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http://repositorio.yachaytech.edu.ec/handle/123456789/496| Title: | Mathematical and computational modeling for the design of smart cities in Ecuador |
| Authors: | Pineda Arias, Israel Gustavo Yangali Sánchez, Roger Joel |
| Keywords: | Ciudades inteligentes Simulation of Urban Mobility (SUMO) Python Simulaciones Tráfico Emisiones Análisis estadístico Smart City Simulation Traffic Emissions Statistical analysis |
| Issue Date: | Jan-2022 |
| Publisher: | Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay |
| Abstract: | Durante la última década, se han invertido billones de dólares en la planificación e implementación de ciudades inteligentes en todo el mundo. Encontrar nuevas formas inteligentes de mantener la infraestructura de una ciudad es crucial. Si la infraestructura no está preparada para satisfacer las demandas del crecimiento rápido de la población humana, la ciudad y todos sus ciudadanos podrían sufrir graves consecuencias. Estas demandas incluyen necesidades básicas como aire y agua limpia, vivienda y alimentos. Una ciudad que supervisa sus recursos naturales puede prosperar por períodos más prolongados. Las ciudades que no satisfacen las necesidades básicas de sus ciudadanos colapsan debido a la superpoblación, la contaminación del aire y el agua, la falta de alimentos y de espacio para viviendas. Debido a las mejoras en la tecnología, los medicamentos, la salud y la seguridad, los humanos tienden a vivir más tiempo, formar familias más grandes, migrar más lejos y crear ciudades más grandes. A medida que la población y las ciudades se expanden, se necesita más trabajo de construcción. Para satisfacer la demanda creciente se fabrican viviendas, carreteras y vehículos adicionales. Este trabajo adicional de construcción utiliza vastos recursos y emite enormes cantidades de contaminación a la atmósfera y las vías fluviales. Las ciudades inteligentes se centran en gestionar los recursos disponibles y encontrar soluciones que ayuden a mejorar la calidad de vida de sus ciudadanos. Las ciudades inteligentes ayudan a proporcionar áreas seguras para que las familias disfruten, ofrecen mejores opciones de vivienda, proporcionan alimentos asequibles, contribuyen con avances tecnológicos y diseñan métodos innovadores para reducir la peligrosa contaminación que se libera a la atmósfera. Los altos niveles de contaminación pueden afectar negativamente al medio ambiente, así como a la salud y la vida de todos los residentes. El tráfico juega un papel importante en la creación de contaminación y la liberación de desechos peligrosos al medio ambiente. La Agencia de Protección Ambiental (APA) de los Estados Unidos calculó que las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del transporte representan aproximadamente el 29 % de todas las emisiones de GEI de EE. UU. Esto hace que el transporte sea el mayor contribuyente de emisiones de GEI en los EE.UU. Al día de hoy, Ecuador no cuenta con una APA que ayude a monitorear y rastrear los niveles de emisiones generadas por el transporte. No hay datos estadísticos recopilados previamente sobre las emisiones de GEI. Las personas no son conscientes de que están en peligro debido a los altos niveles de contaminación en el medio ambiente. Por otro lado, países como Estados Unidos, Alemania, Suecia, Italia y Japón han estado recopilando datos sobre GEI durante décadas. Les permite comparar los niveles de emisiones anuales de ciudades enteras. Utilizan esta información para mejorar o crear nuevas regulaciones cuando los niveles de emisiones de GEI son demasiado altos. Las emisiones vehiculares generan partículas que no son detectables por el ojo humano. Son más pequeños que los glóbulos rojos, con tamaño menor a 100 nanómetros y pueden translocarse por todo el cuerpo humano. Esto crea un efecto negativo a largo plazo a los residentes, deteriorando su salud mucho más rápido, aumentando los costos de medicamentos y los tratamientos hospitalarios. Las cinco partículas principales que emiten los vehículos mientras están en uso son monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos (HC), material particulado (PMx) y óxidos de nitrógeno (NOx). El CO2 es conocido por atrapar el calor dentro de la atmósfera, contribuir a cambios climáticos, aumentar la probabilidad de incendios forestales y crear problemas respiratorios por smog y la contaminación en el aire. El CO es similar al CO2, también contribuye al cambio climático, afecta drásticamente al clima y no permite absorber el oxígeno en el torrente sanguíneo. Las emisiones de HC se generan cuando el aceite de automóvil se derrama al suelo. Esta es la causa principal de contaminación por hidrocarburos en las vías fluviales. PMx es una de las emisiones más peligrosas y existen dos tipos diferentes de partículas. Una partícula es menor a 10 micrómetros de diámetro (PM10). La segunda partícula es más pequeña, menos de 2.5 micrómetros (PM2.5). El PM2.5 puede viajar fácilmente al interior de los pulmones y afectar directamente a los órganos. Causa asma agravada, tos y muerte prematura en personas con enfermedades cardíacas o pulmonares. Finalmente, NOx sirve para representar el óxido nítrico (NO) como el dióxido de nitrógeno (NO2). El NO es similar al CO, tampoco permite absorber oxígeno en el torrente sanguíneo y se sabe que el NO2 aumenta la probabilidad de lluvia ácida en el medio ambiente. Encontrar nuevos métodos y enfoques para reducir las emisiones de GEI ayudará a preservar y mejorar la calidad de vida de todos los ciudadanos. No hace falta decir que esto deber´ıa ser de suma importancia para los funcionarios gubernamentales y los encargados en aprobar nuevas regulaciones ambientales. Realizar un método apropiado, conveniente y relativamente económico para monitorear el tráfico y las emisiones vehiculares es un tema indispensable para una ciudad inteligente. Esto permite una mejor toma de decisiones por parte de los administradores públicos y los ciudadanos. Los funcionarios gubernamentales pueden utilizar los datos recopilados sobre el tráfico y las emisiones vehiculares para regular las emisiones vehiculares (por ejemplo, restringiendo la circulación de vehículos en ciertas áreas o creando nuevas leyes ambientales para las emisiones de los vehículos). Con resultados estadísticos adicionales, los ciudadanos pueden tomar mejores decisiones mientras conducen, lo que les permite llegar a su destino mucho más rápido. Las carreteras se pueden construir de mejor manera y más eficiente mientras se utilizan todos los recursos disponibles a la mejor capacidad. Existe una variedad de métodos para detectar y medir el tráfico, pero crear una implementación generalizada en toda una ciudad puede resultar bastante costoso y difícil de implementar. Por esta razón, se han desarrollado enfoques alternativos que nos permiten estimar las emisiones vehiculares en cualquier ciudad con base a mediciones de tráfico obtenidas en la vida real. En este trabajo se ha diseñado e implementado un procedimiento para simular el flujo de tráfico en las ciudades de Guayaquil e Ibarra, Ecuador. Este procedimiento ayuda a obtener datos estadísticos útiles sobre las cinco emisiones de GEI mencionadas anteriormente para ambas ciudades y obtener una comparación. Más específicamente, hemos implementado un enfoque que combina las mediciones de tráfico obtenidas en la vida real con el uso del programa de Simulación de Tráfico de Movilidad Urbana (SUMO). Utilizando mapas de carreteras precisos para cada ciudad y las mediciones de tráfico obtenidas en la vida real, se pueden crear simulaciones del mundo real. STMU nos permite la capacidad de analizar las emisiones vehiculares obtenidas a lo largo de la simulación. El objetivo final de este trabajo es recopilar y almacenar los datos estadísticos generados para que los funcionarios gubernamentales los utilicen al crear regulaciones para las emisiones de GEI. Mejorar la calidad del aire y reducir las emisiones vehiculares ayudará a preservar la salud de todos los residentes y será el primer paso para que Ibarra y Guayaquil se conviertan en ciudades inteligentes. |
| Description: | During the past decade, billions of dollars have been invested in the planning and implementation of smart cities around the world. Finding intelligent new ways to maintain the infrastructure of a city is crucial. If the infrastructure is not prepared to meet the demands for a rapidly increasing human population growth, the city and all of its citizens might suffer dire consequences. These demands include basic needs such as clean air and water, housing, and food. A city that supervises its natural resources is able to prosper for longer periods. Cities that do not meet the basic needs of their citizens collapse due to overpopulation, air and water pollution, lack of food, and lack of housing space. Due to improvements in technology, medicines, health, and security, humans tend to live longer, form bigger families, migrate farther and create larger cities. As population and cities expand, so does construction work. To meet growing demand, additional homes, roads, and vehicles are manufactured. This extra construction work utilizes vast resources and emits enormous quantities of pollution into the atmosphere and waterways. Smart cities focus on managing the resources available and finding solutions to help improve the quality of life of their citizens. Smart cities help provide safe areas for families to enjoy, offer better housing options, provide affordable food, technological advances, and design innovative methods to reduce dangerous pollution being released into the atmosphere. High levels of pollution can affect negatively the environment as well as the health and life span of all residents. Traffic plays a major role in creating pollution and releasing dangerous waste into the environment. The United States Environmental Protection Agency (EPA), calculated that greenhouse gas (GHG) emissions from transportation account for approximately 29% of all U.S GHG emissions. This makes transportation the largest contributor of GHG emissions in the U.S. As of today, Ecuador does not count on an EPA, to help monitor and track the levels of emissions generated from transportation. There is no previously recollected statistical data on GHG emissions so people are not aware they are in danger due to high pollution levels in the environment. On the other hand, countries such as the U.S, Germany, Sweden, Italy, and Japan have been collecting data on GHG for decades. They can compare their yearly emission levels from entire cities. Utilizing this information to improve or create new regulations when GHG emissions levels are too high. Vehicular emissions generate particles that are not detectable to the human eye. They are smaller than red blood cells, less than 100 nanometers in size, and they can trans- locate themselves around the human body. This creates a negative long-term effect on all residents, deteriorating their health much faster, raising the costs of medicines and hospital treatments. The five main particles being released by vehicles while in use are carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), hydrocarbons (HC), particulate matter (PMx), and nitrogen oxides (NOx). CO2 is known for trapping heat in the atmosphere, causing climate change, increasing the probability of wildfires to occur, and causing respiratory problems from smog and air pollution. CO is similar to CO2, it also contributes to climate change, drastically affects the weather, and fails to absorb oxygen in the bloodstream. HC emissions are generated when automobile oil leaks onto the ground. This is the major cause of hydrocarbon contamination in waterways. PMx is one of the most dangerous emissions and there are two different types of particles. One particle (PM10) is less than 10 micrometers in diameter. The second particle (PM2.5) is less than 2.5 micrometers. PM2.5 can easily travel deep inside the lungs, affecting the organs directly. It causes aggravated asthma, coughing, and premature death in people with heart or lung diseases. Finally, NOx serves to represent both nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2). NO is similar to CO, it also fails to absorb oxygen in the bloodstream, and NO2 is known to increase the probability of acid rain in the environment. Finding new methods and approaches to reduce GHG emissions will help preserve and improve the quality of life of all citizens. Needless to say, this should be of most impor- tance to government officials and those in charge of passing new environmental regulations. Performing an appropriate, convenient, and relatively affording method to monitor traffic and vehicular emissions is an indispensable subject for a smart city. This allows for better decision-making from public administrators and citizens. Government officials can utilize collected data on traffic and vehicular emissions to regulate vehicular emissions (e.g. re- stricting vehicle circulation in certain areas or creating new environmental laws for vehicle emissions). With additional statistical results, citizens can make better decisions while driving, allowing them to reach their destination much faster. Roads can be built much better and efficiently while utilizing all available resources to the best capacity. There exists a variety of methods to detect and measure traffic, but creating a widespread de- ployment through an entire city can result pretty expensive and difficult to implement. For this reason, alternative approaches have been developed that allow us to estimate vehicular emissions in any city based on real-life obtained traffic measurements. A procedure to simulate the traffic flow in the cities of Guayaquil and Ibarra, Ecuador, has been designed and implemented in this work. This procedure helps obtain useful statistical data on the five GHG emissions previously mentioned for both cities and obtain a comparison. More specifically, we have implemented an approach that combines real-life obtained traffic measurements with the use of the traffic Simulation of Urban Mobility (SUMO) program. Using accurate road maps for each city and the obtained real-life traffic measurements, real-world simulations can be created. SUMO allows us the ability to analyze vehicular emissions obtained throughout the simulation. The final goal for this work is to collect and store this generated statistical data for government officials to use when creating regulations for GHG emissions. Improving air quality and lowering vehicular emissions will help preserve the health of all residents and will be a step closer for Guayaquil and Ibarra to become smart cities. |
| URI: | http://repositorio.yachaytech.edu.ec/handle/123456789/496 |
| Appears in Collections: | Matemática |
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