Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Genotoxicity in humans and indicator species exposed to uranium wastes

Os riscos dos resíduos provenientes da extração do urânio estão associados ao seu conteúdo em metais e radionuclídeos, o que levanta preocupações às autoridades governamentais e à população em geral. As populações humanas e outras espécies animais que vivem em zonas de exploração de urânio poderão estar expostas à radiação através de resíduos e poeiras radioactivase também através de água e alimentos contaminados. A determinação dos riscos deste tipo de contaminantes é feita, principalmente, através da análise química de amostras ambientais, dando-se menos importância à determinação de efeitos biológicos. A determinação de efeitos biológicos causados pela exposição a poluentes, tem-se revelado muito importante para uma avaliação da qualidade ambiental, de modo a providenciar indicações acerca dos efeitos negativos nos seres vivos e também para complementar a informação dada pelas análises químicas de amostras ambientais. Este facto levou ao estabelecimento de biomarcadores, que consistem em respostas biológicas adversas que são específicas de uma exposição a toxinas ambientais, para serem usadas como ferramentas de avaliação da qualidade ambiental. Neste trabalho foram analisadas respostas a nível molecular e celular, em minhocas, ratinhos do campo e humanos, a fim de determinar o risco químico e radiológico dos resíduos provenientes da mina de urânio da Cunha Baixa. Este trabalho teve também como objectivo a clarificação das respostas subjacentes à exposição a metais e radionuclídeos, a fim de permitir o desenvolvimento de potenciais novos biomarcadores moleculares. Durante este trabalho foram efectuados ensaios com minhocas, em que estas foram expostas durante 56 dias a solo contaminado proveniente da mina de urânio da Cunha Baixa, em laboratório e in situ. Durante a exposição foram analisados vários parâmetros, como o crescimento, reprodução, bioacumulação de metais e radionuclídeos, histopatologia, danos no DNA, citotoxicidade e perfil de expressão genética. Para além disso, foram amostrados ratinhos do campo na mina de urânio da Cunha Baixa e numa área de referência para determinação de danos no DNA, níveis de expressão e mutações em genes supressores de tumores e também bioacumulação de metais. Por fim, foram recolhidas amostras de sangue em voluntários saudáveis pertencentes à população da aldeia da Cunha Baixa, para determinação de danos no DNA, imunofenotipagem e quantificação de metais no sangue. Os resultados revelaram que as minhocas assim como os ratinhos do campo foram negativamente afetados pela exposição aos resíduos mineiros em todos os níveis de organização biológica aqui analisados, o que faz destes organismos bons indicadores para a determinação do risco destas áreas contaminadas, evidenciando o potencial risco da exposição a estes contaminantes. Para além disso, o estudo feito à população da Cunha Baixa revelou danos no ADN e diminuição de populações importantes de células imunitárias (nomeadamente linfócitos T e NK), o que poderá resultar da exposição aos resíduos da mina, tornando as pessoas mais susceptíveis ao desenvolvimento de processos de carcinogénese. O presente estudo contribuiu significativamente para a caracterização dos riscos da exposição a resíduos provenientes de minas de urânio abandonadas, evidenciando os seus efeitos negativos a nível molecular e celular, que potencialmente poderão causar instabilidade genómica e aumentar o risco de desenvolvimento de doenças genéticas.

Distribuição por tamanhos do aerosol atmosférico na Península Ibérica

Um dos principais fatores que afetam negativamente a qualidade do ambiente em muitas cidades em todo o mundo é o material particulado (PM). A sua presença na atmosfera pode ter impactos negativos na saúde humana, clima, património edificado e ecossistemas. Muitos dos estudos realizados em áreas urbanas focam apenas as frações respiráveis (PM10 e PM2,5). No entanto, os processos de formação, a identificação das fontes emissoras e os efeitos dependem muito da distribuição granulométrica das partículas. A atenção tem recaído na análise de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), devida à sua carcinogenicidade e a informação disponível sobre outros compostos é escassa. O presente estudo consistiu na obtenção do PM distribuído por diferentes frações de tamanho e na análise detalhada da sua composição química, em dois locais urbanos da Península Ibérica (Madrid e Lisboa). Dado que os veículos representam uma das principais fontes emissoras em ambientes urbanos, efetuou-se uma caracterização mais detalhada deste tipo de emissões, conduzindo uma campanha de amostragem num túnel rodoviário (Marquês de Pombal, Lisboa). As amostragens, em ambas as cidades, decorreram durante um mês, quer no verão quer no inverno, em dois locais urbanos distintos, um junto a uma via com influência de tráfego e outro numa área urbana de fundo. No túnel a amostragem foi realizada apenas durante uma semana. Em Madrid e no túnel, o PM foi recolhido utilizando um amostrador de elevado volume com impactor em cascata com quatro tamanhos: 10-2,5, 2,5-0,95, 0,95-0,49 e < 0,49 μm. Em Lisboa, foi utilizado um impactor em cascata com apenas dois tamanhos, 10- 2,5 e < 2,5 μm. As amostras foram quimicamente analisadas e determinadas as concentrações de compostos carbonados (OC, EC e carbonatos), iões inorgânicos solúveis em água (Cl−, NO3−, SO42−, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+),metais e compostos orgânicos. Em Madrid, as concentrações médias de PM10 foram 44 e 48% maiores nas amostras recolhidas junto à estrada do que as de fundo urbano no verão e inverno, respetivamente. A fração grosseira e o PM0,5 apresentaram concentrações mais elevadas no verão do que no inverno devido às condições climatéricas pouco usuais. No verão, as amostragens decorreram num mês em que as temperaturas foram muito elevadas e em que ocorreram vários episódios de intrusão de poeira africana. Durante o período de amostragem de inverno, as temperaturas foram muito baixas e registaram-se vários dias de precipitação quer sob a forma de chuva, quer sob a forma de neve. As situações meteorológicas sinóticas mais comuns, incluindo aquelas que causam o transporte de massas de ar com poeiras Africanas, foram identificadas em ambas as estações do ano. As concentrações mássicas de PM10, EC e OC foram encontrados predominantemente na fração de tamanho ultrafino em ambos os locais de amostragem e estações do ano. Nas restantes frações não se observou nenhuma tendência sazonal. O carbono orgânico secundário (SOC) mostrou um claro padrão sazonal, com concentrações muito mais elevadas no verão do que no inverno, em ambos os lugares. A partir do balanço mássico de iões, observou-se que, no verão, a formação de compostos inorgânicos secundários (SIC) conduziu a um enriquecimento pouco comum de Ca2+ na fração submicrométrica, quer nas amostras de tráfego, quer em fundo urbano. Os alcanos, PAHs, os álcoois e os ácidos foram as classes de compostos orgânicos identificados e quantificados no material particulado. Globalmente, representaram 0,26 e 0,11 μg m−3 no verão e inverno, respetivamente, no local de tráfego e 0,28 e 0,035 μg m−3 na área urbana de fundo. Os diferentes compostos orgânicos também apresentaram padrões sazonais, sugerindo fontes de emissão (e.g. escapes dos veículos e fontes biogénicas) ou processos de formação com contribuições variáveis ao longo do ano. As concentrações de benzoapireno equivalente foram menores que 1 ng m-3 e o risco carcinogénico estimado é baixo. No verão, os maiores enriquecimentos de metais ocorreram na fração submicrométrica, e no inverno na fração grosseira. No verão, os enriquecimentos foram ≥ 80% para o Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb e Co, no inverno, estes traçadores de emissões do tráfego foram menores, exceto para o Zn. Em Lisboa, a concentração média de PM10 foi de 48 μg m-3 no verão e de 44 μg m-3 no inverno, junto à estrada. Na área de fundo urbano, registaram-se níveis comparáveis nas duas estações (27 μg m-3 e 26 μg m-3). A média do rácio PM2,5/PM10 foi de 65% no verão e 44% no inverno na área de tráfego e 62% e 59% na área urbana de fundo. Estes resultados significam que o PM2,5 é um dos principais contaminantes que afetam a qualidade do ar no centro da cidade de Lisboa. A relação OC/EC, que reflete a composição das emissões de combustão dos veículos, variou entre 0,3 e 0,4 no interior do túnel. Os rácios de OC/EC mínimos obtidos junto às vias de tráfego em Madrid e em Lisboa encontram-se entre os do túnel e os registados em atmosferas urbanas de fundo, sugerindo que os valores mínimos habitualmente obtidos para este parâmetro em ambientes urbanos abertos sobrestimam as emissões diretas de OC pelo transporte rodoviário. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para suprir, pelo menos em parte, as lacunas de informação quer sobre a composição de várias granulometrias de PM, quer sobre fontes e processos de formação em atmosferas urbanas. Como a exposição a poluentes do ar ultrapassa o controle dos indivíduos e exige ação das autoridades públicas a nível nacional, regional e até mesmo internacional, é importante propor medidas mitigadoras focadas nas principais fontes de emissão identificadas.

A Agenda 21 local e o desenvolvimento sustentável em Portugal : que perspetivas?

Assumindo a sociedade atual o paradigma do desenvolvimento sustentável como modelo capaz de garantir uma gestão equilibrada dos recursos atuais que não comprometa o futuro das futuras gerações, é fundamental compreender o instrumento da Agenda 21 Local (A21L), ferramenta saída da Conferência do Rio, em 1992, que se apresenta como uma resposta internacional aos objetivos da sustentabilidade. Ao constituir-se como país signatário da Declaração do Rio, Portugal assumiu o compromisso de cooperar internacionalmente para a aplicação deste instrumento, no esforço comum de unir a proteção do ambiente com o desenvolvimento económico e social. Verifica-se que a resposta de Portugal, em matéria de A21L, foi pouco conseguida, marcada por um arranque ténue, desconcertado e disperso a que acresce o caráter dúbio que caracterizou a natureza dos primeiros processos e que, no quadro internacional, atira Portugal para o grupo de países europeus que mais tardiamente conseguiram responder ao apelo da comunidade internacional no que se refere à implementação de A21L. Neste âmbito, esta dissertação visa aprofundar o conhecimento cientifico sobre este instrumento no quadro das experiências de Agenda 21 Local implementadas no território português. O trabalho procurou examinar os objetivos, características e resultados dos processos de Agenda, dando atenção aos elementos individuais que marcaram cada um e, igualmente, avaliando as repercussões que estes tiveram no todo nacional. O estudo incidiu na dinâmica espaciotemporal das Agendas21L, no território nacional, e na análise integrativa de indicadores físicos, sociais e económicos que permitiram compreender as especificidades e os contrastes verificados nos processos implementados e desenvolvidos. Na investigação não foram, igualmente, negligenciadas questões históricas, políticas e culturais, sabendose da importância que estes vários domínios configuram no caso português. O trabalho contou com uma investigação assente na seguinte metodologia: i) Revisão da literatura e recolha de dados bibliográficos sobre a temática da Agenda 21 Local; ii) Levantamento de informação, através de um inquérito por questionário, dirigido a todas as localidades do País, onde decorrem Agendas 21 Local, a fim de complementar informação já processada; iii) Pesquisa direta de dados no terreno que envolveu a utilização de procedimentos de teor quantitativo (inquérito por questionário) e de teor qualitativo (entrevistas), relativamente ao caso de estudo (Agenda 21 Local de Mindelo); iv) Tratamento e análise dos resultados obtidos através da confrontação da perspetiva teórica com a prática com a consequente elaboração de conclusões fundamentadas pela confrontação dos dados com as hipóteses. Para além de se tratar do caso pioneiro de A21L com início no poder mais próximo do cidadão (respeitando um dos princípios inerentes a este instrumento – o princípio da subsidiariedade), afirmou-se, igualmente, como um caso de referência em matéria de coesão e mobilização dos cidadãos locais para os problemas locais existentes. Os resultados empíricos da investigação identificam uma série de dificuldades que condicionaram o arranque e progresso das A21L. Desde logo, a inabilidade dos poderes políticos locais em trabalharem com um modelo que rompe com as típicas e tradicionais formas pré-concebidas de fazer política, isto é, com as práticas instituídas dos políticos fazerem “política” para os cidadãos e não “com” os cidadãos. O próprio desconhecimento do poder político local quanto à natureza de um processo de A21L que evidenciou inaptidão, impreparação e até embaraço para lidar com este instrumento, resultando na necessidade, na grande maioria dos processos desenvolvidos, de serem acompanhados por entidades externas que cooperaram na sua dinamização. Acresce que a nova dinâmica, subjacente à A21L, que desafia os governos locais a mobilizar a participação generalizada dos cidadãos e apela à participação de novos atores (associações, grupos de interesse, ONG e atores sociais, em geral) para a definição de estratégias de desenvolvimento local, não é totalmente aceite pelos vários poderes locais que, não raras vezes, menosprezam a importância dos cidadãos nos momentos de tomada de decisão. A falta de empenho do governo central, em matéria de sustentabilidade, que negligenciou, numa primeira etapa, a figura do poder central na assessoria às entidades locais cerceou o país da existência de uma campanha nacional para a afirmação deste instrumento. A falta/insuficiência de recursos financeiros como resultante da ausência de apoios estatais e a dificuldade na obtenção de fundos da União Europeia configurou-se como um entrave à promoção dos processos ficando as entidades locais e regionais incapazes de ultrapassar a falta de meios imprescindíveis para o desenvolvimento da A21L. O próprio desconhecimento generalizado dos cidadãos sobre a A21L afigura-se como um estigma ao sucesso de qualquer processo com as caraterísticas de um instrumento A21L visto que a participação dos cidadãos é condição sine qua non para a sua operacionalização. Neste quadro, e olhando o futuro, urge a necessidade das autoridades locais criarem modelos de autofinanciamento capazes de garantir a criação, funcionamento e manutenção de infraestruturas económicas e sociais subjacentes aos programas de A21L, assim como o dever do poder político em reforçar a importância da função da informação e da mobilização dos cidadãos em prole do desenvolvimento sustentável, ações indispensáveis para a execução das políticas inerentes à A21L.