O Uso Do Sistema Especialista Para Diagnosticar Doenças Em Hortaliças

I.   INTRODUÇÃO

Os vegetais fazem parte da dieta humana, e está entre os alimentos mais diversificados e complexos. Sua produção pode variar desde a agricultura familiar até as grandes fazendas altamente tecnificadas. A pesquisa hoje investe pesado em uma grande parte dos vegetais, cada um com suas vantagens peculiares; a colheita, valor nutritivo, resistência a doenças. Após a colheita as plantas são entidades vivas que continuam respirando e produzindo calor ativamente, no qual as células permanecem saudáveis. O controle apropriado de temperatura e umidade e essencial para uma boa conservação dos alimentos. O grupo de plantas que se refere às seguintes características, consistência tenra, não lenhosa, ciclo biológico curto, exigência de tratos culturais intensos e cultivados em menores escalas em relação às grandes culturas, são denominada hortaliças. Usualmente, as verduras incluem as folhas (por exemplo, da alface), caules (espargo) e raízes de diversas plantas, como a cenoura. Mas o termo pode também incluir frutos não-doces, como as vagens verdes (por exemplo, do feijão) ou as suas sementes (como as das favas), o pepino, os diferentes tipos de abóboras, tomates, abacates e pimentas. Por extensão, consideram-se por vezes como hortaliças algumas sementes já maduras (secas), como as ervilhas e feijões, que se cozinham depois de ensopadas em água para facilitar a cozedura.

Para se ter uma alimentação equilibrada exige uma ingestão diária de alimentos variados. Que contenham sais minerais, vitaminas, proteínas, gorduras e carboidratos. E somente uma alimentação variada pode fornecer todos estes nutrientes essenciais. Os nutricionistas afirmam que a principal contribuição das hortaliças e um fornecimento de vitaminas e sais minerais na dieta.

Hoje as perdas das hortaliças devido à deterioração correspondem a aproximadamente 20% de toda a colheita. As perdas em 1991 atingiram 10 milhões de toneladas, equivalente a 5 bilhões de dólares no nosso País [1].

1. Referêncial Teórico

Hortaliças, assim são genericamente denominadas as verduras, os tubérculos, as raízes e as leguminosas, isto é, aqueles que são cultivados em hortas.

As anormalidades de uma hortaliça, provocadas geralmente por microrganismos, como bactérias, fungos, nematóides e vírus, ou ainda causadas por falta ou excesso de fatores essenciais para o crescimento, tais como nutrientes, água e luz são conhecidas como distúrbios fisiológicos ou como doenças.

È grande a variedade das doenças que atacam as hortaliças entre essa variedade podemos destacar três:

A. Alternária

A Alternária é uma doença que afeta, principalmente, as folhas baixeiras da hortaliça e apresentam inicialmente com pequenas leões de aspecto encharcado que evoluem para manhas com círculos concêntricos e um ponto claro no centro [3].

A Alternaria em condições climáticas favoráveis se não controlada corretamente, pode acarretar a perda total da cultura em poucos dias [4].

B. Cercóspora

É uma doença favorecida por temperatura elevada, umidade do ar acima de 90%. Plantas com estresse nutricional são mais sensíveis à doença. Pode ser transmitida pelas sementes e pelo vento. Os sintomas ocorrem principalmente nas folhas, na forma de manchas circulares marrons, com os centros cinza claro, que às vezes pode rasgar ou se desprender da lesão, dando um aspecto de folha furada. As manchas podem alcançar um diâmetro superior a um centímetro. As folhas mais velhas podem amarelecer e cair em função do ataque da doença [2].

C. Rhizoctonia

É uma doença que afeta plantas jovens e ocorre em sementeiras, em copinhos, em bandejas ou em mudas recém transplantadas. É provocada por fungos de solo, que podem também estar presente na água de irrigação. Com a crescente utilização de bandejas contendo substratos produzidos comercialmente, este problema tem se tornado cada vez menor [2].

Mudas afetadas apresentam escurecimento ou apodrecimento na base do caule, provocando o tombamento da planta. Sob leve pressão, o topo da planta se desprende sem que a raiz seja arrancada.

1. Inteligência Artificial

“Inteligência Artificial é a parte da ciência da computação envolvida no projeto de sistemas que exibem características que associamos com inteligência no comportamento humano”          (Barr, Feigenbaum, 1981) [5]. O modelo de tomada de decisão do ser humano inspirou muitos trabalhos na área de Inteligência Artificial, onde se deseja obter programas que forneçam soluções inteligentes. Várias são as técnicas na área de Inteligência Artificial para se obter diversos tipos de sistemas inteligentes, entre elas os sistemas especialistas.

A. Sistema Especialista

Uma das técnicas que mais possui aplicações, onde os conhecimentos necessários à solução, de um determinado problema, são obtidos e organizados em uma base de conhecimentos através de regras e/ou procedimentos, assim a estrutura do sistema especialista se divide em motor de inferência, dados, banco de conhecimento e a interface com usuário, essa estrutura pode ser observada na Figura 1. O mecanismo de inferência é o coração dinâmico do sistema especialista ele contém um conjunto de algoritmos de busca para explorar a base de conhecimento e gerar as conclusões e resultados desejados. A interface com usuário e com outros sistemas computacionais também é muito importante, pois através dela são solicitadas novas informações e obtidos novos dados [6].

Figura 1. Representação da formação de um Sistema Especialista.

B.       O Expert Sinta

O Expert Sinta é uma ferramenta computacional, de uso liberado, desenvolvida pelo LIA – Laboratório de Inteligência Artificial da Universidade Federado Ceará. Esse programa utiliza um modelo de representação do conhecimento baseado em regras de produção e tratamento probabilístico, com possibilidades de estabelecer inferência compartilhada, construção de telas automáticas, menus, texto explicativo e regras de produção. Tendo a vantagem de uma interface amigável.

Arquitetura do sinta:

Base de conhecimento: a informação que o sistema utiliza.

Editor de bases: é o meio pelo qual o sistema permite a implementação das bases.

Máquina de inferência: é à parte do sistema especialista responsável pelas deduções sobre a base.

Banco de dados global: são os fatos apontados pelo usuário durante a consulta ao sistema especialista

1) Instalando o programa

O Expert Sinta pode ser encontrado no site do LIA com uso liberado. É interessante abrir uma pasta para o arquivo do Sinta, pois ele não se instala no disco rígido do computador como outros programas, mas ao abrir a pasta o arquivo que é zipado, após descompressão abre o sistema especialista (sinta.exe) e outros arquivos de ajuda.

1. O Sistema

Utilizando uma das técnicas de Inteligência Artificial, o sistema especialista foi criado no Expert Sinta, o usuário responde as perguntas referentes à hortaliça analisada, o motor de inferência do sistema, onde estão os algoritmos responsáveis pelo processamento das informações fornecidas pelo usuário, processa essas informações retornando um valor onde é verificada a resposta se a hortaliça possui alguma das doenças abordadas no sistema, o sistema a princípio abordará três doenças, podendo eventualmente aumentar sua funcionalidade adicionando novas doenças.

A. Objetivo do Sistema

A definição de um ou mais objetivos em um sistema especialista visa encontrar a resposta para um determinado problema, que no caso é diagnosticar as doenças: Alternária, Cercóspora e Rhizoctonia em hortaliças, observando as características já citadas anteriormente.

B. Metodologia

A metodologia usada pra realização do sistema foi entrevista com o engenheiro agrônomo Alex Paulo Mendonça, contamos ainda com consultas bibliográficas através de livros, revistas especializadas e Internet.

C. Organização do Conhecimento

Após colher o material foi necessário dividir as informações observando três aspectos, as condições favoráveis, local afetado e sintomas conforme mostra as tabelas I, II e o texto a seguir.

Tabela I

CONDIÇÔES FAVORÀVEIS À DOENÇA

Doença             Unidade              Temperatura     Luminosidade

Solo / Planta

Alternária          Alta /Alta             Alta                  Não Interfere

Cercóspora       Alta                      Alta                  Sim

Rhizoctonia       Alta                      Baixa                Não Interfere

Doença             Vento                   Chuva

Alternária          Sim                      Sim

Cercóspora       Sim                      Sim

Rhizoctonia

Tabela II

ÀREA DE DESENVOLVIMENTO DA DOENÇA

Doença          Nível Solo          Caule            Folhas        Frutos

Alternária                                                        X                   X

Cercóspora                                                      X                   X

Rhizoctonia      X                      X

1) Sintomas Físicos Alternária

Fruto: pontos encharcados, que evoluem para manchas com círculos concêntricos; manchas escuras, deprimidas e com a presença típica de círculos concêntricos; manchas escuras, deprimidas e com a presença típica de círculos concêntricos;

Planta (Folhas): lesões circulares ou não, pardo-escuras;

Caule: lesões marrom-escuras, alongadas, deprimidas, podendo ou não apresentar halos concêntricos;

Outros: folhas atacadas caem rapidamente, ocorrendo desfolhas e secas de ramos;

2) Sintoma Físicos Cercóspora

Fruto/Folhas: manchas circulares irregulares; manchas castanho claro; manchas castanho escuro; bordas das lesões se apresentam amarela; centro das lesões apresentam; mesmo sintoma do fruto pontos cinza claro;

Planta (Folhas): mesmos sintomas dos frutos;

Caule:

Outros: queda prematura dos frutos; tamanho das Lesões: as lesões variam muito de tamanho, desde poucos milímetros, no início, até 1 cm no final;

3) Sintomas Físicos Rhizoctonia

Fruto/Folhas

Planta (Folhas)

Caule: coloração negra ou castanho escuro;

Outros: possui retardo no crescimento; causa tombamento; lesões de tamanho médio 15 até 50 cm de diâmetro; fungos de coloração branca que se desprende facilmente;

D. Desenvolvimento

O desenvolvimento do sistema foi efetuado observando criteriosamente os passos necessários para construção de um sistema especialista:

1º passo: Obtenção dos conhecimentos necessários:

Foi feito um estudo junto ao profissional da área a ser implementada e materiais referentes ao assunto, em seguida com as informações coletadas, agrupamos as informações em um quadro afim de uma visão mais clara do todo, visando uma melhor organização e manejo dessas informações.

2º passo: Organização das informações na base de conhecimento:

Inicialmente as informações foram agrupadas da seguinte forma:

-condições favoráveis à doença: umidade, temperatura e luminosidade, vento, chuva

-área de desenvolvimento da doença: nível do solo, caule, folhas, frutos.

Em seguida foram verificados os sintomas físicos de cada uma das doenças.

Para verificar o grau de confiança o sistema admite 50% como valor mínimo para que uma igualdade seja verdadeira. O auxilio do agrônomo para verificar os fatores de confiança foi de grande importância pois este é um fator que exige experiências.

3º passo: Interface com usuário e com outros sistemas computacionais:

As perguntas para os usuários foram formuladas tendo o máximo de atenção para o entendimento das mesmas, reduzindo ao máximo o uso de termos técnicos para simplificar o entendimento do usuário, afim que a interface tornasse o máximo amigável e assim obter o resultado esperado.

1) Variáveis e Valores

O menu de variáveis permite inserir valor a cada uma das variáveis e definir se será numérica, multivalorada ou univalorada. Dentro de uma mesma variável podemos ter somente um único valor, vários valores, e valor numérico.

No sistema em questão, foram utilizadas variáveis baseadas nos conhecimentos obtidos da entrevista com agrônomo, a cada característica e fator da doença foi atribuída uma variável com seus respectivos valores, cada variável possui um grau de confiança, a somatória de pontos atribuídos aos valores e que adaptado ao SINTA formam as regras de produção. As variáveis e os valores utilizados estão descritos abaixo:

Crescimento: Normal, Retardo;

Excesso_Luminosidade: Sim  Não;

Folhas: Folhas Baixeiras (velhas mais velhas);

Incidência_Chuva: Sim, Não;

Incidencia_Vento: Sim, Não;

Lesão_Mancha Sim, Não;

Lesão_Outras: Borda amarelada; Centro com ponto cinza claro; Nenhuma; Presença de círculos concêntricos; Pontos encharcados; Presença de fungos de coloração branca (que se desprende facilmente);

Manchas_Coloração: Mancho castanho claro;Mancha castanho escuro; Mancha negra;                                  Mancha marrom escuro; Nenhuma;

Manchas_Formato: Alongada; Circulares; Irregulares;      Nenhuma;

Parte_Caule: Sim, Não;

Parte_Frutos Sim, Não;

Parte_Solo: Sim, Não;

Queda: Queda prematura dos frutos; Queda das folhas;

Tombamento; Não possui;

Tamanho_Lesões:   Pequenas; Média;Grandes

Temperatura_Região: Alta, Baixa;

Umidade_Planta: Alta, Baixa;

Umidade_Solo: Alta, Baixa;

2) Fatores de confiança

O conhecimento humano não é determinístico, graus de confiança são atribuídos a esse conhecimento. O Expert Sinta utiliza uma abordagem possibilista, baseada na Teoria das possibilidades, atribuindo fatores de certeza sobre as regras de forma mais generalizada e sem uma base matemática forte como na teoria das probabilidades.

Cálculo de probabilidade

Quando queremos saber o valor final atribuído às variáveis na conclusão de uma regra, multiplicamos o grau de confiança da premissa pelo da conclusão. A seguir temos um exemplo da realização desse  calculo:

SE Queda = tombamento da planta ENTÃO diagnóstico = Rhizoctonia  CNF 90%

Caso o grau de confiança da premissa 'Queda = Tombamento' é de 80%, o grau de confiança da conclusão 'Diagnóstico = Tombamento' será 0,80 * 0,90 = 0,72 = 72%.

Cálculo do grau de confiança com o operador E

Se as premissas da regra forem conectadas por um operador 'E' o grau de confiança será dado pela multiplicação dos respectivos graus de confiança.

Cálculo do grau de confiança com o operador OU

Se as premissas da regra forem conectadas por um operador 'OU' o grau de confiança será dado pela seguinte expressão: cnf1 + cnf2 - cnf1 * cnf2.

O sistema admite 50% como valor mínimo de confiança para que uma igualdade seja verdadeira.

3) Tela de Abertura

O sistema conta com uma tela de abertura com um resumo da sua funcionalidade, citando as doenças abordadas pelo sistema e dando as boas vindas ao usuário Figura 2.

Figura 2. Representação da inicial do sistema.

4) Elaboração das  Regras

Para elaborar uma regra é necessário estruturar a premissa utilizando o modelo:

Conectivo- Atributo- operador- valor

Conectivo = NÃO, E, OU unindo a sentença ao conjunto de premissas.

Atributo = é uma variável que pode o seu significado alterado no decorrer da consulta do sistema especialista e que

Atributo = é uma variável que pode o seu significado alterado no decorrer da consulta do sistema especialista e que depende do contexto da base elaborada pelo especialista.

Operador = é o elo que define o tipo de comparação a ser realizada entre atributo e valor =,  >, <, <>         Valor = é previamente criado e relacionado com um atributo.

Dessa maneira adotou-se como regra no estudo SE e ENTÃO a Figura 3 mostra a quantidade de regras do sistema, no documento em anexo é possível visualizar todas as regras.

Figura 3. Representação da regras do sistema especialista.

5) Perguntas para Usuários

Quando o usuário utiliza o Expert Sinta a comunicação com o sistema especialista ocorre através de menus que podem ser de múltipla escolha (variável multivalorada) ou escolha simples (variável univalorada), como podemos observar na Figura 4. A ferramenta faz automaticamente esses menus de consulta.

Figura 4. Representação da comunicação do sistema especialista com usuário.

Perguntas utilizadas no sistema

Como é o crescimento da hortaliça?

O ambiente de desenvolvimento da hortaliça possui excesso de luminosidade?

Os sintomas da doença afetam a parte aérea da planta?

O ambiente de desenvolvimento da hortaliça possui incidência de chuvas?

O ambiente de desenvolvimento da hortaliça possui incidência de ventos?

A Hortaliça possui mancha e lesões?

As lesões da hortaliça apresentam?

Qual a coloração da mancha da hortaliça?

Que tipo de mancha a hortaliça (folhas, fruto, caule) possuem?

Os sintomas da doença afetam o caule da planta?

Os sintomas da doença afetam o fruto da hortaliça?

Os sintomas da doença afetam a nível do solo?

A hortaliça apresenta quedas?

Qual tamanho dos sintomas/lesões da doença?

A temperatura do ambiente de desenvolvimento da hortaliça é?

A umidade da planta (folhas, frutos e ramos) da hortaliça é?

A umidade do solo de desenvolvimento da hortaliça é?

1. Resultados

Com o objetivo de verificar a eficácia do sistema, ele foi disponibilizado para agrônomo Alex Paulo Mendonça que nos deu suporte para construção do mesmo. Ele utilizou o programa em seu trabalho para verificar seu desempenho e nos deu o seguinte parecer:

“O programa é uma ótima ferramenta de apoio ao trabalho agronômico para verificação de doenças em hortaliças, pois, o programa possui uma perspectiva muito boa de acertos no diagnóstico das doenças com uma taxa de acertos entre 90% a 95%, foi observado ganho de tempo, pois, com a facilidade de diagnosticar as plantas através do programa pude colocar um auxiliar para fazer o diagnóstico e me dedicar a outras tarefas.

Para ficar mais completo, sugiro que coloquem o diagnóstico de outras doenças.”

1. FLUXOGRAMA RESUMO

Figura 5. Fluxograma resumo do sistema.

VII. Conclusão

O Expert SINTA mostrou-se uma ferramenta de relativa facilidade de utilização. O programa tem manual do usuário, on-line, onde os principais pontos são abordados. Um sistema especialista pode ser um importante aliado na produção agrícola, minimizando custos quando os  riscos são identificados precocemente. Considerando que os agrônomos devam desenvolver competências e saberes tecnológicos, essas competências e saberes os capacitarão para que possam modificar, enriquecer e construir novos instrumentos voltados à prática profissional da agricultura. Nenhum sistema substitui o olhar e o exame de um agrônomo a cultura, mas ao utilizarmos o computador e o recurso de um sistema especialista como apoio para decisões,  multiplicamos a nossa capacidade.

É importante utilizar a tecnologia, instrumento que visa facilitar, para auxiliar nas mais diversas áreas.

VIII. AGRADECIMENTOS

As autoras gostariam de agradecer ao agrônomo Alex Paulo Mendonça pela disponibilidade de orientação e material, possibilitando a realização deste trabalho.

IX. REFERÊNCIAS

[1]            FRANCO, Bernadette D. Gombossy de Melo; LANDGRAF, MARIZA. Perdas das hortaliças no País. Microbiologia dos Alimentos. São Paulo, 1996.

[2]            EMBRAPA, Sistema de produção, Versão Eletrônica, disponível em: <http://www.cnph.embrapa.br/>, Acesso em: 20/05/2009.

[3]            ZAMBOLIM, Laércio; VALE, Francisco Xavier Ribeiro do ; COSTA, Hélcio. Controle de Doenças em Plantas: Hortaliças. Viçosa: Universidade Federal de Viçosa, 2v.p.191-195,2000.

[4]            BRANDÃO FILHO, José Usan Torres; BRINHOLI,Osvaldo; ANDRADE, José Marcos de Barros. Controle de Pinta Preta da Batata com Fungicida Aplicado via Pulverização e Irrigação. Revista Unimar: Maringá, v.18, n.3, p. 467-493,19996.

[5]            CAMPOS, Mario Massa; SAITO, Kaku. Inteligência Artificial e Sistemas Especialistas. Sistemas Inteligentes em controle e automação de processos. São Paulo, 2004

[6]            Expert SINTA versão 1.1, “Manual do usuário”; Disponível em <http://www.lia.ufc.br>, Acesso em: 10/06/2009.

Daiana Aparecida Bueno graduanda em Sistemas de Informação pela Faculdade Cenecista de Varginha - FACECA. Atualmente é Instrutora de informática na escola INFO Cursos e Treinamentos. Suas áreas de interesse incluem desenvolvimento web, design, edição gráfica e informática na educação.