Já há décadas a sincronização dos semáforos nas avenidas e nas ruas de maior movimentação de veículos é utilizada para garantir o fluxo mais eficiente do tráfego urbano. Com o andar dos anos, o sistema se sofisticou e com base em sensores dispostos em pontos estratégicos é possível detectar os maiores estrangulamentos no trânsito das cidades e alterar o tempo de alternância do verde e do vermelho dos semáforos, a partir de comandos de uma central, mas ainda de forma manual. Hoje, em países mais desenvolvidos, o controle sobre os semáforos, que abrangem áreas específicas das grandes metrópoles, já é realizado automaticamente, com utilização de softwares adequados.

Reportagem, com chamada de primeira página, que acaba de ser publicada em um dos grandes jornais de São Paulo, dá conta de que, mesmo com investimentos significativos e a reforma de equipamentos em cerca de cinco mil cruzamentos da capital paulista, a cidade ainda não tem um sistema semafórico considerado inteligente, capaz de ser reprogramado a distância, facilitando o fluxo em vias congestionadas. Técnicos consultados pelo jornal afirmam que uma rede de semáforos realmente inteligentes é capaz de reduzir os congestionamentos em até 20%, mas que sua implementação exige a instalação de detectores de fluxo de tráfego que permitam reprogramação automática.

A notícia vem muito a propósito da tese apresentada pelo engenheiro de computação André Luis Ogando Paraense, junto à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Unicamp, que mostra a possibilidade do emprego da arquitetura cognitiva distribuída para o controle de tráfego em uma rede urbana.  O estudo foi orientado pelo engenheiro elétrico professor Ricardo Ribeiro Gudwin, do Departamento de Engenharia de Computação e de Automação Industrial (DCA), que coordena grupo de pesquisas na área de sistemas cognitivos, assim denominados aqueles que buscam inspiração nos modelos cognitivos, que explicam o funcionamento da mente humana. Essa linha de pesquisa visa construir algoritmos computacionais que reproduzem os modelos cognitivos humanos de forma que possam ser aplicados em situações de interesse coletivo e social.

André detalha: “Construímos uma arquitetura cognitiva, baseada nos modelos de cognição humana, para desenvolver um sistema de software em que se tenta aproveitar o que se sabe sobre a forma como o ser humano manipula conhecimento para tomar decisões”. Portanto, os modelos funcionais da mente humana servem de inspiração para a arquitetura cognitiva, uma mente artificial, que atua para reproduzir de alguma forma os modelos cognitivos humanos, naturalmente com as limitações que lhe são inerentes.

Essas mentes artificiais são constituídas de programas de computadores, mas diferentemente dos usuais, porque podem apresentar respostas diversas e inesperadas e não necessariamente programadas, mas dependentes e correlacionadas com as informações que recebem. Mesmo não sofrendo mudanças na sua estrutura, os programas se comportam como se evoluíssem com o aprendizado, porque são capazes de aprender. Essas mentes artificiais, que aprendem com as experiências, codificam e usam o conhecimento para interferir e mudar o ambiente em que são aplicadas, segundo propósitos pré-definidos e desejados.

Diferenças
Normalmente, espera-se que um programa computacional tenha um comportamento repetitivo e previsível.  Com a utilização de modelos de cognição humana não se tem prévio conhecimento de quais serão as soluções aventadas e propostas, pois o sistema é capaz, de acordo com as situações e as possibilidades, propor saídas completamente inovadoras e não programadas previamente. As soluções surgem da interação dos dados, que são variáveis a cada momento, com o programa cognitivo, seguindo um conjunto de políticas especificado.

 A partir dessa perspectiva, uma das motivações da pesquisa foi a de, a partir de um modelo cognitivo, amenizar os transtornos do trânsito urbano, um dos grandes desafios da engenharia do século, em vista do crescimento desordenado das cidades a partir da segunda metade do século 20. A grande pergunta que se colocava para os pesquisadores era: o que se pode fazer para minimizar o problema utilizando uma tecnologia factível, que permita ir da bancada do laboratório para o mundo real?

Daí surgiu a ideia de estabelecer uma analogia entre o sistema nervoso humano e as situações de trânsito. Com efeito, o corpo humano é constituído de um sistema de controle distribuído, em que vários sensores, localizados em diferentes partes do corpo e atuando simultaneamente, captam as informações que chegam do ambiente e as encaminham para o gerenciamento de um sistema nervoso central, que permite ao indivíduo atuar de forma coordenada em relação a suas necessidades, impulsionando-o a realizar tarefas com sucesso. Por que, então, não utilizar esse mesmo mecanismo na malha urbana, em que os semáforos pudessem ser acoplados a um sistema de gerenciamento, de forma a constituir um corpo único capaz de levar a uma solução conjunta?

Já há algum tempo o grupo de pesquisa do DCA vem estudando a tecnologia das arquiteturas cognitivas para aplicação em problemas correlatos. O professor Ricardo exemplifica: “Podemos estabelecer analogia entre o funcionamento do corpo humano - em que os circuitos neurais distribuídos por todo o corpo captam informações que são conduzidas para o cérebro que toma as decisões, e a cidade de São Paulo, onde existem milhares de semáforos para o controle do tráfego que, a exemplo do corpo humano, precisariam ser integrados de maneira que em cada um deles sejam captadas informações e encaminhadas para um sistema constituído por um algoritmo computacional, denominado de consciência de máquina (machine consciousness), em analogia à consciência humana, que é capaz de tomar decisões e implementá-las”.

O trabalho assentou-se, pois, na ideia de utilizar teorias estabelecidas sobre o funcionamento da consciência humana e de criar simulações delas em programas de computadores, aplicados em problemas de tráfego, o que efetivamente foi feito com base nos estudos de consciência do neuropsicólogo Bernard Baars, baseados na Teoria do Workspace Global. Com base nesse modelo e como estudo de caso, o autor projetou e desenvolveu uma solução para a região central de Campinas, SP, constituída de 109 cruzamentos com semáforos.

Características
Através do programa e com base na posição e velocidade dos veículos nas faixas imediatamente anteriores aos semáforos, o sistema define qual a melhor configuração para as cores de todos os semáforos monitorados, que operados em paralelo possibilitam o controle sobre todos eles. Para tanto, o programa avalia qual o grau de criticidade em cada um dos cruzamentos. Identificado um cruzamento mais crítico, o sistema reage imediatamente acionando modificações nos semáforos mais próximos, ajustando, se for o caso, os semáforos da rede como um todo. Esse mecanismo que permite que controladores de tráfego locais interajam, resultando com isso melhor desempenho do conjunto, se denomina competição e difusão em broadcast.

A comprovação da eficiência do sistema criado exigiu centenas de simulações em cinco cenários diferentes, desde aquele que levava em consideração apenas um cruzamento até evoluir para a aplicação em situações mais complexas, caso do centro urbano de Campinas. Em cada cenário foram ensaiadas situações das mais simples às mais complexas, para que pudessem ser observados os ganhos em termos de velocidade de fluxo e realizadas comparações com os resultados obtidos a partir do controlador fixo, atualmente utilizado na cidade. A diferença entre eles é que este manifesta um comportamento reativo ao passo que aquele se mostra deliberativo, deliberando sobre as próprias ações.

Para o autor da pesquisa, “um ganho consistente no desempenho foi conseguido com o controlador utilizando consciência de máquina, que foi de 10% a mais de 20% em média, nos diferentes cenários analisados durante o tempo da simulação”.

O controlador, que reage em função do tráfego, inclusive na ocorrência de eventos imprevisíveis, como grandes acidentes, ficaria em uma central de controle de trânsito, a exemplo do que já é feito em muitos semáforos da cidade. Com uma diferença: os controladores utilizados hoje não conseguem controlar automaticamente o funcionamento dos semáforos o tempo todo e em situações que repentinamente se revelem críticas. Embora eles permitam o controle remoto não possuem o grau de adaptabilidade instantânea do programa proposto no trabalho nem sua amplitude. Para o pesquisador, a sua originalidade está na implementação da teoria de consciência de máquina de Baars à rede de semáforos, de que não encontrou paralelo nem referências na literatura.

Mesmo nos países mais desenvolvidos existem sistemas que, embora altamente adaptativos ao dinamismo das grandes cidades, ainda não utilizam a consciência de máquina. Em consequência, são incapazes de avaliar eventos críticos que demandam uma intervenção pontual corretiva, como no caso do presente controlador.  Além disso, devido ao seu caráter comercial, muitas vezes esses sistemas são fechados e não se tem muitas informações sobre como funcionam. “Não sabemos direito o que eles fazem, como fazem e a que resultados reais levam, além de possuírem um custo bastante elevado.  Estamos desenvolvendo uma tecnologia comparável ou até mesmo mais eficiente do que as existentes no exterior e sobre a qual temos o pleno domínio”, complementa o autor.

O professor Ricardo lembra que na linha de pesquisa em arquiteturas cognitivas desenvolvida em seu departamento tenta-se encontrar aplicações, com a utilização de algoritmos cognitivos, que possam vir a ser utilizadas para a resolução de diversos outros tipos de problemas, além daqueles ligados estritamente ao trânsito urbano. Exemplos desses outros empregos seriam o controle inteligente de tráfego de pacotes em redes de computadores, o controle do tráfego aéreo ou até mesmo de personagens em jogos de computadores. Diz ele que “na verdade, para o estudo, André primeiramente desenvolveu e implementou uma ferramenta genérica necessária à construção de arquiteturas cognitivas aplicáveis em quaisquer situações, o “Cognitive Systems Toolkit”, para só depois aplicá-lo no controle de trânsito”.

Publicação

Tese: “Uma abordagem de consciência de máquina ao controle de semáforos de tráfego urbano”
Autor: André Luis Ogando Paraense
Orientador: Ricardo Ribeiro Gudwin
Unidade: Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)