Nome do Projeto
Gestão Participativa dos Recursos Hídricos Utilizando Jogos Computacionais e Sistemas Multiagentes
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/10/2021 - 30/09/2023
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
A Inteligência Artificial trata sobre computadores que são capazes de executar tarefas pensantes, que humanos e animais são capazes de executar. Nesta linha de raciocínio, computadores já resolvem muitos problemas, como cálculos aritméticos, ordenação e pesquisa de dados. Contudo, a motivação dos pesquisadores é baseada em aspectos filosóficos: entender a natureza do pensamento e da inteligência, e desta forma construir sistemas para modelar esta forma de pensar. Alguns pesquisadores são motivados pela psicologia e tentam entender como os processos mentais e do cérebro humano funcional. Em áreas aplicadas, os engenheiros buscam desenvolvem algoritmos para realização de atividades diárias das pessoas. O gerenciamento de recursos naturais é uma área que busca melhores formas de gerenciar terras, águas, plantas e animais, baseado em qualidade de vida das pessoas no presente e para gerações futuras. Essa área ganhou mais visibilidade com a noção de desenvolvimento sustentável, que é um princípio de como os governos veem e compreendem o mundo. O gerenciamento dos recursos naturais foca especificamente no entendimento técnico científico de recursos e ecologia e como esses recursos podem dar suporte à vida animal. Existem três desafios computacionais ligados ao gerenciamento de recursos naturais: gerenciamento e comunicação de dados; análise de dados; e controle e otimização. Para resolver esses desafios, a utilização de ferramentas computacionais utilizando técnicas de IA pode ser uma solução, visto que elas têm a flexibilidade necessária para tratar a dinâmica existentes em recursos naturais. Este projeto visa a utilização conjunta de Simulação Baseada em Multiagente e Jogos de Papéis com a finalidade de obter-se uma gestão participativa dos recursos hídricos, mais especificamente utilizando como base dados do estado do Rio Grande do Sul, e focando a aplicação piloto do trabalho no Comitê de Gerenciamento das Bacias Hidrográficas da Lagoa Mirim e do Canal São Gonçalo, que envolvem as cidades de Rio Grande e Pelotas, entre outras. Do que rege nosso conhecimento, ainda não foi aplicada essa metodologia no contexto do estado, buscando uma forma mais iterativa e participativa para a tomada de decisão sobre questões hídricas. Nessa abordagem, é vital a participação dos agentes envolvidos. Assim, uma integração com os membros do comitê de bacia da região proposta é essencial.

Objetivo Geral

O principal objetivo desse projeto é a formalização, desenvolvimento e aplicação de uma ferramenta (jogo) para gestão participativa dos recursos hídricos no estado no Rio Grande do Sul, utilizando MABS e RPG. Como objetivos específicos, tem-se: i) Contato e formalização de parcerias com o Comitê de Gerenciamento das Bacias Hidrográficas da Lagoa Mirim e do Canal São Gonçalo; ii) Modelagem e formalização do problema do comitê, bem como aquisição dos dados georreferenciados da região, para desenvolvimento do primeiro protótipo; iii) Análise dos dados obtidos, bem como escrita de relatórios técnicos e artigos científicos.

Justificativa

Segundo Millington (2006), “a Inteligência Artificial (IA) trata sobre computadores que são capazes de executar tarefas ‘pensantes’, que humanos e animais são capazes de executar”. Nesta linha de raciocínio, computadores já resolvem muitos problemas, como cálculos aritméticos, ordenação e pesquisa de dados. Contudo, a motivação dos acadêmicos de IA é baseada em aspectos filosóficos: entender a natureza do pensamento e da inteligência, e desta forma construir sistemas para modelar esta forma de pensar. Alguns pesquisadores são motivados pela psicologia e tentam entender como os processos mentais e do cérebro humano funcional. Em áreas aplicadas, os engenheiros buscam desenvolvem algoritmos para realização de atividades diárias das pessoas.

O gerenciamento de recursos naturais é uma área que busca melhores formas de gerenciar terras, águas, plantas e animais, baseado em qualidade de vida das pessoas no presente e para gerações futuras. Essa área ganhou mais visibilidade com a noção de desenvolvimento sustentável, que é um princípio de como os governos veem e compreendem o mundo. O gerenciamento dos recursos naturais foca especificamente no entendimento técnico científico de recursos e ecologia e como esses recursos podem dar suporte à vida animal (Holzman, 2009).

Para Fuller et al. (2007), existem três desafios computacionais ligados ao gerenciamento de recursos naturais: gerenciamento e comunicação de dados; análise de dados; e controle e otimização. Para resolver esses desafios, a utilização de ferramentas computacionais utilizando técnicas de IA pode ser uma solução, visto que elas têm a flexibilidade necessária para tratar a dinâmica existentes em recursos naturais. Muitas técnicas estão disponíveis na literatura, como Algoritmos Genéticos, Redes Neurais, Sistemas Multiagente, Autômatos Celulares, Inteligência de Enxames etc.

O gerenciamento de recursos depende de sistemas de informação (GIS), para que se tenha interatividade, alto desempenho, computação integrada aos modelos e computação distribuída geograficamente. Por exemplo, técnicas de gerenciamento de larga escala para processar e descobrir as sequências genômicas. Normalmente, a computação é aplicada em áreas da biologia para resolver os problemas de análise e gerenciamento de dados, pois esses têm uma importância política, social e econômica agregada. Contudo, um problema pode envolver todas essas três áreas, como soluções para controle de espécies exóticas, que depende de informações sobre os organismos e sua difusão no ambiente (gerenciamento e comunicação de dados), entendimento de ligações temporais e espaciais (análise de dados) e desenvolvimento de estratégias para gerenciar populações de espécies exóticas (controle e otimização).

Os Sistemas Multiagente (SMA) estudam o comportamento de um conjunto independente de agentes com diferentes características, evoluindo em um ambiente comum. Esses agentes interagem uns com os outros, e tentar executar suas tarefas de forma cooperativa, compartilhando informações, evitando conflitos e coordenando a execução das atividades (Gilbert e Troitzsch, 1999). Adicionalmente, o uso de simulação como ferramenta de apoio a tomada de decisão é bastante eficiente, porque é possível verificar detalhes com grande precisão. Simulação Baseada em Agentes (Multi-Agent-Based Simulation - MABS) é a união de Sistemas Multiagente e Simulação e é largamente utilizado, pois tenta unir perspectivas interdisciplinares de estudo. Normalmente envolve pesquisadores de diversas áreas, como psicologia social, ciência da computação, biologia social, sociologia e economia (Le Page et al., 2017; Le Page et al., 2015).

Jogo de Papéis (Role-Playing Games (RPGs)) é um tipo de jogo onde os jogadores “interpretam” uma personagem, criada dentro de um determinado cenário (ambiente). As personagens respeitam um sistema de regras, que serve para organizar suas ações, determinando os limites do que pode ou não ser feito (Klimick, 2003). RPG é uma técnica muito utilizada em treinamento, pois pode colocar os jogadores em situações de tomada de decisão similares às reais, porém sem consequências efetivas. Em especial, grandes empresas têm utilizado RPG em cursos de treinamento devido ao fator lúdico envolvido nos jogos, o que faz com que o treinamento e/ou aprendizagem de determinado assunto seja facilitado (Perrotton et al, 2017).

A utilização integrada de MABS e RPG iniciou com pesquisas desenvolvidas pelo CIRAD (Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement), França, no início dos anos 2000 (www.cirad.fr). Esse grupo desenvolveu uma metodologia denominada “ComMod: The Companion Modelling approach” (https://www.commod.org/en), onde os participantes têm papel decisivo no processo de tomada de decisão e entendimento dos problemas socioambientais a serem resolvidos. Diversos trabalhos já foram realizados em diversos países do mundo, incluindo o Brasil. Em 2003, em um projeto conjunto entre o CIRAD, a Universidade de São Paulo e a Universidade de Cochabamba (Bolívia), o projeto Negowat (Negotiation of Water) foi desenvolvido sobre essa abordagem. O projeto teve sua finalização em 2009, mas diversos trabalhos foram realizados, sempre sob uma perspectiva interdisciplinar. Dentro dessa perspectiva, a tese de doutorado de Adamatti (2007) apresentou como essa metodologia poderia ser aplicada em um contexto Web (o jogo era jogado de forma remota), para tomada de decisão em grupos sobre os problemas hídricos. Vale ressaltar que os pesquisadores do CIRAD continuam em atividade em diversas outras universidades do Brasil, como Universidade de Brasília, Universidade Federal do Pará e Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

A bacia hidrográfica ou bacia de drenagem de um curso d'água é a área onde, devido ao relevo e geografia, a água da chuva escorre para um rio principal e seus afluentes. A forma das terras na região da bacia faz com que a água corra por riachos e rios menores para um mesmo rio principal, localizado num ponto mais baixo da paisagem. Desníveis dos terrenos orientam os cursos d'água e determinam a bacia hidrográfica, que se forma das áreas mais altas para as mais baixas. Ao longo do tempo, a passagem água da chuva vinda das áreas altas desgasta e esculpe o relevo no seu caminho, formando vales e planícies. A área de uma bacia é separada das demais por um divisor de águas, uma formação do relevo - em geral a crista das elevações do terreno - que separa a rede de drenagem (captação da água da chuva) de uma e outra bacia. Pense na crista de um morro que divide a água da chuva para um lado e para o outro (Ahmad e Simonovic, 2005).

As análises em hidrologia para bacias hidrográficas geralmente demandam grandes quantidades de informações espaciais e temporais, requerendo esforços computacionais consideráveis. Ferramentas da estatística clássica geralmente são limitadas para esta finalidade.

Beskow et al. (2014) estudaram vazões de estiagem no Rio Grande do Sul, considerando cursos d’água com área de drenagem inteiramente no estado. A base de dados monitorados foi obtida junto à Agência Nacional de Águas, através do portal HidroWeb – Sistema de Informações Hidrológicas. No presente estudo, utilizaram-se os mesmos dados que Beskow et al. (2015), no entanto, após o processamento de cada conjunto de dados no ambiente do aplicativo SYHDA, estes foram submetidos ao teste de estacionariedade de Man-Kendall, com vazões médias anuais e ao nível de significância de 5%, resultando em 78 séries estacionárias.

Adamatti, D. F. Inserção de Jogadores Virtuais em Jogos de Papéis para Uso em Sistemas de Apoio à Decisão em Grupo: um Experimento na Gestão de Recursos Naturais. São Paulo: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2007 (Tese de Doutorado).

Ahmad, S. & Simonovic, S. P.(2005). An artificial neural network model for generating hydrograph from hydrometeorological parameters. Journal of Hydrology 315 (1), 236–251.

Beskow, S.; Caldeira, T. L. ; De Mello, C. R.; Faria, L. C. ; Guedes, H. A. S. . Multiparameter probability distributions for heavy rainfall modeling in extreme southern Brazil. Journal of Hydrology: Regional Studies, v. 4, p. 123-133, 2015.

Beskow, Samuel; Mello, Carlos R. ; Faria, L. C. ; Simões, M. C. ; Caldeira, T. L. ; Nunes, G. S. . Índices de sazonalidade para regionalização hidrológica de vazões de estiagem no Rio Grande do Sul. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental (Online), v. 18, p. 748-754, 2014.

Fuller, M. M., Wang, D., Gross, L. J. & Berry, M. W. (2007). Computational science for natural resource management. Computing in Science&Engineering, 9(4):40–48.

Holzman, B. A. (2009). Natural Resource Management. Retrieved May 2009, from http://bss.sfsu.edu/holzman/courses/GEOG%20657/env%20history%20lecture.pdf

Klimick, C. Construção de Personagem & Aquisição de Linguagem: O Desafio do RPG no INES. Dissertação (Dissertação de Mestrado) — Programa de Pós-graduação do Departamento de Artes e Design - PUC, Rio de Janeiro, 2003.

Le Page C., Bobo K.S., Kamgaing O.W.T., Ngahane F.B., Waltert M. 2015. Interactive simulations with a stylized scale model to codesign with vil

Metodologia

Este projeto visa a utilização conjunta de Simulação Baseada em Multiagente (MABS) e Jogos de Papéis (RPGs) com a finalidade de obter-se uma gestão participativa dos recursos hídricos, mais especificamente utilizando como base dados do estado do Rio Grande do Sul, e focando a aplicação-piloto do trabalho no Comitê de Gerenciamento das Bacias Hidrográficas da Lagoa Mirim e do Canal São Gonçalo, que envolvem as cidades de Rio Grande e Pelotas, entre outras.

Do que rege nosso conhecimento, ainda não foi aplicada essa metodologia no contexto do estado, buscando uma forma mais iterativa e participativa para a tomada de decisão sobre questões hídricas. Nessa abordagem, é vital a participação dos agentes envolvidos. Assim, uma integração com os membros do comitê de bacia da região proposta é essencial.

Serão estabelecidos contato e formalização de parcerias com o Comitê de Gerenciamento das Bacias Hidrográficas da Lagoa Mirim e do Canal São Gonçalo; e, serão realizadas reuniões de estudos com os membros do comitê.

Adicionalmente, realizaremos de RPGs de “mesa”, ou seja, em papel, para entendimento da problemática e inicialização do processo de modelagem; bem como, a modelagem e formalização do problema do comitê, aquisição dos dados georreferenciados da região, para desenvolvimento do primeiro protótipo.

Definiremos das formas de avaliação da ferramenta (questionários, dados quantitativos) e realizaremos testes do primeiro protótipo totalmente computacional, para que melhorias possam ser realizadas na ferramenta.

Em um segundo momento, de refinamento da ferramenta como novos desenvolvimentos, realizaremos testes completos com os agentes envolvidos e a análise dos dados obtidos, bem como escrita de relatórios técnicos e artigos científicos.

Realizaremos a formação de, pelo menos, 2 doutores e 4 mestres, nos cursos relacionados ao projeto. Também acreditamos que os pós-doutores poderão auxiliar na modelagem e desenvolvimento da ferramenta, bem como na melhoria e ampliação dos programas de pós-graduação envolvidos (ministrando aulas, (co) orientando alunos e publicando).

Ainda, durante o período de desenvolvimento do projeto, realizaremos seminários de acompanhamento das ações.


Indicadores, Metas e Resultados

O principal indicador esperado é que a ferramenta computacional seja de fato uma ferramenta de suporte a tomada de decisão dos membros do comitê de bacia, visto que o tema é extremamente complexo e envolve agentes de diversas áreas de conhecimento. Para tanto, ferramentas de avaliação qualitativa (questionários) e quantitativas (variáveis a serem definidas) serão monitoradas e analisadas (conforme previsto no cronograma de atividades).

Além disso, a publicação de trabalhos em revistas de reconhecimento na área e em congresso onde possa-se ter um retorno das atividades em desenvolvimento, são de suma importância.

A formação de novos mestres e doutores é uma forma de difundir o conhecimento adquirido, pois os novos profissionais formados poderão aplicar a metodologia e a ferramenta em outros contextos, além do proposto no projeto. A participação de pós-doutores no projeto visa fortalecer os programas de pós-graduação, trazendo novas ideias e formações nos ambientes, sendo muito importante para os alunos, professores e grupos de pesquisa envolvidos.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
BRUNO CASCAES ALVES
MARILTON SANCHOTENE DE AGUIAR12
MÍRIAM BLANK BORN
VALTER ALBERTO MELGAREJO MARTINS

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