demonstrated the operation of the application, which can com-bine the collection of the traffic data to the algorithm and calculate a price for the defined time periods.

The third and final objective was to verify the behavior and use of the application for all the toll gates of at least one road or concession, in consecutive periods of time, to analyze the prices calculated by the application and verify that they are suitable for the condition of transit. The evaluation showed that the application gathered information and calculated prices for all I-90 concession toll gates, through-out the 24 hours of the day. It also showed that the price calculated varies with the increase or decrease in congestion.

The completion of these objectives shows the feasibility of the approach of charging variable-value tolls to road users per the traffic congestion state in a real context.

Keywords: Dynamic Pricing, Congestion Pricing, Problem Optimization, Dynamic Algorithm, Config-urable System

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Conteúdo

Resumo ... i

Abstract ... iii

Conteúdo ...v

Lista de figuras ... vii

Lista de tabelas ... ix Capítulo 1 – Introdução ...1 1.1 Motivação ...1 1.2 Objetivos ...1 1.3 Instituição de acolhimento ...2 1.4 Planeamento e execução ...3 1.5 Contribuições ...4 1.6 Organização do documento ...4

Capítulo 2 – Conceitos e trabalho relacionado ...5

2.1 Congestion pricing ...5

2.1.1 Tipos de cobrança de congestion pricing ...6

2.1.2 Abordagens estáticas e dinâmicas ...6

2.2 Sistemas de congestion pricing ...7

2.2.1 Pórticos tradicionais ...7

2.2.2 Pórticos eletrónicos ...8

2.3 Implementações de congestion pricing ...8

2.3.1 Aplicações estáticas ...8

2.3.2 Aplicações dinâmicas ...11

2.4 Algoritmos de preços dinâmicos ...14

2.5 Trabalho relacionado da Accenture ...18

2.6 Sumário ...18

Capítulo 3 – Desenvolvimento da aplicação ...19

3.1 Visão geral ...19

3.2 Ambiente de desenvolvimento ...20

3.3 Requisitos funcionais ...20

3.4 Arquitetura do sistema ...21

3.5 Descrição das fontes de dados ...22

3.5.1 Fonte 1. Tabela de Transações...22

3.5.2 Fonte 2. Tabela de Eventos ...23

3.5.3 Ligações entre fontes de dados ...23

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3.6 Codificação da aplicação ...27

3.6.1 Obtenção de dados de trânsito ...27

3.6.2 Distinção de troços de estradas ...30

3.6.3 Cenário de atualização dos dados de trânsito ...32

3.6.4 Identificação do sentido da estrada ...34

3.6.5 Cálculo de preços de portagens ...35

3.6.6 Testes da aplicação ...40

3.7 Sumário ...41

Capítulo 4 – Avaliação da aplicação ...43

4.1 Tempos de obtenção dos dados de trânsito ...43

4.2 Evolução do estado do trânsito e dos preços das portagens ...45

4.3 Valor das portagens da infraestrutura ...48

4.4 Sumário ...50 Capítulo 5 – Conclusão ...51 5.1 Principais contribuições ...51 5.2 Competências adquiridas ...51 5.3 Dificuldades encontradas ...52 5.4 Trabalho futuro ...52 Bibliografia ...53

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Lista de figuras

Figura 1.1: Estrutura de serviços da Accenture ... 2

Figura 2.1: Preços das portagens em Estocolmo consoante a hora do dia [3] ... 9

Figura 2.2: Pórtico em Singapura [14] ... 9

Figura 2.3: Zona de Cobrança de Congestionamento de Londres [15] ... 10

Figura 2.4: Estrada com portagens para veículos de mercadorias na Alemanha [17] ... 11

Figura 2.5: I-15 Express Lanes [19] ... 12

Figura 2.6: I-394 no Minnesota ... 12

Figura 2.7: HOT lanes na autoestrada I-95 [21] ... 13

Figura 2.8: Gráficos de densidades e fluxos de veículos [23] ... 15

Figura 2.9: Procedimento de cálculo de portagens [26] ... 17

Figura 3.1: Solução de Dynamic Pricing ... 19

Figura 3.2: Organização do código da aplicação e interações com o serviço de mapas ... 21

Figura 3.3: Esquema das relações entre fontes de dados ... 24

Figura 3.4: Processamento da solução de pricing ... 27

Figura 3.5: Processo de recolha de dados do estado do trânsito ... 28

Figura 3.6: Ajuste dos parâmetros de pesquisa para as condições do trânsito ... 31

Figura 3.7: Ponto geográfico de exemplo à análise da direção de uma estrada ... 34

Figura 3.8: Processamento do cálculo dos preços das portagens ... 36

Figura 3.9: Fluxo do algoritmo de pricing ... 40

Figura 4.1: Tempo de recolha dos dados de trânsito do serviço web Traffic Here ... 43

Figura 4.2: Tempos totais de recolha dos dados de trânsito para cada dia ... 44

Figura 4.3: Tempos de recolha dos dados de trânsito de 20 pórticos, para cada hora, durante um dia . 44 Figura 4.4: Tempos de recolha dos dados do trânsito, ao longo das horas do dia, para todos os dias, para os pórticos 3009 e 3063 ... 45

Figura 4.5: Condição do trânsito para o pórtico 3001 no dia 10-09-2016 ... 46

Figura 4.6: Preços das portagens para o pórtico 3001 no dia 10-09-2016 ... 46

Figura 4.7: Condição do trânsito para o pórtico 3066 no dia 2016-11-09 ... 47

Figura 4.8: Preços das portagens para o pórtico 3066 no dia 2016-11-09 ... 47

Figura 4.9: Soma dos preços das portagens da concessão I-90, para a classe 1 de veículos, nos dias 17 e 19 de setembro ... 48

Figura 4.10: Soma dos preços das portagens da concessão I-90, para a classe 1 de veículos, nos dias 17 e 19 de setembro, e de todas as concessões, para a classe 1 de veículos, no dia 4 de novembro ... 49

Figura 4.11: Comparação da soma dos preços das portagens da concessão I-90, para cada classe de veículo, no dia 3 de outubro ... 50

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Lista de tabelas

Tabela 1.1: Plano de tarefas do PEI ... 3

Tabela 2.1: Esquemas de preços dinâmicos [11] ... 14

Tabela 2.2: Esquemas de preços estáticos ... 14

Tabela 2.3: Categorias de veículos [27] ... 18

Tabela 3.1: Tabela de transações ... 22

Tabela 3.2: Elementos de um pedido de dados de fluxo de tráfego ... 26

Tabela 3.3: Ficheiro da topologia da infraestrutura ... 28

Tabela 3.4: Ficheiro dos preços base (em dólares) das portagens ... 36

Tabela 3.5: Valores máximos de densidade consoante o nível de serviço ... 38

Tabela 3.6: Valores da conversão do fator de congestionamento ... 38

Tabela 3.7: Tabela de variação do preço da portagem em função da classe do veículo... 39

Tabela 3.8: Cumprimento dos requisitos funcionais da aplicação de pricing ... 41

Tabela 4.1: Comparação entre a condição do trânsito e os preços das portagens para o pórtico 3001, direção noroeste e sudeste ... 47

Tabela 4.2: Comparação entre a condição do trânsito e os preços das portagens para o pórtico 3066, direção noroeste ... 48

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Capítulo 1 – Introdução

Neste capítulo abordo os temas de congestionamento de tráfego automóvel e pricing dinâmico de co-brança de portagens, estando estes na base deste Projeto de Engenharia Informática (PEI) realizado na empresa Accenture. Descrevo a motivação que levou à proposta do projeto, os objetivos definidos, o plano de trabalho traçado, as minhas contribuições ao projeto, terminando com uma apresentação da organização geral do documento.

1.1 Motivação

Durante as últimas décadas houve uma expansão de grandes centros metropolitanos, levando a substan-ciais investimentos nas infraestruturas rodoviárias [1]. Para recuperar este investimento os operadores rodoviários criaram instalações para a cobrança de portagens, obrigando os condutores a pagar um valor pela utilização das estradas. Esta medida não evitou o aumento da procura de transportes, nem o aumento do volume do tráfego e do congestionamento do trânsito, que se apresenta como uma ameaça substancial à qualidade de vida de todos os utilizadores das redes de transporte e para a economia dos países.

A tentativa mais comum para solucionar este problema passa por expandir a capacidade das infra-estruturas rodoviárias. Esta solução não é a mais viável, devido ao seu elevado custo ou devido às limi-tações inerentes aos espaços terrestres.

Neste contexto surgiu o conceito de Congestion Pricing ou Road Pricing, que consiste na aplicação de uma taxa variável nas estradas, em resposta ou antecipando a severidade do congestionamento [2]. Apesar destas aplicações terem sucesso no dia-a-dia, a falta de conteúdo teórico sobre algoritmos para preços de portagens é um problema que pode provocar o cálculo de preços irrealistas e pouco adequados ao estado real do trânsito, ou causar grandes flutuações nos preços em curtos espaços de tempo.

As estratégias de pricing dinâmico são normalmente aplicadas em vias presentes nas autoestradas com um esquema de gestão que passa pela restrição da sua utilização ou por terem taxas de cobrança com valores diferentes consoante as caraterísticas dos veículos.

Surgiu, então, a necessidade de encontrar uma solução eficaz para o pricing dinâmico, tendo em conta os aspetos referidos. Pretendeu-se no trabalho deste PEI delinear uma arquitetura que permita colecionar e explorar a grande quantidade de dados das passagens dos veículos junto dos pórticos, e analisar a utilização da rede de transportes ao longo de um dia. Existiu a necessidade de estudar e im-plementar um algoritmo de pricing que fosse robusto e que fosse capaz de atribuir valores realistas para as portagens. Teria que possibilitar também a extensão da ideia de pricing dinâmico a qualquer topologia de uma autoestrada, de forma a ajustar-se aos vários objetivos de negócio pretendidos pelos operadores rodoviários.

1.2 Objetivos

Tendo em conta os problemas descritos, o trabalho que desenvolvi dividiu-se em três objetivos princi-pais, discutidos a seguir:

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Capítulo 1 - – Introdução 2

Objetivo 1: Algoritmo de cálculo dinâmico de preços

Este objetivo consistiu no estudo e desenvolvimento de um algoritmo de cálculo dinâmico de preços para os pórticos/portagens. O algoritmo tem em conta fatores decisivos que influenciam o preço final, como o volume de tráfego num momento, a velocidade média registada entre dois pontos da rede de estradas, e as condições atmosféricas. A avaliação deste objetivo passou por confirmar que um preço é calculado em função dos fatores referidos e do objetivo pretendido, que pode passar por otimizar o uso da instalação, maximizar a receita obtida, melhorar o fluxo do tráfego, manter um nível de serviço es-pecífico numa estrada ou manter uma determinada velocidade mínima para os condutores.

Objetivo 2: Aplicação configurável para implementação do algoritmo

Para este objetivo foi necessário desenvolver uma aplicação que utilize o algoritmo de cálculo do preço de uma portagem definido no objetivo 1. A aplicação deve fazer uso de regras, métodos de avaliação, e serviços externos para recolher dados reais sobre um conjunto de estradas, que forneçam a informação necessária ao algoritmo. A avaliação deste objetivo passou por verificar se o preço foi calculado a cada intervalo definido de tempo, bem como a sua configurabilidade, permitindo aos operadores controlar a variação dos preços através da alteração dos parâmetros do algoritmo.

Objetivo 3: Verificação da criação do preço de uma forma dinâmica

O último objetivo consistiu na verificação do funcionamento global da aplicação e do cálculo efetuado pelo algoritmo para a totalidade dos pórticos de pelo menos uma estrada ou concessão, em períodos consecutivos de tempo, para verificar se os preços calculados pela aplicação são adequados face à con-dição do trânsito. A avaliação deste objetivo passou por verificar que a aplicação recolhe dados de trân-sito reais e que o algoritmo calcula os preços para todos os pórticos de uma estrada, ao longo de um dia, variando conforme o aumento ou decréscimo do congestionamento com vias de possibilitar uma possí-vel aplicabilidade prática em casos reais onde o objetivo é a otimização do fluxo rodoviário.

1.3 Instituição de acolhimento

O PEI decorreu na Accenture, considerada uma das maiores e mais importantes empresas de serviços profissionais do mundo. Conta com aproximadamente 373 mil funcionários em 120 países. A estrutura dos serviços da empresa está esquematizada na Figura 1.1.

Este projeto inseriu-se na parte de negócio de Tecnologia, mais concretamente na área de produtos. Fui integrado na equipa especializada em Tolling, no Tolling Center of Excellence (TCoE) situado na sede da Accenture, cujo objetivo passa por desenvolver soluções para a área das portagens em diversos países. Foi aqui que foram disponibilizados os recursos necessários para o sucesso do trabalho.

Figura 1.1: Estrutura de serviços da Accenture

Comunicação, média e tecnologia

Produtos Saúde e Recursos

serviços públicos Serviços Financeiros Accenture Strategy Accenture Operations Accenture Technology Accenture Digital Accenture Consulting

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1.4 Planeamento e execução

Na Tabela 1.1 descrevo em detalhe o plano de trabalho proposto para este PEI. As tarefas estão organi-zadas por tarefa principal e respetivas sub-tarefas, com a respetiva duração em meses.

Tabela 1.1: Plano de tarefas do PEI

Atividades Data Início Data Fim Duração 1 Sistema de pricing dinâmico de cobrança de portagens 20-10-2015 20-09-2016 11 meses 1.1 Entendimento do problema de negócio

1.1.1 Identificação dos requisitos de negócio e operacionais 1.1.2 Estudo e seleção de tecnologias candidatas

1.1.3 Estudo de processos complementares de avaliação 1.1.4 Prototipagem e avaliação de resultados

1.2 Relatório preliminar 20-01-2016 21-02-2016 1 mês 1.2.1 Escrita do relatório preliminar

1.3 Desenho da aplicação 20-10-2015 20-12-2015 2 meses 1.3.1 Desenho dos processos operacionais

1.3.2 Desenho da arquitectura 1.3.3 Definição da estratégia de testes

1.3.4 Definição do ambiente de desenvolvimento

1.4 Desenvolvimento e Testes 04-01-2016 15-07-2016 6 meses 1.4.1 Setup do ambiente de desenvolvimento

1.4.2 Desenvolvimento do algoritmo

1.4.3 Codificação da chamada ao serviço externo 1.4.4 Integração entre algoritmo e serviço externo 1.4.5 Testes à aplicação

1.5 Avaliação da Aplicação 20-06-2016 22-08-2016 2 meses 1.5.1 Obtenção de dados de trânsito para análise

1.5.2 Comparação dos dados de preços e trânsito 1.5.3 Elaboração de gráficos comparativos

1.6 Relatório Final 20-06-2016 20-09-2016 3 meses 1.6.1 Elaboração e entrega do relatório final de estágio

A execução nesta versão do relatório apresenta diferenças em relação ao planeamento indicado no relatório preliminar. Isto deveu-se ao facto de terem ocorrido atrasos na realização dos objetivos 1 e 2, descritos a seguir.

Relativamente ao objetivo 1, a exigência de implementação de um algoritmo tendo em conta o conjunto de transações verificadas num determinado pórtico e a sua análise histórica, bem como todo o estudo de modelos estatísticos e empíricos de avaliação de fórmulas de otimização, fez com que consi-derasse menos fatores que os previstos.

Assim, utilizei como parâmetros para o algoritmo, o volume de tráfego num determinado período de tempo e a velocidade média registada entre dois pontos da rede. As condições atmosféricas foram

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inicialmente inseridas na solução, mas não chegaram a fazer parte do algoritmo final. A escolha do tipo de otimização do algoritmo para uma operadora ficou também de fora, dado que a implementação do algoritmo começou por ter em conta a velocidade média verificada numa estrada e o seu nível de con-gestionamento, demorando cerca de 4 meses, retirando uma grande quantidade de tempo. É possível alterar os parâmetros do algoritmo usados no cálculo, bem como os dados referentes aos limites de preço, ao aceder diretamente ao código, alterando assim o tipo de otimização.

O objetivo 2 sofreu alterações, tendo sido removida a opção de escolha de objetivo de otimização devido às alterações realizadas ao objetivo 1 e ao atraso na sua concretização. Com isto a integração com um sistema já existente acabou por não ser incluída no âmbito do projeto, sendo esta tarefa delegada para a equipa de Tolling.

Outro aspeto que influenciou a alteração do plano de trabalhos foi a utilização de serviços externos para a recolha de dados de trânsito na aplicação final. O estudo das suas APIs e a sua consequente adição à solução necessitou de tempo adicional.

1.5 Contribuições

A maior contribuição do PEI foi no objetivo 2, a aplicação configurável para implementação do algo-ritmo, pois utiliza o algoritmo desenvolvido no objetivo 1, com regras definidas para efetuar o cálculo em cada intervalo definido de tempo. É também uma aplicação que permite configurar parâmetros de-sejáveis à operadora rodoviária que influenciam o intervalo de preços para cada pórtico ou classe de veículo e níveis de serviço numa determinada estrada.

Desenvolvi também o algoritmo de cálculo dinâmico de preços no objetivo 1, que satisfaz alguns dos propósitos da operadora rodoviária, como melhorar o fluxo de tráfego ou manter um nível de serviço específico. Para além disso, implementei a recolha de dados do trânsito em tempo real utilizando servi-ços externos de forma a permitir uma maior facilidade e realismo no cálculo dos preservi-ços.

Uma terceira contribuição decorre da análise que efetuei à aplicação, depois da implementação do algoritmo, que mostrou a viabilidade do cálculo de um preço para todos os pórticos de pelo menos uma concessão, ao longo das 24 horas de um dia. Foi também possível calcular preços para todos os pórticos contemplados no âmbito do projeto em múltiplas datas distintas.

1.6 Organização do documento

O relatório encontra-se dividido em quatro capítulos. No Capítulo 1, faço uma introdução ao tema do PEI, apresentando as principais motivações para o projeto, os objetivos definidos, o planeamento e exe-cução das tarefas e a notação adotada para a escrita do documento.

No Capítulo 2 apresento conceitos teóricos sobre o tema de congestion pricing e a atribuição de um preço justo em função do tráfego rodoviário, fundamentado por referências literárias. Apresento também alguns algoritmos existentes para o cálculo do melhor preço para as portagens.

No Capítulo 3 apresento todo o trabalho que realizei, no que toca aos objetivos definidos. Descrevo também as ferramentas que utilizei, o desenho e a arquitetura da solução.

No Capítulo 4 faço uma avaliação da aplicação, analisando os resultados obtidos e tirando conclu-sões sobre os mesmos.

Por fim, no Capítulo 5, descrevo as minhas contribuições e competências adquiridas, discuto as decisões tomadas em relação às dificuldades que encontrei e identifico possível trabalho futuro.

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Capítulo 2 – Conceitos e trabalho relacionado

No capítulo anterior, identifiquei os problemas inerentes ao congestionamento do tráfego, referindo a necessidade de implementar um algoritmo de cálculo dinâmico de preços de portagens. De forma a concretizar a solução pretendida, pesquisei várias abordagens relativas ao conceito de congestion pricing e definições de algoritmos de preços dinâmicos que se baseiam na condição do trânsito e nos dados colecionados junto dos pórticos, e que possam ser ajustados ao problema em concreto.

Este capítulo está organizado em cinco partes: na primeira parte descrevo o conceito de congestion pricing, os tipos de cobrança e abordagens ao congestionamento, revendo estudos e literatura académica existente sobre o tema. Na segunda parte menciono os sistemas de monitorização do congestionamento e as tecnologias utilizadas para cada tipo. Na terceira parte abordo algumas implementações dos sistemas de congestion pricing. Na quarta parte analiso artigos científicos que abordam soluções diferentes para o problema de criação de um algoritmo de atribuição de pricing dinâmico, mostrando alguns testes efe-tuados pelos seus autores que resumem a sua exequibilidade e para que situações estes se adequam melhor. Na última parte mostro trabalho relacionado da solução de video tolling concretizada pela equipa da Accenture.

2.1 Congestion pricing

Congestion pricing é uma forma de aproveitar o poder do mercado para reduzir os desperdícios associ-ados ao congestionamento, porque as pessoas têm a tendência de fazer escolhas competentes quando são confrontadas com os custos das suas ações e os benefícios sociais [2]. Funciona através da cobrança de um valor aos condutores, na tentativa de mudar algumas viagens menos críticas, durante as horas de ponta, para outros meios de transporte ou percursos alternativos. Isto pressupõe que a maioria dos mo-toristas que viajam numa estrada urbana não são condutores habituais, mais especificamente, condutores com um percurso pendular de entrada e saída de uma cidade. Mesmo conseguindo remover apenas uma pequena percentagem dos veículos de uma estrada congestionada, é possível permitir um fluxo de trân-sito mais eficiente e conseguindo assim que mais veículos percorram a mesma estrada.

A implementação deste conceito passa por definir preços para as portagens dependendo da severi-dade do congestionamento. Isto implica que as portagens podem variar de acordo com a hora do dia, classe do veículo e número de ocupantes, a localização e as circunstâncias atuais, como as condições atmosféricas, acidentes ou outros tipos de eventos excecionais.

Estas estratégias são consideradas eficazes e eficientes na redução do tráfego, tendo sido utilizadas com sucesso noutras indústrias, como em passagens aéreas, taxas de telefone fixo e tarifas de energia elétrica. Apesar de existirem dúvidas e preocupações com este conceito por parte dos condutores, os resultados práticos mostram que esta é uma abordagem viável e sustentável para conseguir tempos de viagem que sejam confiáveis e para reduzir o congestionamento do tráfego [1].

Existem dois métodos principais de congestion pricing, interligando-se mutuamente, que são os tipos de cobrança, podendo estes serem classificados de várias formas, e a atribuição de um preço para o congestionamento, que pode ser categorizada de uma forma estática ou dinâmica. Todos estes concei-tos são explicados em maior detalhe nas próximas secções.

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Capítulo 2 - Conceitos e trabalho relacionado 6

2.1.1 Tipos de cobrança de congestion pricing

Os tipos de cobrança de congestion pricing podem ser classificados de quatro maneiras principais, apre-sentados nos pontos seguintes:

Cobrança baseada em instalações

A cobrança baseada em instalações é a forma mais comum de atribuir e cobrar um preço a uma deter-minada estrada, sendo frequentes em pontes ou túneis. As portagens podem ser cobradas em todas as faixas de uma instalação ou em faixas consideradas especiais. Dois exemplos faixas especiais, recorrente nos Estados Unidos, são as managed lanes e as express lanes. Managed Lanes são vias especiais ou restritas a certos tipos de veículos, como vias para transportes públicos ou vias para veículos com alta ocupação (HOV - High Occupancy Vehicles). Veículos com menor ocupação pagam uma taxa extra (HOT – High Ocuppancy Toll). Express Lanes são vias de cobrança eletrónica de portagens (ETC – Eletronic Toll Collection) onde os veículos passam o ponto de cobrança numa autoestrada sem necessi-dade de efetuar uma paragem [3]. Muitos dos estudos de preços dinâmicos focam-se neste tipo de faixas, nomeadamente nas HOV. Podemos analisar alguns exemplos em [4] ou [5].

Cobrança baseada em cordões

A cobrança baseada em cordões aplica taxas que são pagas pelos motoristas para que estes possam conduzir dentro de uma área em particular, sendo geralmente o centro de uma cidade. Algumas destas taxas só se aplicam durante períodos de picos de congestionamento. Esta forma de cobrança pode ser efetuada exigindo aos veículos que circulam dentro da área em concreto mostrar uma autorização de circulação, ou através de portagens situadas nas entradas para a área [6].

Cobrança baseada em áreas

A cobrança baseada em áreas aplica taxas aos veículos que circulam dentro destas sem atravessar os seus limites. Estes limites podem ser definidos através de caraterísticas naturais, como rios, lagos, oce-anos, entre outras, ou através de estradas, túneis ou pontes [1].

Cobrança baseada em distância

Na cobrança baseada em distância, o preço a ser cobrado varia consoante a distância percorrida. Nor-malmente, redes rodoviárias que envolvem apenas portagens para veículos pesados ou para as HOT lanes consideram-se redes que cobram taxas baseadas na distância [1].

2.1.2 Abordagens estáticas e dinâmicas

A atribuição de um preço para o congestionamento pode ser abordada de uma forma estática ou dinâ-mica, cada uma com caraterísticas distintas. Descrevo em maior detalhe as duas categorias em seguida.

Abordagem estática

A atribuição de um preço para o congestionamento de uma forma estática refere-se a um sistema de cobrança de portagem onde as taxas são alteradas apenas dependendo da hora do dia. Este tipo de sistema é estático porque a alteração das taxas das portagens não é afetada pelas condições do trânsito em tempo real e, geralmente, estas não são atualizadas durante um longo período de tempo, como as portagens na ponte 25 de Abril, que são alvo de uma revisão anual do preço [7]. Os primeiros estudos sobre a atribui-ção de um preço para o congestionamento consideraram sempre portagens estáticas, de uma forma que simplificasse o problema do congestionamento.

As primeiras grandes estradas construídas em muitos países possuíam sistemas de cobrança onde eram aplicadas portagens com as suas taxas fixadas a um preço fixo, porque o seu objetivo era apenas o

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de aumentar a receita e não o de gerir a procura. Se o objetivo da utilização de portagens for o de gerir a procura, o seu preço deve variar conforme a procura [8]. Um exemplo é o denominado Oslo scheme, uma solução implementada em Oslo, Noruega, em 1990, onde o objetivo inicial era a recolha de receitas para futuras intervenções na infraestrutura rodoviária mas acabou por ter um resultado inesperado de reduzir o congestionamento [9].

Abordagem dinâmica

O problema do congestionamento de tráfego é mais notório quando as instalações existentes não conse-guem atender à crescente procura, tornando-se necessário encontrar soluções alternativas à criação de novas instalações ou à expansão das já existentes [10].

Assim, os preços das portagens podem também ser definidos de uma forma dinâmica. Uma taxa máxima é publicada com antecedência, sendo válida para um determinado período de tempo, e as taxas reais variam abaixo do máximo. Com base no tráfego em tempo real para uma determinada instalação, a informação sobre a taxa atual está sempre disponível para os condutores que se aproximam da insta-lação através de painéis de mensagem variável [3]. O condutor pode então escolher usar a portagem paga que terá um preço justo, modificado em tempo real e que tem em conta o congestionamento nessa localização [11], ou continuar por um percurso alternativo.

Como os dados do tráfego estão disponíveis em tempo real para os condutores e para os reguladores de trânsito, nomeadamente a velocidade média, os limites de velocidade e fatores de congestionamento, as políticas de preços de congestionamento foram cada vez mais baseadas em sistemas de pricing dinâ-micos. Estes sistemas permitem o cálculo de um preço para uma determinada portagem durante um intervalo de tempo, que pode variar conforme a necessidade da concessionária da estrada, tendo em conta dados relativos ao trânsito numa localização específica.

Estes sistemas baseiam-se em múltiplos fatores, como a velocidade, o volume e densidade do trá-fego, permitindo aos operadores de trânsito observar o fluxo de veículos que utilizam as portagens, dando a opção de variação dos seus preços de forma a cumprir certos objetivos. Normalmente estes passam por maximizar a receita das portagens, minimizar o tempo total de uma viagem, maximizar o fluxo de veículos que utilizam a autoestrada ou manter um nível de procura desejável na rede. Esses objetivos influenciam a estratégia de pricing mais adequada a ser implementada.

Para alcançar os objetivos de uma forma eficaz, os preços das portagens têm que ser ajustados em tempo real em resposta às mudanças nas condições do tráfego. A necessidade de um negócio viável para determinar o preço das portagens de uma forma dinâmica provém de vários fatores e requisitos, como a otimização das receitas adquiridas, da melhoria da condição das estradas e da sua melhoria e de traffic shaping, que modela o trânsito conforme a necessidade de manutenção das estradas.

2.2 Sistemas de congestion pricing

Com os sistemas de congestion pricing os preços das portagens podem ser constantes, variar com a hora do dia ou variar de uma forma dinâmica. A cobrança da portagem é feita de múltiplas formas e recor-rendo a várias tecnologias. Estes sistemas variam consoante as caraterísticas dos pórticos e sua forma de pagamento.

2.2.1 Pórticos tradicionais

Nos pórticos tradicionais, a cobrança das portagens é feita através de cabines especiais para veículos, onde existe um controlo do fluxo recorrendo a barreiras físicas que forçam os condutores a parar. Estas cabines podem ser operadas manualmente, através da presença de um operador, ou através do pagamento

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efetuado pelo próprio condutor. O valor da portagem que o condutor terá que pagar é apresentado em painéis eletrónicos [12].

2.2.2 Pórticos eletrónicos

Nos pórticos eletrónicos, as portagens são cobradas utilizando tecnologias baseadas em dispositivos eletrónicos. Os veículos estão equipados com dispositivos denominados transponders ou tags, que são detetados pelas antenas das infraestruturas presentes nas estradas ou em pórticos. Esta forma de cobrança é denominada Electronic Toll Collection (ETC) [12]. Os sistemas de cobrança eletrónica de portagens dependem de várias tecnologias, descritas nos pontos seguintes.

Identificação automática do veículo

A identificação automática do veículo, ou AVI (Automatic Vehicle Identification) é o processo de de-terminar a identidade de um veículo que esteja submetido ao pagamento de uma portagem. Esta identi-ficação é feita através de dispositivos RFID (Radio Frequency Identification) localizados nos veículos, que comunicam com os sistemas instalados nos pórticos via comunicação dedicada de curto alcance (DSRC – Dedicated Short Range Communication) [6].

Os dispositivos RFID (Radio Frequency Identification) têm uma taxa de reconhecimento satisfató-ria, mesmo para velocidades extremamente elevadas. Mas uma grande desvantagem recai no custo de equipar cada veículo com um transponder, que pode significar um grande investimento inicial, se os custos forem pagos pela agência de portagens, ou um forte entrave para os condutores, se forem estes a pagarem os equipamentos.

Reconhecimento automático de matrículas

A tecnologia de reconhecimento automático de matrículas permite aumentar a rapidez da cobrança de portagens através da automação de todas as tarefas envolvidas. Recorre aos Road Side Equipment (RES) junto dos pórticos, que são câmaras digitais com sensores de infravermelhos que permitem gravar uma imagem do veículo. Utilizam algoritmos de reconhecimento ótico de carateres (OCR) para identificar com precisão a matrícula [13].

2.3 Implementações de congestion pricing

Nesta seção resumo algumas das implementações de Congestion Pricing no mundo real, categorizando-as como aplicações estáticcategorizando-as ou dinâmiccategorizando-as.

2.3.1 Aplicações estáticas

Existem várias implementações para a aplicação de um preço estático para o congestionamento. A mai-oria destas implementações baseia-se nos vários esquemas de Congestion Pricing existentes ou na hora do dia, sem nunca se basearem nos níveis de tráfego atuais.

A cidade de Estocolmo implementa um esquema baseado em cordões para gerir o congestiona-mento. Os objetivos principais são a redução do tráfego e o melhoramento do ambiente no centro da cidade. O esquema foi introduzido em fase experimental em janeiro de 2006 e permaneceu até julho de 2006, tendo passado para uma implementação efetiva em agosto de 2007. A Figura 2.1 mostra a variação dos preços das portagens dependendo da hora do dia.

O valor da taxa varia consoante a hora do dia em que o veículo entra ou sai da área definida. Aos sábados, domingos, feriados, vésperas de feriados e períodos noturnos (entre as 18h:30m e as 06h:29m) estas taxas não são aplicadas. Os pontos de cobrança são todos eletrónicos e encontram-se situados em

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todas as entradas para o centro da cidade, sendo a taxa aplicada tanto à entrada como à saída. Os veículos são identificados através da sua matrícula, estando os equipamentos de reconhecimento automático montados nas praças situadas em cada ponto de controlo. Os resultados foram bastantes satisfatórios, verificando-se um decréscimo de 22% no número de veículos registados, um decréscimo no tempo de viagens e uma maior adesão aos transportes públicos [1].

Figura 2.1: Preços das portagens em Estocolmo consoante a hora do dia [3]

O sistema existente atualmente em Singapura foi implementado em setembro de 1998, sendo a primeira cidade no mundo a adotar um sistema eletrónico de cobrança de portagens com o objetivo principal de reduzir o tráfego. Consiste na colocação de vários pórticos em todas as estradas que ligam ao centro da cidade. A Figura 2.2 mostra um destes pórticos.

Figura 2.2: Pórtico em Singapura [14]

Cada pórtico contém dois sensores que detetam a passagem dos veículos, e câmaras que captam a matrícula traseira do mesmo. A taxa cobrada pela passagem através de um pórtico depende de vários fatores, sendo estes a localização do pórtico, a hora do dia, a altura do ano e o tipo de veículo. Estas são

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atualizadas a cada quadrimestre e durante as férias escolares nos meses de Junho e de Dezembro, de forma a manter uma velocidade alvo entre os 45-65 km/h nas vias rápidas e os 20-35 km/h nas principais artérias da cidade [12]. Nas horas de ponta e durante os picos de congestionamento as taxas variam durante um período máximo de trinta minutos para manter um fluxo constante de veículos durante um maior espaço de tempo.

A taxa de congestionamento de Londres é uma taxa aplicada à maioria dos veículos que circula numa zona delineada no centro de Londres, que visa reduzir o volume de tráfego verificado nesta loca-lização, bem como angariar fundos de investimento para o sistema de transportes da cidade. Esta taxa é aplicada todos os dias, das 07h:00m até às 18h:00m, com um custo fixo de £11.50.

Figura 2.3: Zona de Cobrança de Congestionamento de Londres [15]

Na Figura 2.3 podemos ver toda a área taxada na cidade de Londres, que corresponde a uma zona com maior congestionamento. A verificação da entrada dos veículos nesta zona é efetuada através de câmaras espalhadas pela área que realizam o reconhecimento automático das matrículas. Os resultados mostraram que a aplicação destas taxas resultou no decréscimo em 10% do volume de tráfego registado, apesar de se ter verificado também uma redução na velocidade média. Isto deveu-se ao facto da entidade responsável pela aplicação das taxas ter realizado intervenções que reduziram a capacidade efetiva da rede de estradas, de forma a melhorar o ambiente urbano, aumentar a segurança rodoviária e dar priori-dade a transportes públicos, pedestres e velocípedes [16].

Em alguns países da Europa os veículos pesados de mercadorias pagam portagens proporcionais à distância percorrida nas estradas.

A Alemanha implementou uma taxa para veículos pesados de mercadoria em que o preço cobrado varia consoante os quilómetros percorridos, peso, número de eixos e da categoria de emissões do veí-culo. Um utilizador paga, em média, 0,15€ por quilómetro percorrido [17]. Todos os veículos pesados de mercadorias com peso bruto de doze ou mais toneladas são sujeitos a esta taxa. A Figura 2.4 mostra uma placa que informa os passageiros destes veículos sobre a existência de portagens na autoestrada.

O sistema de cobrança é inovador, pois combina a utilização de comunicações móveis (GSM) com o sistema de posicionamento global (GPS).

Todos os veículos pesados de mercadorias que possuam uma unidade de bordo são constantemente monitorizados através de sinais de satélite. Assim, registam-se todos os segmentos sujeitos a portagens

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que o veículo atravessa e é efetuado o cálculo do valor a ser cobrado. Os resultados mostraram-se posi-tivos, diminuindo em 6% o número de estradas vazias e uma mudança do modo de transporte rodoviário para o transporte ferroviário de mercadorias, também de 6%, reduzindo assim as emissões de poluentes nas estradas mais concorridas na Alemanha. Este esquema também tem proporcionado um incentivo às empresas de transporte para a renovação das suas frotas com veículos que possuam taxas de emissão mais baixas.

Figura 2.4: Estrada com portagens para veículos de mercadorias na Alemanha [17]

Na Suíça encontra-se implementada uma taxa para veículos pesados de mercadorias semelhante à da Alemanha. Os objetivos são limitar o aumento de veículos pesados na estrada, encorajar a mudança do transporte de mercadorias para vias ferroviárias e reduzir a poluição inerente a este tipo de veículos. A taxa baseia-se no número de quilómetros percorridos em solo Suíço, no peso máximo e na categoria de emissões do veículo. Neste momento, o preço é de 2,7 cêntimos por tonelada/quilómetro. A monito-rização dos veículos é feita através de antenas situadas nas estradas, que possuem sensores GPS e de equipamentos de comunicação DSRC que registam a passagem dos veículos, estando estes equipados com unidades de bordo obrigatórias. Ocorreu um decréscimo de veículos pesados de mercadorias em 4% em todas as estradas, e as operadoras de transporte aderiram a veículos menos poluentes.

2.3.2 Aplicações dinâmicas

A atribuição de um preço dinâmico para o congestionamento é um conceito recente. Ainda não existe um grande número de instalações que utilizem este género de sistemas, mas com as recentes evoluções tecnológicas cada vez mais se procuram novas soluções visando esta abordagem. A coleção da portagem é feita eletronicamente para que o trânsito continue a fluir normalmente.

A estrada interestadual I-15 em San Diego, em 1998, foi oficialmente a primeira a implementar um sistema dinâmico de atribuição de preço das portagens [10]. As express lanes variam dinamicamente com um intervalo de seis minutos, dependendo maioritariamente do nível de congestionamento verifi-cado nas vias, onde estas mantêm também um nível de serviço mínimo na instalação. A Figura 2.5 mostra uma localização de express lanes na I-15, onde podemos verificar a separação existente entre estas e as vias regulares, bem como o preço da portagem para aquele período de tempo.

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Os condutores são informados do valor da taxa atual, através de ecrãs de mensagens variáveis situ-ados nos pontos de entrada na autoestrada. Tem um troço total de 20 milhas, entre a SR 163 em San Diego e a SR 78 na cidade de Escondido. Os veículos com apenas um ocupante podem utilizar estas vias pagando a taxa correspondente, mas existem exceções ao pagamento para carpoolers e vanpoolers, veículos de serviço público, motociclistas e veículos com zero emissões. A taxa varia entre os $0.50 e os $4.00, com um preço máximo de $8.00 [18].

Figura 2.5: I-15 Express Lanes [19]

Os resultados mostram-se satisfatórios, pois comparado a um preço fixo mensal de portagens, estes sistemas oferecem um grau de liberdade na utilização das instalações por parte dos condutores. Estes podem optar pela utilização das express lanes apenas quando necessitam, mas mais importante que isso, quando lhes é mais benéfica. Foi também verificado que os tempos de viagem foram ficando cada vez mais curtos, pois as condições de fluxo livre nas estradas foram alcançadas muito mais facilmente com a mudança do preço das portagens em tempo real.

Outra implementação de sistemas dinâmicos de preços de portagens encontra-se nas HOT lanes da estrada interestadual I-394, no Minnesota, cujas vias têm o seu preço alterado de três em três minutos, consoante a altura do dia e o fluxo do tráfego. A Figura 2.6 mostra um pórtico com uma placa a indicar a abertura de vias para carpoolers, autocarros e motociclos.

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O sistema mantém também um determinado nível de serviço, correspondendo cada nível de serviço a um grau de congestionamento, que é monitorizado através de sensores localizados na estrada.

Foram introduzidas inovações relativamente a outras implementações de HOT lanes mais antigas, nomeadamente a não existência de separadores físicos entre as várias vias, e a aplicação de vários preços em múltiplas secções do troço com vários pontos de entrada e saída [10]. Os preços variam entre os $1 e os $4, com o preço máximo a rondar os $8. Registaram-se melhorias nos tempos de viagem de 7% e uma redução dos acidentes fatais após a implementação deste sistema [20].

Na estrada estadual SR-167 em Washington também foi implementado um sistema de preços dinâ-micos de portagens. O algoritmo utilizado tem em conta a velocidade, taxa de mudança no número de carros a circular na estrada e o tráfego nas várias vias. Este sistema consegue manter uma velocidade média na estrada de 45 mph, com taxas entre os $0.5 e os $9, variando aproximadamente de cinco em cinco minutos [10].

Um problema detetado nesta instalação de portagens com preços dinâmicos é que foram verificadas flutuações altas nas mudanças de preços, o que pode provocar inconveniências aos condutores na tomada de decisão. Verificou-se também um baixo número de utilizadores das HOT lanes fora das horas de ponta. A justificação é que não existe uma grande diferença nas condições do tráfego durante estas horas. Mesmo assim, foi verificado um aumento na velocidade das vias normais de aproximadamente 10%, e um aumento do registo do número de carros na estrada de aproximadamente 3 a 4% [10].

Uma outra implementação de preços de portagens dinâmicos nos Estados Unidos encontra-se na autoestrada interestadual I-95 na Flórida do Sul. A implementação recaiu sobre as vias para três ou mais passageiros, que foram convertidas em HOT lanes, dando a possibilidade de veículos com um único passageiro de as utilizarem pagando uma taxa. A Figura 2.7 mostra um exemplo desta conversão, em que as express lanes funcionam também como vias para veículos de alta ocupação, motociclos ou auto-carros (HOT lanes).

Figura 2.7: HOT lanes na autoestrada I-95 [21]

É utilizado um software para colecionar dados em tempo real, que analisa essa informação e gera um preço dinâmico a cada quinze minutos, com o objetivo de maximizar o fluxo de veículos na estrada mantendo as condições do tráfego aceitáveis para os condutores. Os preços variam entre $0.25 e $1.00 por segmento. Os resultados mostraram que depois da implementação das HOT lanes registaram-se

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aumentos na velocidade média de até 35mph, bem como uma maior adesão aos transportes públicos [22].

Na Tabela 2.1 sintetizo os esquemas de preços dinâmicos discutidos neste capítulo, bem como ou-tras soluções existentes nos Estados Unidos.

Tabela 2.1: Esquemas de preços dinâmicos [11]

Vias Tipo de Portagem Controlo nas estradas

I-15, San Diego, California

Baseada em distância. HOV2+ livres de

portagem FasTrak Transponder

I-394, Minnesota HOV2+ livres de portagem MnPass Transponder

SR-167, Washington HOV2+ livres de portagem FlexPass Transponder

I-95, Flórida HOV3+ livres de portagem SunPass Transponder

I-15, Salt Lake City,

Utah HOV2+ livres de portagem ExpressPass Transponder I-680, Oakland,

California HOV2+ livres de portagem FasTrak Transponder I-85, Atlanta HOV3+ livres de portagem PeachPass Transponder

SR-237, Silicon Valley,

California HOV2+ livres de portagem FasTrak Transponder Na Tabela 2.2 apresento os esquemas de preços estáticos também discutidos neste capítulo.

Tabela 2.2: Esquemas de preços estáticos

Vias Tipo de Portagem Controlo nas estradas Tipo de comunicação e/ou pagamento

Estocolmo Baseada em cordões e na

hora do dia

Reconhecimento

Automá-tico de Matrícula Pagamento Manual

Singapura Baseada em cordões e na

hora do dia DSRC DSRC e unidades no veículo

Londres Baseada em zona de

co-brança

Reconhecimento

Automá-tico de Matrícula Pagamento Manual

2.4 Algoritmos de preços dinâmicos

Apesar do conceito de algoritmos de preços dinâmicos para o congestionamento ser recente, já existem estudos teóricos na literatura. As soluções apresentadas nestes estudos baseiam-se maioritariamente em otimizações na rede, fundamentados por modelos empíricos, analíticos ou modelos baseados em simu-lação do tráfego.

Um estudo apresenta um método para determinar os melhores esquemas de preços para uma auto-estrada, neste caso, a otimização dos preços dinâmicos das HOT lanes [23]. O procedimento baseia-se em dois componentes principais, sendo o primeiro um controlador que calcula o preço para a HOT lane. Este output é utilizado no outro componente, denominado Socio-Technical Traffic Model, que incorpora um modelo de fluxo de tráfego, um modelo de equilíbrio, e um modelo de comportamento do condutor. No modelo de fluxo de tráfego é utilizado um agregado de parâmetros que capturam as dinâmicas do tráfego mais dominantes. A densidade média na estrada, que é o número de veículos que viajam ao longo de uma unidade de extensão de uma autoestrada num instante no tempo, é determinada através das medições dos sensores. O modelo de equilíbrio calcula a velocidade média num determinado seg-mento da estrada tendo como base a densidade registada e vários limites de densidade do tráfego críticos

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definidos para o segmento. O modelo de comportamento do condutor calcula a utilidade marginal da escolha de uma HOT lane ao invés de uma via normal, recorrendo a um modelo logístico.

O controlador do preço das portagens consiste num módulo para monitorizar a densidade do tráfego desejada, possuindo um componente para garantir equilíbrio quando a densidade monitorizada é igual à densidade desejada, e uma função logit que serve como o inverso do modelo de comportamento do condutor, para compensar o comportamento não linear deste modelo. A Figura 2.8 mostra os resultados da simulação efetuada para o estado do trânsito, comparando a densidade de veículos, por milha, por via, e o fluxo de carros por hora na estrada, validando o Socio-Technical Traffic Model já que as densi-dades do tráfego e as velocidensi-dades estimadas correspondem às observadas nos dados reais.

Figura 2.8: Gráficos de densidades e fluxos de veículos [23]

Em seguida, foram realizadas simulações ao controlador para a atribuição de preços, comparando-os com a estratégia real utilizada. Foram verificadas melhorias em relação a esta estratégia, mcomparando-ostrando que apesar de os preços simulados continuarem com valores altos, estes foram na maioria inferiores aos valores reais, e o limite estabelecido pela companhia nunca foi superado.

Num outro estudo foi desenvolvido um algoritmo de cálculo dinâmico de preços auto adaptativo para otimizar as operações nas HOT lanes [4]. Este cálculo baseia-se na velocidade do tráfego e nos padrões de mudança de vias por parte dos condutores, usando teoria de controlo de feedback para obter o melhor rácio de utilização da estrada. Para fundamentar o algoritmo proposto foram realizadas simu-lações usando uma ferramenta microscópica de simulação de tráfego, VISSIM1_{. Para construir e calibrar}

o modelo de simulação foram utilizados dados reais da estrada estadual SR-167 em Washington. O sistema segue um fluxo de execução definido, começando pela avaliação das condições do trá-fego nas vias, que é feito através de sensores localizados na estrada. Em seguida, o algoritmo de cálculo do preço dinâmico é executado, determinando a portagem para o próximo intervalo de tempo. Os con-dutores decidem então se utilizam ou não as HOT lanes, e através do número de veículos registados posteriormente à aplicação da portagem correspondente a esse intervalo de tempo, é alcançada a opera-cionalidade ótima do sistema.

Para verificar se o algoritmo proposto é aplicável, foram realizadas simulações utilizando o software VISSIM. Este software é utilizado por investigadores de transporte que exploram estratégias para a melhoria do tráfego. Foi desenvolvido um módulo externo que contém as operações das vias a serem estudadas, que utiliza a interface COM da ferramenta VISSIM. Os resultados das simulações

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se muito satisfatórios, registando um aumento de veículos a utilizarem as HOT lanes sem afetar as ve-locidades médias de circulação.

Um modelo macroscópico estocástico de fluxo de tráfego para implementar uma estratégia de atri-buição de preços a managed lanes foi formulado num outro estudo, com o objetivo de maximizar a receita obtida [24]. Para calcular o preço ótimo foi proposto um algoritmo baseado em simulação, onde é assumido que dois tipos de vias funcionam em paralelo, neste caso, uma via paga (HOT lane) e uma via grátis. A estratégia da atribuição do preço vai definir um preço segundo a distância que um condutor percorre na via. A previsão do tempo de viagem é calculada para ser apresentada aos condutores antes da entrada das portagens, para estes poderem tomar uma decisão. A evolução da densidade na via grátis é mostrada através do processo estocástico, que é um modelo determinístico de partículas diferenciais. Os resultados mostraram que o modelo matemático é genérico e pode ser aplicado na prática.

Um algoritmo dinâmico de controlo de feedback foi proposto pelo estudo em [8], consistindo em quatro componentes principais: simulação utilizando a ferramenta VISSIM, um modelo externo para as vias pagas (HOT lanes), um modelo para a escolha dos condutores, e um mecanismo de controlo de feedback. A ferramenta VISSIM foi escolhida pois tem as capacidades adequadas para simular o tráfego e reproduzir os comportamentos dos condutores de uma forma aceitável. Mas a componente de cálculo do preço da portagem da ferramenta é limitada a apenas dois parâmetros, por isso foi desenvolvido um módulo externo de cálculo dinâmico de preços que é integrado com a ferramenta VISSIM. Este módulo é capaz de atualizar o preço de três em três minutos, e o cálculo é baseado nos objetivos definidos pela operadora de estradas bem como nas condições do trânsito nos intervalos de tempo anteriores.

Uma função logit foi aplicada para modelar o processo de decisão dos condutores, tendo como base um valor de utilidade de escolha de cada tipo de via. Um dos parâmetros da fórmula é estimado utili-zando a renda anual dos motoristas, supondo que os indivíduos com rendimentos anuais semelhantes têm o mesmo valor de tempo. Valor de tempo é o custo de oportunidade do tempo que um viajante gasta na sua viagem, ou seja, o montante que este estaria disposto a pagar para reduzir o tempo de viagem ou o valor que aceitaria como compensação pelo tempo perdido.

O mecanismo de controlo de feedback calcula o valor ótimo de portagem para cada intervalo de tempo específico, com os objetivos de maximizar a receita ou manter um certo nível de serviço, tendo em conta a velocidade registada nas HOT lanes e a diferença de tempos entre as HOT lanes e as vias pagas, ou seja, a poupança do tempo de viagem. O princípio de controlo é a classificação das condições de tráfego em dois casos principais baseados na velocidade média. O primeiro caso contempla veloci-dades médias superiores a 45mph, e o segundo velociveloci-dades iguais ou inferiores.

Os resultados mostraram-se positivos, mostrando taxas de portagens com variações de preços mais estáveis que o método atualmente em prática. As simulações à solução mostraram que os valores da receita final foram superiores comparativamente aos da estratégia corrente, sem sacrificar o nível de serviço oferecido aos condutores.

Uma framework que utiliza microsimulações das condições futuras de curto intervalo de tempo para avaliar as estratégias de taxas de portagens foi proposta em [25]. O objetivo é maximizar a utilização das HOT lanes ao mesmo tempo que a velocidade média mantém uma velocidade mínima. Esta fra-mework mostrou ter um elevado grau de flexibilidade, pois os dados reais do trânsito e de múltiplas simulações são transformados numa look-up table e, através de uma rede neuronal, a framework conse-gue aprender a melhor estratégia para a definição de preços de portagem sem necessidade de estar ligada à Internet.

Os componentes da framework foram implementados no ambiente de desenvolvimento do simula-dor AIMSUN. Os algoritmos necessários para definir as portagens dinamicamente foram também inclu-ídos na framework. Para fins de avaliação, a framework foi sujeita a simulações de mudanças hipotéticas de algumas vias para veículos com alta ocupação para HOT lanes. Os resultados não se mostraram

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totalmente conclusivos, pois nem sempre foram considerados ótimos. Um dos problemas foi quando o congestionamento registado foi marginalmente superior ao limite, em simulações sem HOT lanes.

No estudo apresentado em [26], é apresentada uma aproximação ao problema da determinação de portagens variáveis para as HOT lanes, em resposta ao tráfego em tempo real. Os objetivos foram a maximização do fluxo de veículos na autoestrada e o aumento da velocidade média. Essa aproximação inclui a determinação da vontade de pagar por parte dos condutores usando um modelo logit, em que os parâmetros desconhecidos são obtidos recorrendo a um filtro de Kalman recursivo. A estimativa do estado do trânsito em tempo real é baseada em inferências Bayesianas e a análise da procura de uma autoestrada por parte dos condutores utiliza os dados da estrada estadual SR-91, na Califórnia. A abor-dagem para a construção de um algoritmo de otimização robusto é baseada em dois casos: um determi-nístico e outro de otimização de cenários.

No caso determinístico assume-se que a procura, a vontade de pagar dos condutores e a capacidade da autoestrada são dados. No caso da otimização baseada em cenários, estes são gerados para os fluxos de tráfego e para a capacidade disponível registados num determinado ponto no tempo, utilizando uma distribuição de Weibull. A otimização do preço da portagem é realizada consoante cada cenário. As dinâmicas do trânsito para ambos os casos são modeladas usando um modelo de transmissão de células. Este modelo divide a estrada em várias células, em que cada célula corresponde a secções contíguas que representam aproximadamente a distância que um veículo percorre em condições de livre-trânsito du-rante um intervalo de tempo. Na Figura 2.9 é apresentado o procedimento de cálculo de portagens, com os vários módulos em destaque: aprendizagem da vontade de pagar dos condutores, aprendizagem da condição do trânsito e determinação estocástica da capacidade de uma estrada.

Figura 2.9: Procedimento de cálculo de portagens [26]

Este modelo consegue incorporar fatores que deterioram a condição do trânsito, como as filas de trânsito. Como a capacidade de uma autoestrada não toma um valor constante ao longo do tempo, vari-ando de acordo com o nível de congestionamento, condições da estrada e condições meteorológicas, o conceito de capacidade estocástica mostrou ser o mais adequado para o problema. A aleatoriedade leva a otimizações mais robustas e a taxas de portagem mais realistas.

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Analisando os resultados, a abordagem baseada em cenários mostrou um melhor desempenho para as HOT lanes e teve variações mais suaves nos preços das portagens. Também respondeu melhor ao aumento súbito do trânsito numa estrada. A abordagem determinística requereu menos tempo computa-cional, apresentando resultados semelhantes à abordagem baseada em cenários.

2.5 Trabalho relacionado da Accenture

A Accenture tem uma solução de OBO (Operational Back-Office) que é responsável por todo o sistema de video tolling, composta por vários módulos e que está constantemente a ser submetida a melhorias.

Nenhuma solução de dynamic pricing está atualmente desenvolvida ou a ser implementada, sendo este o principal propósito deste PEI. Atualmente os preços para as portagens são baseados numa tabela fixa, disponibilizada pela Illinois Tollway. A Illinois Tollway é uma agência administrativa do Estado de Illinois. Todas as suas operações são financiadas através das receitas das portagens. Neste momento é responsável por portagens em cinco concessões de autoestradas nos Estados Unidos. Todos os utiliza-dores de veículos ligeiros que possuam uma conta I-PASS têm um desconto de 50% no valor da porta-gem. Estes valores variam conforme a classe do veículo e a hora do dia, como indicado na Tabela 2.3.

Tabela 2.3: Categorias de veículos [27]

Classe do Veículo Descrição Variação atual nos preços Veículos de

Passageiros

Automóveis e motociclos

Dois eixos, quatro ou menos pneus

Veículos com conta I-PASS pos-suem 50% de desconto

Veículos Comerciais e/ou com Reboque

Camião pequeno Dois eixos, seis pneus Preços noturnos inferiores a diur-nos

Camião médio Veículos ou combinações com três ou quatro eixos

Preços noturnos inferiores a diur-nos

Camião Largo Veículos ou combinações com cinco ou mais eixos

Preços noturnos inferiores a diur-nos

O PEI enquadra-se na criação de melhorias do sistema atualmente existente na Illinois Tollway, não só com a implementação de um algoritmo de cálculo de preços dinâmicos, mas também com o objetivo de criar uma aplicação que possa ser inserida numa solução já existente, e de melhorar a análise das condições do trânsito junto pórticos.

2.6 Sumário

Neste capítulo, apresentei conceitos e tecnologias relevantes ao problema do congestionamento nas au-toestradas e mostrei algumas implementações de vários tipos de esquema de Congestion Pricing para melhor se perceber toda a complexidade envolvida. Estudei diversos algoritmos de pricing dinâmicos, ajustados ao problema do congestionamento, confirmando a exequibilidade do trabalho proposto.

Fiz também um enquadramento ao trabalho realizado pela equipa onde estou inserido, relativamente aos preços das portagens, onde atualmente só são usadas abordagens estáticas para os preços das porta-gens. Este PEI vem, por isso, aprimorar e melhorar o sistema já existente.

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19

Capítulo 3 – Desenvolvimento da aplicação

Após referidas as problemáticas que motivam o projeto e o estudo dos vários conceitos inerentes ao problema, neste capítulo apresento o trabalho que realizei para cumprir os objetivos traçados, nomeada-mente o algoritmo de cálculo dinâmico de preços, a aplicação configurável para a implementação do algoritmo e a análise dos resultados do cálculo do preço de uma forma dinâmica.

3.1 Visão geral

O desenvolvimento deste projeto foi constituído por várias fases. Numa primeira fase, desenhei uma solução para o problema, tendo em conta todos os dados relevantes para o desenvolvimento da aplicação e para o cálculo do preço das portagens. O cálculo utiliza dados sobre o estado atual do trânsito, bem como os dados da topologia da estrada e das concessões das portagens.

Cada pórtico possuí um preço para cada classe de veículo e consoante a altura do dia, ou seja, preços diferentes para o período diurno e noturno. Os preços variam também consoante a forma de pagamento, podendo ser manual ou eletrónica.

A Figura 3.1 mostra o desenho da solução de dynamic pricing. Esta permite gerar tabelas de preços, calculados dinamicamente e baseados na informação do trânsito. As tabelas são correspondentes a cada concessão de portagens e com preços definidos para o próximo intervalo de tempo escolhido previa-mente. Estes preços são utilizados como base na próxima iteração do algoritmo.

Figura 3.1: Solução de Dynamic Pricing

A segunda fase passou pelo desenvolvimento do algoritmo de cálculo de preços dinâmicos de por-tagens. Com base na análise dos dados do sistema operacional já existente na instituição de acolhimento,

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Capítulo 3 - Desenvolvimento da aplicação 20

e com base no estudo previamente efetuado sobre algoritmos de cálculo de preços dinâmicos de porta-gens, tive a necessidade de decidir qual a abordagem para o desenvolvimento do algoritmo, face ao conjunto de dados que possuía como base e a todas as soluções investigadas.

Ambos os algoritmos estudados no Capítulo 2 mostraram-se demasiados complexos de implemen-tar, por isso decidi adotar uma estratégia diferente, mas ao mesmo tempo eficiente e produtiva, que será explicada em maior detalhe nas próximas secções deste capítulo. Para esta nova abordagem, é necessária informação referente aos pórticos, as suas coordenadas geográficas e os preços correspondentes. Estes dados são armazenados em ficheiros de texto, sendo atualizados conforme necessário pela agência ad-ministrativa dos troços onde as portagens estão inseridas.

Toda esta informação é carregada para um módulo da aplicação que faz o seu tratamento e análise e, posteriormente, para outro módulo que efetua o cálculo de intervalos de preço para cada pórtico. Assim, e utilizando os dados das coordenadas do pórtico, a aplicação faz uma chamada a um dos serviços disponibilizados pela API REST Traffic Here, que devolve o estado do trânsito para a estrada mais próxima dessas coordenadas. Utilizando esta informação, o algoritmo calcula o preço para a portagem correspondente, e todos os preços calculados são armazenados em vários ficheiros de texto.

3.2 Ambiente de desenvolvimento

Para o desenvolvimento do sistema utilizei um computador portátil equipado com um processador Intel Core i5-2520M de 2.50Ghz, 4GB de memória RAM e sistema operativo Windows 7 Enterprise Edition de 64 bits.

Todo o software da aplicação foi desenvolvido na linguagem de programação Java, utilizando o Eclipse IDE2_{. Esta preferência pelo Java é devida a múltiplas razões, sendo a primeira o facto de todo o}

projeto da equipa de tolling da Accenture estar implementado em Java, facilitando assim uma futura integração desta solução no sistema já existente. Outra das vantagens é a grande portabilidade que o Java oferece, podendo ser executado em qualquer plataforma que possua um interpretador desta lingua-gem. Os custos associados para manter uma aplicação baseada em Java são quase nulos, sendo a maioria dos editores, ambientes de produção e servidores aplicacionais gratuitos.

Para a camada de servidor aplicacional, procedi à obtenção dos dados do trânsito utilizando a Traffic Here API, que oferece múltiplos serviços web referentes a informação relacionada com o fluxo e con-dição do trânsito, bem como mapas das estradas que podem ser integrados numa aplicação.

3.3 Requisitos funcionais

Foram identificados, pela equipa de tolling da Accenture, os seguintes requisitos funcionais: RF1 Fornecer uma tabela de taxas de portagem com categorias de tarifa configuráveis.

RF2 Calcular o preço para uma portagem, derivada de um conjunto de viagens dos veículos registadas juntos dos pórticos, com base no histórico de preços dinâmicos e passagens de veículos arquiva-das, bem como na informação dos preços para cada tipo de via.

RF3 Determinar dinamicamente a taxa de portagem para um pórtico, baseada no volume de tráfego em tempo real, otimizando o uso da instalação, receita, volume de tráfego, nível de serviço para os condutores ou velocidade mínima dos condutores.

RF4 Determinar dinamicamente a taxa de portagem para uma viagem (do ponto A ao ponto B, onde o veículo é identificado em vários pontos de portagem) tendo em conta o tráfego em tempo real,