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JOSÉ MOACYR MIRANDA PINTO - Engenheiro Eletricista graduado em 1970 pela Escola de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, Pós Graduação lato senso em Projetos de Automação em Instalações de Superfície de Produção de Petróleo (Plataformas Offshore), no ISES - Instituto SENAI de Ensino Superior, sob patrocínio da PETROBRÁS.

Consultor de Segurança Eletrônica, atuação em trabalhos de especificação consultoria e gerenciamento na implantação de sistemas de segurança eletrônica patrimonial para: Baker-Hughes, Schlumberger, Shell Brasil.

Supervisor do Projeto de Segurança Eletrônica parte do Sistema de Comando e Controle para os 5º Jogos Mundiais Militares, Olimpíada Militar de 2011.

Palestrante convidado pela organização do Painel IoT e Robótica, na RioInfo 2013.

Diretor de Engenharia da Facility Automation Sistemas Ltda., responsável pelas áreas de projeto, instalação e Manutenção de sistemas de automação predial e segurança eletrônica da Rede Globo de Televisão, Intelig, Hospital Israelita Albert Einstein, SBT, entre outras.

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Complexidade e Inovação na ��Engenharia do Século XXI

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Índice

Objetivo
Histórico
Novos desafios
Ciência e Engenharia no século XXI
Complexidade
Características dos sistemas Complexos
Conceitos de Sistemas Complexos
Sistemas Sócio Tecnológicos
Inovação
Natureza
Ambiente dos Sistemas Complexos
Internet das Coisas - IoT
IoT - Tecnologias
IoT - Amplitude
IoT - Desafios
IoT - Tendências

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Objetivo

Discutir como a Engenharia no Século XXI será desafiada a projetar e operar os Sistemas de Sistemas ou Sistemas Complexos abrindo oportunidades a inovações e eventualmente criando um novo campo de ciência.

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Histórico�

Objetivos da Engenharia “Clássica”:

Previsibilidade – garantia dos objetivos,

Confiabilidade – garantia do desempenho,

Controle – garantia segurança.

Reducionismo ferramenta para compreensão dos fenômenos complexos.

Modelos matemáticos.

Buscou sempre dar ordem ao desordenado.

Desde seus primórdios a Engenharia valeu-se das ciências para garantir que suas obras apresentassem previsibilidade, confiabilidade e estivessem submetidas a controle adequado.

A previsibilidade tem a ver com a garantia da utilização das obras para os fins a que se destinavam, a confiabilidade com a garantia de desempenho e com o controle com a segurança dos processos e operação adequada. Com a Revolução Industrial o atributo controle ganhou um novo requisito o de ser centralizado.

Estes objetivos sempre exigiram que os engenheiros tivessem o maior cuidado em dispender grande parte de seus esforços em especificar detalhadamente os objetivos e cada componente de seus sistemas.

Deve também ser observado que estas premissas exigiram que os processos envolvidos fossem entendidos através modelos matemáticos ou equações e que sempre que deparávamos com fenômenos com maior grau de dificuldade ou que não apresentassem respostas lineares, valíamos de sofisticadas ferramentas matemáticas que linearizavam os processos.

Fica claro que sempre se buscou ordenar, controlar e dar ordem ao funcionamento de máquinas ou sistemas, porém devemos notar isto foi obtido através de artifícios que tornaram lineares processos nem sempre lineares e controlar um Universo não linear e algumas vezes caótico.

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Novos desafios

Integração de sistemas:

Exigência do mercado.

Novos parâmetros:

Imprecisão;

Aprendizado;

Incerteza.

A engenharia tornou-se então altamente especializada, dividida em diversos campos à medida que as aplicações se tornaram mais elaboradas.

Houve então um novo requisito demandado pelo mercado e pela sociedade, certamente visando a otimização de recursos, maior conforto e segurança, que foi a integração dos sistemas surgindo então Sistemas de Controle capazes de controlar outros sistemas.

Estes sistemas passaram a lidar com um grande número de variáveis em mesmo ambiente observando-se então que estas variáveis passaram a relacionarem-se com outras antes separadas, levando a que pequenos distúrbios pudessem induzir grandes variações e instabilidade; além disso observou-se que a solução destes problemas não era singular ou particular mas sim um conjunto de soluções.

Constatou-se também que o grande número de variáveis e sua tão grande interligação tornava, para todos os fins práticos, impossível realizarem-se testes funcionais visando assegurar seu funcionamento adequado.

Assim a engenharia passou a admitir em vez de seus dogmas anteriores novas propriedades: a imprecisão, o aprendizado e a incerteza. Esta mesma dicotomia existe entre a Mecânica Clássica e a Mecânica Quântica.

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Ciência e Engenharia no século XXI

A ciência moveu-se de compreensão do estado para a compreensão dos processos (do Ser ao Devir).
O novo objetivo da ciência é a não linearidade, a auto organização e a adaptabilidade.
A engenharia atingiu o limite de seu desenvolvimento pela ótica de compreensão do estado e começa a adotar os novos conceitos perseguidos pela ciência.

Segundo Bnazhaf e Pillay a ciência preocupou-se desde muito cedo em explicar os fenômenos naturais decompondo-os em partes menores. Exemplo bem elucidativo é a pesquisa das partículas elementares em que se usa o método do choque de partículas altamente energizadas e o estudo do seu resultado. Observou-se que cada conjunto de partículas descoberto exigia que novos choques fossem produzidos com partículas cada vez mais energizadas.

A representação dos sistemas físicos como lineares, reversíveis portanto determinísticos e temporais requer que eles nunca alterem sua identidade através do tempo, logo eles nunca se tornariam algo radicalmente novo, eles meramente re-arranjariam sua partes mantendo seu núcleo imutável.

Porém a natureza é cheia de exemplos contrários à esta tese, como a transformações das estruturas cristalinas em células vivas. Portanto a nova meta da ciência é compreender os processo que possibilitaram estas transformações tão radicais.

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Complexidade

Etimologia.

Latim: PLECTO, PLEXUM, COMPLEXUS.

Aurélio: “que abrange ou encerra muitos elementos ou partes, observável sobre diferentes aspectos, confuso, complicado, intrincado; grupo ou conjunto de coisas, fatos ou circunstâncias que tem qualquer ligação entre si”.

Houais: “que se compõe de elementos diversos relacionados entre si”

O que é Complexidade?

Vindo do Latim PLECTO, PLEXUM originalmente significa entrelaçar, enlaçar, entrançar.

No Aurélio é definido como: que abrange ou encerra muitos elementos ou partes, observável sobre diferentes aspectos, confuso, complicado, intrincado; grupo ou conjunto de coisas, fatos ou circunstâncias que tem qualquer ligação entre si. O Houais define “que se compõe de elementos diversos relacionados entre si”.

O desenvolvimento da Teoria da Complexidade aconteceu em três etapas distintas envolvendo o interesse pela Gestalt (WW I), objeto da palestra do Faria, a evolução da computação e da Teoria dos Sistemas (WW II) e das novas formas de modelagem do equilíbrio (1960).

A complexidade é um fenômeno que é observado quando o número de elementos no conjunto é elevado e com múltiplas interferências. Porém em muitos campos do conhecimento humano além da engenharia, como nas ciências sociais, economia entre outras, os estudos demonstram que as características destes sistemas lembram o comportamento dos sistemas complexos, assim sendo talvez seja mais conveniente caracterizar-se a Complexidade como um novo ramo da ciência.

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Características dos�Sistemas Complexos

Apresentam variações entre si.
Evolução muito dependente das condições iniciais e muito sensível a pequenas perturbações.
Múltiplos caminhos de evolução.
Difíceis de compreender e de testar.
Auto organizáveis, geram padrões, armazenam informação e tomam decisões coletivas.
Matematicamente descritos por equações diferenciais não lineares.
Seus constituintes tem consciência situacional.
Robustez pois não há controle centralizado.

Segundo James Ladyman, James Lambert do Department of Philosophy, University of Bristol, U.K. e Karoline Wiesner do Department of Mathematics and Centre for Complexity Sciences, University of Bristol, U.K. os Sistemas Complexos apresentam as seguintes características:

i) São estruturas que apresentam muitas variações entre si.

ii) São aqueles nos quais a evolução é muito sensível às condições iniciais ou a pequenas perturbações ou aqueles nos quais o número de componentes independentes é grande ou aquele no qual há múltiplos caminhos pelos quais o sistema pode evoluir. Tipicamente a descrição analítica destes sistemas requerem equações diferenciais não lineares.

iv) São aqueles onde uma grande população de pequenas unidades podem se auto organizar em agregados que geram um padrão, armazenam informação e assumam uma decisão coletiva.

v) Estes padrões são manifestações de duas características chaves: são processos não lineares que modificam as propriedades do ambiente nos quais operam ou que são fortemente acoplados e formas de padrões naturais de sistemas abertos levados ao equilíbrio pela troca de energia, momento, materiais ou informação através de suas fronteiras.

vi) Um sistema complexo é literalmente aquele no qual há múltiplas interações entre muitos componentes diferentes.

vii) Comum a todos os estudos em complexidade são sistemas com múltiplos elementos adaptando-se ou reagindo a padrões por eles criados.

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Conceito�Sistemas Complexos

São aqueles nos quais os fenômenos emergem como consequência da integração multi escalar entre os seus componentes e o meio ambiente em que ele se encerra.

Compõem-se de um grande número de componentes, operações e interações concorrentes.

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Inovação

Qualquer artefato pode ser utilizado para propósito diferente daquele para o qual foi criado (Genrich Altshuller).

O que é Inovação?

Inovação é solucionar um problema ou melhorar a eficiência de um processo através do desenvolvimento de nova tecnologia, descoberta de um novo fenômeno ou de uso diferente de tecnologia ou artefato existente.

Esta frase foi escrita por Genrich Altshuller, engenheiro arzebaijano criador de uma metodologia denominada TRIZ que em russo significa Teoria Inventiva para a Solução de Problemas (mais informações sobre TRIZ em www.aitriz.org). Esta teoria foi desenvolvida durante sua prisão na Sibéria para onde foi condenado por ter dirigido em 1946 uma carta a Stalin, na qual criticava a política de desenvolvimento tecnológico da então URSS. Seu trabalho somente foi conhecido no ocidente após a queda do comunismo.

Dois exemplos de inovação:

WD40 - O produto se originou da pesquisa por um protetor contra ferrugem e desengraxante para proteger peças de mísseis. O WD-40 foi criado em 1953 por três técnicos da San Diego Rocket Chemical Company. O nome vem do projeto, que tinha por objetivo desenvolver um composto para repelir água (water displacement). Eles tiveram sucesso com a quadragésima fórmula, daí WD- 40. A Corvair Compan adquiriu o composto a granel para proteger os componentes dos mísseis Atlas.

PostIt – Em 1968 um químico da 3M (Spencer Silver) desenvolveu um novo adesivo, porém ele tinha um pequeno problema, ele era fraco e descolava. Foram feitas diversas tentativas de infrutíferas de aproveitamento do produto. Um dia em 1974, um funcionário da 3M que era um entusiasta de coral, durante a regência esbarrou no seu livro de hinos e as marcações nele colocadas caíram todas. Então Art Fry, o regente do coral, lembrou-se da invenção de Spencer e aplicou-a a pequenos papéis que assim ficavam colados mais podiam ser removidos com facilidade.

Inovação é portanto solucionar um problema ou melhorar a eficiência de um processo através do desenvolvimento de nova tecnologia, descoberta de um novo fenômeno ou de uso diferente da tecnologia existente.

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Natureza sempre observada

Toda arte é imitação da natureza (Sêneca - 4 AC).

A sabedoria da natureza é tal que não produz nada de supérfluo ou inútil (Copérnico – 1473 a 1543).

A natureza reservou para si tanta liberdade que não a podemos nunca penetrar completamente com o nosso saber e a nossa ciência (Goethe – 1749 a 1832).

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....e sempre �copiada

A engenharia e a natureza são:

Construtivas;

Limitadas pelo mesmo ambiente e instadas a dar soluções por ele impostas.

Acredito que esta “inspiração” advém das grandes similaridades entre os desafios que a engenharia se defronta e que também a natureza teve de resolver.

Ambas são construtivas, estão limitadas pelo mesmo meio ambiente e resolvem os problemas que são impostos por este mesmo meio.

Como exemplos desta emulação, podemos citar rapidamente o sistema de localização e comunicação dos golfinhos e dos morcegos e o sonar, radar, radar Doppler e eco-batimetros, o olho e as modernas câmeras fotográficas e de vídeo etc.

Na verdade além da simples cópia e emulação podemos dizer que estando submetido ao mesmo ambiente composto do campo gravitacional, magnético e elétricos do planeta, a engenharia acaba por encontrar soluções semelhantes para os problemas com que nos defrontamos.

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Internet das Coisas�IoT�

A era da Inteligência.

Dispositivos inteligentes comunicando-se entre si.

Custo do Hardware.

Queda dos preços dos dispositivos.

Ambiente Inteligente.

Dispositivos aprendem hábitos e comunicam-se entre si, (NEST do Google).

Estamos transitando da era da Informação para a era da Inteligência que é caracterizada pela comunicação independente entre dispositivos inteligentes capazes de perceber a presença de pessoas e responder por realizar tarefas rotineiras que melhorem a vida das pessoas.

Os consumidores veem demandando cada vez mais as tecnologias que se utilizam da conectividade e aplicativos que ao analisarem seus hábitos de navegação, localização e hábitos, apresentam informações que facilitam suas decisões de lazer, serviços e compras.

Por outro lado o custo para possibilitar a conectividade vem reduzindo significativamente nos últimos cinco anos, seja pela escala de produção seja por novas tecnologias desenvolvidas pela indústria. Deve também ser notado o poder de processamento incorporado aos dispositivos portáteis possibilitando que a preços razoáveis, seja colocado ao dispor dos usuários cada vez mais sofisticados aplicativos.

Os dispositivos projetados para este ambiente sentem a presença, movimento e comportamento do consumidor, analisam dados sobre os hábitos do consumidor , fazendo então uma decisão inteligente. Exemplo NEST – termostato inteligente do Google. Aliás a empresa já apresenta uma linha de produtos que além do termostato inclui detectores de fumaça e câmera supervisão de vídeo.

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IoT�Tecnologias

Sensores - mais baratos.
Largura de banda - custo 4 vezes mais baixo nos últimos 10 anos.
Processadores – custo caiu 60 vezes no mesmo período.
Smartphone – altamente popularizados.
Redes sem fio – vulgarização das redes.
Big Data – aumento dos dados e seu gerenciamento.
IPv6 - 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 (2¹²⁸) endereços mais de 56 octilhões (5,6×1028) de endereços por ser humano na Terra, considerando-se a população estimada em 6 bilhões de habitantes.

As tecnologias que juntas podem facilitar a popularização da IoT são:

Sensores mais baratos – o preços destes dispositivos caíram nos últimos 10 anos;

Largura de banda mais barata – o seu custo baixou nos USA 4X nos últimos 10 anos;

Processadores mais baratos – aqui a redução foi mais intensa caindo 60X neste período possibilitando não apenas o aumento do número de dispositivos conectados mas também mais inteligentes possibilitando melhor aproveitamento dos dados disponíveis;

Popularização do Smarphone – este dispositivo passou a ser o portal de entrada na IoT servindo de plataforma remota para controle dos dispositivos domésticos;

Aumento da cobertura das redes sem fio – a disponibilização das redes sem fio a baixo custo ou sem qualquer custo esta se popularizando rapidamente.

Big Data – Como a IoT levantará vasta quantidade de dados, o seu gerenciamento e uso inteligente será um grande desafio.

IPv6 – Esta tecnologia de endereçamento é a chave para que praticamente todo dispositivo manufaturado possa ter um número IP, pois suporta endereço com 120 bits que significa 3,4 x 1038 praticamente ilimitado.

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IoT�Alcançe

Segundo Vernon Turner VP Sr. do IDC (International Data Corp) - “A Internet das coisas vai dar aos gerentes de TI muito em que pensar. As empresas terão de abordar todas as disciplinas para equilibrar eficazmente o dilúvio de dados a partir de dispositivos que estão conectados à rede corporativa.

Além disso, a Internet das coisas vai conduzir difíceis mudanças de estrutura organizacional em empresas de forma a permitir a inovação a ser transparente a todos, enquanto cria novos modelos de negócios competitivos e produtos. "�IoT está dando forma moderna de fabricação para comercialização. Muito foi já alterado desde o início da Internet e muitos mais vai se mudou com a maior conectividade com a Internet e alcance.

A rede global conectando pessoas, dados e máquinas transforão os negócios modernos é também chamado de Internet Industrial. A chamada Internet industrial tem potencial de US $ 10 a $ 15 trilhões para o PIB global em próximas duas décadas.

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IoT�Desafios

Segurança,
Empresa,
Privacidade,
Dados,
Gestão de armazenamento,
Tecnologia de servidores,
Redes de Data Center.

Desafios:

1- Segurança - A crescente digitalização e automação dos milhares de dispositivos implantados em diferentes áreas dos ambientes urbanos modernos darão origem a novos desafios de segurança para muitos setores.

2-Empresa - Os significativos desafios de segurança continuarão pelo fato de que o Big Data – criado a partir da implantação de inumeráveis dispositivos – aumentará, drasticamente, a complexidade de segurança. Isto, por sua vez, impactará nas exigências de disponibilidade, que também devem crescer, colocando processos de negócios em tempo real e, potencialmente, segurança pessoal em risco.

3- Privacidade do consumidor - Como já acontece com os equipamentos de medição inteligente e automóveis cada vez mais digitais, haverá um vasto volume de dados fornecendo informações sobre o uso pessoal dos dispositivos que, se não forem seguros, podem abrir caminho para violações de privacidade. Isto é um desafio, pois a informação gerada pela Internet das Coisas é essencial para trazer melhores serviços e o gerenciamento destes aparelhos.

4- Dados - O impacto da Internet das Coisas no armazenamento tem duas vertentes em relação aos tipos de dados a serem armazenados: pessoais (de consumidores) e Big Data (de empresas). Dados serão gerados, na medida em que os consumidores usam Apps e os dispositivos continuam a aprender sobre eles.

5- Gestão de armazenamento - O impacto na infraestrutura de armazenamento é outro fator que contribui para a demanda crescente por mais capacidade e um dos que deverá ser resolvido, pois estes dados se tornam mais presentes. O foco atual precisa ser na capacidade de armazenamento, bem como, em saber se o negócio é capaz de coletar e usar dados da Internet das Coisas de uma maneira efetiva em termos de custos.

6- Tecnologias de servidores - O impacto da Internet das Coisas no mercado de servidores será amplamente focado no investimento crescente em segmentos chave e organizações relacionadas a eles, nos quais a Internet das Coisas possa ser rentável ou gere valor significativo.

7- Rede de Data Center - Os links WAN nos data centerd são dimensionados para as necessidades de largura de banda moderada, geradas por interações humanas com aplicações. A Internet das Coisas deve mudar esses padrões ao transferir grandes volumes de dados de sensores de mensagens pequenas ao data center para processamento, aumentando as necessidades por largura de banda de entrada no data center.

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IoT�Tendências

SmartGrid, investimentos de US$ 275 bilhões nos próximos 10 anos nos BRICS.

Cidades Inteligentes, gerenciamento das utilidades nas grandes cidades.

Consumidor, segundo Times, expectativa de gastos com dispositivos vestíveis cresceu 35% em 2014.

1. SmartGrid:��O investimento em infraestrutura de SmartGrid (ou seja, as rede elétricas inteligentes) nos países emergentes, incluindo Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul, alcançará US$ 275 bilhões nos próximos 10 anos. Esse investimento será destinado a reduzir furto de energia, melhorar a confiabilidade e incluir as energias renováveis ??nas redes de eletricidade. O estudo ?Anual Emerging Markets Smart Grid: Outlook 2014? constatou que os investimentos incluirão sensores inteligentes e avanços das redes de transporte e distribuição. Só em 2014, espera-se a instalação de novos 5,6 milhões de medidores inteligentes, boa parte deles no Brasil.��2. Cidades Inteligentes:��Barcelona, a partir dos jogos Olímpicos de 1992, sofreu uma transformação urbana e econômica que tornou a capital da Catalunha uma das cidades mais importantes não apenas da Espanha, como da Europa. Além da revitalização de áreas importantes, como a região portuária (sonho do Rio de Janeiro para 2016), mais recentemente houve um direcionamento político para transformar Barcelona em uma cidade inteligente, por meio da adoção de diversos projetos com um uso intensivo de tecnologia e internet. Um exemplo é um sistema para gerenciamento inteligente do lixo, em que sensores são instalados em lixeiras públicas, permitindo ao centro de operações da prefeitura ter informações em tempo real sobre o quão cheias as lixeiras estão e sobre os odores dissipados (os parâmetros são configuráveis), otimizando as rotas de coleta do lixo, melhorando a qualidade de vida e reduzindo drasticamente os custos de operação. Os sensores se conectam via rede Wi-Fi pública espalhada pela cidade. A partir da conclusão deste e de outros projetos, como o de iluminação pública inteligente, Barcelona espera economizar mais de 3 bilhões de euros graças à redução de custos de operação e aumento de eficiência.��Outro tipo de projeto que deve virar realidade em 2014 são os chamados ?estacionamentos públicos inteligentes?. Cidades como Santander, Budapeste, Estocolmo, Amsterdã, Cingapura, Taipei e São Francisco têm projetos de ?Smart Parking?, que são sensores instalados nas ruas para otimizar o estacionamento público. Cidades brasileiras, como o Rio de Janeiro, devem implementar sistemas similares em 2014.��A instalação de sensores para detecção de disparos, sistemas de medição de ruídos e câmeras para vigilância pública também está na pauta das cidades brasileiras para 2014.�3. Consumidor:��Segundo matéria publicada na revista Times no final do ano passado, a expectativa é que a venda de roupas inteligentes e conectadas movimente US$ 606 milhões em 2014. Isso significa um salto de aproximadamente 35% no mercado da chamada ?internet vestível? em relação aos números de três anos atrás.��Pulseiras de monitoração corporal, óculos inteligentes (Google Glass), relógios inteligentes, entre outros equipamentos eletrônicos ?usáveis?, passarão a integrar a nossa lista de compras e consumo em 2014. Nossas casas estarão cada vez mais conectadas, e o mercado tem apostado nisso. Recentemente, o Google fez uma aposta na Internet das Coisas ao pagar US$ 3,2 bilhões pela Nest Labs, fabricante de termostato inteligente, um esforço para definir sua posição no mercado de dispositivos residenciais conectados à internet.��Na feira CES (Consumer Eletronics Show) de 2014, muitas empresas exibiram opções inteligentes de eletrodomésticos que fornecem alguma forma de controle pela internet ou de análise de dados pelos proprietários. Ao conectar sensores de dados e objetos, os fabricantes de eletrônicos de consumo esperam que seus clientes tenham uma vida mais fácil. Alguns desses equipamentos eletrônicos estarão disponíveis ainda em 2014.�

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Complexidade é a ciência do século XXI.

Stephen Hawking