Insight for a better planet ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA PROBLEMAS DE AGENDAMENTO ESPACIAL DE COLHEITA

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ABORDAGENS DE SOLUÇÃO PARA

PROBLEMAS DE AGENDAMENTO

ESPACIAL DE COLHEITA

Cesar Santana, DSc.

Insight for a better planet

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Introdução

Líder em tecnologias de otimização florestal a Remsoft desenvolve soluções para estruturar e simplificar processos complexos de planejamento e agendamento em todos os estágios do ciclo de planejamento empresarial.

Ocupando posição de vanguarda na criação de soluções para o planejamento espacial desde a década de 90’, quando consolidou o uso de shapefiles como fonte de dados para o Woodstock e desenvolveu o Stanley para criação automática de cenários de agendamento espacial de colheita, a Remsoft tem aprimorado continuamente suas tecnologias para lidar com os principais problemas espaciais enfrentados pelas organizações florestais. O planejamento espacial identifica e expõe os componentes da paisagem, auxiliando a uma tomada de decisão mais consciente sobre aspectos paisagísticos, ambientais, ecológicos e sociais da área manejada, além de permitir incorporar as condições operacionais no agendamento de ações sobre a floresta.

A consideração das interações espaciais é obtida na maioria dos modelos de planejamento por meio de restrições de adjacência e regras sobre a disposição espacial das unidades de colheita.

A construção de regras para coordenar a disposição espacial das unidades de colheita pode requerer o uso de variáveis inteiras ou binárias.

As principais opções endereçadas pela Remsoft para resolução de problemas de planejamento espacial são as heurísticas do Spatial Optimizer e o uso de formulações de programação inteira mista.

O propósito deste artigo é compartilhar informações com os florestais sobre os benefícios de diferentes abordagens de solução para os problemas de planejamento espacial mais comuns nas organizações florestais.

Desafios do planejamento espacial de colheita

É atribuição do planejador conhecer o impacto econômico e os benefícios das restrições espaciais na atividade florestal. O processo de planejamento espacial aborda questionamentos como: qual é o custo das restrições espaciais para a empresa? quais são os cenários espaciais mais vantajosos economicamente que se enquadram em nossa política de sustentabilidade? qual a redução na produção volumétrica nos melhores cenários de planejamento espacial? quais são as restrições de adjacência mais importantes no manejo de áreas florestais extensas e em quais anos devemos aplicá-las? que tipo de restrições devemos empregar na solução dos problemas espaciais? quais são as alternativas mais eficientes para resolução de cada tipo de problema? Os cenários de planejamento espacial devem conciliar os objetivos estratégicos, as diretrizes de sustentabilidade, as características da floresta e incorporar o conhecimento de campo dos florestais na elaboração do plano de colheita.

Encontrar o melhor cenário de planejamento espacial é uma tarefa desafiadora, principalmente quando o processo é manual e não se dispõe de ferramentas para criação, edição e comparação de cenários.

Além de decisões de colheita e silvicultura, outras decisões como a compra, a venda e o arrendamento de terras (fazendas), a comercialização de florestas ou madeira por local, a construção de estradas, depósitos e pátios intermediários, e a localização de novas fábricas são exemplos de problemas de planejamento espacial enfrentados por muitas organizações.

Inovação em soluções de planejamento espacial

Ao longo de décadas de pesquisa e inovação a Remsoft tem criado novas funcionalidades, algoritmos, abordagens de modelagem e aplicações para suportar a otimização do planejamento espacial e a comunicação efetiva com as

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partes interessadas na conformidade ambiental e operacional dos planos de manejo.

Hoje, oferecemos aos nossos clientes ferramentas para agrupar polígonos em classes de manejo considerando atributos da floresta e critérios de conectividade entre áreas (AAunits, create spatial zones, patch analyst), heurísticas para criação automática e agendamento de blocos de colheita (Spatial Optimizer), formulações de programação inteira para coordenar o agendamento de colheita por fazenda e as intervenções na malha viária, algoritmos para analisar a fragmentação dos tratamentos de manejo sobre a floresta e artifícios para controlar o tempo de colheita de talhões ou blocos vizinhos (Fragmentation analysis, access locks, green up delay), além de soluções analíticas para criar, editar e comparar cenários espaciais em colaboração com as partes interessadas (Remsoft Tactical Planner).

Através de treinamentos, workshops e serviços profissionais de inteligência em planejamento temos capacitado e auxiliado profissionais em todo o mundo a melhorar suas experiências na utilização dos recursos de otimização espacial oferecidos pela Remsoft.

Aplicação de restrições de adjacência na solução de

problemas espaciais

Uma tendência na modelagem da paisagem florestal tem sido a utilização de restrições de adjacência nos modelos de longo prazo. Estas restrições surgiram com o objetivo principal de minimizar o impacto ambiental e paisagístico das atividades de colheita.

Em 1994, a American Forest & Paper Association (AF&PA) definiu um conjunto de princípios denominado de Sustainable Forestry Initiative (SFI) para orientar as atividades de manejo florestal em terras de empresas associadas. Estas diretrizes incluíam limites sobre o tamanho máximo da área de colheita, distância mínima entre áreas exploradas, limites de tempo entre a colheita de áreas adjacentes (green up delay) e outras restrições sobre o manejo da floresta. A partir de 1996, estas novas diretrizes resultaram não apenas em uma grande

mudança no planejamento e gestão das operações de colheita mas também passaram a ser requisitos para permanência das empresas na associação (WALTERS et al., 1999).

A realização de atividades silviculturais em uma unidade de manejo pode influenciar diretamente as unidades de manejo adjacentes. Por exemplo, a colheita de um talhão pode expor os talhões vizinhos a danos causados por vento, problemas de drenagem e erosão. Portanto, dentre os objetivos para a inclusão de restrições de adjacência nos modelos de planejamento estratégico pode-se destacar a redução da abertura de extensas áreas de corte, a manutenção de corredores ecológicos entre fragmentos de floresta nativa, a redução do assoreamento de rios, a proteção da fauna e o manejo da paisagem (Baskent e Keles, 2005).

Stanley, 20 anos de história...

Para lidar com a inclusão de novos critérios de sustentabilidade nos planos de manejo a Remsoft criou em 1996 o Stanley, um software para coordenar a construção e o agendamento de blocos para a colheita por meio de regras espaciais de proximidade, tamanho e distribuição das unidades de colheita.

Stanley permite desenvolver facilmente planos espaciais de colheita que consideram políticas ambientais, aspectos operacionais e critérios de certificação.

Em muitos modelos de otimização florestal, incluindo o Woodstock, talhões com composição e estrutura similares são agrupados em classes e então as atividades de colheita são agendadas para estratos ao invés de unidades de colheita.

Stanley é um software capaz de agendar atividades de manejo para conjuntos de talhões vizinhos (blocos de colheita) escolhidos dentro dessas classes (estratos). Neste processo, ele tenta implementar uma agenda de manejo tão próxima quanto possível da solução ótima encontrada para o modelo básico Woodstock, porém aplicando as regras e restrições espaciais declaradas pelo usuário sobre o modelo.

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Stanley utiliza técnicas heurísticas para resolução de problemas combinatoriais de planejamento espacial. Sua abordagem é única e de forma geral pode ser segregada em duas fases: i) a fase de agregação de polígonos para construção dos blocos espaciais e, ii) a fase de agendamento dos blocos por período.

Durante a fase de agregação de polígonos, Stanley observa um conjunto de objetivos estabelecidos no planejamento estratégico (modelo Woodstock) enquanto considera as regras espaciais estabelecidas pelo usuário na construção do layout dos blocos de colheita.

Na fase de agendamento dos blocos por período, Stanley realiza a leitura de um choices file, gerado pelo Woodstock durante a geração da matriz de programação linear, para encontrar as melhores alternativas de agendamento considerando a temporização da agenda obtida com a solução do modelo Woodstock. O choices file trata-se de uma representação binária das variáveis de decisão usadas no problema, apresentando os coeficientes da função objetivo, as variáveis-básicas e o custo reduzido para as variáveis não-básicas.

Juntos, Woodstock e Stanley ajudam a simplificar o processo de planejamento espacial através da inserção automática de restrições espaciais nos modelos de longo prazo e integração de decisões entre os níveis estratégico e tático (Convington et al. 1988, Nelson and Brodie 1990; Jamnick and Walters 1993).

Ao longo de sua história, após uma série de melhorias e constante evolução, Stanley foi rebatizado pela diretoria de marketing da Remsoft para Spatial Optimizer.

Vantagens do Spatial Optimizer

A grande vantagem da utilização de técnicas heurísticas é que elas podem gerar rapidamente várias soluções para problemas complexos (Gadow e Pukkala,2008; Bettinger et al., 2009).

Spatial Optimizer irá produzir os melhores layouts para atender os seus critérios de sustentabilidade no

planejamento de colheita e silvicultura de forma rápida e eficiente.

Você pode criar vários cenários e armazenar múltiplas soluções. Assim, você pode salvar as melhores soluções do Spatial Optimizer e compará-las. Isto pode ter um tremendo impacto porque você pode verificar como um pequeno ajuste na solução pode oferecer algum benefício significativo em outra área.

Um dos principais benefícios do Spatial Optimizer como ferramenta de agendamento espacial de colheita é a capacidade de replanejar e responder a mudanças rapidamente, apenas alterando os parâmetros espaciais e verificando o impacto sobre o layout e os objetivos traçados. Salve vários cenários e compare-os para encontrar o melhor layout de colheita.

Spatial Optimizer oferece uma ampla variedade de relatórios para ajudar você a entender o que está acontecendo na formação dos blocos e porque áreas específicas não estão sendo escolhidas para a colheita. Na indústria, Spatial Optimizer é adotado por diversas empresas certificadas que gerenciam extensas áreas de florestas segundo princípios de manejo florestal sustentável definidos por entidades como ITTO (International Tropical Timber Organization) e FSC (Forest Stewardship Council). Estas empresas precisam criar planos de manejo que conciliem aspectos operacionais e de sustentabilidade nas operações de colheita.

Agências governamentais e entidades ambientais na Austrália, Nova Zelândia, Ásia, Canada e EUA utilizam o software para gerenciar terras públicas, desenvolver políticas de desenvolvimento sustentável, comunicar os planos de manejo para as partes interessadas, monitorar e revisar a conformidade das atividades de colheita executadas sobre terras públicas.

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Aplicação de formulações de programação inteira

na solução de problemas espaciais

Diversas empresas florestais lidam com desafios bem específicos no agendamento espacial de colheita quando aspectos operacionais devem ser considerados na elaboração do plano tático de colheita.

Algumas características sobre a base de terras das empresas como o layout de distribuição das fazendas, as condições de acesso e operacionais em cada fazenda e a heterogeneidade dos plantios por região podem tornar o processo de agendamento automático de blocos de colheita bastante complexo.

Figura 1 – Distribuição espacial de fazendas e malha viária de uma empresa florestal fictícia

Em alguns casos, quando existem fazendas próximas na mesma região, com 100% dos plantios em idade de corte, pode ser interessante para a operação colher toda a área no mesmo ano. Da mesma forma, a operação pode preferir colher 100% dos plantios em fazendas localizadas em regiões mais distantes dos centros de consumo do que realizar uma colheita parcial.

Figura 2 – Cenário de agendamento espacial de colheita em blocos por região

Outra situação bem comum, é quando a fazenda possui uma extensa área de plantios distribuídos em vários projetos florestais. A nomenclatura “projeto florestal” pode variar de uma empresa para outra (lote, quadra,...) mas via de regra refere-se a florestas estabelecidas em talhões adjacentes no mesmo ano com materiais genéticos e prescrições de silvicultura similares.

A operação pode sugerir a imposição de regras para que a colheita seja coordenada por projeto e desejar um número mínimo de projetos a colher por fazenda. Desta forma, 100% dos talhões dos projetos elencados para corte na fazenda serão colhidos a cada período ou nada.

Figura 3 - Layout de colheita de projetos por fazenda em três períodos consecutivos

A extensão e a proximidade dos blocos de colheita, as condições de relevo, a disposição da malha viária, a infraestrutura disponível, as características dos plantios e

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a proximidade dos pólos de mão-de-obra são alguns dos fatores mais discutidos por técnicos de colheita na revisão do plano espacial de colheita.

Todos os exemplos citados possuem uma questão em comum, as regras espaciais impostas pela operação fazem com que as variáveis de decisão de colheita assumam características de variáveis discretas (inteiras ou binárias). Decisões do tipo: i) colher a fazenda inteira ou nada; ii) colher todas as fazendas de uma região ou nada; iii) colher o projeto inteiro ou nada; iv) colher no mínimo 2 projetos e no máximo 5 por fazenda; v) construir aquela estrada ou não; vi) fazer a manutenção da estrada ou não, e várias outras sugeridas pela operação são endereçadas pela Remsoft por meio de formulações de programação inteira. Quando todas as variáveis envolvidas no problema são inteiras ou binárias o modelo passa a ser chamado de problema de programação inteira (IP), mas se apenas algumas variáveis apresentam características discretas o modelo é definido como modelo de programação inteira mista (MIP).

Com a evolução dos algoritmos exatos de solução (Gurobi, CPLEX,...) e os constantes avanços na capacidade de processamento dos computadores, a Remsoft tem criado formulações de programação inteira mista eficientes para coordenar o agendamento espacial de colheita em função de regras de negócios, premissas de colheita por fazenda e diretrizes de redução de custos.

Vantagens de aplicar métodos exatos na solução de

problemas espaciais complexos

A principal vantagem da utilização dos métodos exatos na solução de problemas de planejamento espacial de colheita é que a solução gerada é ótima.

Outra importante vantagem é que os problemas espaciais combinatoriais que devem considerar regras de negócios de interesse da operação no agendamento espacial de colheita podem ser solucionados em minutos ou em poucas horas com o uso de formulações de programação inteira eficientes. Em contrapartida, a construção de

apenas um cenário poderia levar semanas ou meses por meio de um processo manual que não avaliaria a escolha das melhores opções no planejamento espacial de colheita.

Além de decisões de colheita e silvicultura, outras decisões como a compra, a venda e o arrendamento de terras (fazendas), a comercialização de florestas ou madeira por local, a construção de estradas, depósitos e pátios intermediários, e a localização de novas fábricas são exemplos de problemas de planejamento espacial solucionados com o uso de formulações de programação inteira ou programação inteira mista.

Coordenando as decisões de colheita com as

intervenções nas estradas

As decisões sobre “onde e quando” executar a colheita estão diretamente ligadas as decisões sobre “onde e quando” construir ou executar a manutenção de estradas. A disposição da malha viária em relação as unidades de colheita, a identificação e a classificação dos segmentos na rede de estradas e o mapeamento das rotas de transporte entre as unidades de colheita e a indústria são algumas entre as principais informações requeridas para criação de um modelo de programação inteira mista no Woodstock capaz de coordenar o agendamento espacial de blocos de colheita enquanto minimiza as despesas de manutenção nas estradas no médio prazo.

Através de algoritmos que realizam varreduras automáticas para interpretar e armazenar informações sobre a conectividade entre as unidades de colheita e os segmentos de estradas, a Remsoft oferece serviços profissionais aos clientes para desenvolver formulações matemáticas que utilizam variáveis binárias para controlar a colheita de fazendas ou projetos e conjuntos de restrições para encontrar a agenda de colheita que minimiza os custos de construção ou manutenção de estradas.

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Figura 4 – Agenda de colheita não coordenada e agenda que considera as intervenções nas estradas

O modelo desenvolvido no Woodstock é estruturado a partir das seguintes premissas: i) cada unidade de colheita está relacionada a um segmento de estrada de acesso; ii) cada segmento de estrada está relacionado a um outro segmento que o antecede; iii) cada segmento de estrada tem um custo estimado de manutenção

Figura 5 – Distribuição as unidades de colheita e segmentos de estradas elegíveis para manutenção

Vantagens de coordenar a colheita com as

intervenções nas estradas

A modelagem do agendamento espacial de colheita por meio de formulações deste tipo auxilia os gestores a encontrar soluções para reduzir os os custos de manutenção de estradas no médio prazo.

Além disto, a organização pode elaborar orçamentos mais acurados sobre as despesas anuais com manutenção de estradas e justificar a solicitação de recursos para garantir a preparação e entrega das áreas para as operações de colheita e transporte, evitando gargalos no agendamento operacional de colheita e no escoamento da produção.

Remsoft Tactical Planner

Uma vez que os melhores cenários de planejamento espacial de colheita produzidos no Woodstock estiverem prontos, o analista de planejamento pode publicá-los compartilhando agendas e indicadores com as partes interessadas para receber feedbacks sobre a formação e o agendamento dos blocos de colheita e engajar o pessoal de campo na construção da versão final do plano de manejo.

Figura 6 – Diagrama sobre o processo de planejamento colaborativo através do RTP

Remsoft Tactical Planner (RTP) é uma solução que permite aos usuários ver e modificar as agendas espaciais publicadas. O software integra uma interface de mapas com visualização de indicadores de performance em tabelas e gráficos para prover feedbacks em tempo real

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sobre o impacto de mudanças em cenários de planejamento espacial. O aplicativo é simples e não requer muito conhecimento para ser usado, é direcionado para analistas e gestores de operações, agentes diretamente envolvidos no planejamento das operações em campo, que conhecem as dificuldades locais.

Através do RTP, os usuários podem facilmente editar os blocos espaciais de colheita, alterando o período ou o tratamento de manejo designado, adicionar ou remover talhões para as unidades de colheita, criar suas próprias unidades de colheita, separar áreas de colheita não mecanizáveis (split), ou excluir unidades de colheita que não deveriam fazer parte do plano devido a restrições de acessibilidade, aspectos ambientais, etc. As mudanças são

automaticamente calculadas então você pode

instantaneamente observar e avaliar o impacto dos desvios sobre os principais indicadores do seu modelo: receitas, volumes e custos de colheita, indicadores técnicos e ambientais.

Remsoft Tactical Planner permite aos usuários adicionar comentários justificando as mudanças propostas e melhorando a colaboração entre as equipes de campo e de planejamento. Cada usuário pode facilmente criar e editar seus próprios layouts de comentários para oferecer ao analista de planejamento Woodstock feedbacks claros sobre as alterações e porque elas deveriam ser implementadas.

Figura 7 – Painel de controle do RTP com lista de comentários e edições espaciais inseridas em um cenário espacial de colheita

Vantagens do Remsoft Tactical Planner

Várias informações são expostas para os analistas operacionais e ambientais, permitindo a eles desenvolver insigths e prever as consequências das decisões tomadas pelo modelo. Isto cria um contexto de melhoria contínua onde eles podem analisar, editar e comentar as soluções geradas pelo modelo. O resultado final é que os feedbacks do pessoal de campo passam a ser mais valorizados no refinamento do modelo.

Com o pessoal de campo mais envolvido no processo, eles passam a estar mais motivados a seguir o que foi planejado. O nível de transparência gerado através do Remsoft Tactical Planner oferece uma base sólida para melhorar a comunicação e a confiança entre as partes envolvidas. Em organizações onde o setor de planejamento sofre por não ter autoridade para forçar a execução das ações planejadas em campo, esta solução pode trazer um excelente benefício.

Nossos clientes também têm informado uma redução de 30 a 50% no tempo necessário para completar um ciclo completo de edições no plano original otimizado junto com o pessoal de campo, o que traz agilidade ao processo de homologação do plano de manejo.

Considerações Finais

Através dos softwares Woodstock, Spatial Optimizer, Remsoft Tactical Planner e de serviços profissionais de inteligência em planejamento a Remsoft pode lidar com os principais problemas de planejamento espacial

enfrentados pelas organizações florestais com

flexibilidade, agilidade e eficiência.

Problemas de agendamento espacial de colheita com diferentes naturezas e objetivos são resolvidos por meio de abordagens de solução específicas, que podem requerer a utilização das heurísticas do Spatial Optimizer, formulações de programação inteira e soluções analíticas para realização de análises avançadas.

O agendamento espacial de colheita no médio prazo é uma etapa fundamental na migração entre os níveis de

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planejamento, ou seja, para viabilizar a construção de modelos de otimização para o agendamento operacional de colheita no curto prazo e modelagem de decisões na cadeia de suprimentos.

As soluções da Remsoft permitem cultivar o planejamento colaborativo, filosofia de trabalho que permite as organizações florestais trabalharem na melhoria contínua dos seus planos de manejo.

Ao conciliar aspectos operacionais, ambientais e sociais no planejamento espacial a Remsoft ajuda as organizações a desenvolverem os seus negócios em harmonia com o meio ambiente e respeito aos interesses da sociedade.