Manejo Florestal Sustentável: Dificuldade Computacional e Otimização de Processos

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1 Manejo Florestal Sustentável: Dificuldade Computacional e Otimização de Processos Daniella Rodrigues Bezerra 1, Rosiane de Freitas Rodrigues 12, Ulisses Silva da Cunha 3, Raimundo da Silva Barreto 12 Universidade Federal do Amazonas 1 Programa de Pós-Graduação em Informática (PPGI) 2 Departamento de Ciência da Computação (DCC) 3 Departamento de Ciências Florestais (DCF) 08 de outubro de 2010 Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

2 Roteiro 1 Contexto da Pesquisa 2 Visão do Manejo Florestal Sustentável 3 Aspectos de Complexidade Computacional 4 Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

6 Roteiro Contexto da Pesquisa 1 Contexto da Pesquisa 2 Visão do Manejo Florestal Sustentável 3 Aspectos de Complexidade Computacional 4 Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

7 Contexto da Pesquisa Domínio Engenharia Dirigida por Modelos Objetivos Os resultados desta publicação estão associados a um projeto de doutorado; Mapear cenários relacionados ao domínio de manejo florestal em uma linguagem de domínio específico e gerar análises a partir de perturbações no ambiente; Enfoque para a Ciência pura e aplicada; Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

11 Roteiro Visão do Manejo Florestal Sustentável 1 Contexto da Pesquisa 2 Visão do Manejo Florestal Sustentável 3 Aspectos de Complexidade Computacional 4 Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

12 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

13 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

14 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? É a administração da floresta para obtenção de benefícios econômicos e sociais, respeitando-se os mecanismos de sustentação do ecossistema. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

15 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? É a administração da floresta para obtenção de benefícios econômicos e sociais, respeitando-se os mecanismos de sustentação do ecossistema. Tal atividade, desenvolvida em florestas nativas, implica na realização de uma exploração planejada, seja de recursos madeireiros ou não-madeireiros, previamente selecionados. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

16 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? É a administração da floresta para obtenção de benefícios econômicos e sociais, respeitando-se os mecanismos de sustentação do ecossistema. Tal atividade, desenvolvida em florestas nativas, implica na realização de uma exploração planejada, seja de recursos madeireiros ou não-madeireiros, previamente selecionados. Motivação Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

17 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? É a administração da floresta para obtenção de benefícios econômicos e sociais, respeitando-se os mecanismos de sustentação do ecossistema. Tal atividade, desenvolvida em florestas nativas, implica na realização de uma exploração planejada, seja de recursos madeireiros ou não-madeireiros, previamente selecionados. Motivação A atividade madeireira e a cadeia produtiva a ela associada contemplam problemas interessantes de serem investigados do ponto de vista computacional. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

18 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados O que é Manejo Florestal Sustentável? É a administração da floresta para obtenção de benefícios econômicos e sociais, respeitando-se os mecanismos de sustentação do ecossistema. Tal atividade, desenvolvida em florestas nativas, implica na realização de uma exploração planejada, seja de recursos madeireiros ou não-madeireiros, previamente selecionados. Motivação A atividade madeireira e a cadeia produtiva a ela associada contemplam problemas interessantes de serem investigados do ponto de vista computacional. É um domínio mundialmente em evidência já que em vários países, a atividade madeireira é objeto de investimentos e transações comerciais de elevado valor. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

19 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

20 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

21 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi O Brasil é o segundo país com maior cobertura florestal do mundo, superado apenas pela Rússia. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

22 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi O Brasil é o segundo país com maior cobertura florestal do mundo, superado apenas pela Rússia. Além de posição estratégica nas questões ambientais globais, o Brasil possui um grande potencial produtivo de produtos madeireiros e não-madeireiros. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

23 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi O Brasil é o segundo país com maior cobertura florestal do mundo, superado apenas pela Rússia. Além de posição estratégica nas questões ambientais globais, o Brasil possui um grande potencial produtivo de produtos madeireiros e não-madeireiros. Cerca de 48,5% do território nacional é coberto por florestas Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

24 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi O Brasil é o segundo país com maior cobertura florestal do mundo, superado apenas pela Rússia. Além de posição estratégica nas questões ambientais globais, o Brasil possui um grande potencial produtivo de produtos madeireiros e não-madeireiros. Cerca de 48,5% do território nacional é coberto por florestas No sul, sudeste e nordeste brasileiro a cobertura florestal foi explorada à exaustão e pouca prioridade foi dada ao relorestamento Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

25 Visão do Manejo Florestal Sustentável Perfil dos Problemas Abordados Dados relevantes no Contexto Brasil-Mundi O Brasil é o segundo país com maior cobertura florestal do mundo, superado apenas pela Rússia. Além de posição estratégica nas questões ambientais globais, o Brasil possui um grande potencial produtivo de produtos madeireiros e não-madeireiros. Cerca de 48,5% do território nacional é coberto por florestas No sul, sudeste e nordeste brasileiro a cobertura florestal foi explorada à exaustão e pouca prioridade foi dada ao relorestamento Na região norte, onde ainda há uma grande extensão de florestas nativas, o problema que se coloca é a exploração sustentável dessas florestas, envolvendo proteção às espécies ameaçadas, métodos de exploração menos invasivos e aumento de produtividade no processamento industrial Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

26 Visão do Manejo Florestal Sustentável Etapas do Manejo Florestal relevantes para o contexto desta pesquisa Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

27 Visão do Manejo Florestal Sustentável Etapas do Manejo Florestal relevantes para o contexto desta pesquisa Planejamento Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

28 Visão do Manejo Florestal Sustentável Etapas do Manejo Florestal relevantes para o contexto desta pesquisa Planejamento Exploração Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

29 Visão do Manejo Florestal Sustentável Etapas do Manejo Florestal relevantes para o contexto desta pesquisa Planejamento Exploração Beneficiamento Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

30 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

31 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal O que é Inventário Florestal? Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

32 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal O que é Inventário Florestal? Processo que identifica as espécies com valor econômico presentes na área a ser explorada, bem como sua importância relativa para a representação do ecossistema. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

33 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal O que é Inventário Florestal? Processo que identifica as espécies com valor econômico presentes na área a ser explorada, bem como sua importância relativa para a representação do ecossistema. Identifica as condições sociais das comunidades presentes na floresta, permitindo que o plano de exploração não resulte em prejuízos de seu bem-estar. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

34 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Amostral Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

35 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Amostral Desafio enfrentado pelos Engenheiros Florestais Percorrer determinada área e investigar todas as árvores e mapeá-las seguindo a melhor rota possível. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

36 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Amostral Desafio enfrentado pelos Engenheiros Florestais Percorrer determinada área e investigar todas as árvores e mapeá-las seguindo a melhor rota possível. Variáveis Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

37 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Amostral Desafio enfrentado pelos Engenheiros Florestais Percorrer determinada área e investigar todas as árvores e mapeá-las seguindo a melhor rota possível. Variáveis Custo Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

38 Visão do Manejo Florestal Sustentável Planejamento - Inventário Florestal Amostral Desafio enfrentado pelos Engenheiros Florestais Percorrer determinada área e investigar todas as árvores e mapeá-las seguindo a melhor rota possível. Variáveis Custo Esforço Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

39 Visão do Manejo Florestal Sustentável Definições Básicas Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

40 Visão do Manejo Florestal Sustentável Definições Básicas De forma análoga ao Problema do Caixeiro Viajante (em inglês, travelling salesman problem), o inventário florestal amostral pode ser mapeado como um circuito que possua a melhor rota do ponto de vista prático, começando em uma sub-região qualquer e visitando todas as outras uma única vez. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

41 Visão do Manejo Florestal Sustentável Definições Básicas De forma análoga ao Problema do Caixeiro Viajante (em inglês, travelling salesman problem), o inventário florestal amostral pode ser mapeado como um circuito que possua a melhor rota do ponto de vista prático, começando em uma sub-região qualquer e visitando todas as outras uma única vez. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

42 Exploração Visão do Manejo Florestal Sustentável Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

43 Exploração Visão do Manejo Florestal Sustentável A partir do inventário, é traçado um plano de exploração que contemple a subdivisão da área a ser explorada em lotes, definida pelos engenheiros como áreas de parcelas permanentes as quais serão exploradas em sequência. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

45 Exploração Visão do Manejo Florestal Sustentável No plano de exploração são definidos: Os ramais de arraste das toras, conhecidos como ramais espinha de peixe; A direção de queda das árvores; Localiação/tamanho dos pátios de estocagem que vão armazenar a madeira antes de ser transportada para as usinas de beneficiamento Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

47 Exploração Visão do Manejo Florestal Sustentável Após a extração das árvores, as toras devem ser transportadas da floresta até o pátio de estocagem e posteriormente até uma usina de beneficiamente madeireiro. Neste momento os engenheiros florestais se deparam com o seguinte problema: Problema (i) Que toras armazenar de forma a minimizar o impacto ambiental, otimizar o espaço no pátio de estocagem, minimizando o custo de armazenamento e maximizando os benefícios já que o volume ocupado no pátio de estocagem varia muito em função da quantidade de toras e do seu diâmetro, tamanho e valor comercial? Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

49 Exploração Visão do Manejo Florestal Sustentável Assim como o problema clássico da mochila inteira, o armazenamento das toras pode ser mapeado de forma a respeitar a capacidade máxima do pátio de estocagem (em m 3 ), e dentre as várias árvores abatidas, o critério de seleção das toras pode ser com base no seu volume e valor resultante da razão entre o valor comercial e o impacto ambiental. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

50 Beneficiamento Visão do Manejo Florestal Sustentável Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

51 Beneficiamento Visão do Manejo Florestal Sustentável Após a exploração, vem a etapa de beneficiamento da madeira, onde os engenheiros se deparam com o seguinte problema: Problema (ii) Como cortar toras em peças menores, maximizando a quantidade de peças extraídas e minimizando o desperdício do material? O corte das toras pode ser mapeado como um problema da mochila fracionária. Diante de uma madeira rara e de alto valor comercial, os desperdícios devem ser minimizados. Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

52 Aspectos de Complexidade Computacional Roteiro 1 Contexto da Pesquisa 2 Visão do Manejo Florestal Sustentável 3 Aspectos de Complexidade Computacional 4 Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

53 Aspectos de Complexidade Computacional Beneficiamento Definições Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

54 Aspectos de Complexidade Computacional Beneficiamento Definições Do ponto de vista da teoria de complexidade computacional, os problemas (i) e (ii), possuem uma relevância regional e global, onde métodos otimizados podem resultar no aumento da produtividade madeireira com impacto ambiental reduzido. Resolvê-los de forma eficiente implica em benefícios socio-econômicos e ambientais. Esses fatores reforçam a motivação de avaliar a dificuldade pertinente a natureza dos problemas, ou seja, dado o problema (i) e (ii) para os quais se pode construir uma família de algoritmos que os resolvam, existe dentre eles algum que seja polinomial? Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

55 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Inteira x Estocagem de Madeira Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

56 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Inteira x Estocagem de Madeira Mochila Inteira: Dada uma mochila de capacidade W (em kg) e n objetos com seus respectivos pesos (em kg) e valores (em R$). É possível adicionar itens a essa mochila respeitando a sua capacidade máxima de forma que ao final, a combinação dos itens adicionados a mochila resulte em carga de máximo valor? Variáveis: W, n objetos, cada um com peso e valor. Exemplo: W = 50, n = 4 e os pesso e valores definidos conforme a tabela abaixo. Variáveis Objeto1 Objeto2 Objeto3 Objeto4 p v Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

58 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Inteira x Estocagem de Madeira Armazenamento de Toras: Dado um pátio de estocagem em área de manejo florestal com capacidade máxima para suportar um volume W (em m 3 ). É possível adicionar toras a esse pátio de estocagem respeitando a sua capacidade máxima de armazenamento de forma que ao final, a combinação das toras adicionadas resulte na estocagem de maior valor comercial e menor impacto ambiental? Variáveis: W, n toras, cada uma com seu volume e benefício (resultante da razão entre valor comercial pelo índice de impacto ambiental [1 = menor impacto, 5 = médio impacto e 10 = alto impacto]). Exemplo: W = 3, n = 4, volumes e benefícios definidos conforme a tabela abaixo. Variáveis Mogno Cerejeira Cedro Jatobá v b Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

60 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Inteira x Estocagem de Madeira Conclusão da Redução Polinomial: Identificar a classe de complexidade do Problema da Mochila Inteira auxilia na resolução do Problema de Armazenamento de toras. Complexidade: Mochila Inteira NP-Difícil Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

61 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de Toras Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

62 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de Toras Mochila Fracionária: Dada uma mochila de capacidade W (em kg) e n objetos com seus respectivos pesos (em kg) e valores (em R$). É possível adicionar itens (de 0% a 100%) a essa mochila respeitando a sua capacidade máxima de forma que ao final, a combinação dos itens adicionados a mochila resulte em carga de máximo valor? Variáveis: W, n objetos, cada um com peso e valor. Exemplo: W = 50, n = 4 e os pesso e valores definidos conforme a tabela abaixo. Variáveis Objeto1 Objeto2 Objeto3 Objeto4 p v x 0% 100% 100% 0% Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

63 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de Toras Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

64 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de Toras Fatiamento de Toras: Uma indústria moveleira deseja produzir móveis de madeira de alto padrão. O estoque de matéria-prima suporta um volume W (em m 3 ). A indústria moveleira solicita de uma usina de beneficiamento madeireiro a sua capacidade de estoque W da melhor madeira possível sendo que para preencher seu estoque, a usina de beneficiamento pode fornecer a tora ou parte dela. Que toras a usina de beneficiamento deve fornecer a esta indústria moveleira maximizando o lucro e minimizando o desperdício de material? Variáveis: W, n toras, cada uma com seu volume e valor comercial. Exemplo: W = 3, n = 4, volumes e valor comercial. Variáveis Mogno Cerejeira Cedro Jatobá v b x 100% 100% 0% 30% Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

65 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de toras Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

66 Aspectos de Complexidade Computacional Correlação entre os Problemas Mochila Fracionária x Fatiamento de toras Conclusão da Redução Polinomial: Identificar a classe de complexidade do Problema da Mochila Fracionária auxilia na resolução do Problema de Fatiamento de Toras. Complexidade: Mochila Fracionária NP Abordagem de solução: Força Bruta - utilidade muito reduzida para o problema Programação Dinâmica - Armazenamento (Exploração) - O(nW ) Método Guloso - Fatiamento (Beneficiamento) - O(n log n) Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

67 Roteiro Considerações Finais 1 Contexto da Pesquisa 2 Visão do Manejo Florestal Sustentável 3 Aspectos de Complexidade Computacional 4 Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

68 Conclusões Investigações Futuras Considerações Finais Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

69 Conclusões Investigações Futuras Considerações Finais Exercício teórico; Características dos problemas e o relacionamento entre eles; Métodos e testes; Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27

70 Considerações Finais Obrigada! Otimização de Processos (UFAM) Modelagem Computacional ERIN / 27