Análise da operação de sistemas de reservatórios utilizando lógica difusa, redes neurais artificiais e sistemas neuro-difusos

Abstract

O uso de modelos matemáticos na análise de sistemas de recursos hídricos tem se desenvolvido bastante desde a década de 1960. Uma das principais áreas de aplicação dos modelos de análise de sistemas de recursos hídricos é no planejamento e na operação de sistemas de reservatórios. Dois tipos de abordagem podem ser adotados para a solução desse tipo de problema: abordagem tradicional, baseada em técnicas de pesquisa operacional, e abordagem por sistemas inteligentes (inteligência artificial – IA). Modelos baseados em IA têm como principal característica a flexibilidade de inclusão de regras expressas em uma linguagem de fácil compreensão que incorporam na modelagem o conhecimento especializado e a experiência dos operadores. Apesar da importância do assunto e do potencial das técnicas, o estágio de desenvolvimento atual é carente de fundamentação teórica que sistematize a prática vivencial dos atores nos processos. Pesquisas que fechem essa lacuna são necessárias para que melhor se conheçam as vantagens e desvantagens dos Sistemas Inteligentes aplicados à operação de sistemas de reservatórios. Foram escolhidas para teste técnicas baseadas em lógica difusa, redes neurais artificiais e sistemas híbridos neuro-difusos. nvestigar o potencial destas técnicas para o processo de tomada de decisão na operação de sistemas de reservatórios constitui o objetivo geral desta pesquisa. As definições e as implementações dos esquemas metodológicos propostos nesta pesquisa e suas aplicações no estudo de caso do sistema que abastece a região metropolitana de Fortaleza confirmaram a hipótese da pesquisa para duas das três técnicas avaliadas – os modelos baseados em lógica difusa e os modelos baseados em redes neurais artificiais. A terceira técnica testada – sistemas de inferência adaptativos neuro-difusos – apresentou resultados insatisfatórios. As principais contribuições desta pesquisa ao estado da arte estão principalmente nos seguintes pontos: definição de esquemas metodológicos utilizando abordagens baseadas em sistemas inteligentes na obtenção de políticas operacionais para sistemas de reservatórios em regiões semi-áridas; inclusão, nos sistemas inteligentes para obtenção de políticas operacionais, de variáveis semânticas (qualitativas) indicativas da previsão climática, avaliando tanto a melhora do processo de operação dos reservatórios quanto os erros potenciais decorrentes de previsões equivocadas; utilização, em conjunto, de técnicas de agrupamento e de aprendizado organizativo na construção de sistemas especialistas difusos para operação de sistemas de reservatórios; construção e utilização, para os sistemas especialistas difusos de operação de reservatórios, de Modelos Hierarquicamente Escalonados, evitando a “Falta de Conhecimento”.

The use of mathematical models in the analysis of water resources systems grew enough since the decade of 1960. One of the main areas of application of the models is in the planning and in the operation of systems of reservoirs. Two approach types can be adopted for the solution of this problem type: traditional approach, based on techniques of operational research, and approach by intelligent systems (artificial intelligence – AI). The Models in AI have as main characteristic the flexibility of inclusion of expressed rules in a language of easy understanding that incorporate in the modeling the specialized knowledge and the experience of the operators. In spite of the importance of the subject and of the potential of the techniques, the apprenticeship of current development is lacking of theoretical recital that it systematizes the actors' practice in the processes. Researches that close this gap are necessary so that better is known the advantages and disadvantages of the applied Intelligent Systems to the operation of systems of reservoirs. Techniques based on fuzzy logic, artificial neural networks and neuro-diffuse hybrid systems were chosen for test. The objective of the research is to investigate the potential of these techniques for the process of decision in the operation of systems of reservoirs. The definitions and implementations of the methodological outlines proposed in this research and their applications in the study of case of the system that supplies the metropolitan area of Fortaleza confirmed the hypothesis of the research for two of the three appraised techniques – the models based in fuzzy logic and the models based in artificial neural networks. The third tested technique – Adaptive Network Based Fuzzy Inference System – presented unsatisfactory results. The main contributions of this research to the state of the art are: definition of methodological outlines using approaches based in intelligent systems in the obtaining of operational politics for systems of reservoirs in semi-arid areas; inclusion, in the intelligent systems for obtaining of operational politics, of semantic variables (qualitative) indicative of the climatic forecast, evaluating as much the improvement of the process of operation of the reservoirs as the current potential mistakes of mistaken forecasts; use, together, of clustering techniques and of learning in the construction of diffuse expert systems for operation of systems of reservoirs; construction and use, for the diffuse expert systems of operation of reservoirs, of assigned models, avoiding the "Lack of Knowledge".