Objetivo
O objetivo genérico do projeto MAGIC é o desenvolvimento de metodologias para simulação de processos de natureza espacial recorrendo ao paradigma da Modelação Baseada em Agentes (MBA).

As metodologias desenvolvidas são aplicadas num caso de estudo no qual se pretende criar um sistema integrado de apoio à gestão ambiental dos resíduos da indústria de pedra natural em Pero Pinheiro, Concelho de Sintra (Portugal).

A ideia é desenvolver um modelo baseado em agentes, também conhecido por sistema multiagente (SMA) e ao mesmo tempo baseado em Sistemas de Informação Geográfica (SIG). As simulações deste modelo, permitem não só fornecer cenários alternativos para o depósito de resíduos, mas também estudar esquemas de recolha que otimizem o equilíbrio entre os custos de transporte/deposição e os impactes ambientais associados. OSMA modela o comportamento dos vários atores e o SIG o contexto geográfico do caso de estudo.



Este projeto é cofinanciado pela Fundação para Ciência e Tecnologia Portuguesa e tem como principais fases de projeto as seguintes:

• avaliação das plataformas de MBA (para execução de SMA) quanto ao seu potencial para integração com pacotes de software SIG;
• definição de um modelo de agentes de modo a criar um sistema integrado para apoiar a gestão ambiental dos resíduos da indústria de pedra natural em Pero Pinheiro, Concelho de Sintra;
• definição de uma arquitetura que permita implementar uma infraestrutura de simulação computacional genérica e que integre, de forma interoperável, SMA e SIG. Nesta fase é tida em conta a avaliação efetuada em 1) no que diz respeito à necessidade de estender uma plataforma de MBA existente ou o desenvolvimento de uma nova;
• implementação da infraestrutura computacional cuja arquitetura foi definida em 3).

Materiais e Métodos
Subjacente à concretização dos objetivos deste projeto está a utilização, e integração, dos Sistemas Multi-Agentes (SMA) com os Sistemas de Informação Geográfica. A integração SMA-SIG surge como uma necessidade de desenvolver modelos baseados em agentes que se socorrem de operadores espaciais para raciocínio e análise geográfica. Desta forma, a integração destes dois tipos de sistemas é importante na medida em que facilita o acesso do SMA à informação espacial e aos operadores geográficos disponíveis no SIG. Em Gonçalves (2004) apresenta-se uma forma conceptual para implementar simuladores de modelos SMA-SIG. Os aspetos mais relevantes dessa conceção são os seguintes:

• a simulação de modelos definidos por uma arquitetura SMA num contexto geográfico é facilitada se os modeladores (engenheiros, cientistas, técnicos, etc. que necessitam de estudar um sistema com implicações ambientais, tal como o do caso de estudo proposto neste projeto) dispuserem de uma ferramenta de simulação que seja antes de mais um SIG;
• o SMA será definido utilizando o paradigma de funcionamento desse SIG. Isto é, os agentes são objetos espaciais com uma dada geometria (agentes espaciais) organizados, tal como é habitual nos SIG, em temas geográficos, mas aos quais foi adicionado um comportamento;
• o modelo SMA-SIG é definido pelos modeladores/cientistas construindo temas geográficos e definindo os seus atributos (o que habitualmente já fazem). Posteriormente, definem qual o comportamento dos agentes espaciais (temas geográficos) e as suas relações usando uma plataforma adequada. A figura seguinte apresenta este modelo conceptual.

Assim, obter uma metodologia genérica para integração de SMA e SIG constitui um passo importante, não só para desenvolver um modelo para o caso de estudo utilizado neste projeto, mas também para desenvolver modelos em futuros e idênticos casos de estudo. Trata-se, na prática, de resolver uma questão de interoperabilbidade entre diferentes componentes de um modelo de um sistema complexo. A integração e/ou interoperabilidade do SIG com ferramentas para desenvolver SMA é extensivamente referida na literatura (ver por exemplo Gimblett, 2002). Basicamente, esta ligação (ou acoplamento) entre SIG e a ferramenta para simulação com SMA pode ser dinâmica ou estática:

• no acoplamento dinâmico, o acesso aos dados geográficos (os dados podem ser matriciais ou vetoriais) é feito em tempo de execução do modelo. Os operadores de análise espacial disponíveis nos SIG para determinar distâncias, direções ou relações topológicas podem ser utilizados pelo sistema de simulação e pelo SMA. Neste caso, o simulador e o SIG implementam um certo grau de interoperabilidade;
• no acoplamento estático os dados geográficos são previamente importados pelo simulador antes da execução da simulação. O simulador não tem, em tempo de execução, acesso ao sistema SIG. Normalmente, esta solução de ligação é constituída por dois componentes independentes: o programa simulador que implementa funcionalidades do tipo exportação/importação de dados através do sistema de ficheiros; e o pacote SIG comercial usado para gerar previamente a informação geográfica;

A metodologia seguida neste projeto é a de obter um acoplamento dinâmico dos modelos SMA-SIG.

Atividade desenvolvida pelo LNEC
No âmbito deste projeto, o LNEC foi responsável pela avaliação das plataformas de modelação baseadas em agentes e é responsável pela definição e implementação da infraestrutura computacional para simulação de modelo SMA-SIG.

Relativamente à primeira tarefa, o objetivo desta era avaliar as plataformas de modelação baseadas em agentes existentes no seu potencial para integração com pacotes de Software de SIG. A partir desta avaliação deveria ser possível escolher a plataforma a usar (se existisse) e delinear uma metodologia para a sua integração com o pacote SIG. Esta metodologia faz parte de uma tese de mestrado (Gonçalves, 2004) ver Material e Métodos. O quadro seguinte constitui um resumo das ferramentas analisadas e existentes na área da MBA em que a ligação a SIG é referida.


Em relação à segunda tarefa, desenvolveu-se um simulador de modelos cujo comportamento é especificado formalmente recorendo à teoria de sistemas. Na prática, o simulador é uma implementação do ambiente de simulação designado por Discrete Event System Specification (DEVS) desenvolvido por Zeigler (ver Zeigler et al., 2000) na Universidade do Arizona desde 1970. DEVS fornece um formalismo matemático para especificar sistemas complexos constituídos por muitas partes que interatuam e se influenciam dinamicamente. Na dissertação de (Gonçalves, 2004), mostrou-se que o formalismo DEVS clássico pode ser utilizado para modelar e simular o comportamento dinâmico dos agentes inteligentes (SMA). Cada agente é definido por um modelo atómico, e as relações entre o agentes são formalizadas por modelos de acoplamentos.

O simulador DEVS é um componente desenvolvido, não só para a plataforma MAGIC, mas que pode ser utilizado em futuros projetos – basicamente é um motor de simulação que permite especificar e controlar a execução de modelos DEVS.

Durante o último ano do projeto, procede-se à integração deste simulador com o SIG desktop da ESRI™ ArcGIS® de modo a obter a plataforma MAGIC – infraestrutura computacional para desenvolvimento e simulação de modelos SMA-SIG. No futuro, pretende-se aplicar esta metodologia a outros SIG utilizando a arquitetura da figura seguinte.

Referências

• GONÇALVES, A., CORREIA, L., RODRIGUES, A., SANTOS, M. A. (2006) - Towards DEVS-Based Simulations of GeoAgent-Based Models with Decentralised Dynamic Properties. SpringSim'06 - Spring Simulation Multiconference (DEVS Integrative M&S Symposium), Huntsville, Alabama, USA.
• LUCAS, B., RODRIGUES, A., GRUEAU, C.; GONÇALVES, A. (2006) - GeoAgents: A Framework for Agent-Based Simulation within Geographical Information Systems. Proceedings of the International Synposium on Agent-Based Modeling and Simulation at the 18th European Meeting on Cybernetic Science and Systems Research, Austria, University of Vienna, abril 2006.
• GONÇALVES, A., LUCAS, B. (2006) - Projeto MAGIC - Simulações Multi-Agente baseadas em Componentes Interoperáveis para a Análise Geográfica - Relatório Final. Relatório LNEC 299/2006 - NTI, Lisboa, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, outubro de 2006 (download 19MB).
• Gonçalves, A., Rodrigues, A., and Correia, L (2004) - Multi-Agent Simulation within Geographic Information Systems. Proceedings of the 5th International Workshop on Agent-Based Simulation (ABS-2004), Lisbon, Portugal, 107-112 (download 0.7MB).
• Gonçalves, A. (2004) - Multi-Agents for Simulation within Geographic Information Systems (in Portuguese). MSc thesis, New University of Lisbon, Lisboa (download 3.5MB).
• Cédric, G., Rodrigues, A., and Gonçalves, A. (2003) - Spatial Simulations through the integration of Geographic Information tools with Multi-Agent Systems. Proceedings of the GIS Reasearch UK 11th Annual Conference, London, 268-272 (download 0.1MB).