Engenharia de sistemas complexos

10.1590/s0103-40142017.3191018 Engenharia de sistemas complexos JOSÉ ROBERTO CASTILHO PIQUEIRA I e SÉRGIO MASCARENHAS DE OLIVEIRA II Introdução O rompimento da barragem, ocorrido recentemente em Mariana (MG), coloca para a engenharia algumas perguntas de relevância que vão desde o trato de questões ambientais até aquelas relativas ao monitoramento e manutenção de sistemas operantes, com riscos à população. A engenharia brasileira, de extrema competência e provida de especialistas de alto nível dentro e fora das universidades, por problemas econômicos e políticos é, de maneira geral, lembrada apenas quando essas grandes catástrofes acontecem. Grandes catástrofes, entretanto, têm o lado positivo de obrigarem que ações preventivas e melhorias operacionais sejam buscadas e implementadas. Todos sabem que o malogro em uma missão de treinamento em 1967 levou os Estados Unidos a aprimorarem seu programa espacial, levando-os à Lua, em 1969. Isso, entretanto, não impediu outra catástrofe em missão espacial, nos anos 1980, indicando que os riscos andam junto com a engenharia e a tecnologia. A tragédia em um voo Brasil-França, no Aeroporto de Orly, em 1973, levou à proibição do acendimento de cigarros e similares em todo e qualquer tipo de viagem aérea. Mas o progresso da aviação não nos leva à total segurança, fato amplamente conhecido e fundamentado nos desastres aéreos que ocorrem com relativa frequência. Esses eventos nos levam a pensar se não é possível melhorarmos nossos modelos de análise de riscos e previsões de catástrofes fazendo uso da grande quantidade de dados disponíveis e das facilidades computacionais e de seu processamento e identificação. Mais ainda, se esses fenômenos aparentemente inesperados não têm um elo comum. Assim, a queda de um avião, o rompimento de uma barragem, um acidente vascular-cerebral, um congestionamento urbano, o pânico em uma multidão ou uma mutação genética talvez possam ser modelados e estudados com uma abordagem comum, originária dos conceitos relativos aos sistemas dinâmicos complexos. É dessa ideia que este ensaio trata, buscando estabelecer um tipo de engenharia, de origem multi e transdisciplinar, considerando as dinâmicas não li- ESTUDOS AVANÇADOS 31 (91), 2017 249 neares e caóticas dos sistemas físicos e biológicos, combinadas com a imensa capacidade computacional hoje disponível. Origens da engenharia dos sistemas complexos A engenharia acompanha o ser humano desde suas origens. A obtenção do fogo, de vestimentas, habitações e o tratamento de metais para a construção de armas e ferramentas permitiu a sobrevivência da espécie. Os romanos construíram aquedutos, estradas, barragens, pontes, sistemas de distribuição de águas e de coleta de esgotos em palácios, antes de a física se estabelecer como ciência. A atividade da engenharia era vista como intelectualmente menor, própria dos artífices e artesãos, que passavam seu conhecimento sem preocupação com sistematização ou metodologia. Pertencia ao mundo dos trabalhadores braçais, e os intelectuais preocupavam-se com questões filosóficas e metafísicas. Os exércitos, entretanto, perceberam a importância da engenharia para as batalhas e a arte de construir passou a ser sistematizada, com seu ensino incorporado ao treinamento de oficiais de maior patente. As escolas de navegação foram decisivas para os descobrimentos, nos século XV e XVI. O domínio das técnicas de construção naval e da prática de conduzir navios tornou-se essencial para as nações que procuravam expandir suas fronteiras e buscar riquezas. Essa era a engenharia até o final do século XVII: técnicas de construção de pontes, dutos, armas e navios, reproduzindo os traços empíricos herdados das gerações anteriores, restritas ao âmbito militar. Nesse contexto, já se desenhava a complexidade nos trabalhos de caráter prático, envolvendo grandes estruturas e um considerável desconhecimento das condições possíveis de operação. As Leis de Newton, que haviam sido propostas no início do século XVIII, deixaram de ser vistas apenas como filosofia da natureza, sendo incorporadas aos trabalhos de engenharia, que ganharam contornos de sistematização, com as construções sendo pensadas como projetos. Assim, durante o século XIX, a engenharia passou a combinar o empirismo com os princípios físicos e químicos e, com a ajuda da matemática, produziu materiais mais eficientes, utilizados nas construções, na agricultura e nos ambientes domésticos. O entendimento da termodinâmica levou à construção de ferrovias, transportando o progresso e povoando locais remotos, além da possibilidade de construir máquinas, iniciando a industrialização macanizada. No final do século XIX e início do século XX, o fenômeno da indução eletromagnética, relatado por Michael Faraday, permitiu o transporte e o provimento de grandes blocos de energia e a implementação de circuitos para a comunicação a distância. 250 ESTUDOS AVANÇADOS 31 (91), 2017 Assim, apoiados nas ciências, grandes desafios foram enfrentados com sucesso: estradas, pontes, eletrificação, automóveis, rádio e televisão, computadores, laser e fibras ópticas, telefone, exploração do espaço, aviões são as maravilhas que, em pouco mais de 50 anos revolucionaram nossas vidas. Olhando de perto, todas as técnicas de projeto dessas maravilhas baseiam-se em simplificações da realidade e, diante do desconhecido, fatores de segurança são introduzidos, com uma grande contribuição da teoria de probabilidades e dos processos estocásticos. Do progresso tecnológico descrito nascem os sistemas complexos ou os “sistemas de sistemas” cada vez mais presentes no cotidiano. Para o bem, com os algoritmos computacionais das redes neurais, por exemplo, e, para o mal, com os surpreendentes acidentes. Apesar de todo conhecimento acumulado, deparamos, diariamente, com a surpresa chamada, em linguagem técnica, de emergência. Isto é, quando partes se reúnem formando um todo, comportamentos que não são meras superposições de comportamentos individuais aparecem. Outro fator a ser considerado é a extrema sensibilidade às condições iniciais que alguns sistemas apresentam. Pequenas perturbações em sistemas aparentemente robustos geram comportamentos muito diferentes dos esperados. Essas são as duas características fundamentais dos sistemas complexos: emergência e sensibilidade às condições iniciais. Na próxima seção, essas ideias serão apresentadas no contexto de trabalhos seminais realizados durante o século XX. Os caminhos da engenharia dos sistemas complexos Há uma grande diversidade na identificação das origens do estudo dos sistemas complexos, pois os pesquisadores que se dedicaram ao assunto, consciente ou inconscientemente, são de origens tão variadas que o que se sabe hoje é quase uma criação coletiva de toda comunidade científica. Entretanto, os passos iniciais foram dados pelo matemático francês Henri Poincaré (1854-1912), que, ao estudar o problema dos três corpos (Poincaré, 1981), mostrou que sistemas determinísticos, (...truncated)