Sectors and routes in solid waste collection

Collecting and transporting solid waste is a constant problem for municipalities and populations in general. Waste management should take into account the preservation of the environment and the reduction of costs. The goal with this paper is to address a real-life solid waste problem. The case reveals some general and specific characteristics which are not rare, but are not widely addressed in the literature. Furthermore, new methods and models to deal with sectorization and routing are introduced, which can be extended to other applications. Sectorization and routing are tackled following a two-phase approach. In the first phase, a new method is described for sectorization based on electromagnetism and Coulomb’s Law. The second phase addresses the routing problems in each sector. The paper addresses not only territorial division, but also the frequency with which waste is collected, which is a critical issue in these types of applications. Special characteristics related to the number and type of deposition points were also a motivation for this work. A new model for a Mixed Capacitated Arc Routing Problem with Limited Multi-Landfills is proposed and tested in real instances. The computational results achieved confirm the effectiveness of the entire approach.

Sectorization: measures and an electromagnetism based approach

Sectorization means dividing a set of basic units into sectors or parts, a procedure that occurs in several contexts, such as political, health and school districting, social networks and sales territory or airspace assignment, to achieve some goal or to facilitate an activity. This presentation will focus on three main issues: Measures, a new approach to sectorization problems and an application in waste collection. When designing or comparing sectors different characteristics are usually taken into account. Some are commonly used, and they are related to the concepts of contiguity, equilibrium and compactness. These fundamental characteristics will be addressed, by defining new generic measures and by proposing a new measure, desirability, connected with the idea of preference. A new approach to sectorization inspired in Coulomb’s Law, which establishes a relation of force between electrically charged points, will be proposed. A charged point represents a small region with specific characteristics/values creating relations of attraction/repulsion with the others (two by two), proportional to the charges and inversely proportional to their distance. Finally, a real case about sectorization and vehicle routing in solid waste collection will be mentioned.

Electromagnetism based approach to Sector design in Waste Collection

For efficient planning of waste collection routing, large municipalities may be partitioned into convenient sectors. The real case under consideration is the municipality of Monção, in Portugal. Waste collection involves more than 1600 containers over an area of 220 km2 and a population of around 20,000 inhabitants. This is mostly a rural area where the population is distributed in small villages around the 33 boroughs centres (freguesia) that constitute the municipality. In most freguesias, waste collection is usually conducted 3 times a week. However, there are situations in which the same collection is done every day. The case reveals some general and specific characteristics which are not rare, but are not widely addressed in the literature. Furthermore, new methods and models to deal with sectorization and routing are introduced, which can be extended to other applications. Sectorization and routing are tackled following a three-phase approach. The first phase, which is the main concern of the presentation, introduces a new method for sectorization inspired by Electromagnetism and Coulomb’s Law. The matter is not only about territorial division, but also the frequency of waste collection, which is a critical issue in these types of applications. Special characteristics related to the number and type of deposition points were also a motivation for this work. The second phase addresses the routing problems in each sector: new Mixed Capacitated Arc Routing with Limited Multi-Landfills models will be presented. The last phase integrates Sectoring and Routing. Computational results confirm the effectiveness of the entire novel approach.

Cutting path as a rural postman problem

The Rural Postman Problem (RPP) is a particular Arc Routing Problem (ARP) which consists of determining a minimum cost circuit on a graph so that a given subset of required edges is traversed. The RPP is an NP-hard problem with significant real-life applications. This paper introduces an original approach based on Memetic Algorithms - the MARP algorithm - to solve the RPP and, also deals with an interesting Industrial Application, which focuses on the path optimization for component cutting operations. Memetic Algorithms are a class of Metaheuristics which may be seen as a population strategy that involves cooperation and competition processes between population elements and integrates “social knowledge”, using a local search procedure. The MARP algorithm is tested with different groups of instances and the results are compared with those gathered from other publications. MARP is also used in the context of various real-life applications.

Recolha de resíduos sólidos urbanos - otimização de rotas

Este trabalho dá a conhecer um novo problema, Problema Capacitado de Rotas em Arcos Misto, com Múltiplos Aterros Limitados. Baseado na situação de recolha/transporte de Resíduos Sólidos Urbanos no concelho de Monção, são apresentadas características que, não sendo únicas em Portugal, nunca foram mencionadas na literatura. Diferencia-se pela existência de diversos pontos de deposição que, especialmente devido às reduzidas dimensões, apresentam restrições relacionadas com o número de visitas recebidas por dia. Um novo modelo de otimização, baseado na formulação do Mixed Ca- pacitated Arc Routing Problem é apresentado. São incluídos resultados computacionais provenientes de instâncias adaptadas da literatura e do problema real descrito.

Heuristics and policies for online pickup and delivery problems

Master Thesis

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.

Microtheories for SDI - Accounting for diversity of local conceptualisations at a global level

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Sistema de Informação Geográfica aplicado ao transporte de reclusos

Trabalho de Projeto apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

UJI Navigation Network, Development of a pedestrian spatial network within the University Jaume I of Castellón (Spain)

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

An agent based architecture for material handling systems

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A layer 2 multipath fabric using a centralized controller

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Long-term characterization of air lime mortars with ceramic waste

Due to their exposure to environmental conditions, outer coatings composed by render and painting system are usually the first construction elements to deteriorate and require intervention. A correct conservation and rehabilitation of these materials is fundamental once they provide protection to other façade materials. It is known that old mortar renders were essentially air lime based mortars. To maintain the integrity of the whole wall-render elements, the image of the building and to avoid accelerated degradation, conservation and rehabilitation must be implemented with compatible mortars. As that, lime based mortars would be preferable. It was also common, in ancient renders, the incorporation of ceramic residues, which is, nowadays, an abundant material, especially in Central Region of Portugal. The reuse of these materials has great relevance once their landfilling causes serious environmental issues. In an attempt to combine the environmental and technical advantages of the use of ceramic waste in mortars’ production for rehabilitation purposes, a research has been developed at the University of Coimbra, in cooperation with Nova University of Lisbon, on the long term behaviour of air lime mortars with ceramic residues. In this paper the most significant up to one year results of an experimental campaign with air lime mortars with 1:3 and 1:2 volumetric proportions and ceramic residues are presented.

Optimization of wastewater quality in the Sines refinery

In order to address and resolve the wastewater contamination problem of the Sines refinery with the main objective of optimizing the quality of this stream and reducing the costs charged to the refinery, a dynamic mass balance was developed nd implemented for ammonia and polar oil and grease (O&G) contamination in the wastewater circuit. The inadequate routing of sour gas from the sour water stripping unit and the kerosene caustic washing unit, were identified respectively as the major source of ammonia and polar substances present in the industrial wastewater effluent. For the O&G content, a predictive model was developed for the kerosene caustic washing unit, following the Projection to Latent Structures (PLS) approach. Comparison between analytical data for ammonia and polar O&G concentrations in refinery wastewater originating from the Dissolved Air Flotation (DAF) effluent and the model predictions of the dynamic mass balance calculations are in a very good agreement and highlights the dominant impact of the identified streams for the wastewater contamination levels. The ammonia contamination problem was solved by rerouting the sour gas through an existing clogged line with ammonia salts due to a non-insulated line section, while for the O&G a dynamic mass balance was implemented as an online tool, which allows for prevision of possible contamination situations and taking the required preventive actions, and can also serve as a basis for establishing relationships between the O&G contamination in the refinery wastewater with the properties of the refined crude oils and the process operating conditions. The PLS model developed could be of great asset in both optimizing the existing and designing new refinery wastewater treatment units or reuse schemes. In order to find a possible treatment solution for the spent caustic problem, an on-site pilot plant experiments for NaOH recovery from the refinery kerosene caustic washing unit effluent using an alkaline-resistant nanofiltration (NF) polymeric membrane were performed in order to evaluate its applicability for treating these highly alkaline and contaminated streams. For a constant operating pressure and temperature and adequate operating conditions, 99.9% of oil and grease rejection and 97.7% of chemical oxygen demand (COD) rejection were observed. No noticeable membrane fouling or flux decrease were registered until a volume concentration factor of 3. These results allow for NF permeate reuse instead of fresh caustic and for significant reduction of the wastewater contamination, which can result in savings of 1.5 M€ per year at the current prices for the largest Portuguese oil refinery. The capital investments needed for implementation of the required NF membrane system are less than 10% of those associated with the traditional wet air oxidation solution of the spent caustic problem. The operating costs are very similar, but can be less than half if reusing the NF concentrate in refinery pH control applications. The payback period was estimated to be 1.1 years. Overall, the pilot plant experimental results obtained and the process economic evaluation data indicate a very competitive solution through the proposed NF treatment process, which represents a highly promising alternative to conventional and existing spent caustic treatment units.