Uma extensão do agroxml para representação do conhecimento técnico das operações agrícolas da cana-deaçúcar através de ontologia

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1 Uma extensão do agroxml para representação do conhecimento técnico das operações agrícolas da cana-deaçúcar através de ontologia Elcio Abrahão 1, André Riyuiti Hirakawa 1 1 Laboratório de Automação Agrícola Departamento de Engenharia de Computação Escola Politécnica (POLI) - Universidade de São Paulo (USP) Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, nº 158, sala C2-56 Cidade Universitária - São Paulo - SP - CEP Abstract. There is a huge exchange of information among information systems on the sugar cane production chain because many of them are needed to manage all the agriculture operations. Although there is standards to transport and represent operations shared data, there is no standard to represent specific knowledge of such data. This article aims at proposing an extension of a XML data exchange protocol to represent and share the knowledge about the sugar cane agriculture operations domain based on an ontological study. Access to this knowledge will allow better operational and managerial decision-making throughout the whole production chain. Resumo. Há uma grande troca de informações entre os diversos sistemas de informática na cadeia de produção da cana-de-açúcar. Apesar de já existirem padrões para transporte e representação dos dados destas operações, não há um padrão para representação do conhecimento específico destes dados. Este artigo propõe uma extensão de um protocolo de troca de dados agrícolas baseado em XML para representar e compartilhar o conhecimento técnico sobre o domínio das operações agrícolas da cana-de-açúcar baseado em um estudo ontológico. O acesso a esse conhecimento permitirá uma melhora na qualidade da tomada de decisões operacionais e gerenciais em toda a cadeia de produção. 1. Introdução O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar. De acordo com [PROCANA, 2013] em 2012 estavam em funcionamento 435 usinas de açúcar e etanol e a produção nacional na safra 2012/2013 está estimada em 588,4 milhões de toneladas [UNICA, 2013]. O açúcar representa 14,9 bilhões de dólares nas exportações do Brasil [MAPA, 2012] e o etanol é parte fundamental da matriz energética brasileira. Segundo [Xavier, 2012] as operações agrícolas representam cerca de 67,16% do custo de processamento do açúcar e do etanol e há grande competição entre os produtores que estão constantemente em busca de redução de custos e aumento da produtividade. Neste cenário os sistemas de informação são de fundamental importância e a cadeia de produção depende da troca de informações para operar e gerenciar a produção agrícola. A interoperabilidade de dados entre os participantes de uma cadeia produtiva consiste em implantar mecanismos capazes de distribuir e compartilhar dados entre diversos

2 sistemas heterogêneos. No agricultura, e em especial na produção da cana-de-açúcar, existe uma série de dificuldades adicionais relacionadas as características inerentes do domínio: (a) distribuição geográfica das áreas produtoras; (b) grande quantidade de participantes na cadeia produtiva (proprietários de terra, arrendatários, empreiteiras, transportadoras, fornecedores, clientes, governo); (c) diferentes níveis de informatização de sistemas e falta de integração entre sistemas especialistas; (d) falta de padrões para representação e transporte de dados. Apesar de já existirem padrões consolidados para troca de informações entre sistemas agrícolas [Santos, 2012], não existe um padrão para representar e compartilhar os conhecimentos técnicos sobre o domínio das operações agrícolas da cana-de-açúcar, dificultando o processo de tomada de decisões operacionais e gerenciais na cadeia de produção. Segundo [Gruber, 1995] um corpo de conhecimento formalmente representado é baseado em uma conceituação: os objetos, conceitos, e outras entidades que se assume que existam em alguma área de interesse e as relações que mantêm entre si. A ontologia é uma especificação explicita de uma conceituação. Segundo [Aqeel, 2011] a ontologia é a forma mais adequada para representação do conhecimento específico sobre um domínio. Existem várias iniciativas para desenvolvimento de ontologias genéricas para a agricultura. A FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) [AGROVOC, 2011] criou o AGROVOC, um vocabulário específico para termos da agricultura cujo foco inicial era a segurança de alimentos e a taxonomia dos produtos agrícolas e que evoluiu para uma ontologia que conta hoje com a descrição de mais de conceitos em 20 diferentes línguas. Outras iniciativas como [Aqeel, 2011] e [Lukose, 2012] apresentam métodos formais para utilizar ontologias para descrever conhecimento da área agrícola utilizando a linguagem OWL (Web Ontology Language) [W3C1, 2013], porem estes conhecimentos são de caráter geral e não tratam os conhecimentos técnicos específicos das operações agrícolas canavieiras. A proposta deste artigo é apresentar uma extensão ao protocolo de troca de dados agrícolas agroxml [Douschitz, 2005] para representar o conhecimento técnico das operações agrícolas da cana-de-açúcar no Brasil através de um estudo ontológico. Isto permitirá uma maior agilidade na tomada de decisões operacionais e gerencias pois o conhecimento técnico passa a estar diretamente ligado aos dados das operações agrícolas. Para isso foi feita a coleta dos conhecimentos técnicos, sua formatação utilizando OWL, a validação no contexto da produção de cana-de-açúcar e a implementação como extensão ao agroxml. 2. Material e Métodos Para o desenvolvimento da extensão apresentada neste artigo foram utilizados os critérios de design de ontologias sugerido por [Gruber, 1995]: (a) Clareza: comunicação eficiente do significado da definição dos termos; (b) Coerência: a ontologia deve consentir inferências que são consistentes com as definições; (c) Extensibilidade: a ontologia deve ser capaz de permitir a definição de novos termos baseados no vocabulário existente, de maneira que não requeira uma revisão nas definições existentes; (d) Mínima tendência a codificação: a conceptualização deve ser

3 especificada no nível de conhecimento sem depender de codificação com símbolos; (e) Mínimo compromisso ontológico: a ontologia deve requerer o mínimo de compromisso ontológico necessário para suportar as atividades de compartilhamento de conhecimento. Para que a ontologia possa ser referenciada pelos protocolos de troca de informação existentes foi utilizado um método descrito por [Zheng, 2012] com 4 fases: (a) aquisição de conhecimento; (b) representação do conhecimento; (c) formalização do estudo ontologico e (d) validação e avaliação da ontologia. Após obtenção da ontologia foi construída uma extensão do protocolo agroxml Aquisição do Conhecimento Nesta fase, o conhecimento específico sobre o domínio das operações agrícolas da canade-açúcar foi coletado com o auxílio de especialistas, documentação técnica ou padrões operacionais. As operações agrícolas são classificadas conforme os grandes grupos de operações: (a) Plantio, (b) Cultivo, (c) Colheita e (d) Apoio. Os termos para os nomes das operações agrícolas e recursos foram reutilizados a partir dos vocábulos do thesaurus AGROVOC. Os termos do AGROVOC são formados por uma ou mais palavras que representam um conceito único que podem ou não possuir relações hierárquicas com outros termos. Os termos específicos das operações e recursos utilizados pela cana-de-açúcar foram definidos conforme este padrão Representação do Conhecimento A segunda fase consiste na criação de conceitos, sua classificação e estabelecimento de relacionamentos entre estes conceitos. Também deve-se criar regras de restrição que colaborem para a definição do propósito e escopo do estudo ontológico. Este processo deve ser acompanhado por um especialista para validação do vocabulário proposto. Os seguintes relacionamentos devem são identificados: (a) Qual operação faz o que com qual recurso; (b) Ordem de execução das operações; (c) Parâmetros para as regras de restrição Formalização do Estudo Ontológico Uma vez determinados os conceitos, relacionamentos e regras é necessário utilizar uma linguagem para formalizar o estudo ontológico. Embora nem todos os dados sejam trocados via Internet este trabalho utilizou a OWL para representar a classes ontológicas pois pode ser facilmente referenciada a partir do XML, o que facilitará o acesso e compartilhamento entre os sistemas de informação Validação e Avaliação do Extensão A estrutura do estrutura da extensão foi validada conforme os critérios de design de ontologias propostos por [Gruber, 1995]. Para a avaliação da extensão são selecionados seis produtores conforme o porte da área plantada: dois de grande porte (mais de hectares), dois de médio porte (de 1000 a hectares plantados) e dois de pequeno porte (500 a 1000 hectares plantados). Uma nota de zero (menos aderente) até cinco (mais aderente) é atribuída para a conformidade de cada quesito avaliado: (a) nome da classe da operação; (b) classificação no grande grupo; (c) atribuição de recursos; (d)

4 lista de parâmetros; (e) regras de restrição. Após tabulação dos resultados as operações com médias inferiores a três são selecionadas para revisão Extensão para o protocolo agroxml De acordo com [Douschitz, 2005], agroxml é uma linguagem padronizada para troca de dados na agricultura baseada em XML [W3C, 2008] que utiliza o XML Schema [W3C, 2013] para descrever sua estrutura. Os componentes básicos da estrutura principal do agroxml são: (a) lista de conteúdos; (b) processo de trabalho; (c) colheita; (d) classificação; (e) armazenamento; (f) plantio; (g) análise. Os componentes principais pode ser classificados nos seguintes tipos: (a) link externo; (b) GML (Geography Markup Language) [OGC, 2012]; (c) endereço; (d) economia; (e) fazenda; (f) campo; (g) cultura. Ainda é possível a utilização de listas de conteúdo onde pode-se descrever recursos utilizados regionalmente como lista de nomes de defensivos agrícolas ou listas de tipos de máquinas agrícolas. Após a criação da extensão baseada na OWL foi utilizado o XML Schema para representar a estrutura em forma de lista de conteúdo do AgroXML. A troca de dados no formato XML pode ocorrer diretamente entre os sistemas de informação ou através de um ESB (Enterprise Service Bus) [Lou, 2005] em uma implementação da arquitetura SOA (Service Oriented Architecture) [Erl, 2005]. 3. Resultados e discussão A hierarquia de classes gerada pela extensão é apresentada na figura 1. A classe pai das operações agrícolas é a classe Ação. Esta classe também é a superclasse da classe que representa os motivos de parada. Motivo de parada produtivo é aquele que indica uma ação periférica que faz parte da operação porem não é a ação principal a ser executada, como por exemplo: parada da carregamento de insumo. Outra superclasse definida pelo Figura 1. Hierarquia de classes gerado pelo estudo ontológico. estudo ontológico é a Recurso. Suas subclasses representam todos os recursos utilizados pelas operações agrícolas. Estes recursos possuem relacionamentos entre si de modo a caracterizar a operação agrícola. Na figura 2B são exibidos os relacionamentos de uma operação agrícola de pulverização de herbicidas em pós-emergência. Para realizar esta operação são necessários um trator leve, subclasse da classe trator que por sua vez é

5 subclasse da classe máquina. Também é necessário um pulverizador, subclasse de implemento que também é subclasse de máquina, um local para aplicação, herbicida pós-emergência, água e um trabalhador do tipo operador. Além dos relacionamentos entre as classes também foram definidas regras de restrição para os parâmetros das operações e dos recursos conforme exemplo da figura 2C. Finalmente foi gerado um arquivo no formato XML derivado de um XML Schema para ser associado ao protocolo agroxml no formado de uma lista de conteúdo, figura 2A. A ligação entre a operação descrita pelo agroxml e a lista de conteúdo pode ser feita tanto pelo código da operação quanto pelo nome, caso este esteja no padrão AGROVOC. Embora a extensão gerada neste artigo inclua operações agrícolas específicas da cana-de-açúcar, estudo ontológico similar pode ser utilizado para gerar extensões para outras culturas em trabalhos futuros. Figura 2. Item A - XML Schema da extensão para as operações agrícolas da cana-de-açúcar; Item B - Exemplo de relacionamentos entre as entidades para a operação de aplicação de herbicida em pós emergência da cana-de-açúcar; Item C - Exemplo de regras de restrição para informação de quantidade de princípio ativo por hectare para a mesma operação. 4. Conclusão Este artigo apresentou uma extensão para o agroxml com a descrição dos conhecimentos técnicos das operações agrícolas da cana-de-açúcar baseado em um estudo ontológico do domínio. Foram definidas classes para representar as ações e os recursos utilizados, relacionamentos entre as classes e regras para as restrições dos parâmetros operacionais. A extensão foi representada com a OWL podendo ser facilmente modificada e estendida. Esta extensão referenciada pelo protocolo agroxml,

6 permitirá uma melhor qualidade na tomada de decisões operacionais e gerenciais pelos sistemas de informação agrícolas em toda a cadeia de produção da cana-de-açúcar. Referências AGROVOC Thesaurus, Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). [ ]. Aqeel ur, R. e Shaikh, Z. A., ONTAgri: Scalable Service Oriented Agriculture Ontology for Precision Farming, Advances in Biomedical Engineering, pp , Douschitz, R., Kunisch, M., Jungbluth, T. e Eider, C agroxml - A Standardized Data Format for Information Flow in Agriculture. In: EFITA/ WCCA, Portugal. Erl. Service-Oriented Architecture : Concepts, Technology, and Design. Prentice Hall PTR, August Gruber, T.: Towards Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing. International Journal of Human-Computer Studies, 43(5-6):907928, 1995.) Lou, M., Goldshlager, B., Zhang, L.-J.: Designing and implementing Enterprise Service Bus (ESB) and SOA solutions. In: IEEE International Conference on Service Computing. IBM Global Services, Lukose, D. World-Wide Semantic Web of Agriculture Knowledge. Journal of Integrative Agriculture 11, 2012, MAPA, Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Anuário estatístico de agro-energia 2012: statistical yearbook of agrienergy. Secretaria de Produção e Agro-energia. Bilínguë. Brasília : MAPA/ACS, p. OGC, Open Geospatial Consortium - Geography Markup Language (GML) Extended schemas and encoding rules, version 3.3.0, disponível em: acessado em 03/09/2013. PROCANA Brasil, Centro de Informações Sucroernergéticas, disponível em: acessado em: 12/05/2013. Santos, C. ; Riyuiti, A. An Overview of the Use of Metadata in Agriculture - IEEE Latin America Transactions, Jan. 2012, Vol.10(1), pp UNICA, União da Indústria da Cana-de-Açúcar, disponível em: acessado em 12/05/2013. W3C1, OWL Web Ontology Language, W3C Recommendation, disponível em: acessado em 12/05/2013 W3C2, Extensible Markup Language Schema (XML Schema) W3C Recommendation, disponível em: acessado em: 12/05/2013. W3C3, Extensible Markup Language (XML) 1.0 Fifth Edition 2008, W3C Recommendation, disponível em: acessado em 03/09/2013. Xavier, C., Rosa, J. Custos da Produção de Cana-de-Açúcar, Açúcar e Etanol no Brasil, Safra 2011/ Pecege - ESALQ - USP, Brasília, Agosto 2012, 24p. Zheng, Y.L., He, Q.Y., Qian, P. e Li, Z., Construction of the Ontology-Based Agricultural Knowledge Management System. Journal of Integrative Agriculture 11, 2012,

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