Large cities around the world face numerous challenges to guarantee the quality of life of its citizens. A promising approach to cope with these problems is the concept of Smart Cities, of which the main idea is the use of Information and Communication Technologies to improve city services and infrastructure. Being able to simulate the execution of Smart Cities scenarios would be extremely beneficial for the advancement of the field and for governments. Such a simulator would need to represent a large number of agents such as cars, hospitals, and gas pipelines. One possible approach for doing this in a computer system is to use the actor model as a programming paradigm so that each agent corresponds to an actor. The Erlang programming language is based on the actor model and is the most commonly used implementation of it. In this thesis, we present the first version of InterSCSimulator, an open-source, extensible, large-scale traffic Simulator for Smart Cities developed in Erlang. Experiments showed that the simulator is capable of simulating millions of agents using a real map of a large city. We also present study cases which demonstrate the possible uses of the simulator such as tests new urban infrastructure and test the viability of future transportation modes. / Grandes cidades ao redor do mundo enfrentam grandes desafios para garantir boas condições de vida para seus cidadãos. Uma abordagem para responder aos problemas das cidades é a ideia de Cidades Inteligentes, a qual tem como principal característica o uso de Tecnologias de Telecomunicações e Informação (TIC) para melhorar os serviços da cidade. Simular cenários de Cidades Inteligentes pode beneficiar bastante essa área de pesquisa e também gestores de cidades. Um simulador desse tipo precisa representar diversos tipos de agentes como carros, hospitais e a infraestrutura da cidade. Uma possível implementação desse simulador pode usar o modelo de atores como paradigma de programação, implementando cada agente como um ator. O Erlang é uma das linguagens de programação baseada no modelo de atores mais utilizadas para o desenvolvimento de aplicações de larga escala. Esta tese apresenta a primeira versão do InterSCSimulator, um simulador de Cidades Inteligentes de código aberto, extensível e de larga escala desenvolvido em Erlang. Experimentos mostraram que o simulador é capaz de simular todo o trânsito de uma metrópole como S\\~ao Paulo. Adicionalmente, são apresentados diversos casos de usos demonstrando como o simulador pode ser utilizado em trabalhos sobre Cidades Inteligentes como pesquisas sobre novos modos de transportes, redes veiculares e aplicações de Cidades Inteligentes.

Nas grandes cidades ao redor do mundo os congestionamentos são problemas bem conhecidos e compartilhados por todos os setores da sociedade. Não é surpreendente, então, que grande parte dos investimentos públicos caminhem na direção de reduzir paulatinamente o esforço rotineiro que a população itinerante faz para chegar ao trabalho ou retornar ao lar, melhorando sua qualidade de vida. É partilhando desse intuito que se encontrou a motivação inicial para o desenvolvimento deste trabalho. Em outro pólo encontra-se a vertente dos procedimentos evolutivos que ao longo da história da vida na Terra foram responsáveis pela emergência espontânea de uma enorme gama de soluções para os mais variados ecossistemas. A tradução disso para ambientes computacionais criou a classe dos algoritmos evolucionários, dentre os quais os Algoritmos Genéticos (AGs), que se destacaram por serem boas heurísticas de busca por conjuntos de parâmetros que resultem em ótimos globais para problemas de engenharia. A aplicação de AGs para otimizações em engenharia de tráfego possui boa base bibliográfica, mas são raras as aplicações reais em meios onde há escassez de dados e de Sistemas Inteligentes de Transporte (do inglês, Intelligent Transportation Systems ITS). Neste trabalho então foi desenvolvido um novo modelo de simulação mesoscópica sobre o qual um AG é aplicado para encontrar planos semafóricos que reduzam atrasos e paradas em sub-redes congestionadas. A ferramenta é simplificada para execução rápida, usando parâmetros normalmente colhidos pela Companhia de Engenharia de Tráfego de São Paulo (CET-SP) em estudos de revisão de temporização semafórica. Ao fim do trabalho, o estudo de caso em uma sub-rede paulistana resultou em reduções da ordem de 30% no nível de atraso e paradas em relação aos valores obtidos com a simulação dos planos anteriores. Vale ressaltar que o espaço de busca foi reduzido ao sub espaço de planos aceitos pela experiência dos especialistas da CET-SP, e mesmo dentro deste escopo, o algoritmo foi bem sucedido ao descartar soluções ruins e fazer emergirem soluções ótimas coerentes. / In large cities throughout the world, high traffic congestion is a well known problem endured by all parts of society. Not surprisingly, a great deal of public investments is made in the direction of reducing the citizens daily efforts for going from home to work and backwards. It is by sharing this intent that the motivation for this thesis was found. Meanwhile, in another section of human knowledge there are concepts revolving the evolutionary procedures that were responsible for the spontaneous emergence of an immeasurable quantity of solutions for adaptation to an almost as greater quantity of ecossystems. When science brought these concepts to computational environments the class of evolutionary algorithms was born, a class embodied by the Genetics Algorithms (in this text referred as AGs, for Algoritmos Genéticos, in portuguese) which are heuristics that stand out as good alternatives for searching parameter settings that result in global optima for engineering problems. There is a good knowledge base regarding the use of AGs for traffic engineering optimizations, but rare are the real implementations in which specialists have to deal with lack of data and the absence of Intelligent Transportation Systems (ITS). Therefore, in this thesis a new mesoscopic simulation model was developed over which an AG is applied for finding signal timing plans that reduce stops and delays in congested subnetworks. The prototyped tool is simplified for quicker execution, using data that is normally collected by the Traffic Engineering Company of São Paulo (CET-SP) in signal timing revision activities. After the development, one of the numerous citys subnetworks was adopted as the case study, for which the prototype found plans that reduced the stops and delays in approximately 30% when compared to the values measured with the simulation of the old plans. It is worth notice that the search space was reduced to the subspace that only contains solutions accepted by the experience of CET-SPs traffic signal specialists, and within this subgroup, the algorithm succeeded in discarding the bad solutions and providing means for the emergence of coherent global optima.

Nas grandes cidades ao redor do mundo os congestionamentos são problemas bem conhecidos e compartilhados por todos os setores da sociedade. Não é surpreendente, então, que grande parte dos investimentos públicos caminhem na direção de reduzir paulatinamente o esforço rotineiro que a população itinerante faz para chegar ao trabalho ou retornar ao lar, melhorando sua qualidade de vida. É partilhando desse intuito que se encontrou a motivação inicial para o desenvolvimento deste trabalho. Em outro pólo encontra-se a vertente dos procedimentos evolutivos que ao longo da história da vida na Terra foram responsáveis pela emergência espontânea de uma enorme gama de soluções para os mais variados ecossistemas. A tradução disso para ambientes computacionais criou a classe dos algoritmos evolucionários, dentre os quais os Algoritmos Genéticos (AGs), que se destacaram por serem boas heurísticas de busca por conjuntos de parâmetros que resultem em ótimos globais para problemas de engenharia. A aplicação de AGs para otimizações em engenharia de tráfego possui boa base bibliográfica, mas são raras as aplicações reais em meios onde há escassez de dados e de Sistemas Inteligentes de Transporte (do inglês, Intelligent Transportation Systems ITS). Neste trabalho então foi desenvolvido um novo modelo de simulação mesoscópica sobre o qual um AG é aplicado para encontrar planos semafóricos que reduzam atrasos e paradas em sub-redes congestionadas. A ferramenta é simplificada para execução rápida, usando parâmetros normalmente colhidos pela Companhia de Engenharia de Tráfego de São Paulo (CET-SP) em estudos de revisão de temporização semafórica. Ao fim do trabalho, o estudo de caso em uma sub-rede paulistana resultou em reduções da ordem de 30% no nível de atraso e paradas em relação aos valores obtidos com a simulação dos planos anteriores. Vale ressaltar que o espaço de busca foi reduzido ao sub espaço de planos aceitos pela experiência dos especialistas da CET-SP, e mesmo dentro deste escopo, o algoritmo foi bem sucedido ao descartar soluções ruins e fazer emergirem soluções ótimas coerentes. / In large cities throughout the world, high traffic congestion is a well known problem endured by all parts of society. Not surprisingly, a great deal of public investments is made in the direction of reducing the citizens daily efforts for going from home to work and backwards. It is by sharing this intent that the motivation for this thesis was found. Meanwhile, in another section of human knowledge there are concepts revolving the evolutionary procedures that were responsible for the spontaneous emergence of an immeasurable quantity of solutions for adaptation to an almost as greater quantity of ecossystems. When science brought these concepts to computational environments the class of evolutionary algorithms was born, a class embodied by the Genetics Algorithms (in this text referred as AGs, for Algoritmos Genéticos, in portuguese) which are heuristics that stand out as good alternatives for searching parameter settings that result in global optima for engineering problems. There is a good knowledge base regarding the use of AGs for traffic engineering optimizations, but rare are the real implementations in which specialists have to deal with lack of data and the absence of Intelligent Transportation Systems (ITS). Therefore, in this thesis a new mesoscopic simulation model was developed over which an AG is applied for finding signal timing plans that reduce stops and delays in congested subnetworks. The prototyped tool is simplified for quicker execution, using data that is normally collected by the Traffic Engineering Company of São Paulo (CET-SP) in signal timing revision activities. After the development, one of the numerous citys subnetworks was adopted as the case study, for which the prototype found plans that reduced the stops and delays in approximately 30% when compared to the values measured with the simulation of the old plans. It is worth notice that the search space was reduced to the subspace that only contains solutions accepted by the experience of CET-SPs traffic signal specialists, and within this subgroup, the algorithm succeeded in discarding the bad solutions and providing means for the emergence of coherent global optima.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-05-03T18:38:37Z No. of bitstreams: 1 WILLY CARVALHO TIENGO – TESE (PPGCC) 2018.pdf: 4153575 bytes, checksum: 929b905dca8b61fcb0f831264752540f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-03T18:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 WILLY CARVALHO TIENGO – TESE (PPGCC) 2018.pdf: 4153575 bytes, checksum: 929b905dca8b61fcb0f831264752540f (MD5) Previous issue date: 2018 / No Brasil, o transporte rodoviário é responsável por 58% do transporte de carga, que tem os acidentes como um grande problema, pois, em geral, esses ocasionam muitas vítimas, prejuízos econômicos relevantes e em alguns casos danos ambientais decorrentes de derramamento de carga. Estudos apontam que os prejuízos com os acidentes no transporte de carga em 2012 foram de mais de 9 bilhões de reais. Estudo realizado em 2007 pela PAMCARY, corretora de seguros e gestora de riscos, revelou que os eventos que combinam maior frequência e gravidade são tombamento e capotagem. Nesse sentido, esta pesquisa consiste na elaboração de um assistente avançado para motorista que objetiva alertar previamente sobre a velocidade limite da curva, a fim de diminuir os riscos de tombamento. Em outras palavras, consiste em buscar mitigar o problema auxiliando o motorista para que ele mantenha o veículo em uma velocidade segura, por meio de alertas e em prazo adequado, que permitam ao motorista tomar medidas corretivas em caso de estado inseguro. A solução foi desenvolvida a partir de uma arquitetura modular, que funciona da seguinte forma: por meio de sensores (velocidade, GPS e posição do acelerador), associado a mapas digitais, o risco de acidente é controlado constantemente. Com isso, um dispositivo poderia ser embarcado na cabine do veículo para emitir alertas visual e auditivo de risco de tombamento. A solução utiliza o indicador de estabilidade chamado Limiar Estático de Tombamento que, associado à informação a priori de mapas digitais, permite o cálculo do risco de tombamento com diferentes abordagens. No contexto da pesquisa, foram desenvolvidas 04 versões de assistentes. Além disso, foi proposto um arcabouço de simulação microscópica de trânsito baseado no modelo de raciocínio prático denominado de belief-desire-intention (BDI) para permitir o desenvolvimento e a validação de agentes inteligentes para Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista de maneira rápida, flexível e fácil. Para avaliar o potencial dos assistentes, foi escolhida a BR-101, estrada federal de Alagoas com mais ocorrências de tombamento. Nessa rodovia, foram simulados 400 veículos para avaliar o desempenho dos assistentes propostos. Em particular, foram investigadas a efetividade, intrusividade, omissão e a segurança para avaliar o desempenho dos assistentes. / In Brazil, highway transportation is responsible for 58% of cargo transport. A relevant problem associated to cargo transport are the accidents, that generally cause an elevated number of victims, relevant economic losses and, in some cases, damages to the environment due to cargo spills, since there are also dangerous products being transported. Researches point out that the cost of accidents in cargo transportation in 2012 was more than BRL 9 billion. A study performed in 2007 by PAMCARY revealed the accidents profile: the events that combine higher frequency and gravity are rollover and tipping (considered here as the same nature). In this study, incompatible speed and fatigue, factors that are related to human actions, were pointed out as main causes of accidents; for another hand, sharp curve and poorly maintained roads are contributing factors to accidents. Therefore, the research proposal consists of the adoption of an assistant for warning in advance of over speed for a specific curve. This may reduce rollover risks. In other words, it would be mitigated the problem by helping the driver to maintain the vehicle in a safe speed, through customized alerts just in time to allow the driver to take corrective maneuvers in case of unsafe state. The solution is a modular architecture, which works as follows: through sensors (speed, GPS and throttle position) associated with digital maps, it is controlled the risk of accident constantly. With that, an embedded device at the vehicle’s cab could to emit visual and sound alerts warning the risk of rollover. In this work, it is proposed the adoption of the stability indicator known as Static Rollover Threshold, which is combined with a priori information from digital maps to allow the calculation of the rollover risk by different approaches. In the context of this research, 04 versions of assistants were developed. In addition, a microscopic traffic simulation framework was proposed based on the practical reasoning model named belief-desire-intention (BDI) to support the development and validation of intelligent agents for Advanced Driver Assistance Systems in a fast, flexible and easy way. To evaluate the assistants’ potential, the BR-101, Federal Highway of Alagoas with more occurrence of rollover, was chosen. On this highway, 400 vehicles were simulated to evaluate the performance of the proposed assistants. The effectiveness, intrusiveness, omission and safety of the assistants were investigated.