Jornal
da Unicamp,
Campinas, 03 de
outubro de 2016 a 16 de outubro de 2016 – ANO 2016 – Nº 671

Sinal verde para a arquitetura cognitiva

Semáforos podem ser controlados com consciência


de máquina em rede urbana

Carmo Gallo Netto

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)