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Apresentação do Projeto IW2C 4 PAYT

Implementação de Pay As You Throw nos resíduos sólidos urbanos, trabalhando simultaneamente os vetores da aferição e contabilização individual de resíduos, e a promoção da modernização administrativa

Designação do projeto: IW2C 4 PAYT
Código do projeto: NORTE-01-0247-FEDER-045381
Objetivo principal: Reforçar a competitividade das PME
Região de intervenção: Norte
Entidade beneficiária:
 Ubiquity Technology, Lda.

O presente projeto tem como objetivo principal definir uma resposta real para o problema da implementação de Pay As You Throw nos resíduos sólidos urbanos, trabalhando simultaneamente os vetores da aferição e contabilização individual de resíduos, e a promoção da modernização administrativa.

A solução poderá aplicar-se em geral a todos os ambientes onde exista recolha individual porta-a-porta, situação que representa uma tendência crescente a nível internacional e tirará partido de recursos técnicos que estão atualmente a ser introduzidos no mercado, para, através de métodos inovadores, implementar uma solução disruptiva, capaz de endereçar limitações identificadas em sistemas de gerações anteriores.


Introdução

A produção de resíduos é uma consequência inevitável da vida. O primeiro registo de uma política de recolha de detritos no mundo ocidental remonta ao séc. V A.C., em Atenas, com a criação explícita da primeira lixeira pública. A criação de depósitos representou, porém, uma etapa transitória na evolução do que eram as políticas cada vez mais estruturadas de resposta ao problema da recolha e tratamento de resíduos. Em 1388, o parlamento Inglês proibiu a deposição de detritos nos cursos de água, quando o volume dos depósitos era já tão elevado que estava a afetar o seu fluxo. Analogamente, na mesma época, o governo Francês decretou uma lei que obrigava a que todos os cidadãos que transportassem alguma carga para dentro da cidade a transportarem igualmente para fora uma quantidade igual de resíduos recolhida dentro da cidade.

Aquele que não era um problema na idade média passou então, rapidamente, a ser um assunto da mais elevada importância. Agravado pela revolução industrial que intensificou a formação de aglomerados populacionais muito mais densos, o problema tornou-se impactante e as populações começaram a sentir os efeitos de políticas ineficientes que adotavam soluções como o aterro indiscriminado em locais arbitrários, gerando movimentos como o NIMBY – Not In My BackYard. A abrangência da recolha e tratamento de resíduos tinha já transcendido o limite local e tinha passado a ter poder político global. 

Na atualidade, com o aumento da população mundial, o problema do tratamento de resíduos sólidos urbanos tende a aumentar. Segundo dados do Banco Mundial, em 2016, as maiores cidades do planeta geraram 2.01 mil milhões de toneladas de resíduos sólidos, representando 0,74Kg por pessoa, por dia. Com o rápido aumento da população e da densidade populacional em aglomerados urbanos espera-se que o valor total aumente 70% até 2050, atingindo o valor de 3,40 mil milhões de toneladas. Este fenómeno, é preocupante em todos os ambientes e amplamente analisado por entidades como a Organização Mundial de Saúde.

Em países menos desenvolvidos onde não existem políticas e recursos para tratamento adequado de resíduos, é assumido que o risco de doenças e epidemias consequente é elevado. Segundo a organização CleanLeap, no Quénia, os resíduos urbanos são responsáveis por diversos fenómenos estruturais e de saúde pública. Os resíduos não recolhidos provocam o entupimento das redes de saneamento, promovendo a propagação de doenças infetocontagiosas como a Febre Tifoide, a Cólera e a Malária. Na tentativa de eliminar alguns dos resíduos por incineração a céu aberto provoca-se a difusão de elementos prejudiciais na atmosfera. De forma complementar, embora menos evidente, existem fenómenos como a aparente correlação entre resíduos e violência urbana, tal como igualmente descrito pelo Banco Mundial.

Em países industrializados, diferentes desafios foram obrigando igualmente à necessidade de gerir racionalmente recursos, assegurando simultaneamente a salubridade e segurança. Por exemplo, quando os resíduos hospitalares passaram a ser considerados como fontes de possíveis infeções, a incineração foi adotada para a sua eliminação. O mesmo método – incineração, foi utilizado amplamente no continente americano para destruição de resíduos, estimando-se que no início do Séc. XX existiam cerca de 300 incineradoras que, entretanto, foram desativadas pelo seu elevado custo de manutenção e pela poluição atmosférica gerada. Países como a China revelam outras faces do mesmo problema. Em dezembro de 2015, por exemplo, 69 pessoas faleceram e 8 desapareceram ao ficar soterradas. No entanto, o deslize de material que deu origem ao acidente não foi consequente de chuvas ou avalanches, mas do desmoronamento de um monte de resíduos de construção acumulados de forma arbitrária. Estes resíduos, embora não causadores de infeções microbianas como nos casos anteriores, integram materiais altamente poluentes e potencialmente cancerígenos.

Quando considerados todos os tipos de resíduos, estima-se que entre 3 e 3,5 mil milhões de pessoas estão relacionadas com a recolha e tratamento informal de resíduos, na China, mas sem preocupações de segurança ou saúde. Consequentemente, e embora não tenham sido encontrados registos de valores concretos para o fenómeno, são referidas doenças prevalentes entre estes profissionais informais, incluindo a Cólera e a Hepatite B, para além de alguns tipos específicos de cancro.

A recolha e tratamento de resíduos urbanos como atividade expressa e coordenada foi observada pela primeira vez no Séc. XVIII, quando, em Filadélfia, se criou o primeiro serviço municipal de recolha de resíduos. A partir deste momento institucionalizou-se um organismo responsável pela recolha e tratamento de resíduos, significando objetivamente que:

- Tinha sido aceite a consciência de que a recolha e tratamento de resíduos urbanos era uma necessidade para a segurança e saúde das poluções;

- A recolha e tratamento de resíduos passava a ser uma atividade, por si, implicando recursos de planeamento, gestão e implementação;

- Consequentemente, a recolha e tratamento de resíduos requeria recursos humanos e materiais, significando um custo para o governo e para os cidadãos.

No entanto, o custo associado à recolha e tratamento de resíduos pode tornar-se incomportável - particularmente em cenários onde a produção por habitante é elevada e a densidade populacional aumenta por unidade de área. Em determinados países, como no caso acima citado do Quénia, a recolha e tratamento de resíduos urbanos é assumida como incomportável, por poder requerer 30 a 50% da receita nacional para ser implementada. Por ser incomportável, degenerou-se num problema crescente e tão grave, que em Nairobi estima-se que apenas 25% das 3000 toneladas de resíduos diariamente geradas sejam recolhidas, com 50% da população a não ser servida. Consequentemente, os habitantes recorrem a aterros ilegais e queima indiscriminada. Em zonas da cidade onde existe população com nível económico mais elevado operam empresas privadas de recolha de resíduos, mas esses não são serviços globais.

No caso Português e segundo dados do INE, os custos associados à gestão de resíduos sólidos urbanos (RSU) aumentaram, entre 2010 e 2014, de 8,94 Euros por tonelada, para um valor final de 71,73 Euros por tonelada. No continente e apenas em 2014, este valor representa um total de gastos principais pelas entidades gestoras de quase 321 milhões de Euros apenas para tratamento, mais um valor médio adicional de 454 milhões de Euros anuais para recolha e transporte.

Na conjugação de todos os aspetos, acima expostos, conclui-se facilmente que a recolha e tratamento de resíduos sólidos urbanos é vital, mas simultaneamente representativa de custos que podem ser incomportáveis. Exigem-se assim respostas eficazes na manutenção da salubridade e do meio ambiente, mas também eficientes de forma a gerarem um impacto financeiro sustentável. A proposta de solução descrita neste documento pretende endereçar especificamente a recolha e aferição da quantidade de resíduos, de forma individual e eficaz, para de forma conjugada com o processamento administrativo eficiente responder de forma transversal ao problema.

O atual regime geral de resíduos, consta do Decreto-Lei nº 178/2006 [7], de 5 de setembro, extensamente alterado pelo Decreto-Lei n.o 73/2011 [8], de 17 de junho, que o republicou, sendo a atividade regulada pela ERSAR.

Dois tipos de entidades intervêm nas duas fases do processo de recolha e tratamento: “em baixa” - entidades que se dedicam à recolha dos resíduos e “em alta” - as entidades que, recebendo os resíduos recolhidos “em baixa” lhe dão o tratamento apropriado: aterro, incineração, reciclagem, valorização. O tratamento adequado, por sua vez, depende do tipo de resíduo.

A Portaria 209/2004, de 3 de março, aprova a tabela classificativa europeia de resíduos, dividindo-os em 20 grandes categorias. Para efeitos de tratamento, porém, podem ser considerados 5 tipos de resíduos sólidos urbanos:

1.     Papel e cartão;

2.     Embalagens metálicas e de plástico;

3.     Embalagens de vidro;

4.     Resíduos orgânicos;

5.     Resíduos indiferenciados.


Os resíduos dos tipos 1 a 3 são passíveis de reciclagem. Os de tipo 4 de valorização orgânica, por exemplo para a produção de fertilizantes. Já os de tipo 5, sem valor, são objeto de eliminação por via de incineração (com eventual produção de energia) ou depósito em aterro. Na prática, esta separação significa que enquanto os resíduos dos tipos 1 a 4 representam um valor que pode ser utilizado para recuperar custos de recolha, de processamento e de todas as ações logísticas associadas, os resíduos do tipo 5 implicam um custo acrescido para os municípios.


O processo de eliminação de RSU tem custos associados de dois tipos principais:

·      Recolha: custos que se prendem com a aquisição, manutenção e utilização das viaturas e meios humanos envolvidos;

·      Tratamento: custos relacionados com as operações de tratamento pelas entidades “em alta” dos resíduos recolhidos e que se traduzem, normalmente, no pagamento das entregas de resíduos indiferenciados. A entrega de resíduos valorizáveis pode ou não ser objeto de bonificação.


Neste momento, a esmagadora maioria dos concelhos no país (mas não só) faz repercutir esse custo no munícipe produtor de resíduos de forma indireta, por via do pagamento de uma taxa aplicada ao volume de água consumida.

É aceite que existe uma correlação (ainda que não perfeita) entre o consumo de água, a dimensão do agregado familiar e a produção de resíduos. Contudo, essa assunção não é generalizável. Por exemplo, um estabelecimento comercial pode produzir enormes quantidades de resíduos provenientes de embalagens sem consumir água, enquanto um cabeleireiro pode consumir muita água sem produzir uma quantidade significativa de resíduos sólidos urbanos. De forma análoga, diferentes tipos de agregados familiares podem produzir quantidades distintas de resíduos consoante as suas práticas, perdendo-se assim uma oportunidade de racionalização não só na recolha, mas também na produção de resíduos.

Assim, abrangendo simultaneamente os âmbitos da justiça social, da racionalização de comportamentos e da educação ambiental, tem sido cada vez mais tema de investigação a forma de aplicação do princípio do poluidor pagador, no caso dos RSU, pretendendo imputar ao munícipe um custo diretamente relacionado com a efetiva produção de resíduos e não uma inferência por via indireta do consumo da água. Este tema, aliás, pela importância que assumiu no espectro internacional, deu origem ao conceito de PAYT (Pay As You Throw), e passou a representar um tema central nas conferências sobre ambiente e sustentabilidade. Por exemplo, a conferência “Kiel 2019: A milestone for Zero Waste Cities”, promovida pela “Zero Waste Europe” e decorrida no último mês de Março na Alemanha, define como seu programa “It will cover overall Zero Waste strategies and waste prevention with families as well as decentralised composting, PAYT (Pay As You Throw) and reuse systems at the municipal level.”

Toda a investigação e debate em torno do tema surge, porém, porque a sua aplicação prática coloca inúmeras dificuldades técnicas e operacionais.

O projeto presente pretende desenvolver uma resposta capaz de ultrapassar as limitações conhecidas até à atualidade, que exporemos, em maior detalhe, mais à frente. Como princípio principal, ele pretende proporcionar a implementação de PAYT de forma real, onde cada domicílio será taxado em função da real quantidade de resíduos que tenha gerado, alimentando uma estrutura administrativa eficiente onde os custos operacionais são reduzidos. Neste pressuposto, o projeto incentivará a redução da produção de resíduos, promoverá a justiça fiscal e a saúde da atividade de entidades responsáveis pela recolha e tratamento de RSU.


A estrutura completa da solução apresentada é composta por três componentes essenciais:

1.     Sistema de medição dos resíduos recolhidos;

2.     Infraestrutura de recolha e integração de informação;

3.     Infraestrutura de gestão de atividade de recolha, com ferramentas de otimização e suporte à decisão.


O sistema, na sua globalidade, assegurará de forma inovadora:

·      Registo individual do tipo e quantidade de resíduo;

·      Associação direta do nível ao emissor do resíduo;

·      Registo detalhado da informação, suportando de forma direta as necessidades para implementação de um sistema PAYT real;

·      Promoção da eficiência e eficácia administrativa, permitindo aumentar qualidade e reduzir custos de forma global.

A infraestrutura de comunicação e integração de informação será simplificada, neste projeto, funcionando em armazenamento e comunicação em bloco. Contudo, será implementada através de mecanismos de abstração de funcionalidade, permitindo a sua adaptação a diferentes formatos de utilização. Em concreto, a comunicação poderá no futuro funcionar sobre uma ligação 3G, 4G, Nb-IoT, ou similares, transferindo dados de forma síncrona, tal como poderá acumular informação que vá transferindo posteriormente segundo diferentes meios e critérios. No lado da integração a solução saberá como lidar com as diferentes situações, efetuando as adaptações, agregações, validações e correções de eventuais erros, para um resultado uniforme e fiável. Esta característica permitirá ao sistema manter o princípio de base de adaptação a sistemas já existentes, sem necessidade de rutura e desperdício de investimento.

Em geral, todo o desenvolvimento será orientado pela criação de um produto comercialmente viável, assumindo-se como pilares para a sua efetiva implementação os seguintes princípios estratégicos:

·      Intrusão mínima nos processos correntes das entidades responsáveis pela recolha e tratamento de resíduos;

·      Custo de implementação compatível com uma recuperação do investimento em prazo reduzido;

·      Intrusão técnica mínima, reduzindo o alcance das intervenções técnicas em equipamentos, nomeadamente veículos de recolha, reduzindo idealmente a zero o seu tempo de paragem para introdução de novas funcionalidades técnicas;

·      Minimização de complexidade em geral, evitando a ação em meios dispersos como os contentores de recolha;

·      Suporte máximo à atividade administrativa, reduzindo erros e promovendo a eficácia e a eficiência em geral;

·     Suporte máximo à atividade de gestão, providenciando indicadores de atividade e suporte ao dimensionamento de necessidades futuras.

O Problema

O problema aqui considerado, tal como a solução apresentada, concentra-se no caso Português. Tal não significa, contudo, que a solução seja limitada no seu âmbito, pelo contrário, ela será transponível para âmbitos internacionais em geral, onde se pratique a recolha individual porta-a-porta.

Segundo dados da ERSAR, existem no país 2368 veículos pesados de recolha de resíduos sólidos urbanos pertencentes a 278 entidades públicas ou equiparadas, entre Câmaras Municipais, associações de municípios e empresas municipais. Existem ainda empresas privadas dedicadas a este negócio e que atuam em nome próprio ou enquanto subcontratadas por entidades públicas.

Cada veículo recolhe resíduos que podem ser depositados, pelos munícipes, recorrendo a 3 tipos de depósitos ou contentores:

1.     Equipamentos de via pública (ecopontos, “moloks”) e grande capacidade (800, 1100 litros) de recolha periódica (fixa ou móvel) e de uso generalizado;

2.     Equipamentos coletivos de média a grande capacidade para edifícios de apartamentos em que se utilizam equipamentos de maior capacidade, de 240 a 800 litros.

3.     Equipamentos próprios em moradias uni ou multifamiliares em que se usam equipamentos de pequena capacidade, tipicamente 140 litros.

Nos dois primeiros casos, não havendo equipamentos “individuais”, a identificação do produtor do resíduo não é um processo trivial, sendo necessário recorrer a soluções de condicionamento do acesso aos mesmos, por exemplo por via de cartão RFID que abre o contentor e identifica o depositante.

Já no terceiro caso, como os contentores são de uso “individual” é possível identificar de forma clara qual o produtor responsável por cada deposição.

A recolha dos contentores de RSU é efetuada com veículos pesados que através de meios mecânicos (elevadores) basculam os contentores despejando o seu conteúdo na cuba. No caso dos contentores de pequena dimensão, aqueles que se inserem no âmbito do sistema proposto, existem já abordagens prévias baseadas na pesagem, frequentemente através de sistemas incluídos na estrutura dos veículos e responsáveis pela medição incremental através de sensores de pesagem colocados entre a caixa e a carroçaria do veículo. As soluções deste tipo não permitem uma aferição real do peso dos resíduos recolhidos em cada operação de báscula - as balanças utilizadas, na medida em que suportam pesos na ordem das toneladas (chegando à dezena), não possuem precisão suficiente para cargas pequenas. Tendo estes sistemas tolerâncias típicas de mais ou menos 10 kg, não permitem medir convenientemente o peso de contentores mais leves. No casos de contentores de 140 litros de papel/cartão, e de embalagens, cujos pesos específicos de resíduos, não comprimidos, rondam os 80 a 120 Kg por m3, estaremos a falar de um peso de resíduos na ordem dos 10 a 15 kg, se completamente cheios.

Resta, então, a alternativa da medição instantânea através de sistemas que pesem apenas o contentor neles colocado. As balanças tradicionais, porém, requerem um meio estático e estável para fazer uma leitura adequada. À medida que a sua precisão aumenta para dar resposta às necessidades de leitura, elas começam a ser mais vulneráveis a ruído como causado pela vibração do próprio camião ou pela forma de manipulação do contentor. Tendencialmente, requer-se então um período de estabilização após colocação do contentor no suporte, para aferição do seu peso. Contudo, esse período de estabilização pode representar um impacto elevado no desempenho do sistema final – uma diferença de dois segundos no tempo de recolha de um contentor individual, representa mais de uma hora de trabalho em excesso na recolha de 2.000 contentores. Este projeto tem então como objetivo adicional ultrapassar os problemas descritos, aplicando técnicas como as de inteligência artificial.

Em conclusão, não se identifica no mercado uma solução técnica que suporte a implementação de PAYT no contexto comum de recolha de contentores individuais, assegurando simultaneamente os requisitos:

·      Registo individual da quantidade de resíduos recolhidos, tipo e produtor respetivos, em cada recolha;

·      Custo de aquisição reduzido, relativamente a outras soluções;

·      Minimização de impacto negativo na operação;

·      Manutenção simples, sem necessidade de calibrações frequentes.


Arquitectura da Solução

No caso concreto do projeto presente, a robustez, escalabilidade, flexibilidade e a extensibilidade são requisitos primordiais para o respeito pela estratégia comercial, acabando a arquitetura por refletir de forma nítida essa orientação. Em contexto real, a solução para este projeto terá que lidar simultaneamente com dois tipos de requisitos:

·      Os desafios da determinação do peso, implementando um protótipo capaz de validar o conceito.

·      Validar uma arquitetura capaz de promover a evolução para um produto de nível comercial.

Para cumprir com o exposto, considerou-se que uma abordagem monolítica poderia ser inadequada, pois a rigidez de uma solução desse tipo poderia anular os requisitos de flexibilidade, extensibilidade e escalabilidade nas fases subsequentes. Em vez disso, foi escolhida uma arquitetura baseada em microserviços.

A abordagem aplicando arquitetura de microserviços assegura alguns requisitos importantes:

·      Verdadeira separação de responsabilidades - A implementação terá que se dividir - desde o início - em pequenos serviços, com uma definição clara de responsabilidades para cada serviço. Isso resultará numa abordagem modular real, simplificando futuras evoluções da solução;

·      Coesão alta, mas acoplamento flexível - a flexibilidade para evoluir o sistema dependerá da capacidade de reorganizar, alterar ou expandir o ecossistema. A abordagem dos microserviços destaca-se nesta área, fornecendo um paradigma de construção com blocos em que os blocos podem ser trocados;

·      Cada microserviço implementará um padrão de arquitetura hexagonal, promovendo a manutenção futura do código.

A estratégia geral da solução pode ser então sintetizada como:

·      No centro do IW2C 4 PAYT está uma arquitetura de microserviço baseada em alguns serviços, dos quais o Data Stream Engine e Workflow Service se mostram como os serviços que coordenam toda a informação. Outros serviços, como o Machine Learning, são responsáveis por desempenhar funções específicas no processamento de informação e produção de resultados.

·      Cada microsserviço é uma mini-aplicação com sua própria arquitetura hexagonal, consistindo na lógica de negócio publicada através de adaptadores. Alguns microserviços disponibilizarão uma API que será consumida por outros microsserviços ou por clientes da solução. Outros serviços podem implementar uma interface para o utilizador – web ou móvel. Outros microserviços despoletarão eventos num Message Broker que enviará mensagens adequadas para serem consumidas por outros microserviços.

·      O SPA - aplicativo de página única será implementado usando uma Framework javascript.

·      A interoperabilidade será alcançada usando o protocolo REST / JSON sobre https para a API de serviço da interface do utilizador.

·      O API Gateway será implementado aplicando o Gateway Routing Pattern.

·      Um Message Broker central receberá mensagens de vários remetentes, determinará o destino correto e encaminhará a mensagem para o canal adequado.

·      Recursos de interface do utilizador, como gráficos, tabelas, formulários, ... não serão desenvolvidos, mas serão utilizadas bibliotecas de terceiros - como o Bootstrap. A escolha de bibliotecas deverá garantir o cumprimento de regras de licenciamento.

A figura abaixo reproduzida ilustra os conceitos apresentados, no contexto do projeto presente:

Resultados

Foram concluídos os trabalhos de análise, especificação, desenvolvimento e documentação previstos.

Em relação à obtenção de dados e treino das redes neuronais para pesagem estável, devido ao atraso na obtenção do braço robótico, foi inicialmente necessária a realização de uma estrutura em madeira que permitiu a realização dos testes principais. Foi construído um protótipo para testes e ensaios e foi testado hardware específico com capacidade de correr redes neuronais.

Na segunda fase foi utilizado o braço robótico para simulação adicional. Com base nas amostras adquiridas utilizando o braço robótico foi possível criar sessões de treino que conduziram a que se obtivessem resultados interessantes, embora com alguns artefactos cuja origem não estava ainda identificada.

Foi também desenvolvida, implementada e configurada a infraestrutura de suporte ao funcionamento do sistema; particularmente, o backoffice e o sistema de gestão de workflows, estando estes em estado operacional.

O sistema de BI, conjuntamente com um modelo previsional, foi desenvolvido e implementado, possibilitando a exploração de dados e obtenção de previsões de forma intuitiva e interativa e com a possibilidade de descer ao detalhe de basculamento por contentor.

Os resultados obtidos foram analisados e apresentados e permitem-nos concluir que foram atingidos os objetivos mais ambiciosos deste projeto.

Apesar dos condicionantes, a maioria devido ao COVID, conseguiu-se chegar a resultados promissores e com elevado potencial de melhoria, seja através da inclusão de mais sensores, seja através da obtenção de mais dados de treino para abranger mais tipologias de contentores e de veículos.


Peso real vs aferido,
com a aplicação dos mecanismos de inteligência artificial


Interface de exploração de dados


Modelos preditivos




Duração

Data de aprovação: 10-01-2020
Data de início: 01-03-2020
Data de conclusão: 01-03-2022
Custo total elegível: 401.958,63 EUR
Apoio financeiro da União Europeia: FEDER – 296.698,17 EUR


Parceiros

MaiaAmbiente


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