ACO Codes

Implementações baseadas em Ant Colony Optimization (ACO) aplicadas a problemas de otimização contínua, agricultura 4.0 e qualidade da energia elétrica.

O repositório contém três aplicações principais:

1. aco_x2.py — Minimização da função f(x)=x² (exemplo didático)
2. aco_agro.py — Otimização de insumos hídricos e nitrogenados em culturas agrícolas (melão e alface-americana)
3. aco_eletrica.py — Estimação harmônica em sinais elétricos com ACO contínuo (ACOR)

---

Instalação

Requisitos

• Python 3.12+
• PDM (gerenciador de pacotes Python)

Passos

git clone https://github.com/RafaelBahiense/aco_codes.git
cd aco-codes
pdm install

---

Estrutura geral

src/
 ├── aco_x2.py      # ACO 1D para f(x)=x²
 ├── aco_agro.py    # ACO 2D para funções de produção agrícolas
 ├── aco_eletrica.py # ACOR para estimação de harmônicos elétricos
docs/
 └── ...            # Documentação técnica detalhada
outputs/
 ├── *.csv          # Histórico das iterações
 ├── *.png          # Gráficos de convergência / reconstrução / espectro / superfícies
 └── *.json         # Metadados com melhor solução e informações do experimento

---

aco_x2.py: ACO 1D (Função Quadrática)

Script simples para validar o comportamento do ACO na minimização de uma função contínua:

$$ f(x) = x^2 $$

Uso via CLI

pdm run x2 --iterations 150 --plot --verbose

Flag	Descrição	Padrão
--iterations	Iterações	100
--n_ants	Formigas	50
--evaporation_rate	Taxa de evaporação	0.9
--early_stop_threshold	Parada antecipada	1e-5
--upper_bound	Limite superior	10.0
--lower_bound	Limite inferior	-10.0
--plot	Exibe gráfico	False
--save_plot	Caminho para salvar gráfico	plots/aco_progress.png

---

aco_agro.py: ACO 2D (Agricultura 4.0)

Algoritmo de colônia de formigas 2D aplicado à otimização de água (w) e nitrogênio (n) em culturas agrícolas.

Modelos disponíveis

Cultura	Função de produção (rendimento y)	Intervalos (w, n)
Meloeiro	(y = 34.16737n + 70.77509w - 0.05781w^2 - 0.07612n^2)	(0–700 mm, 0–350 kg N/ha)
Alface-americana	(y = -12.49 + 388.1w - 6.02n - 1.042w^2 - 0.04563n^2 + 0.1564wn)	(0–250 mm, 100–240 kg N/ha)

Função-objetivo

$$ R(w,n) = p_y \cdot y(w,n) - c_w \cdot w - c_n \cdot n $$

onde:

• (p_y) é o preço do produto (R$/kg),
• (c_w) e (c_n) são custos unitários de água e nitrogênio.

---

Uso via CLI

pdm run agro --crop melon --objective revenue

Flag	Descrição	Padrão
--crop	lettuce ou melon	melon
--objective	revenue (receita líquida) ou yield (produtividade)	revenue
--iters	Iterações	1000
--ants	Formigas por iteração	200
--alpha	Peso do feromônio (τ^α)	1.0
--beta	Peso da heurística (η^β)	1.0
--rho	Evaporação (0–1)	0.1
--q	Escala do depósito	1.0
--elitist_weight	Reforço no melhor global	2.0
--topk_fraction	Fração dos melhores que depositam	0.2
--seed	Semente aleatória	42
--out_dir	Diretório de saída	outputs/

---

Exemplos de execução

Meloeiro — receita líquida

pdm run agro --crop melon --objective revenue --iters 1000 --ants 200

Meloeiro — produtividade

pdm run agro --crop melon --objective yield

Alface-americana — receita líquida

pdm run agro --crop lettuce --objective revenue

---

aco_eletrica.py: ACOR para Estimação Harmônica

Algoritmo de ACO para domínios contínuos (ACOR) aplicado à estimação dos parâmetros harmônicos de sinais elétricos de tensão e corrente. O código replica os cenários sintéticos de Rabêlo et al. (2011), com componente contínua (CC) de decaimento exponencial e 7 harmônicos.

Modelo do sinal

$$ x(t) = x_0 e^{-\lambda t} + \sum_{k=1}^{N_h}\left[a_k\cos(k\omega_0 t) + b_k\sin(k\omega_0 t)\right] $$

O vetor estimado pelo ACOR segue a ordem:

[x0, lambda, Ac_1, As_1, ..., Ac_7, As_7]

Sinais disponíveis

Sinal	Origem	Descrição
voltage	Rabêlo et al. (2011)	Forma de onda sintética de tensão com 7 harmônicos
current	Rabêlo et al. (2011)	Forma de onda sintética de corrente com 7 harmônicos

Uso via CLI

pdm run python src/aco_eletrica.py --signal voltage --samples 64 --iters 3000

pdm run python src/aco_eletrica.py --signal current --samples 64 --iters 3000

Flag	Descrição	Padrão
--signal	voltage (tensão) ou current (corrente)	voltage
--samples	Amostras na janela de 1 ciclo	64
--k	Tamanho da memória de soluções do ACOR	50
--ants	Soluções geradas por iteração	30
--q	Pressão de seleção / localidade	0.1
--xi	Velocidade de convergência (espalhamento da busca)	0.85
--iters	Número máximo de iterações	1000
--noise_snr	SNR do ruído de medição em dB	None
--seed	Semente aleatória	42
--out_dir	Diretório de saída	outputs/

Exemplos de execução

Tensão — cenário comparável ao Rabêlo et al. (2011)

pdm run python src/aco_eletrica.py --signal voltage --samples 64 --iters 3000 --seed 42 --out_dir outputs

Corrente — cenário comparável ao Rabêlo et al. (2011)

pdm run python src/aco_eletrica.py --signal current --samples 64 --iters 3000 --seed 42 --out_dir outputs

Tensão com ruído gaussiano

pdm run python src/aco_eletrica.py --signal voltage --samples 64 --iters 3000 --noise_snr 30

Comparação com Rabêlo et al. (2011)

O código calcula:

• resultado do ACOR proposto;
• resultado da TDF local;
• erro percentual por parâmetro;
• RMSE da reconstrução.

Os valores publicados por Rabêlo et al. (2011) para PSO e TDF são mantidos como baseline bibliográfico no arquivo *_meta.json. O PSO não é reimplementado neste script.

Saídas geradas

Cada execução gera arquivos com prefixo eletrica_{signal}_ em --out_dir:

Tipo	Arquivo	Descrição
CSV	*_history.csv	Histórico de convergência por iteração
PNG	*_convergence.png	Curva de convergência do RMSE
PNG	*_reconstruction.png	Sinal de referência × ACOR × TDF
PNG	*_spectrum.png	Magnitudes harmônicas estimadas
JSON	*_meta.json	Melhor solução, erros, baseline e metadados

---

Saídas geradas

As aplicações geram automaticamente arquivos em outputs/ ou no diretório definido por --out_dir:

Tipo	Arquivo	Descrição
CSV	*_history.csv	Histórico por iteração
PNG	*_convergence.png	Curva de convergência
PNG	*_heatmap.png	Mapa de contorno da função agrícola
PNG	*_surface3d.png	Superfície 3D agrícola
PNG	*_reconstruction.png	Reconstrução do sinal elétrico
PNG	*_spectrum.png	Espectro harmônico estimado
JSON	*_meta.json	Metadados e melhor solução

---