Sensorização na monitorização do sistema de transportes em smart cities
Abstract
As necessidades de mobilidade cresceram exponencialmente e os padrões alteraram-se significativamente, especialmente nos núcleos urbanos, resultado do desenvolvimento económico, tecnológico e social. Uma das principais consequências deste progresso foi a melhoria das infraestruturas rodoviárias e o aumento significativo da taxa de motorização que, aliado a um modelo de ordenamento do território que promove a descentralização das atividades, de serviços e progressiva dispersão urbanística, progrediu para o aumento das distâncias percorridas, a utilização de viatura particular e a dificuldade na sustentabilidade dos serviços de transporte público nos movimentos pendulares. As smart cities ou as cidades do futuro, inevitavelmente estão associadas ao desenvolvimento tecnológico como apoio na obtenção da eficiência na gestão dos recursos escassos e produção sustentável do desenvolvimento económico e da qualidade de vida. Em áreas densamente ocupadas com as infraestruturas do sistema de transportes plenamente delineadas, a gestão do espaço substitui o aumento da capacidade, na inevitabilidade dos impactes económicos, do ruído e poluição atmosférica inerentes ao congestionamento. O planeamento estratégico dos transportes procura um projeto dominado por tratamento paisagístico, modos ativos e transportes coletivos, onde o veículo particular constitui uma alternativa secundária nas opões de mobilidade, o individuo atua como matriz essencial na otimização da relação com o espaço e os dados partilhados como fundação para a construção de um sistema que permita responder adequadamente às necessidades das instituições, empresas e população em geral. A monitorização permanente com recurso a sensores que detetam características da envolvência ambiental, que comunicam periodicamente ou em tempo real e permitem o posterior tratamento dos dados armazenados para a disponibilidade de informação relevante e direcionada para a tomada de decisão do indivíduo ou coletivo, afirma-se como perentória na reestruturação do sistema de transportes, no estudo de comportamentos e no desenvolvimento social, económico e ambiental das cidades do futuro.
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Universidade do Minho Escola de Engenharia Ricardo Daniel de Sousa Santos SENSORIZAÇÃO NA MONITORIZAÇÃO DO SISTEMA DE TRANSPORTES EM SMART CITIES julho de 2021 UMinho | 2021 Ricardo Daniel de Sousa Santos SENSORIZAÇÃO NA MONITORIZAÇÃO DO SISTEMA DE TRANSPORTES EM SMART CITIES
Ricardo Daniel de Sousa Santos SENSORIZAÇÃO NA MONITORIZAÇÃO DO SISTEMA DE TRANSPORTES EM SMART CITIES Dissertação de Mestrado Engenharia Urbana Planeamento Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Paulo Jorge Gomes Ribeiro julho de 2021
“ If you fail to plan you are planning to fail ” Benjamin Franklin (1706 - 1790) “You will either step forward into growth, or you will step backward into safety” Abraham Maslow (1908 - 1970) “Console‑toi, tu ne me chercherais pas si tu ne m'avais trouvé” Blaise Pascal (1623 - 1662) “La utopía, sirve para caminhar” Eduardo Galeano (1940 - 2015)
III Despacho RT - 31 /2019 - Anexo 3 Declaração a incluir na Tese de Doutoramento (ou equivalente) ou no trabalho de Mestrado DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual CC BY-NC-SA https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
IV Despacho RT - 31 /2019 - Anexo 4 Declaração a incluir na Tese de Doutoramento (ou equivalente) ou no trabalho de Mestrado DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
V RESUMO As necessidades de mobilidade cresceram exponencialmente e os padrões alteraram-se significativamente, especialmente nos núcleos urbanos, resultado do desenvolvimento económico, tecnológico e social. Uma das principais consequências deste progresso foi a melhoria das infraestruturas rodoviárias e o aumento significativo da taxa de motorização que, aliado a um modelo de ordenamento do território que promove a descentralização das atividades, de serviços e progressiva dispersão urbanística, progrediu para o aumento das distâncias percorridas, a utilização de viatura particular e a dificuldade na sustentabilidade dos serviços de transporte público nos movimentos pendulares. As smart cities ou as cidades do futuro, inevitavelmente estão associadas ao desenvolvimento tecnológico como apoio na obtenção da eficiência na gestão dos recursos escassos e produção sustentável do desenvolvimento económico e da qualidade de vida. Em áreas densamente ocupadas com as infraestruturas do sistema de transportes plenamente delineadas, a gestão do espaço substitui o aumento da capacidade, na inevitabilidade dos impactes económicos, do ruído e poluição atmosférica inerentes ao congestionamento. O planeamento estratégico dos transportes procura um projeto dominado por tratamento paisagístico, modos ativos e transportes coletivos, onde o veículo particular constitui uma alternativa secundária nas opões de mobilidade, o individuo atua como matriz essencial na otimização da relação com o espaço e os dados partilhados como fundação para a construção de um sistema que permita responder adequadamente às necessidades das instituições, empresas e população em geral. A monitorização permanente com recurso a sensores que detetam características da envolvência ambiental, que comunicam periodicamente ou em tempo real e permitem o posterior tratamento dos dados armazenados para a disponibilidade de informação relevante e direcionada para a tomada de decisão do indivíduo ou coletivo, afirma-se como perentória na reestruturação do sistema de transportes, no estudo de comportamentos e no desenvolvimento social, económico e ambiental das cidades do futuro. Palavras-chave: mobilidade; sensores; smart ; sustentabilidade; wireless .
VI ABSTRACT Mobility needs have grown exponentially and their standards significantly changed, especially in urban cores, as a result of economic, technological and social development. One of the main consequences of this progress was the improvement of road infrastructures and the significant motorization rate increase, which, together with a spatial planning model that promotes the activities and services decentralization and the progressive urban dispersion, promoting traveled increased distances, the private vehicle use and the difficulty in public transport services sustainability for commuting. Smart cities, or future cities, are inevitably associated with technological development as support for achieve efficiency in the scarce resources management, production of economic development and life quality sustainable. In densely occupied áreas with fully outlined transport system infrastructure, space management replaces the capacity increase, in economic impacts inevitability, noise and air pollution and inherent to traffic congestion. Strategic transport planning demand a dominated project by treatment landscape, active modes and public transport, where the private vehicle constitutes a secondary alternative in mobility options, the individual acts as an essential matrix in the space relationship optimization and the shared data as system construction foundation that allows appropriate answer to institutions, companies and population needs. Permanent monitoring using sensors that detect wrap environment characteristic, with periodically or real time communication and allow stored data subsequent treatment for relevant and directed information availability to individual or collective decision making, asserts itself as peremptory in the transport system restructuring, in the behaviors study and social, economic and environmental developments in future cities Keywords: mobility; sensors; smart; sustainability; wireless.
VII ÍNDICE RESUMO ........................................................................................................................................... V ABSTRACT ......................................................................................................................................... VI ÍNDICE ............................................................................................................................................ VII LISTA DE SIGLAS E ACRÓNIMOS ........................................................................................................ X LISTA DE NOMENCLATURAS ............................................................................................................. XV ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... XVIII ÍNDICE DE TABELAS, MAPAS E GRÁFICOS ....................................................................................... XIX 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 1 1.1. Enquadramento geral .................................................................................................................. 3 1.2. Objetivos e metodologias ............................................................................................................. 4 1.3. Estrutura da dissertação ............................................................................................................. 5 2. SMART CITIES E A MOBILIDADE .......................................................................................... 7 2.1. Planeamento dos transportes ...................................................................................................... 8 2.2. Perspetiva jurídica da sustentabilidade ...................................................................................... 10 2.3. Mobilidade sustentável smart .................................................................................................... 12 3. PLANEAMENTO E GESTÃO DOS TRANSPORTES .............................................................. 15 3.1. Sistema de transportes terrestres .............................................................................................. 16 3.1.1. Hierarquia da rede rodoviária ................................................................................................. 17 3.1.2. Rede ferroviária .................................................................................................................... 20 3.1.2.1. Dimensão da rede ferroviária ......................................................................................... 23 3.1.2.2. Monitorização na rede ferroviária ................................................................................... 24 3.2. Atividade económica ................................................................................................................. 24 3.2.1. Eficiência económica e a equidade ......................................................................................... 27 3.3. Características da oferta de transporte ...................................................................................... 28 3.4. Características da procura de transporte ................................................................................... 30 3.4.1. Acessibilidade ...................................................................................................................... 31 3.4.1.1. Produção de viagens ..................................................................................................... 32 3.4.2. Escolha do modo de transporte .............................................................................................. 33 3.4.3. Congestionamento ................................................................................................................ 36 3.4.3.1. Redução do congestionamento ...................................................................................... 38 3.4.3.2. Poluição sonora ............................................................................................................ 40 3.5. Influência dos custos na localização industrial ........................................................................... 42
XIV TREEPSI Tree based energy efficiente protocol for sensor information UE União europeia UE28 União Europeia a 28 países UHF Ultra high frequency UMTS Universal Mobile Telecommunication System UPS Uninterruptible power system UV Radiação ultravioleta V2I Vehicle-to-infrastructure V2N Vehicle-to-network V2P Vehicle-to-pedestrian V2V Vehicle-to-vehicle V2X Vehicle-to-everything VANET Vehicular ad-hoc network VE Veículos elétricos WDT Watchdog timer WLAN Wireless local area network
XV LISTA DE NOMENCLATURAS 𝐴𝑖 𝑛 Medida de acessibilidade 𝐶𝑎(𝑉𝑎) Relação custo-fluxo da via 𝐶𝑖𝑗 Custo geral da viagem entre a área ⅈ e a área 𝑗 𝐶𝑚𝑎 Custo marginal 𝐷𝑗 Destinos 𝐸𝑗𝑛 Medida de atração da área 𝑗 𝐹𝑖𝑗 Tarifa cobrada para viajar entre ⅈ e 𝑗 𝐻𝑖𝑛 Características do agregado familiar 𝑂𝑖 Origens 𝑂𝑖𝑛 Total de viagens produzidas na área ⅈ para o tipo de pessoa 𝑛 𝑃1 Probabilidade de escolher a opção um 𝑄𝑠 Estado regular da capacidade da via 𝑄𝑠 Estado regular da capacidade da via 𝑉𝑎 Fluxo na via 𝑎 𝑎1…6 Conversão em unidades comuns 𝑐𝑘 Medida do custo da utilização da opção 𝑘 𝑓𝑚 Modulação da frequência em Hz 𝑡0 Tempo de viagem sob condições de fluxo livre 𝑡𝑖𝑗 𝑡 Tempo de espera 𝑡𝑖𝑗 𝑣 Tempo de viagem de um veículo entre a área ⅈ e a área 𝑗 𝑡𝑖𝑗 𝑤 Tempo de caminhada até à estação ou paragem 𝑡𝑛𝑖𝑗 Tempo de troca de transporte 𝑣 Velocidade estimada 𝜙𝑗 Custo do terminal associado à viagem entre ⅈ e 𝑗 µJ Microjoule A Ampere C6H6 Benzeno CH4 Metano
XVI CO Monóxido de Carbono CO2 Dióxido de Carbono COVNM Compostos orgânicos voláteis não metânicos dB Decibel dB(A) Nível de pressão sonora ponderado dBm decibel miliwatt eq. Equivalente f Frequência Gt Gigatonelada H2S Sulfeto de hidrogénio Hz Hertz J Joule KW Kilowatt LAeq Nível sonoro contínuo equivalente, em dB(A) MJ Megajoules Mt Megatoneladas N Azoto N2O Óxido nitroso NF3 Trifluoreto de Azoto NH3 Amónia NO Monóxido de Azoto NO2 Dióxido de Azoto NOx Óxidos de Azoto O2 Oxigénio O3 Ozono Pa Pascal p-Km Quilometro passageiro PM10 e PM2.5 Partículas Ppmv Parts per million by volume SF6 Hexafluoreto de Enxofre SO2 Dióxido de Enxofre T Período
XVII tep Tonelada equivalente de petróleo V Volt W Watt y Amplitude ν Velocidade Ω Ohm 𝐶(𝑉) Relação custo-fluxo 𝐶𝐶 Custo composto 𝑅 Distância 𝑉 Todos os fluxos da rede 𝑐 Velocidade da luz 𝑓 Função 𝑘 Modo de transporte 𝑡 Tempo de viagem por unidade de distância 𝛥𝐹 Largura de banda de modulação de RF em Hz 𝛥𝑅 Resolução de alcance 𝛥𝑇 Diferença de tempo 𝛥𝑓 Diferença da frequência 𝛥𝑡 Tempo de atraso 𝛼 Comprimento de onda 𝛿 Penalidade modal 𝜆 Coeficiente de sensibilidade calibrado 𝜕 Derivada parcial
XVIII ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Organograma representativo da atividade económica. ..................................................... 26 Figura 2 – Gráfico da sensibilidade na escolha para o valor λ do logit model of individual choice ..... 36 Figura 3 – Caracterização geral do efeito congestionamento e a obrigatoriedade da gestão eficiente do espaço densamente ocupado e medidas de contenção para o círculo vicioso entre o automóvel e o transporte coletivo. ........................................................................................................................... 40 Figura 4 – Espectro eletromagnético .............................................................................................. 54 Figura 5 – Organograma de analise de vulnerabilidade e gestão de riscos. ...................................... 64 Figura 6– Parque de recarga de bicicletas elétricas com transferência de energia wireless e integração da reutilização de baterias de VE alimentadas por painéis fotovoltaicos e geridas por UPS e Tecnologia patenteada da Qualcomm Halo Dynamic. ......................................................................................... 96 Figura 7 – Arquitetura típica de um nó sensor, introdução de técnica de captação de energia e representação do conjunto de protocolos usados pelos nós em RSW. .............................................. 106 Figura 8 – Configurações físicas de RSW com a introdução da tecnologia Zigbee. ......................... 112 Figura 9 – Representação da implementação de magnetómetros na superfície de pavimentos flexíveis. ...................................................................................................................................................... 128 Figura 10 – Representação da implementação da tecnologia radar de micro-ondas na superfície de pavimentos flexíveis, sobre e na lateral da estrada para a deteção de tráfego motorizado e não motorizado. ...................................................................................................................................................... 138 Figura 11 – Equipamento para realização de redes de sensores wireless (RSW) com sensores climáticos e de gases. ..................................................................................................................................... 146 Figura 12 – A mitigação e a adaptação no setor dos transportes. ................................................. 161 Figura 13 – Exemplo de configuração de dispositivos de controlo de estacionamento com funções integradas.. .................................................................................................................................... 163 Figura 14 – Implementação de uma rede de sensores wireless. ................................................... 174
XIX ÍNDICE DE TABELAS, MAPAS E GRÁFICOS Tabela 1 – Restrições básicas para campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos (0 Hz – 300 GHz) ........................................................................................................................................................ 57 Tabela 2 – Principais gases de efeito estufa, o seu crescimento mundial no ano de 2018, o total das emissões mundiais e o potencial de aquecimento global no período de 100 anos. ............................. 67 Tabela 3 - Medidas de mitigação e adaptação às alterações climáticas em área urbanas. ................ 68 Tabela 4 - Alguns elementos a considerar para a decisão de implementação de tecnologias de sensores de tráfego. ...................................................................................................................................... 122 Tabela 5 - Diretrizes gerais para a implementação de sondas de magnetómetro em vias rodoviárias com 3 metros de largura ........................................................................................................................ 126 Mapa 1 – Principais impactes projetados das alterações climáticas em Portugal continental ........... 60 Mapa 2 – Principais redes de transporte de Guimarães e concelhos limítrofes, densidade populacional, localização das vilas e perímetro administrativo com relações funcionais da cidade. ........................ 150 Gráfico 1 - Emissões nacionais de GEE com e sem land use, land use change and forestry e Percentagem das emissões dos vários GEE em Portugal no ano de 2017. ......................................... 72 Gráfico 2 - Percentagem de emissões de GEE em Portugal por setor de atividade. .......................... 73 Gráfico 3 – Consumo primário de energia primária, consumo total de energia final e consumo de energia final por setor de atividade em Portugal no ano de 2017 acompanhado por organograma do percurso energético. ......................................................................................................................... 76 Gráfico 4 – Emissão de GEE no setor dos transportes portugueses e composição do parque automóvel no ano de 2017. .............................................................................................................................. 79 Gráfico 5 – Emissão dos principais gases de efeito estufa (ktCO₂eq.), substâncias acidificantes e eutrofizantes (kt ácidoeq.) e concentração média anual de partículas PM10 e PM2,5 (µg/ m³). ......... 86 Gráfico 6 - Número de veículos elétricos puros, híbridos plug-in e não plug-in matriculados em Portugal no período de 2010 a 2018 e Caracterização do mercado de veículos elétricos no ano de 2018. ...... 92 Gráfico 7 - Deslocações pendulares em 2011 e Consumo de combustível automóvel por habitante (2011-2018) e Tipo de combustível fóssil final no concelho de Guimarães. ...................................... 158
1 1. INTRODUÇÃO No futuro, predominantemente urbano, a função das tecnologias de informação e comunicação na gestão da eficiência dos serviços e das infraestruturas urbanas, será um fator determinante para a sustentabilidade, conforto, segurança e qualidade de vida nas cidades. Numa visão holística, verifica-se a introdução do adjetivo qualificativo smart em variadíssimos temas do domínio científico e da engenharia. As smart cities , a smart transportation , o smart urbanism , a smart mobility , os smartphones , os smart sensor , atributo da facilidade de aplicar o conhecimento adquirido, a habilidade de utilização da inteligência de forma a aperfeiçoar projetos e concretizar as melhores ideias na satisfação das necessidades da generalidade. A implementação de decisões nas cidades, só é inteligente, se estabelecer uma ligação perene com o desenvolvimento sustentável. A sustentabilidade é um dever do presente com futuro e encontra-se devidamente auxiliada por uma vasta gama de tecnologia que permite a monitorização, gestão e otimização na utilização dos recursos sempre escassos disponíveis para a sociedade. A tecnologia emergente possibilita a colaboração e compatibilização entre as redes celulares, as redes wireless , a inteligência artificial e os avanços no hardware dos computadores, que conciliam o alto desempenho de processamento com a capacidade de armazenamento, para permitir às cidades mais smart , que utilizam as tecnologias de informação e comunicação e a participação ativa dos cidadãos na recolha e análise de dados, a distribuição de informação personalizada e em tempo real para a concretização de novas perspetivas de atuação no processo de tomada de decisão. Os transportes são um serviço dedicado ao movimento de pessoas e de bens que incorpora a proteção da qualidade do ecossistema, o desenvolvimento económico, a coesão territorial e a equidade no acesso da população às oportunidades da sociedade. Para planear e gerir o sistema de transportes, a introdução das opções de sensores de tráfego, meteorológicos e de gases poluentes, incorporadas em sistemas de transporte inteligentes, permitem a recolha, armazenamento e analise de uma ampla variedade de dados que aumenta significativamente a informação disponibilizada possibilitando a criação de serviços personalizados e a elaboração de projeções com rigor e exatidão. A incorporação dos diversos objetivos de monitorização em redes de sensores wireless , permite a criação de uma rede de comunicação nas infraestruturas do sistema de transportes que garante a conectividade da globalidade do sistema, sem barreiras físicas e ubíqua, com dispositivos cooperativos e custos de implementação e manutenção reduzidos.
2 O capítulo smart cities e a mobilidade, aborda o conceito de smart city , na plenitude das funções da cidade, para proporcionar o crescimento económico, a qualidade de vida, a otimização de recursos e a maximização dos serviços ao cidadão. Demonstra a sustentabilidade como antípoda de um mero indicador e como o cerne do futuro desejado. Apresenta o sistema de transportes como fator fundamental do desenvolvimento económico e social. Caracteriza o planeamento estratégico do território e o planeamento dos transportes como setores inseparáveis e recíprocos. O capítulo planeamento e gestão dos transportes, em uma associação para a coesão e desenvolvimento do território, abarca a sustentabilidade e eficiência dos serviços de transporte, como fundamentais para garantir serviços de qualidade, atrativos, acessíveis e credíveis, que satisfaçam as necessidades de mobilidade e atraiam utentes para as opções de transporte público. Porque o setor da energia, que inclui os transportes, é o principal emissor de gases de efeito estufa e fundamental para a mitigação das alterações climáticas, o capítulo alterações climáticas e os transportes antecipa a energia primária como um fator critico e a eletrificação do setor dos transportes como um desafio e uma oportunidade para garantir o desenvolvimento sustentável. Esclarece o fenómeno das alterações climáticas e apresenta soluções para a mitigação, critérios de adaptação, análise de vulnerabilidades e gestão de riscos. O capítulo monitorização do sistema de transportes é o cerne tecnológico onde é apresentada a tecnologia que poderá ser utilizada para a realização de uma rede de sensores que permite a concretização de um sistema interoperável e ubíquo. Apresenta os princípios de implementação de redes de sensores wireless , com dispositivos colaborativos e sustentáveis, respetivos protocolos de acesso e encaminhamento e as técnicas de captação e transferência de energia que possibilitam a maximização da vida útil das baterias. Apresenta tecnologias de sensores para a monitorização dos fluxos de tráfego motorizado e não motorizado, de pavimentos rodoviários, de parques de estacionamento, meteorológicos e de gases poluentes. Tecnologias que, dependendo do objetivo de observação e das características do local de implementação, constituem a melhor opção para a gestão do tráfego rodoviário e para a recolha de dados ambientais. O capítulo aplicação na cidade de Guimarães consiste na exposição das características físicas e climáticas do concelho de Guimarães, através de dados que permitem efetuar a avaliação das vulnerabilidades e a gestão de risco, para delinear estratégias de adaptação e mitigação às alterações climáticas. São expostas diversas soluções com critérios de sustentabilidade que garantem a eficiência dos serviços de transportes e que contribuem para a mitigação das alterações climáticas, para a gestão do espaço público e para a qualidade do ambiente urbano.
3 É proposto um modelo para a implementação de uma rede de sensores wireless de baixo custo, com manutenção reduzida, resiliente a fenómenos climáticos e sem a necessidade de construção de infraestruturas, para assim, garantir a monitorização do tráfego rodoviário e disponibilizar informação permanente e em tempo real. A rede implementada, localizada numa via que privilegia a circulação, permite a monitorização dos fluxos de tráfego, com a exceção dos peões, dos fenómenos climáticos e pode servir de apoio às comunicações de curto alcance dos veículos. 1.1. Enquadramento geral Os desafios do sistema de transportes em smart cities envolvem, para além da introdução de novas tecnologias, uma serie de soluções participativas que contribuem para a satisfação das necessidades da população residente e visitante, sem qualquer tipo de barreira digital, para que todos possam estar conectados a todas as oportunidades que a cidade tem para oferecer. O sistema de transportes terrestres compreende as infraestruturas e os fatores produtivos afetos às deslocações por via terrestre de pessoas e de mercadorias (LBSTT, 1990). Para garantir a maximização e eficiências dos serviços é necessário considerar a globalidade do sistema e assimilar os princípios de produção de viagens, da preferência por destinos, as opções por modo de transporte, as dinâmicas de mobilidade, conhecer as infraestruturas existentes e saber como restruturá-las para gerir o congestionamento e garantir uma resposta aos problemas sociais, económicos e ambientais. É indispensável conhecer o paradigma da poluição atmosférica inerente aos veículos motorizados, para assim, satisfazer os parâmetros de qualidade ambiental e de saúde públicas nos meios urbanos e encontrar soluções para a mitigação das irreversíveis alterações climáticas. A sensorização na monitorização do sistema de transportes abarca todo o sistema de planeamento dos serviços de transporte, através da recolha regular de dados para facilitar todas as etapas na estrutura de tomada de decisão, e assim, contribuir para a personalização de serviços adaptados às características individuais do utilizador e para a estruturação dos padrões e necessidades individual de mobilidade. Pretende-se a incorporação de sensorização que permita a recolha de dados meteorológicos e das emissões de gases poluentes para influenciar o comportamento dos utilizadores e auxiliar na determinação de estratégias especificas de adaptação e de mitigação das alterações climáticas.
4 A implementação de um sistema de monitorização que forneça dados específicos, permanentes, com qualidade e em tempo real, para identificar alterações de comportamento dos utilizadores ao longo do tempo e contribuir para a redução do tempo de viagem, do congestionamento, melhorar a segurança e reduzir as emissões de poluentes para benefício dos utilizadores e stakeholders do sistema de transportes terrestre. Um profissional de planeamento deve adquirir um conhecimento multidisciplinar, coerente na correlação entre as diversas funções intrínsecas a um sistema, deter um conhecimento completo para a elaboração de projetos fundamentados, com qualidade, com critérios de sustentabilidade e não ser apenas uma parcela repartida entre gabinetes ou ramos de conhecimento diversificados. 1.2. Objetivos e metodologias As principais características de um sensor de tráfego é detetar e determinar o número e a classe de veículos, para assim, gerir os fluxos de entrada e saída em determinada via rodoviária, com recurso a sinalização apropriada. Contudo, pretende-se dotar os profissionais de planeamento do sistema de transportes terrestre com informação completa e com critérios de sustentabilidade, para enfrentar os desafios e prepara as novas dinâmicas de mobilidade em centros urbanos densamente ocupados. Demonstrar como os transportes devem servir os interesses nacionais, como devem ser geridos e planeados para garantir o desenvolvimento socioeconómico e contribuir para a preservação da qualidade do ecossistema. As dinâmicas dos movimentos são intrínsecas às características físicas e humanas de cada localização e o estudo do espaço assume-se como fundamental para a projeção de cenários. A produção dos serviços de transporte tem como prioridade satisfazer as necessidades do consumidor ao mesmo tempo que cria padrões de consumo, com recurso a parâmetros de conforto e de segurança para garantir a preferência por transportes coletivos e modos ativos de transporte. Após um conhecimento detalhado das envolvências e problemáticas dos transportes, infraestruturas e dinâmicas de mobilidade, organizou-se um capítulo dedicado à tecnologia para sensorização dos fluxos de tráfego motorizado, não motorizado, emissão de gases poluentes e meteorologia.
11 No capítulo da organização económica, no contexto de incumbências prioritárias do Estado, o desenvolvimento sustentável volta a ser expressamente referido como uma estratégia mais concreta, implicando visão, objetivos e um planeamento integrado (Aragão, 2017) para “promover o aumento do bem-estar social e económico e da qualidade de vida das pessoas, em especial das mais desfavorecidas, no quadro de uma estratégia de desenvolvimento sustentável” (art.º 81º, a), (CRP, 2005). Diversos outros conceitos constitucionais podem reconduzir-se à ideia de desenvolvimento sustentável, na medida em que constituem afloramentos de algumas das suas várias dimensões e contribuem, articulando-se, para a sua operacionalização. É o caso dos conceitos de bem-estar e de qualidade de vida presentes entre as tarefas fundamentais do Estado e entre as incumbências prioritárias do Estado no plano económico e social, como objetivo dos planos de desenvolvimento económico e social, como finalidade do direito de ação popular e como finalidade da política fiscal (Aragão, 2017). Na União Europeia (UE) a sustentabilidade é o centro de todas as atuações das instituições. No Tratado sobre o Funcionamento da União Europeia é enunciada a integração do ambiente no âmbito de todas as outras políticas sectoriais europeias como fundamental para o desenvolvimento sustentável. A mesma ideia é reafirmada na Carta dos Direitos Fundamentais da União Europeia, todas as políticas da união devem integrar um elevado nível de proteção do ambiente e a melhoria da sua qualidade e, assegurá-los de acordo com o princípio do desenvolvimento sustentável (Aragão, 2017). A sustentabilidade exige a prossecução simultânea da prosperidade económica, do progresso social, da qualidade ambiental e do aperfeiçoamento da administração pública, relação intrínseca com a soberania das diretrizes portuguesas e da união europeia. É um fator definitivo e fundamental na concretização de smart cities , onde as iniciativas smart para a mobilidade, são seguramente as mais importantes. O estatuto de smart é atingido quando é proporcionada qualidade de vida aos habitantes, não apenas na maximização de serviços para o conforto e segurança dos utilizadores, mas também, na redução das emissões de gases poluentes e de gases de efeito estufa, para salvaguardar a qualidade do ambiente urbano e a inevitável mitigação das alterações climáticas, contribuir para a eficiência energética, para a saúde pública, assim como, proporcionar equidade no acesso da população às oportunidades económicas e de lazer, contribuir para a competitividade e desenvolvimento económico local e regional para diminuir as disparidades regionais e aumentar a coesão territorial.
12 2.3. Mobilidade sustentável smart A mobilidade sustentável é a capacidade de dar resposta às necessidades da sociedade em deslocar livremente, aceder, comunicar, negociar e estabelecer relações, sem sacrificar outros valores humanos e económicos hoje ou no futuro (WBCSD, 2002). A realidade contemporânea procura um transporte seguro, rápido, eficiente, acessível e sustentável para satisfazer as necessidades de mobilidade e preparar a estratégia para uma mobilidade smart , que se pretende conectada, autónoma, elétrica e wireless . A machine learning que através de algoritmos de inteligência artificial é capaz, desde 2014, de reconhecer imagens e linguagem natural com mais precisão que humanos, a realidade aumentada que permite a recolha de informações relevantes em tempo real sem a necessidade de qualquer verificação humana ou análise com o olho humano, a big data que permite rapidez no processamento e análise, de uma variedade e um volume massivo de dados, para a obtenção de informação relevante, a cloud-fog computing que funciona como um filtro para obter inteligência dos dados recolhidos dos sensores e para otimizar a capacidade limitada de armazenamento da nuvem (Indra, 2018) e a 5G ( New Radio ), desenvolvida pela 3GPP, que disponibilizará conectividade permanente e de elevada fiabilidade, suportada em redes que permitirão velocidades muito elevadas, valores de latência muito reduzidos e comunicações machine to machine (M2M) massivas (ANACON, 2020), são algumas das novas tecnologias que contribuem para o desenvolvimento da condução autónoma, do transporte conectado e do utilizador como matriz de uma nova oferta integral de serviços de mobilidade (Indra, 2018). A realidade contemporânea de personalização de serviços adaptados às características de cada utilizador, envolve a recolha de dados, que dependendo da qualidade e quantidade, melhor será a personalização ou estruturação de padrões para satisfazer as necessidades individual de mobilidade. Quanto mais dados sobre o comportamento dos utilizadores estiverem disponíveis, mais fácil será personalizar a oferta e aumentar a capacidade de decisão dos stakeholders . Assim, para garantir a personalização de um serviço é fundamental o desenvolvimento da conectividade, a georreferenciação, as soluções de big data para micro segmentos de serviços e recolha de dados relevantes de um conjunto de utilizadores em tempo real. A personalização de serviços é uma oportunidade para a otimização de custos na gestão de veículos e infraestruturas do sistema de transportes (Indra, 2018). Na mobilidade, os veículos conectados, juntamente com os dados obtidos de outros dispositivos pessoais e de estrada, permitiriam às empresas e administração pública recolher grandes volumes de dados relevantes, em parte, a importância em desenvolver o armazenamento em nuvem para os veículos
13 conectados. O desafio não seria encontrar dados relevantes, disponíveis em grandes quantidades, mas ser capaz de integrar os diferentes dados de cada fonte e extrair conclusões e relações despercebidas à primeira vista, como a potencial procura por transporte público, iniciativas eficientes para reduzir o nível de poluição e opções de utilização. O conceito de big data e de internet das coisas (IdC) 1 , reciprocamente dependentes da machine learning , no âmbito em que quanto maior o número de dados em circulação, melhores são os algoritmos de previsão e quanto melhores são os algoritmos, mais variáveis e relações entre variáveis podem ser detetadas e calculadas, permite a produção de serviços como a mobility as a service (MaaS) que promove a evolução do pagamento único para uma despesa relacionada com a utilização de serviços com taxas distintas. O utente deixa de comprar bilhetes únicos ou comprar ativos e as operadoras em troca da cedência de percentagem de vendas (despesas operacionais) usufruem de um serviço com funcionários qualificados e sem gastos adicionais com infraestruturas (despesas de capital), num cenário em que todas as partes envolvidas, operadoras, empresas de tecnologia e utentes obtêm benefícios. O futuro da mobilidade consiste na transformação do veículo privado em alternativas de MaaS e de iniciativas públicas e privadas que alterem as mentalidades e produzam serviços integrados, partilhados e colaborativos (Indra, 2018). Esta transformação necessita da coordenação dos interesses públicos e privados, do desenvolvimento tecnológico, de programas setoriais e planos territoriais smart e da inovação em diversos modelos de negócio. A heterogeneidade do território, nas suas formas físicas e sociais, determinará o desenvolvimento de soluções para a mobilidade local que se pretende conectada, multimodal, automatizada, elétrica, digital, por pedido, centrada no utilizador, partilhada, internacional, com uma gestão holística e interoperabilidade das infraestruturas digitais, que envolva a ciber security na big data , para a concretização de um transporte rápido, confiável, confortável e seguro e, que contribua para a qualidade do ar, mitigação das alterações climáticas e eficiência energética. As novas tecnologias para o sistema de transportes em conjunto com as diversificadas necessidades de procura, promovem o desafio, no paradigma do desenvolvimento económico, da completa integração dos dados recolhidos e da gestão de utentes e stakeholders através de uma interoperabilidade entre todos os sistemas e tecnologias, sem barreiras ou vínculos tecnológicos e de uma intermodalidade eficiente e sustentável entre todos os modos de transporte. 1 A Internet das coisas (IdC) refere-se à interconexão, através da Internet, de dispositivos incorporados em objetos do quotidiano, permitindo o intercâmbio de dados. A IdC wireless pode também utilizar serviços de comunicações eletrónicas com base em tecnologias celulares, que normalmente utilizam o espetro licenciado. As aplicações da IdC wireless são utilizadas numa vasta gama de setores industriais, tais como a energia e a indústria automóvel, estando dependentes da disponibilidade do espetro (Decisão de Execução (UE), 2018).
14 Para a concretização do futuro da mobilidade é necessário, dentro de um estudo específico para a particularidade de cada área, garantir a eficiência na utilização do espaço construído através de estratégias para a gestão do estacionamento, utilização de STI na gestão do tráfego e de incentivos à utilização de transportes coletivos, como investimentos em veículos de transporte público, nos serviços e opções de pagamento, na segregação de modos de transporte e introdução de rotas prioritárias (discriminação positiva), na construção de infraestruturas intermodais em estações ferroviárias e rodoviárias, para assim, garantir serviços confortáveis, rápidos e seguros. A eficiência na gestão do espaço deve ser acompanhada por campanhas de sensibilização para a realização de viagens sustentáveis e divulgação dos novos conceitos de mobilidade para garantir a mitigação das alterações climáticas. Os novos conceitos de mobilidade requerem incentivos à criação de novos modelos de negócio como bikesharing , scootersharing ou carsharing e correspondentes serviços de manutenção, o desenvolvimento de infraestruturas para peões e ciclistas, a introdução de modos ativos na distribuição logística de last mile , o aumento das infraestruturas para carregamento de veículos elétricos e a definição de áreas de baixas emissões no centro dos aglomerados populacionais.
15 3. PLANEAMENTO E GESTÃO DOS TRANSPORTES Para concretizar o planeamento do sistema de transportes, assimilar a monitorização e correspondente tecnologia digital a implementar é necessário conhecer as infraestruturas, as características de oferta e procura de serviços de transportes, os diversos modos de transporte que frequentam as cidades e as diferentes problemáticas, nomeadamente, dos transportes logísticos, transportes públicos, transportes particulares e modos ativos de transporte. Conhecimento geral para projetar um futuro sustentável, otimização de serviços e do espaço físico densamente ocupado com redes digitais plenamente integradas nos processos de planeamento, gestão e monitorização. As infraestruturas das redes de transportes e das redes digitais são fatores fundamentais para o desenvolvimento económico e social das cidades. As redes de conetividade são cruciais para o ordenamento do território, promovem a interconexão dos ecossistemas, das pessoas e das atividades, contribuindo para a valorização dos recursos endógenos e para a implementação de um modelo de organização territorial mais sustentável (PNPOT, 2019). Ao proporcionar uma maior equidade de oportunidades no acesso a equipamentos, a serviços e aos locais de emprego, através da consolidação dos corredores das redes de ligações rodoviárias e ferroviárias e de importantes nós de conetividade como as infraestruturas logísticas, é possível aumentar a competitividade, a diminuição das disparidades regionais e a coesão territorial. As redes digitais também contribuem para o reforço da coesão e da integração territorial, nomeadamente, quando integradas nos processos de prestação de serviços ou em grande parte das tarefas do quotidiano, permitindo estabelecer as ligações entre territórios, pessoas, serviços e organizações, facilitando o desencadeamento de novos modelos de planeamento e gestão. A sustentabilidade do setor dos transportes concretiza-se na eficiência económica, financeira e ambiental do Estado, das empresas, das operadoras e da sociedade em geral. Para desenvolver um sistema de transportes sustentável é fundamental concretizar um setor que promova o desenvolvimento empresarial, o turismo, a inovação, a criação de emprego qualificado e que estimule a internacionalização das empresas através da realização de uma rede de plataformas logísticas que promova a concentração de mercadorias, a realização de atividades de valor acrescentado e da eficiência na utilização de infraestruturas de transporte, como os portos, ferrovias, rodovias e aeroportos. É fundamental garantir uma oferta de serviços públicos de transporte de passageiros a nível local, regional e nacional que promova a migração do transporte individual para o transporte coletivo e a intermodalidade com qualidade, níveis de oferta e de serviço adequado à satisfação das necessidades da população. Os
16 serviços públicos de transporte devem ser auxiliados por políticas de apoio aos segmentos da população com menor rendimento para favorecer a coesão social (PETI3+, 2015). 3.1. Sistema de transportes terrestres O sistema de transportes deve assegurar a mobilidade e acessibilidade a pessoas e bens, de forma eficiente e prestar um serviço adequado às necessidades, promovendo a coesão social e territorial. Na divisão administrativa de grande parte dos aglomerados populacionais o sistema de transportes desenvolve-se maioritariamente por via terrestre. Nos aglomerados populacionais de maior dimensão existem algumas atividades económicas que efetuam os movimentos através de transporte aéreo, como o turismo, a logística de valor acrescentado, o transporte de grandes empresários e, a qualquer momento e em qualquer local, proveniente de uma urgência, os serviços de socorro e emergência. Desde o Neolítico (5000 a.C.) que o ser humano procura locais com disponibilidade de água para poder prosperar e desenvolver comunidades densas. Os rios proporcionam terras férteis e redes de comunicação essenciais ao desenvolvimento local e fundamentais para a troca de excedentes a nível regional. No Egito, o rio Nilo é considerado um rio sagrado, a fonte de vida. Grande parte das maiores cidades 2 do mundo localizam-se em margens de rios, Lisboa (Tejo), Sevilha (Guadalquivir), Nova Delhi (Yamuna), Londres (Tamisa), Paris (Sena), Roma (Tibre), Xangai (Yangtze), New York ( Hudson ), São Paulo (Jurubatuba), Berlim ( Spree ), são alguns exemplos de cidades que nasceram e desenvolveram atividades fluviais, paralelas e perpendiculares às margens do rio, para satisfazer as necessidades locais e regionais e prosperaram no tempo e espaço. O transporte náutico é mais atrativo em aglomerados populacionais localizados nas margens dos rios, preferencialmente próximos da foz, última fase do ciclo da erosão de William Morris Davis, localização característica de peneplanície, com clara tendência para o leito do rio mais largo, no entanto, os processos erosivos e movimentos tectónicos decorrem ao longo de milhões de anos e o ser humano desenvolve-se no tempo num ciclo de vida manifestamente mais curto. 2 Cidade é um aglomerado populacional contínuo, com um número de eleitores superior a 8000, possuindo pelo menos, metade dos seguintes equipamentos coletivos: Instalações hospitalares com serviço de permanência; farmácias; corporação de bombeiros; casa de espetáculos e centro cultural; museu e biblioteca; instalações de hotelaria; estabelecimentos de ensino preparatório e secundário; estabelecimentos de ensino pré-primário e infantários; transportes públicos, urbanos e suburbanos; parques ou jardins públicos.
17 Comparando o relevo da cidade de Lisboa com a do Porto, verifica-se que, parte da área metropolitana de Lisboa, localizada nas margens do estuário do rio Tejo, beneficia de um serviço de transportes fluviais de alta capacidade que estabelece a ligação de aglomerados populacionais da margem sul, como o Barreiro, Seixal e Almada, a destinos na margem Norte, como o Cais do Sodré e o Terreiro do Passo, na cidade de Lisboa, contribuindo para uma ligação eficiente (tempo, custo) entre origem e destino de uma vasta área territorial. Por outro lado, no concelho do Porto, apesar de ser junto à foz, não existe estuário e observam-se margens mais estreitas acompanhadas por vertentes declivosas que espraiam na aproximação da confluência com o mar, concretizando uma localização favorável (custo) para a implementação de infraestruturas (obras de arte) que possibilitam a travessia sem barreiras físicas e oferecem à população do concelho do Porto e do concelho de Vila Nova de Gaia uma opção na escolha do modo de transporte que pode diversificar entre o transporte rodoviário, ferroviário e ativo. Demonstra-se assim, uma primeira abordagem ao planeamento dos transportes ciente das heterogeneidades físicas e humanas locais. Em Portugal, os grandes movimentos em aglomerados urbanos são efetuados por via terrestre. O sistema de transportes terrestres compreende as infraestruturas e os fatores produtivos afetos às deslocações por via terrestre de pessoas e de mercadorias no âmbito do território português. A organização e funcionamento do sistema de transportes terrestres têm por objetivos fundamentais assegurar a máxima contribuição para o desenvolvimento económico e promover a qualidade de vida da população, designadamente, através da adequação permanente da oferta dos serviços de transporte às necessidades dos utentes, sob os aspetos quantitativos e qualitativos e da progressiva redução dos custos sociais e económicos do transporte (art.º 1º e 2º, nº 1, a) e b), (LBSTT, 1990). 3.1.1. Hierarquia da rede rodoviária O planeamento das redes de transporte pressupõe uma visão holística e integrada do sistema de transportes, das complementaridades entre os diferentes modos de transporte e da relação com o ordenamento do território e o ambiente. Deve ter em consideração as interações e sinergias com as restantes redes de transporte (ciclável, pedonal), o estacionamento e os aspetos relacionados com a logística urbana. O processo de planeamento da rede rodoviária deve otimizar a utilização das infraestruturas existentes de forma a assegurar uma acessibilidade multimodal em condições de
18 segurança e contribuir para a partilha coerente e equilibrada do espaço público existente. Aplicar medidas de gestão de tráfego para contribuir para a utilização equilibrada do transporte individual nas deslocações pendulares (casa/trabalho/escola) e contribuir para a sustentabilidade ambiental, assegurar a qualidade de vida das populações e contribuir para um desenvolvimento económico sustentável. A hierarquia da rede rodoviária corresponde à classificação das vias de acordo com a função que devem desempenhar na totalidade do conjunto. Cada via obedece a características geométricas próprias realizadas em função da capacidade e velocidade de escoamento dos fluxos de pessoas e bens, da acessibilidade a determinada área comercial, de logística, de lazer e habitacional, da intensidade das atividades sociais que se desenvolvem na envolvente da via e da relação que a via estabelece com essas atividades (IMTT, 2011). No topo da hierarquia encontra-se a rede Coletora ou Arterial, que exerce a função de assegurar os principais acessos ao concelho, as deslocações intraconcelhias de maior distância e, sobretudo, garantir o atravessamento entre concelhos garantindo as ligações intermunicipais e regionais. São vias continuas, desenhadas para garantir a segurança de um elevado fluxo de tráfego a uma velocidade de circulação tendencialmente superior a 80 Km/h (Seco, et al ., 2008). A função de Coletora deve ser assegurada pelas infraestruturas da rede rodoviária nacional (RRN), formada pela rede fundamental 3 e pela rede complementar 4 (PRN, 1998). Em seguida, encontra-se a rede de Distribuição Principal, que deve assegurar a distribuição dos maiores fluxos de tráfego do concelho, bem como, os percursos de média distância e o acesso à rede Coletora. São vias que podem não formar uma rede continua, desenhadas para assegurar a segurança e um fluxo de tráfego relativamente estáveis de forma a reduzir o congestionamento, embora com restrições quanto à velocidade de circulação, na ordem dos 50 Km/h a 80 Km/h, e às ultrapassagens. As vias são, preferencialmente, para veículos motorizados, sendo o estacionamento autorizado desde que, longitudinal à via e afastado dos cruzamentos de maneira a salvaguardar o seu desempenho. Se existirem trajetos pedonais, deve-se promover a segregação modal, condicionar os atravessamentos a locais apropriados com semáforos ou com travessias desniveladas. Em enquadramento com a RRN, a 3 A rede fundamental integra os Itinerário Principal (IP) e as autoestradas. Os IP servem de base de apoio a toda a rede rodoviária nacional e asseguram a ligação entre os centros urbanos com influência supradistrital e destes com os principais portos, aeroportos e fronteiras (art.º 2º, nº 1 e 2, (PRN, 1998). e a rede de autoestradas, é uma rede especialmente assinalada como autoestrada, formada pelos elementos da rede rodoviária nacional (IP e IC), que não servem as propriedades limítrofes (art.º 5º, nº 1, (PRN, 1998). 4 A rede complementar é formada pelos Itinerário Complementar (IC) e pelas Estradas Nacionais (EN). Assegura a ligação entre a rede fundamental e os centros urbanos de influência concelhia ou supraconcelhia, mas infradistrital. Os IC são as vias que estabelecem as ligações de maior interesse regional e das principais vias envolventes e de acesso nas áreas metropolitanas de Lisboa e Porto (art.º 4º, (PRN, 1998).
19 função de distribuidora principal deve ser assegurada pelas Estradas Nacionais (EN), Estradas Regionais (ER) 5 e Estradas Municipais (EM) 6 . As soluções para cada tipo de via devem sempre ser desenvolvidas tendo em atenção as diferenças registadas a nível do ambiente envolvente e do nível e características do tráfego motorizado e não motorizado. Como exemplo o caso das distribuidoras principais em áreas remotas, que historicamente, devido à abundância de terrenos desvalorizados (dimensões, fragmentação, ruído) junto das bermas, beneficiaram do custo e da localização privilegiada em trajetos de rotas comerciais para criar o elemento comércio, produzindo novas dinâmicas que introduziram diversidade na opção de consumo e interromperam o círculo vicioso da mono atividade. O consequente desenvolvimento socioeconómico proporcionou o aumento demográfico e a presença de hotspots de atravessamento de peões, em vias que privilegiam a circulação, onde o crescente tráfego motorizado aumentou a suscetibilidade para a sinistralidade e exigiu a implementação de medidas de acalmia de tráfego. Em grandes cidades como Lisboa, Porto e Braga, após a distribuidora principal ser envolvida numa densa malha urbana e a função substituída por vias externas com desenho contemporâneo, surge a opção de implementação da rede de Distribuição Secundária composta por vias internas aos aglomerados urbanos com importância complementar às de nível superior, que asseguram a distribuição de proximidade entre áreas urbanas de maior dinâmica, bem como, o encaminhamento dos fluxos de tráfego para as vias de nível superior. Coexistem as funções de circulação e de acessibilidade, por isso, é fundamental a construção de corredores segregados para cada modo de transporte para garantir a rapidez, o conforto e a segurança na circulação discriminando positivamente os modos ativos e coletivos de transporte. É permitido o estacionamento, os cruzamentos são tratados para garantir os fluxos (rotundas), principalmente para as vias hierarquicamente superiores. Subsequentemente, encontram-se a rede de Distribuição Local, que deve ser composta por vias estruturantes ao nível do bairro, com alguma capacidade de escoamento, mas onde o elemento principal é o peão. São vias que devem formar uma rede contínua entre os diversos espaços locais, deter áreas de acalmia de tráfego para garantir uma velocidade moderada de 30 Km/h a 40 Km/h. Privilegiam a acessibilidade, existindo um maior número de atravessamentos e acesso livre aos terrenos adjacentes para garantir movimentos de proximidade. Devem existir passeios adjacentes às vias, os estacionamentos podem ser efetuados longitudinalmente ou transversalmente às vias, o desempenho 5 As Estradas Regionais (ER) garantem as comunicações de interesse supramunicipais e asseguram o desenvolvimento e serventia das zonas fronteiriças, costeiras, de interesse turístico e a ligação entre unidades territoriais de concelhos (art.º 12º, nº 1, 2, a) e b), (PRN, 1998). 6 As estradas não incluídas no Plano rodoviário nacional (PRN) integrarão as redes municipais (art.º 13º, nº 1, (PRN, 1998) reguladas pelo Regulamento Geral das Estradas e Caminhos Municipais (RECM).
20 dos cruzamentos ao nível da capacidade de escoamento deixa de ser crucial. É fundamental garantir níveis de segurança para os peões e razoáveis níveis de fluidez e de capacidade para os veículos. São vias rodoviárias que estabelecem ligações de proximidade entre os aglomerados populacionais das diversas freguesias, enquadrando-se nas EM, geridas pelas câmaras municipais. O último nível da hierarquia é a rede de Acesso Local, que deve garantir o acesso rodoviário ao edificado, reunindo condições privilegiadas para a circulação pedonal. Nas vias de acesso local, a função de circulação deve ser fortemente desencorajada através do desenho geométrico, ordenamento e gestão do espaço e, a acessibilidade assume a predominância funcional da via. São vias descontinuas, criteriosamente desenhadas para garantir um fluxo mínimo de tráfego motorizado a uma velocidade de até 30 Km/h e garantir os níveis de segurança exigíveis para o habitat do rei peão em um ambiente propicio para o contacto com a paisagem e as relações sociais. O estacionamento é livre, o desenho dos cruzamentos deve privilegiar a visibilidade dos condutores, a totalidade do espaço privilegia o peão podendo existir segregação modal ou o convívio entre os peões e veículos motorizados no mesmo espaço. O cadastro e licenciamento destas EM e caminhos municipais são da tutela das câmaras municipais. Verifica-se assim, que as especificidades funcionais das diversas vias obedecem a uma estrutura própria, que nas vias estruturantes (coletora e distribuidora principal) prevalece a função de circulação e nas vias locais (distribuidora local e de acesso local) a funções de acessibilidade e do contacto socioeconómico de proximidade. A distribuidora secundária assume uma posição de charneira entre a circulação e a acessibilidade contribuindo para novas dinâmicas entre áreas urbanas e promoção da mobilidade sustentável. 3.1.2. Rede ferroviária Os primeiros meios de transporte utilizados pelos humanos foram o barco e os animais de carga. Desde que Richard Trevithick, em 1804, readaptou o motor a vapor de James Watt e introduzido a tecnologia nos carris das minas para o transporte do carvão, criou a possibilidade de produção de um novo modo de transporte e subsequente desenvolvimento dos caminhos de ferros. A primeira viagem de comboio em Portugal, entre Lisboa e o Carregado, realizou-se a 28 de outubro de 1856 (CP, 2020). Neste período a rede rodoviária era apenas um conjunto de fragmentos, quando Fontes Pereira de Melo assume o cargo de ministro, em 1852, Portugal possuía apenas 218 Km de
27 3.2.1. Eficiência económica e a equidade A eficiência económica é a ideia de que é impossível melhorar a situação de uma das partes sem impor um custo à outra (a quantidade ótima de cada serviço está a ser produzida e consumida). Para um produtor aumentar o lucro do serviço prestado, o consumidor pagará mais pela disponibilidade do mesmo serviço. Na produção da quantidade e qualidade de um serviço existe sempre um consumidor ou simplesmente um contribuinte que paga por isso. Contudo, este princípio ignora a possibilidade de compensação (Bell, et al ., 2003), i. e., o preço que o consumidor estaria disposto a pagar por um serviço de transporte confortável, de alta velocidade e seguro, é provável que exista um benefício mútuo, uma compensação pelo custo do serviço. A eficiência económica nos transportes pretende garantir a maximização do custo-benefício na disponibilidade dos recursos escassos. Esta abordagem não deve contemplar apenas o valor individual do atributo de cada viagem motorizada, mas sim, a globalidade dos viajantes independentemente dos seus interesses e do modo de transporte utilizado (Bell, et al ., 2003). O elemento equidade integra a compensação atribuída à eficiência económica e as estratégias do sistema de transportes para garantir que os benefícios sejam razoavelmente distribuídos pela população, privilegiando uma discriminação positiva em relação às pessoas que vivem em áreas remotas, com dificuldades financeiras e com mobilidade reduzida. As pessoas com mobilidade reduzida não são apenas as detentoras de deficiência permanente, mas sim um conjunto de pessoas com necessidades especiais, no qual fazem parte as pessoas com mobilidade condicionada, como as pessoas em cadeiras de rodas ou que não conseguem percorrer grandes distâncias, as pessoas com dificuldades sensoriais e as pessoas que em virtude do seu percurso de vida apresentam-se transitoriamente condicionadas, como as grávidas e algum tipo de lesão física. Percebe-se assim, que não se trata de um número residual de indivíduos e que todos a qualquer momento do ciclo de vida podem integrar este grupo. A Constituição da Républica Portuguesa assegura todos os direitos e deveres fundamentais do cidadão. Todos os cidadãos têm a mesma dignidade social. Ninguém pode ser privilegiado, beneficiado, prejudicado, privado de qualquer direito ou isento de qualquer dever” (art.º 12º e 13º, (CRP, 2005). Constitui tarefa fundamental do Estado, a promoção do bem-estar, qualidade de vida e igualdade real entre os portugueses”, bem como, a efetivação dos direitos económicos, sociais, culturais e ambientais,
28 mediante a transformação e modernização das estruturas económicas e sociais, assim como, assegurar um correto ordenamento do território (art.º 9º, d) e e), (CRP, 2005). Como complemento direto, a equidade também abarca e protege o aumento da acessibilidade, a proteção do meio ambiente e a segurança de todos os grupos intervenientes, afirmando-se como um elemento fundamental no planeamento do sistema de transportes. 3.3. Características da oferta de transporte A oferta de transporte caracteriza-se como um serviço e não como um produto. Por conseguinte, não é possível armazená-lo ou utilizar apenas em períodos de maior procura (Ortúzar & Willumsen, 2001). Um serviço de transporte deve ser consumido quando e onde é produzido, caso contrário, o benefício é perdido (custo). Assim, é muito importante prever a procura com a maior precisão possível, para otimizar e maximizar recursos, adaptando a oferta (produção da necessidade) dos serviços de transporte à procura (satisfação das necessidades). A característica funcional de um serviço de transportes requer ativos fixos 9 e um conjunto de regras (e. g., código da estrada) que possibilita a circulação de pessoas e bens. Normalmente, as infraestruturas e os veículos pertencem a agentes económicos diferentes. Esta separação entre o construtor das infraestruturas e o fornecedor do serviço de transporte cria um conjunto complexo de interações entre autoridades governamentais (centrais e locais), empresas de construção, projetistas, operadores de transporte coletivos, viajantes, operadores de logística e o público em geral (Ortúzar & Willumsen, 2001). A produção de infraestruturas para transportes é particularmente importante do ponto de vista logístico. As infraestruturas são essenciais para o desenvolvimento da rede de transportes e para garantir a coesão territorial e, como tal, devem existir em proporção e harmonia de modo a apoiar um desenvolvimento sustentável. O investimento em infraestruturas é elevado, portanto, é fundamental a gestão do espaço para um investimento gradual que complemente o aumento da procura, e. g., salvaguardar espaço nas vias lentas dos segmentos rodoviários de forma a garantir a introdução de uma segunda via contemporânea ao crescimento do tráfego de maneira a garantir a ajustabilidade das infraestruturas à procura e evitar investimentos precoces e o subaproveitamento. 9 Ativos fixos são os bem/equipamento com carácter duradouro (superior a um ano), adquiridos por uma empresa para o desenvolvimento da sua atividade.
29 As infraestruturas para transportes são dispendiosas, normalmente de grande envergadura e demoram diversos anos a serem planeadas e construídas. A duração do projeto implica uma série de perturbações, principalmente em áreas urbanas, como congestionamento, concentração de gases poluentes, de partículas e de ruído, que envolvem custos adicionais para os utilizadores e residentes. O imposto sobre veículos (ISV) novos, o imposto único de circulação (IUC) e o imposto sobre produtos petrolíferos (ISP), são uma aproximação à cobrança pela disponibilidade de infraestruturas, nomeadamente as pertencentes à empresa do Estado, Infraestruturas de Portugal. As autoestradas pertencem, maioritariamente, a concecionárias adquiridas através de PPP, produzindo um custo direto na utilização. As ex-SCUT (sem custos para os utilizadores), introduzidas em 1997, deixaram, em 2011, de ter os custos totalmente suportados pelo Estado (apoio para garantir a coesão territorial) para serem cobradas eletronicamente a todos os utentes. A rede ferroviária, desde 2016, através da privatização da CP carga, adquirida pela empresa MSC Rail, passou a ter um fornecedor de serviços de transporte de mercadorias privado, contudo, grande parte dos veículos que frequentem as linhas ferroviárias pertencer ao Estado e são geridas essencialmente com o valor dos impostos dos contribuintes. No entanto, nos custos tributados pela circulação, não são descontados os custos com o congestionamento, com as externalidades ou com outros efeitos colaterais associados à produção de serviços de transporte, como os sinistros, poluição e fragmentação ambiental. Após a conclusão de um projeto, é fundamental uma monitorização que garanta a conservação e reabilitação dos padrões de qualidade mínimos das infraestruturas do sistema de transportes. A monitorização é preponderante para a redução da sinistralidade, que em conjunto com a educação comportamental dos condutores e a existência de um parque motorizado em indispensáveis condições de utilização permite um combate ao flagelo socioeconómico, inaceitável, na perda de vidas e destruição de meios familiares e outros custos diretos, como as perdas de produção, a reposição da propriedade, os custos com os serviços de socorro e emergência, hospitalares, policiais e de seguros. O sistema de transportes é essencial para o desenvolvimento socioeconómico. A interiorização dos custos intrínsecos, por parte dos stakeholders e utentes, pode auxiliar na tomada de decisão e melhorar a disponibilidade para a procura de modos alternativos de transporte, e assim, maximizar a utilização dos recursos escassos e criar um equilíbrio entre a oferta e a procura nos serviços de transporte.
30 3.4. Características da procura de transporte A procura por serviços de transporte é altamente distinta. Existem diversos tipos de procura específica para diferentes modos de transporte, para cada hora do dia ou dia da semana, por motivo da viagem, tipo de mercadoria, importância da velocidade e da frequência. Um serviço de transporte, sem os correspondentes atributos, diferentes para cada tipo de requisição, é desnecessário. Um bom sistema de transportes aumenta o acesso às oportunidades e promove o desenvolvimento económico. Um sistema fortemente congestionado ou mal conectado restringe as opções e limita o desenvolvimento económico e social. A procura de transporte está subjacente em requisições especificas. As pessoas viajam para satisfazer necessidades (trabalho, lazer, saúde) no destino. Para entender a procura por transporte é necessário compreender como as infraestruturas e as atividades económicas, em contextos urbanos e regional, se dispõe no espaço físico. O tratamento explícito do espaço é inevitável e altamente desejável para resolver as lacunas detetadas (Ortúzar & Willumsen, 2001). A oferta e a procura de transporte têm elementos dinâmicos muito fortes. Boa parte da procura de transporte está concentrada em algumas horas do dia, principalmente nas áreas urbanas, onde a maior parte do congestionamento ocorre durante períodos de pico específicos. Uma rede de transportes pode reagir bem com a procura média de viagens, em uma determinada área, mas falhar nos períodos de pico. Existem várias técnicas para tentar diminuir o pico no sistema de transportes, e. g., horários de trabalho flexíveis, horários de trabalho alargados e preços premium, no entanto, as variações da procura entre períodos de pico e períodos regulares continuam a ser o problema central no planeamento dos transportes (Bell, et al ., 2003). O planeamento contemporâneo requer uma análise de uma série ampla de respostas a problemas e esquemas de transporte. Um produtor de viagens quando confrontado com o aumento do congestionamento pode responder com uma série de simples alterações que garantam a fluidez dos movimentos. A curto prazo, pode proceder à troca de rota, no qual está incluída a escolha do local de estacionamento ou aproveitar outras ligações que inclui a combinação de vários serviços. Pode alterar o modo de transporte utilizado, a hora de partida para evitar a hora de ponta, o destino da viagem para uma área menos congestionada e alterar o dia ou combinar com outras atividades.
31 A longo prazo, ocorrem respostas complexas, como é o caso das alterações de emprego, da localização da área de residência, da escolha de áreas comerciais, etc. Todas estas soluções respondem parcialmente a alterações na acessibilidade oferecida pelo sistema de transportes. 3.4.1. Acessibilidade O aumento geral da mobilidade e da procura de transporte rodoviário, com consequências no congestionamento, atrasos, sinistros e problemas ambientais, revelaram a necessidade do aumento dos fluxos de circulação sem ampliar as infraestruturas num território já densamente ocupado, a concretização de uma tomada de decisão orientada para as novas necessidades de transporte e uma clara utilização dos modelos de planeamento de transportes nas políticas de ordenamento do território para assegurar a sustentabilidade territorial. O conhecimento global da acessibilidade de um território, i. e., a dificuldade em realizar uma viagem de um determinado local para outra área (Bell, et al ., 2003), permite revelar as desigualdades sociais no acesso da população às oportunidades, ao emprego, aos serviços e equipamentos e contribui para a definição integrada das políticas de transportes e de desenvolvimento territorial. O modelo Redesenhar a Cidade, concilia a forma urbana, as políticas e a rede de transportes em uma perspetiva de redução das necessidades de deslocação, através da aproximação das origens e dos destinos de forma a reduzir substancialmente a utilização do veículo particular e aumentar a utilização de modos ativos e de transportes coletivos para todos os motivos de deslocação para garantir a acessibilidade com uma mobilidade mais sustentável. Nos centros de aglomerados populacionais densos, existe uma relação entre a realidade física e o comportamento do individuo. As viagens dos indivíduos residentes numa determinada área urbana são tratadas como um indicador do grau de sustentabilidade de determinado território e indispensáveis para o sucesso da implementação e definição de uma determinada política de desenvolvimento local. Nas áreas periféricas, que habitualmente se caracterizam como áreas de baixa densidade, com dispersão das atividades económicas, baixa conectividade da rede viária, por vezes mono funcionalidade económica, território fragmentado e com fraca acessibilidade tanto nos espaços residenciais como nos espaços públicos (Vale, 2010).
32 A acessibilidade é um dos indicadores que reflete simultaneamente as condições do espaço construído e as características da rede de transportes, os seus custos, velocidade de circulação e tempos de percurso, frequência e horário de funcionamento dos diversos modos de transportes e pode ser medida simplesmente através do tempo gasto em viagens ou usando o conceito do custo geral da viagem para obter uma combinação do custo do tempo e do custo monetário da viagem (Bell, et al ., 2003). Uma redução no custo geral de uma viagem contribuirá para os objetivos do conceito de acessibilidade e para a eficiência económica da rede de transportes. A acessibilidade é um conceito preponderante no estudo dos padrões e dinâmicas da mobilidade, na projeção de infraestruturas e ajuda a identificar as oportunidades de deslocação, sejam elas realizadas ou não. 3.4.1.1. Produção de viagens Para responder aos problemas da produção de viagens sensíveis às alterações na acessibilidade é necessária uma estrutura que contemple as ações de um determinado indivíduo, que no seu contexto familiar, articula um padrão diário de atividade fora de casa, organizadas em várias fases e materializadas num local específico, cada uma com um objetivo principal e condicionalmente com fins secundários no mesmo local. A realização destas viagens pressupõe um planeamento para gerir as diversas fases, em particular, decidir quais as localizações a visitar com regularidade e as que podem ficar associadas a um grafo de viagens mais longas. Na modelação matemática pretende-se associar a medida de acessibilidade à equação de produção de viagens. 𝑂𝑖𝑛=𝑓(𝐻𝑖𝑛,𝐴𝑖 𝑛) (3.1) Onde, o número total de viagens produzidas (𝑂𝑖𝑛) na área ⅈ para o tipo de pessoa 𝑛 (idosos, jovens, empregados) compreenda uma função (𝑓) que considere as características do agregado familiar (𝐻𝑖𝑛) e a medida de acessibilidade (𝐴𝑖 𝑛). As medidas típicas de acessibilidade assumem uma forma geral. 𝐴𝑖 𝑛=∑ 𝑓(𝐸𝑗𝑛,𝐶𝑖𝑗) 𝑗 (3.2)
33 Onde, 𝐸𝑗𝑛 é a medida de atração da área 𝑗 e 𝐶𝑖𝑗 é o custo geral da viagem entre a área ⅈ e a área 𝑗. O elemento custo pode ser considerado como distância, tempo ou unidades monetárias. O 𝐶𝑖𝑗, agrega todos os principais atributos relacionados com a desutilidade de uma viagem. Normalmente, é uma função linear dos atributos da viagem ponderados por coeficientes que tentam representar a importância relativa e a percebida pelo viajante para cada modo de transporte (𝑘) (omitido por simplicidade) (Ortúzar & Willumsen, 2001). 𝐶𝑖𝑗 =𝑎1𝑡𝑖𝑗 𝑣+𝑎2𝑡𝑖𝑗 𝑤+𝑎3𝑡𝑖𝑗 𝑡+𝑎4𝑡𝑛𝑖𝑗 +𝑎5𝐹𝑖𝑗 +𝑎6𝜙𝑗+𝛿 (3.3) Onde 𝑡𝑖𝑗 𝑣, é o tempo de viagem de um veículo entre a área ⅈ e a área 𝑗, 𝑡𝑖𝑗 𝑤 é o tempo de caminhada até à estação ou paragem, 𝑡𝑖𝑗 𝑡 é o tempo de espera, 𝑡𝑛𝑖𝑗 é o tempo de troca de transporte, se existir, 𝐹𝑖𝑗 é a tarifa cobrada para viajar entre ⅈ e 𝑗, 𝜙𝑗 é um custo da utilização do terminal (normalmente o estacionamento) associado à viagem entre ⅈ e 𝑗, 𝛿 é uma penalidade modal, um parâmetro que representa todos os outros atributos não incluídos na medida generalizada até ao momento, e. g., a segurança, o conforto e a pertinência da viagem, 𝑎1…6 são pesos indexados a cada elemento do custo com dimensões apropriadas para a conversão de todos os atributos em unidade comum, e. g., dinheiro ou tempo. Analisando a equação (2.3), percebe-se então que quanto menor o valor da acessibilidade, menor o custo da viagem. A avaliação da acessibilidade, para além de considerar o tempo de deslocação entre origens (𝑂𝑖) e destinos (𝐷𝑗), é a variável fundamental na explicação da mobilidade e localização das famílias e das empresas e permite distinguir diferentes modos de transporte, tipologias de atividades e identificar as áreas onde a escolha do modo de transporte é uma imposição e não uma opção. 3.4.2. Escolha do modo de transporte A escolha do modo de transporte é influenciada pelas características do produtor da viagem, do objetivo da viagem e das infraestruturas de transportes. Analiticamente, a segmentação do mercado em subgrupos relativamente homogéneos permite comparações e identificar padrões (Ortúzar & Willumsen, 2001).
34 Nas características do produtor da viagem é importante considerar a disponibilidade de viatura particular e de carta de condução, a estrutura do agregado familiar (casal jovem, casal com filhos, reformado, solteiro), o tipo de habitação (unifamiliar ou multifamiliar), o valor do rendimento e os hábitos do passado (necessidade do automóvel particular para o trabalho ou para levar os filhos à escola). A escolha do modo é fortemente influenciada pelo objetivo da viagem. Se são trajetos regulares onde é possível integrar os transportes coletivos ou se são trajetos esporádicos de um dia qualquer da semana. A hora em que a viagem é realizada e compatibilidade com os horários dos transportes. As características das infraestruturas de transportes, verificam-se quantitativamente, no tempo relativo da viagem, no veículo, nos tempos de espera e caminhada por cada modo, nos custos monetários relativos (tarifas, combustível e outros custos diretos), na disponibilidade e no custo do estacionamento (aproximação a 𝐶𝑖𝑗), e qualitativamente, em fatores de difícil medição, como o conforto e pertinência da viagem, a confiabilidade e a regularidade, a proteção e a segurança (Ortúzar & Willumsen, 2001). As viagens são feitas como resultado das escolhas dos viajantes, opções entre modos, horários alternativos e rotas alternativas de viagem. Algumas dessas opções são bastante restritas, e. g., se o viajante não tem veículo particular disponível ou se os serviços de transporte coletivo fornecem horários limitados. Subgrupos diferentes da população têm restrições diferentes e aqueles que têm um conjunto de opções muito restrito podem ser descritos como cativos de uma opção específica (Bell, et al ., 2003). Entre as opções disponíveis, em grupos com rendimento elevado, é provável que o tempo tenha um valor acrescentado, levando à preferência por opções rápidas e caras em vez de opções lentas e baratas. Para analisar como a população ou respetivos subgrupos provavelmente perceberão a atratividade relativa das opções, o logit model of individual choice (LMIC) utiliza a atratividade relativa, de cada um de um conjunto de opções, para prever, para cada opção, a probabilidade de um indivíduo a escolher. Esta probabilidade individual pode ser associada a um grupo de pessoas, relativamente homogéneas, confrontadas com o mesmo conjunto de opções. A equação do LMIC, entre opções de 𝑘 representa-se. 𝑃1=(𝑒𝑥𝑝−𝜆𝑐1 )/(∑𝑒𝑥𝑝−𝜆𝑐𝑘) 𝑘) (3.4) Onde, 𝑃1 é a probabilidade de escolher a opção 1, 𝑐𝑘 é uma medida do custo da utilização da opção 𝑘, e 𝜆 é um coeficiente de sensibilidade calibrado. Esta equação pode definir a escolha entre um qualquer número de alternativas independentes, não devendo haver uma correlação entre os subconjuntos de opções. Assim, é possível observar que sempre que uma opção tiver uma vantagem evidente, atrairá a maior parte das escolhas.
35 O LMIC pressupõe que os erros aleatórios são distribuídos independentemente para cada opção e, portanto, o modelo só pode ser utilizado para prever a escolha entre opções não correlacionadas. Para correlacionar um modo específico de transporte, e. g., o veículo particular com passageiros e o veículo particular apenas com o condutor, é necessário definir um custo composto. 𝐶𝐶 =−1 𝜆𝑙𝑜𝑔(∑𝑒𝑥𝑝−𝜆𝑐𝑘) 𝑘) (3.5) Onde, 𝐶𝐶 é o custo composto, 𝑐𝑘 é o custo das opções que estão a ser combinadas e 𝜆 é o coeficiente de sensibilidade usado para escolher entre as opções que estão a ser combinadas, i. e., da opção com custo mais baixo. Assim, no LMIC, pode-se avaliar a escolha entre, e. g., um comboio e um automóvel com custo composto, com uma perceção de custo integrado, onde o próprio coeficiente 𝜆 será baseado em diferentes comparações de custos. Quando se verificar que nenhuma das opções 𝑘 têm uma vantagem particular sobre as outras, é o valor do coeficiente 𝜆 que determina a atratividade relativa do modo de transporte (Figura 2). O coeficiente 𝜆 representa a sensibilidade da escolha para a variável custo. Como a perceção de um indivíduo sobre a atratividade de uma opção está associada a uma incerteza (± erro) relacionada com o custo geral (𝐶𝑖𝑗) de cada opção, levando à perceção errada e escolha pelo modo mais caro. A introdução do coeficiente 𝜆 limita o erro aleatório, portanto, quanto maior o valor de 𝜆, maior a sensibilidade, atribuindo uma preferência à opção mais barata (Bell, et al ., 2003). De forma a permitir a combinação de modos de transporte em diferentes rotas desde a origem até ao destino, é possível representar hierarquicamente o LMIC padrão precedente. O LMIC padrão representa a escolha entre modos alternativos, mas também, pode ser aplicado à escolha entre rotas alternativas, horários de partida, destinos, propriedade e frequências de viagem, ao realizar uma estrutura hierárquica, é possível reunir um conjunto de equações que representam todas estas opções de um conjunto de dados.
36 3.4.3. Congestionamento No sistema de transportes, quanto mais utilizado um modo, uma rota ou um serviço, maior o impacto na sobrelotação, no congestionamento e nos atrasos. A restrição da capacidade de uma rede de mobilidade impossibilita o aumento da procura devido à falta de espaço e reduz a atratividade devido à sobrelotação e atrasos. O congestionamento surge quando a procura excede a capacidade de uma infraestrutura e o tempo necessário para viajar através dela aumenta consideravelmente. Quanto mais utentes procuram uma infraestrutura ou um modo de transporte, maior é o custo adicional provocado pelo congestionamento, levando à troca voluntária de opção. Este fenómeno verifica-se, e. g., na escolha entre transportes coletivos concorrentes, horários de entrada e saída no local de trabalho, na escolha do supermercado ou do estacionamento (Ortúzar & Willumsen, 2001). O panorama atual do sistema de transportes apresenta um carácter insustentável. Para além da dependência energética de derivados de petróleo (90 %) e dos custos sociais com os acidentes e o ruído, se o estado atual se mantiver, perspetiva-se que os custos do congestionamento agravar-se-ão 50 %, entre o presente e 2050 (Comissão Europeia, 2011). Nos Estados Unidos da América, o Texas Transportation Institute, constatou que os passageiros gastam aproximadamente 42 horas por ano parados no trânsito, os condutores desperdiçam mais de 3 mil milhões de litros de combustível por ano, correspondendo a um valor total de 160 mil milhões de dólares, o equivalente a 960 dólares por ano que cada passageiro perde devido ao congestionamento. O congestionamento é um problema sério, especialmente na rede rodoviária e no espaço aéreo, sendo uma das principais características associadas à disponibilidade de transporte e consequências na acessibilidade a nível local e regional. Figura 2 – Gráfico da sensibilidade na escolha para o valor 𝜆 do logit model of individual choice (Bell, et al ., 2003)
43 Comparando possíveis localizações no espaço, do ponto de vista dos transportes é evidente que supostos custos de transporte são proporcionais às distâncias, no entanto, nos processos produtivos não existe sempre apenas uma única matéria-prima localizada, não se vende apenas para um único mercado e são inúmeros os processos produtivos em que se criam diversos objetos e se realizam processos de produção em conjunto com outras empresas. August Losch, salienta as vantagens que se pode encontrar nas localizações junto dos nós de comunicação (entroncamento/ramificação) e nos locais de transbordo obrigatório. É por vezes necessário, ao longo de um percurso, fazer o transbordo de uma mercadoria. Tanto a localização do processo produtivo junto da matéria-prima como junto do mercado, obrigam a um transbordo. O transbordo equivale a uma despesa adicional de carga e descarga e por vezes de armazenamento. Só é possível evitar esta despesa através da localização da produção no próprio local de transbordo, portanto, particularmente oneroso para os produtos de baixo valor e pesados. A cada localização, corresponde um custo de transporte que depende do preço por unidade de peso e da distância de cada um dos materiais, proporcionais ao peso, ao valor, fragilidade e volume transportado. Os entroncamentos são de especial importância para a localização das indústrias, pois, é neles que entram em contacto com diferentes sistemas de transporte e encontram diversas empresas a explorar o mesmo serviço e modo de transporte, originando vantagens de concorrência através de tarifas favoráveis. Assim, na hipótese de o custo dos transportes variar proporcionalmente à distância, a localização preferida será sempre em um entroncamento, a não ser que o peso ideal de algum dos materiais, matéria-prima ou produto, seja superior à soma dos pesos ideais (Moura, 1952). 3.5.1. Logística urbana A logística é o processo de planeamento, implementação e controle do fluxo, armazenamento eficiente e eficaz de bens, serviços e informações relacionadas desde o ponto de origem ao ponto de consumo (Wood, 2020). A integração do setor dos transportes nos processos logísticos agrupa o conceito de lugar, na definição da origem e destino da mercadoria transportada e o conceito de tempo representado através da rapidez da viagem.
44 A logística urbana ou de last mile assegura a entrega e recolha de mercadorias nas quantidades exatas, nos locais necessários e no momento pretendido, bem como, quando necessário, o seu armazenamento temporário em espaço urbano, para a satisfação das necessidades dos agentes económicos a um custo conveniente (Botelho, et al. , 2019). É uma função de suporte à atividade dos aglomerados populacionais, com impactos diretos na qualidade, variedade e quantidade de stokes existentes, que se reflete na competitividade e no custo final dos produtos. O processo logístico está associado a externalidades relacionadas com a emissão de gases de efeito estufa (GEE), de poluentes e congestionamento. Localmente, há emissão de ruído, de partículas e há competição pelo espaço público, concretizada através de veículos com dimensões desajustadas ao espaço urbano e estacionamentos irregulares que agravam as condicionantes ao estacionamento e interferem diretamente no fluxo do tráfego e na livre circulação dos peões (tráfego motorizado e não motorizado), com repercussões na segurança e na qualidade de vida (Botelho, et al. , 2019). O crescimento, dinamismo e densificação indiscutível dos aglomerados populacionais, contemporâneo da integração do conceito de smart city , agregam o conceito de sustentabilidade e as aliadas e indissociáveis novas tecnologias, na procura de um elevado nível de eficiência de serviço para auxiliar a competitividade e garantir o crescimento económico. A logística urbana do passado, caracterizada por operações de maior volume unitário, evoluiu para as entregas fragmentadas oriundas de canais de comércio eletrónico que tendem a oferecer serviços de entregas com prazos reduzidos, no qual, está associada a inerente necessidade de operações de devolução 10 . Estas entregas são efetuadas por diversos modos de transportes que frequentam as vias em períodos regulares ou de pico e o que tradicionalmente era considerado como limitações e restrições para a contenção da circulação rodoviária em períodos ou áreas mais sensíveis, hoje carece de ajustamento para responder à crescente necessidade de abastecimento e dinâmicas das atividades económicas. Para a resolução deste paradigma é necessária uma logística smart , com disponibilidade de informação adequada e em tempo real para realizar o planeamento e a otimização do transporte urbano em horários fora dos picos. A gestão logística pode ser efetuada através de protocolo de entregas noturnas, estímulo aos stakeholders para encontrar soluções cooperativas para o desenvolvimento do ambiente individual urbano e a integração de plataformas de logística de proximidade que permitam reorganizar as mercadorias de diversas proveniências e efetuar o transbordo dos veículos pesados para 10 Incluem-se também entre os fluxos logísticos urbanos, os fluxos inversos relacionados com devoluções comerciais ou com resíduos sólidos urbanos, incluindo os de construção e demolição.
45 veículos ecológicos, como veículos elétricos ligeiros, scooters, cargobikes e trolleys elétricos adequados para a distribuição no espaço urbano. Assim, é possivel promover a melhoria na taxa de ocupação de carga nas viaturas, a inexistência de emissões de poluentes atmosféricos e a redução substancial do ruído, a atenuação do problema do congestionamento nas horas de ponta e a redução do tempo de ocupação do espaço público. Contudo, o planeamento do novo espaço de proximidade deverá considerar o aumento do tráfego local e consequente harmonização das infraestruturas, o imprescindível consenso entre stakeholders e a constatação de que um serviço adicional comporta novos custos operacionais que devem ser otimizados de forma a garantir o preço mais conveniente para o consumidor (Botelho, et al. , 2019). Para a efetivação de uma logística smart é essencial a aplicação das novas tecnologias de comunicação para a interligação entre distribuidores e estabelecimentos locais. Entre outros, a introdução da inteligência artificial e da realidade aumentada para o planeamento de rotas, gestão da procura e monitorização em tempo real de operações de entrega e devolução, mas também, com a provável implementação da automação, como veículos autónomos, drones e robots, permitem a otimização de recursos e maximização dos serviços de proximidade, onde os métodos e os modelos de recolha e tratamento dos dados devem ser adequados à especificidade e diversidade da procura (Botelho, et al. , 2019). No entanto, é necessária uma monitorização da segurança para prever ou interagir com os riscos inerentes. O incremento de áreas pedonais, ciclovias e outras modalidades de mobilidade urbana, aumentam os riscos de interseção com a circulação de veículos de mercadorias. A utilização de novos meios autónomos, quer no transporte de passageiros quer no transporte de mercadorias, tornam os impactes da atividade logística, no espaço vivo que é a cidade, uma preocupação crescente para as autoridades, administração pública e stakeholders . 3.6. Modos ativos de transporte A promoção da utilização de meios de transporte mais sustentáveis para os percursos do quotidiano constitui um dos principais desafios da atualidade e um paradigma da mobilidade que pretende aliar o desenvolvimento económico e a acessibilidade dos espaços das cidades e subúrbios com a qualidade
46 de vida, através da redução do sedentarismo, da defesa do meio ambiente e da redução da dependência energética. Os principais benefícios na utilização de modos ativos, designadamente a bicicleta, passam por promover uma maior eficiência do sistema de transportes, onde a bicicleta constitui a opção de mobilidade mais rápida, eficiente e ajustada a deslocações em trajetos pequenos e congestionados, o baixo custo de aquisição dos veículos, de manutenção das infraestruturas e a significativa contribuição para a redução dos índices de ruído e poluição atmosférica. A procura por infraestruturas para peões e bicicletas ou tráfego não motorizado é influenciada por diversos fatores socioeconómicos, relacionados com as características das classes sociais, dos grupos etários e a influência das tradições e costumes culturais locais e, influenciada por fatores físicos associados a áreas com relevo e declives topográficos elevados, preteridas, principalmente pelos ciclistas, devido ao desgaste físico (Seabra, et al ., 2012). Um bom exemplo da influência dos fatores físicos é a planície típica do litoral noroeste de Portugal continental, onde é recorrente a presença das famosas bicicletas pasteleiras no alpendre de uma qualquer habitação, normalmente, pertencente a famílias de pescadores e agricultores que utilizam a bicicleta para as deslocações de curta distância (média de 3 Km) entre os campos agrícolas, mercados locais e as atividades marítimo portuárias. Tradição associada à classe baixa, que progressivamente, com o desenvolvimento económico e tecnológico, encontra nos tratores agrícolas um substituto multifacetado no auxílio fundamental na preparação dos solos para o cultivo, recolha do sargaço na maré baixa, reboque dos barcos de pesca e para o transporte do quotidiano. Na mesma área de residência, famílias com atividades económicas no setor terciário, normalmente utilizam veículos motorizados, motociclo ou automóvel, para as deslocações do quotidiano. Quando o consumo emerge do seu primitivo caráter natural, imediato e tosco, se permanecer neste estágio, resulta do facto de a produção não ter também ultrapassado o seu estágio natural, primitivo e tosco. O objeto de arte e analogamente, qualquer produto, cria um público sensível à arte e capaz de fruição estética. Assim, a produção não cria só um objeto para o sujeito, cria também um sujeito para o objeto, fornecendo-lhe a sua matéria, determinando o modo de consumo, provocando no consumidor a necessidade de produtos que ela criou originariamente como objetos. Por conseguinte, produz o objeto de consumo, o modo de consumo e o impulso para consumir (Marx, 1859). Transpondo o conceito económico para o espaço físico, procura-se planear uma ocupação do solo com disponibilidade de infraestruturas que concretizem a segregação modal com conforto e segurança para as práticas sociais da mobilidade de curta distância e que influencie a procura, em particular da
47 população economicamente inativa (jovens e idosos), mas também, a população economicamente ativa com emprego de proximidade. Dando como exemplo o concelho de Guimarães, que apresenta uma reduzida tradição na utilização de bicicletas, o edifício do agrupamento de escolas Santos Simões, na freguesia de Mesão Frio, beneficia da presença da ecopista nas imediações. A ecopista estabelece ligação entre o concelho de Guimarães e o de Fafe e possibilita a mobilidade da população local, com incidência nos alunos da escola Santos Simões que beneficiam de uma infraestrutura com todos os pressupostos de segurança para mais uma opção de mobilidade, produzindo assim, novas rotinas e alteração de mentalidades nos jovens de hoje, que transmitirão hábitos aos jovens de amanhã. Observa-se um exemplo de planeamento que criou um produto, em um local com abundância de potenciais consumidores e equipou o espaço com infraestruturas adequadas, que influenciam a decisão na opção de troca de modo de transporte da população local. De facto, a bicicleta apresenta fatores incontornáveis que abarcam alguns dos dezassete Objetivos Globais 11 para o desenvolvimento sustentável estabelecidos pela Assembleia Geral das Nações Unidas. Em erradicar a pobreza (1) e parcerias para o desenvolvimento (17), a bicicleta constitui um meio de transporte acessível e simples, que permite o acesso à educação, empregos, mercados e atividades comunitárias em áreas urbanas e rurais. As organizações sociais e especialistas que trabalham na promoção do ciclismo em todo o mundo podem apoiar a parceria global para o desenvolvimento sustentável com informação qualificada e privilegiada para apoiar na plasmação de diretrizes em programas nacionais 12 e setoriais. Permite uma vida saudável (3), através da atividade física, essenciais para a redução de doenças cardiovasculares, respiratórias e outros impactos negativos do estilo de vida sedentário. Oferece a possibilidade imediata de mitigação das alterações climáticas (13), na descarbonização do sistema de transportes, na redução das emissões de partículas, de ruído ambiente, de consumo de energia, de congestionamento e consequente melhoria da qualidade do ar e do ambiente urbano com impacte no bem‐estar físico, social e mental da população. 11 Os dezassete Objetivos Globais para o desenvolvimento sustentável constitui, erradicar a pobreza (1), acabar com a fome (2), vida saudável (3), educação de qualidade (4), igualdade de género (5), água e saneamento (6), energia renovável (7), trabalho digno e crescimento económico (8), inovação e infraestruturas (9), reduzir as desigualdades (10), cidades e comunidades sustentáveis (11), produção e consumo sustentável (12), combater as alterações climáticas (13), oceanos mares e recursos marítimos (14), ecossistemas terrestres e biodiversidade (15), paz e justiça (16) e parcerias para o desenvolvimento (17). 12 O programa nacional da política de ordenamento do território estabelece as opções estratégicas com relevância para a organização do território nacional, consubstancia o quadro de referência a considerar na elaboração dos demais programas e planos territoriais, define o quadro unitário para o desenvolvimento territorial integrado, harmonioso e sustentável do País, tendo em conta a identidade própria da sua diversidade regional e a sua inserção no espaço da União Europeia (art.º 30 º e 31º,a), (RJIGT, 2015).
48 No objetivo da energia renovável (7), a bicicleta oferece ao sistema de transportes a desejada eficiência energética e proporciona viagens intermodais, principalmente para os primeiros e últimos quilómetros em combinação com o transporte coletivo e sistemas logísticos. Trabalho digno e crescimento económico (8) e produção e consumo sustentável (12), a produção de bicicletas, os serviços de transporte de lazer e turismo, como bikesharing ou serviços de micrologística de last mile , constituem uma oportunidade para o aumento significativo de atividades económicas criadoras de emprego, assim como, a produção, consumo e entrega de mercadorias de forma sustentável. As bicicletas apresentam vantagens económicas representadas na redução do congestionamento, na redução do consumo e dependência energética, na diminuição das despesas de saúde associadas à obesidade e ganhos no orçamento disponível das famílias proporcionados pelos menores custos diretos e indiretos associados ao veículo motorizado particular. Inovação e infraestruturas (9), cidades e comunidades sustentáveis (11), a bicicleta permite mais uma opção para a substituição do transporte motorizado individual e a combinação da mobilidade ativa (caminhada e bicicleta) com o transporte coletivo, contribuindo para a redução dos gases poluentes, do congestionamento e promoção de hábitos de vida soldáveis. Um maior número de utilizadores de bicicleta permite um maior investimento em infraestruturas adequadas para a prática, o que permite a equidade no acesso e um sistema de transportes sustentável (ECF & WCA , 2020). 3.7. Serviços públicos de transporte Nos países desenvolvidos existe um elevado número, com tendência para aumentar, de proprietários de veículos motorizados. Contudo, existem sempre pessoas que não têm acesso a viaturas particulares, nomeadamente a população economicamente inativa, criança, idosos, desempregados, pessoas com mobilidade reduzida ou devido a alguma eventualidade do momento, portanto, dependentes, de alguma forma, de transporte público para colmatar as necessidades de mobilidade (Ortúzar & Willumsen, 2001). Os estilos de vida, os modelos de desenvolvimento e a gestão do espaço proporcionaram uma maior mobilidade no acesso às oportunidades de emprego, consumo, educação, saúde, lazer e entretenimento e, consequentemente, maior procura por serviços de transporte diversificados com multiplicidade de movimentos em variadas horas do dia.
49 Um aspeto importante do planeamento dos transportes na definição de origem (produção do serviço) e destino (atratividades ou satisfação das necessidades) da viagem é a reciprocidade, que deve ser considerada em ampla perspetiva, com o planeamento e ordenamento do território, nomeadamente na projeção da localização das atratividades, das densidades populacionais e das correspondentes infraestruturas de acessibilidade. O principal objetivo do planeamento dos transportes é produzir um plano estratégico para o equilíbrio entre todos os meios de transporte disponíveis para satisfazer as necessidades de procura de todos os setores da sociedade (Ortúzar & Willumsen, 2001). Em áreas urbanas, o transporte é efetuado, principalmente, através de modos ativos, viatura particular e algum tipo de transporte coletivo de propriedade pública ou privada. No planeamento do transporte público é fundamental conhecer a densidade (alta, média ou baixa) populacionais das áreas de origem e de destino das viagens para garantir a compatibilidade de serviço com as respetivas necessidades (Bell, et al. , 2003). Em origens e destinos com altas densidades populacionais é possível implementar um transporte de alta capacidade com boas instalações de acesso e de saída, porque a quantidade de utilizadores existente permite a ocupação da capacidade das viaturas de transporte coletivo e a rentabilização do serviço. Se as áreas de origem forem de média densidade populacional, independentemente da densidade populacional do destino, é necessário proceder à maximização da frequência do serviço de forma a garantir que os transportes coletivos ficam ocupados proximo da capacidade. Os movimentos de baixas para altas densidades, são tipicamente para o local do emprego, pois, verifica-se uma baixa procura no espaço (origem) em contraste com a elevada atratividade (destino). Neste caso a viatura particular assume preferência, verificando-se a necessidade de garantir a acessibilidade para os transportes coletivos e a garantia de um serviço rápido e confortável. O planeamento dos transportes deve incentivar o utente através de horários e viaturas adaptadas à particularidade da procura e proporcionar flexibilidade de serviço ou park-and-ride ligado a um meio de transporte coletivo rápido, confiável e segregado, assim como, persuadir os proprietários para a trocar de opção de modo de transporte, que certamente só acontecerá, se existirem vantagens percebidas pelo indivíduo (Bell, et al ., 2003). Com densidades mais baixas nas origens e destinos, o veículo particular é o meio mais eficaz para satisfazer os requisitos do viajante. No entanto, a população que não possui veículo privado e precisa de se deslocar necessita de transporte público, criando um nível de serviço e consequentemente um problema económico. O serviço de transportes coletivos, com origem em densidades baixas, é improvável
50 que seja particularmente eficiente (frequência do serviço), embora tenha de ser fornecido, reforçando a reciprocidade com o planeamento do território, resultado da necessidade de empreendimentos de alta e média densidade para a sustentabilidade do transporte público. A redução das viagens no transporte público significa a redução das receitas das operadoras, que consequentemente reduzem a frequência do serviço e ou aumentam as tarifas, resultando na perda de passageiros e no aumento das viagens de veículo particular. O aumento do volume dos fluxos de tráfego aumenta a possibilidade de congestionamento e transforma as viagens de transporte coletivo, se as infraestruturas não forem reestruturadas de forma a estabelecer prioridade, em viagens mais lentas e pouco confiáveis, aumentando a preferência para viagens em veículo particular. Os efeitos do aumento do congestionamento rodoviário incluem, não apenas a perda de produção económica, mas também, o aumento da poluição sonora, atmosférica e paisagística, desvio do tráfego para rotas alternativas e inadequadas (Bell, et al ., 2003), normalmente vias secundárias com função de acesso, aumento do tempo de viagem, insegurança, principalmente para peões e ciclistas, stress dos passageiros e condutores e redução da qualidade do serviço prestado. Um dos graves problemas dos meios urbanos são os movimentos periféricos provenientes de baixas densidades que privilegiam a utilização do veículo privado. O encerramento de ramais ferroviários e serviços de transporte público rodoviário deficitário cria a necessidade de propriedade de ativos, por vezes, uma viatura para cada elemento do agregado familiar, para permitir a satisfação das necessidades de mobilidade, agravando o problema do congestionamento e do estacionamento nas cidades. Para melhorar a atratividade dos transportes públicos é necessário, planear rotas, de preferência sem necessidade de trasbordo, frequência de serviço confiáveis, para reduzir o tempo de espera dentro de horários programados e tempos de viagens competitivos com as viaturas particulares. Os veículos de transporte público devem ser confortáveis, limpos e acessíveis a pessoas com mobilidade reduzida, com assentos adequados com espaço para as pernas, lugares de pé para viagens em horas de ponta e níveis de ruído aceitáveis. As estações e paragens devem ser projetadas para garantir a proteção de eventos climáticos, salvaguardar a atratividade paisagística, garantir a acessibilidade das infraestruturas envolventes, como habitações, estacionamento e transbordo de passageiros e disponibilizar informação em tempo real do serviço, como horários, tarifas e previsão de chegada e partida. O transporte coletivo ferroviário e metropolitano não difere muito do transporte coletivo rodoviário, contudo, salienta-se que a implementação só é economicamente possível entre núcleos de origem e destino densos e ou com acessibilidade estrategicamente planeadas para assegurar a afluência de
51 passageiros. Trata-se de um sistema de transporte com veículos longos, com grande capacidade de passageiros, tipicamente inseridos em infraestruturas segregadas e dispendiosas que apresentam reduzidos fatores que justifiquem algum tipo de atraso nos horários programados (Bell, et al ., 2003). As redes ferroviárias para veículos pesados, como a existente no ramal do concelho de Guimarães, são tipicamente para realizar serviços suburbanos e interurbanos, são segregados do tráfego rodoviário e detêm estações bem espaçadas, o que cria a necessidade de fornecer facilidades de acesso, como estacionamento e transporte coletivo rodoviário com horários compatíveis ou park-and-ride . A sustentabilidade dos serviços ferroviários pesados convencionais requer, proximidade de altas densidades populacionais, gestão do espaço para implementação de acessibilidades e infraestruturas de apoio, como estacionamentos, que devem permitir um fluxo de tráfego regular nas horas de ponta, complementaridade com serviços de transportes coletivos rodoviários, preferencialmente com bilhete combinado, para efetuar a recolha e entrega de passageiros de ponto a ponto, garantir a qualidade de serviço e a segurança e, quando possível, a integração em plataformas multimodais para produzir mais opções e, consequentemente, mais utentes para viajar (Bell, et al ., 2003).
52 4. ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS E OS TRANSPORTES As alterações climáticas apresentam-se como uma das maiores ameaças ambientais, sociais e económicas que o planeta Terra e a humanidade enfrentam na atualidade. Consistem em uma variação estatisticamente significativa da média e da variabilidade dos parâmetros que definem o clima e que persistem durante longos períodos, independentemente das origens naturais, antrópicas ou mistas. Medem-se através da diferença entre valores médios de períodos longos e pela variação da frequência de ocorrência de fenómenos extremos (IPCC, 2014). O clima é um dos vetores determinantes da vida na Terra e as alterações climáticas, em maior ou menor escala, resultantes de causas naturais, como variações dos parâmetros orbitais, da atividade solar e da atividade vulcânica influenciam o clima terrestre. Apesar das incertezas, o atual conhecimento científico afirma que as atividades humanas influenciam o padrão e a velocidade das alterações climáticas e que é necessário atuar para garantir a indispensável preservação dos recursos naturais, a qualidade do ambiente e a vida humana na Terra. Efetivamente, para enfrentar o problema das alterações climáticas existem, essencialmente, duas linhas de atuação, a mitigação e a adaptação. Enquanto a mitigação é o processo que visa reduzir a emissão de gases de efeito estufa (GEE) para a atmosfera, a adaptação é o processo que procura minimizar os efeitos negativos dos impactes das alterações climáticas nos sistemas biofísicos e socioeconómicos. 4.1. Sistema Terra-atmosfera O Sol é a fonte de energia que controla a circulação na atmosfera. Emite energia em forma de radiação eletromagnética, no qual, uma parte é intercetada pelo sistema Terra-atmosfera e convertida em outras formas de energia, como o calor e a energia cinética da circulação atmosférica, ressalvando, que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas pode ser convertida (lei da conservação da energia). A distribuição da energia solar sobre a superfície da Terra não é homogénea, portanto, é responsável pelas correntes oceânicas e pelos ventos que transportam o calor dos trópicos para os polos, procurando atingir um balanço de energia.
59 4.2.1. O gás de referência A prospeção antrópica do carbono para utilização como comburente e o posterior envio para a atmosfera através da combustão, altera o ciclo natural do carbono e consequentemente o equilíbrio do clima terrestre. O GEE antrópico mais importante é o CO2, representa aproximadamente 64 % do total das emissões de LLGHG para a atmosfera. O CO2 não tem um tempo de vida específico, pois, integra um ciclo contínuo entre a atmosfera, os oceanos e a biosfera e, a sua remoção líquida da atmosfera envolve uma série de processos com diferentes escalas de tempo. É emitido principalmente como resultado da combustão de combustíveis fósseis, degradação florestal e produção de ferro e aço. Os oceanos e as florestas são os principais absorventes de CO2 da atmosfera. Assimilando o GWP, o CO2 é o gás, com o qual, todos os outros gases são comparados. Em comparação, apesar do CH4 ter um GWP 25 vezes superior ao do CO2, apenas permanece na atmosfera durante aproximadamente 12 anos, enquanto o CO2 permanece na atmosfera por centenas a milhares de anos. Assim, o CO2 é o GEE de referência, porque mesmo que as emissões antrópicas parem, os efeitos irão refletir-se no planeta Terra por centenas a milhares de anos. Adicionar mais GEE na atmosfera intensifica o efeito estufa e aquece o clima da Terra. Conforme a atmosfera aquece, a concentração de vapor de água atmosférico também aumenta, intensificando ainda mais o efeito estufa, que por sua vez, provoca mais aquecimento, levando a um adicional aumento de vapor de água, num ciclo de autorreforço. Esta retroalimentação do vapor de água incrementa o efeito estufa provocado pelo CO2. No final do séc. XXI, a alteração na temperatura da superfície terrestre provavelmente será superior a 1,5°C em relação aos níveis pré-industriais. Um aumento de 1,5°C a 2,5°C da temperatura média global acima dos níveis pré-industriais representa riscos significativos para muitos sistemas únicos e ameaçados, incluindo muitos hotspots de biodiversidade. Aproximadamente 20 % das espécies estarão em maior risco de extinção. Em termos de segurança alimentar e saúde humana, a produtividade das culturas de cereais, em latitudes baixas, diminuirá e a distribuição de alguns vetores de doenças, como os mosquitos que transmitem a malária, pode mudar. As temperaturas mais elevadas dos rios e lagos criam condições para a incubação de algas e para a redução da quantidade de oxigénio dissolvido que, portanto, propensa ao desenvolvimento de nichos ecológicos inóspitos para as espécies endémicas. O aquecimento acelera a perda de água pela superfície do solo e aumenta o potencial de incidência e severidade das secas.
60 A capacidade de retenção de água na atmosfera, aumenta com o aumento da temperatura. Como a precipitação advêm do vapor de água armazenado na atmosfera, a intensidade, a frequência e o tipo de precipitação alteram e aumenta o risco de tempestades e nevascas. O nível médio do mar continuará a subir globalmente durante o séc. XXI (0,26 m a 0,98 m) devido à intensificação do aquecimento dos oceanos e perda de glaciares. A cobertura de gelo do Mar Ártico continuará a encolher e a perder espessura. A acidificação (pH da superfície oceânica) aumenta, prejudicando as criaturas marinhas com estrutura calcária externa (corais) e as espécies que dependem delas para sobreviver. As alterações climáticas determinam modificações na intensidade e incidência territorial dos riscos associados às cheias e inundações fluviais, aos galgamentos costeiros, às ondas de calor e à ocorrência de incêndios, com forte impacto em territórios de uso florestal, agravando em geral a sua frequência e intensidade. As áreas urbanas estarão numa situação mais vulnerável. Outros riscos ambientais, como a ocorrência de movimentos de massa em vertentes, podem ser agravados em severidade ou frequência. As alterações do clima são também um fator de injustiça social, com consequências sobre as desigualdades regionais. No território de Portugal continental os principais impactes, passados e projetados, encontram-se representados no Mapa 1 (Alcoforado, et al ., 2009). Mapa 1 – Principais impactes projetados das alterações climáticas em Portugal continental (Alcoforado, et al ., 2009)
61 4.3. Impactes sociais das alterações climáticas É provável que o desafio das alterações climáticas seja mais intenso e abrangente do que inicialmente previsto. A intensificação deve-se às projeções do crescimento demográfico mundial, que representam um aumento de 7,63 mil milhões de habitantes em 2018 para 8,55 mil milhões em 2030 e para 9,77 mil milhões em 2050 (UN, 2019). As regiões em vias de desenvolvimento são as que mais contribuem para o crescimento demográfico prevendo-se um aumento da população de 1,09 % no período de 2018-2030 e um aumento de 0,77 % no período de 2030-2050. Nas regiões desenvolvidas prevê-se um crescimento de 0,17 % no período de 2018-2030 e de 0,03 % no período de 2030-2050. A população a residir em áreas rurais, tende para diminuir nas regiões desenvolvidas e nas regiões em vias de desenvolvimento, projetando-se 3,41 mil milhões de habitantes em 2018, 3,38 mil milhões em 2030 e 3,09 mil milhões em 2050 (UN, 2019). A população a residir em áreas urbana, estima-se um aumento significativo em todas as regiões de, 4,22 mil milhões em 2018 para 5,17 mil milhões em 2030 e 6,68 mil milhões em 2050. Globalmente verifica-se uma diferença elevada de população, estima-se que as regiões desenvolvidas apresentem 16,5 % da população mundial em 2018, com tendência a diminuir para 15,1 % em 2030 e 13,3 % em 2050. Nas regiões em vias de desenvolvimento, estima-se que a representatividade mundial seja de 83,5 % em 2018, com tendência a crescer para 84,9 % em 2030 e para 86,7 % em 2050 (UN, 2019). Assim, o mundo precisará produzir aproximadamente mais 50 % de alimentos e mais 30 % de água potável ao mesmo tempo que mitiga e se adapta às alterações climáticas. O crescimento no tamanho e na densidade populacional, não é apenas quantitativo, mas também qualitativo, no sentido em que as tendências sociais globais revelam um aumento do consumo de carnes e laticínios, que, portanto, exigem um processo de produção intenso com mais cereais, mais água, mais fertilizantes e energia. Em 2030, a gestão da escassez de água e de alimentos (agrícolas e pesca) será um grande desafio. O abastecimento alimentar poderá estar comprometido (PNPOT, 2019). Em Portugal estima-se que os atuais 56,6 % de habitantes a residir em áreas urbanas cresçam para 63,3 % em 2030 e para 75,4 % em 2050, desenvolvendo-se geograficamente para próximo do litoral (Barata, et al ., 2018). Demograficamente, segue a tendência dos países desenvolvidos com pirâmides etárias tipicamente alongadas no topo e estreitas na base, traduzindo-se em uma elevada esperança média de vida e consequente envelhecimento da população, aliado a um baixo número de nascimentos e consequente diminuição de população economicamente ativa. Estima-se que, a população diminua de
62 10,24 milhões de habitantes em 2020 para 10 milhões em 2030, com tendência para descer até aos 9,17 milhões em 2050. A população jovem diminuirá de 1,5 milhões em 2011 para 1,2 milhões em 2030, a população ativa, poderá diminuir de 7 milhões em 2011 para 5 milhões em 2030 e a população idosa poderá passar de 1,7 milhões em 2010 para 2,5 milhões em 2030 (INE, 2017). Assimilando que o aumento demográfico será principalmente em países em vias de desenvolvimento, que tipicamente, apresentam emissões de GEE superiores. O rápido crescimento económico e demográfico de países como a India (7 % em 2018) e o Brasil (2,9 % em 2018), contribuirá significativamente para a manutenção dos valores médios das emissões de CO2 globais (UN, 2019). Os países em vias de desenvolvimento serão os responsáveis por 65 % do consumo mundial de energia, prevendo-se um aumento do consumo de 2,2 % por ano, enquanto nos países desenvolvidos, se prevê um aumento de 0,5 % por ano. Comprova-se assim, a necessidade da introdução dos conceitos científicos e tecnológicos de sustentabilidade, em equidade a nível mundial, para mitigar o problema do aquecimento global. 4.4. Análise de vulnerabilidades e gestão de riscos A vulnerabilidade às alterações climáticas dos sistemas humanos, geofísicos, biológicos e socioeconómicos, difere substancialmente entre as regiões e entre as populações dentro das regiões. Expressa o grau de perda a que um determinado elemento está sujeito em face da ocorrência de um determinado fenómeno (Verde & Zêzere, 2007). É a propensão para um determinado sistema ser afetado negativamente (IPCC, 2014). A vulnerabilidade abrange uma variedade de conceitos e elementos que dependem da maior ou menor exposição aos impactes previstos ou verificados e o grau em que um determinado meio ou sistema é afetado (sensibilidade) mediante a sua capacidade de adaptação. Dando um exemplo de uma determinada área urbana em que as alterações climáticas estimulam o aparecimento de fenómenos extremos de precipitação (exposições) e, devido à localização geográfica em uma peneplanície próxima do litoral, caracterizada por baixos declives e por uma fraca drenagem de águas pluviais, aliada a uma elevada impermeabilização do solo (sensibilidade), determinará o impacto potencial, mediante a capacidade de adaptação e de resiliência das pessoas, atividades económicas,
63 infraestruturas e património cultural intrínseco. Assim, a vulnerabilidade é determinada pelos potenciais impactos das alterações climáticas e a capacidade dos sistemas naturais e humanos se adaptarem. Os riscos das alterações climáticas não são unicamente circunstâncias geradas externamente ou alterações no sistema climático que as sociedades respondem, mas sim, o resultado de complexas interações entre sociedades, ecossistemas e perigos decorrentes das alterações climáticas. O risco é a probabilidade que um determinado fenómeno ocorra em um local específico, sob determinadas circunstâncias e as suas consequências esperadas caracterizadas pelos impactes nos objetos afetados (Verde & Zêzere, 2007), reconhecendo o grau de perda e a diversidade dos valores (IPCC, 2014). O risco é aqui entendido como o produto entre a perigosidade e o dano potencial. A perigosidade é a probabilidade de ocorrência de fenómenos potencialmente destruidores no tempo e no espaço, resultado do produto da probabilidade de ocorrência (cronologia) e a suscetibilidade, que expressa a propensão de uma dada área para ser afetada pelo fenómeno estudado. O dano potencial é o produto entre a vulnerabilidade e o valor económico do elemento em risco, onde a vulnerabilidade expressa o grau de perda (muito ou pouco dano) a que um determinado elemento está sujeito em face da ocorrência do fenómeno tratado. O valor económico expressa o valor de mercado em euros dos elementos em risco, permite quantificar o investimento necessário para recuperar um elemento, em função da sua vulnerabilidade (Verde & Zêzere, 2007). Dando como exemplo uma área urbana no nordeste de Portugal continental, localizada numa zona climática caracterizada pelo período de verão quente e seco, influenciado pelo vasto anfiteatro do Minho com frente para o Atlântico, que retêm os ventos húmidos marítimos e origina uma abundante precipitação (Gerês). Ao integrar o produto da suscetibilidade da região ao calor com a probabilidade de fenómenos extremos de seca prolongada, resultaria na perigosidade elevada para a saúde pública e de incêndios florestais nas periferias. Assimilando, um grau de perda (vulnerabilidade) devido à redução do valor das madeiras, das fatalidades sociais e do inevitável consumo elevado de recursos hídricos, resulta no dano potencial que, em função da probabilidade de ocorrência, determinará o nível do risco e a consequente gestão dos elementos que poderão ser afetados pelos fenómenos extremos de seca prolongada. Assim, o risco é uma probabilidade verossímil de ocorrência de um determinado fenómeno, que pode provocar dano no humano, na sociedade e no ambiente, dependente do nível de mitigação para determinar o valor da consequência. A gestão do risco enfatiza a relação entre os processos organizacionais e as características da situação, defendendo uma adaptação da uma determinada
64 estrutura às várias contingências. Através de um planeamento estratégico 23 , é possível preparar medidas de adaptação para reduzir as vulnerabilidades em relação aos riscos. 4.5. Mitigação e adaptação nas áreas urbanas As cidades, como modelos mais evoluídos de reorganização e artificialização do território, são simultaneamente grandes responsáveis pelas alterações climáticas e vítimas importantes dos seus efeitos. Na resposta a este duplo problema, são necessárias estratégias combinadas de mitigação e adaptação às alterações climáticas, com abordagens integradas que equacionam múltiplos sectores, como o planeamento estratégico e o ordenamento do território, a regulamentação da construção, o fornecimento de energia, a monitorização do sistema de transportes, a gestão do espaço público, da água e dos resíduos. Em Portugal, registaram-se subidas do nível médio do mar de 2,1 mm/ano entre 1992 e 2004 e 4 mm/ano entre 2005 e 2016. Todos os cenários e projeções preveem um aumento significativo da temperatura média em todas as regiões, prevendo-se em 2040, 0,5ºC nas áreas costeira e de 2ºC no interior, valores que podem chegar até aos 3ºC e 7ºC, respetivamente, em 2100. Esta variação é acompanhada por um incremento da frequência e intensidade de ondas de calor. Na precipitação, 23 Planeamento estratégico é o processo de condução da mudança, baseado numa análise participativa da situação e da evolução previsível e na definição de uma estratégia de utilização dos recursos (escassos) nos domínios críticos. Figura 5 – Organograma de analise de vulnerabilidade e gestão de riscos (Verde & Zêzere, 2007 e IPCC, 2014).
65 projeta-se uma redução de 20 % a 40 % do nível atual de pluviosidade anual. O processo de desertificação do solo tenderá a intensificar-se (PNPOT, 2019). A mitigação está diretamente associada com as ameaças e oportunidade da alteração dos modelos tradicionais de desenvolvimento económico, onde a transição para energias primárias renováveis do setor energético global exigirá investimentos significativos, mas que o seu sucesso determinará o desagravamento das alterações climáticas, a melhoria ambiental e consequente qualidade de vida. O desafio das alterações climáticas não é apenas um problema político, económico, tecnológico ou institucional, mas sim, um problema da vida que transcende a individualidade da política, da economia, da ciência e da sociedade (Bache, et al ., 2015). Atingir o objetivo de reduzir os GEE até 2030 e chegar a zero emissões em 2050 exige esforços sem precedentes no quotidiano das sociedades, economias, infraestruturas e instituições governativas, nomeadamente, alterações relevantes no modo como a energia é produzida e repartida pelas diversas atividades. Os sistemas de logística estão relacionados com as ações e preferências de consumo dos cidadãos e comunidades. Alterações profundas nos valores, normas e culturas consumistas são, inevitavelmente, parte da sustentabilidade da transformação necessária (PETI3+, 2015). As cidades contêm potencialidades que podem ser aproveitadas para enfrentar os desafios, retirando benefícios complementares. É necessário selecionar medidas adequadas de mitigação e, sempre que necessário, optar paralelamente por soluções de adaptação, que permitam mitigar a previsão de consequências nefastas das alterações climáticas e maximizar os benefícios que possam trazer. 4.5.1. Mitigação Para mitigar a interferência antrópica no sistema climático é necessário concretizar ações para reduzir a emissão de GEE ou potenciar a sua remoção da atmosfera através de absorventes. A mitigação assenta no princípio base de estabilização da concentração de GEE na atmosfera, no qual, está associada uma meta de referência correspondente ao intervalo de 450-550 ppmv eq. CO2, considerada como nível de segurança para reter o aquecimento global em valores médios inferiores a 2°C. A emissão de GEE é um fenómeno comum a vários sectores de atividade, justificando, por isso, o carácter transversal das políticas de mitigação. São necessários investimentos em plataformas de I&D+i
66 (investigação, desenvolvimento e inovação) para criar tecnologia que permita maximizar o desempenho operacional de um determinado equipamento, aliado a um consumo reduzido de energia e zero emissões de GEE e, políticas de planeamento e gestão que incentivem e monitorizem a manutenção e o incremento de espaços verdes urbanos, uma adequada florestação dos terrenos baldios e privados, estabelecendo regras concretas sobre as espécies plantadas (autóctones e ignífugas) e os stakeholders para minimizar o nível de riscos dendrocaustológicos. Para uma decisão informada, é importante considerar as fontes e a respetiva contribuição dos GEE. O gás mais importante em termos de quantidade de emissões é o CO2, que representa 76 % do total de emissões de GEE e apresentou um crescimento de 2,9 % em 2018 (Tabela 2). As emissões de CH4 cresceram 1,3 % por ano na última década (2009 -2018) e 1,7 % no ano em 2018. O N2O apresenta um aumento constante de 1,0 % por ano na última década e 0,8 % em 2018. Os gases fluorados (SF6, HFCs e PFCs) apresentam um rápido crescimento de 4,6 % por ano na última década e 6,1 % em 2018. O NF3 apesar de ser considerado como um GEE e regulado pelo Protocolo de Quioto 24 , não se encontra nas atuais estatísticas, aqui, introduzido para efeitos de analise junto com os gases fluorados (UN, 2019). Os países do G20 25 são responsáveis por 78 % do total de emissões de GEE. Embora as estatísticas globais forneçam importantes informações sobre o progresso coletivo, a realidade é que mascaram as dinâmicas a nível local. A China (26 %), a UE28 (8 %), a India (7 %) e os EUA (13 %) contribuíram com mais de 54 % das emissões totais de GEE na última década (2009 -2018) (UN, 2019). Para a redução global de emissões de GEE é necessária uma transformação setorial de longo prazo que permita atingis as zero emissões o mais breve possível. Através da descarbonização total do setor energético, com base em energias renováveis, reduzindo gradualmente a dependência de matéria-prima de origem fóssil. Eletrificação em todos os setores de atividade, incluindo o setor dos transportes que necessitará de uma introdução de modos de transporte sustentáveis para promover a mobilidade coletiva e individual, ciclovias e locais para os peões. Alterações nas tecnologias e processos industriais em direção à gradual eletrificação. Descarbonização do setor da construção e a eficiência energética das infraestruturas construídas. Gestão agrícola eficiente, bem como, racionalização do lado do consumidor para minimizar os desperdícios alimentares. Proibir a desflorestação e adotar políticas para a 24 Protocolo de Quioto estabelece objetivos legalmente vinculativos para que os países desenvolvidos limitem ou reduzam as emissões de GEE. Foi adotado em 1997 e entrou em vigor em 2005. O vapor de água é o GEE mais importante, mas, como não é produzido por seres humanos em quantidade significativa, não é regulado pelo Protocolo de Quioto. 25 O G20 é formado pelas 19 maiores economias do mundo. Fazem parte os oito países mais ricos e influentes do mundo (G8: Alemanha, Canadá, EUA, França, Itália, Japão, Reino Unido e Rússia) e os 11 países emergentes (África do Sul, Arábia Saudita, Argentina, Austrália, Brasil, China, Coreia do Sul, India, Indonésia, México e Turquia).
67 conservação e manutenção do ciclo do carbono terrestre para preservar os ecossistemas naturais (IPCC, 2012). 4.5.2. Adaptação Os esforços globais de mitigação são determinantes para afastar os impactes mais catastróficos das alterações climáticas, no entanto, mesmo que as emissões de GEE estabilizassem hoje, a dinâmica de transformação, alimentada pelas emissões passadas, constitui inevitavelmente ameaças à vida, ao património e à prosperidade. A adaptação é o processo que procura minimizar os efeitos negativos dos impactes das alterações climáticas. Nos sistemas antrópicos, a adaptação visa moderar ou evitar danos ou explorar oportunidades benéficas. Em alguns sistemas naturais, a intervenção humana pode facilitar a adaptação ao clima esperado e aos seus efeitos (IPCC, 2014). A adaptação pode ser preventiva, adotar ações preventivas aos efeitos esperados ou reativa, adotar as ações depois dos efeitos se sentirem. Os países têm diferentes capacidades de adaptação aos impactos das alterações climática. A resiliência é uma indicação da capacidade de um sistema de absorver as mudanças e está, portanto, intimamente relacionada ao conceito de capacidade adaptativa. Os elementos de qualquer iniciativa de adaptação passam por uma análise sobre os elementos físicos e humanos de um território. Deve-se analisar os dados meteorológicos, as previsões de seca e de pluviosidade regionais e nacionais, efetuar projeções futuras a partir de modelos climáticos, analisar a política de ordenamento do território e o regime do uso do solo, analisar as dinâmicas demográficas, as Tabela 2 – Principais gases de efeito estufa, o seu crescimento mundial no ano de 2018, o total das emissões mundiais e o potencial de aquecimento global no período de 100 anos. Fonte: (IPCC, 2012 e UN, 2019).
68 previsões de desenvolvimento económico, o desenho urbano e verificar todos os programas especiais 26 , setoriais e os planos territoriais de planeamento e ordenamento do território. As variáveis podem, então, ser utilizadas para avaliar os impactes climáticos e as vulnerabilidades relacionadas. Com base na avaliação, as opções de adaptação podem ser selecionadas tendo em consideração o custo-eficácia e a aceitação pública. No setor da energia são esperados impactes ligeiros, no entanto, eventos extremos, tais como tempestades, secas ou períodos de muita ou pouca água afetam o sistema de produção energética, por isso é necessário garantir a disponibilidade hídrica para a produção de energia. Com a subida generalizada das temperaturas a necessidade de consumo para aquecimento será mais reduzida, simultaneamente, a necessidade de energia para arrefecimento deverá aumentar. Nos transportes as opções mais relevantes de adaptação são o desenvolvimento de sistemas tecnológicos inteligentes de deteção e informação de eventos climáticos adversos, acautelando comportamentos, minimizando danos físicos como os acidentes rodoviários e danos económicos como congestionamento que provocam atrasos, stress e poluição atmosférica. Nos pavimentos, as misturas betuminosas relacionam-se bem com o calor, por outro lado, a precipitação intensa provoca dificuldade de drenagem (Diário da República, 2010). 26 Os programas especiais visam a prossecução de objetivos considerados indispensáveis à tutela de interesses públicos e de recursos de relevância nacional com repercussão territorial, estabelecendo, exclusivamente, regimes de salvaguarda de recursos e valores naturais. Têm por objeto a orla costeira, as áreas protegidas, as albufeiras de águas públicas e os estuários (art.º 42º, (RJIGT, 2015). Tabela 3 - Medidas de mitigação e adaptação às alterações climáticas em área urbanas. Mitigação Adaptação X X X X X X X X X X X X X X X X X X Medidas Adequar a geometria urbana às necessidades de arrefecimento e ventilação Adequar a ocupação do solo e as infraestruturas à fenómenos hidrológicos extremos Aumentar à superfície ocupada por vegetação (sobretudo arbórea) Aumentar as superfícies permeáveis Aumentar e melhorar os espaços públicos abertos Combustíveis fósseis mais eficientemente para processos industriais ou geração de eletricidade Renaturalizar os rios para melhorar a retenção de água e evitar cheias Criar ciclovias e espaços para peões Criar sistemas de armazenamento de água Eficiência energética nos edifícios Hegemonia da energia solar e eólica Reduzir o tráfego automóvel (fomentar transporte partilhado em detrimento do individual) Fonte: (Bache, et al. , 2015, IPCC, 2014, UN, 2019 e Alcoforado, et al. , 2009).
75 um aumento de 23,5 % (APA, 2019). Comparativamente com a média da UE28 (8,7 tCO2eq./hab), Portugal apresentava, em 2017, emissões de GEE per capita inferiores em aproximadamente -21 %. Os objetivos comunitários estabelecidos para 2020 pretendem uma representatividade de 31 % de fontes de energia renováveis no consumo final bruto de energia e 10 % no consumo final de energia nos transportes. Portugal, em 2017, apresentou um aumento no consumo final bruto de energia renovável de 28,1 % e no setor dos transportes um aumento de 7,9 %, resultando em aproximadamente 91 % do cumprimento da meta para 2020 (APA, 2019). Apesar do petróleo continuar a ser a principal fonte de energia primária (Gráfico 3), seguido do gás natural, de renováveis e do carvão (14,4 %), verifica-se a redução na utilização do petróleo de 52,9 % em 2007 para 40 % em 2017, enquanto, a utilização de fontes renováveis aumentou de 17,6 % em 2007 para 21,3 % em 2017 e do gás natural de 15,2 % para 24,2 % em 2017. Quanto ao consumo final por forma de energia (Gráfico 3), verifica-se que, em 2017 o petróleo continua a ser a principal fonte de energia (48,4 %), seguido da eletricidade (25,7 %), gás natural (11,1 %), calor (7,3 %) e renováveis (6,8 %). Em relação à UE28, Portugal é o quinto país com maior quota de eletricidade proveniente de fontes de energia renováveis. Em 2017, o setor dos transportes continuou a ser o principal consumidor de energia (37,2 %) (Gráfico 3), seguido da indústria (31,3 %), doméstico (16,4 %), serviços (12,2 %) e agricultura e pescas (2,9 %). No período 2007-2017 registaram-se taxas de crescimento médias anuais negativas, nos transportes (- 1,2 %), na indústria (-2,4 %), no doméstico (-2,2 %), nos serviços (-1,5 %) e na agricultura e pescas (- 0,3 %) (DGEG & ADENE, 2019).
76 4.8. Setor dos transportes O setor da energia será essencial para o sucesso dos esforços de mitigação na obtenção dos objetivos de redução de GEE em 2030 e a conquista do objetivo de zero emissões em 2050. Neste sentido é necessária uma transformação significativa nos modos de produção e consumo da energia final. Sem a implementação de políticas de mitigação agressivas e sustentadas, as emissões dos transportes podem aumentar a uma taxa mais rápida do que as emissões dos restantes setores de uso final de energia e atingir cerca de 12 GtCO2eq./ano até 2050 (APA, 2019). A descarbonização do setor da energia representa um elevado benefício para o setor dos transportes que, em 2014, representava 28 % do consumo final de energia e 23 % das emissões de CO2 do setor energético mundial. As emissões do setor de transportes cresceram rapidamente e aumentaram 2,5 % por ano entre 2010 e 2015, em grande parte devido ao crescimento económico e alterações no comportamento da população. O setor dos transportes consome aproximadamente 65 % do petróleo global, diretamente influenciado pelos 92 % de modos de transporte movidos por derivados de petróleo (UN, 2019). Gráfico 3 – Consumo primário de energia primária, consumo total de energia final e consumo de energia final por setor de atividade em Portugal no ano de 2017 acompanhado por organograma do percurso energético (APA, 2019 e DGEG & ADENE, 2019).
77 Uma alteração radical na estrutura do setor dos transportes representa o fator chave para uma adequada mitigação dos efeitos esperados pelas alterações climáticas. A descarbonização do setor exigirá uma alteração radical na natureza e estrutura do sistema de transportes, grandes melhorias na eficiência energética, no tipo de veículos e uma transição significativa e rápida no tipo de energia utilizada. Uma ação agressiva no presente representaria a base para a implementação de uma continuidade saudável em direção à meta de longo prazo. O setor dos transportes da Europa depende fortemente de combustíveis fósseis e responde por um quarto das emissões de GEE europeias. Cumulativamente, é uma fonte significativa de poluição do ar e de ruído ambiental. O consumo anual de energia nos transportes europeus aumentou 38 % entre 1990 e 2007 (32 % na UE28). No entanto, a recessão económica causou um declínio na procura de transporte, levando a uma redução de 3 % no consumo de energia relacionada (EEA, 2020). O transporte marítimo atingiu o pico de emissões no ano de 2008, seguido de uma redução de 25 % até 2015. Desde 2015, as emissões aumentaram gradualmente atingindo 146 MtCO2eq. em 2017, contudo, os valores são inferiores - 20 % em relação ao ano de 2008. A aviação cresceu significativamente nas últimas décadas, duplicando as emissões de GEE relativamente ao ano de 1990 e apresenta uma taxa média de crescimento de 3 % desde o ano de 2013. Em 2017 a aviação representava 3,9 % das emissões totais de GEE da UE28. O transporte rodoviário responde pela maior proporção do consumo de energia no setor dos transportes. Em 2017 representou 73 % do consumo total de energia final, um valor 34 % superiores aos valores de referência de 1990. Desde 2014, o consumo de petróleo 33 tem apresentado uma tendência ascendente a uma taxa média de 2,2 % por ano. Em 2017, ficou 4 % abaixo dos níveis de 2008. As emissões de GEE dos transportes aumentam todos os anos desde 2014 e em 2018 as emissões correspondem a 29 % acima do valor de base de 1990. Atingir a neutralidade carbónica precisará da redução de 90 % das emissões dos transportes até 2050 (EEA, 2020). Em Portugal, a curto prazo, pretende-se uma redução dos GEE em 2020 de -14 % e de -40 % em 2030 (APA, 2019), no entanto, as emissões dos transportes sofreram um aumento de 68 % no período 1990 a 2017 e representaram 37,2 % do consumo final de energia, verificando-se, que os transportes rodoviários representavam 95 % deste valor (DGEG & ADENE, 2019). Após o crescimento constante das emissões até ao início do ano 2000, no qual, se seguiu um período de estabilização, registou-se após 2005 um decréscimo das emissões deste setor. Nos anos mais recentes, tem-se registado uma inversão 33 Os combustíveis derivados de petróleo abrangem todos os combustíveis, exceto biodiesel, biogás, energia elétrica, gás natural e biocombustíveis sólidos. Em 2016, os combustíveis derivados de petróleo representaram 95 % de todos os combustíveis consumidos. Com 3 % do consumo total de energia, o biodiesel era a maior fonte de combustíveis não derivado de petróleo, enquanto a energia elétrica era a segunda, com 1,0 %.
78 desta tendência, com o aumento de 8,4 % das emissões dos transportes no período entre 2013 e 2017 (DCLIMA, 2019). O setor de transportes é, juntamente com o sistema de geração de energia, um dos principais emissores nacionais de emissões de GEE (24,2 %) e o setor com o maior crescimento de emissões nas últimas décadas. Este setor inclui transporte rodoviário, ferroviário, marítimo doméstico e aviação civil (apenas os componentes nacionais) e pode ser dividido em transporte de passageiros e mercadorias. Em 2017, (Gráfico 4) o subsetor rodoviário (16.338 KtCO2eq.) responde por 96 % das emissões dos transportes, com os caminhos de ferro nacionais (33,03 GgCO2eq.), a aviação civil (506 ktCO2eq.) e o transporte marítimo doméstico (270.9 ktCO2eq.) a representar apenas 4 % das emissões. As emissões da aviação civil totalizaram 4376 ktCO2eq, dos quais 506 ktCO2eq. são de voos domésticos e 3870 ktCO2eq. são de voos internacionais. Apesar da crescente eletrificação das linhas ferroviárias, as locomotivas, manobras e vagões ainda são responsáveis por parte substancial do transporte ferroviário e consequentemente os seus escapes produzem 33,03 GgCO2eq (DCLIMA, 2019). As emissões de GEE dos transportes rodoviários foram estimadas em cerca de 16.338 KtCO2eq. em 2017, representando um aumento de 71 % em comparação com os 9574 KtCO2eq. estimado para 1990. A utilização de veículos ligeiros é responsável por 60 % das emissões em relação ao total do transporte rodoviário, é também, o setor com a maior intensidade energética e a maior contribuição indireta para a importação de energia primária e dependência energética associada, detêm taxas de eficiência de utilização bastante baixas, com valores de cerca de 1,2 passageiros por veículo ligeiro e ocupação média de transporte público entre 17 % e 24 % (abaixo da média europeia), deixando espaço para ganhos de eficiência significativos. O parque automóvel rodoviário, em 2017 (Gráfico 4), era composto por veículos ligeiros (71,43 %), comerciais ligeiros (18,28 %), pesados de mercadorias (1,33 %), autocarros (0,22 %) e motas (motociclos, ciclomotores e monociclos, 8,74 %) num total de 6.775.546 veículos (APA, 2019). Trata-se de um setor em que é urgente reverter a tendência crescente de emissões. A próxima década será uma alteração de paradigma, estão previstos investimentos significativos para a descarbonização do setor através da progressiva alteração dos combustíveis fosseis tradicionais por eletricidade, biocombustíveis avançados e hidrogénio, concretizando benefícios significativos para a eficiência energética e o meio ambiente. Na evolução do consumo de energia nos transportes nacionais, o transporte rodoviário representa 95 % de todo o consumo. De 2007 para 2017, o consumo de energia nos transportes diminuiu cerca de 11 %, devido principalmente à redução do consumo do transporte rodoviário particular. De 2007 para 2013, o consumo neste setor caiu 17 %, tendo recuperado 7 % de 2013 para 2017. Nos últimos 25 anos,
79 o peso do consumo do gasóleo nos transportes rodoviários aumentou de 50 % para, quase, 80 %. A gasolina, nesse período, teve uma evolução inversa, passando de um peso de 50 % para 20 %. De 2007 para 2017, o consumo de gasóleo utilizado no transporte rodoviário caiu 3 %. O consumo de gasolina no mesmo período caiu 10 %, enquanto o GPL auto e o gás natural veicular, no seu conjunto, subiram 37 %. Em 2017, o peso do GPL auto e do gás natural no total dos transportes foi de 0,7 % e 0,3 %, respetivamente. O peso do consumo de eletricidade nos transportes rodoviários foi residual. Analisando a evolução dos preços médios de venda ao público dos dois principais combustíveis líquidos consumidos em Portugal continental, verifica-se que o gasóleo, entre 2008 (1,260 €/L) e 2018 (1,343 €/L) aumentou 6,6 %, representando o décimo preço mais elevado da UE28 (2,8 % superior à média da UE28). No caso da gasolina 95, entre 2008 (1,386 €/L) e 2018 (1,537 €/L), o aumento foi de 10,6 %, afirmando-se com o terceiro preço mais alto da UE28 (5,9 % superior à média da UE28) (DGEG & ADENE, 2019). 4.8.1. Mitigação nos transportes Algumas das ações de mitigação relacionadas com o setor dos transportes implicam o planeamento urbano, redução do número de viagens, diversidade do uso de modos de transporte, expandir a oferta e procura dos transportes públicos e cultura de partilha, melhorar a eficiência dos veículos particulares, da logística de last mile e a eletrificação do setor. Gráfico 4 – Emissão de GEE no setor dos transportes portugueses e composição do parque automóvel no ano de 2017 (DGEG & ADENE, 2019 e DCLIMA, 2019).
80 A mitigação da emissão de GEE no setor dos transportes, representa um particular desafio, pois, é o setor que mais contribui para o fenómeno das alterações climáticas, assim como, para a satisfação das necessidades pessoais, sociais e económicas, produção do desenvolvimento e coesão territorial. Os transportes têm muitos stakeholders , incluindo os utilizadores privados e comerciais, os fabricantes de veículos, os fornecedores de combustíveis, construtores de estradas, planeadores e prestadores de serviços de transporte. A administração pública abrange as estruturas do Estado, participantes e colaboradores com um objetivo comum de prossecução do interesse público e da proteção dos direitos e interesses dos cidadãos. Absorve as demagogias e a retoricas políticas, os pactos em ciclos eleitorais e as disfunções da democracia. Para responder ao desafio das alterações climáticas é necessário extinguir a tradição passada de associação entre o planeamento e gestão dos transportes e infraestruturas ao ciclo político, que condicionam a eficiência da operação e a racionalidade e continuidade de projetos e investimentos (PETI3+, 2015). Uma estratégia de médio e longo prazo no setor dos transportes é um fator fundamental para o desenvolvimento sustentável do próprio sistema, da sociedade em geral e da resiliência mundial. As emissões relacionadas com o transporte constituem um elemento significativo do aumento dos GEE. Mundialmente, o setor dos transportes representa 28 % do consumo final de energia e 23 % das emissões de CO2 do setor energético mundial no ano de 2014. Na Europa, as emissões no ano de 2018 representavam valores 29 % acima dos valores de base de 1990 (aumentam todos os anos no período de 2014 a 2018), demonstrando que apesar do Protocolo de Quioto, em 2005, estipular limites para as emissões, a mitigação governativa conjunta representa-se como um eufemismo. Em Portugal, as emissões do setor dos transportes sofreram um aumento de 68 %, no período 1990 a 2017 e representaram 37,2 % do consumo final de energia. Verifica-se nos transportes rodoviários, uma representação de 95 % no total das emissões do setor dos transportes (DCLIMA, 2019). Os estímulos do controle governativo no setor dos transportes têm, portanto, indiscutivelmente de ser fortes e coesos quando são necessárias iniciativas de controle para gerir as emissões de carbono. As estratégias para reduzir as emissões de GEE no setor dos transportes, absorvem o risco do fracasso se não existir concordância das stakeholders e uma avaliação que contemple a heterogeneidade do território e da população de forma a oferecer melhores meios para resolver as necessidades de mobilidade, para a particularidade de cada localidade ou região, incitando um crescimento inteligente, sustentável e inclusivo.
81 Atualmente, o fraco nível de intermodalidade do sistema de transportes, a quota modal desequilibrada no transporte de passageiros, com forte prevalência do transporte particular e a quota modal desequilibrada no transporte de mercadorias, com forte prevalência do modo rodoviário traduz-se em mais emissões de poluentes locais (PETI3+, 2015). A introdução de novas tecnologias ecológicas para mitigar todo o aumento exponencial de veículos individuais motorizados, seria uma mais-valia se, introduzida equitativamente pelas diversas economias mundiais, caso contrário, sem a implementação de tecnologias e políticas de mitigação agressivas e sustentadas, as emissões dos transportes podem aumentar a uma taxa mais rápida do que as emissões do outro qualquer setor. Em Portugal, para o setor dos transportes e para a mobilidade, estão previstas alterações profundas, com grande penetração no veículo elétrico, levando a uma redução das emissões, em relação ao ano de 2005, de aproximadamente 41 % em 2030 e 60 % em 2040 (APA, 2019). Após 2020 esperam-se alterações profundas no perfil tecnológico dos transportes permitindo um decréscimo no consumo de energia, ainda que, os valores da procura por mobilidade de pessoas e de mercadorias aumente até 2050. Prevê-se uma crescente eficiência energética no setor dos transportes e a incorporação de energias renováveis de 35 % em 2030, 60 % em 2040 e 90 % em 2050 (APA, 2019). A evolução tecnológica permite que os veículos elétricos compitam com os veículos de combustão já em 2020, como é o caso dos veículos comerciais ligeiros que normalmente efetuam serviços de curta distância. No caso dos veículos de passageiros, prevê-se que a mobilidade elétrica seja uma opção custoeficaz a partir de 2030. A tecnologia mais competitiva é a dos veículos híbridos plug-in a gasolina que apresentam elevada eficiência e permitem assegurar o transporte de longa distância. É expectável que após 2030 a procura nacional por produtos refinados (gasolina e gasóleo) nos transportes diminua, levando à redução da atividade do setor da refinação (APA, 2012). O futuro da mobilidade será sustentável, autónomo, elétrico e partilhado. Será um futuro em que os utilizadores terão maior poder para gerir a sua própria mobilidade, resultado do aumento da digitalização. No entanto, a alteração de paradigma não termina com a introdução da inovação tecnológica, é necessário um foco contínuo no transporte público e na alteração dos padrões de mobilidade para reverter as tendências de utilização do veículo particular em detrimento do transporte coletivo (PETI3+, 2015), sendo uma das medidas mais importantes a adotar para a descarbonização e eficiência energética. O aumento da procura por serviços de transporte, por parte dos passageiros, deve ser assegurado com mais transporte coletivo equipado com tecnologia de baixa emissão, com a opção ampla de serviços
82 de partilha e com o objetivo inerente do aumento da expressão dos modos ativos na mobilidade de curta distância. A alteração nos hábitos de consumo e poupança da sociedade (PETI3+, 2015) também não deve ser negligenciado, tanto em relação às decisões dos modos de transporte a utilizar, como na adoção de comportamentos mais eficientes, na promoção de uma condução ecológica e na utilização das novas tecnologias para induzir comportamentos sustentáveis na mobilidade. A descarbonização da mobilidade está intimamente ligada aos modelos de organização territorial das cidades. Deve existir uma integração crescente das questões energéticas, ambientais e de ordenamento do território no planeamento e desenvolvimento do sector dos transportes (PETI3+, 2015), das atividades económicas e de lazer, individuais e coletivas, e as suas necessidades de mobilidade. As cidades são agentes ativos na descarbonização da economia, é essencial aproveitar essa dinâmica para criar cidades de baixo carbono. A introdução de medidas de mitigação nos transportes, são transversais a diversos setores da sociedade. A introdução de novas políticas no setor dos transportes, beneficiam o próprio sistema, a competitividade da indústria, a melhoria das condições de vida dos cidadãos e a proteção do meio envolvente. Normalmente, a forma mais simples de resolver o problema é através da introdução de impostos que refletem o custo social e ambiental (Bell, et al ., 2003). Na prática, as medidas economicamente eficientes, tais como, os encargos aos utentes das estradas ou impostos sobre veículos motorizados (componente de CO2 no imposto de matrícula e no imposto de circulação) podem ser difíceis de implementar por razões técnicas e políticas. As circunstâncias locais exigem soluções locais, e o sucesso das estratégias pode depender da forma como são projetadas (Bache, et al ., 2015). Compreender o sistema atual e a sua evolução, considerar diversa medidas de implementação, consultar as stakeholders e incluir mecanismos de controle e regulamentação, são pontos fundamentais para uma adequada tomada de decisão. Neste sentido é possível distinguir uma série de medidas gerais e transversais, que envolvem o território, a energia e a sustentabilidade para a mitigação das alterações climáticas no setor dos transportes. As medidas relacionadas com o território, enquadram-se na descarbonização das cidades, na promoção de projetos I&D que constituam suporte à transição para uma economia de baixo carbono, promoção do aumento da penetração de equipamentos e produtos mais eficientes através da renovação dos existentes, promover a utilização racional da energia junto dos consumidores finais e incentivar I&D+i no domínio da eficiência energética (Alcoforado, et al ., 2009).
83 Na energia, é necessário promover a descarbonização do sistema electroprodutor, acelerar a produção de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, incentivar o investimento na produção de biocombustíveis avançados, nomeadamente através da valorização dos resíduos e recursos endógenos, incentivar I&D+i, nomeadamente no domínio do armazenamento, hidrogénio e outros combustíveis 100 % renováveis e promover a alteração de hábitos de consumo (APA, 2019). Nos critérios de sustentabilidade é fundamental reduzir a dependência do veículo particular através da redução do estacionamento junto das habitações, de medidas fiscais e restrições de trânsito que permitam a redução do congestionamento e através do aumento dos percursos verdes para modos ativos de transporte. Os carris dos elétricos devem ser construídos sobre solo permeável, as estações devem permitir interfaces com diversidade modal e as áreas limítrofes devem estar equipadas com grandes parques de estacionamento para promover a ligação da periferia ao centro da cidade em transporte público. Os utilizadores devem beneficiar de serviços de proximidade, todos os setores da economia devem ser eletrificados e devem existir sistemas de monitorização e serviços de alerta dos níveis de poluição e das fontes de poluição (PNPOT, 2019). O mercado automóvel deve ser apoiado com infraestruturas de abastecimento de combustíveis alternativos limpos e estimulado para a transição energética assente na eletrificação, nos biocombustíveis avançados e no hidrogénio (PETI3+, 2015). 4.9. Poluição atmosférica Continuamente são emitidos poluentes para a atmosfera que podem prejudicar gravemente a saúde pública. A emissão destes poluentes dá-se por variadas fontes de emissão, quer naturais, como atividade vulcânica, a atividade biológica de animais e plantas, processos de decomposição e erosão dos solos e incêndios florestais, quer antrópicos, fontes de poluição associadas às atividades económicas, como o transporte de pessoas e bens, as atividades extrativa, industrial, agrícola e pecuária, os serviços e equipamentos e as atividades residenciais e domésticas (Watson, et al ., 1996). Para facilitar a inventariação e tratamento espacial, as fontes emissoras podem ser classificadas como fontes pontuais, tratadas individualmente e caracterizadas segundo as suas dimensões ou como o contributo total das emissões de uma determinada área (centrais termoelétricas, indústria cimenteira), como fontes difusas, distribuídas de forma maioritariamente homogénea em determinada área, podendo incluir fontes de pequenas dimensões ou de difícil identificação (e. g., pequenas industrias, edifícios,
84 infraestruturas e tráfego rodoviário urbano) e, como fontes em linha, normalmente associadas a grandes infraestruturas de transporte, sejam rodoviárias, ferroviárias, fluviais ou marítimas (Lopes, et al. , 2017). De acordo com a sua origem, os poluentes podem classificar-se em primários e secundários. Os primários são diretamente emitidos pelas fontes emissoras, e. g., o monóxido de carbono 34 (CO) que, em áreas urbanas advém essencialmente do tráfego rodoviário, verifica-se as maiores concentrações em áreas com tráfego congestionado e, o dióxido de enxofre 35 (SO2) que advém essencialmente da combustão fóssil em centrais térmicas (Alcoforado, et al ., 2009). Estes poluentes podem sofrer transformações e reações químicas na atmosfera e dar origem a poluentes secundários. O mais conhecido é o ozono (O3) troposférico 36 que resulta da reação fotoquímica entre os compostos orgânicos voláteis não metânicos 37 (COVNM), que são emitidos através dos gases de escape dos veículos rodoviários ou por evaporação no momento da sua produção, armazenamento e utilização e, os óxidos de azoto 38 (NOx) que surgem como produto secundário da queima de combustíveis fósseis emitidos principalmente por veículos motorizados e entre o CO e o CH4, pelo que, as concentrações acompanham as variações do tráfego rodoviário e ocorrem maioritariamente sob a forma de monóxido de azoto (NO). Alguns destes gases não influenciam diretamente as alterações climáticas, mas afetam a formação ou destruição de outros GEE. Os CO, NOx e COVNM são substâncias precursoras do ozono. O SO2 produz aerossóis, que são partículas extremamente pequenas ou gotículas de líquido que também podem afetar as características de absorção da atmosfera (Almeida, et al ., 2010). A divisão modal no transporte de passageiros terrestre não alterou muito na década 2010-2019 na UE28. O transporte de passageiros em viaturas particulares, domina com 83 % dos utilizadores, 34 O CO provém essencialmente da combustão incompleta de combustíveis fósseis ou de outras matérias orgânicas, das erupções vulcânicas, os fogos florestais e da decomposição da clorofila. A exposição a concentrações elevadas de CO está associada à diminuição da perceção visual, capacidade de trabalho, destreza manual, capacidade de aprendizagem e desempenho de tarefas complexas. O CO intervém nos mecanismos de formação do azoto (N) troposférico. Na atmosfera, transforma-se em CO2, contribuindo para o efeito de estufa. 35 O SO2 é emitido no momento da queima de combustíveis fósseis com um elevado teor de enxofre (carvão e fuelóleo) e em atividades geotérmicas naturais. As emissões provenientes dos veículos têm vindo a baixar com a diminuição progressiva do enxofre nos combustíveis. O SO2 transforma-se em ácido sulfúrico no contacto com a humidade do ar e participa no fenómeno de formação das chuvas ácidas. A nível da saúde, provoca irritação dos olhos e problemas respiratórios. 36 O O3 troposférico é um poluente secundário formado pela reação das substâncias precursoras na presença de forte radiação solar. Trata-se de um poluente com forte poder oxidante que acelera a degradação dos materiais, promove a perda de produtividade da vegetação e o aumento da morbilidade e mortalidade da população exposta. Como é GEE, contribui para o aquecimento da troposfera. 37 Os COVNM compreendem compostos como os aldeídos (CHO), as cetonas e os hidrocarbonetos aromáticos monocíclicos, tais como, o benzeno (C6H6), tolueno, xilenos, correntemente designados por BTX. Destes compostos apenas o C6H6 é objeto de regulamentação. Estão incorporados na composição dos combustíveis, mas também, na de diversos produtos de uso corrente como as tintas, colas, cosméticos, solventes, detergentes de limpeza, de uso doméstico, profissional ou industrial. Os efeitos dos COV são muito variáveis, dependendo da natureza do composto, podendo variar de uma simples incomodidade olfativa até efeitos mutagénicos e carcinogénicos (provocados por compostos como o benzeno), passando por irritações diversas e por uma diminuição da capacidade respiratória. 38 A combinação do azoto (N) e do oxigénio (O2) do ar dá origem a compostos de fórmulas químicas diversas, agrupados sob a designação comum de NOx. Os mais relevantes, como poluentes atmosféricos, são o monóxido de azoto (NO) e o dióxido de azoto (NO2), embora apenas este último seja objeto de regulamentação. O NO2 é um gás muito corrosivo e um forte oxidante, é também a principal fonte de nitratos, que constituem uma fração importante das partículas PM2.5. O NO2 em concentrações elevadas causa efeitos que vão desde a irritação dos olhos e garganta, até à afetação das vias respiratórias. O NO é um gás pouco tóxico, considerado como um poluente pouco perigoso. Os NOx contribuem para o fenómeno das chuvas ácidas, para a eutrofização dos cursos de água e dos lagos, para a destruição da camada de O3 estratosférico e para o efeito estufa.
91 Segundo o INE, Portugal registou um elevado crescimento nos veículos ligeiros de passageiros e de mercadorias elétrico puro, de 42 veículos em 2010 para 10.580 em 2018 e com uma representação no parque automóvel de 0,16 % (Gráfico 6) (INE, 2010-2018). A mobilidade elétrica é um fator determinante para assegurar a substituição progressiva dos combustíveis fósseis no transporte rodoviário contribuindo para uma efetiva redução das emissões de GEE. Assim, é importante promover e apoiar a mobilidade elétrica, através do incentivo à introdução no mercado de VEs e do reforço das infraestruturas de carregamento. Portugal disponibiliza, desde 2015, incentivos à aquisição de VE puros, como o apoio à aquisição no valor de 2250 €, bem como, as isenções de imposto sobre veículos, tributação autónoma e imposto único de circulação (IUC) (APA, 2019). Os modelos contemporâneos de mobilidade urbana estão a ser levados ao limite da inovação. A mobilidade do futuro, que já se encontra em plena fase de testes e de melhoria, promete um futuro promissor para os VE puros. A pioneira na revolução do Táxi Aéreo Urbano, a Volocopter, encontra-se a desenvolver o táxi aéreo para as necessidades de mobilidade das grandes cidade e conurbações, iniciando um novo conceito de mercado, a mobilidade aérea urbana, que, no entanto, já se encontra bem demarcada no quotidiano de São Paulo, no Brasil, que apresenta a maior concentração de tráfego aéreo privado do mundo. Um novo mercado que promete fazer as delícias dos grandes empresários e da logística de valor acrescentado, com viagens para duas pessoas, inicialmente com piloto, posteriormente veículo autónomo, rápidas (velocidade de 80 a 100 km/h), livre de congestionamento e com um alcance de mais de 30 km. Os veículos apresentam valores de ruído de 65 dB(A) em pleno voo a uma distância de 75 m e de 75 dB(A) na aterragem a uma distância de 30 m. A Volocopter prevê uma entrada no mercado em 2025 com três cidades e projeções de 98 cidades no horizonte de 2050 (Volocopte, 2020). A cidade de Lund, na Suécia, prepara-se para ver nas ruas um novo conceito de Electric Road , em uma rota de teste implementada no decorrer de 2020. A Solaris Sverige AB, representante da Polish Solaris Bus & Coach no mercado sueco, participa do projeto EVolution Road, que pretende a criação de uma estrada elétrica que deteta e carrega automaticamente os VEs. A estrutura viária utiliza um sensor para identificar os VE que pretendem efetuar o carregamento, aciona o trilho instalado no pavimento que, em contacto com um braço de carregamento do VE dá início ao carregamento do veículo parado ou em andamento (Solaris, 2020). Na Alemanha, já se encontra em funcionamento, um troço de 10 Km no sul de Frankfurt, na autoestrada A5, uma autoestrada elétrica, que conecta veículos pesados híbridos a cabos aéreos
92 suspensos, permitindo o carregamento enquanto os veículos circulam pelas vias principais. O sistema foi desenvolvido pela Siemens e os veículos pesados são da Scania, unidade da Volkswagen (wiwo, 2020). 4.10.2. Carregamento wireless de veículos elétricos O grande paradigma encontra-se na tecnologia wireless já existente e em desenvolvimento que promete revolucionar o futuro dos VE puros através da transferência de energia, conhecida por transferência de energia wireless (TEW). Em 1888, Heinrich Hertz, demonstrou a propagação de ondas eletromagnéticas no espaço com um aparelho para gerar faíscas elétrica de alta frequência e detetá-las na plataforma recetora. Nikola Tesla, em 1893, em Chicago, demonstrou que conseguia acionar lâmpadas florescentes com energia wireless . Qualquer elemento condutor que detenha um fluxo de corrente elétrica gera um campo magnético (Patil, et al. , 2018). Apenas no final do séc. XX a tecnologia TEW obteve avanços significativos, entre as principais empresas investigadoras encontra-se a WiTricity, Conductix-Wampfler, Momentum Dynamics, Bombardier e Qualcomm. A Qualcomm detém a patente de pad magnéticas polarizadas Double D capaz de fornecer o dobro da potência nominal a trabalhar em 20 kHz, com maior eficiência em comparação com os pads circulares (Gilbert, et al. , 2012). A tecnologia wireless de carregamento de veículo elétrico (CWVE) utiliza o princípio da indução magnética para carregar a bateria de um VE sem a utilização de fios. A energia é transferida entre uma unidade de carregamento de base, instalada na superfície do pavimento e a unidade de carregamento do VE instalada na parte inferior do VE. O CWVE parece bastante simples, no entanto, na prática, é um Gráfico 6 - Número de veículos elétricos puros, híbridos plug-in e não plug-in matriculados em Portugal no período de 2010 a 2018 e Caracterização do mercado de veículos elétricos no ano de 2018 (INE, 2010-2018).
93 desafio desenvolver sistemas que ofereçam operação flexível e estacionamento fácil para uma ampla gama de veículos. Muitos dos sistemas atualmente desenvolvidos para a indústria automóvel exigem uma alimentação precisa dos dois elétrodos de carregamento e, em alguns casos, os elétrodos devem estar muito próximos ou juntos para alcançar as taxas de eficiência necessárias de transferência de energia. Em qualquer carregamento plug-in , a eficiência depende dos componentes eletrónicos (díodos, transístor, resistências, bobinas), do comprimento dos cabos de alimentação juntamente com a tensão, a frequência de conversão e o fator de potência elétrica. A eficiência dos carregamentos plug-in normalmente está na faixa de 85 % a 95 %, em alguns casos 80 %. Assim, o carregamento wireless precisa fornecer eficiência de transferência de energia acima de 90 % para ser comparável ao plug-in . A Qualcomm adquiriu a tecnologia da HaloIPT, uma empresa de subprodutos ( spin-off ) da Universidade de Auckland. O sistema de CWVE da Qualcomm Halo, concretiza mais de 90 % de eficiência na transferência de energia, com um aumento na eficiência à medida que a potência aumenta de um sistema de 3,7 kW (13 horas de recarga em baterias de 44 KWh) para 7,4 kW (6,5 horas), 11 KW (4,5 horas) e 22 kW (2 hora). Soluções de transferência de energia mais altas são mais eficientes porque a taxa de perdas permanentes em relação à energia fornecida melhora (Gilbert, et al. , 2012). A ausência do cabo plug-in , como a grande diferença e primordial requisito para a introdução no mercado e adoção em massa dos VEs, a Qualcomm Halo introduziu a capacidade de manter alta eficiência nas recargas mesmo com os pads desalinhados. A arquitetura patenteada de CWVE da Qualcomm Halo é altamente tolerante ao desalinhamento dos pads de carregamento nos planos lateral e vertical, mantendo os níveis de energia necessários e a eficiência da transferência acima de 90 %, através da bobina que cria um flux pipe magnético entre os dois pads (Gilbert, et al. , 2012). Baseado na tecnologia CWVE que permite o carregamento dos VE imóveis, a Qualcomm Halo Dynamic , permite o carregamento dinâmico de veículos elétricos (CDVE) em andamento. Em parceria com a FIA, foi testado, com sucesso, no campeonato de Fórmula E, o CDVE capaz de efetuar um carregamento dinâmico acima de 100 km/h com 20 kW de energia. Melhor ainda, o carregamento foi efetuado com dois VE em simultâneo (Qualcomm, 2017). A UE28 já se encontra no terreno e, através do projeto Feasibility Analysis and Development of OnRoad Charging Solutions for Future Electric Vehicles (FABRIC) e um investimento de nove milhões de euros, aborda a viabilidade tecnológica e económica e a sustentabilidade socioambiental do CDVE. Os testes (Figura 6), que se encontram em execução, para avaliar o alcance do CDVE, promovem a transferência de 10 KW, de um máximo de 20 KW de energia, pelo ar para dois pads do VE. O conversor de corrente AC-DC fornece DC para o equipamento principal de abastecimento de energia ( Backbone ),
94 que converte em low frequency (LF) de 85 KHz para distribuir pelos controladores de base ( Base Controller ) que se encontram por baixo da pista que, por sua vez, trocam a energia com os Base Pads na superfície da pista. Os Base Controller e os Base Pads transferem o campo magnético para o VE, que se encontra a uma velocidade máxima de 120 Km/h e com uma tolerância de alinhamento de aproximadamente 20 cm. O VE captura o campo magnético através de dois pads , que convertem em voltagem (V) e corrente (A) para a unidade de controle transferir para a bateria (Qualcomm, 2017). Um estudo no Reino Unido sugere que 77 % das viagens com VE duram menos de vinte minutos, os VE estão estacionados 92 % do tempo, os condutores recarregam quando o nível da bateria indica entre 81 % e 87 % e as recargas são predominantemente efetuadas em casa de manhã ou ao entardecer. As estatísticas relegam as recargas para as habitações, contudo, o desaparecimento de um dissuasor, o cabo plug-in , atribui ao VE um novo atrativo e um potencial de vendas massificadas (Gilbert, et al. , 2012). Neste sentido, a oportunidade de capitalização, derivado do aumento do volume de VE e a inexistência de estacionamento particular em todas as habitações, possibilita novas opções na gestão das infraestruturas públicas. Os inconvenientes para o condutor, na habilidade no estacionamento para adquirir posição adequada para efetuar recargas, desapareceram e, a introdução do CDVE possibilitará um futuro em que o VE não necessita de estar parado para recarregar, portanto, uma serie de recargas adicionais em plena via pública, promovendo alterações comportamentais entre recargas e de gestão de baterias. Constata-se uma oportunidade para as infraestruturas rodoviárias e a possibilidade de otimização dos pavimentos de asfalto, que concretizam uma elevada ocupação do espaço e impermeabilização do solo, produzindo um conforto adicional para os utilizadores e uma rentabilização adicional para o sistema de transportes terrestre. Em relação às bicicletas elétricas (BE), particulares ou de empresas de partilha, poderiam beneficiar com a introdução de diversos parques de estacionamento com suportes para carregamento espalhados por pontos estratégicos nas cidades. As BE estão equipadas com um motor elétrico para propulsão e uma bateria para alimentar o motor. Com os avanços tecnológicos, novos materiais, como o níquel cádmio, níquel hidreto metálico e ião lítio, são usados na construção das baterias para proporcionar unidades mais leves e com maior capacidade de armazenamento de energia. A tecnologia TEW é utilizada em várias aplicações, como movimento de materiais, iluminação, carregamento de baterias e até implantes biomédicos. O sistema típico da TEW baseia-se numa fonte de alimentação, que fornece uma corrente constante de LF para um pad . Os pick-ups , únicos ou múltiplos, são conectados a este pad através de campos magnéticos que envolvem os fios condutores. As bobinas
95 são normalmente ajustadas para aumentar a ressonância do fluxo de energia, por isso, são reguladas para transferir a energia para as baterias. A maior parte das BE utiliza uma bateria de 36 V e 10 A. A bateria pode ser recarregada com uma fonte de alimentação TEW que forneça uma frequência de 38,4 kHz. Dependendo dos requisitos de energia, a entrada para a fonte de alimentação pode ser monofásica ou trifásica (Zhi, et al ., 2015). Com as estações de carregamento configuradas em áreas públicas, os utilizadores podem recarregar facilmente as suas BE. Estas estações permitem que os utilizadores viajem com tempos de recarga mais curtos e distâncias mais longas, permitindo a recarga em cada estacionamento de destino para manter a bateria com energia, portanto, as baterias podem ser menores e assim diminuir o peso da bicicleta. As empresas de bikesharing ou scootersharing, que atualmente contratam os juicers para recolher o equipamento, carregar e recolocar nos parques de partilha, passavam a deter um serviço autónomo com períodos mais alongados de manutenção de equipamentos e os particulares obtinham mais disponibilidade de estacionamento e facilidade de recarga. A introdução de modos ativos de transporte na logística de last mile encontrava um aliado na concretização da sustentabilidade urbana. Os pick-up da TEW instalados nas BE podem atuar como carregador de bateria, e assim, qualquer bicicleta pode ser recarregada em qualquer estação, desde que, seja capaz de se conectar ao primário. Para carregar a bateria de uma BE, pode ser usado um sistema individual, onde uma pista primária fornece energia a um pick-up instalado dentro da BE. Este sistema é bastante conhecido, mas pode ter um custo elevado, dado o número de unidades necessárias para carregar várias bicicletas ao mesmo tempo. Para efetuar este tipo de carregamento, o preferível será um sistema que efetue vários carregamentos através de uma única fonte de energia, reduzindo o custo geral do sistema. No entanto, existe uma desvantagem, se algum dos suportes das bicicletas estiver vazio, os campos magnéticos gerados nesse local são transmitidos para o meio ambiente e para os seres humanos. Uma possível solução passa pelo uso de uma fonte de alimentação primária que utilize vários inversores (Figura 6). Os inversores 45 são conectados por uma ligação DC comum a partir de um barramento DC primário e produzem uma corrente constante para vários pads , alimentando os respetivos pick-ups . Este método permitiria a cada inversor controlar a energia fornecida ao secundário e desligar quando o secundário não estiver presente, resolvendo o problema da radiação magnética (Zhi, et al. , 2015). 45 Lei de Faraday-Lenz, se um campo magnético variável atravessar um condutor, induz uma força eletromotriz no condutor. O modo de transferência de energia indutivo utiliza o campo magnético entre condutores para efetuar a transferência.
96 Apesar do grande potencial de conversão de veículos de duas rodas para VE, o mercado de VE de duas rodas é ainda algo incipiente. Importa promover, financeiramente ou através de medidas de discriminação positiva a utilização deste segmento de VE (APA, 2019). Figura 6– Parque de recarga de bicicletas elétricas com transferência de energia wireless e integração da reutilização de baterias de VE alimentadas por painéis fotovoltaicos e geridas por UPS e Tecnologia patenteada da Qualcomm Halo Dynamic (Zhi, et al ., 2015 e Qualcomm, 2017).
97 5. MONITORIZAÇÃO DO SISTEMA DE TRANSPORTES O aumento da procura, em relação à oferta limitada de infraestruturas, as quais, comportam investimentos avultados na construção e manutenção, persuade a implementação de estratégias que promovam a utilização mais eficiente do sistema de transportes terrestre. Os sistemas de transporte inteligentes (STI) permitem reduzir o tempo de viagem, atrasos e congestionamento, melhorar a segurança e reduzir as emissões de poluentes, num sistema que combina as tecnologias de análise e controlo de tráfego com a engenharia dos transportes para benefício dos utentes e stakeholders do sistema de transportes. Os utentes beneficiam com a informação especifica disponibilizada e os stakeholders que abarca a maior parte dos agentes económicos mundiais, beneficiam com a capacidade de aperfeiçoamento dos processos de monitorização, planeamento de rotas, controlo de fluxos e acesso a informação especifica em tempo real. A perspetiva do planeamento estratégico para o futuro procura uma gestão holística da mobilidade que contempla uma interoperabilidade do sistema que satisfaça as necessidades da heterogeneidade social. Os aplicativos de STI para sistemas de gestão de tráfego, sistemas avançados de informação para viajantes, operações de logística e sistemas avançados de transportes públicos, são auxiliados por uma rede de sensores de tráfego que fornecem deteção de veículos motorizados e não motorizados, deteção de incidentes, controlo de sinais em tempo real, dados de arquivo e informação para viajantes, serviços comerciais e informações de emergência. Um sensor é um transdutor que deteta uma característica do ambiente envolvente e que fornece uma saída correspondente, geralmente na forma de um sinal elétrico ou ótico, relacionado com a quantidade da variável medida (Liñán, et al ., 2016). Os sensores para fluxos de tráfego motorizado e não motorizado desenvolvem-se através de propriedades subtis, como o som (sensores acústicos), opacidade (sensores óticos, infravermelhos e processadores de imagem de vídeo), geomagnetismo (sensores magnéticos, magnetómetros), reflexo da energia transmitida (sensores radar de laser infravermelho, de ultrassons e radar de micro-ondas), indução eletromagnética (detetores inductive loop ) e de vibração (sensores sísmicos, interruptores de inércia e triboelectric ) (FHWA, 2016). A tecnologia utilizada para detetar o tráfego determina os dados que são processados. As centrais de processamento conectadas interpretam o sinal através de algoritmos adequados. A recolha e o processamento de dados de tráfego, como a presença do veículo, velocidade, quantidade, espaços vazios
98 e taxa de ocupação, é realizada através de sensores que podem ser intrusivos (superfície do pavimento) ou não intrusivos (sobre e na lateral da estrada). Para uma mobilidade smart ubíqua e conectada, os sensores do interior do veículo que recolhem dados sobre as condições do veículo e do condutor desenvolveram-se e incorporam a sensorização do meio ambiente envolvente, intrínseca a veículos autónomos e à tecnologia light detection and ranging 46 (LIDAR), para a partilha de dados, armazenamento e obtenção de informação cada vez mais refinada para garantir a segurança dos condutores e utilizadores do sistema de transportes terrestre. 5.1. Função de monitorização A introdução da função de monitorização no planeamento dos transportes permite a recolha regular de dados e facilita todas as etapas da estrutura de tomada de decisão numa metodologia de planeamento continuo. Um sistema de monitorização deve fornecer dados específicos com qualidade para identificar alterações de comportamento dos utilizadores ao longo do tempo e de variáveis exógenas, como o crescimento demográfico e económico. A implementação de sensorização que permita a monitorização, permanente ou provisória e que disponibilize dados periódicos ou em tempo real, possibilita a realização de estudos com amostras significativas e a disponibilidade de dados contínuos que aumentam significativamente a qualidade e quantidade da informação disponibilizada aos utilizadores, assim como, para que as equipas de planeamento possam definir com maior eficiência as estratégias para o futuro desejado. Neste sentido, descontinuidades no sistema de transportes, como greves nos transportes coletivos, preço dos combustíveis ou obras nas vias rodoviárias, que alteram temporariamente as características da rede de mobilidade, produzem uma fonte importante de informações para as previsões dos fluxos de tráfego. A monitorização do sistema de transportes é uma função determinante para o planeamento dos transportes e para a elaboração das diretrizes de programas setoriais 47 de ordenamento do território que 46 Light detection and ranging (LIDAR), também conhecido como digitalização 3D a light amplification by stimulated emission of radiation (LASER). O LIDAR, desde 1960, que é utilizado para medir distâncias, com alta precisão, através da aplicação da iluminação laser e cálculo do tempo de recessão do eco dos objetos ou espaço alvo. 47 Os programas setoriais são instrumentos programáticos ou de concretização das diversas políticas com incidência na organização do território, nos domínios da defesa, segurança pública, prevenção e minimização de riscos, ambiente, recursos hídricos, conservação da natureza e da biodiversidade, transportes, infraestruturas, comunicações, energia e recursos geológicos, cultura, saúde, habitação, turismo, agricultura, florestas, comércio e indústria (art.º 39º, (RJIGT, 2015).
99 visam estratégias de desenvolvimento social e económico. A produção de dados, através de sistemas integrados com dispositivos de baixo custo e com manutenção reduzida permite uma monitorização continua e sustentável que promove nos tradicionais planos territoriais 48 uma interatividade com novos formatos e dinâmicas de atualizações regulares. 5.2. Serviços de sistemas de transporte inteligentes Os sistemas de transporte inteligentes (STI) são aplicações avançadas que, sem serem dotadas de inteligência, destinam-se a prestar serviços inovadores no âmbito dos diferentes modos de transporte e de gestão do tráfego, permitindo uma melhor informação dos utilizadores e a utilização mais segura, mais coordenada e mais inteligente das redes de transporte. Os STI combinam as telecomunicações, a eletrónica e as tecnologias da informação com a engenharia dos transportes para planear, criar e gerir os sistemas de transportes (Diretiva, 2010). A aplicação das tecnologias da informação e comunicação (TIC) no sector dos transportes rodoviários e nas interfaces com outros modos de transporte contribuirá significativamente para melhorar o desempenho ambiental, a eficiência energética e a segurança dos transportes rodoviários (Diretiva, 2010). A implementação deve assumir ações prioritárias na prestação de serviços ao utilizador, designadamente através da disponibilidade de informação sobre as viagens multimodais, de informação em tempo real sobre o tráfego, dados e procedimentos para a prestação de informações mínimas universais sobre o tráfego relacionadas com a segurança rodoviária, gratuitas para os utilizadores, prestação harmonizada de um serviço interoperável de chamadas de emergência e informações sobre lugares e reservas de estacionamento para veículos pesados e comerciais (Assembleia da República, 2013). Atualmente existem inúmeras aplicações de serviços STI no mercado, com variações de implementação e utilização entre diferentes países. 48 Os planos intermunicipais e municipais são instrumentos de natureza regulamentar e estabelecem o regime de uso do solo, definindo modelos de ocupação territorial e da organização de redes e sistemas urbanos e, na escala adequada, parâmetros de aproveitamento do solo, bem como de garantia da sustentabilidade socioeconómica e financeira e da qualidade ambiental (art.º 69º, (RJIGT, 2015)
100 Entre os diversos serviços, destacam-se os sistemas de gestão das dinâmicas de tráfego e os avisos locais de perigo, que contribuem para aumentar a segurança e a fluidez do tráfego em casos de perturbação oriundas de um incidente, como congestionamento e condições climáticas adversas. Os sistemas de navegação dinâmica, que utilizam as ocorrências do tráfego atual e os dados das condições da rede de transportes para ajustar o processo de escolha de rotas em sistemas de navegação eletrónicos, permitindo que o utilizador evite rotas com acidentes, obras, interdições na via e congestionamento em tempo real. Os serviços de informação de tráfego em tempo real, onde estão incluídas todas as informações relevantes para a organização e otimização do tráfego, através da recolha de dados, interpretação da informação e distribuição por infraestruturas de gestão de tráfego e equipamentos dos utilizadores. Os serviços de informação ambiental alargada, que consiste na monitorização de veículos e recolha de dados relativos à situação do tráfego em toda a rede viária. O equipamento no interior do veículo regista a localização do veículo, velocidade e possivelmente outras informações, como aceleração ou desaceleração e envia as informações gravadas para o sistema central ou para outros veículos. Os dados armazenados podem ser utilizados para diferentes aplicativos e serviços. O serviço de emergência eCall, que marca automaticamente o número único de emergência da Europa (112) em caso de acidente rodoviário grave, e comunica a localização do veículo aos serviços de socorro e emergência. O eCall é ativado automaticamente assim que os sensores e/ou processadores no veículo, como o airbag, detetam um acidente grave. Os serviços em tempo real de informação e previsão de ocorrências, que disponibilizam a informações sobre ocorrências esperadas e inesperadas aos utentes da rede rodoviária. As informações podem ser fornecidas em viagem ou em pré-viagem através de diferentes canais de informação, como sítios na internet, placares eletrónicos rodoviários, estações de rádio ( radio data system traffic message channel ), sistemas de navegação em veículos com informações de tráfego e smartphones com aplicativos de sistema de navegação. Os serviços de informação meteorológica, para promover o aumento da segurança e a eficiência do tráfego. Os condutores informados podem adaptar o comportamento da condução, planear viagens e contribuir para a redução do congestionamento e da sinistralidade. Os serviços de informação co-modal 49 , oferecem informações comparativas de diferentes modos de transporte (multimodais) e a combinação de diferentes modos de transporte dentro da mesma rota 49 O termo co-modal foi adotado pela Comissão Europeia para integrar os termos multimodal e intermodal. O termo multimodal é usado na área de serviços de informação ao viajante no sentido de oferecer informação para mais de um modo do transporte. Os serviços intermodais oferecem, para além disso, a combinação de vários modos de transporte dentro da mesma rota (DG, 2012)
107 A eficiência energética no routing constitui um dos parâmetros mais importantes do design de uma RSW. Os protocolos de routing determinam o caminho que um pacote segue da origem ao destino. O objetivo final do protocolo é minimizar o custo da rota. Fundamentalmente, a definição de custo varia de uma rede para outra, e. g., na internet, que é uma rede confiável baseada em infraestrutura, a maior distância define o custo fundamental da route . Em redes wireless com interface não confiável, e. g., rede ad hoc 50 e de sensores wireless , o custo da rota depende das características individuais de cada rede e da relação com os aplicativos inerentes (Jamalipour & Azim, 2010). 5.3.1.1. Protocolos de routing planos e hierárquicos Nas RSW as restrições e definições na elaboração de protocolos de routing estão sempre relacionadas com a mobilidade da rede, similar às redes ad hoc , com a eficiência energética, devido às limitações da bateria dos nós e com a eficiência da aplicação que o protocolo utiliza. Os protocolos de routing podem ser classificados quanto à sua estrutura lógica plana, hierárquica e de várias outras maneiras (Jamalipour & Azim, 2010). Numa rede plana (ausência de qualquer hierarquia), todos os nós assumem a mesma responsabilidade e executam a tarefa de routing . Dos vários protocolos para redes planas 51 , o directed diffusion destaca-se como um routing híbrido, onde o sink difunde um interesse, com atributos de frequência de envio de dados, que se propaga pela rede à procura de nós com registos de eventos correspondentes. O nó, ao recebê-lo, difunde os eventos para o sink por vários caminhos e, finalmente, o melhor caminho é reforçado pelo sink . A longevidade deste tipo de comunicação permite ao protocolo descobrir os bons caminhos e a diversidade de rotas permite ao algoritmo a resiliência à falha do nó. Os nós reconhecem a aplicação e armazenam cache , permitindo alcançar a eficiência energética através da seleção empírica de bons caminhos e consequentemente, aumentar a robustez e escalabilidade da coordenação entre os nós. No entanto, como o protocolo inunda a rede com interesses, 50 Rede ad hoc, são redes wireless flexíveis onde as máquinas não necessitam de um ponto de acesso comum para se comunicar (encaminhamento comunitário de dados). 51 Protocolos de routing plano para RSW, reactive routing with controlled flooding , TEM, EM-GMR, SPIN, directed diffusion , fuzzy directed diffusion , TBF/TBF+, rumor routing , COUGAR, ACQUIRE, PEC, energy-aware routing , MCFA, random walk , CADR.
108 para as consultas únicas, a difusão direcionada é considerada muito cara porque utiliza o caminho apenas uma vez. Para evitar a inundação da rede, é incorporado o protocolo fuzzy directed diffusion para limitar o custo. O protocolo propõe uma técnica de encaminhamento de interesse probabilístico de otimização com base difusa para tornar o sistema mais eficiente. O interesse é propagado para os nós com maior probabilidade de ter mais energia disponível e o nó pode decidir se participa do processo de recuperação da consulta de acordo com os dados intrínsecos da energia da bateria (Jamalipour & Azim, 2010). Numa rede hierárquica os nós são classificados de acordo com critérios de energia da bateria e a condição de mobilidade e, ocupam diferentes camadas lógicas dentro da arquitetura da RSW. Agrupados em clusters, os nós executam várias operações em relação às suas camadas correspondentes. Entre vários protocolos 52 o low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) é uma solução para a arquitetura de rede baseada em clusters que recolhe os dados através e um cluster chefe (CH). Os CH existem em uma percentagem predefinida e são selecionados aleatoriamente pela globalidade dos nós da rede. Quando definidos, transmitem a decisão aos restantes nós (não-CH) que se juntam em clusters com base na intensidade do sinal recebido. Após a formação do cluster, os nós enviam os dados detetados aos CHs, que então reúnem os dados e enviam ao sink (todas as comunicações são realizadas diretamente). Contudo, devido ao processo de formação de clusters ser aleatório, a configuração da rede pode ficar irregular com número diferente de nós participantes ou número diferente de clusters. Para melhorar a rotatividade aleatória dos CH e limitar a configuração irregular de clusters é introduzido o maximum energy cluster head (MECH) para determinar o tamanho e correspondente número máximo de nós dentro de um cluster. A seleção do CH é realizada com base na energia das baterias e a hierarquia de routing é em topologia de árvore para reduzir o consumo de energia da transferência de dados. Um exemplo de protocolo baseado em árvore é o tree based energy efficiente protocol for sensor information (TREEPSI) onde o CH recolhe todos os dados dos sensores através de apenas um único caminho. Os dados são reunidos em cada salto ao longo do caminho até chegar ao CH que envia os dados recolhidos e reunidos para o sink . Este processo continua até que o CH falhe e o nó com o próximo ID assuma o papel do CH, mantendo assim o fluxo de dados (Jamalipour & Azim, 2010). Com o desenvolvimento de novas aplicações, as RSW integram uma rede diversificada com escalas e formas variáveis que obrigam a arquiteturas de protocolos que complemente os routing plano e o 52 Protocolos de routing hierárquico para RSW, LEACH, LEACH-C, MECH, BCDCP, TEEN, APTEEN, Fuzzy centralized routing , TTDD, ECPC, GA-Clustering , HEAR-SN, PEGASIS, E-PEGASIS, TREEPSI, EDC, TPC, H-BAR, HPEC, VGA routing, Power aware routing , sensor aggregates routing , Self-organizing protocol , Ant colony optimization .
109 routing hierárquico. O conjunto de protocolos selecionados permite compreender a lógica do algoritmo para garantir a eficiência no encaminhamento dos pacotes até ao destino através de rotas dinâmicas ou estáticas. 5.3.2. Tecnologia Zigbee O padrão de rede mais atraente para RSW é o padrão IEEE 802.15.4, que fornece baixa taxa de transmissões de dados e reduzido consumo de energia. A norma IEEE 802 tem como objetivo fornecer as especificações para a camada física e de controlo de acesso no seio de uma rede wireless. A norma é aplicada em diversos tipos de redes, como a 802.3 da ethernet , 802.11 das wireless local area network (WLAN) e 802.15 de wireless personal area network (WPAN). A norma WPAN 802.15 garante as especificações de redes pessoais com baixa potência e de custo reduzido, e. g., permitir a ligação do Bluetooth a equipamentos fixos e portáteis (802.15.1), permitir a coexistência das redes WPAN com as redes WLAN (802.15.2), permitir características que permitem um consumo reduzido de energia em redes de complexidade reduzida e débitos binários baixos (802.15.4) e garantir a estabilidade na coexistência de uma rede de baixo débito e outra de débito elevado em uma mesh network (802.15.5) (Nourildean, 2012). A tecnologia Zigbee, nas camadas físicas e camada de conexão de dados do OSI model , é baseada no padrão IEEE 802.15.4 e garante (teoricamente) uma taxa de transmissão de dados igual a 250 kpbs numa low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs). O IEEE 802.15.4 trabalha na frequência não licenciada industrial sientific and medical (ISM) de 868,3 MHz (Europa), 902 MHz a 928 MHz (Américas) e 2,405 GHz a 2,480 GHz (mundial). Na frequência de 868,3 MHz existe apenas um canal (0) e, embora apenas permita taxa de transmissão até 20 Kbps, a atenuação entre emissor e recetor é reduzida permitindo uma maior área de cobertura. Na frequência de 902 MHz a 928 MHz existem 10 canais (110) e apresenta uma taxa de transmissão de 40 Kbps. Na frequência de 2,4 GHz estão disponíveis 16 canais (11-26) e a taxa de transmissão pode atingir os 250 kbps (Zigbee, 2020). As especificações de uma rede com tecnologia Zigbee integra um coordinator , um router ( full funcion device , FFD) e um end device ( reduce funcion device , RFD). O coordinator é o centro de confiança da rede, cria e gere as dinâmicas de comunicação entre os diversos nós, atribui endereços, armazena mensagens para comunicar aos nós e recebe os dados para
110 encaminhar para uma base de dados ou nuvem. É o dispositivo com maior potência e necessita de alimentação permanente da rede elétrica, podendo funcionar como um sensor ou monitor. Só pode existir apenas um coordinator em cada rede. O router encaminha os pacotes recebidos e as queries do utilizador para os diversos nós da rede (aumenta o diâmetro da rede) e gere os protocolos de routing . Normalmente, está sempre ativo e necessita de ser alimentado pela rede elétrica, podendo desempenhar a função de sensor e de monitor. O coordinator e o router são FFD que podem desenvolver todas as funções exigidas pelo padrão Zigbee para configurar e gerir as comunicações, diferenciando-se apenas na possibilidade de criar a rede. O end device ou RFD é um nó com funcionalidade limitada, para controlar o custo e complexidade, requer menos memória e pode ter a opção de modo de sono. É um nó de ponta que apenas comunica com os CH ( router ou coordinator ) para transferência dos dados monitorizados pelos sensores ou receber protocolos de gestão de rede. Os dispositivos são distribuídos no espaço através das possibilidades de topologia em star network , mesh network e cluster-tree . Na star network o coordinator efetua todo o controle da rede, assumindo o papel central e de comunicação direta com todos os end device . O coordinator inicia e mantém em funcionamento os dispositivos na rede. Os pontos desfavoráveis nas topologias em star são o consumo energético do CH e a gestão das redes de grande escala. Na topologia de mesh network os nós FFD ( coordinator e router ) são livres de comunicar com outros nós FFD, permitindo, quando necessário, a expansão física da rede (maior alcance). O coordinator regista todas as entradas e saídas dos nós, mas não assume um papel tão preponderante em termos de fluxo de comunicação como na topologia em star . Qualquer nó de origem pode comunicar com qualquer nó de destino. Os routers e coordinatores estão conectados entre si, dentro das próprias faixas de transmissão, para facilitar o routing dos pacotes e melhorar a eficiência energética. Os recetores de radiofrequência (transceptor) dos routers e coordinatores devem permanecer sempre ligados. Na topologia cluster-tree a distribuição de dados e de mensagens de controlo é realizada segundo uma estrutura hierárquica onde o coordinator assume o papel de núcleo da rede. Para aumentar as dimensões da rede, o coordinator funciona como um tronco que se conecta aos RFDs, que funcionam como folhas e, aos routers que podem funcionar como ramos ou folhas. A topologia em tree é a que promove um menor consumo de energia. Dispõem de processos de gestão de largura de banda e apenas permite rotas únicas entre o nó de origem e o nó de destino.
111 A técnica de routing que a tecnologia Zigbee utiliza é o protocolo Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV), trata-se de um protocolo reativo, onde a rede permanece em silêncio até que uma conexão seja solicitada a partir de uma solicitação de rota gerada por um nó (fonte). Quando um nó de origem pretende comunicar, transmite uma solicitação de rota para o nó vizinho que responde em conformidade com a tabela de routing intrínseca. O processo é executado em uma rota única (tabela de routing ) e possibilita a criação de novas rotas no caso de falha do nó. Para garantir a comunicação, os nós intermediários apenas podem reservar a nova rota se for atualizada a tabela de routing (Cabani & Mouzna, 2013). A quantidade de energia necessária para a transmissão da mensagem, também é uma parte substancial do consumo geral de energia. Uma das soluções apresentadas é o protocolo Zigbee PRO (2015/2017) que permite a realização de uma mesh network com 65 000 nós com um alcance de comunicação de 300 m em espaço aberto (linha de visão) e de 75 m a 100 m em recintos fechados na frequência de 2,4 GHz. É um protocolo que suporta RFD com função de sono, permite a integração de um suporte para baixo consumo de energia, Zigbee Green Power Devices (captação de energia), que possibilita a redução de energia na transmissão de mensagens (Zigbee, 2020). Normalmente as mesh network estão equipadas com pelo menos 256 Kbytes de programas e 16 Kbytes de dados, um Zigbee Green Power Devices normalmente precisa de menos de 32 Kbytes para os programas e 1 Kbytes para os dados. Uma única transmissão em mesh network consome apenas 500 µJ de energia. A tecnologia Zigbee Green Power reduz o consumo por um fator de cinco, podendo a transmissão realizar-se com um consumo de apenas 50 µJ de energia. Este excelente nível de eficiência permite a utilização da técnica de captação de energia por wireless switch , que recolhe a energia cinética 53 , gerada ao pressionar o próprio botão, para alimentar as transmissões rádio Green Power . Os wireless switch pode ser colocado em qualquer lugar sem a necessidade de fios. Ao longo de todo o seu ciclo de vida, cumprirá a sua função de forma totalmente isenta de manutenção e sem necessidade de substituição de bateria (Williams, et al. , 2020). 53 A energia cinética é a energia gerada pelo movimento de um objeto. Neste caso específico, o objeto é um íman que se move para a frente e para trás dentro de uma bobina alterando o campo magnético e induzindo uma tensão na bobina. Este princípio é conhecido como indução eletromagnética, ou lei de Faraday.
112 5.3.3. Tecnologia LoRaWAN A LoRa ( long range ) é a camada física ou uma modulação wireless otimizada, desenvolvida pela Semtech para comunicação de longo alcance, de baixa potência e com baixa taxa de dados. A LoRa permite uma comunicação que pode atingir os 5 km em áreas urbanas e 15 km em áreas rurais. A LoRaWAN define o protocolo de comunicação e a arquitetura do sistema para a rede. O protocolo e a arquitetura da rede têm a maior influência na determinação da vida útil da bateria de um nó, na capacidade da rede, na qualidade do serviço, na segurança e na variedade de aplicativos servidos pela rede (LoRa Alliance, 2015). Muitos sistemas wireless utilizam a frequency shifting keying (FSK) como camada física, porque é uma técnica de modulação de frequência eficiente para obter comunicação de baixa potência. A LoRa é baseada na modulação de chirp spread spectrum (CSS) que mantém as características de baixa potência da modulação FSK, mas aumenta significativamente o alcance de comunicação. A técnica de modulação de espectro de propagação proveniente da tecnologia CSS permite uma troca entre a sensibilidade e a taxa de dados no canal de frequência 125 KHz ou 500 KHz (para canais uplink ) e 500 KHz (para canais downlink ) e, adicionalmente, utiliza fatores de propagação ortogonais 54 , que permitem combinações adaptativas entre o fator de propagação e a taxa de dados efetiva. Por exemplo, um nó localizado próximo 54 Significa que sinais modulados com diferentes fatores de propagação e transmitidos no mesmo canal de frequência ao mesmo tempo não interferem entre si, são apenas sentidos como ruído ambiental. Figura 8 – Configurações físicas de RSW com a introdução da tecnologia Zigbee (Zigbee, 2020).
113 do gateway utiliza fatores de baixa propagação para a transmissão de dados, porque ocupa pouco espaço na rede. Os nós distantes do gateway necessitam de fatores de alta propagação, que resulta num ganho de processamento (aumento da taxa de bits) e uma maior sensibilidade na receção, embora a taxa de dados seja necessariamente menor. O ganho de processamento é o que permite ao recetor recuperar o sinal de dados original mesmo que o canal tenha uma relação sinal-ruído negativo. O LoRa tem um ganho de processamento superior à FSK (código de propagação), o que permite, manter um sinal com a mesma taxa de dados e uma ocupação da rede semelhante, com um nível reduzido de energia na saída do transmissor (LoRa Alliance, 2015). A configuração da rede consiste em um end-divise e um gateway ( star network ) que comunicam, na Europa, através da frequência de 867 MHz a 869 MHz. Para satisfazer diferentes necessidades de uma ampla gama de aplicações, existem as classes A, B e C de end-devices (LoRa Alliance, 2015). A classe A, é a classe padrão que deve ser suportada por todos os end-devices LoRaWAN. A comunicação é sempre iniciada pelo end-device e totalmente assíncrona (variável com a potência do dispositivo). Cada transmissão dos end-devices para o gateway ( uplink ) pode ser enviada a qualquer momento, seguindo-se duas janelas curtas de downlink , para criar a oportunidade de comunicação bidirecional ou se necessário, comandos de controle de rede (tipo de protocolo ALOHA). O end-device é autónomo na escolha do tempo de sono e o momento da comunicação, para maximizar o consumo de energia e a rede não requer comunicação periódica. Como a comunicação de downlink deve ser subsequente a uma transmissão de uplink com uma programação definida pelo aplicativo do end-device , a comunicação de downlink deve ser armazenada em buffer no servidor de rede até à próxima ocorrência de uplink . Os nós assíncronos com comunicações exclusivas dos dados recolhidos e prontos a enviar permite uma poupança significativa da energia das baterias (10 a 20 anos de vida util). Numa mesh network ou rede síncrona, como telemóvel, os nós precisam de acordar frequentemente para sincronizar com a rede e verificar a existência de mensagens, consumindo energia significativa e consequente fator de redução da vida útil da bateria (LoRa Alliance, 2015). A classe B, para além do início de comunicação igual à classe A, os end-devices são sincronizados com a rede usando beacons (solicitação de ID) periódicos e abrem slots de ping de downlink em horários programados, fornecendo à rede a capacidade de enviar comunicações de downlink com uma latência (atraso na execução do comando) determinística, mas com maior consumo de energia. A classe C, para além da estrutura de uplink da classe A seguida por duas janelas de downlink , reduz ainda mais a latência de downlink , resultando nos recetores dos end-devices sempre abertos (half duplex). O servidor da rede pode iniciar uma transmissão de downlink a qualquer momento e o recetor
114 do end-divice está sempre aberto proporcionando uma comunicação com ausência de latência, mas, com um consumo de energia até 50 mW e, portanto, a classe C é adequada para aplicações com alimentação de energia continua. Para dispositivos alimentados a bateria, é possível alternar o modo temporário entre as classes A e C para tarefas periódicas, como atualizações de firmware . Na star network da LoRaWAN, os nós não estão associados a um gateway específico. Os dados transmitidos, por um nó, normalmente são recebidos por vários gateways . Cada gateway encaminhará o pacote recebido para o servidor de rede baseado em nuvem através de um backhaul (telefone, ethernet, satélite ou WLAN). A star network pode suportar milhões de mensagens, no entanto, o número de mensagens com suporte em qualquer implementação, depende do número de gateways instalados. Um único gateway de oito canais pode suportar algumas centenas de milhares de mensagens ao longo de 24 horas. Se cada nó enviar 10 mensagens por dia, o gateway recetor pode suportar cerca de 10 000 nós. Se a rede aumentar o número de gateways para 10, a rede pode suportar cerca de 100 000 nós e um milhão de mensagens (adicionar gateways para aumentar a capacidade da rede). A capacidade da rede é afetada pelo número de canais simultâneos, pela taxa de dados (tempo no ar) e pela frequência de transmissão dos nós. A alta capacidade da rede é alcançada através da utilização da taxa de dados adaptável e a utilização de gateways com multichannel multi-modem transceiver para poder receber mensagens simultâneas em vários canais. A inteligência e a complexidade são enviadas ao servidor de rede, que gere a rede e filtra os pacotes redundantes recebidos, realiza verificações de segurança, agenda confirmações através de um gateway específico e realiza a taxa de dados adaptável (LoRa Alliance, 2015). 5.3.4. Prolongar a vida útil de RSW A eficiência energética é um conceito fundamental na implementação de RSW. A eficiência dos protocolos de routing colidem com as limitações impostas pelas baterias, no tamanho, energia finita e tempo de vida útil limitado, no desenvolvimento de uma rede consistente (perdas, escalabilidade), com manutenção reduzida e uma vida útil prolongada. Normalmente, são as baterias que constituem a principal fonte de energia dos nós sensor e que representam a espinha dorsal de aplicações de processamento ubíquos, como vigilância, tráfego, meio ambiente, estrutural, saúde e segurança, vida selvagem e habitat, bem como agricultura de precisão.
115 Uma RSW deixa de realizar a função predefinida quando o sink falha ou quando uma percentagem significativa de nós sensor morre (acaba a bateria) e interrompe a transferência de dados em determinado setor ou cluster. Para aumentar a vida útil dos nós sensor é possível implementar técnicas de conservação de energia como a duty cycling , data driven e mobility driven . O duty cycling procura reduzir o tempo utilizado pelo nó na escuta de elementos não presentes ou com atributos distintos dos programados. As técnicas baseadas em data driven utilizam os parâmetros dos próprios dados para decidir as dinâmicas de redução do consumo energético durante a comunicação e a mobility driven considera a mobilidade do sink ou dos nós sensor com relé (movimento temporizado) como o principal fator de consumo de energia da rede. As técnicas típicas de conservação de energia procuram simplesmente prolongar a vida útil da RSW reduzindo a energia utilizada e normalmente não requerem a introdução de novas fontes de energia. Para aumentar a energia disponível nos nós sensor, existem esquemas de gestão de energia que permitem a captação e armazenamento da energia, nem sempre disponível, em baterias ou condensadores de baixa potência, conhecidas como captação de energia, transferência de energia wireless e de conservação de energia (Engmann, et al ., 2018). O conceito de captação de energia abarca técnicas para captação de energia do ambiente externo, como o vento, vibrações, solar, acústica e térmica para converter em energia elétrica. Nas RSW a captação de energia pode prolongar a vida útil das baterias, mas não evita a descarga completa e consequente falha do nó. A captação de energia solar, onde a quantidade de energia é dependente da quantidade e tempo de iluminação e da área de superfície da célula fotovoltaica, normalmente apresentam eficiência de conversão de energia de 15 % a 25 % em células de silício cristalino, consequentemente, o armazenamento de energia é irregular (Engmann, et al. , 2018). A captação de energia através de vibrações pode ser obtida através de atividades que proporcionem vibrações, como tráfego rodoviário, ferroviário e do metro. A quantidade de energia mecânica captada é convertida para energia elétrica através de materiais com características piezoelétricas ( ferroelectrics ) e magnetostrictive e mecanismos electroestáticos ou eletromagnéticos. A energia captada é diretamente proporcional ao tamanho do conversor usado. Não é aconselhável em redes de sensores onde os nós são de tamanho reduzido. A captação de energia térmica presenta eficiência de 17 % e baseia-se na diferença de temperatura dentro de um ambiente (Engmann, et al ., 2018). Devido ao elevado número de transmissores de rádio disponíveis em qualquer ambiente urbano, a recolha de energia através de radiofrequência (RF) afigura-se com elevado potencial. Incluem-se algumas
116 tecnologias que não são otimizadas para RSW, como o Bluetooth, tecnologia WiFi (IEEE 802.11a/b/h/g), a WiMax, WLAN (2,4 GHz e 5,8 GHz), RFID (2,45 GHz, 5,8 GHz e 24,125 GHz), telemóveis (4G, 5G), TDT (700 MHz) e Global System for Mobile Communications (GSM). Entre os que estão desenvolvidos para RSW, incluem-se o Wavenis da Coronis Systems, Wibree da Nokia, LoRa e Zigbee. Em relação ao nível de potência das fontes de RF ambiente comuns, os sistemas de rádio FM, AM e TDT transmitem poucas dezenas de KW de energia e as torres de telemóvel (celular), transmitem de 1 W a 2 W de energia (Engmann, et al ., 2018). A energia captada de RF pode ser utilizada para alimentar diretamente sistemas sem bateria ou para carregar as baterias de telemóveis e de RSW ou para despertar sensores em modo de sono. A conversão de ondas eletromagnéticas do ambiente em tensão DC útil é realizada através de uma rectenna (antena mais retificador). A rectenna é composta por uma única ou por uma combinação de antenas, um bandpass ou tunable filter , uma rede de banda larga ou multibanda com compatibilidade de impedância, um retificador e um low-pass filter para fornecer a energia à bateria. A antena recebe as ondas de RF, em seguida a rede de compatibilidade de impedância combina a energia da RF com a do retificador para atingir a máxima eficiência e evitar incompatibilidade com a bateria, o retificador converte a tensão AC, produzida pelas ondas de RF, incidente nos terminais da antena recetora em uma tensão DC e o low-pass filter garante a passagem de tensão DC, livre de ondas, para a bateria ou condensador (Saeed, et al ., 2018). Os equipamentos que utilizam a energia de RF detêm recursos energéticos limitados, devem estar próximos das transmissões ou ter antenas de grande dimensão, portanto, a principal condicionante é perceber a área com abundância de RF onde a RSW pode ser implementada. A conversão do sinal de RF em energia DC está dependente da fonte de energia, ganhos da antena, distância entre a fonte e recetor e a taxa de conversão de energia. O conceito de transferência de energia wireless é a capacidade de transferir energia elétrica de uma fonte de armazenamento para algum armazenamento de destino sem utilização de fios. Já em 1961, Nikola Tesla, previa que a transmissão de energia wireless iria criar uma revolução industrial. A transferência de energia wireless está presente em aplicações como, leitores de RFID, em implantes médicos com técnicas near field coupling e no quotidiano através dos carregamentos de variadíssimos equipamentos eletrónicos. Pode ser realizada através de inductive coupling , magnetic resonant coupling e electromagnetic radiation .
123 5.5. Sensores magnéticos Sensores magnéticos, são dispositivos passivos que detetam a perturbação ou anomalia magnética provocada no campo magnético da Terra por um objeto de material ferroso 55 . O campo magnético da Terra, representa-se como um íman de linhas de fluxo vertical desde o polo Norte até ao polo Sul e de linhas de fluxo horizontais na linha do Equador. Para um correto funcionamento, em todo o mundo, os sensores com magnetómetros têm de estar calibrados para os eixos horizontais e verticais. Um material ferroso, aquando da passagem ou presença, é sempre acompanhado por uma assinatura magnética, que em maior ou menor percentagem está sempre presente nos veículos motorizados, onde estão incluídas as bicicletas. As bicicletas regulares, atuais, resultado do desenvolvimento dos polímeros que possibilitou a produção de equipamentos em liga de alumínio e de carbono, resistentes e mais leves apresentam uma assinatura magnética menor. Os fluxos magnéticos terrestres distorcem porque os materiais ferrosos são mais permeáveis do que o ar atmosférico, registando-se uma diminuição do fluxo magnético nas partes da frente e de trás de um veículo e um aumento do fluxo magnético na parte de cima e na parte de baixo do veículo (Klein, et al. , 2006). 5.5.1. Magnetómetro fluxgate de dois eixos Os magnetómetros fluxgate de dois eixos são sensores que detetam as alterações produzidas (assinatura) por um veículo com material ferroso (e. g., eixos, chassis, correntes e cabos de travões) nos fluxos verticais e horizontais do campo magnético da Terra. Detetam veículos em movimento e parados e, assim, fornecem informações de passagem e de presença (Klein, et al ., 2006). Outros parâmetros de fluxo de tráfego, como a densidade, que corresponde ao número de passagens/capacidade da via, a velocidade, onde a velocidade estimada (𝑣) corresponde à relação entre o tempo de atraso (𝛥𝑡) do registo da assinatura magnética entre pelo menos dois sensores instalados no pavimento com distância (𝑅) conhecida (𝑣 =𝑅∕𝛥𝑡) e a classe ou classificação do veiculo, que é determinada através das características da onda sinusoidal, devem ser inferidas a partir de algoritmos que interpretam ou analisam os dados medidos (Velisavljevic, et al ., 2016). 55 Os metais ferrosos são o ferro fundido (teor de carbono igual ou superior a 2 %), o aço (teor de carbono inferior a 2 %) e o aço de construção (teor de carbono entre 0,2 % e 0,5 %). Os metais não ferrosos são a liga de alumínio, de carbono, o cobre, estanho, zinco, níquel e chumbo.
124 A classificação de veículos é de especial importância para, por exemplo, gerir os semáforos em tempo real de forma a garantir que os transportes coletivos e as bicicletas tenham prioridade nos cruzamentos. São sensores que resistem às tensões provocadas pelos veículos no pavimento, são insensíveis a efeitos climáticos (chuva, neve, nevoeiro), detetam a presença de veículos por períodos consideráveis sem apresentar interferência de diafonia e podem transmitir dados por radiofrequência (RF) wireless . A instalação e manutenção requerem um corte na camada de desgaste do pavimento, implicando o corte da faixa de rodagem. Uma instalação inadequada pode diminuir a vida útil do pavimento. São compostos por uma bonina com dois enrolamentos primários em séries opostas que recebem corrente de excitação de frequência adequada, normalmente 5 KHz, e dois enrolamentos de deteção secundários, que também carregam a polarização DC para neutralizar o campo quiescente da Terra. São conectados em série, em torno de um núcleo de permalloy , tratado para produzir propriedades magnéticas saturáveis especiais que aumentam o sinal do segundo harmónico para comunicação com a unidade eletrónica do sensor. Um dos enrolamentos secundários deteta a componente vertical da assinatura do veículo, enquanto o outro, colocado a 90°, deteta a componente horizontal da assinatura. O eixo horizontal do magnetómetro é geralmente alinhado com a direção do fluxo de tráfego para fornecer deteção de presença na faixa de rodagem e rejeição de veículos na faixa adjacente. As frequências podem ser empiricamente calibradas para diferenciar os veículos por classe. Em resposta à anomalia do campo magnético ou assinatura magnética de um veículo, o circuito eletrónico do magnetómetro mede a tensão de saída gerada pelos enrolamentos secundários. O critério de deteção do veículo verifica-se quando a tensão excede um limite predeterminado. No processamento de presença de veículos, o sinal de deteção é mantido até o veículo deixar a área de deteção (Klein, et al ., 2006). Os magnetómetros fluxgate de dois eixos podem ser utilizados em tabuleiros de pontes e viadutos onde a estrutura de suporte de aço não está revestida, em instalações temporárias nas autoestradas e em áreas em construção para controlo de sinais, porque os materiais ferrosos expostos têm pouca influência no desempenho do sistema. A sonda do magnetómetro e o cabo condutor, quando aplicável, tendem a resistir a pavimentos fendilhados. Os magnetómetros são dispositivos passivos, não transmitem um campo de energia, portanto, uma parte do veículo deve passar sobre o sensor para que seja detetado. Consequentemente, um magnetómetro pode detetar dois veículos separados por uma distância de 30 cm (potencial para a contagem de veículos), por outro lado, não é um bom localizador do perímetro do veículo, existe uma incerteza de aproximadamente 45 cm, assim, é preferível a utilização de dois sensores próximos para determinar a classe e a velocidade do veículo em aplicativos de gestão de tráfego (Klein, et al ., 2006).
125 5.5.1.1. Configurações do magnetómetro Um sistema com sensores do tipo magnetómetro é constituído por um ou mais sensores de magnetómetro, a unidade eletrónica do magnetómetro e o cabo de entrada ou rede wireless entre o sensor e a unidade eletrónica. Como as sondas estão incorporadas no pavimento, é possível a implementação do sistema em diversos climas, principalmente em áreas onde a amplitude térmica provoca expansão e contração das misturas betuminosas e a camada de desgaste sofre com a presença de limpa neves. A configuração para a instalação de um magnetómetro depende de uma série de fatores que muitas vezes devem ser ajustados para projetar uma configuração ideal para um local específico. A seleção do local deve considerar que o sucesso da deteção depende da passagem de uma assinatura magnética sobre o sensor e que a dimensão da assinatura se aproxima do tamanho do veículo. As áreas de instalação devem privilegiar locais onde não exista interferência dos campos magnéticos, como junto das caixas de visita ou tubos de grandes dimensões, proximidade de linhas de alta tensão, linhas de elétrico, recintos com estruturas de ferro e linhas de energia subterrâneas. Apesar de serem sensores tipicamente escolhidos para a instalação em tabuleiros de pontes, porque a presença de aço sobre ou sob a sonda tem pouco efeito no desempenho do sistema, deve-se instalar as sondas na distância máxima entre suportes ou colunas de aço. Poucas fontes são de intensidade suficiente para afetar uma sonda de sensor localizada a mais de 9 m da fonte. No entanto, onde o campo geomagnético, o ruído magnético e a força do campo magnético forem questionáveis, deve-se proceder a uma análise com equipamento adequado (Klein, et al ., 2006). A instalação é realizada através de uma sonda rotativa que cria um buraco tubulado no pavimento, a uma profundidade e posicionamento específico para determinado equipamento (tamanho e tipo de sondas e características do produtor) e a finalidade de monitorização (tipo de deteção). As unidades introduzidas no pavimento são circunscritas com resina epoxy ou com cimento para selar o orifício e evitar a detioração precoce do pavimento (Klein, et al ., 2006). Dependendo das características e sensibilidade dos canais da unidade eletrónica, da assinatura magnética produzida pelos veículos e das instruções atribuídas pelos diversos fabricantes, é possível através de algumas diretrizes gerais representadas na Tabela 5 determinar um critério inicial para a implementação de sondas para cada classe de veículo.
126 A conexão da unidade eletrónica às sondas do magnetómetro requer dois pares de condutores por canal. Um par fornece a corrente de excitação da ponta de prova e o outro carrega o sinal de retorno. As propriedades do cabo tornam-se especialmente significativas em longas distâncias de transmissão de mais de 600 m. Os cabos devem combinar capacidade de distância com alta imunidade ao ruído e tolerância ambiental. O comprimento de entrada permitido diminui conforme o número de pontas de prova aumenta. Geralmente, o comprimento de entrada não deve exceder 1200 m para um arranjo de 12 sondas por canal. Se forem usadas 6 pontas de prova por canal, o comprimento de entrada não deve exceder 1500 m (Klein, et al. , 2006). Quando as unidades têm baterias de lítio, requerem uma manutenção mais frequente, de acordo com a durabilidade das baterias que normalmente são de três a cinco anos. No entanto, se o condutor de corrente de excitação se mantiver, seria possível a integração de um painel fotovoltaico para gerar a energia, e assim, proceder apenas à substituição no período de falha do sensor. Um exemplo de uma série de equipamento que são compatíveis para realizar a análise completa do estado físico de uma determinada área, é o magnetómetro Groundhog G-8 da Nu-Metrics, compatível com o QTT Road Weather Information Systems (RWIS) da Campbell Scientific e o sistema IntelliZone AdvanceWarn (Enterprise Flasher Company, 2020). O magnetómetro Groundhog G-8, é um sensor wireless autónomo alimentado por uma bateria ( Lithium thionyl chloride ) de 3 V com durabilidade até 3 anos, que fornece dados de contagens (total e média diária), velocidade e classificação (comprimento do veículo) de tráfego motorizado. O equipamento (involucro plástico) com dimensões de 15,24 cm x 8,26 cm é instalado na superfície do pavimento e comunica para o Local Base Unit (LBU), que pode ser alimentado a partir de baterias carregadas por energia solar, pela frequência 928 MHz ou 2,4835 GHz a uma distância máxima de 183 m (recomendada 91,4 m) (Enterprise Flasher Company, 2020). Tabela 5 - Diretrizes gerais para a implementação de sondas de magnetómetro em vias rodoviárias com 3 metros de largura Fonte: (Klein, et al ., 2006) Pesados 1,5 m 6 1 0,60 m Ligeiros 1,5 m 6 1 0,45 m Motociclos <300 cm3 1,2 m 4 2 0,30 m Motociclos >300 cm3 0,9 m 3 2 0,16 m Bicicletas 0,9 m 2 3 0,16 m Quantidade de sondas por via de rodagem Classe de veículo Sondas por canal Espaçamento entre sondas Profundidade
127 O RWIS típico inclui uma torre, uma Remote Processing Unit (RPU) ou Datalogger , dois sensores de pavimento e hardware de comunicação remota, bem como sensores para a medição da velocidade e direção do vento, temperatura do ar, humidade, pressão atmosférica, radiação solar e precipitação. Comunica através da opção de diversos protocolos (NTCIP, TCP/IP, DNP3, FTP, modbus , e mail/text ) através de determinado hardware (celulares, satélite, Wi-Fi, ethernet , RF). O IntelliZone AdvanceWarn é um software compatível com todos os equipamentos da Quixote Transportation Technologies e os produtos da U.S. Traffic Corporation. É um sistema autónomo que utiliza matrizes de decisão e algoritmos para determinar mensagens adequadas. O RWIS recolhe os dados dos sensores de tráfego, sensores de pavimento e sensores meteorológicos e o software IntellizZone analisa os dados e envia uma mensagem para todos e rádios e placares de aviso rodoviários, atualizando automaticamente e em tempo real a informação para os condutores (Enterprise Flasher Company, 2020). Outro exemplo, é o sensor VDS240, desenvolvido pela empresa Sensys Networks, que deteta a presença e o movimento de veículos motorizados e de bicicletas, com recurso a um magnetómetro fluxgate de três eixos 56 . O sensor intrusivo, aplicado em um orifício com 10 cm de diâmetro e no máximo 17,8 cm de profundidade, mede o campo magnético da Terra numa taxa de amostragem de 128 Hz. Em uma aplicação típica no centro da faixa de rodagem, mede a velocidade e o comprimento do veículo com o recurso a dois sensores com distância recomendável dependente da velocidade esperada, em coletoras, de 6,1 m a 7,3 m, em distribuidoras 3,1 m a 3,7 m. O sensor é programável para detetar diferentes veículos, como bicicletas, scooters, motociclos, veículos de passageiros, veículo leves sobre carris e, na ausência destes, mede continuamente o campo magnético local para criar uma referência para autocalibragem periódica. Transmite na frequência de 2.4 GHz a 2.4835 GHz (ISM) através do protocolo de camada física IEEE 802.15.4. Tem uma bateia de 3,6 V com 8,5 Ah com uma esperança de vida útil de 10 anos e trabalha em temperaturas de -40°C a 85°C (Sensys Networks, 2020). 56 Os estratos terrestres são constituídos por diferentes estratos litológicos com diferente permeabilidade e suscetibilidade magnética, resultando em diferentes campos magnéticos (fortes e fracos) que exibem anomalias magnéticas dentro do campo magnético normal. O magnetómetro fluxgate de três eixos permite alta precisão e alta sensibilidade (direção e magnitude) ao medir simultaneamente os campos magnéticos da Terra nos eixos x, y e z (dentro e fora do plano). Como o magnetómetro não têm nenhum valor de referência e o campo magnético total (𝐵) de cada partícula da Terra não muda 𝐵 = √𝐵𝑥 2+𝐵𝑦 2+𝐵𝑧 2.
128 5.5.2. Sensor magnético despertado por sensor ótico Grande parte das soluções para a recolha de dados, quando implementadas a grande escala, traduzem-se em investimentos avultados, exigem trabalhos de manutenção e requerem infraestruturas para o abastecimento de energia. Por outro lado, as redes de sensores wireless (RSW) apresentam-se como um potencial para a implementação em vastas áreas de território urbano e rural sem necessidade de estruturas físicas consideráveis e com consumo de energia reduzido. Os sensores magnéticos baseados em magnetoresistors , por serem resistentes a fatores climáticos e de dimensões reduzidas, podem ser implementados para a deteção de veículos em parques de estacionamento privados ou na via pública, parquímetros, abertura automática de portões, controlo de semáforos, controlo de tráfego e controlo de travessia ferroviária (Sifuentes, et al ., 2011). Os principais componentes de um nó em RSW são, um sensor, um processador, um transceptor e uma fonte de energia. No modelo sugerido por (Sifuentes, et al ., 2011), o processador é o microcontrolador MSP430F2274 de baixa potência (8 MHz) com um despertar menor que 6 μs. O sensor magnético é o AAH002 da NVE Corporation, um sensor Giant Magnetoresistive (GMR) compacto e de baixo custo com uma sensibilidade típica de 11 mV que funciona em temperaturas de -50°C a 150°C. Figura 9 – Representação da implementação de magnetómetros na superfície de pavimentos flexíveis (Sensys Networks, 2020, Enterprise Flasher Company, 2020 e Libelium, 2020).
129 O sensor ótico é um Light Dependent Resistor (LDR) NORPS-12 da Silonex, com uma célula fotocondutiva com cadmium sulphide (CdS), com uma resposta espectral similar ao olho humano, tem uma resistência ao escuro de 1 MΩ e à luz de 5,4 kΩ e trabalha em temperaturas de -50°C a 150°C. O transceptor, é um Telegesis ETRX2 da Silicon Labs de baixa potência que trabalha na frequência ISM (frequências reservadas internacionalmente para o desenvolvimento industrial scientific and medical ) de 2,4 GHz, com base num chip dedicado à rede EM250 Zigbee/IEEE 802.15.4. da Ember. O nível de iluminação depende das fontes naturais e artificiais de luz disponíveis e quando um veículo estaciona em cima de um sensor a luminosidade reduz significativamente. Quando o veículo estaciona o sensor magnético com um sensor ótico incorporado, que está sempre ativo com um consumo de corrente reduzida, deteta a redução da iluminação resultante da presença do veículo ou de qualquer outro objeto. Ao detetar a redução de luminosidade, desperta o sensor magnético, que distinguirá objetos ferrosos de qualquer outro material (assinatura magnética). Quando o sensor ótico deteta uma alteração suficiente na iluminação, a tensão no microprocessador aciona uma solicitação de interrupção, em seguida o transceptor é despertado (3 ms) e um algoritmo calcula a alteração em relação a um valor de base previamente determinado e armazenado (a componente vertical do campo magnético da Terra na ausência de qualquer material ferroso) e verifica se a alteração excede ou não um determinado limiar. Se a comparação for positiva, presume-se que existe um veículo, o transceptor envia uma mensagem para a estação base a indicar que a vaga de estacionamento está ocupada (1). Subsequentemente, o nó sensor muda do modo de deteção de interrupção, com consumo de 5,5 μA, para a deteção periódica (modo de votação) executando o watchdog timer (WDT) a 1,5 kHz, com um consumo de apenas 2,6 μA, e mede o valor a cada 20 segundos para determinar se o veículo ainda está estacionado. Quando o veículo sai da zona de deteção, o transceptor envia uma mensagem para a estação base para indicar que o local está vazio (0) (Sifuentes, et al ., 2011). Quando existe uma condição escura e a alteração é inferior à linha de base, não é enviada nenhuma mensagem ( null ). Esta situação, que pode derivar de uma iluminação local de baixo nível ou da janela do sensor com sujidade ou a sombra de um veículo estacionado, em qualquer situação, é acionado o modo de votação com períodos de 20 segundos para verificar se o valor medido satisfaz o algoritmo calibrado no local (características luminosas e magnéticas). Se as características magnéticas não forem satisfeitas o sensor reconfigura e volta para o modo de sono para aguardar o próximo evento de interrupção (iluminação reduzida).
130 Assim, um sensor ótico passivo de baixo custo, capaz de funcionar com potência reduzida, combinado com um sensor magnético mais seletivo (e exigente de potência) pode resultar em um sistema de deteção de veículos confiável, de baixo custo e de baixa potência, adequado para RSW. A utilização de um sensor de baixa potência para acordar um segundo que tenha um melhor desempenho pode ser estendido a outras aplicações. Encontra-se no mercado diversos equipamentos para o controlo de estacionamento, entre eles o Hikob Wisecow SMP da empresa TagMaster, é um equipamento com comunicações wireless baseado em magnetómetro fluxgate de três eixos que deteta a presença de veículos com uma precisão de 98 %. Trata-se de um equipamento autónomo e programável com algoritmos que permitem a autoconfiguração da rede. O sensor é integrado em um invólucro desenhado em forma de tronco de cone, para a instalação na superfície do pavimento, com dimensão de 230 mm x 34 mm e com um peso total de 530 g. Trabalha em temperaturas de -40°C a 85°C e comunica da frequência 2.405 GHz à 2.480 GHz através do protocolo de camada física IEEE 802.15.4, com um alcance máximo de 200 m. Integra uma bateria de lítio de 3,6 V e 10,4 Ah que promete uma vida útil de aproximadamente 10 anos, dependendo da qualidade da cobertura de RF (Tagmaster, 2020). A empresa Libelium, na promoção do Smart Parking, também destaca a durabilidade da bateria dependente de parâmetros como o número de pacotes enviados por dia e a distância dos nós à estação base para garantir uma vida útil de 4 a 10 anos. Este equipamento integra uma programação de modo noturno para economizar energia durante as horas de baixa procura. O Smart Parking apresenta características distintas do anterior, nomeadamente, a deteção é realizada através de tecnologia radar (principal) combinada com magnetómetro (backup) para uma precisão de 99 % e a comunicação é realizada através do protocolo de comunicação LoRaWAN ( star networks , longo alcance) (Libelium, 2020). 5.6. Sensor de tensões para pavimentos rodoviários As infraestruturas do sistema de transportes, nomeadamente os pavimentos rodoviários flexíveis, semirrígidos e rígidos, requerem investimentos avultados para conservação e reabilitação (assegurar o desenvolvimento económico) e relacionam-se com outros critérios de sustentabilidade, através da reutilização de materiais granulares e betuminosos, gestão do espaço densamente ocupado e
131 impermeabilizado e na procura de tecnologia eficiente que permita a monitorização continua a longo prazo de forma a garantir uma manutenção oportuna e eficiente para a satisfação da qualidade de serviço e concretização de pavimentos perpétuos. A verdadeira condição estrutural do pavimento e a taxa de deterioração são atributos fundamentais para um planeamento eficaz das atividades de conservação. Para monitorizar as condições estruturais do pavimento, como as degradações por fendilhamento (e. g., fadiga por flexão), a recolha de dados é realizada através de equipamentos específicos introduzidos em viaturas que detetam apenas os danos visíveis existentes na camada de desgaste (Lajnef, et al ., 2013). Através do método de deflexões é possível efetuar uma análise estrutural do pavimento com recurso a equipamentos como o defletómetro de impacto ou o traffic speed deflectometer . São equipamentos que prometem resolver algumas preocupações estruturais, no entanto, são dispendiosos e propensos para períodos de análise semestrais ou anuais. A tecnologia atual não permite a monitorização continua e de longo prazo porque a limitação e periodicidade de substituição imposta pela utilização de baterias dificulta a implementação de sensores numa vasta extensão de pavimentos. No entanto, através do conceito de captação de energia e do processo de conversão de energia ambiente é possível converter a energia cinética da vibração estrutural ou tensão mecânica em energia elétrica para alimentar o sensor. O projeto conduzido pela Federal Highway Administration (FHWA) desenvolveu uma rede de sensores de baixo custo distribuída longitudinalmente pelo pavimento. Cada nó sensor é autoalimentado e capaz de monitorizar e armazenar continuamente os níveis de deformação dinâmica com base no tráfego atual e no histórico de cargas por eixo (algoritmo). Os dados de todos os sensores são periodicamente lidos via wireless e carregados para um banco de dados central através de um leitor instalado num veículo. O sistema baseia-se na integração de um transdutor piezoelétrico com um circuito computacional de matriz floating gate (FG) de ultra-baixa potência (Lajnef, et al ., 2013). O projeto usa os princípios da física do transistor FG (MOSFET 57 ) para calcular os padrões de deformação cumulativa mecânica aplicada na estrutura do pavimento. O sensor autónomo, trabalha continuamente com a energia elétrica (mínimo de 2,3 V) gerada e recolhida diretamente do sinal de deteção induzido por um transdutor piezoelétrico 58 (CEB-35D26) fixado na camada de desgaste. O tamanho do elemento piezoelétrico ativo, utilizado como sensor e fonte de 57 Um transistor FG é um metal oxide semiconductor field effect transístor (MOSFET) cuja porta de polysilicon é completamente envolvida por um isolamento de alta qualidade de dióxido de silício (SiO2) resultando na retenção de qualquer carga elétrica por períodos longos de mais de oito anos (atraente para projetos com memórias não volátil). 58 Um transdutor piezoelétrico é um tipo de transdutor eletroacústico que permite a conversão da pressão mecânica (e. g., cargas do tráfego) em uma força elétrica alternada (AC). É usado para medir a quantidade física como a força, pressão, stress e a tensão que não é possível medir diretamente.
132 energia, depende do nível desejado de sensibilidade e precisão exigida em cada nó de medição. A amplitude das deformações medidas determina o tamanho do transdutor a ser implementado. O dispositivo completo, composto por uma placa de eletrónica analógica, uma placa de interface e um elemento piezoelétrico é revestido por uma camada de um material rígido e fino composto por epoxy GY-6010, espuma de poliuretano e resina de uretano com enchimento mineral, para proteger das tensões e temperaturas durante e depois da pavimentação (espalhadora e cilindro de pneus). A forma do revestimento do sensor está intimamente ligada ao método de deteção de danos e às características de resistência a serem alcançadas. No caso dos sensores que medem a distribuição de deformações, o revestimento é em forma de H para permitir a deformação conjunta do sensor e do pavimento (Lajnef, et al ., 2013). Devido ao nível baixo de corrente no sistema, a comunicação wireless é efetuada através de um modulo de RF específico que transporta os dados do sensor ao mesmo tempo que capta a energia do leitor de sinal instalado no veículo. A energia do modulo de RF, dissociada dos circuitos de cálculo e armazenamento, é obtida através da técnica de RFID inductive coupling . Quando um sinal de 13,56 MHz é aplicado à antena do leitor (TRF7960 chipset ), um fluxo magnético variável no tempo é induzido através da bobina de indução do sensor e estabelece a tensão através de indutância mútua. A indutância mútua é diretamente proporcional à distância entre os dois indutores e as suas dimensões. A distância de leitura de dados entre o leitor e o sensor depende da parasitic capacitances , induzida no processo de fabricação da antena do leitor e da entrada do sensor (Lajnef, et al ., 2013). 5.7. Sensores radar de micro-ondas O radio detection and ranging ou radar de micro-ondas foi desenvolvido para detetar um objeto, dentro de um volume de cobertura, através da emissão de radiação eletromagnética e da recessão do eco dos objetos de interesse (e. g., veículos motorizados, bicicletas, pessoas). São ideais para aplicações externas de longo alcance. Ao contrário dos restantes sensores de reflexão da energia transmitida, laser infravermelho e ultrassons, são insensíveis a condições meteorológicas adversas. As micro-ondas, são o comprimento de onda (𝛼) da energia transmitida, geralmente de 1 cm a 30 cm (10-1 𝛼) correspondente à frequência de 1 GHz a 30 GHz (109 Hz). Os radares com espectro de