Descrição do Projeto de Pesquisa Temático

 

1. Introdução

2. Objetivos e Descrição da Pesquisa

2.1. Os SIGs usados no Projeto Temático ARSIG
2.2. Localização de Facilidades
2.3. Roteamento e Transportes
2.4. Objetivos

3. Resultados Atuais e Propostas

3.1. Pesquisa e Orientação
3.2. Integração de Algoritmos aos SIGs

4. Aplicações

5. Bibliografia

 

1. Introdução

A integração de áreas, linhas de pesquisa e pesquisadores, objetivo fim dos projetos temáticos FAPESP, foi realizada com sucesso no projeto temático ARSIG - Análise de Redes com Sistemas de Informações Geográficas, finalizado recentemente.

No projeto ARSIG, o uso comum de Sistemas de Informações Geográficas (SIGs) mostrou-se interessante como plataforma de desenvolvimento para problemas identificados em redes. Problemas considerados difíceis sob o ponto de vista computacional foram abordados. O ambiente urbano foi inicialmente selecionado. Os problemas de localização de facilidades, de roteamento de veículos e os relacionados a transportes foram priorizados, considerando a experiência da equipe envolvida no projeto. Outros vários problemas relacionados foram também estudados.

Com relação à pesquisa, o saldo do projeto ARSIG foi muito bom, contando no período de 2 anos com 3 publicações em revistas internacionais, 4 em revistas nacionais, 2 trabalhos aceitos para publicação em revista internacional, 2 teses de doutorado defendidas, 2 dissertações de mestrado, 11 trabalhos de iniciação científica, 19 trabalhos apresentados em congressos, 10 trabalhos submetidos para publicação em revistas, 2 relatórios técnicos e um capítulo de livro, completando um total de 56 trabalhos científicos.

Apesar de alguns atrasos enfrentados com a importação de equipamentos e softwares, a parte do projeto dedicada à integração de algoritmos desenvolvidos pela equipe do projeto ARSIG foi alcançada para duas plataformas de SIGs, o ArcView da ESRI e o SPRING, em desenvolvimento na DPI/INPE. O caminho foi aberto para novas integrações, que podem ser realizadas em menor prazo, devido a experiência adquirida pela equipe. Também foi realizada uma experiência interessante de coleta de dados, com a participação de alunos da FEG/UNESP.

Foram estabelecidos vários contatos com outros grupos de pesquisa e uma ampla divulgação via Internet dos trabalhos, disponibilizando os dados coletados, mapas digitalizados e os softwares integrados aos SIGs. As teses de doutorado proporcionaram possíveis desdobramentos do projeto com outras instituições além da FEG/UNESP e INPE.

Todos esses aspectos nos levam a crer na possibilidade de continuação dos trabalhos, e o presente projeto temático visa dar prosseguimento à pesquisa, complementando as integrações que não puderam ser priorizadas no projeto ARSIG e ampliando um pouco mais o escopo de aplicações. Novos parceiros estão sendo integrados à equipe do projeto ARSIG, especialmente, uma nova instituição: CNPTIA/Embrapa.

Com a experiência adquirida no projeto ARSIG, tem-se uma visão muito clara do que será possível alcançar com este novo projeto temático:

  • Na área de localização de facilidades vários outros modelos podem ser considerados, considerando a integração de vários tipos de dados e o uso dos dados geo-referenciados coletados e que venham a ser coletados pelo grupo. Modelos de cobertura e modelos capacitados já foram e estão sendo trabalhados por membros do projeto e alunos.
  • Nos problemas relacionados ao roteamento de veículos e transportes, pretende-se integrar aos SIGs os algoritmos que vêm sendo desenvolvidos em trabalhos orientados por membros do grupo.
  • As aplicações podem ser ampliadas, considerando aplicações específicas de localização de facilidades e roteamento.
  • Com a entrada de três novos membros no projeto, pretende-se diversificar e divulgar ainda mais os resultados alcançados.

 

2. Objetivos e Descrição da Pesquisa
Descrevemos neste item a pesquisa e os objetivos referentes ao ARSIG2. Iniciamos com uma breve descrição dos SIGs usados no temático ARSIG, e que servirão de base para as novas integrações de algoritmos a serem realizadas no ARSIG2. Além das aplicações clássicas nas áreas de localização, roteamento e transportes, descrevemos sucintamente algumas outras possíveis aplicações relevantes ao contexto do projeto. Os objetivos do projeto são listados a seguir.
 
2.1.

Os SIGs usados no Projeto Temático ARSIG

ArcInfo

O ArcInfo é um software desenvolvido e comercializado pela empresa norte-americana ESRI - Enviromental System Research Institute, Inc. É um dos sistemas de informações geográficas mais utilizados por empresas e instituições acadêmicas de todo o mundo, sendo considerado líder de vendas no seu segmento de mercado. São disponíveis versões para as mais diversas plataformas computacionais e sistemas operacionais, variando de estações de trabalho a microcomputadores.

O ArcInfo oferece recursos para a criação de bases de dados cartográficas, permitindo a captura, manipulação, análise e apresentação de dados espaciais. Oferece várias opções de estruturas de dados (vetorial, raster, imagem) e possui funções de conversão de dados, sobreposição de mapas, análise espacial, gerenciamento da base de dados não-gráfica, além de permitir a integração com os principais SGBDs do mercado. O ArcInfo conta ainda com um módulo de redes, onde estão implementados algoritmos para caminho mínimo, localização (p-medianas) e roteamento (caixeiro viajante).

O ArcInfo em sua versão Unix para estações de trabalho é um sistema caro. A compra pelo INPE foi facilitada pois um pesquisador de outra área já havia adquirido o sistema em outra ocasião. Neste caso compramos como segunda cópia, o que baixou o preço para em torno de 15% do preço original.

ArcView e MapObjects

No projeto ARSIG também foram adquiridas versões para microcomputadores, devido à demora na importação das estações de trabalho. Duas versões para microcomputadores foram adquiridas, a versão ArcInfo completa, incluindo o ArcView e a versão MapObjects.

O ArcView é também um poderoso SIG, sendo, no entanto, mais amigável que o ArcInfo. O módulo de redes do ArcView não contempla problemas de localização e roteamento.

O MapObjects permite a integração direta de um SIG com ambientes de desenvolvimento tipo Visual Basic, Delphi ou Visual C++. A integração é feita através de classes específicas de SIGs, que podem ser usadas nos ambientes de desenvolvimento.

SPRING

O Sistema de Processamento de Informações Georeferenciadas (SPRING, 1998) é um sistema computacional desenvolvido pela equipe da Divisão de Processamento de Imagens (DPI) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE, 1998). Este sistema possui uma implementação baseada no paradigma de orientação a objetos, e objetiva a integração e análise de diferentes tipos de dados espaciais.

Algumas das características principais deste sistema são:

  • Opera como um banco de dados geográfico sem fronteiras e suporta grande volume de dados sem limitações de escala, projeção e fuso, mantendo a identidade dos objetos geográficos ao longo de todo banco.
  • Administra tanto dados vetoriais como dados matriciais (raster) e realiza a integração de dados de Sensoriamento Remoto num Sistema de Informações Geográficas. Aprimora a integração de dados geográficos, com a introdução explícita do conceito de objetos geográficos (entidades individuais), de mapas cadastrais, mapas de redes e campos.
  • Provê um ambiente de trabalho amigável e poderoso, através da combinação de menus e janelas com uma linguagem espacial facilmente programável pelo usuário (LEGAL - Linguagem Espaço-Geográfica baseada em Álgebra), fornecendo ao usuário um ambiente interativo para visualizar, manipular e editar imagens e dados geográficos.
  • Consegue escalonabilidade completa, isto é, é capaz de operar com toda sua funcionalidade em ambientes variando de microcomputadores a estações de trabalho RISC de alto desempenho.
  • Adaptado a complexidade dos problemas ambientais, que requerem uma forte capacidade de integração de dados entre imagens de satélite, mapas temáticos, cadastrais, redes e modelos numéricos de terreno. Adicionalmente, muitos dos sistemas disponíveis no mercado apresentam alta complexidade de uso e demandam tempo de aprendizado muito longo, ao contrário do SPRING.

O modelo de dados do SPRING está baseado no paradigma de orientação a objetos (Câmara, 1995). Um banco de dados geográfico é composto de planos de informação, de objetos geográficos, e de informações não espaciais. Os planos de informação podem representar informações contínuas no espaço (campos), ou os objetos geográficos individuais. Cada plano de informação pode conter representações espaciais do tipo vetorial ou varredura. A representação vetorial corresponde a linhas, pontos, e polígonos que definem as formas de representação dos objetos espaciais, enquanto a representação de varredura corresponde a uma matriz de pontos com valores em cada célula.

Os tipos de dados tratados no SPRING são:

  • Mapas temáticos: cada informação representa um tema ou classe de informação (por exemplo, as classes de uso do solo de uma região).
  • Mapas cadastrais ou mapa de objetos: ao contrário de um mapa temático, cada elemento é um objeto geográfico, que possui atributos e que pode estar associado a várias representações gráficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico que possuem atributos (dono, localização, valor venal, IPTU devido, etc.) e que podem ter representações gráficas diferentes (poligonais, lineares, ou pontuais) em mapas de escalas distintas.
  • Mapas de redes: correspondem a mapas cadastrais, com a diferença de que geralmente os objetos são representados por elementos lineares ou pontuais. As representações pontuais devem estar localizadas em pontos de intersecção de linhas na rede.
  • Modelo numérico de terreno (ou MNT): denota a representação de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Comumente associados à altimetria, podem ser utilizados para modelar outros fenômenos de variação contínua (como variáveis geofísicas, geoquímicas e batimetria).
  • Imagens: representam dados de sensoriamento remoto ou fotografias aéreas.
 
2.2.

Localização de Facilidades

Problemas de localização tratam de decisões sobre onde localizar facilidades, considerando clientes que devem ser servidos, de forma a otimizar um certo critério. O termo "facilidades" pode ser substituído por fábricas, depósitos, escolas, etc., enquanto que clientes se referem a depósitos, unidades de vendas, estudantes, etc. Em geral os vários centros selecionados que podem ser localizados, podem também ser alocados ao subconjunto de centros que serão abertos. Por isso também são conhecidos como problemas de localização-alocação, devido ao processo de alocação dos outros centros aos centros abertos.

Esta é uma área que têm despertado crescente interesse em planejadores, principalmente quando uma base de dados geograficamente referenciada pode ser usada. Departamentos de Geografia de diversas universidades dos Estados Unidos vêm mantendo grupos de pesquisadores com preocupações em problemas de localização. Destes um dos mais famosos é grupo do professor Charles S. ReVelle, do departamento Environmental and Urban Systems da Johns Hopkins University.

Professores e pesquisadores formaram dois principais grupos de pesquisa e divulgação, o grupo europeu EURO Working Group on Locational Analysis ) e o Section on Location Analysis - SOLA, uma sessão do INFORMS. Ambos promovem reuniões anuais, na forma de congressos, onde são discutidas aplicações e desenvolvimentos relacionados a problemas de localização.

As aplicações são em geral divididas para setores públicos e privados. No caso de setores públicos aplicações maximizam a satisfação dos clientes em detrimento dos custos necessários para o alcance de tal objetivo (em geral os custos não são estimados com exatidão). Entre os exemplos de aplicações em setores públicos, estão, a localização de escolas, de postos de saúde, corpo de bombeiros, ambulâncias, viaturas de polícia, pontos de ônibus, entre outros. No caso do setor privado, custos chamados fixos estão envolvidos, e suas aplicações envolvem em geral fábricas, depósitos, torres de transmissão, lojas de franquias etc.

O uso de SIGs para resolver problemas de localização e roteamento ainda não está totalmente difundido na comunidade científica internacional. Mas, levando-se em conta a capacidade de armazenar, exibir e manipular dados espacialmente distribuídos, a integração de algoritmos de localização aos SIGs foi iniciada há alguns anos. A ESRI integrou alguns problemas não-capacitados de localização-alocação em seu Sistema de Informações Geográficas ArcInfo. A integração baseou-se inicialmente na heurística de Teitz & Bard (1968) para solução do problema das p-medianas. Uma técnica proposta por Hillsman (1984) usa edição na formulação do problema das p-medianas, e consegue de forma aproximada tratar outros tipos de problemas de localização-alocação usando a mesma heurística. Os modelos disponíveis são:

  • p-medianas: encontra a configuração que minimiza a distância total (com pesos) percorrida de cada ponto de demanda a seu mais próximo centro que foi aberto.
  • p-medianas com restrição de distância máxima: encontra a configuração que minimiza a distância total (com pesos) percorrida de cada ponto de demanda a seu mais próximo centro que foi aberto, enquanto assegura que o máximo de pontos possível está entre uma dada distância de seu centro mais próximo.
  • Maximização de atendimento: encontra a configuração que maximiza o atendimento (maximiza o número de pontos de demanda servidos), assumindo que desejo de atribuição de demanda a centros é linearmente proporcional à distância do centro.
  • Minimização da distância total em potências: encontra a configuração que minimiza a distância total percorrida de cada ponto de demanda a seu mais próximo centro que foi aberto, considerando distâncias individuais elevadas ao quadrado, ao cubo, ou alguma outra função de potência.
  • Problema de Máxima Cobertura (PMC): encontra a configuração que maximiza o número de pontos de demanda que se encontram a uma dada distância de seu centro mais próximo.
  • Problema de Máxima Cobertura com restrição de distância máxima: encontra a configuração que maximiza o número de pontos de demanda que se encontram a uma dada distância de seu centro mais próximo. Uma restrição secundária de maior distância é aplicada para assegurar que pontos que não estão abaixo da primeira distância serão servidos se estão abaixo da segunda distância.
 
2.3.

Roteamento e Transportes

Roteamento

Problemas de distribuição aparecem em uma série de serviços, como entrega bancária, entrega postal, entrega de mercadorias, rotas de ônibus escolar, coleta de lixo industrial, serviço de entrega noturnas, operações de frete, e outros. A solução destes problemas pode diminuir bastante o custo de distribuição, causando uma grande economia tanto para a indústria como para o governo. No entanto, muitos destes problemas são difíceis de resolver. Estes dois atrativos fazem com que haja muita literatura sobre estes problemas que são conhecidos como problemas de roteamento e planejamento (scheduling).

No problema clássico de roteamento de veículos, consideram-se n clientes espacialmente distribuídos, cada um com uma demanda de mercadorias. As mercadorias são entregues a partir de um depósito por uma frota de veículos homogêneos. Cada veículo realiza um percurso saindo do depósito e entregando as mercadorias para um subconjunto de clientes, satisfazendo as necessidades de demanda de cada um e retornando ao depósito. A rota de cada veículo deve obedecer a algumas restrições como: a quantidade de mercadoria entregue não deve exceder a capacidade do veículo e o tempo limite para realizar uma rota não deve ser ultrapassado. O problema de roteamento de veículos pretende traçar rotas para os veículos, determinando a quais clientes deve-se fornecer a mercadoria, de forma a não violar as restrições e otimizar alguma função objetivo.

Normalmente são considerados três funções objetivos:

  1. Minimizar a distância total percorrida (ou tempo gasto) por todos os veículos;
  2. Minimizar o número de veículos e deste número mínimo, minimizar a distância total percorrida;
  3. Minimizar a combinação de custo de veículos e distância percorrida.

Existem muitas variações do problema clássico, que podem ser consultadas nos trabalhos (entre outros) de Christofides et al. (1979), Bodin et al. (1983), Gendreau et al. (1997).

 

Transportes

Conhecendo-se a matriz origem-destino da demanda por deslocamentos entre as diferentes zonas de uma cidade, pode-se utilizar algoritmos eficientes para a definição de uma rede de transporte de passageiros, considerando os vários modos de transporte coletivo (ônibus, metrô, etc.), de transporte individual (automóvel, moto, bicicleta, deslocamento a pé) e as diferentes possibilidades de integração inter e intra modal.

Os itinerários das linhas que compõem a rede de transporte de passageiros podem ser integrados no Sistema de Informações Geográficas, juntamente com outras informações pertinentes, tais como:

  • extensão;
  • percurso médio diário, mensal, anual;
  • passageiros transportados por viagem, por dia, por mês;
  • velocidade de percurso;
  • índice de passageiros por quilômetro (IPK);
  • índice de ocupação (relação entre a ocupação de um veículo e o número de assentos);
  • densidade de ocupação (relação entre a quantidade de passageiros transportados em pé e o espaço útil reservado para tal finalidade);
  • taxa de ocupação (relação entre a ocupação de um veículo após sair de um determinado ponto de parada e a sua capacidade nominal de ocupação);
  • ocupação crítica (quantidade de passageiros transportados no trecho de máxima taxa de ocupação);
  • índice de renovação de passageiros (relação entre a ocupação total e a ocupação crítica);
  • índice de cumprimento de viagens (relação entre o número de viagens programadas e o número de viagens realizadas);
  • índice de oferta (relação entre a população de uma dada região e o número de lugares ofertados por período).

 

Localização e Transportes

Um importante problema relacionado com uma rede de transportes de passageiros é o da determinação da localização ótima dos pontos de parada e terminais de integração física, além das garagens e oficinas das empresas operadoras. Analogamente, no caso de transporte de carga deve-se determinar a melhor localização das facilidades (entrepostos, armazéns, garagens, oficinas).

A cada facilidade (ponto de parada, terminais, garagens) localizada no Sistema de Informação Geográfica deve estar associado um conjunto de informações pertinentes. Para exemplificar, no caso de pontos de parada e terminais de integração as seguintes informações são de interesse:

  • linhas servidas e respectivos horários;
  • demanda de usuários (embarque e desembarque) por linha e por horário;
  • equipamentos existentes (bancos, lixeiras, telefone, caixa de correio, floreiras);
  • facilidades existentes no entorno (farmácia, lanchonete);
  • tipos de abrigos;
  • características físicas (fotos e desenhos arquitetônico e de construção civil);
  • tipo de pavimentação da faixa lindeira (asfalto, concreto).
 
2.4.

Objetivos

Os principais objetivos deste projeto temático são

  • Continuar a pesquisa, orientação e integração dos algoritmos de localização, roteamento, transportes e relacionados aos SIGs (ArcView, SPRING, ArcInfo e MapObjects);
  • Construir protótipos de Sistema de Apoio à Decisão usando modelos (de localização, roteamento ou simulação) e dados geo-referenciados, com ênfase em aplicações na área urbana e possivelmente em agricultura.
  • Desenvolver metodologias de baixo custo para determinação da matriz de deslocamentos entre as diferentes regiões de uma dada cidade. Estas metodologias envolvem a coleta de dados domiciliares necessários à determinação do padrão de deslocamentos, a atualização da base de dados geo-referenciados e a determinação da matriz origem-destino dos deslocamentos atuais e futuros;
  • Dar ênfase a realização de aplicações contando com os dados adquiridos ou coletados no projeto temático ARSIG, e com outros dados que venham a ser adquiridos e/ou coletados pelo grupo;
  • Estudar os efeitos da agregação de dados nos resultados de aplicações em localização, roteamento e transportes;
  • Iniciar estudos para integração dos algoritmos a outros SIGs: MapInfo e TransCAD;
  • Proporcionar ampla divulgação das metodologias, sistemas de informação, modelos e resultados obtidos no projeto, especialmente via Internet e com publicações, formação de alunos e participações em reuniões científicas.

 

3. Resultados Atuais e Propostas

 
3.1.

Pesquisa e Orientação

Resultados Atuais

Os resultados atuais em pesquisa e orientação foram, em sua maioria, produto do recente projeto temático FAPESP, ARSIG - Análise de Redes com Sistemas de Informações Geográficas. O relatório final do projeto ARSIG pode ser encontrado na página do projeto disponibilizada na Internet.

Os resultados de pesquisa e orientação obtidos no projeto ARSIG foram excelentes e incluem publicações em revistas internacionais, publicações em revistas nacionais, artigos aceitos para publicação em revista internacional, teses de doutorado defendidas, dissertações de mestrado defendidas, trabalhos de iniciação científica ou de graduação, trabalhos submetidos para revistas, relatórios técnicos e capítulo de livro, num total de 56 trabalhos científicos.

As principais áreas de pesquisa e problemas estudados foram:

  • Problemas de localização de facilidades: p-medianas, p-medianas capacitado, localização capacitada e não-capacitada, cobertura de conjuntos, máxima cobertura.
  • Problemas de roteamento de veículos: caminho de peso mínimo, caixeiro viajante, roteamento clássico com um depósito, problema generalizado de atribuição, clustering.
  • Problema de transportes: dimensionamento de rede de linhas de transporte urbano de passageiros, gestão de pontos de parada de uma rede de transporte coletivo.
  • Problemas relacionados: problema de rotulação de pontos, problema da coloração de grafos, problema da formação de células de manufatura, problema da precipitação em bacia hidrográfica, clustering, percorrimento de arcos em grafos.

 

Propostas

Pretende-se continuar a pesquisa e orientação em todas as áreas salientadas acima e em algumas novas áreas que venham a ser identificadas com aplicações em planejamento urbano e agricultura, sempre com o uso comum de redes e SIGs.

 
3.2.

Integração de Algoritmos aos SIGs

Resultados Atuais

A integração de algoritmos para problemas de localização foi iniciada no projeto ARSIG considerando o problema mais estudado pelo grupo, o problema das p-medianas, e dentre os SIGs adquiridos, o considerado de mais fácil aprendizagem, o ArcView. O código integrado, compilado na linguagem C, aplica a heurística Lagrangeana/surrogate de Senne e Lorena (1999). Também foi iniciada a integração do mesmo código para problemas das p-medianas no SPRING. Na versão atual, as distâncias podem ser euclideanas ou considerar características da rede urbana.

Alguns algoritmos relacionados a transportes e roteamento foram integrados ao SPRING. Basicamente os algoritmos de Djkstra e Floyd, para calcular caminhos mínimos em um grafo. Algumas possíveis aplicações estão assinaladas. Uma nova versão do SPRING foi lançada em junho/2000, já incluindo a versão beta do módulo de redes.

Algoritmos para identificação de zonas que são suportadas por uma fonte também foram integrados a SIGs. Estes algoritmos resolvem problemas como, por exemplo: dado uma escola com capacidade para n alunos, identificar a área de cobertura desta escola na região da cidade. Outra aplicação poderia estar relacionada com a parte de energia elétrica, identificando-se a área de cobertura para uma sub-estação. Esta função está implementada no SPRING usando-se como base o algoritmo de Djsktra para computar o custo de se navegar na rede, e são utilizadas também as informações de demanda em cada ligação da rede. Os parâmetros de custo (impedância) e demanda são usados como referência para parar este procedimento, ou seja o processo de busca pára quando o custo máximo ou a demanda máxima é atingida.

 

Propostas

No projeto temático ARSIG fizemos a integração do algoritmo de p-medianas desenvolvido por Senne e Lorena (1999) ao ArcView e ao SPRING.

Usando o processo de edição de Hillsman (1984) pode-se facilmente ampliar o número e variedade de modelos integrados pela equipe ao ArcView. Todos os modelos descritos no item 2.2., que foram integrados pela ESRI ao ArcInfo, podem ser integrados ao ArcView e ao SPRING, considerando agora como base o algoritmo de Senne & Lorena. Cabe salientar que este algoritmo é muito superior em qualidade ao algoritmo de Teitz & Bard (1968).

A mesma técnica empregada por Lorena e Senne para o problema de p-medianas teve sucesso em problemas de localização capacitados (Lorena and Senne, 1999). Estes devem ser considerados para integração ao ArcView e SPRING. No SPRING, a função atual de roteamento baseada no algoritmo de Djkstra possibilita a definição de pontos intermediários de parada, cuja ordem é definida pelo usuário (atualmente vale a ordem em que o ponto é adquirido na interface). Será incluído um desenvolvimento para cálculo automático da melhor ordem de parada uma vez fornecidos os pontos intermediários (caixeiro viajante).

Implementação e integração de novos algoritmos de roteamento para o ArcView, MapObjects e SPRING.

Desenvolvimento de novos algoritmos relacionados com a identificação de zonas que são suportadas por uma fonte. Também para clustering de um modo geral, com aplicações em localização, roteamento de veículos e na fase inicial de aplicação dos dados, para formação de setores que integrem dados com medidas de similaridades. Estes setores podem particionar ou agregar os dados disponíveis e são úteis em diversas aplicações, aproximando-as da realidade.

 

4. Aplicações

As aplicações a serem abordadas no projeto estarão divididas em dois grupos. No primeiro grupo estarão aquelas em que serão criados SADs (Sistemas de Apoio à Decisão), e no segundo grupo aquelas que potencialmente podem vir a ser consideradas para futuros SADs, mas que em sua maioria serão integrados aos SIGs ArcView e SPRING. A ênfase das aplicações será no ambiente urbano e em agricultura. A seguir serão especificadas as aplicações que farão parte dos dois grupos.

 

Aplicações em que serão criados SADs

1. TRANSIS

Na área de transporte coletivo, dar-se-á ênfase ao desenvolvimento de programas que auxiliem o planejamento de rede de linhas, com característica multi-modal. Em 1999, desenvolveu-se as rotinas básicas, em linguagem C, de uma metodologia para avaliação do desempenho de sistemas de transporte coletivo urbano (Batista Jr. e Senne, 1999). Dentro do ARSIG2, pretende-se dar continuidade ao desenvolvimento dessa metodologia, priorizando a utilização dos recursos de Sistemas de Informações Geográficas. Uma característica de sistemas de transporte coletivo urbano é o elevado volume de dados e o tratamento dessa massa de dados através dessa tecnologia é muito eficiente, em função da própria característica espacial de tais dados, relacionados com as diferentes regiões da cidade. Por exemplo, considerando uma cidade dividida em 30 regiões e servida por uma rede composta de 20 linhas de ônibus é possível encontrarmos milhares de possíveis trajetos para se deslocar entre as diferentes regiões. Continuando nesse exemplo, uma Pesquisa Origem-Destino, além de possibilitar a obtenção das diversas matrizes origem-destino (por período típico: pico, entre-picos, média diária; por modo; por motivo), cada uma com 900 elementos, também disponibiliza um conjunto de informações de natureza sócio-econômica (sexo, idade, escolaridade, renda, ocupação, hábitos, características dos domicílios, dos veículos, etc.), que podem ser agregadas por região, por sub-região (quarteirão) e até por domicílio. A tecnologia SIG facilita também a visualização do resultado do processamento dessa massa de dados. A referida metodologia para avaliação do desempenho de sistemas de transporte coletivo urbano foi concebida como uma ferramenta para a análise e o planejamento de redes de transporte público urbano. A metodologia possibilita a obtenção do custo penalizado de uma rede (CPR), o qual considera os principais indicadores de desempenho (atendimento da demanda, rapidez, acessibilidade, transbordo, conforto e o próprio custo) e, também, possibilita a obtenção de um índice (IDR) que mede o desempenho de uma rede de transporte coletivo urbano numa escala de 0 (desempenho mínimo) a 1 (desempenho máximo). Além do CPR e do IDR a metodologia possibilita a:

  • verificação da existência de caminhos naturais entre as diferentes regiões;
  • determinação de uma rede de linhas viáveis;
  • determinação do conjunto de trajetos possíveis;
  • determinação dos intervalos entre partidas (headway mínimo, máximo e médio), para rede de linhas, nos períodos de pico e entre-picos;
  • determinação do carregamento por linha nos períodos de pico e entre-picos, tanto em termos absoluto (total de passageiros transportados), como relativo (percentual);
  • determinação do índice de ocupação por região do itinerário de cada linha, nos períodos de pico e entre-picos;
  • determinação da parcela do CPR correspondente a cada linha;
  • divisão em lotes de linhas, considerando-se o carregamento de passageiros, a parcela correspondente ao CPR ou outra qualquer variável de interesse;
  • determinação de uma rede de linhas, considerando o CPR.

 

2. SIGPOP

A localização de pontos de parada, mantidos em perfeitas condições de utilização e com a infra-estrutura adequada, é fator chave para o sucesso da operação de um Sistema de Transporte Coletivo Urbano. Decisões erradas, especialmente quanto à localização e à manutenção dos pontos de parada, aumentam a ineficiência do sistema de transporte público. Um sistema de gerenciamento de pontos de parada utilizando os recursos da tecnologia de Sistemas de Informações Geográficas constitui ferramenta importante a planejadores de transporte pois propicia as condições necessárias para a tomada de decisões tais como:

  • que local necessita, ou não, de um ponto de parada?
  • qual a distância ótima entre determinados pontos de parada?
  • qual a infra-estrutura (instalação) ótima dos pontos de parada (cobertura, pintura, piso, banco, equipamentos etc.)?
  • qual a necessidade de manutenção ou de ampliação dos pontos de parada?
  • quais as necessidades de determinado ponto de parada?

Pretende-se desenvolver o sistema SIGPOP - Sistema de Gerenciamento de Pontos de Parada como um SAD que deverá criar um ambiente para:

a) facilitar a manutenção (inclusão, alteração e exclusão) de uma base de dados geo-referenciada com informações pertinentes aos pontos de parada e às linhas de transporte coletivo, tais como:

  • localização;
  • classificação do ponto: terminal, intermediário, seletivo etc.;
  • linhas servidas e respectivos horários;
  • demanda de usuários (embarque e desembarque) por linha e por horário;
  • situação da estrutura: piso, cobertura etc.;
  • situação dos equipamentos existentes: bancos, lixeiras, telefone, correio, floreiras etc.;
  • facilidades existentes no entorno: farmácia, lanchonete, banco automático, banca de jornal etc.;
  • tipo e situação da pavimentação da faixa lindeira;
  • área de influência de cada ponto de parada (km2);
  • população potencialmente usuária de cada ponto de parada;
  • estimativa do número de residências servidas pelo ponto de parada;
  • micro-acessibilidade da origem, tempo médio gasto pelos usuários acessarem determinado ponto de embarque;
  • micro-acessibilidade do destino, tempo médio gasto pelos usuários de determinado ponto de desembarque chegarem no destino;

b) possibilitar a recuperação das informações armazenadas na base de dados, tais como:

  • fixado um ponto de parada, o SIGPOP deve fornecer a localização, os equipamentos e as facilidades existentes, as linhas de transporte coletivo que passam pelo ponto e os respectivos horários, o fluxo e as características dos usuários etc.;
  • fixada uma linha de transporte coletivo, o SIGPOP deve fornecer o itinerário percorrido pela linha e a localização da sequência de pontos de parada, a extensão da linha, o índice de passageiros por km (IPK) e o tempo médio de percurso por horário etc.;

c) obter informações gerenciais, tais como:

  • densidade de pontos de parada, dada pela relação entre o número de pontos de parada existentes numa região e a sua área (pontos/km2);
  • índice de acessibilidade aos pontos de parada, dado pela relação entre o número de pontos de parada existentes numa região e a sua população (pontos/habitante);
  • índice de oferta da rede de transporte coletivo, dado pela relação entre a população de uma região e o número de lugares ofertados, por período, pelas linhas que a servem (habitantes/lugar.hora);
  • índice de alcance da rede de transporte coletivo ou densidade da rede, dado pela relação entre o comprimento total das vias utilizadas pelas linhas que servem uma dada região e a sua área (km/km2);
  • índice de cobertura da rede, dado pela relação percentual entre a distância percorrida (km), por período, pelas linhas que servem uma dada região multiplicada pela distância aceitável para deslocamento à pé (por exemplo: 0,5 km) e a sua área (km2);
  • índice de acessibilidade à rede de transporte coletivo, dado pela relação entre a distância percorrida, por período, pelas linhas que servem uma dada região e a sua população km/habitante.hora);
  • índice de oferta da rede de transporte coletivo, dado pela relação entre a população de uma dada região e o número de lugares ofertados, por período, pelas linhas que a servem (habitantes/lugar.hora). Os lugares ofertados podem ser calculados multiplicando-se a capacidade nominal do veículo pelo número de viagens, por período;
  • espaçamento médio entre pontos de parada, dado pela relação entre a distância de um determinado trecho da via, delimitado por pontos de parada e a quantidade de pontos de parada existentes no trecho menos 1;
  • espaçamento ótimo entre pontos de parada.

O sistema proposto deverá conter rotinas que possibilitem a criação de um ambiente amigável tanto para a manutenção e recuperação das informações armazenadas na base de dados, como para a obtenção de informações gerenciais. Essas rotinas devem ser desenvolvidas utilizando-se uma linguagem de programação visual (Delphi) incorporada à biblioteca de classes MapObjects (software desenvolvido pela ESRI - Environment Systems Research Institute). Assim, além dos recursos visuais normalmente utilizados em sistemas com interface gráfica com o usuário (como menús, botões de pressão, barras de rolagem, caixas de diálogos, etc.), o SIGPOP deverá possibilitar o tratamento de mapas em múltiplas camadas (layers), a atualização de dados diretamente através dos mapas, a visualização de mapas em zoom, facilitando ao máximo a análise visual. Deve-se ressaltar que em 1999, ainda no projeto temático ARSIG, foram coletados dados para a cidade de Guaratinguetá que irão possibilitar a criação da base de dados geo-referenciados com as características que se deseja para o SIGPOP. Tais dados, juntamente com a utilização do sistema TransCAD que pretende-se adquirir, serão muito úteis no desenvolvimento e nos testes das rotinas do SAD proposto.

 

Aplicações que serão efetivamente integradas aos SIGs

  1. P-medianas: Novos algoritmos usando Algoritmo Genético Construtivo (AGC);
  2. P-medianas capacitado: Novos algoritmos usando AGC e a relaxação Lagrangeana/surrogate (RLS);
  3. Localização para setor privado, considerando custos fixos: caso capacitado e não capacitado;
  4. Problema de roteamento de veículos com 1 depósito (clássico e variações): implementação a partir do problema de p-medianas capacitado (usando AGC e RLS);
  5. Uma aplicação de problemas de localização com custos fixos (caso capacitado) será feita no ambiente agrícola, para localização de silos em cooperativas.

Aplicações potenciais

  1. Cobertura de Conjuntos: Novos algoritmos usando AGC e RLS;
  2. Edição de Hillsman (1984): Todas as aplicações existentes no ArcInfo usando nossos algoritmos para p-medianas;
  3. Localização de antenas para provedores de serviços de Internet: considerando modelos digitais de terreno e problemas de cobertura;
  4. Problemas de cortes de estoques e de sequenciamento de padrões de cortes, possuem forte relacionamento com os problemas de roteamento de veículos, apresentando muitas vezes o mesmo modelo matemático. Os algoritmos desenvolvidos podem portanto ser aplicados a problemas das duas áreas.
  5. Na área agrícola os problemas de localização podem ser aplicados a silos em uma dada área, escritórios de extensão rural, centros distribuidores de peças para máquinas agrícolas, centros de saúde na área rural, indústrias do ramos agropecuários (laranja/suco, café, cana-de-açúcar, etc.), centros de distribuição de mercadorias (adubos, fertilizantes, defensivos agrícolas, vacinas, etc.).
  6. Na área agrícola os problemas de roteamento podem ser aplicados, no sentido de reduzir custos ou tempo, no escoamento da produção do produtor rural para centros consumidores, distribuição da carga entre um número N de caminhões, com capacidades diferentes, para serem levadas para M centros consumidores, distribuição de peças de uma empresa (na cidade ou fora dela) para máquinas de X produtores rurais, etc.
  7. Outras aplicações no domínio rural serão identificadas com o tempo. Isto também é um dos alvos do CNPTIA, além de difundir o ARSIG2 para o produtor e este identificar aplicações.

 

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Yanasse, H.H. Minimization of open orders - polynomial algorithms for some special cases, Pesquisa Operacional, 16(1):1-26, 1996. (obs: este número só foi editado em 1997).

Yanasse, H.H., J. C. Becceneri, N. Y. Soma, Bounds for a problem of sequencing patterns, submetido para publicação na revista Pesquisa Operacional, 1998.

Yanasse, H.H., J. C. Becceneri, N. Y. Soma, Some reduction procedures to solve a pattern sequencing problem, aceito para apresentação no IFORS'99 - 15th Triennial Conference, Beijing, República Popular da China, 1999.

Yanasse, H.H., J. C. Becceneri, N. Y. Soma, Um algoritmo exato para um caso especial do problema de sequenciamento de padrões, apresentado no XXX SBPO, realizado em Curitiba, PR, novembro de 1998. Livro de Resumos do XXX SBPO, p. 385-386, dentro da III Oficina Nacional de Problemas de Corte & Empacotamento com o título An exact algorithm for a special case of a patterns sequencing problem, Anais da III Oficina, p. 53-61.

Yanasse, H.H., J. C. Becceneri, N. Y. Soma, Um heurística para o problema de minimização do número de pilhas abertas, apresentado no I WORKCOMP´98 - Workshop de Computação, realizado no ITA, em São José dos Campos, SP, outubro de 1998. Anais do WORKCOMP´98, p. 9-13.

Yanasse, H.H., M. S. Limeira, A branch and bound scheme for solving a pattern sequencing problem, apresentado no EURO XVI, Bruxelas, Bélgica, julho de 1998, EURO XVI Programme, p. 120. Apresentado no XXX SBPO com o título Um algoritmo branch-and-bound para resolver um problema de sequenciamento de padrões, Curitiba, PR, novembro de 1998. Livro de Resumos do XXX SBPO, p. 395, dentro da III Oficina Nacional de Problemas de Corte & Empacotamento, Anais da III Oficina, p. 63-68. Artigo completo submetido para publicação na revista European Journal of Operational Research.

Yanasse, H.H., I. V. M. Motta, A modification in the savings method for vehicle routing to be used in large problems, apresentado no III CLAIO - Congresso Latino-Ibero-Americano de Investigación Operativa e Ingenieria de Sistemas, Santiago do Chile, Chile, agosto de 1986.