modelagem e gestão das Águas

Modelagem e gestão das águas

Paulo SallesUniversidade de Brasília

[email protected]

Água como matriz ecopedagógicaBrasília, 21 de agosto de 2008

Paulo Salles [email protected]

Esta apresentação…

• Modelos e modelagem• IA e modelagem ecológica

– novas linguagens– novos paradigmas– novos ambientes de modelagem

• Demonstração: modelo Irrigação• Modelo Riacho Fundo• Perspectivas

– Rural– Semi – urbana– Urbana

• Discussão e conclusões


Modelos e Modelagem

A modelagem está se tornando uma atividade popular.

Em breve, crianças, estudantes, trainees e profissionaisdiversos estarão usando modelos e criando seus própriosmodelos.

dN

dt= λλλλN


Por que construir modelos?

Construir e usar modelos contribui para…

� compreender a estrutura do sistema;

� predizer o comportamento do sistema;

� controlar variáveis para obter determinados resultados.


Como modelos podem ser usados?

Podem ser usados em

� pesquisa científica;

� tomada de decisões e manejo;

� aplicações educacionais e treinamento.

Cada uso tem requisitos diferentes.


Modelos matemáticos

Representam conhecimento agregado e requerem alto grau de especialização tanto para construir os modelos como para entender os resultados;

Requerem dados completos e precisos para construir, calibrar e usar os modelos; pequenas modificações na estrutura do modelo podem resultar em grandes mudanças nos resultados produzidos;

Não têm representação explícita de objetos, situações típicas, mecanismos de mudança ou das condições para que as coisas comecem e terminem;

Não têm representação explícita de relações de causalidade.

dN/dt = rN (1 – N/K)


Precisamos de…

• Novas linguagens de modelagem;

• Novos ambientes de modelagemsistemas especialistasmodelagem qualitativasistemas baseados em modelos

• Novos paradigmas de modelagemInteligência ArtificialRaciocínio QualitativoRaciocínio Baseado em Modelos


Novas linguagens de modelagem

animal( raposa ). come(raposa , coelho).animal( coelho ). come(coelho, capim ).planta( capim ).

herbivoro( A ):-come( A, B ),planta( B ),not (come( A, C ), animal( C ) ).

Muetzlefeldt et al. (1989) The use of Prolog for improving the rigour and

accessibility of ecological modelling. Ecological Modelling, 46: 9 – 34.

herbivoro( coelho )?

yes.


Novos ambientes de modelagem

Watervolume

DAM

Electricalproduction

Income

Welfare

Patrimonyflooded

Fishdiversity

Riverecosystems

Leisure

Antunes et al. (1987) Water Resources Research 23(11): 2019-2022.


Novos paradigmas de modelagem

( R1 ) IF there_is_fire THEN ground_becomes_clear.

( R2 ) IF ground_becomes_clear THEN there_is_light_for_seeds.

( R3 ) IF there_is_fire AND there_are_calluna_seeds THEN there_is_heath_schock.

( R4 ) IF there_are_calluna_seeds AND [there_is_heath_schockAND there_is_light_for_seeds] THEN germination_rate_is_high.

( F1 ) fact(there_is_fire). ( F2 ) fact(there_are_calluna_seeds).

What if [F1 AND F2] ? ==== > {R1 – R2 – R3 – R4 } = [germination_rate_is_high]

Why [germination_rate_is_high] ? === > Given that { F1 – F2 }, rules { R4 – R3 / R2 - R1 } are true.


Raciocínio Qualitativo


O que é Raciocínio Qualitativo?

Motivação:

As pessoas tiram conclusões úteis e sutis sobre o mundo físico sem usarnenhum tipo de equação matemática;

Cientistas e engenheiros parecem usar algum tipo de raciocínioqualitativo quando tentam entender um problema e quando estãointerpretando os resultados de simulacões;

Construir modelos sobre a cognição humana e criar software para robôsrequer a compreensão de como se pensa qualitativamente.

É uma área da IA que cria representações para as propriedadescontínuas do mundo para dar suporte a raciocínio com poucainformação.


RQ: perspectiva históricaAnos 70 e início dos anos 80:Pesquisas sobre como conhecimentos quantitativos e qualitativosinteragem na solução de problemas para fins educacionais: STEAMER, SOPHIE

Meados dos anos 80 e início dos anos 90:Potencial para aplicações na indústria, controlando processosbioquímicos e ecológicos;

1994:Sai no mercado o primeiro produto desenhado usando técnicas de RQ: a fotocopiadora que se auto-ajusta e mantém.

Trabalhos em andamento:Monitoramento e diagnose de faltas em turbinas de foguetes e motores de automóveis; raciocínio espacial, visão, planejamento, controle; construção de ambientes de aprendizagem etc. Novas aplicações em ecologia e outras áreas das ciências biológicas.


A temperatura e a pressão da água aumentam

A água começa a ferver e

é gerado vapor

Toda água se transforma

em vapor

As temperaturas da água e do aquecedor

se tornam iguais

A panela explode porque a pressão

interna é muito alta

O que

aconteceria…

Aquecedor

Água


Flow

• Estrutura do Sistema

• Causalidade

• Valores significativos (landmarks)

• Fragmentos de Modelo (partes reutilizaveis)

• Comportamentos diferentes…

P+ ∂P=+PressaoP+ Nivel

∂L=+I+ ∂A=+Massa

água, container, cano, valvula, …

e.x. liquido contido; fluxo de liquido, …

e.g. nivel = {zero, positivo, maximo }

Modelos qualitativos capturam...

(Gerados pela máquina de raciocínio)


Biblioteca defragmentos de

modelo

Valoresiniciais

Pressupostos

CenáriosSimuladorqualitativo

Grafo do comportamento

Regras de transição

GARP3 Um simulador qualitativo


Sustentabilidade na baciado Riacho Fundo

Problemas identificados:

• ocupação descontrolada do solo• desmatamento e erosão• perda de ambientes naturais (nascentes)• problemas com saneamento básico (lixo) e

enchentes• práticas não sustentáveis na economia• falta de participação da comunidade


Modelos qualitativos: 3 perspectivas

• Riacho Fundo rural

• Transição (semi – urbano)

• Riacho Fundo urbano


Riacho Fundo: entidades






– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano



Atividades econômicasE01 configuracao atividade economica

Atividade economica

Atividade economica

Oferta de recursos

ZbmaAltoMedioBaixoZero

Residuos


Produtos


Consumo de recursos


Taxa de producao

MzpPlusZeroMin


Atividades econômicasE01 configuracao atividade economica

Atividade economica

Atividade economica

Oferta de recursos


Residuos


Produtos


Consumo de recursos


Asm produtos maior igual residuos


Riacho Fundo rural – fertilidade

R06 fertilidade da terra rural

Vegetacao

Vegetacao

Cobertura vegetal

ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero

Solo rural

Solo rural*

Cobre

Nivel de agregacao

ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero

Rf rural

Rf rural

Terra erodida


Ocupado por

Nutrientes


Fertilidade


Gado

Gado

Da suporte a

Esterco



RF rural – fertilidade

R06b asume fertilidade determinada por cobertura vegetal e solo

Vegetacao

Vegetacao

Cobertura vegetal


Solo rural

Solo rural*Cobre

Nivel de agregacao


Rf rural

Rf rural

Terra erodida


Ocupado por

Nutrientes


Fertilidade


Asm fert corresp cobertura vegetal

Materia organica



Riacho Fundo rural


Modelo causal RF rural


Riacho Fundo semi – urbano erosão

S05 configuracao da terra semi urbana

Solo semi urbano

Solo semi urbano

Nivel de agregacao


Rf semi urbano

Rf semi urbano

Ocupado por

Solo removido


Integridade da terra


Taxa de erosao

ZpPositivoZero


RF semi – urbano infiltração

S04 processo de infiltracao no solo

Solo semi urbano

Solo semi urbano

Nivel de agregacao


Agua

Superficie

Agua

Subsolo

Tem sobre

Tem embaixo

Quantidade de agua


Taxa de infiltracao

ZpPositivoZero

Quantidade de agua



Riacho Fundo semi - urbano


Modelo causal RF semi – urbano


RF urbano – doenças

U06 area inundada

Rf urbano

Rf urbano

Enxurrada

ZpmgGrandeMedioPequenoZero

Area inundada


U09a existem patogenos

Comunidade biologica

Comunidade biologica

Patogenos


Habitado por


RF urbano – bem estar humano

U03 bem estar humano

Urbanos

Urbanos

Bem estar

PmgGrandeMedioPequeno

Fatores positivos


Fatores negativos


Taxa de aperfeicoamento

MzpPlusZeroMin


Riacho Fundo urbano


Modelo causal RF urbano


Figura 1. Modelo causal representando as conseqüências da alocação de água para abastecimento industrial e irrigação na Bacia do rio São Francisco.


Conclusões

A modelagem qualitativa é promissora porque...

(a) permite construir modelos e rodar simulações mesmo quando os conhecimentos disponíveis são incompletos;

(b) permite criar um rico vocabulário sobre sistemas diversos (comunicação e classificação dos diferentes tipos de ecossistemas);

(c) a representação explícita da causalidade, que pode dar suporte a explicações sobre o comportamento do sistema a partir de sua estrutura;

(d) contribui para aumentar a compreensão de sistemas complexos e, desse modo, favorece o processo de tomada de decisão (em grupo).


Obrigado

!


Visite a página

http://hcs.science.uva.nl/QRM


Riacho Fundo urbano

U06 area inundada

Rf urbano

Rf urbano

Enxurrada


Area inundada


U07a configuracao para mosquitos

Mosquito

Mosquito

Mosquitos

PmgGrandeMedioPequeno

Taxa de crescimento

MzpPlusZeroMin

Habitado por


RF semi – urbano infiltração

S03 configuracao da infiltracao

Solo semi urbano

Solo semi urbano

Nivel de agregacao


Agua

Superficie

Agua

Subsolo

Tem sobre

Tem embaixo

Quantidade de agua


Taxa de infiltracao

ZpPositivoZero

Quantidade de agua



Qual o objetivo do RaciocínioQualitativo?

O objetivo primário do Raciocínio Qualitativo é

• … fazer predições sobre o comportamento de um sistema físicoem termos não-numéricos,

• … preservando todas as diferenças no comportamento maisimportantes de um sistema real,

• … dada apenas uma descrição da estrutura do sistema.

Além disso, são colocadas restrições no aparato usado para a representação dos conhecimentos e nos procedimentos de inferência, que distinguem o RQ de outras formas de raciocíniosimbólico.


Modelagem de sistemas dinâmicos com Raciocínio

Qualitativo






– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano


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