Agricultura y alimentación
Campos, rebaños, estanques y cadenas de suministro, ejecutados hacia adelante para estimar si la oferta atenderá la demanda.
La gente modelaba la agricultura en papel mucho antes de las computadoras: planes de rotación, tablas de rendimiento y registros de cría se remontan a siglos atrás. Ahora los modelos digitales acoplan el tiempo atmosférico, la química del suelo, la propagación de enfermedades y los choques de mercado en una sola ejecución. Pueden pronosticar con antelación una cosecha, el crecimiento de un rebaño o una escasez. El mismo tipo de modelo sirve desde el momento del riego en un campo hasta la alerta temprana de hambruna en toda una región. También llega más allá de la puerta de la granja, hasta la fermentación, la cocción, el enfriado y el seguimiento de los alimentos.
Modelos de crecimiento y rendimiento de cultivos
Un campo de un solo cultivo reducido a reservas de superficie foliar, biomasa y grano, movido día a día por el clima, la fecha de siembra y el manejo.
Pregunta que responde: ¿Cuánto rendirá este campo, y cuándo conviene sembrarlo?
Deja fuera: Trata el campo como espacialmente uniforme, así que no se representa la variación dentro de él, como las zonas encharcadas o con poca siembra.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado una laptop, segundos por temporada de campoDesde: 1965 ya en 1965, los primeros modelos de crecimiento de cultivos de de Wit en los Países Bajos
Transporte de agua y nutrientes en el suelo
Agua que se infiltra por capas del suelo y nutrientes que se mueven, se fijan y se lixivian, seguidos celda por celda a lo largo del perfil.
Pregunta que responde: ¿Cuánta agua y cuánto fertilizante llegan a las raíces, y cuánto se lava?
Deja fuera: El suelo nunca está tan ordenadamente estratificado como supone la malla del modelo.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado un equipo de escritorio para una ejecución de perfil de toda una temporadaDesde: 1972 ya en 1972, los primeros modelos de balance hídrico del suelo para la investigación del riego
Propagación de plagas y enfermedades de las plantas
Insectos, hongos o bacterias que se propagan por un cultivo o una región, llevados por el viento, la lluvia, los animales o el comercio, frente a un clima que los ayuda o los frena.
Pregunta que responde: ¿Hasta dónde y con qué rapidez se extenderá un brote, y dónde conviene contenerlo?
Deja fuera: Supone que los brotes notificados son la extensión real, algo que rara vez ocurre.
Se ejecuta en: unos 1011 FLOPS aproximado un clúster universitario para una ejecución regional de varias temporadasDesde: 1980 ya en 1980, modelos por computadora de la propagación de la roya del trigo y del tizón de la patata
Programación del riego
Se sigue día a día la humedad del suelo y la demanda de agua de los cultivos para decidir cuándo y cuánto regar.
Pregunta que responde: ¿Cuándo necesita agua este campo, y cuánta?
Deja fuera: Supone que la bomba, el canal y el pronóstico del tiempo se comportan como deben.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado se ejecuta en una computadora de granja o en una aplicación del teléfonoDesde: 1975 ya en 1975, modelos de programación del riego por balance hídrico para explotaciones de regadío
Erosión del suelo y degradación de la tierra
Lluvia, escorrentía y labranza que arrancan el suelo de las laderas, seguidos como sedimento que baja por la pendiente y sale del campo.
Pregunta que responde: ¿Cuánto suelo superficial perderá este campo, y qué prácticas lo frenan?
Deja fuera: Calibrado sobre todo en tierras de cultivo templadas, así que se exporta mal a otros climas.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado un equipo de escritorio para una ejecución a escala de cuencaDesde: 1965 ya en 1965, la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo y sus descendientes informáticos
Simulación de la mejora de cultivos
Cruces virtuales entre variedades de plantas, ejecutados a lo largo de generaciones simuladas para predecir qué combinación de genes da la mejor variedad.
Pregunta que responde: ¿Qué cruce vale la pena hacer en el campo, entre millones de posibles?
Deja fuera: El efecto de un gen sobre el papel no siempre es lo que hace en un campo real.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado un clúster universitario que criba miles de cruces virtualesDesde: 1990 ya en 1990, la simulación genética usada en programas de mejora vegetal
Optimización de la agricultura de precisión
Un campo dividido en pequeñas parcelas, cada una con su propio suelo e historial de rendimiento, para calcular la mejor semilla, el mejor riego y la mejor dosis de fertilizante para cada una.
Pregunta que responde: ¿Cuántos insumos necesita este parche exacto, y no todo el campo?
Deja fuera: Necesita buenos datos de sensores, que la mayoría de las granjas aún no tienen en todas partes.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado una laptop de granja que procesa los mapas de sensores de un campoDesde: 1995 ya en 1995, modelos de mapeo del rendimiento y de aplicación de dosis variable
Conjuntos multimodelo de cultivos
Muchos modelos de cultivos se ejecutan con los mismos datos de tiempo y clima para que la dispersión muestre la incertidumbre de las proyecciones de rendimiento.
Pregunta que responde: ¿Qué tan incierta es una proyección de rendimiento con el clima futuro?
Deja fuera: Las plagas, los eventos extremos y los cambios de gestión se tratan de forma desigual.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado Decenas de modelos sobre mallas globalesDesde: 2013 The Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project, AgMIP (2013) fuente
Rotación del carbono orgánico del suelo
El carbono del suelo se mueve entre reservas que se descomponen a ritmos distintos según la temperatura, la humedad y los aportes de las plantas.
Pregunta que responde: ¿Gana o pierde carbono el suelo de un campo, y qué lo cambia?
Deja fuera: Los reservorios son conceptuales y no se pueden medir directamente.
Se ejecuta en: unos 105 FLOPS aproximado simulaciones mensuales de piscinas en una laptop.Desde: 1977 Jenkinson y Rayner, la renovación de la materia orgánica del suelo en algunos de los experimentos clásicos de Rothamsted. fuente
Modelos de contaminación de cuencas agrícolas
Se simulan la lluvia, los cultivos, el suelo y las prácticas agrícolas en una cuenca fluvial para dar la escorrentía de agua, sedimentos y nutrientes.
Pregunta que responde: ¿Cuántos nutrientes o sedimentos llegan al río con distintas prácticas agrícolas?
Deja fuera: La calibración necesita muchos datos y el manejo a nivel de campo es una conjetura.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado simulaciones diarias a escala de cuenca en una estación de trabajo.Desde: 1998 Arnold y sus colegas, modelado y evaluación hidrológica de grandes áreas, desarrollo del modelo. fuente
Conjuntos globales de modelos de cultivos en malla
Muchos modelos de cultivos se ejecutan sobre la malla mundial con los mismos escenarios climáticos, y su dispersión muestra la incertidumbre del rendimiento proyectado.
Pregunta que responde: ¿Cuánto cambiará el rendimiento mundial de los cultivos según los escenarios climáticos, y qué tan incierto es?
Deja fuera: Los modelos comparten procesos ausentes, como las plagas y el calor extremo.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado muchos modelos de cultivos ejecutados a escala global durante décadas en un clúster.Desde: 2013 Rosenzweig y sus colegas, los protocolos del Proyecto de Intercomparación y Mejora de Modelos Agrícolas. fuente
Modelos de explotaciones agrícolas basados en agentes sobre el uso del suelo y la adopción
Hogares agrícolas con su propia tierra, mano de obra y vecinos deciden qué cultivar y qué tecnología adoptar, con propagación espacial de las innovaciones.
Pregunta que responde: ¿Cómo responderán los agricultores a un precio, un subsidio o una tecnología?
Deja fuera: Las decisiones de los agricultores se modelan con reglas simplificadas.
Se ejecuta en: unos 108 FLOPS aproximado ejecuciones regionales basadas en agentes en una estación de trabajo.Desde: 2001 Berger, modelos espaciales basados en agentes aplicados a la agricultura para la difusión de tecnología y el uso de recursos. fuente
Modelos de gestión de la resistencia a los plaguicidas
Una población de plagas sometida a fumigación evoluciona resistencia, y se comparan estrategias como refugios, rotación y mezclas.
Pregunta que responde: ¿Qué estrategia de fumigación retrasa más la resistencia?
Deja fuera: Los costos de la resistencia y el movimiento de las plagas son inciertos.
Se ejecuta en: unos 106 FLOPS aproximado modelos de genética de poblaciones en una laptop.Desde: 1977 Comins, el manejo de la resistencia a los plaguicidas. fuente
Modelos agrovoltaicos de reparto de luz
Los paneles solares sobre los cultivos les proyectan una sombra móvil, así que la disposición, la luz que llega a las hojas y el crecimiento del cultivo se simulan junto con la electricidad producida.
Pregunta que responde: ¿Cuánto alimento y cuánta energía puede dar el mismo campo cuando ambos comparten la luz del sol?
Deja fuera: La respuesta de los cultivos a la sombra parcial se conoce solo en unas pocas especies, y los efectos del agua y de la temperatura bajo los paneles están simplificados.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado horas en una estación de trabajo por distribución y temporada.Desde: 2011 El modelo de razón equivalente de tierra de Dupraz y sus colegas para paneles fotovoltaicos combinados con cultivos alimentarios. fuente
Modelos de crecimiento de la arquitectura de las plantas
Una planta construida yema a yema a partir de reglas botánicas de ramificación y envejecimiento, que da la forma tridimensional de un árbol o de un cultivo mientras crece.
Pregunta que responde: ¿Cómo decide el hábito de ramificación de una planta la manera en que llena el espacio y capta la luz?
Deja fuera: Las reglas de crecimiento se ajustan a una especie y a un entorno, y la respuesta al viento, a los vecinos y al daño es limitada.
Se ejecuta en: unos 108 FLOPS aproximado de segundos a minutos por planta.Desde: 1988 Los modelos de plantas de de Reffye y sus colegas, fieles a la estructura y al desarrollo botánicos. fuente
Modelos de fenología de plagas por grados-día
El calor acumulado cada día por encima de un umbral determina cuándo emergen los insectos, se reproducen y llegan a una fase en que dañan un cultivo, así que se pueden programar las fumigaciones.
Pregunta que responde: ¿En qué día llegará la plaga a la fase en que el control funciona?
Deja fuera: Los insectos responden a la temperatura según una curva, no una recta, y el microclima de la planta difiere del de la estación meteorológica.
Se ejecuta en: unos 104 FLOPS aproximado trivial en una laptop; se ejecuta a diario para muchos sitios.Desde: 1976 El método de onda sinusoidal modificada de Allen para calcular los grados-día de los insectos. fuente
Modelos de liberación de insectos estériles
Machos estériles criados en masa y liberados en una población silvestre se aparean con hembras que luego no tienen descendencia, y se siguen las cifras mientras caen.
Pregunta que responde: ¿Cuántos insectos estériles hay que liberar, y durante cuánto tiempo, para acabar con una plaga?
Deja fuera: Las hembras salvajes pueden rechazar a los machos estériles, y los insectos que llegan de fuera pueden deshacer la liberación.
Se ejecuta en: unos 105 FLOPS aproximado de segundos a minutos en una laptop.Desde: 1955 El análisis de Knipling sobre el control o la erradicación de insectos con machos estériles. fuente
Modelos de agentes del cambio de uso del suelo
Propietarios de tierras y agricultores, cada uno con sus propios objetivos e información, deciden qué hacer con cada parcela, y la cobertura del suelo resultante se cartografía a lo largo de décadas.
Pregunta que responde: ¿Cómo cambiará la cobertura del suelo con una política, una carretera o un cambio en el precio de un cultivo?
Deja fuera: Las reglas de decisión humanas son difíciles de medir, así que a menudo se adivinan, y los modelos se ajustan al pasado sin evidencia de que este continúe.
Se ejecuta en: unos 108 FLOPS aproximado horas en una estación de trabajo.Desde: 2003 La revisión de sistemas multiagente para simular el cambio de uso y de cobertura del suelo, de Parker y sus colegas. fuente
Modelos climáticos de invernaderos
Balances de calor, humedad y dióxido de carbono de un invernadero, con sol, ventilas, calefacción y la propia transpiración del cultivo, para diseñar y controlar el clima interior.
Pregunta que responde: ¿Cómo conviene manejar las ventilas y la calefacción para mantener un cultivo tibio y seco al menor costo?
Deja fuera: El aire se trata como bien mezclado, aunque los invernaderos reales tienen gradientes, y la retroalimentación del cultivo está simplificada.
Se ejecuta en: unos 107 FLOPS aproximado segundos por día simulado, así que una temporada se ejecuta en minutos.Desde: 1985 El modelo sencillo de clima de invernadero de Garzoli (Acta Horticulturae). fuente
Modelos de rebaños y alimentación del ganado
El crecimiento de un rebaño, su producción de leche o carne, seguido según la ingesta de alimento, la raza y el manejo, animal por animal o como grupo entero.
Pregunta que responde: ¿Cuánto producirá este rebaño, y cuánto alimento necesita para llegar ahí?
Deja fuera: Los modelos basados en el alimento no captan la variación individual diaria en la salud y la condición de los animales.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado se ejecuta en una computadora de granja por rebañoDesde: 1970 ya en 1970, los primeros modelos de producción de carne y lácteos
Pastoreo y manejo de pastos
Crecimiento y rebrote de la hierba bajo la presión del pastoreo, el clima y la fertilidad del suelo, usado para planificar cuántos animales puede sostener un pasto.
Pregunta que responde: ¿Cuántos animales puede sostener este pasto sin agotarse?
Deja fuera: La respuesta de los pastos a una sequía temprana o inusualmente grave se aparta de la curva de crecimiento modelada.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop por pastizal y por temporadaDesde: 1973 ya en 1973, modelos de crecimiento de pastos para sistemas de pastoreo
Acuicultura y piscicultura
Peces o mariscos criados en estanques, jaulas o tanques, seguidos según el alimento, el oxígeno, la temperatura y la densidad de cría.
Pregunta que responde: ¿Cuántos animales hay que introducir, y cuándo hay que retirarlos para cosecharlos, para obtener el mejor rendimiento?
Deja fuera: Los brotes de enfermedades en un estanque real rara vez coinciden con el aviso que da el modelo.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop por ciclo de granjaDesde: 1985 ya en 1985, modelos de crecimiento bioenergético para peces de cultivo
Modelos de brotes de enfermedades del ganado
Una enfermedad de animales de granja que se propaga entre explotaciones por el transporte de animales, los vehículos y el viento, usada para planificar sacrificios, prohibiciones de movimiento y anillos de vacunación.
Pregunta que responde: ¿Hasta dónde llegará este brote, y qué medida de control lo detiene más rápido?
Deja fuera: Los agricultores no siempre notifican los síntomas tan rápido como supone el modelo.
Se ejecuta en: unos 1011 FLOPS aproximado un clúster universitario para una ejecución de brote nacionalDesde: 2001 los modelos de la epidemia de fiebre aftosa de 2001 en el Reino Unido
Cría y genética del ganado
Apareamientos virtuales entre animales, ejecutados a lo largo de generaciones para predecir la producción de leche, la tasa de crecimiento o la resistencia a enfermedades en la descendencia.
Pregunta que responde: ¿Qué macho o hembra debe criarse a continuación, de toda una población reproductora?
Deja fuera: Supone que el pedigrí registrado es exacto, aunque en la práctica se dan errores en los registros y atribuciones erróneas de parentesco.
Se ejecuta en: unos 1011 FLOPS aproximado un clúster que puntúa a una población nacional de críaDesde: 1990 ya en 1990, la evaluación genética del ganado lechero basada en BLUP
Monitoreo de precisión del ganado
Animales individuales seguidos con sensores en su movimiento, su alimentación y su temperatura, y comparados con una referencia sana simulada para detectar problemas pronto.
Pregunta que responde: ¿Qué animal, entre miles, necesita atención hoy?
Deja fuera: Un fallo del sensor se ve exactamente como un animal enfermo para el modelo.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado un servidor de granja que procesa los datos de los sensores de un establoDesde: 2005 ya en 2005, sistemas de monitoreo de ganado lechero guiados por sensores
Bioenergética de estanques de acuicultura
Cada pez de un estanque tiene energía procedente del alimento y del oxígeno convertida en crecimiento, y se siguen también el oxígeno y los desechos del agua.
Pregunta que responde: ¿Cuántos peces, alimentados con cuánto, crecen más rápido antes de que el agua del estanque se eche a perder?
Deja fuera: Las enfermedades, el comportamiento y las perturbaciones del clima se dejan en su mayor parte fuera, así que el modelo se ajusta mejor a condiciones estables.
Se ejecuta en: unos 108 FLOPS aproximado minutos en una laptop.Desde: 1985 El modelo de bioenergética y crecimiento individual de peces para estanques de acuicultura de Cuenco y sus colegas. fuente
Simulación de la cadena de suministro de alimentos
Cereales, productos frescos y alimentos procesados que van de la granja al almacén y a la tienda, seguidos frente al transporte, las pérdidas de almacenamiento y los choques de demanda.
Pregunta que responde: ¿Dónde se rompe primero el sistema alimentario ante una escasez o una sacudida?
Deja fuera: Las cadenas de suministro reales ocultan comercio informal que el modelo nunca ve.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado un clúster que se ejecuta para una red nacional o regionalDesde: 1985 ya en 1985, la simulación logística aplicada a la distribución de alimentos
Modelos de alerta temprana de hambrunas
Lluvia, cosechas, precios y conflicto combinados para señalar qué regiones van hacia la escasez de alimentos meses antes de que llegue.
Pregunta que responde: ¿Qué regiones se quedarán sin alimentos, y cuándo?
Deja fuera: Depende de datos de los lugares menos capaces de aportarlos.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado un clúster que puntúa muchas regiones cada mesDesde: 1985 ya en 1985, los sistemas de alerta temprana de hambruna dirigidos por gobiernos en el Sahel
Modelado de procesos de fermentación
Levadura, bacterias o moho que crecen dentro de una cuba de masa, mosto o macerado, seguidos mientras consumen azúcares y producen alcohol, ácido o gas.
Pregunta que responde: ¿Cuánto debe fermentar esto, y a qué temperatura, para obtener el resultado deseado?
Deja fuera: Las fermentaciones silvestres incorporan microbios de los que nunca se informó al modelo.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop por proceso por lotesDesde: 1975 ya en 1975, modelos cinéticos de la fermentación en la elaboración de cerveza y de pan
Horneado y procesamiento térmico de alimentos
Calor que penetra en la masa, las latas o los alimentos envasados, seguido para predecir la cocción, el dorado y la seguridad con que se eliminan los microbios.
Pregunta que responde: ¿Está cocido por dentro el centro de este producto, y es seguro comerlo?
Deja fuera: Los hornos del mundo real nunca son tan uniformes como el campo de calor del modelo.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop por diseño de productoDesde: 1970 ya en 1970, modelos de transferencia de calor para el enlatado y el horneado
Modelado de la cadena de frío y del deterioro
La deriva de temperatura en camiones, almacenes y refrigeradores de tiendas se sigue frente al crecimiento microbiano para predecir cuánta vida útil se pierde.
Pregunta que responde: ¿Cuánto de este cargamento se echará a perder antes de llegar al estante?
Deja fuera: Las variaciones breves e intensas de temperatura, como una puerta abierta diez minutos, causan más daño del que sugieren los promedios del modelo.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop que sigue el registro de temperatura de un envíoDesde: 1990 ya en 1990, modelos de predicción de la vida útil para la logística de alimentos refrigerados
Simulación de inocuidad y trazabilidad de alimentos
Una contaminación introducida en un punto del sistema alimentario, seguida hacia delante a través de la mezcla, el procesamiento y la distribución para ver quién acaba expuesto.
Pregunta que responde: Si la contaminación empieza aquí, ¿hasta dónde se extiende antes de que la retirada de productos la alcance?
Deja fuera: Los rastros de papel de la cadena de suministro real tienen más huecos de lo que supone el modelo.
Se ejecuta en: unos 109 FLOPS aproximado una ejecución en una laptop por escenario de contaminaciónDesde: 1995 ya en 1995, simulación de trazabilidad tras grandes brotes de contaminación
Microbiología predictiva de alimentos
El crecimiento y la muerte de bacterias en los alimentos se modelan según la temperatura, la acidez y la actividad del agua para estimar la vida útil y la seguridad.
Pregunta que responde: ¿Con qué rapidez crecerá un patógeno en este alimento a esta temperatura?
Deja fuera: La comida es más variada que un caldo de laboratorio.
Se ejecuta en: unos 105 FLOPS aproximado ajuste de curvas de crecimiento en una laptop.Desde: 1994 Baranyi y Roberts, un enfoque dinámico para predecir el crecimiento bacteriano en los alimentos. fuente
Evaluación cuantitativa del riesgo microbiano
La contaminación, la cocción, el almacenamiento y el consumo se encadenan como distribuciones de probabilidad para estimar el riesgo de enfermar por un alimento.
Pregunta que responde: ¿Qué probabilidad tiene una persona de enfermar por este alimento, y qué paso importa más?
Deja fuera: La relación dosis-respuesta se conoce mal para los patógenos raros.
Se ejecuta en: unos 108 FLOPS aproximado Monte Carlo sobre una cadena de la granja a la mesa en una laptop.Desde: 1998 Cassin y sus colegas, evaluación cuantitativa del riesgo de E. coli O157:H7 en hamburguesas de carne molida. fuente
Simulación de la digestión y del flujo gástrico
El movimiento de la pared del estómago impulsa la mezcla y la descomposición de los alimentos, y se calculan el flujo y el ácido para relacionar la estructura del alimento con la liberación de nutrientes.
Pregunta que responde: ¿Con qué rapidez se descompone y se absorbe un alimento en el estómago?
Deja fuera: El movimiento de la pared del estómago y la reología de los alimentos están simplificados.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado simulación de flujo con pared móvil en un clúster.Desde: 2010 Kozu y sus colegas, análisis de los fenómenos de flujo en el contenido gástrico inducidos por el peristaltismo del estómago humano. fuente