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.

Modelo de operação de unidades de fragmentação no tratamento de veículos em fim de vida

A recuperação de metais a partir de resíduos é uma actividade ligada à valorização de resíduos que se afigura essencial à preservação de recursos naturais. O tratamento de resíduos metálicos é essencial para o sucesso da reciclagem. O tratamento permite diminuir contaminações com outros materiais, melhorar a valorização e diminuir os custos de transporte. Ao tratamento encontram-se associadas diferentes operações, cuja finalidade é preparar os metais de acordo com os requisitos de processo dos recicladores. A fragmentação é uma das operações de pré-tratamento mais relevantes pela sua capacidade de processamento e pela possibilidade de permitir separar resíduos contaminados com outros materiais. O presente trabalho efectua uma análise inicial ao sector e às tecnologias existentes permitindo introduzir posteriormente o caso de estudo, a instalação em Vila Nova de Gaia da empresa Constantino Fernandes Oliveira & Filhos, SA. O enfoque ao caso de estudo aborda o tema da eficiência energética, um dos principais custos de produção. Nesta perspectiva identifica pontos críticos e estabelece medidas de eficiência energética que permitam reduzir o consumo energético. As medidas propostas foram a colocação de um variador electrónico de velocidade no ventilador principal da fragmentadora e no compressor e a substituição da iluminação existente por iluminação LED. As medidas propostas permitem a redução do consumo específico de energia de 9,39 kgep/t para 8,81 kgep/t. Sendo a fragmentação uma das operações mais relevantes na actividade da instalação estudada, no presente trabalho, efectuou-se a análise do modelo operatório com recurso à aplicação STAN de análise de fluxos de materiais. O procedimento de análise envolveu a criação de vários cenários de exploração no tratamento de resíduos. O objectivo das simulações é a contabilização dos custos referentes ao tratamento dos resíduos permitindo melhorias na vertente operacional, ambiental e económica. Um dos cenários simulados foi a remoção dos veículos em fim de vida dos resíduos a fragmentar, onde se constatou que apesar de uma redução dos resíduos processados, os proveitos por quantidade processada não alteram relativamente ao modelo operatório de base. Este facto deve-se sobretudo aos custos elevados de tratamento de resíduos gerados no processo de fragmentação dos veículos em fim de vida.

Definição de uma política de água sustentável em Portugal: proposta de modelo financeiro

O presente trabalho aborda de que forma a Análise Económica pode contribuir para a definição de uma Política Pública da Água sustentável para Portugal. Analisam-se, inicialmente, as particularidades do recurso e o seu enquadramento legislativo, institucional, bem como as respectivas implicações no processo de gestão da água. Esta análise conduz à definição daquilo a que se chamará ―Novo Modelo de Gestão da Água‖. Tendo por enquadramento a Directiva-Quadro da Água (DQA) — Directiva 2000/60/CE de 23 de Outubro de 2000, publicada no Jornal Oficial das Comunidades Europeias, em 22 de Dezembro do mesmo ano — é ilustrada a aplicação dos conceitos e a abordagem desenvolvida na definição de uma estratégia política de actuação para Portugal, de modo a assegurar o seu cumprimento de forma eficaz, eficiente e sustentável. São discutidos os aspectos económicos e a justificação teórica para a intervenção nos mercados, nomeadamente através do desenvolvimento de sistemas de tarifas. As formas de financiamento do sector, à luz do princípio da recuperação de custos, são analisados propondo-se a chamada visão dos 4T. Dado o contexto de análise do sector da água, enquanto política pública, são referenciados os vários de tipos de regulação e as várias reformas propostas pelos principais investigadores e organizações internacionais. Neste contexto de análise é abordada a governação (governance) e os seus atributos. São enunciados os principais entraves a uma governação eficiente. As várias formas de participação do capital privado, bem como a descrição de algumas das suas potencialidades são postas em evidência. A partir de um modelo analítico procede-se ao estudo dos efeitos do uso de vários instrumentos económicos, nomeadamente a nível do bem-estar. Analisa-se o modelo institucional português, nas suas vertentes, legislativa e institucional. O estado dos recursos hídricos e dos serviços de água em Portugal é avaliado a partir de dados oficiais. Com base na identificação das restrições do actual modelo institucional, é proposto um novo modelo que responda de forma flexível e atempada às solicitações postas pela Directiva. Propõe se a criação de uma instituição financeira — o ―Banco da Água‖ — que, em condições de mercado, possa financiar os investimentos estruturais necessários à melhoria da qualidade dos recursos hídricos, bem como dos serviços associados à água. Pretende demonstrar-se que, face às restrições orçamentais, à esperada conclusão do Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN) e às limitações dos chamados project finance esta solução será necessária para o sucesso da Política Pública da Água. A criação de condições para um maior papel da iniciativa privada, uma legislação protectora do consumidor, a aplicação de instrumentos de política da água — nomeadamente sistemas de tarifas e a criação de um Fundo de Equilíbrio Tarifário —, e o uso da metodologia Oikomatrix, nas políticas sectoriais, são outras das sugestões que completam as propostas avançadas tendentes a que o Sector da Água mimize algumas das ineficiências detectadas e almeje à desejável sustentabilidade.

Exploring the links between urban stucture and air quality

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.