Agrosoft 97: TOMEX-UFV: Um sistema especialista para diagnose de doenças do tomateiro

Edson Ampélio Pozza
e32980@alunos.ufv.br
Universidade Federal de Viçosa
Depto. de Fitopatologia, 36571-000, Viçosa-MG
Tel. 031-899-1089

Luis Antonio Maffia
lamaffia@mail.ufv.br
Universidade Federal de Viçosa
Depto. de Fitopatologia, 36571-000, Viçosa-MG
Tel. 031-899-1089

Carlos Arthur B. da Silva
carthur@mail.ufv.br
Universidade Federal de Viçosa
Depto. de Tecnologia de Alimentos, 36571-000, Viçosa-MG
Tel. 031-899-2292

José Luis Braga
zeluis@dpi.ufv.br
Universidade Federal de Viçosa
Depto. de Informática, 36571-000, Viçosa-MG
Tel.031-899-1172

Fabian Gama Cerqueira
fgama@ngm.br.xerox.com
Universidade Federal de Viçosa
Depto. de Informática, 36571-000, Viçosa-MG
Tel.031-899-1172

O TOMEX-UFV é um sistema especialista (SE) construído a partir da organização do conhecimento de especialistas na diagnose de doenças do tomateiro. O SE objetiva dar apoio a técnicos da extensão na tomada de decisão, e auxiliar docentes e pesquisadores, como ferramenta educativa. A construção de um SE requer várias fases, as quais incluem a aquisição do conhecimento, a construção do protótipo, o desenvolvimento do SE completo e a avaliação do sistema. O TOMEX-UFV encontra-se na fase de avaliação. O conhecimento foi organizado de forma hierárquica, pôr meio de uma árvore de conhecimento. O sistema é de fácil utilização e altamente interativo. Os diagnósticos são acompanhados do nível de confiança a ser depositado na resposta. O SE contém 78 perguntas e 111 regras, as quais auxiliarão no diagnóstico de 25 doenças de causas parasitárias e de 9 desordens nutricionais. O protótipo, desenvolvido em ambiente atual, possibilitará ao usuário em caso de dúvida, o acesso a um menu de ajuda com um glossário de termos e várias fotografias de sintomas. Ao chegar a um diagnóstico, ao usuário apresentar-se-ão fotografias e uma breve descrição da enfermidade. O SE teve um índice de acerto nas diagnoses de 95,8 % no processo de avaliação, contando com a participação de 30 usuários, os quais realizaram o diagnóstico de 11 enfermidades do tomateiro.

Sistemas especialistas, Tomate (Lycopersicum esculetum), diagnose, fitodoenças

TOMEX-UFV is a expert system (ES) based in a knowledge organization of experts in diagnosis of tomato diseases. The ES is a important tool to support systems for agronomist, researchers and teachers. The development of a ES have many phases: i)Knowledge acquisition, ii)prototype building, iii)development of a complete ES and iv)system evaluation. TOMEX-UFV is a evaluation phase. The organization Knowledge was organized of hierarquic form. This system is simple and interactive. The diagnosis have a level of confidence. ES have 78 questions and 111 rules. The rules to help in a diagnosis of 25 diseases and 9 desorders. The prototipe was developed in actual environment. Have a help with the glossary terms and photographs of the sintoms. In the evaluation 30 usuary was analised for 11 diseases. ES was obtained 95,8 % of the correct diagnosis.

O tomateiro, segundo estatísticas da FAO (1995), ocupa o terceiro lugar entre as hortaliças quanto ao volume de produção mundial, com 77.540.000 ton. colhidas em 1994, superado somente pelos correspondentes à batata e batata-doce. A produção mundial do tomateiro, só não é maior devido a grande quantidade de pragas e doenças que ocorrem na cultura. As doenças, na maioria das vezes, causam maiores perdas, alcançando os prejuízos uma grande porcentagem do potencial produtivo (Maranca, 1981). Devido ao grande número de doenças e a grande variabilidade nos sintomas, muitas vezes é difícil a diagnose de uma doença do tomateiro no campo, mesmo para pessoas bem treinadas.

Em razão da falta de conhecimento e diagnósticos errados muitos produtores têm utilizado de forma indiscriminada diversos agroquímicos, na tentativa de combater doenças, que muitas vezes são impossíveis de ser controladas com determinada estratégia de manejo, colocando em risco a saúde dos agricultores e consumidores de tomate, além de agredir o ecossistema. O conhecimento, para a diagnose de doenças, pode estar disponível aos agricultores na forma de livros, apostilas, fitas de vídeo e também em programas de computador.

Dentro da informática uma ferramenta capaz de tratar de forma eficiente o conhecimento são os sistemas especialistas (S.E.), um ramo da inteligência artificial (Huggins et al, 1986;Jackson, 1990). Segundo Edward A. Feigenbaum, um dos pioneiros no desenvolvimento de S.E., estes são programas que usam o conhecimento e simulam a lógica da decisão para resolver problemas de difícil solução, somente resolvidos por especialistas (Jackson, 1990). A diagnose é uma aplicação tradicional dos sistemas especialistas nas mais diversas áreas da ciência (Crassweller, 1992; Doluschitz & Schimisseur, 1988).

De acordo com os pontos observados acima os objetivos da pesquisa foram adquirir e organizar conhecimento para a diagnose de doenças do tomateiro e desenvolver um sistema especialista para dar apoio a técnicos da extensão, na tomada de decisão e no auxilio de docentes e pesquisadores, como ferramenta educativa.

O desenvolvimento do sistema especialista foi dividido em seis fases distintas: 1-Seleção do problema, 2-desenvolvimento do protótipo, 3-Desenvolvimento do S.E. completo e 4-Avaliação.

O sistema especialista foi desenvolvido no Laboratório de Epidemiologia do Departamento de Fitopatologia (DFP) da Universidade Federal de Viçosa (UFV). Foi utilizado um computador IBM PC 350 com chip INTEL Pentium 75, com velocidade de processamento interno de 75 Mhz, 16 MB de memória RAM, monitor SVGA colorido com placa de vídeo de 2 Mega pci e dois discos rígidos, com capacidade de 1 e 0,54 Giga, respectivamente.

O conhecimento foi adquirido por meio de entrevistas (Firlej & Helens, 1991). Porém antes das entrevistas, foram consultados livros, apostilas e periódicos, para incorporar e atualizar os conhecimentos do entrevistado. Para a construção da base de conhecimentos foi realizada uma série de entrevistas com um especialista em doenças do tomateiro do Centro Nacional de Pesquisas de hortaliças (CNPH) da Empresa Brasileira de Pesquisas Agropecuárias (EMBRAPA) e dois professores do DFP da UFV. Após a aquisição do conhecimento, este foi organizado em árvores de forma hierárquica, dividido em módulos e sub-módulos.

A última versão do protótipo foi utilizada para a construção da interface em linguagem DELPHI, que possibilitou uma melhor qualidade na utilização de recursos gráficos e de tela, como fotografias e ícones, respectivamente. Além disso, foi extraído do especialista e dos membros da equipe de desenvolvimento o nível de confiança depositado em suas respostas, de acordo com o conhecimento utilizado na diagnose, e posteriormente adicionado ao sistema. As fotografias e o comando de ajuda também foram incorporados ao programa nesta fase.

Para a avaliação do sistema foram realizadas as etapas de verificação e validação segundo as metodologias citadas por Geissman & Schultz (1988) e Harrison (1991) as quais sofreram algumas modificações de acordo com os cenários a serem avaliados. Para a verificação, o S.E. foi submetido a uma análise por 6 especialistas em doenças do tomateiro.

A validação do programa foi realizada com 3 grupos de 10 pessoas cada um, com níveis de conhecimento diferentes, quais sejam: i) alunos de graduação em agronomia que cursaram a disciplina fitopatologia 2, ii) engenheiros agrônomos, alunos de pós-graduação em fitopatologia e iii) engenheiros agrônomos, alunos de pós-graduação em outras áreas, com experiência na área agrícola e pouco ou nenhum conhecimento em doenças do tomateiro.

O sistema foi dividido de acordo com o orgão vegetativo do hospedeiro e por meio do diagnóstico visual tenta chegar a uma resposta com um determinado nível de confiança. Para o auxílio ao diagnóstico foram utilizados atributos como: i) características das lesões (tamanho, forma e cor) e também a presença de sinais do patógeno, como micélio e escleródios.

Na Figura 1 encontra-se o fluxograma que especifica os módulos e sub-módulos de acesso ao sistema desenvolvido, denominado de TomEx-UFV. O usuário informa inicialmente ao sistema onde está localizado o sintoma e então pode navegar por três módulos, quais sejam: i) Folhas e/ou ramos (incluindo sintomas causados por patógenos sistêmicos) ii) Fruto e iii) Raiz.

No processo de verificação foram consultados 6 especialistas em doenças do tomateiro, ou seja, pesquisadores que trabalham ou já tiveram um grande contato com doenças da cultura. Foram testados 22 cenários, de quatro a seis vezes, com um total de 105 ensaios (Quadro 7). O sistema especialista obteve 96 (91,4%) de acerto enquanto os especialistas acertaram 91 (86,7%) do diagnósticos. A média da confiança nas respostas do S.E. foi de 81,51% com um desvio padrão médio igual a cinco. Os menores fatores de confiança obtidos foram os relativos a respostas do sub-módulo mosaico, encarquilhamento, arroxeamento em praticamente toda a planta, quais sejam: vira cabeça na planta, mosaico dourado, mosaico e deficiência de P. A pinta preta nos frutos e a pinta bacteriana também obtiveram baixos fatores de confiança com um grande desvio padrão. O S.E. teve dificuldades em realizar o diagnóstico de quatro doenças:
i) vira-cabeça nos frutos (50% de acerto), ii) mosaico (83,3), iii) deficiência de N (75%) e iv) septoriose (40%). Os especialistas erraram principalmente nos diagnósticos de vira-cabeça no fruto (66,7 % de acerto) e na planta (75), pinta preta nos frutos (75), mosaico (83,3), pinta bacteriana (66,7), murcha-de-verticílio (50) e lóculo aberto (25).

O maior número de erros dos especialistas foi em relação ao problema fisiológico lóculo aberto, geralmente os fitopatologistas atribuem a esta desordem causas patológicas, devido a serem tendenciosos em relação a sua especialidade. Assim como na rotina de laboratório a maior incerteza e os maiores erros do sistema foram associados ao sub-módulo referente a identificação de deficiências e viroses. É extremamente difícil em determinadas situações o especialista chegar a uma conclusão sobre estas doenças, sem antes realizar testes de laboratório e inoculação em plantas indicadoras. Esta mesma dificuldade foi transmitida dos especialistas para o programa.

De acordo com o teste de qui-quadrado a 5% de probabilidade a proporção de 90% ou mais de acerto na diagnose (Hipótese H₀) foi significativa, isto é, o sistema foi eficaz no diagnóstico de doenças do tomateiro.

De acordo com o teste de validação verificou-se que o programa teve um índice de acerto de 95,8% enquanto os usuários obtiveram 35,2% em relação ao total de diagnósticos. Os maiores erros do sistema, com 86,7% foram em relação a mancha de estenfílio (Stemphilium sp) e ao mosaico comum (TMV).

Segundo o teste Qui-quadrado a 1% de probabilidade em todas as 11 enfermidades o programa realizou um diagnóstico confiável e a variação na porcentagem de acerto entre as 11 enfermidades não foi significativa. Os menores fatores de confiança foram obtidos para o TMV (70), rachaduras concêntricas (70) e deficiência de N (70). No quadro 9 pode ser observado que os resultados do TomEx não variaram para os 3 diferentes níveis de conhecimento. O Qui-quadrado foi altamente significativo (1%), comprovando este resultado. De acordo com o mesmo quadro, nos três níveis de conhecimento o programa obteve um índice de acerto igual ou superior a 95%. A média e o S² do fator de confiança não variaram entre o três níveis.

Nível de conhecimento	Número de diagnósticos corretos				Fator de confiança			X² calculado
Nível de conhecimento	Aluno	%	Tomex	%	Média	S²	Máximo	X² calculado
Graduação	26	23,6	105	0,95	81,33	10,45	95	0,36**
Pós-graduação fitopatologia	61	55,5	106	0,96	81,37	10,39	95	0,49**
Pós-graduação outras áreas	29	27,3	105	0,95	80,9	10,05	95	0,36**
Total	116	35,2	316	95,8

Foi observado durante a execução do programa que os alunos com maior experiência em doenças de plantas, principalmente os da área de pós graduação em fitopatologia têm uma grande tendência a pré-concepção das características dos sintomas, isto é, este grupo de usuários não entrava no programa com as características dos sintomas observados no material coletado e sim com aqueles já conhecidos pôr eles, mesmo que não estivessem presentes no material enfermo. A maioria dos sistemas especialistas desenvolvidos para a diagnose de fitodoenças utilizou na etapa de validação somente um nível de conhecimento, ou seja estudantes de pós-graduação foram avaliados junto com estudantes de graduação, o que segundo observado na validação do TomEx-UFV pode inferir em erros.

Edson Ampélio Pozza - Graduado em agronomia, formado em 1991, pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU), concluiu o mestrado na área de Fitopatologia em 1994 na Universidade Federal de Lavras. Atualmente realiza o curso de doutorado na Universidade Federal de Viçosa (UFV) e é professor substituto na UFU.

Luiz Antonio Maffia - Graduado em agronomia, formado em 1974, pela UFV, concluiu o mestrado em 1977 na mesma universidade, PhD em 1985 pela University of Florida. Atualmente é professor titular de Epidemiologia do Departamento de Fitopatologia-UFV e realiza pós-doutorado na University of Florida-USA.

Carlos Arthur B. da Silva - Bacharel em Ciências Econômicas pela UFRJ, 1976, mestrado em Economia Agrícola pela UFV em 1979, PhD em Economia Agrícola em 1981 pela Michigan State University-USA e Pós-PhD em Economia Agrícola em 1990 pela University Hockenheim-Alemanha. Atualmente é professor titular do Departamento de Tecnologia de Alimentos.

José Luis Braga - Graduado em Engenharia Elétrica pelo IPUC/UCMG, 1976, tem Mestrado em Ciência da Computação pelo DCC/UFMG, 1981 e Doutorado em Informática pela PUC/Rio, 1990. Atualmente é professor Adjunto do Departamento de Informática da UFV.

Fabian Gama Cerqueira - Bacharel em Informática pela UFV, 1996. Atualmente é analista de sistemas da XEROX do Brasil.