Agricultura e alimentos
Campos, rebanhos, lagoas e cadeias de suprimento, rodados adiante para estimar se a oferta atenderá a demanda.
As pessoas modelavam a agricultura no papel muito antes dos computadores: planos de rotação, tabelas de produtividade e registros de criação remontam a séculos. Hoje os modelos digitais acoplam clima, química do solo, propagação de doenças e choques de mercado em uma única execução. Eles conseguem prever com antecedência uma colheita, o crescimento de um rebanho ou uma escassez. O mesmo tipo de modelo serve do momento da irrigação em um campo ao alerta precoce de fome em uma região inteira. Também vai além da porteira, para a fermentação, o cozimento, o resfriamento e o rastreamento dos alimentos.
Modelos de crescimento e produtividade de culturas
Uma lavoura de uma única cultura reduzida a reservatórios de área foliar, biomassa e grãos, movida dia a dia pelo clima, pela data de plantio e pelo manejo.
Pergunta que responde: Quanto este campo vai render, e quando deve ser plantado?
Deixa de fora: Trata o campo como espacialmente uniforme, então a variação dentro dele, como trechos encharcados ou semeados de menos, não é representada.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um laptop, segundos por temporada de campoDesde: 1965 já em 1965, os primeiros modelos de crescimento de culturas de de Wit, nos Países Baixos
Transporte de água e nutrientes no solo
Água se infiltrando por camadas do solo e nutrientes se movendo, se ligando e sendo lixiviados, acompanhados célula a célula ao longo do perfil.
Pergunta que responde: Quanta água e quanto fertilizante chegam às raízes, e quanto é levado embora?
Deixa de fora: O solo nunca é tão bem estratificado quanto a grade do modelo supõe.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um computador desktop para uma simulação de perfil de uma temporada inteiraDesde: 1972 já em 1972, os primeiros modelos de balanço hídrico do solo para pesquisa em irrigação
Disseminação de pragas e doenças de plantas
Insetos, fungos ou bactérias se espalhando por uma lavoura ou região, levados pelo vento, pela chuva, por animais ou pelo comércio, contra um clima que ajuda ou atrapalha.
Pergunta que responde: Até onde e com que rapidez um surto vai se espalhar, e onde ele deve ser contido?
Deixa de fora: Pressupõe que os surtos notificados são a extensão real, o que raramente ocorre.
Roda em: cerca de 1011 FLOPS aproximado um cluster universitário para uma simulação regional de várias temporadasDesde: 1980 já em 1980, modelos computacionais da propagação da ferrugem do trigo e da requeima da batata
Programação de irrigação
Umidade do solo e demanda hídrica das culturas acompanhadas dia a dia para decidir quando e quanto irrigar.
Pergunta que responde: Quando este campo precisa de água, e quanta?
Deixa de fora: Pressupõe que a bomba, o canal e a previsão do tempo se comportem.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado roda em um computador de fazenda ou em um aplicativo de celularDesde: 1975 já em 1975, modelos de programação por balanço hídrico para fazendas irrigadas
Erosão do solo e degradação da terra
Chuva, escoamento e preparo do solo arrancando terra das encostas, acompanhados como sedimento que desce o morro e sai do campo.
Pergunta que responde: Quanto solo superficial este campo vai perder, e quais práticas o retardam?
Deixa de fora: Calibrado sobretudo em terras agrícolas temperadas, por isso viaja mal para outros climas.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um computador desktop para uma simulação em escala de bacia hidrográficaDesde: 1965 já em 1965, a Equação Universal de Perda de Solo e seus descendentes computacionais
Simulação de melhoramento de culturas
Cruzamentos virtuais entre variedades de plantas, executados por gerações simuladas para prever qual combinação de genes dá a melhor variedade.
Pergunta que responde: Qual cruzamento vale a pena fazer no campo, entre milhões de possíveis?
Deixa de fora: O efeito de um gene no papel nem sempre é o que ele faz em um pasto de verdade.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um cluster universitário avaliando milhares de cruzamentos virtuaisDesde: 1990 já em 1990, simulação genética usada em programas de melhoramento de plantas
Otimização da agricultura de precisão
Um campo dividido em pequenos talhões, cada um com seu próprio solo e histórico de produtividade, para definir a melhor semente, a melhor água e a melhor dose de fertilizante para cada um.
Pergunta que responde: De quanto insumo precisa este trecho exato, e não o campo inteiro?
Deixa de fora: Exige bons dados de sensores, que a maioria das fazendas ainda não tem em toda parte.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um laptop de fazenda processando os mapas de sensores de um talhãoDesde: 1995 já em 1995, mapeamento de produtividade e modelos de aplicação em taxa variável
Conjuntos de modelos de culturas com vários modelos
Muitos modelos de culturas rodam com as mesmas entradas de tempo e clima, de modo que a dispersão mostra a incerteza das projeções de produtividade.
Pergunta que responde: Qual a incerteza de uma projeção de produtividade sob o clima futuro?
Deixa de fora: Pragas, eventos extremos e mudanças de manejo são tratados de forma irregular.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado Dezenas de modelos sobre grades globaisDesde: 2013 The Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project, AgMIP (2013) fonte
Renovação do carbono orgânico do solo
O carbono no solo se move entre reservatórios que se decompõem em ritmos diferentes sob temperatura, umidade e aporte das plantas.
Pergunta que responde: Um campo está ganhando ou perdendo carbono do solo, e o que muda isso?
Deixa de fora: Os reservatórios são conceituais e não podem ser medidos diretamente.
Roda em: cerca de 105 FLOPS aproximado simulações mensais de bacias em um laptop.Desde: 1977 Jenkinson e Rayner, a renovação da matéria orgânica do solo em alguns dos experimentos clássicos de Rothamsted. fonte
Modelos de poluição em bacias agrícolas
Chuva, culturas, solo e práticas agrícolas em uma bacia hidrográfica são simulados para dar o escoamento de água, sedimentos e nutrientes.
Pergunta que responde: Quanto nutriente ou sedimento chega ao rio sob diferentes práticas agrícolas?
Deixa de fora: A calibração exige muitos dados e o manejo no nível da lavoura é adivinhado.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado simulações diárias em escala de bacia em uma estação de trabalho.Desde: 1998 Arnold and colleagues, large area hydrologic modelling and assessment, model development. fonte
Conjuntos globais de modelos de culturas em grade
Muitos modelos de culturas rodam na grade mundial sob os mesmos cenários climáticos, e sua dispersão mostra a incerteza da produtividade projetada.
Pergunta que responde: Quanto vai mudar a produtividade mundial das lavouras em cenários climáticos, e qual a incerteza disso?
Deixa de fora: Os modelos compartilham processos ausentes, como pragas e calor extremo.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado muitos modelos de culturas rodados no mundo todo por décadas em um cluster.Desde: 2013 Rosenzweig e colegas, os protocolos do Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project. fonte
Modelos baseados em agentes de propriedades agrícolas para uso da terra e adoção
Famílias agricultoras com sua própria terra, mão de obra e vizinhos decidem o que plantar e que tecnologia adotar, com difusão espacial de inovações.
Pergunta que responde: Como os agricultores vão responder a um preço, a um subsídio ou a uma tecnologia?
Deixa de fora: As decisões dos agricultores são modeladas por regras simplificadas.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado execuções regionais baseadas em agentes em uma estação de trabalho.Desde: 2001 Berger, agent-based spatial models applied to agriculture for technology diffusion and resource use. fonte
Modelos de manejo da resistência a pesticidas
Uma população de pragas sob pulverização evolui resistência, e estratégias como refúgios, rotação e misturas são comparadas.
Pergunta que responde: Que estratégia de pulverização atrasa mais a resistência?
Deixa de fora: Os custos da resistência e o movimento das pragas são incertos.
Roda em: cerca de 106 FLOPS aproximado modelos de genética de populações em um laptop.Desde: 1977 Comins, the management of pesticide resistance. fonte
Modelos de compartilhamento de luz agrovoltaicos
Painéis solares acima das lavouras projetam sobre elas uma sombra móvel, então o arranjo, a luz que chega às folhas e o crescimento das plantas são simulados junto com a eletricidade produzida.
Pergunta que responde: Quanto alimento e quanta energia o mesmo campo pode dar quando os dois dividem a luz do sol?
Deixa de fora: A resposta das culturas à sombra parcial é conhecida só para poucas espécies, e os efeitos de água e temperatura sob os painéis são simplificados.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado horas em uma estação de trabalho por layout e estação do ano.Desde: 2011 O modelo de razão de equivalência de terra de painéis fotovoltaicos combinados com culturas alimentares, de Dupraz e colegas. fonte
Modelos de crescimento da arquitetura de plantas
Uma planta construída broto a broto a partir de regras botânicas de ramificação e envelhecimento, dando a forma tridimensional de uma árvore ou lavoura enquanto cresce.
Pergunta que responde: Como o hábito de ramificação de uma planta decide de que modo ela ocupa o espaço e capta a luz?
Deixa de fora: As regras de crescimento são ajustadas a uma espécie e a um ambiente, e a resposta ao vento, aos vizinhos e aos danos é limitada.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado de segundos a minutos por planta.Desde: 1988 Os modelos de plantas de de Reffye e colegas, fiéis à estrutura e ao desenvolvimento botânicos. fonte
Modelos fenológicos de pragas por graus-dia
O calor acumulado a cada dia acima de um limiar define quando os insetos emergem, se reproduzem e chegam a uma fase em que prejudicam a lavoura, para que as pulverizações possam ser programadas.
Pergunta que responde: Em que dia a praga chegará à fase em que o controle funciona?
Deixa de fora: Os insetos respondem à temperatura em uma curva, não em linha reta, e o microclima na planta difere do da estação meteorológica.
Roda em: cerca de 104 FLOPS aproximado trivial num laptop; executado diariamente para muitos locais.Desde: 1976 O método da onda senoidal modificada de Allen para calcular graus-dia de insetos. fonte
Modelos de liberação de insetos estéreis
Machos estéreis criados em massa e soltos em uma população selvagem acasalam com fêmeas que então não geram descendentes, e os números são acompanhados enquanto caem.
Pergunta que responde: Quantos insetos estéreis precisam ser soltos, e por quanto tempo, para eliminar uma praga?
Deixa de fora: Fêmeas selvagens podem recusar os machos estéreis, e insetos vindos de fora podem desfazer a liberação.
Roda em: cerca de 105 FLOPS aproximado de segundos a minutos em um laptop.Desde: 1955 A análise de Knipling sobre o controle ou a erradicação de insetos com machos sexualmente estéreis. fonte
Modelos de agentes para mudança no uso da terra
Proprietários de terras e agricultores, cada um com seus próprios objetivos e informações, decidem o que fazer com cada parcela, e a cobertura do solo resultante é mapeada ao longo de décadas.
Pergunta que responde: Como a cobertura do solo vai mudar sob uma política, uma estrada ou uma variação no preço de uma cultura?
Deixa de fora: As regras de decisão humanas são difíceis de medir, então muitas vezes são chutadas, e os modelos são ajustados ao passado sem evidência de que ele continue valendo.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado horas em uma estação de trabalho.Desde: 2003 A revisão de sistemas multiagentes para simular mudanças no uso e na cobertura da terra, de Parker e colegas. fonte
Modelos climáticos de estufas
Balanços de calor, umidade e dióxido de carbono de uma estufa, com sol, aberturas, aquecimento e a própria transpiração da cultura, para projetar e controlar o clima interno.
Pergunta que responde: Como devem ser operadas as aberturas e o aquecimento para manter uma cultura aquecida e seca com o menor custo?
Deixa de fora: O ar é tratado como bem misturado, embora estufas reais tenham gradientes, e a realimentação das plantas é simplificada.
Roda em: cerca de 107 FLOPS aproximado segundos por dia simulado, então uma estação inteira roda em minutos.Desde: 1985 O modelo simples de clima de estufa de Garzoli (Acta Horticulturae). fonte
Modelos de rebanho e ração
O crescimento de um rebanho e a produção de leite ou carne acompanhados em relação à ingestão de ração, à raça e ao manejo, animal por animal ou no grupo todo.
Pergunta que responde: Quanto este rebanho vai produzir, e de quanta ração precisa para chegar lá?
Deixa de fora: A variação individual dia a dia na saúde e na condição dos animais não é captada por modelos baseados em ração.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado roda em um computador de fazenda por rebanhoDesde: 1970 já em 1970, os primeiros modelos de produção de carne e leite bovinos
Pastejo e manejo de pastagens
Crescimento e rebrota do capim sob pressão de pastejo, clima e fertilidade do solo, usados para planejar quantos animais um pasto comporta.
Pergunta que responde: Quantos animais este pasto sustenta sem se esgotar?
Deixa de fora: A resposta da pastagem a uma seca precoce ou incomumente severa foge da curva de crescimento modelada.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop por pasto por temporadaDesde: 1973 já em 1973, modelos de crescimento de pastagem para sistemas de pastejo
Aquicultura e piscicultura
Peixes ou mariscos criados em tanques, gaiolas ou viveiros, acompanhados quanto a ração, oxigênio, temperatura e densidade de criação.
Pergunta que responde: Quanto estoque deve entrar, e quando deve sair, para o melhor rendimento?
Deixa de fora: Surtos de doenças em um tanque real raramente coincidem com o aviso que o modelo dá.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop por ciclo de fazendaDesde: 1985 já em 1985, modelos de crescimento bioenergético para peixes de cultivo
Modelos de surtos de doenças em rebanhos
Uma doença de animais de criação se espalhando entre fazendas por transporte de animais, veículos e vento, usada para planejar abates, proibições de circulação e cercos de vacinação.
Pergunta que responde: Até onde este surto vai se espalhar, e qual medida de controle o detém mais depressa?
Deixa de fora: Os agricultores nem sempre informam os sintomas tão rápido quanto o modelo supõe.
Roda em: cerca de 1011 FLOPS aproximado um cluster universitário para uma simulação de surto nacionalDesde: 2001 os modelos da epidemia de febre aftosa de 2001 no Reino Unido
Melhoramento genético de rebanhos
Acasalamentos virtuais entre animais, executados por gerações para prever a produção de leite, a taxa de crescimento ou a resistência a doenças na prole.
Pergunta que responde: Qual reprodutor ou matriz cruzar a seguir, entre toda uma população de criação?
Deixa de fora: Pressupõe que o pedigree registrado é exato, embora erros de registro e filiações atribuídas errado ocorram na prática.
Roda em: cerca de 1011 FLOPS aproximado um cluster rodado para pontuar uma população nacional de reprodutoresDesde: 1990 já em 1990, avaliação genética de gado leiteiro baseada em BLUP
Monitoramento de precisão da pecuária
Animais individuais monitorados por sensores quanto a movimento, alimentação e temperatura, comparados com uma linha de base saudável simulada para sinalizar problemas cedo.
Pergunta que responde: Qual animal individual, entre milhares, precisa de atenção hoje?
Deixa de fora: Uma falha de sensor parece, para o modelo, exatamente um animal doente.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um servidor de fazenda processando o fluxo de sensores de um galpãoDesde: 2005 já em 2005, sistemas de monitoramento de gado leiteiro baseados em sensores
Bioenergética de tanques de aquicultura
Cada peixe em um tanque tem energia vinda da ração e do oxigênio convertida em crescimento, e o oxigênio e os resíduos da água são acompanhados junto.
Pergunta que responde: Quantos peixes, alimentados com quanto, crescem mais depressa antes que a água do tanque se deteriore?
Deixa de fora: Choques de doença, comportamento e clima ficam em grande parte de fora, então o modelo serve melhor para condições estáveis.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado minutos em um laptop.Desde: 1985 O modelo bioenergético e de crescimento de peixes individuais para tanques de aquicultura, de Cuenco e colegas. fonte
Simulação da cadeia de suprimento de alimentos
Grãos, produtos agrícolas e alimentos processados indo da fazenda ao armazém e à loja, acompanhados em relação ao transporte, às perdas no armazenamento e aos choques de demanda.
Pergunta que responde: Onde o sistema alimentar quebra primeiro diante de uma escassez ou de um choque?
Deixa de fora: As cadeias de suprimentos reais escondem um comércio informal que o modelo nunca vê.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um cluster rodado para uma rede nacional ou regionalDesde: 1985 já em 1985, simulação logística aplicada à distribuição de alimentos
Modelos de alerta precoce de fome
Chuva, colheitas, preços e conflitos combinados para sinalizar quais regiões caminham para a escassez de alimentos meses antes de ela chegar.
Pergunta que responde: Que regiões vão ficar sem comida, e quando?
Deixa de fora: Depende de dados dos lugares menos capazes de informá-los.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado um cluster rodado para pontuar muitas regiões todo mêsDesde: 1985 já em 1985, sistemas de alerta precoce de fome liderados por governos no Sahel
Modelagem de processos de fermentação
Leveduras, bactérias ou mofo crescendo dentro de uma tina de massa, mosto de uva ou mosto de cevada, acompanhados enquanto consomem açúcares e produzem álcool, ácido ou gás.
Pergunta que responde: Quanto tempo isto deve fermentar, e a que temperatura, para o resultado desejado?
Deixa de fora: Fermentações selvagens trazem micróbios dos quais o modelo nunca foi informado.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop por processo em loteDesde: 1975 já em 1975, modelos cinéticos de fermentação na cervejaria e na panificação
Panificação e processamento térmico de alimentos
Calor entrando em massas, latas ou alimentos embalados, acompanhado para prever o cozimento, o douramento e a segurança com que os micróbios são eliminados.
Pergunta que responde: O centro deste produto está cozido por completo, e ele é seguro para comer?
Deixa de fora: Os fornos do mundo real nunca são tão uniformes quanto o campo de calor do modelo.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop por projeto de produtoDesde: 1970 já em 1970, modelos de transferência de calor para enlatamento e panificação
Modelagem da cadeia de frio e da deterioração
A deriva de temperatura em caminhões, armazéns e geladeiras de lojas acompanhada contra o crescimento microbiano para prever quanto da vida útil se perde.
Pergunta que responde: Quanto desta carga vai estragar antes de chegar à prateleira?
Deixa de fora: Variações breves e intensas de temperatura, como uma porta deixada aberta por dez minutos, causam mais dano do que as médias do modelo sugerem.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop acompanhando o registro de temperatura de uma remessaDesde: 1990 já em 1990, modelos de previsão de vida útil para a logística de alimentos refrigerados
Simulação de segurança e rastreabilidade de alimentos
Contaminação introduzida em um ponto do sistema alimentar, acompanhada adiante por mistura, processamento e distribuição para ver quem acaba exposto.
Pergunta que responde: Se a contaminação começa aqui, até onde ela se espalha antes que o recolhimento a alcance?
Deixa de fora: Os rastros em papel na cadeia de suprimentos real têm mais lacunas do que o modelo supõe.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado uma execução em laptop por cenário de contaminaçãoDesde: 1995 já em 1995, simulação de rastreabilidade após grandes surtos de contaminação
Microbiologia preditiva de alimentos
O crescimento e a morte de bactérias nos alimentos são modelados em função da temperatura, da acidez e da atividade da água para estimar a validade e a segurança.
Pergunta que responde: Com que rapidez um patógeno vai crescer neste alimento a esta temperatura?
Deixa de fora: O alimento é mais variado que um caldo de laboratório.
Roda em: cerca de 105 FLOPS aproximado ajuste de curva de crescimento em um laptop.Desde: 1994 Baranyi and Roberts, a dynamic approach to predicting bacterial growth in food. fonte
Avaliação quantitativa de risco microbiano
Contaminação, cozimento, armazenamento e consumo encadeados como distribuições de probabilidade para estimar a chance de adoecer por um alimento.
Pergunta que responde: Qual a chance de uma pessoa adoecer por causa deste alimento, e qual etapa mais importa?
Deixa de fora: A relação dose-resposta é mal conhecida para patógenos raros.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado Monte Carlo ao longo de uma cadeia da fazenda à mesa em um laptop.Desde: 1998 Cassin and colleagues, quantitative risk assessment for E. coli O157:H7 in ground beef hamburgers. fonte
Simulação da digestão e do fluxo gástrico
O movimento da parede do estômago impulsiona a mistura e a decomposição dos alimentos, e o fluxo e o ácido são calculados para relacionar a estrutura do alimento à liberação de nutrientes.
Pergunta que responde: Com que rapidez um alimento é decomposto e absorvido no estômago?
Deixa de fora: O movimento da parede do estômago e a reologia dos alimentos são simplificados.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado simulação de escoamento com parede móvel em um cluster.Desde: 2010 Kozu e colegas, análise dos fenômenos de escoamento no conteúdo gástrico induzidos pelo peristaltismo gástrico humano. fonte