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Apresentação do professor Paulo Salles na UNB.
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Modelagem e gestão das águas
Paulo SallesUniversidade de Brasília
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
Paulo Salles [email protected]
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
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
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)
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
Paulo Salles [email protected]
Precisamos de…
• Novas linguagens de modelagem;
• Novos ambientes de modelagemsistemas especialistasmodelagem qualitativasistemas baseados em modelos
• Novos paradigmas de modelagemInteligência ArtificialRaciocínio QualitativoRaciocínio Baseado em Modelos
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
Novos ambientes de modelagem
Watervolume
DAM
Electricalproduction
Income
Welfare
Patrimonyflooded
Fishdiversity
Riverecosystems
Leisure
Antunes et al. (1987) Water Resources Research 23(11): 2019-2022.
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
Raciocínio Qualitativo
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
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.
Paulo Salles [email protected]
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
Paulo Salles [email protected]
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)
Paulo Salles [email protected]
Biblioteca defragmentos de
modelo
Valoresiniciais
Pressupostos
CenáriosSimuladorqualitativo
Grafo do comportamento
Regras de transição
GARP3 Um simulador qualitativo
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
Paulo Salles [email protected]
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
Paulo Salles [email protected]
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
Paulo Salles [email protected]
Modelos qualitativos: 3 perspectivas
• Riacho Fundo rural
• Transição (semi – urbano)
• Riacho Fundo urbano
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo: entidades
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
– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano
• Discussão e conclusões
Paulo Salles [email protected]
Atividades econômicasE01 configuracao atividade economica
Atividade economica
Atividade economica
Oferta de recursos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Residuos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Produtos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Consumo de recursos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Taxa de producao
MzpPlusZeroMin
Paulo Salles [email protected]
Atividades econômicasE01 configuracao atividade economica
Atividade economica
Atividade economica
Oferta de recursos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Residuos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Produtos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Consumo de recursos
ZbmaAltoMedioBaixoZero
Asm produtos maior igual residuos
Paulo Salles [email protected]
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
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Ocupado por
Nutrientes
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Fertilidade
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Gado
Gado
Da suporte a
Esterco
ZbmaAltoMedioBaixoZero
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RF rural – fertilidade
R06b asume fertilidade determinada por cobertura vegetal e solo
Vegetacao
Vegetacao
Cobertura vegetal
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Solo rural
Solo rural*Cobre
Nivel de agregacao
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Rf rural
Rf rural
Terra erodida
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Ocupado por
Nutrientes
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Fertilidade
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Asm fert corresp cobertura vegetal
Materia organica
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo rural
Paulo Salles [email protected]
Modelo causal RF rural
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo semi – urbano erosão
S05 configuracao da terra semi urbana
Solo semi urbano
Solo semi urbano
Nivel de agregacao
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Rf semi urbano
Rf semi urbano
Ocupado por
Solo removido
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Integridade da terra
ZbmamMaxAltoMedioBaixoZero
Taxa de erosao
ZpPositivoZero
Paulo Salles [email protected]
RF semi – urbano infiltração
S04 processo de infiltracao no solo
Solo semi urbano
Solo semi urbano
Nivel de agregacao
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Agua
Superficie
Agua
Subsolo
Tem sobre
Tem embaixo
Quantidade de agua
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Taxa de infiltracao
ZpPositivoZero
Quantidade de agua
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo semi - urbano
Paulo Salles [email protected]
Modelo causal RF semi – urbano
Paulo Salles [email protected]
RF urbano – doenças
U06 area inundada
Rf urbano
Rf urbano
Enxurrada
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
Area inundada
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
U09a existem patogenos
Comunidade biologica
Comunidade biologica
Patogenos
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
Habitado por
Paulo Salles [email protected]
RF urbano – bem estar humano
U03 bem estar humano
Urbanos
Urbanos
Bem estar
PmgGrandeMedioPequeno
Fatores positivos
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
Fatores negativos
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
Taxa de aperfeicoamento
MzpPlusZeroMin
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo urbano
Paulo Salles [email protected]
Modelo causal RF urbano
Paulo Salles [email protected]
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• 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
Paulo Salles [email protected]
Figura 1. Modelo causal representando as conseqüências da alocação de água para abastecimento industrial e irrigação na Bacia do rio São Francisco.
Paulo Salles [email protected]
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).
Paulo Salles [email protected]
Riacho Fundo urbano
U06 area inundada
Rf urbano
Rf urbano
Enxurrada
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
Area inundada
ZpmgGrandeMedioPequenoZero
U07a configuracao para mosquitos
Mosquito
Mosquito
Mosquitos
PmgGrandeMedioPequeno
Taxa de crescimento
MzpPlusZeroMin
Habitado por
Paulo Salles [email protected]
RF semi – urbano infiltração
S03 configuracao da infiltracao
Solo semi urbano
Solo semi urbano
Nivel de agregacao
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Agua
Superficie
Agua
Subsolo
Tem sobre
Tem embaixo
Quantidade de agua
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Taxa de infiltracao
ZpPositivoZero
Quantidade de agua
ZpmgmMaxGrandeMedioPequenoZero
Paulo Salles [email protected]
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.
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
– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano
• Discussão e conclusões
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
– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano
• Discussão e conclusões
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
– Riacho Fundo rural– Riacho Fundo semi – urbano– Riacho Fundo urbano
• Discussão e conclusões