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VII Jornada de Iniciação Científica - 2011[11] MAGINA, Flavio de Carvalho et al. (2007) - Rede de plataformas de coleta de...
Universidade Presbiteriana Mackenzie[21] VALENÇA, Mêuser et at. – Explicando a Relação entre as variáveis de uma rede neur...
VII Jornada de Iniciação Científica - 2011<http://w3.ufsm.br/ppgcs/disserta%E7%F5es%20e%20teses/DISSERTA%C7%C3O%20JO%C3O%2...
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  1. 1. Universidade Presbiteriana MackenziePROPOSTA DE ESTUDO E ELABORAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICOPARA O MONITORAMENTO DA QUALIDADE DOS SEDIMENTOSCarolina Santos Hemmann (IC) e Silmara Vicente (Orientadora)Apoio: PIVIC MackenzieResumoO meio ambiente tem sido alvo de grande preocupação devido o esgotamento de recursos naturais.Como nosso bem maior, a água, é um dos recursos mais importantes que temos na Natureza e temsido, mundialmente, tema de discussão. Sabe-se que o crescimento populacional tem aumentado ecom ele a demanda por água. Porém esse recurso tão importante é considerado finito e vulnerável eum grande desafio para nós habitantes desse planeta se dá em evitar a falta da água. As principaiscausas de deteriorização da água são: poluição e contaminação por poluentes e esgotos. Algunsproblemas gerados pela poluição das águas e sedimentos são diversas doenças que matam milhõesde seres humanos por ano devido à falta de água de boa qualidade para sua sobrevivência. Muitassoluções são estão sendo pesquisadas e discutidas para que consigamos cuidar da qualidade daágua conscientemente e que em alguns anos esse recurso não venha faltar. Nesse contexto estetrabalho pretende ser uma pequena contribuição no sentido de se iniciar um estudo para que sepossa desenvolver um sistema automático de monitoramento que pretende classificar a qualidadedos sedimentos através de determinados parâmetros que o identificam.Palavras-chave: sedimentos, monitoramento automático, qualidade da águaAbstractThe environment has been a source of great anxiety due to the depletion of natural resources. As ourmost valued good, water is one of the most important resources we find in nature and lately has beenthe topic of world discussions. It is known that, as the world population grows, so does the demand forwater. Except, this important resource is finite and vulnerable. Therefore, it is a great challenge for us,inhabitants of this planet, to avoid the scarceness of water. The main causes of deterioration of waterare: water contamination due to pollutants and sewage. One of the problems caused by such pollutionof both sediments and water is the number of deceases that kill millions of human beings every yeardue to the lack of available water with decent qualities. Many solutions are being studied anddiscussed so that we can both treat the quality of water consciously and avoid its depletion. In thiscontext, this research intends to be a small contribution so that the study of an automatic monitoringsystem designed to classify the quality of sediments by previously determined parameters can begin.Key-words: sediments, automatic monitoring, water quality 1
  2. 2. VII Jornada de Iniciação Científica - 20111. IntroduçãoA água é fundamental na vida de todos os seres vivos e utilizada para diversas atividadeshumanas, devido a isso é vital que ela se mantenha em boas condições. Com a talfinalidade, ela tem que ser submetida a um monitoramento que analisará não somentediretamente sua qualidade, mas também a dos sedimentos que existem no meio em que seencontra, sendo eles uma fonte potente de poluição.Monitorar sua qualidade é um processo fundamental para o ambiente, pois ela é um recursonatural fundamental para a sobrevivência de qualquer ser vivo. O monitoramento consisteem acompanhar se houve ou não mudanças nos aspectos qualitativos da água. Tem comoobjetivo identificar poluentes e fontes de poluição, diagnosticar riscos de impacto e obterinformações a fim de passar para as pessoas se aquela água está de acordo com ascondições necessárias para o uso.Existem alguns índices que auxiliam o entendimento da classificação da qualidade daságuas em diferentes aspectos. Os principais são: IQA (Índice de Qualidade das Águas) eIET (Índice do Estado Trófico).O IQA é um índice de abastecimento público (IAP) que fornece informações sobre a água,classificando-a em Ótima (79 < IQA < 100), Boa (51 < IQA < 79), Regular (36 < IQA < 51),Ruim (19 <IQA < 36) ou Péssima (IQA < 19). Ele pode ser calculado através do produtórioda qualidade relacionada a alguns parâmetros (tais como: turbidez, oxigênio dissolvido,temperatura e condutividade).O IET é um índice de proteção da vida aquática (IVA), que analisa a qualidade da água peloenriquecimento por nutrientes, crescimento de algas e aumento da infestação de plantasaquáticas. As variáveis utilizadas para calcular o índice são: Clorofila e Fósforo Total. Essecálculo é feito pela media aritmética das variáveis citadas. A água pode ser caracterizadaem: Ultraoligotrófico (IET < 47), Oligotrófico (47 < IET < 52), Mesotrófico (52 < IET < 59),Eutrófico (59 < IET < 63), Supereutrófico (63 < IET < 67) ou Hipereutrófico (IET > 67).Visando a importância da água para o mundo, pretende-se criar um sistema automático demonitoramento, no qual utilizaremos um software que possibilitará através da entrada dedados, a classificação da qualidade do sedimento, consequentemente da água.A escolha por um sistema automático se deve à agilidade com que ele detecta alterações efaz análises contínuas, sendo possível a tomada de providências necessárias para alteraruma situação de risco. As vantagens desse tipo de sistema consistem em eles não teremuma freqüência pré-estabelecida, podendo fazer medidas em intervalos de tempo mais 2
  3. 3. Universidade Presbiteriana Mackenziecurtos, assim detectando com uma maior facilidade dados anormais. Apesar de analisar umnúmero de parâmetros limitado, ele nos fornece resultados em tempo real.OBJETIVOEste trabalho pretende estudar ferramentas para o desenvolvimento de um sistemaautomático de monitoramento contínuo de sedimentos para procurar garantir a qualidade damesma em uma determinada região1.2. Referencial TeóricoDevido à crescente preocupação com o meio ambiente nos tempos de hoje, a água setornou um dos fatores mais visados em termos de conservação. A partir desse fato, as maisinfluentes empresas no setor e os pesquisadores mais conceituados, já começaram a fazerprojetos de monitoramento de qualidade e tratamento. Junto com o monitoramento daqualidade da água, se mostra essencial o monitoramento da qualidade do sedimento, poiseles podem estocar substâncias perigosas, ou atuar como fonte secundária de poluiçãoliberando contaminantes no ambiente.FLORES e SORRINI (2001) estudaram sobre o monitoramento em tempo real da água eanalisaram dados da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo(SABESP). Observaram que a SABESP implantou nos reservatórios de abastecimento daRMSP (região metropolitana de São Paulo), um sistema de monitoramento para controlar aqualidade da água, detectando oscilações diurnas. O sistema é composto por estaçõesremotas e unidades de recepção de dados, em que duas vezes por semana são coletadasamostras dos mananciais, e uma vez por mês uma amostra mais completa. Entre os locaismonitorados podemos citar a Represa de Guarapiranga e a Billings. Pelas amostras foramobservadas variações de oxigênio dissolvido e de incremento provocado pela fotossíntesedas algas. Esse projeto tem como real objetivo fornecer as variações significativas.COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL (CETESB) desenvolveuum sistema no Rio Tietê, onde foram colocadas doze estações de monitoramento1 Esse projeto é complementar ao projeto de monitoramento da qualidade da água, eles serão desenvolvidos emconjunto. 3
  4. 4. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011automático de qualidade da água. As informações são disponibilizadas on-line e se qualquermudança for detectada, ainda é possível executar alguma medida para reverter à situação.ROSOLEN et al. (2009) fez um estudo do monitoramento dos sedimentos coletados, peloIGAM (Instituto Mineiro de Gestão das Águas), no rio Uberabinha em Minas Gerais, com afinalidade de detectar os resíduos tóxicos presentes nestes. Amostras foram coletadas emdois pontos e os primeiros resultados obtidos excederam os valores mínimos de qualidadeestabelecidos pelo CONAMA, detectando altas concentrações de coliformes fecais, fósforo,metais como Cu, Co Ni, Pb, Zn e contaminação por elementos tóxicos provenientes doesgoto doméstico e industrial. Foi concluído que a urbanização e a agricultura influenciamno acúmulo de substâncias tóxicas encontradas nos sedimentos do rio Uberabinha.FURLAN (2007) estudou a qualidade do sedimento e da água do Rio Jacupiranga atravésde variáveis como: concentração de nutrientes (nitrogênio e fósforo), pH e oxigêniodissolvido. O sedimento por se acumular fácil, é um dos mais importantes tópicos para seanalisar a qualidade da água. Escolheram-se onze pontos de coleta onde os parâmetrosforam analisados, e perceberam que não ocorreu variação homogênea de nutrientes dasestações de coletas e que a concentração de oxigênio dissolvido e pH influenciam oacúmulo de nutrientes.FREITAS e COSTA (2003) avaliaram a qualidade de serviços utilizando o modelo Electre Tripara classificar o desempenho dos serviços. O método visa determinar as variáveis dedecisões e atribuir valores a elas, para que se possam estabelecer índices de comparação,e assim, criar categorias para classificar os serviços.COSTA et al. (2002) estudaram uma metodologia alternativa para transporte de materialcombustível com base na análise de multicritério. Os critérios para análise em cada uma dasdistribuidoras foram escolhidos, e a cada um foi atribuído um peso de importância e umlimite de preferência e de indiferença. Foi executado um algoritmo de classificação dosoftware Electre Tri e a partir disso foram analisados os resultados obtidos, assim podendoser escolhido a melhor alternativa para o transporte.MAGINA et al. (2007) estudaram a implantação de uma rede de estações de monitoramentoautomática denominada PCDs (Plataforma de Coleta de Dados) , feita pela CETESBjuntamente com o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) no rio Paraíba doSul.Essa rede consiste em sensores de qualidade e nível da água , sistemas decomunicação via satélite e um modem telefônico.Foi monitorado um conjunto de parâmetrosbásicos que indiquem a poluição de natureza química e orgânica ; estes parâmetros são:oxigênio dissolvido (OD) , condutividade , pH , temperatura e turbidez.Essas PDCs realizamleituras a cada 10 min e armazenam os dados na memória local, estes podem ser 4
  5. 5. Universidade Presbiteriana Mackenzierecuperados via uma conexão por modem ou transmitidas por satélites à estação derecepção do INPE.BRAMORSKI (2004) estudou a concentração dos sedimentos existentes na entrada doreservatório de Barra Bonita – SP, considerando variáveis físicas, químicas e biológicas. Oprimeiro fator a ser analisado foram os metais, ressaltando que alguns metais como Mg, Fe,Zn, Mn, Co, Cu e Mo são essenciais aos seres vivos se estiverem em pequenasconcentrações , e são importantes nos metabolismos dos organismos aquáticos.Já o Hg ,Pb , Cd , Ag , Ni e Sn são geralmente tóxicos.Foram analisados também os níveis denutrientes (nitrogênio e fósforo total) , a presença e densidade de microorganismos como asenterobactérias causadora de doenças graves para o homem.PADIAL (2008) estudou a qualidade dos sedimentos do reservatório de Guarapiranga - SPpara a caracterização de um ecossistema aquático continental. A análise dessa qualidadefoi baseada em um estudo sobre presença de metais. Existem valores guias de qualidadede sedimentos (VGQS), com a finalidade de proteger a vida aquática. Os VGQS sãodivididos em efeitos limiares (TEL), abaixo dos quais são improváveis os efeitos tóxicos, eem efeitos prováveis (PEL), acima dos quais efeitos biológicos adversos são prováveis.Foram analisados: matéria orgânica total (MO), carbono orgânico total (COT), sulfetovolatilizável por acidificação (SVA), e metais extraídos simultaneamente (MES).PEREIRA et al. analisaram a qualidade da água e do sedimento do Ribeirão da Limeiraatravés de variáveis físicas, químicas e biológicas. A determinação de nitrato, nitrito, fósforo,demanda química de oxigênio (DQO), cor, sólidos totais, suspensos e sedimentáveis foirealizado segundo a metodologia APHA.As análises de demanda bioquímica de oxigênio(DBO) , oxigênio dissolvido (OD) e coliformes fecais foram determinadas de acordo com asnormas L5.120 , L5.169 (Norma técnica sobre a determinação de oxigênio dissolvido emáguas – método Winkler modificado pela azida sódica : método de ensaio) e L5.406(Coliformes termo tolerantes:determinação em amostras ambientais pela técnica de tubosmúltiplos com meio A1- método de ensaio) da CETESB.Os coliformes fecais encontradosforam superiores a determinação da CONAMA 357-05 (dispõe sobre a classificação doscorpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento).Já os percentuais denitrato , nitrito e fósforo estão bem abaixo do estabelecido por esta mesma resolução .ARAUJO (2005) estudou a necessidade de se considerar o sedimento na análise dos corposde água, comparando a sensibilidade de duas espécies Hyalella azteca e Hyalella sp.quando expostas a diferentes substancias e sedimentos.A partir dos dados estudados foramestabelecidos critérios para as classes de qualidade de sedimentos :BOM (se não 5
  6. 6. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011apresentou toxicidade) , REGULAR ( efeito sub-letal , reducao do crescimento) , RUIM(mortalidade < 50%) e PESSIMO ( mortalidade >= 50%).MOZETO et al. ressaltaram em seu trabalho a importância recente que conquistou a analisedo sedimento quando se trata de qualidade de água.O projeto QualiSed tem como metaprincipal o levantamento de bases técnicas e cientificas para criar critérios de qualidade dosedimento (CQS) , chamados atualmente de VGQS (valores guia para qualidade desedimentos) , feitos para a proteção da fauna aquática.BOSTELMANN (2006) expressa em seu trabalho a importância da análise do sedimento.Ele reflete a qualidade do sistema aquático e deve ser usado para detectar a presença decontaminantes que não permanecem solúveis, sendo deposito e fonte de contaminantesantrópicos. As principais variáveis indicadoras de qualidade de sedimento são: Físicas:granulometria, pH e umidade. Químicas: resíduos, alumínio, arsênio, cádmio, chumbo,cobre, cromo, ferro, manganês, mercúrio, níquel e zinco. Hidrobiológicas: bentos.Toxicológicas: ensaio de toxicidade aguda/sub-letal com Hyalella azteca e ensaio demutação reversa.3. MetodologiaO trabalho de estudo e elaboração de um sistema para o monitoramento da qualidade dosedimento é uma pesquisa do tipo quantitativa, pois ela consiste em uma pesquisadescritiva que procura estudar a correlação dos parâmetros que indicam a qualidade dosedimento e classificar estes dados através de um sistema de monitoramento automático.Para alcançarmos o objetivo desse trabalho foi necessário realizar uma revisão da literaturamais apurada quanto a sistemas de monitoramento automático do sedimento e estudar osparâmetros e índices que identificam a qualidade do mesmo.Os dados a serem utilizados nesse trabalho estão disponíveis no site da CETESB, e foramtratados com a finalidade de serem normalizados para serem utilizados no sistema.Após esse estudo desenvolvemos um programa utilizando o software Matlab, para fazersimulações do sistema e a validação do mesmo com esses dados utilizados, buscando omonitoramento da qualidade do sedimento para os parâmetros considerados. 6
  7. 7. Universidade Presbiteriana Mackenzie 4. Redes Neurais Uma rede neural é um processador paralelamente distribuído feito de unidades de processamento, que têm a tendência a armazenar conhecimento experimental e disponibilizá-lo para o uso. As redes neurais possuem nós (unidades de processamento) que enviam e recebem sinais de outras unidades, sendo que cada uma possui uma memória local. O processo de aprendizagem é chamado de algoritmo de aprendizagem, e tem como função modificar os sinápticos da rede de forma a alcançar o objetivo desejado. [24] Ela oferece os principais benefícios e propriedades: - Generalização: a rede neural possibilita a criação de saídas pertinentes para entradas que não estavam presentes durante o processo de aprendizagem. - Mapeamento de Entrada-Saida: durante um treinamento há a modificação (para diminuir a diferença entre a resposta desejada e a resposta real da rede) dos pesos sinápticos até a rede atingir um estado estável, em que não haja modificações significativas. Com a utilização dos exemplos em diversos treinamentos e diferentes ordens, a rede aprende então, através desses exemplos, a mapear todas as entradas e saídas. O treinamento pode ser realizado de 2 maneiras:• Supervisionado: que necessita de um professor durante a fase de aprendizagem.• Não-supervisionado: é direcionado por relações existentes entre os dados de entradas. - Adaptabilidade: uma rede neural treinada para trabalhar em certo ambiente especifico pode ser facilmente retreinada para conseguir trabalhar perante à pequenas modificações. Além disso, se ela está trabalhando em um ambiente que as estatísticas mudam com o tempo, ela pode ser projetada para modificar seus pesos sinápticos em tempo real. - Tolerância à falhas: como as informações são distribuídas ao longo dos neurônios, a falha tem que ser muito grave e abranger diversos fatores para causar um estrago na resposta global. A rede pode possuir uma ou múltiplas camadas e são compostas por neurônios. As redes de uma única camada são as mais simples, uma vez que as de múltiplas camadas podem ser classificadas em três grupos: 7
  8. 8. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011- Camada de entradas: recebe os padrões apresentados à rede, ela possui uma unidadeespecial chamada de bias que aumenta o grau de liberdade, se adaptando melhor aoconhecimento fornecido.- Camada intermediaria: é executado o processamento e a extração de características.- Camada de saída: apresenta o resultado final. [22]O número de camadas define a capacidade de representação das relações entre o espaçode entrada e o de saída. Diagrama 1: Demonstração de Redes Neurais.[22]As redes neurais probabilísticas têm esse nome devido suas raízes se basearem na Teoriadas Probabilidades, e elas são inspiradas nos Classificadores Bayesianos*. São utilizadascom sucesso em vários problemas de classificação, possuindo três camadas (a camada deentrada, a de bases radiais e a competitiva). A organização do fluxo em camadas permiteque o algoritmo possa ser utilizado para funcionar como uma rede Feedforward com funçãode ativação exponencial. Elas possuem um treinamento incremental, pois a saída indica ograu de evidência sobre o qual se baseia a sua decisão e assim como a Backpropagationpossuem mapeamento não linear, o tratamento de dados ruidosos e paralelismo e ummodelo grandemente especializado, sem muita aplicabilidade, diferente dos modelos deHopfield e Backpropagation. Sua grande vantagem é ter quase nenhum tempo detreinamento e um rápido aprendizado, e como desvantagem tem que são necessáriosgrandes conjuntos de treinamento, grandes espaços de memória e uma execução emmenor velocidade se comparada a outras redes. [19] 8
  9. 9. Universidade Presbiteriana Mackenzie* O teorema de Bayes consiste em um método para classificações ótimas, dado umaquantidade de dados, o teorema mostra como classificar um novo exemplo com a máximaprobabilidade, e mesmo com esse grande potencial ele é simples e intuitivo. [20]Backpropagation é um algoritmo supervisionado sendo que a rede produz sua própria saídacomparando com a saída desejada, se houver diferença os pesos são modificados.Esse modelo baseia-se na propagação dos erros da saída para os níveis anteriores da rede(retropropagação). Para isso acontecer, primeiramente tem que ser realizado o cálculo doerro para cada neurônio da camada de saída, então deve ser feito o cálculo da sensibilidadede cada variável de entrada e o da contribuição percentual de cada uma das variáveis deentrada com relação à variável de saída. [21]A aprendizagem tem duas fases, o treinamento da rede e a validação do treinamento, ondesão reconhecidos os padrões treinados. Essas fases podem ser divididas também em faseForward, onde a entrada é apresentada a primeira camada e vai passando para as outrascamadas, sendo que a saída é produzida pela ultima camada e a fase Backward, que apartir da camada final até a camada de entrada, em que a camada atual se ajusta comopeso para reduzir seus erros. É um algoritmo fácil de implementar e de simples utilização.Como na maioria, a camada de entrada aceita o padrão de entrada e redistribuí para acamada intermediária. A camada de saída recebe estímulos da camada intermediaria paradefinir o padrão de saída. [23]Esse método tem como vantagem a eliminação das variáveis de entrada desnecessárias e apossibilidade de estabelecer a importância de cada uma dessas entradas com relação auma variável de saída. Como desvantagem possui limitações como não ser possível gravaro estado dos pesos, quando o programa sai, ele esquece o treinamento, e todas asconexões serem criadas automaticamente para todos os neurônios da camada sucessiva. 9
  10. 10. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011 Diagrama 2 : Demonstração de uma rede Backpropagation.[27]Redes Feedforward são redes acíclicas propagando sinal somente da entrada para a saídada rede. Depois de pronta, são capazes de associar valores, colocados na sua entrada, àuma saída, podendo encontrar também respostas adequadas mesmo quando os dados daentrada estão incompletos ou danificados. O treinamento também é supervisionado, sendoque a regra mais utilizada é o Error Backpropagation (retropropagação de erros). Essa redeé representada por uma notação e-o1,-o2,-...,-on-s, onde ‘e’ é o numero de neurônios nascamadas de entrada, o1,o2 ..é o numero de neurônios em camadas ocultas e ‘s’ é o numerode neurônios na camada de saída. [25]As redes de função de Base Radial (RBFN) tem três camadas, a camada de entrada,padrão (ou escondida) e a camada de saída. Ela é completamente conectada e é uma redeFeedforward, com todas as conexões entre suas unidades de processamento previstas comseus pesos.A unidade de padrão individual computa sua ativação usando a função de base radial quecaracteriza a distância dos centros de funções de base radial, dado um vetor de entrada. Aativação é rapidamente diminuída com a distância dos centros da função. O uso da ativaçãodas bases radiais precisa da escolha cuidadosa do número de unidades padrões a serusada a uma especifica aplicação, especialmente quando uma boa generalização énecessária. 10
  11. 11. Universidade Presbiteriana MackenzieO treinamento de um RBFN difere substancialmente do treinamento de umaBackpropagation. Ela consiste em dois estágios separados: durante o primeiro, osparâmetros das funções de bases radiais são fixados usando um treinamento nãosupervisionado, já no segundo estagio os pesos nas conexões entre as unidades padrões eas unidades de saída são determinados usando o treinamento supervisionado (como a redeBackpropagation), baseado na soma de erros quadrados dos valores de saída sobre ospares de vetores entrada – saída.Já rede neural de regressão generalizada também é uma rede ‘Feedforward’ consistindo emquatro camadas: a camada de entrada, a padrão, a de soma e a camada de saída.Ela pode aproximar qualquer mapeamento arbitrário entre vetores de entrada e saída.Enquanto os neurônios nas três primeiras camadas são completamente conectados, cadaneurônio de saída é conectado só a algumas unidades de processamento na camada desoma.A função das camadas de entrada e padrão é a mesma de uma Rede de Função de BaseRadial. A camada de soma tem dois tipos diferentes de unidades de processamento: asunidades de soma e as unidades de divisão única. O número de unidades de soma ésempre o mesmo número de unidades de saída da rede, sua função é essencialmente amesma função das unidades de saída da Rede de Função de Base Radial (RBFN - RadialBasis Funcional Network). As unidades de divisão, somente ponderam os pesos de ativaçãodas unidades padrões, sem usar qualquer função de ativação.As camadas de soma e de saída, juntas, realizam a normalização do vetor de saída. Isso fazcom que a Rede Neural de Regressão Generalizada (GRNN – Generalized RegressionNeural Network) seja muito menos sensível que a RBFN para a escolha adequada donumero de unidades padrões.O treinamento de uma GRNN é um pouco diferente do usado para a RBFN, ele écompletado após a apresentação de cada par de vetores entrada – saída, do conjunto detreinamento da camada de entrada. Ou seja, ambos os centros de RBFR de unidadespadrões e os pesos das conexões das unidades padrões e de processamento das camadasde soma, são atribuídos simultaneamente. O treinamento não é supervisionado, masemprega um agrupamento algoritmo especial que torna desnecessário definir o número deunidades padrões com antecedência. Em vez disso, o raio dos agrupamentos precisa serdefinido antes do treinamento começar.O próximo vetor de entrada é comparado com esse centro e é atribuído à mesma unidadepadrão se a distancia desse centro for menor que o raio pré-estabelecido. Da mesma 11
  12. 12. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011maneira todos os outros vetores de entrada são comparados um por um com todas asunidades padrões e toda a camada padrão é gradualmente construída.Durante esse treinamento os valores determinados dos elementos individuais dos vetoressão diretamente atribuídos aos pesos das conexões entre as unidades de entrada e asunidades padrões correspondentes.Simultaneamente com a construção da camada padrão, os valores dos pesos das conexõesentre os neurônios contidos nela e na camada de soma também são definidos, usandotreinamento supervisionado. O peso na conexão entre cada unidade padrão e cada unidadede soma individual é diretamente atribuído a valores idênticos aos do vetor de saída,correspondente no conjunto de treinamento do vetor de entrada, este que por sua vez formao centro da função de base radial de cada unidade padrão.[36] Diagrama 3: Demonstração de uma GRNN. [26]5. A Coleta dos DadosPara que fosse possível a realização da coleta dos dados, era preciso saber quais eram osparâmetros que tinham influencia sobre o sedimento e se esses estariam disponíveis paraestudo no site da CETESB. A partir disso foi feito o seguinte levantamento em trabalhos depesquisa já existentes: 12
  13. 13. Universidade Presbiteriana Mackenzie Freq. com queVariáveis Presentes nos Trabalhos Pesquisados Aparecem no site da Cetesb? apareceramNUTRIENTES DISSOLVIDOS 3METAIS PESADOS 2METALOIDES 1HIDROCARBONETOS AROMATICOS 1POLICICLICOSBIFELILAS POLICLORADAS 2PESTICIDAS ORGANOCLORADOS 2FOSFORO 5 SimNITRATO 2 SimTURBIDEZ 2 SimALUMINIO 1 SimARSENIO 2 SimCADMIO 4 SimCHUMBO 4 SimCOBRE 5 SimCROMO 4 SimFERRO 2 SimMANGANES 3 SimMERCURIO 1 SimNIQUEL 5 SimZINCO 5 SimGRANULOMETRIA 3 SimPH 5 SimUMIDADE 1 SimBARIO 2SELENIO 1COBALTO 2COLIFORMES FECAIS 3CARBONO TOTAL 2MOLIBDENIO 1ESTANHO 1ANTIMONIO 1SOLIDOS TOTAIS DISSOLVIDOS 1 SimDEMANDA QUIMICA DE OXIGENIO 1 SimDEMANDA BIOLOGICA DE OXIGENIO 1 SimOXIGENIO DISSOLVIDO 3 SimNITROGENIO ORGANICO TOTAL 2 SimSULFETO VOLATIZAVEL POR ACIDIFICACAO 3 Tabela 1: Tabela de levantamento de parâmetros utilizados em trabalhos de pesquisa já existentes. 13
  14. 14. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011A partir dessa tabela selecionei os parâmetros que tinham um número de freqüência alto, e aomesmo tempo possuíam dados no site da Cetesb.Os parâmetros selecionados foram: Cádmio,Chumbo, Cobre, Cromo, Níquel, Zinco, Fósforo e pH.Esses parâmetros estão descritos aseguir:CádmioO cádmio é um elemento escasso na crosta terrestre e é obtido da refinação de zinco eoutros metais, por não existir nenhum mineral de cádmio viável economicamente paraexploração.É um dos metais pesados mais tóxicos ao homem e aos animais, com toxicidade parecidacom a do mercúrio, sendo que sua toxidez pode ser inibida pela presença de outros metaiscomo ferro, cálcio, zinco e selênio. A acumulação do cádmio nas plantas acontece pelarelação zinco: cádmio, se ela é maior que 200:1, as culturas não alcançam níveis tóxicos deacumulação.Como é muito instável na forma orgânica, somente é encontrado na natureza na formainorgânica.O cádmio pode ser liberado para o ambiente por meio de queima de combustíveis fósseis. Amobilização do cádmio no sedimento depende de fatores ambientais como modificação dopH, salinidade e potencial redox. Ele é captado e retido por algumas plantas e animaisaquáticos, e se estiver em grande concentração é um composto tóxico. É um metal nãoessencial, podendo provocar aos homens disfunção renal, hipertensão, arteriosclerose,inibição do crescimento, câncer e doenças crônicas em idosos. E este uma vez absorvido, aquantidade eliminada é pequena.Ele não possui até o momento nenhuma propriedade que o torne essencial ou bom para osseres vivos. [15][18][27][28]ChumboO chumbo não é um metal muito abundante mas seus minérios se encontram em todacrosta terrestre.Uma característica típica do chumbo é se acumular na camada superficialdos sedimentos, devido a sua baixa mobilidade, baixa solubilidade e forte adsorção ao solo.Muitos paÍses já tem restringido o uso de chumbo devido a preocupação ambiental, e temsubstituído seu uso por outros materiais.Ele é depositado nos ambientes aquáticos por meioda atmosfera, da lixiviação do solo, de fontes naturais e antropogênicas. Em ambientescontaminados uma pequena parte do chumbo fica dissolvida na água, enquanto a maiorparte fica ligada ao sedimento. É um metal não essencial, e afeta os sistemashematopoiético, renal e nervoso central do homem. Nas plantas o chumbo pode inibir o 14
  15. 15. Universidade Presbiteriana Mackenziecrescimento celular se absorvidos em altas concentrações, sendo a contaminação dosedimento pelo chumbo irreversível, criando caráter acumulativo.O chumbo pode ser encontrado na água potável devido a corrosão dos tubos de chumbo,isso ocorre quando a água está ácida, ressaltando então um necessário controle do pH.[15][18][27][28]CobreO cobre está abundância na crosta terrestre, e em ambientes aquáticos o cobre ocorre tantona forma solúvel, particulada e coloidal e possui grande afinidade com partículas orgânicas.Ele é retido no solo através de mecanismos de absorção e troca, sendo sua concentraçãoem sedimentos normalmente elevada. Ele é essencial para toda biota, e foi proclamadocatalisador do século XX. Em pequenas concentrações pode ser limitante ou causarsintomas de deficiência, e se comporta de forma eco tóxica em concentrações elevadas.Sua concentração é em geral maior no animal do que na água, e menor do que nosedimento.As taxas de adsorção variam de acordo com o tipo do sedimento, pH, presença de cátionscompetidores e de ligantes e óxidos de Fe e Mn. A dessorção depende do pH e dasalinidade.Altas concentrações podem causar ao homem irritação e corrosão da mucosa, danoscapilares generalizados, problemas hepáticos e renais e irritação do sistema nervoso centralseguido de depressão.Ele pode ser altamente tóxico as plantas e animais aquáticos na forma iônica, mas se tornamenos tóxico se estiver presente na água na forma orgânica. [15][18][27][28]CromoApesar de ser raro nas águas naturais, é encontrado na forma de contaminantes em águassujeitas a despejos de curtumes, indústria de cromatos e de circulação de água derefrigeração. Ele pode ser encontrado na maioria dos sistemas biológicos mais isso não otorna favorável ao corpo humano.Na forma trivalente é essencial ao metabolismo humano, e sua carência causa doenças, ena forma hexavalente é tóxico e cancerígeno, por isso os limites máximos são estabelecidosa partir do hexavalente.A maior parte do cromo depositado na água deposita-se nos sedimentos, em fase aquosa,grandes quantidades de matéria orgânica podem reduzir o cromo hexavalente ao trivalente,que é absorvido por materiais argilosos e orgânicos. [15][18][28] 15
  16. 16. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011NíquelA emissão de níquel ao ambiente é feita através de: combustão de óleo diesel e gasolina,incineradores municipais, produção de aço, queima de carvão vegetal, produção de moldesde ferro, entre outros.É introduzido na hidrosfera por deposição natural ou antropogênica, erosão do solo erochas, lixo e descargas industriais. É depositado no sedimento por meio de precipitação,adsorção sobre argila, complexação e agregação a biota. As plantas aquáticas têmtendência a acumularem grande quantidade de níquel. Os efeitos da toxicidade nas plantasse manifestam através de listras longitudinais na folha e por uma completa ausência declorofila, devido a deficiência de ferro. O pH neutro reduz a toxicidade causada pela elevadaconcentração de níquel no solo.Com pH próximo a 5, o elemento é prontamente absorvidopelas plantas, já quando está acima de 6,8 a absorção do elemento reduz-se sensivelmente,assim como a presença de matéria orgânica.Não é considerado um metal essencial, e pode causar dermatites e afetar nervos cardíacose respiratórios. [15] [18] [27]ZincoO zinco é um metal essencial ao organismo humano, a animais e plantas. Apesar de ser ummetal essencial ao humano, e sua deficiência causar diversos problemas ao organismo dohomem, se exposto a altas concentrações pode ser tóxico.Na água ele é depositado nos sedimentos, e a eficiência da sua adsorção varia de acordocom a concentração de zinco no meio, pH, potencial redox, e concentrações complexosligantes. A maior parte do zinco entra no ambiente como resultado da mineração, purificaçãodo zinco, e queima de carvão e de lixo.Quando está no sedimento está principalmente associado aos óxidos de Fe e Mn.Suaconcentração diminui conforme aumento a salinidade.E alguns compostos de Zn são maissolúveis (ZnS e ZnHO2) do que outros de cobre (CuS e CuOH2), o que justifica a maiorconcentração de zinco nas frações lábeis. A presença de zinco causa a redução de cobre,alem de alguns distúrbios como dor muscular, anorexia, sangramento intestinal e anomaliascerebrais.A toxicidade do Zn aumenta a partir da sua associação com cádmio, e isso se deve acapacidade de se combinarem com macromoléculas difusoras presentes nas membranascelulares, o que causa bioacumulação ao longo da cadeia alimentar.Sua toxicidade variacom a dureza, oxigênio dissolvido e temperatura. 16
  17. 17. Universidade Presbiteriana MackenzieEle causa alterações fisiológicas morfológicas nos peixes, como um enfraquecimento geral,atingindo quase todos os órgãos e as brânquias, retardando o crescimento e maturidade.[15] [18] [27] [30]FósforoO fósforo aparece nas águas principalmente devido às descargas de esgoto sanitários e éum dos principais nutrientes para os processos biológicos, sendo exigido em grandesquantidades pelas células. Apesar de não ser considerado um contaminante, ele é oelemento que mais causa eutrofização dos ecossistemas aquáticos, e isso influencia aqualidade das águas.A eutrofização é o excesso de nutrientes em uma massa de água, provocando um grandeaumento de algas e devido a esse aumento da biomassa, leva a diminuição de oxigêniodissolvido, o que leva a morte e decomposição de muitos organismos, o que diminui aqualidade da água. Ela é responsável pelo envelhecimento precoce dos ecossistemaslacustres.As concentrações de fósforo podem variar de acordo com a variação de características daqualidade da água, como uma turbidez excessiva, que pode invalidar a produção de algas,mesmo se tiver altas concentrações de fósforo. E essa variação por não ser a mesmasempre, pode estimular muito o crescimento de plantas nocivas em uma região e não emuma outra.A maioria dos fosfatos é solúvel em água, e o fosfato inorgânico é a principal forma defósforo absorvido pelas plantas aquáticas, e ele é variável com o pH.[29] [31] [32] [33] [34][35]PHO pH é o potencial hidrogeniônico, e ele classifica uma solução com ácida ou alcalina,através de uma escala que varia de 0 a 14, de forma que decresce de 7 a 0, há um aumentona acidez, e crescendo de 7 a 14, há um aumento da basicidade. O valor de pH igual a 7serve somente para indicar a igualdade de íons H+ e OH-.Nas águas naturais ele varia normalmente de 5 a 9, e essa variação ajuda a saber oscompostos presentes nela, e de um modo geral, águas de pH baixos são corrosivas a certosmetais, enquanto águas de alto pH formam incrustações.Ele é importante no controle da partição dos metais, e é influenciado pela quantidade dematéria morta, porque para que ocorra uma decomposição, são produzidos ácidos,aumentando a acidez da água, ou seja, quanto maior a quantidade de matéria decomposta,menor é o pH. [35] 17
  18. 18. VII Jornada de Iniciação Científica - 20116. Criação do Modelo no MatLabForam coletados no site da CETESB os dados para que fosse possível um futurotreinamento e simulação da Rede Neural. Os dados coletados referem-se a todos osparâmetros descritos anteriormente, em três regiões distintas (Paraíba do Sul, Pardo eTurvo), em 5 anos diferentes (2004,2005,2006,2007 e 2008), com isso foi obtido cerca de900 dados de cada parâmetro.Entre esses dados existiam alguns específicos que se repetiam como valores: < 0,001 ou i <0,001, sendo (i) conformidade indefinida quanto ao limite da classe, devido à análiselaboratorial não ter atingido os limites legais. Para que esses dados não se tornasseminúteis, eles foram adaptados para seus valores inteiros, por exemplo, se o valor fosse: <0,001 ou i < 0,001 eles passariam a ser 0,001.Entre os parâmetros anteriormente definidos, para começar a elaboração da rede escolhi oFósforo, por suas características de forte influência no sedimento.O fósforo tem um limite máximo de 0,025 mg/L, sendo os valores bons classificados como 1e os ruins classificados como 2.A programação foi bem sucedida e hoje já podemos classificar a água em relação a esseparâmetro.7. ConclusãoCom esse trabalho, em parceria com o projeto de qualidade da água, foi possível perceberque as redes neurais são um tipo de sistema inteligente que é capaz de treinar e classificara qualidade da água, a partir da entrada de parâmetros presentes na mesma, e nos seussedimentos, retornando-nos uma saída correta em 100% das vezes.A partir desse projeto, teremos uma possibilidade de monitoramento completo da qualidadeda água, referente aos seus parâmetros individuais, melhorando e tornando mais eficazqualquer decisão a ser tomada em termos de necessidade de tratamento e uso desta.Um próximo passo essencial, para a continuidade e aperfeiçoamento deste sistema seria apossibilidade de classificação a partir da combinação desses parâmetros, o que envolveriauma análise biológica muito profunda de um especialista no assunto. 18
  19. 19. Universidade Presbiteriana Mackenzie8. Referências[1] Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br/Institucional/agua.asp> acessado em:13/10/2009 às 20h43min.[2] Disponível em: <http://www.feema.rj.gov.br/qualidade-agua.asp?cat=75> acessado em:20/09/2009 às 16h25min.[3] Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br/Agua/rios/indice_iva_iet.asp> acessado em:01/10/2009 às 20h35min.[4] Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br/Agua/rios/indice_iap_iqa.asp> acessadoem: 01/10/2009 às 21h19min.[5] FLORES, A.P. e SORRINI, E. (2001) – Monitoramento em tempo real da qualidade daágua dos mananciais da Região Metropolitana de São Paulo – RMSP – Disponível em:<http://www.cepis.ops-oms.org/bvsacg/e/cd-cagua/ref/text/40.pdf> acessado em: 13/10/2009às 11h04min.[6] FURLAN, Natalia (2007) – Qualidade da Água e do sedimento avaliada partir daconcentração de nutrientes totais – Disponível em:<http://fipai.org.br/Minerva%2006(01)%2011.pdf> acessado em: 13/10/2009 às 14h52min.[7] ROSOLEN et al. (2009) – Qualidade dos sedimentos no rio Uberabinha (Uberlândia, MG)e implicações ambientais - Disponível em:<http://ojs.c3sl.ufpr.br/ojs2/index.php/rbg/article/viewFile/11484/10328> acessado em:13/10/2009 às 14h19min.[8] FREITAS, A.L.P. e COSTA, H.G. (2003) – Uma análise multicritério para a classificaçãoda qualidade de serviços utilizando o método ELECTRE TRI – Disponível em:<http://www.abepro.org.br/biblioteca/ENEGEP2003_TR0207_0796.pdf> acessado em:18/10/2009 às 12h41min.[9] COSTA et al. (2002) – Avaliação de transportadoras de materiais perigosos utilizando ométodo Electre Tri – Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/gp/v11n2/a08v11n2.pdf> -Acessado em :18/10/2009 às 18h13min.[10] OLIVEIRA, Silvio Luiz. Tratado de metodologia científica: Projetos de Pesquisas, TGI,TCC, Monografias, Dissertações e Teses. 2. ed. São Paulo: Pioneira, 1999. 320p. 19
  20. 20. VII Jornada de Iniciação Científica - 2011[11] MAGINA, Flavio de Carvalho et al. (2007) - Rede de plataformas de coleta de dadospara monitoramento automático da qualidade da água do rio Paraíba do Sul – Disponívelem: <http://www.agro.unitau.br/serhidro/doc/pdfs/253-261.pdf> Acessado em:18/10/2009 às13h7min.[12] MOZETO, Antonio - Ecossistemas Aquáticos – Disponível em:<http://pt.scribd.com/doc/7232626/ECOSSISTEMAS-AQUATICOS> - Acessado em :07/03/2010 às 12H 32min.[13] BRAMORSKI, Julieta (2004) – Avaliação dos Sedimentos do Rio Tiête e Piracicaba nosseus compartimentos de entrada no reservatório de Barra Bonita, Sp – Disponível em:<www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/.../dissertacao.pdf> - Acessado em :07/03/2010 às 13h05min.[14] ARAUJO, Rosalina (2009) – Teste de Toxicidade como instrumento na avaliação dossedimentos de água do Estado de São Paulo. – Disponível em:<www.teses.usp.br/teses/disponiveis/41/41134/tde.../Rosalina.pdf> - Acessado em :07/03/2010 às 14h33min.[15] BOSTELMANN, Eleine (2006) - Avaliação da concentração de metais em amostras desedimentos do Reservatório Billings, Braço Rio Grande, São Paulo, Brasil – Disponível em:<http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85131/tde-22052007-165423/pt-br.php> -Acessado em: 07/03/2010 às 15h29min.[17] PEREIRA, Lívia - Estudo da qualidade da água e do sedimento do Ribeirão da Limeiraatravés de análises físicas, químicas e biológicas – Disponívelem:<http://www.usp.br/siicusp/Resumos/16Siicusp/5312.pdf> - Acessado em: 07/03/2010 às16h54min[18] PADIAL, Paula (2008) - Qualidade, heterogeneidade espacial e biodisponibilidade demetais no sedimento de um reservatório tropical urbano eutrofizado (ReservatórioGuarapiranga, SP) – Disponível em:<www.teses.usp.br/teses/disponiveis/41/41134/.../Paula_Padial.pdf> - Acessado em:07/03/2010 às 17h37min.[19] ALMEIDA, Manoel – Aplicação de técnicas de Redes Neurais Artificiais na previsão decurtíssimo prazo na visibilidade e teto para o aeroporto de Guarulhos – Disponível em:<http://www.coc.ufrj.br/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=2346 > –Acessado em:31/05/2010 às 15h12min[20] Algoritmos de aprendizado – Disponível em: http://www.ica.ele.puc-rio.br/Downloads/45/parte-18-PNN.pdf - Acessado em: 31/05/2010 às 15h44min. 20
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