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Título: Comparative analysis of reinforcement learning and rule-based system approaches for irrigation in vegetable production
Título(s) alternativo(s): Análise comparativa de abordagens baseadas em aprendizado por reforço e sistemas baseados em regras para irrigação na produção de hortaliças
Autor(es): Pereira, Gabrielly de Queiroz
Orientador(es): Lazzaretti, André Eugênio
Palavras-chave: Hortaliças
Irrigação agrícola - Automação
Engenharia de irrigação
Água - Uso
Inteligência artificial
Agricultura de precisão
Aprendizado por reforço
Vegetables
Irrigation farming - Automation
Irrigation engineering
Water use
Artificial intelligence
Precision agriculture
Reinforcement learning
Data do documento: 25-Jun-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: PEREIRA, 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.
Resumo: A 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.
Abstract: Efficient 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.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40648
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