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dc.creatorPereira, Gabrielly de Queiroz-
dc.date.accessioned2026-06-29T16:40:24Z-
dc.date.available2026-06-29T16:40:24Z-
dc.date.issued2026-06-25-
dc.identifier.citationPEREIRA, Gabrielly de Queiroz. Comparative analysis of reinforcement learning and rule-based system approaches for irrigation in vegetable production. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40648-
dc.description.abstractEfficient irrigation management is essential for horticulture in the face of climate variability and the need to optimize water use. This study compares irrigation control strategies based on Reinforcement Learning (RL), Rule-Based Systems (RBS), and a Hybrid model applied to lettuce cultivation. The approaches were evaluated in terms of crop productivity, wateruse efficiency, and adaptation to different climatic conditions. The proposed methodology integrated the AquaCrop-OSPy model as a simulation environment for training and evaluating the irrigation strategies, combined with artificial intelligence techniques and cloud computing. An RL model based on the Proximal Policy Optimization (PPO) algorithm was implemented, together with an RBS founded on agronomic variables such as soil moisture, evapotranspiration, phenological stage, and precipitation. The Hybrid model combined the adaptive capability of RL with the operational stability of the RBS. The experiments were conducted over four independent cultivation cycles using real meteorological data under different climatic conditions. The results revealed differences among the irrigation strategies regarding irrigation scheduling, response to rainfall events, and sensitivity to weather forecast uncertainty. In the first cycle, the irrigation depths were similar among the methods, reaching 75.66 mm for RBS, 75.26 mm for RL, and 73.80 mm for the Hybrid model, resulting in dry yields of 6.09 t/ha, 6.48 t/ha, and 6.59 t/ha, respectively. In the second cycle, irrigation depths increased to 124.40 mm (RBS), 149.14 mm (RL), and 131.60 mm (Hybrid), producing dry yields of 6.55 t/ha, 7.00 t/ha, and 7.52 t/ha, respectively. The greatest contrast occurred during the third cultivation cycle, characterized by frequent rainfall forecast errors. The RL strategy applied only 39.66 mm of irrigation, resulting in a dry yield of 4.52 t/ha. In comparison, the RBS applied 89.75 mm and achieved 7.48 t/ha, while the Hybrid model applied 112.75 mm and obtained the highest dry yield of the cycle, reaching 8.19 t/ha. These results indicate that excessive reductions in irrigation based on rainfall forecasts that do not materialize may negatively affect crop productivity. In the fourth cycle, irrigation depths reached 55.34 mm for the RBS, 84.24 mm for the RL, and 62.47 mm for the Hybrid model. Despite these differences, dry yields were nearly identical among the three strategies, reaching approximately 10.30 t/ha. This result indicates that higher irrigation depths do not necessarily lead to greater productivity, highlighting the importance of applying water at the appropriate time according to environmental conditions. Considering all four cultivation cycles, the Hybrid model achieved the highest overall performance, with an average dry yield of 8.15 t/ha, compared with 7.61 t/ha for the RBS and 7.32 t/ha for the RL. In addition, the Hybrid model demonstrated greater resilience to climatic uncertainty and weather forecast errors by combining the adaptive capability of Reinforcement Learning with the operational reliability provided by agronomic rules. The computational analysis also showed that the RBS has a low computational cost, whereas the RL approach requires greater processing capacity due to the learning process and continuous policy evaluation. The results indicate that integrating Reinforcement Learning with Rule-Based Systems is a promising approach for intelligent irrigation management, providing improved operational stability, adaptation to climatic conditions, and high agricultural productivity.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)pt_BR
dc.languageengpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsopenAccesspt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/pt_BR
dc.subjectHortaliçaspt_BR
dc.subjectIrrigação agrícola - Automaçãopt_BR
dc.subjectEngenharia de irrigaçãopt_BR
dc.subjectÁgua - Usopt_BR
dc.subjectInteligência artificialpt_BR
dc.subjectAgricultura de precisãopt_BR
dc.subjectAprendizado por reforçopt_BR
dc.subjectVegetablespt_BR
dc.subjectIrrigation farming - Automationpt_BR
dc.subjectIrrigation engineeringpt_BR
dc.subjectWater usept_BR
dc.subjectArtificial intelligencept_BR
dc.subjectPrecision agriculturept_BR
dc.subjectReinforcement learningpt_BR
dc.titleComparative analysis of reinforcement learning and rule-based system approaches for irrigation in vegetable productionpt_BR
dc.title.alternativeAnálise comparativa de abordagens baseadas em aprendizado por reforço e sistemas baseados em regras para irrigação na produção de hortaliçaspt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR
dc.description.resumoA gestão eficiente da irrigação é essencial para a horticultura diante da variabilidade climática e da necessidade de otimizar o uso da água. Neste trabalho, foram comparadas estratégias de controle de irrigação baseadas em Aprendizado por Reforço (RL), Sistemas Baseados em Regras (RBS) e um modelo híbrido aplicados à cultura da alface. O desempenho das abordagens foi avaliado quanto à produtividade agrícola, eficiência hídrica e adaptação às condições climáticas A metodologia integrou o modelo AquaCrop-OSPy como ambiente de simulação para treinamento e avaliação dos algoritmos, associado a técnicas de inteligência artificial e computação em nuvem. Foi implementado um modelo RL utilizando o algoritmo Proximal Policy Optimization (PPO), além de um RBS fundamentado em variáveis agronômicas, como umidade do solo, evapotranspiração, estágio fenológico e precipitação. O modelo híbrido combinou a capacidade adaptativa do RL com a estabilidade operacional do RBS. Os experimentos foram realizados em quatro ciclos independentes de cultivo utilizando dados meteorológicos reais e diferentes condições climáticas. Os resultados evidenciaram diferenças entre as estratégias quanto à distribuição temporal da irrigação, resposta a eventos de precipitação e sensibilidade às previsões meteorológicas. No primeiro ciclo, as lâminas de irrigação foram semelhantes entre os métodos, com 75,66 mm para o RBS, 75,26 mm para o RL e 73,80 mm para o modelo híbrido, resultando em produtividades secas de 6,09 t/ha, 6,48 t/ha e 6,59 t/ha, respectivamente. No segundo ciclo, as lâminas aplicados aumentaram para 124,40 mm (RBS), 149,14 mm (RL) e 131,60 mm (Híbrido), produzindo 6,55 t/ha, 7,00 t/ha e 7,52 t/ha de produtividade seca. O maior contraste ocorreu no terceiro ciclo, caracterizado por frequentes erros de previsão de chuva. O RL aplicou apenas 39,66 mm de irrigação, resultando em uma produtividade seca de 4,52 t/ha. Em comparação, o RBS aplicou 89,75 mm e alcançou 7,48 t/ha, enquanto o modelo híbrido aplicou 112,75 mm e atingiu a maior produtividade seca do ciclo, com 8,19 t/ha. Esses resultados demonstram que a redução excessiva da irrigação em função de previsões de chuva não confirmadas pode comprometer a produtividade. No quarto ciclo, as lâminas de irrigação foram de 55,34 mm para o RBS, 84,24 mm para o RL e 62,47 mm para o modelo híbrido. Apesar dessas diferenças, as produtividades secas foram praticamente idênticas entre as estratégias, alcançando aproximadamente 10,30 t/ha. Esse resultado indica que maiores lâminas de irrigação não necessariamente resultam em maiores produtividades, destacando a importância do momento e da adequação da aplicação de água às condições ambientais. Considerando os quatro ciclos avaliados, o modelo híbrido apresentou o melhor desempenho global, alcançando produtividade seca média de 8,15 t/ha, superior às médias obtidas pelo RBS (7,61 t/ha) e pelo RL (7,32 t/ha). Além disso, o modelo híbrido demonstrou maior eficiência frente às incertezas climáticas e aos erros de previsão meteorológica, combinando a capacidade adaptativa do Aprendizado por Reforço com a segurança operacional proporcionada pelas regras agronômicas. A análise computacional mostrou ainda que o RBS apresenta baixo custo computacional, enquanto o RL demanda maior capacidade de processamento devido ao processo de aprendizado e à avaliação contínua da política de decisão. Conclui-se que a integração entre Aprendizado por Reforço e Sistemas Baseados em Regras constitui uma alternativa promissora para sistemas inteligentes de irrigação, proporcionando maior estabilidade operacional, adaptação às condições climáticas e elevada produtividade agrícola.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0000-0003-2663-0783pt_BR
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/7710032265368761pt_BR
dc.contributor.advisor1Lazzaretti, André Eugênio-
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1861-3369pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/7649611874688878pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Renaux, Douglas Paulo Bertrand-
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-0498-6036pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttps://lattes.cnpq.br/0868418194409169pt_BR
dc.contributor.referee1Lazzaretti, André Eugênio-
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1861-3369pt_BR
dc.contributor.referee1Latteshttps://lattes.cnpq.br/7649611874688878pt_BR
dc.contributor.referee2Gonçalves, Antônio Carlos Andrade-
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-2576-4176pt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttps://lattes.cnpq.br/3985375596784614pt_BR
dc.contributor.referee3Silva, Fabiano-
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0001-5453-6175pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttps://lattes.cnpq.br/0613768899914607pt_BR
dc.contributor.referee4Martins, Marcella Scoczynski Ribeiro-
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-5716-4968pt_BR
dc.contributor.referee4Latteshttps://lattes.cnpq.br/5212122361603572pt_BR
dc.contributor.referee5Hachmann, Tiago Luan-
dc.contributor.referee5IDhttps://orcid.org/0000-0002-1298-5682pt_BR
dc.contributor.referee5Latteshttps://lattes.cnpq.br/6119869148210752pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrialpt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::ENGENHARIA AGRICOLA::ENGENHARIA DE AGUA E SOLO::IRRIGACAO E DRENAGEMpt_BR
dc.subject.capesEngenharia Elétricapt_BR
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

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