Qualquer motorista que já tenha esperado várias vezes até o sinal abrir sabe o quão irritantes cruzamentos sinalizados podem ser. Mas ficar parado em cruzamentos não prejudica apenas a paciência dos motoristas — veículos improdutivos em marcha lenta podem contribuir com até 15% das emissões de dióxido de carbono do transporte terrestre nos EUA.

Um estudo de modelagem em larga escala liderado por pesquisadores do MIT revela que medidas de direção ecológica, que podem envolver ajustes dinâmicos na velocidade do veículo para reduzir paradas e acelerações excessivas, podem reduzir significativamente essas emissões de CO2 .

Usando um poderoso método de inteligência artificial chamado aprendizado de reforço profundo, os pesquisadores conduziram uma avaliação de impacto aprofundada dos fatores que afetam as emissões de veículos em três grandes cidades dos EUA.

A análise deles indica que a adoção completa de medidas de direção ecológica poderia reduzir as emissões anuais de carbono nos cruzamentos da cidade em 11 a 22 por cento, sem diminuir o fluxo de tráfego ou afetar a segurança dos veículos e do trânsito.

Mesmo que apenas 10% dos veículos nas estradas utilizem a direção ecológica, isso resultaria em 25 a 50% da redução total nas emissões de CO2, descobriram os pesquisadores.

Além disso, a otimização dinâmica dos limites de velocidade em cerca de 20% dos cruzamentos proporciona 70% dos benefícios totais de emissões. Isso indica que medidas de direção ecológica podem ser implementadas gradualmente, sem deixar de gerar impactos positivos e mensuráveis na mitigação das mudanças climáticas e na melhoria da saúde pública.

“Estratégias de controle baseadas em veículos, como a direção ecológica, podem fazer a diferença na redução das mudanças climáticas. Mostramos aqui que ferramentas modernas de aprendizado de máquina, como o aprendizado por reforço profundo, podem acelerar os tipos de análise que embasam a tomada de decisões sociotécnicas. Isso é apenas a ponta do iceberg”, afirma a autora sênior Cathy Wu, Professora Associada de Desenvolvimento de Carreira em Engenharia Civil e Ambiental (CEE) da turma de 1954 e do Instituto de Dados, Sistemas e Sociedade (IDSS) do MIT, e membro do Laboratório de Sistemas de Informação e Decisão (LIDS).

Ela é acompanhada no artigo pela autora principal, Vindula Jayawardana, aluna de pós-graduação do MIT; pelos alunos de pós-graduação do MIT, Ao Qu, Cameron Hickert e Edgar Sanchez; pela aluna de graduação do MIT, Catherine Tang; por Baptiste Freydt, aluna de pós-graduação da ETH Zurique; e por Mark Taylor e Blaine Leonard, do Departamento de Transportes de Utah. A pesquisa foi publicada em Transportation Research Part C: Emerging Technologies .

Medidas de controle de tráfego geralmente remetem a infraestrutura fixa, como placas de parada e semáforos. Mas, à medida que os veículos se tornam tecnologicamente mais avançados, surge uma oportunidade para a direção ecológica, um termo abrangente para medidas de controle de tráfego baseadas em veículos, como o uso de velocidades dinâmicas para reduzir o consumo de energia.

A curto prazo, a direção ecológica pode envolver orientação de velocidade na forma de painéis de veículos ou aplicativos para smartphones. A longo prazo, a direção ecológica pode envolver comandos inteligentes de velocidade que controlam diretamente a aceleração de veículos semiautônomos e totalmente autônomos por meio de sistemas de comunicação entre veículo e infraestrutura.

“A maior parte do trabalho anterior se concentrou em como  implementar a direção ecológica. Mudamos o foco para considerar a questão de se deveríamos  implementar a direção ecológica. Se implementássemos essa tecnologia em larga escala, isso faria alguma diferença?”, pergunta Wu.

Para responder a essa pergunta, os pesquisadores embarcaram em um estudo de modelagem multifacetada que levaria quase quatro anos para ser concluído.

Eles começaram identificando 33 fatores que influenciam as emissões dos veículos, incluindo temperatura, declive da estrada, topologia do cruzamento, idade do veículo, demanda de tráfego, tipos de veículos, comportamento do motorista, tempo do semáforo, geometria da estrada, etc.

Em seguida, eles usaram dados do OpenStreetMap, pesquisas geológicas dos EUA e outras fontes para criar réplicas digitais de mais de 6.000 cruzamentos sinalizados em três cidades — Atlanta, São Francisco e Los Angeles — e simularam mais de um milhão de cenários de tráfego.

Os pesquisadores usaram o aprendizado de reforço profundo para otimizar cada cenário de direção ecológica para alcançar os máximos benefícios de emissões.

O aprendizado por reforço otimiza o comportamento de direção dos veículos por meio de interações de tentativa e erro com um simulador de tráfego de alta fidelidade, recompensando comportamentos de veículos que são mais eficientes em termos de energia e penalizando aqueles que não são.

Os pesquisadores definiram o problema como um problema de controle multiagente cooperativo descentralizado, onde os veículos cooperam para atingir a eficiência energética geral, mesmo entre veículos não participantes, e agem de maneira descentralizada, evitando a necessidade de comunicação dispendiosa entre veículos.

No entanto, treinar comportamentos veiculares que se generalizem em diversos cenários de tráfego em cruzamentos foi um grande desafio. Os pesquisadores observaram que alguns cenários são mais semelhantes entre si do que outros, como cenários com o mesmo número de faixas ou o mesmo número de fases de semáforos.

Dessa forma, os pesquisadores treinaram modelos separados de aprendizado de reforço para diferentes grupos de cenários de tráfego, gerando melhores benefícios gerais de emissão.

Mas mesmo com a ajuda da IA, analisar o tráfego de toda a cidade no nível da rede seria tão computacionalmente intensivo que poderia levar mais uma década para ser desvendado, diz Wu.

Em vez disso, eles dividiram o problema e resolveram cada cenário de direção ecológica no nível de cada cruzamento.

"Restringimos cuidadosamente o impacto do controle de direção ecológica em cada cruzamento sobre os cruzamentos vizinhos. Dessa forma, simplificamos drasticamente o problema, o que nos permitiu realizar essa análise em escala, sem introduzir efeitos de rede desconhecidos", afirma.

Ao analisar os resultados, os pesquisadores descobriram que a adoção total da direção ecológica poderia resultar em reduções de emissões nos cruzamentos entre 11 e 22 por cento.

Esses benefícios variam dependendo do traçado das ruas de uma cidade. Uma cidade mais densa como São Francisco tem menos espaço para implementar a direção ecológica entre cruzamentos, o que pode explicar a redução nas emissões, enquanto Atlanta pode ter benefícios maiores devido aos seus limites de velocidade mais altos.

Mesmo que apenas 10% dos veículos empreguem a direção ecológica, uma cidade ainda poderia obter de 25 a 50% do benefício total de emissões devido à dinâmica de acompanhamento de carros: veículos sem direção ecológica seguiriam veículos de direção ecológica controlados, pois otimizam a velocidade para passar suavemente pelos cruzamentos, reduzindo também suas emissões de carbono.

Em alguns casos, a direção ecológica também pode aumentar a capacidade dos veículos, minimizando as emissões. No entanto, Wu alerta que aumentar a capacidade pode resultar em mais motoristas voltando às ruas, reduzindo os benefícios das emissões.

E embora a análise de métricas de segurança amplamente utilizadas, conhecidas como medidas substitutas de segurança, como o tempo até a colisão, sugira que a direção ecológica é tão segura quanto a direção humana, ela pode causar comportamentos inesperados em motoristas humanos. Mais pesquisas são necessárias para compreender completamente os potenciais impactos à segurança, afirma Wu.

Os resultados também mostram que a direção ecológica pode proporcionar benefícios ainda maiores quando combinada com soluções alternativas de descarbonização do transporte. Por exemplo, a adoção de 20% da direção ecológica em São Francisco reduziria os níveis de emissões em 7%, mas, quando combinada com a adoção projetada de veículos híbridos e elétricos, reduziria as emissões em 17%.

"Esta é uma primeira tentativa de quantificar sistematicamente os benefícios ambientais da direção ecológica em toda a rede. Trata-se de um grande esforço de pesquisa que servirá como referência fundamental para outros na avaliação de sistemas de direção ecológica", afirma Hesham Rakha, Professor de Engenharia Samuel L. Pritchard na Virginia Tech, que não participou desta pesquisa.

E embora os pesquisadores se concentrem nas emissões de carbono, os benefícios estão altamente correlacionados com melhorias no consumo de combustível, uso de energia e qualidade do ar.

“Esta é uma intervenção quase gratuita. Já temos smartphones em nossos carros e estamos adotando rapidamente carros com recursos de automação mais avançados. Para que algo possa ser rapidamente escalonado na prática, precisa ser relativamente simples de implementar e pronto para uso. A direção ecológica se encaixa nesse perfil”, diz Wu.

Este trabalho é financiado, em parte, pela Amazon e pelo Departamento de Transporte de Utah.