Análise de Modelos de Simulação para Sistemas Agronômicos

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1 Análise de Modelos de Simulação para Sistemas Agronômicos Albino Szesz Junior 1, Maria Salete Marcon Gomes Vaz 1, Bruno Affonso 1, Hugo Leonardo Petla Silva 1, Thais Manoela Gonçalves 1 1 Departamento de Informática Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) Av. General Carlos Cavalcanti, CEP Ponta Grossa PR Brazil albinojr12@gmail.com, salete@uepg.br, bruno.affonso@etec.sp.gov.br, hugopetla@hotmail.com, thaismanoelagoncalves@yahoo.com.br Abstract. The objective of this paper is to conduct a survey about the main simulation models and perform a comparative analysis between them, for agronomic systems. These models are tools that can be used in order to reduce the time and the cost of field experiments, allowing through its results to infer about the real simulated world. Several simulation models are used in agriculture, and in this article the models APSIM - Agricultural Production Systems SIMulator, Daisy, o Century e o DSSAT - Decision Support System for Agrotechnology Transfer are analysed.. Resumo. O objetivo deste artigo é realizar um levantamento dos principais modelos de simulação e realizar uma análise comparativa entre os mesmos, para sistemas agronômicos. Esses modelos são ferramentas que podem ser usadas para reduzir o tempo e o custo dos experimentos de campo, permitindo através de seus resultados inferir sobre o mundo real simulado. Na agricultura são utilizados diversos modelos de simulação, e neste artigo são analisados os modelos APSIM - Agricultural Production Systems SIMulator, Daisy, o Century e o DSSAT - Decision Support System for Agrotechnology Transfer. 1. Introdução Simulação pode ser definida como uma ferramenta para criação de modelos de um sistema real ou hipotético, onde os resultados obtidos nos experimentos são usados para o mundo real. Cada modelo de simulação está relacionado a um evento especifico, o qual tem um conjunto de componentes. Segundo Jones e Luyten (1998) a escolha dos componentes do modelo depende dos objetivos de estudo. Os modelos são implementados em um computador e executam um conjunto de instruções em sequência e repetidamente. Durante a sequência das instruções, algumas variáveis alteradas na execução, assumem outros valores, influenciando o resultado e o comportamento do modelo. Tendo em vista a experiência do mundo real, o modelo de simulação tem algumas vantagens. A principal delas é o custo muito mais baixo, pois no mundo real pode envolver equipamentos de alto custo. Outra vantagem seria os riscos envolvidos, tanto para as máquinas, quanto para os humanos.

2 Dentre as diversas aplicações de modelos de simulação, destacamos aplicações na construção civil, aeronáutica, medicina, oceanografia, biologia, indústria, entre outras. Neste artigo, os modelos de simulação são aplicados na área agronômica. Nesse contexto o objetivo deste trabalho é realizar um levantamento dos principais modelos de simulação e realizar uma análise comparativa entre os mesmos, para sistemas agronômicos. Para tanto, este artigo está estruturado, além desta seção introdutória, em mais quatro seções. Na Seção 2, são descritos aspectos inerentes a Modelos de Simulação. Na Seção 3, são descritos alguns modelos de simulação voltados para a área agronômica. Na Seção 4, são analisados e comparados os modelos de simulação. Na Seção 5, são realizadas as conclusões e perspectivas de trabalhos futuros. 2. Modelos de Simulação Modelos de simulação são ferramentas que podem ser usadas para reduzir o tempo e o custo dos experimentos de campo, permitindo através de seus resultados a inferência sobre o mundo real sendo simulado (SILVEIRA, QUADROS, 2006). Segundo Chwif (1999), as desvantagens dos modelos de simulação são: podem ser difíceis de ser construídos e podem levar a resultados menos precisos comparados aos modelos analíticos. Em contrapartida, são modelos que bem representam sistemas que possuem um número muito grande de variáveis e com dinâmica complexa. No caso de aplicação de modelos analíticos, ocorreriam restrições. Existem diversos modelos de simulação descritos na literatura, os quais tem papel fundamental para uma abordagem global dos problemas que envolvem o setor agrícola, proporcionando um modo de observação da realidade, de forma integrada e multidisciplinar, constituindo um aspecto fundamental na investigação de sistemas agrícolas (BRAGA, 2005). Segundo Bannayan et al. (2003) essas aplicações agrícolas podem variar de diversas formas, tais como a predição de rendimento em pequenas propriedades até grandes regiões. A maior parte dessas predições envolvem dados climáticos, informações do momento da semeadura, bem como dados relacionados ao desenvolvimento da cultura. Com o passar do tempo, os modelos de simulação tornaram-se mais complexos, envolvendo grande quantidade de dados para iniciar a simulação. 3. Modelos de Simulação para Sistemas Agronômicos Nesta seção são analisados os modelos APSIM - Agricultural Production Systems Simulator (KEATING et al., 2003), o Daisy (ABRAHAMSEN; HANSEN, 2000), o DSSAT - Decision Support System for Agrotechnology Transfer (HOOGENBOOM et al., 2010; JONES et al., 2003) e o Century (CENTURY, 2007) APSIM - Agricultural Production Systems simulator O APSIM Agricultural Production Systems Simulator (KEATING et al., 2003) objetivou o auxílio aos agricultores e agentes de assistência técnica com recomendações

3 de cultivos. Permite que módulos individuais sejam acrescentados ao sistema, dispostos ao redor do núcleo do simulador. APSIM (Figura 1) possui módulos agrossilvopastoris, processos do solo e de gerenciamento. A estrutura possibilita que os módulos possam ser desenvolvidos e acoplados com facilidade, permitindo boa manutenção, possibilitando retirada e inclusão de módulos, conforme a necessidade. Figura 1. Estrutura do modelo APSIM (Adaptado de KEATING et al (2003)) O APSIM pode ser aplicado em vários domínios, tais como: variabilidade e mudanças climáticas - para avaliar as opções de gestão; prática agronômica - para apoiar a tomada de decisões para a melhoria da produção e os benefícios ambientais; avaliar as opções de uso da terra - para quantificar os trade-offs (conflito de escolhas) de sistemas alternativos (agricultura de carbono, por exemplo); genes-para-fenótipos modelagem e criação - para apoiar os esforços de melhoramento de culturas Daisy Daisy (ABRAHAMSEN; HANSEN, 2000) é um modelo agroecológico, o qual simula o crescimento de uma cultura, o balanço de água e de calor, o balanço da matéria orgânica, a dinâmica do amônio e do nitrato. A simulação é baseada em informações sobre práticas gerenciais e dados climáticos, permitindo a construção de complexos cenários para diferentes estratégias de gerenciamento e rotação de culturas. Para simulação, é necessário informar dados climáticos diários, tais como radiação, temperatura do ar e precipitação. Também, dados sobre umidade relativa do ar e velocidade do vento. As aplicações estão relacionadas: (i) otimização da irrigação; (ii) lixiviação de nitrado de áreas agrícolas, correspondendo a extração de substância presente em componentes sólidos, através da sua dissolução num líquido; (iii) mudanças no rendimento em função da disponibilidade de água e nitrogênio nas práticas de gerência na agricultura.

4 O modelo é dividido em componentes, tais como balanço de água, ciclo do carbono e do nitrogênio e temperatura do solo DSSAT - Decision Support System for Agrotechnology Transfer O DSSAT - Decision Support System for Agrotechnology Transfer (HOOGENBOOM et al, 2010; JONES et al., 2003) é um sistema de simulação do crescimento e desenvolvimento de culturas. É aplicado ao longo do tempo, avaliando estratégias eficientes no gerenciamento de culturas e otimização da produção, combinando dados de solo e de clima, com modelos de culturas e aplicativos, objetivando simular resultados de anos de estratégias no manejo de culturas. A estrutura do Modelo DSSAT (Figura 2) é composta de uma coleção de programas independentes que interagem entre si. Os modelos de simulação de culturas ficam no centro, ao passo que as bases de dados possuem informações de clima, solo, observações e condições experimentais, além de informações sobre genótipos, para aplicar nos modelos em diferentes situações (PAVAN, 2007). Figura 2. Estrutura do Modelo DSSAT (PAVAN,2007) DSSAT é composto por 27 diferentes modelos de culturas, que são uma coleção de programas independentes, operando em conjunto, inseridos numa ferramenta que facilita a criação e o gerenciamento de arquivos de experimentos, de solo e de clima Century O Century (CENTURY, 2007) é uma ferramenta para análise do solo, composta de vários submodelos como o de água, de produção vegetal e dinâmica da matéria orgânica do solo. O aperfeiçoamento e o sucesso deste modelo fez seu módulo de simulação de resíduos ser incorporado ao DSSAT. É aplicado com sucesso em diversos ecossistemas e tipos de solo, principalmente em clima temperado.

5 4. Análise Comparativa Para um melhor entendimento dos modelos analisados, foi desenvolvido um quadro comparativo (Quadro 1) relacionando os modelos, objetivo, linguagens de programação utilizadas e as principais aplicações. Quadro 1 Análise comparativa dos modelos estudados Modelo Objetivo do Modelo Linguagens de programação APSIM Daisy Century Auxiliar agricultores e agentes de assistência técnica com recomendações de cultivos. Simular o crescimento de uma cultura, o balanço de água e de calor, o balanço da matéria orgânica, a dinâmica do amônio e do nitrato, baseandose em informações sobre práticas gerenciais e dados climáticos. Fornecer uma ferramenta para a análise do solo, composta de vários submodelos como o de água, de produção vegetal e dinâmica da matéria orgânica do solo. DSSAT Simular o crescimento e desenvolvimento de culturas, objetivando simular resultados de anos de estratégias no manejo de culturas. Principais aplicações Fortran e C++ Utilizado para avaliar as opções de gestão, no apoio na tomada de decisões, na melhoria da produção e nos benefícios ambientais, além de apoiar os esforços de melhoramento de culturas. C++ Otimizações da irrigação, lixiviação de nitrato de áreas agrícolas, mudanças no rendimento em função da disponibilidade de água e nitrogênio nas práticas de gerência na agricultura. C++ Fortran, C, Pascal, Dbase e Basic. Atende diversas culturas para simulação de carbono e nutrientes solo-planta, além de verificar a taxa de decomposições potenciais do solo. Aplica-se em estudos ao longo prazo, avaliando estratégias eficientes no gerenciamento de culturas e otimização da produção, combinando dados de solo e de clima, com modelos de culturas e aplicativos Vale ressaltar que os modelos de simulação citados trabalham, principalmente, para apoio de decisão no meio agrícola. As linguagens de programação mais utilizadas são C++ e Fortran. A primeira é uma linguagem de propósito geral, que pode ser utilizada para qualquer finalidade e em múltiplas plataformas, flexível e multiparadigma, permitindo seu uso tanto na programação orientada a objetos como na programação estruturada. Já a segunda, em suas versões mais utilizadas, é estruturada e é utilizada para execução de modelos e operações matemáticas de grande complexidade e custo computacional. Dentre os modelos, o DSSAT é o mais completo, devido a sua abrangência e independência, tanto de culturas como de modelos de simulação. Trabalha de forma modular e de forma conjunta, permitindo possibilidades variadas, como combinação de

6 dados de solo e de clima, com modelos de culturas e aplicativos, simulando resultados de vários anos de estratégias de manejo de culturas. Está sendo proposto um modelo de simulação de doença de plantas, a partir de módulos existentes no DSSAT e no APSIM, utilizando-se das boas práticas de padrões de projeto existentes na Engenharia de Software, tal como o MVC - Model-View- Controler (LARMAN, 2007), que permite uma estruturação modular e bem definida. 5. Conclusões e Perspectivas de Trabalhos Futuros Há necessidade de informação e auxílio para a tomada de decisão em todos os níveis agrícolas. Isso se deve ao aumento da demanda dos produtos agrícolas, bem como a questão da sustentabilidade e da escassez dos recursos naturais. A utilização de métodos tradicionais já não é suficiente para atender a essas necessidades emergentes. É neste cenário que simulação para sistemas agronômicos, associada a outros sistemas e tecnologias, é necessária, a fim de suprir as demandas e auxiliar na tomada de decisão, de forma mais eficaz. Devido à existência de diversos modelos faz-se necessário um levantamento de modelos de simulação bem como a comparação entre eles, visando a utilização adequada de cada um. Neste artigo foi avaliados os modelos APSIM, Daisy, Century e DSSAT e conclui-se que DSSAT é o mais adequado devido a sua grande abrangência, modularidade e capacidade de reuso. Como perspectivas de trabalhos futuros propõem-se a implementação de um modelo de simulação de doenças de plantas baseando-se nas tecnologias e conceitos já existentes, além da utilização de boas práticas descritas nos padrões de projeto da Engenharia de Software. Referências ABRAHAMSEN, P.; HANSEN, S. Daisy: an open soil-cropatmosphere system model. Environmental Modelling and Software, v. 15, n. 2-3, p , BANNAYAN, M., COROUT, N.M.J., HOOGENBOOM. G. Application of Ceres- Wheat Model for Within-Season Prediction of Winter Wheat Yield in de Kingdom. Agronomy Journal, Medison, v. 95 p , BRAGA, R.; PINTO, P.; COELHO, J. Os Modelos de Simulação e a Investigação de Sistemas de Agricultura Disponível em: Acesso em 16/05/2013. CENTURY. General Model Description Disponível em: Acesso em 25/05/2007. CHWIF, L. Redução de Modelos de Simulação de Eventos Discretos na Sua Concepção: Uma Abordagem Causal (Tese de doutorado) Disponível em: Acesso em 11/05/2013 HOOGENBOOM, G., J.W. JONES, P.W. WILKENS, C.H. PORTER, K.J. BOOTE, L.A. HUNT, U. SINGH, J.L. LIZASO, J.W. WHITE, O. URYASEV, F.S. ROYCE, R. OGOSHI, A.J. GIJSMAN, G.Y. TSUJI, AND J. KOO Decision Support

7 System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) Version 4.5 [CD-ROM]. University of Hawaii, Honolulu, Hawaii. JONES, J.W; LUYTEN, J.C. Simulation of biological processes. In: PEART,R. M.; CURRY,R.B. (Ed.). Agricultural systems modeling and dimulation. Gainesville: Marcel Dekker, P KEATING, B.A., CARBERRY, P.S., HAMMER, G.L., PROBERT, M.E., ROBERTSON, M.J., HOLZWORTH, D., HUTH, N.I., HARGREAVES, J.N.G., MEINKE, H., HOCHMAN, Z., MCLEAN, G., VERBURG, K., SNOW, V., DIMES, J.P., SILBURN, M., WANG, E., BROWN, S., BRISTOW, K.L., ASSENG, S., LARMAN, CRAIG. Utilizando UML e padrões: uma introdução à análise e ao projeto orientados a objetos e ao desenvolvimento iterativo. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, p PAVAN, WILLINGTHON. Técnicas de engenharia de software aplicadas à modelagem e simulação de doenças de plantas f. Tese (Doutorado em Agronomia) Universidade de Passo Fundo, SILVEIRA, V. C. P. QUADROS, F. L. F. Modelos de simulação, uma ferramenta pouco explorada. XXI Reunião do Grupo Técnico em Forrageiras do Cone Sul Grupo Campos, Desafios e Oportunidades do Bioma Campos Frente a Expansão e Intensificação Agrícola Pelotas, RS.