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2.13 Abordagem Fuzzy MCDA

2.13.1 Teoria dos Conjuntos e Lógica Fuzzy

A Teoria dos Conjuntos Fuzzy (nebulosos ou difusos) manipula a incerteza e representa aspectos qualitativos por meios de palavras ou sentenças em uma linguagem natural, como por exemplo, probabilidade de falha alta, consequência baixa, risco médio, dentre outros permitindo a avaliação de conceitos não-quantificáveis.

A Lógica Fuzzy, que tem por base a Teoria de Conjuntos Fuzzy, foi desenvolvida a partir dos conceitos já estabelecidos da lógica clássica aristotélica. Tem como precursor o lógico polonês Jan Lukasiewicz (1878-1956), que, em 1920, apresentou as primeiras noções da lógica dos conceitos "vagos"mediante a introdução de conjuntos com graus de

pertinência sendo 0, 1/2 e 1, expandindo posteriormente este conjunto para um número

infinito de valores compreendidos no intervalo entre 0 e 1.

Sua inserção no meio científico deu-se em 1965 por Lofti Asker Zadeh, professor de Ciências da Computação da Universidade da Califórnia, por meio da publicação do artigo

Fuzzy Sets no Journal of Information and Control [126]. Nele, Zadeh combinava os con-

ceitos da lógica clássica e os conjuntos de Lukasiewicz, formalizando conceitos e definindo de forma mais concreta os graus de pertinência.

Devido ao desenvolvimento e as inúmeras possibilidades práticas de suas aplicações,

a Lógica Fuzzy é considerada hoje uma técnica standard com ampla aceitação em várias

áreas, desde a teoria do controle à inteligência artificial, apresentando bons resultados na modelagem de risco qualitativo [127, 128, 129, 130].

2.13.1.1 Conjuntos Nebulosos

Na teoria clássica (desenvolvida por Aristóteles), os conjuntos são denominados crisp e

um dado elemento do universo em discurso pertence ou não pertence ao referido conjunto. Já na teoria dos conjuntos nebulosos existe um grau de pertinência de cada elemento a um determinado conjunto, conforme ilustra a Figura 2.21.

Figura 2.21: Comparativo entre a Lógica Clássica e a Lógica Fuzzy. Fonte: Adaptado de

Silva Júnior, 2015 [131].

Em outras palavras, a teoria dos conjuntos fuzzy, segundo Simões e Shaw [132], é

baseada no fato de que os conjuntos existentes no mundo real não possuem limites precisos.

De acordo com Belchior [133] um número fuzzy deve capturar a concepção intuitiva de

números ou intervalos aproximados, tal como “valores que estão próximos de certo número real”, ou “valores que estão em torno de um dado intervalo de números reais”, a partir das variáveis linguísticas.

Com os conjuntos nebulosos podemos definir critérios e graus de pertinência para

tais situações. A função característica (crisp sets) pode ser generalizada de modo que

os valores designados aos elementos do conjunto universo U pertençam ao intervalo de números reais de 0 a 1 inclusive, isto é [0,1].

µA: U 7→ [0, 1] (2.13)

Estes valores indicam o Grau de Pertinência dos elementos do conjunto U em relação

ao conjunto A, isto é, quanto é possível para um elemento x de U pertencer ao conjunto

A.

A função definida na Equação 2.13 é chamada deFunção de Pertinência e o conjunto

2.13.1.2 Operações com Conjuntos Nebulosos

Segundo Simões [132], Moré [134], Abar [135] e Boente [136], as operações com conjuntos

fuzzy ou nebulosos podem ser assim apresentadas:

• O conjunto fuzzy A é um subconjunto de um conjunto fuzzy B se o grau de perti-

nência de cada elemento do conjunto universo U no conjunto A é menor ou igual que seu grau de pertinência no conjunto B; ou seja, para todo x · U , µA(x) · µB(x)

e indicamos A ⊆ B;

• Os conjuntos fuzzy A e B são iguais se µA(x) = µB(x) para todo elemento x · U e

indicamos A = B;

• Os conjuntos fuzzy A e B são diferentes se µA(x) · µB(x) para no mínimo um x · U

e indicamos A · B;

• O conjuntofuzzy A é um subconjunto próprio do conjunto fuzzy B quando A é um

subconjunto de B e A · B, isto é, µA(x) · µB(x) para todo x · U e µA(x) · µB(x) para

no mínimo um x · U e indicamos A ⊂ B se e somente • se A ⊆ B e A · B;

• O complemento de um conjuntofuzzy A em relação ao conjunto universo U é indi-

cado por A0 e a função de pertinência é definida como µA(x) = 1 − µA(x) para todo

x · U ;

• A união de dois conjuntosfuzzy A e B é um conjunto fuzzy A ∪ B tal que para todo

x · U µA∪B(x) = max[µA(x), µB(x)];

• A intersecção de dois conjuntosfuzzy A e B é um conjunto fuzzy A ∩ B tal que para

todo x · U µA∩B(x) = min[µA(x), µB(x)].

Para Moré [134] e Boente [136], a teoria dos conjuntos crisp contém três operações

básicas: complemento, interseção e união; sendo baseada nos conceitos de pertinência, ou

não, de um elemento aos conjuntos. Conforme estudo, as operações fuzzy (complemento,

interseção e união) constituem uma estrutura bastante consistente da teoria dos conjuntos nebulosos, para a extensão de conjuntos nítidos onde, a partir dessas operações padrões, são utilizados os operadores min (mínimo) e max (máximo) para a interseção e a união

2.13.1.3 Agregação de Conjuntos Nebulosos

A ideia principal do processo de agregação é obter-se um grau de consenso entre as in- formações disponíveis, calculando-se um valor final. Se estes dados forem extraídos de especialistas, então ter-se-á a taxa de aceitação ou rejeição entre eles, isto é, o grau pelo qual especialistas concordam em suas estimativas, tornando possível a elaboração de clas- sificações das avaliações realizadas [136].

2.13.1.4 Números Fuzzy

O número fuzzy é um caso especial de conjunto fuzzy que define um intervalo fuzzy nos

números reais, R. Para um número real cujo valor preciso não é conhecido com exatidão,

este número é definido através de um intervalo fuzzy.

Moré [134] e Boente [136] afirmam que os númerosfuzzy, são utilizados para quantificar

atributos físicos da realidade que estão associados à imprecisão ou mesmo a conceitos

humanos vagos. Em princípio um número fuzzy Ñ representa um conjunto fuzzy convexo

e normalizado definido no conjunto dos números reais R, tal que sua função de pertinência tem a forma µA: R 7→ [0, 1].

Neste viés, a qualificação de um número fuzzy, um conjunto fuzzy à em R deve ao

menos possuir as seguintes propriedades [133]: • Ã deve ser um conjunto fuzzy normalizado;

• Ãα deve ser um intervalo fechado para todo α ∈ (0, 1), isto é, todo número fuzzy é convexo;

• O suporte de à deve ser limitado.

Um número triangular fuzzy ou número fuzzy triangular, ilustrado na Figura 2.22, é

dado a partir do número central onde se encontra o seu antecedente e seu consequente

Figura 2.22: Representação de um númerofuzzy triangular. Fonte: Boente, 2013 [136].

2.13.1.5 Variáveis Linguísticas

Uma variável linguística é uma variável cujos valores são nomes de conjuntos fuzzy. Sua

principal função é fornecer uma maneira sistemática de aproximação de fenômenos comple- xos ou mal definidos [137]. De acordo com Boente [136] a partir das variáveis linguísticas,

consideradas variáveis qualitativas, com o uso da lógicafuzzy, pode-se transformar valores

não mensuráveis matematicamente em variáveis quantitativas para que se possa realizar cálculos a fim de mensurar certa aplicação.

Em sua argumentação Boente [136] esclarece que por meio da representação matemá- tica de um conjunto ordenado de conceitos da linguagem natural através de conjuntos

fuzzy, a discretização fuzzy A1, A2, ..., An do universo U tal que ∀x ∈ U, ∃Ai, µAi(x) 6= 0

pode gerar a Figura 2.23, que apresenta um exemplo de discretização fuzzy para o caso

de uma variável dividida em cinco conjuntos nebulosos.

Figura 2.23: Discretização fuzzy para uma variável dividida em cinco conjuntos fuzzy.

Fonte: Boente, 2013 [136].

Conclui o autor que a representação da informação em diversos níveis de generalização é permitida por meio de diferentes discretizações do universo. Portanto, quanto maior o número de conjuntos nebulosos, maior será a precisão encontrada.

2.13.1.6 Sistemas Fuzzy

Um sistema fuzzy pode ser descrito como um conjunto de regras de lógica fuzzy, ou como

um conjunto de equações relacionais fuzzy [132].

Segundo Boente [136], um sistema fuzzy típico é composto de entrada, fuzzificação,

base de regras, procedimentos de inferência, defuzzificação e saída. Para um sistema

fuzzy uma entrada tanto pode ser um valor preciso quanto um conjunto fuzzy. Quando a

entrada provém de um observador humano ou de uma base de dados (questionário) é fre-

quentemente considerada como um conjunto fuzzy. Já a entrada derivada de um processo

de medição é normalmente utilizada como um valor numérico com erros intrínsecos [138].

A Figura 2.24 ilustra a arquitetura funcional genérica de um sistema de inferência fuzzy.

Figura 2.24: Arquitetura Funcional Genérica de um Sistema de Inferência Fuzzy. Fonte:

Adaptado de Boente, 2013 [136].

Na fuzzificação, o vetor de pertinências de entrada é calculado a partir do valor numé-

rico de entrada e da discretização fuzzy de entrada. A partir do processo de fuzzificação

um númerofuzzy é gerado, independentemente de sua estrutura, se triangular, gaussiano,

cauchiano, sigmóide, trapezoidal, dentre outros, por exemplo, onde através do qual o ve- tor de pertinências é calculado a partir do valor numérico de entrada e da discretização

fuzzy [139].

A inferência é realizada mapeando-se valores linguísticos de entrada em valores lin- guísticos de saída com o uso da base de regras. Após o processo de fuzzificação deve-se fazer o processo de defuzzificação, que pode ser definido como uma função que associa,

[138]. A defuzzificação não é exatamente o processo inverso da fuzzificação, conforme se pode constatar a partir de sua definição.

No processo de defuzzificação, segundo Simões e Shaw [132], o valor da variável lin-

guística de saída inferida pelas regras fuzzy é traduzido num valor discreto, o qual será

identificado como valor crisp.

O valor crisp, portanto é o resultado do processo de defuzzificação onde, com o qual,

pode-se realizar operações matemáticas reais, obedecendo seu valor limite, considerado o

valor máximo adquirido por uma representação fuzzy, ou seja, altura um [139].

2.13.2

Exemplos de Aplicações do Fuzzy MCDA Considerando