MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA SYSTEMÓW

WIELOKRYTERIALNEGO WSPOMAGANIA

DECYZJI W OCENACH ODDZIAŁYWANIA NA

ŚRODOWISKO

Wiktor Treichel

Zakład Informatyki i Badań Jakości

Środowiska

Wydział Instalacji Budowlanych,

Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska

Politechnika Warszawska

I konferencja Naukowo-Techniczna

„Technologie informatyczne w ochronie i kształtowaniu środowiska”

Warszawa,17 stycznia 2017 r

Wydział Instalacji Budowlanych,

Hydrotechniki i Inżynierii ŚrodowiskaPolitechnika Warszawska

PLAN PREZENTACJI

Miejsce i rola systemów wspomagania decyzji w OOŚ

Metodyka i narzędzia wielokryterialnego wspomagania

decyzji

Warianty, kryteria, preferencje decydenta

Agregacja preferencji do Globalnego Modelu Preferencji

Decydenta

Przykłady zastosowania wielokryterialnych systemów

wspomagania decyzji w OOŚ

Wybór wariantu trasy inwestycji drogowej (np. obwodnicy

miejskiej)

Wybór scenariusza postępowania z odpadami komunalnymi

Wybór najlepszego wariantu lokalizacyjno – technologicznego

ZTPOK

Podsumowanie i wnioski

2/28

„Technologie informatyczne w ochronie i kształtowaniu środowiska”

MIEJSCE I ROLA SYSTEMÓW WSPOMAGANIA

DECYZJI W OOŚ

Przy opracowywaniu Ocen Oddziaływania na

Środowisko konieczne jest wszechstronne,

wielokryterialne ocenienie różnych oddziaływań

planowanego przedsięwzięcia.

W raporcie OOŚ wymagane jest rozważenie

alternatywnych wariantów realizacji

przedsięwzięcia (w tym tzw. wariantu zerowego) i

wskazanie wariantu najkorzystniejszego dla

środowiska

Zatem naturalnym narzędziem do wykorzystania w

procesie OOŚ stają się systemy wspomagania

decyzji i metody analizy wielokryterialnej.3/28

MIEJSCE I ROLA SYSTEMÓW WSPOMAGANIA

DECYZJI W OOŚ

4/28

• Ustrukturyzowanie informacji o problemie decyzyjnym poprzez

zdefiniowanie wariantów decyzyjnych oraz kryteriów oceny.

Dodatkowo w procesie budowany jest model preferencji decydenta,

uwzględniający hierarchię wartości decydenta np. administratora

publicznego czy przedsiębiorcy oraz innych istotnych uczestników

procesu decyzyjnego tzw. interesariuszy;

• Dostarczenie informacji o możliwym oddziaływaniu wariantów

decyzyjnych, poprzez określenie tzw. macierzy ocen dla wariantów

względem odpowiednich kryteriów. Macierz ocen pozwala

wyartykułować i przedstawić wszystkim uczestnikom procesu

decyzyjnego wady i zalety poszczególnych wariantów, przy czym

oceny te mogą mieć charakter ilościowy (obliczenia, prognozy itp.) lub

jakościowy (oceny eksperckie);

Najważniejsze zadania SWD:

MIEJSCE I ROLA SYSTEMÓW WSPOMAGANIA

DECYZJI W OOŚ

5/28

• Możliwość włączenia wszystkich istotnych uczestników

(interesariuszy) do procesu decyzyjnego, co ma decydujący wpływ na jego

transparentność. SWD pozwalają na uwzględnienie w rozwiązaniu

problemu decyzyjnego preferencji różnych grup społecznych

zainteresowanych decyzją;

• Ułatwienie procesu konsultacji i negocjacji między decydentem

a interesariuszami. Wybór najbardziej korzystnego wariantu,

uwzględniający konsultacje społeczne, zmniejsza ryzyko konfliktu

oraz zwiększa przekonanie wszystkich zainteresowanych stron do

słuszności podjętej decyzji;

• Umożliwienie systematycznego udokumentowania procesu

decyzyjnego. Poprzez szczegółowe udokumentowanie każdego etapu w

procesie decyzyjnym analityk (firma konsultingowa) może przedstawiać

decydentowi i interesariuszom przesłanki i argumenty do każdej

decyzji.

METODYKA I NARZĘDZIA

WIELOKRYTERIALNEGO WSPOMAGANIA DECYZJI

6/28

Metody analizy wielokryterialnej przeznaczone są do rozwiązywania zadań z

określoną skończoną liczbą wariantów aiA ocenianych za pomocą wielu kryteriów fj

. Matematycznie:

gdzie A jest skończonym zbiorem n wariantów, fj , j=1, 2,…k to kryteria oceny, a fj(a)

to wartość oceny wariantu a za pomocą kryterium fj

Oceny dla wszystkich wariantów można przedstawić w wielokryterialnej tablicy ocen

tzw. macierzy decyzyjnej:

Rozwiązaniem oczekiwanym przez decydenta jest znalezienie takiego wariantu, który

byłby najlepszy z punktu widzenia wszystkich kryteriów jednocześnie.

METODYKA I NARZĘDZIA

WIELOKRYTERIALNEGO WSPOMAGANIA DECYZJI

7/28

Jednakże, ze względu na konfliktowy charakter kryteriów w większości

problemów decyzyjnych, rozwiązanie najlepsze z punktu widzenia wszystkich

kryteriów jednocześnie nie istnieje (jest to tzw. rozwiązanie utopijne,

idealne).

Zatem celem wielokryterialnego wspomagania decyzji jest znalezienie

rozwiązania najlepszego kompromisu, które może być zaakceptowane przez

decydenta.

Ale do tego celu potrzebne są dodatkowe informacje o preferencjach i

priorytetach decydenta. Te informacje nie są zawarte w macierzy decyzyjnej i

muszą być pozyskane osobno.

Należy zauważyć, że jedynym obiektywnym (czyli bez uwzględniania preferencji

decydenta) rozwiązaniem wynikającym z macierzy decyzyjnej jest tzw. rozwiązanie

Pareto-optymalne (sprawne, efektywne, niezdominowane).

Def. Wariant a dominuje b wtedy i tylko wtedy, gdy a jest nie gorszy od b na

wszystkich kryteriach i ściśle lepszy na przynajmniej jednym kryterium.

Def. Wariant a nazywa się Pareto-optymalnym (sprawnym, niezdominowanym)

wtedy i tylko wtedy, gdy w zbiorze A nie istnieje wariant b, który go dominuje.

METODYKA I NARZĘDZIA

WIELOKRYTERIALNEGO WSPOMAGANIA DECYZJI

8/28

Modelowanie preferencji i Globalny Model Preferencji Decydenta

Dwa główne modele GMPD:

– metody wieloatrybutowej funkcji użyteczności lub wartości

zakłada się, że decydent podejmuje decyzje kierując się maksymalizacją

pewnej funkcji agregującej wszystkie kryteria. Ta funkcja nosi nazwę

funkcji użyteczności globalnej. Zadaniem analityka jest zbudować tę

funkcję.

Dwie formy funkcji użyteczności globalnej U(g(a)):

• addytywną, bazującą na sumie ważonej użyteczności cząstkowych; wagi

stanowią tu stopień istotności danego kryterium. Metody suma ważona, AHP,

MACBETH.

• multiplikatywną, będącą iloczynem użyteczności cząstkowych oraz

współczynników skalujących dane kryterium; użyteczność cząstkowa w tego typu

funkcji globalnej budowana jest poprzez modelowanie skłonności podejmującego

decyzję do ryzyka.

– metody relacji przewyższania

preferencje w tych metodach są modelowane przy użyciu binarnych relacji

przewyższania, S, co oznacza „przynajmniej tak dobre jak”. Warianty

są porównywane parami. Dla każdej z tych par wyznacza się liczbę

kryteriów sygnalizujących przewagę jednego wariantu nad drugim oraz

liczbę takich kryteriów, które wetują daną tezę. Metody z grupy

METODYKA I NARZĘDZIA

WIELOKRYTERIALNEGO WSPOMAGANIA DECYZJI

9/28

Struktura procesu wielokryterialnego wspomagania decyzji

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY MIEJSKIEJ

WOW – METODY ELECTRE 1S, PROMETHEE,

AHP

10/28

Cztery warianty przebiegu trasy:

W1, WIIIA, W2 i W3

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW

11/28

Kryteria oceny wariantów

Kryteria transportowe i komunikacyjne

Liczba pojazdokilometrów w obszarze analizy na dobę [103 poj·km]

Wartość traconego czasu na dobę [103 PLN/d]

Koszty transportu na dobę [103 PLN/d]

Koszt zanieczyszczenia środowiska na dobę [103 PLN/d]

Długość drogi [km]

Kryteria ekonomiczneKoszt budowy drogi [106 PLN]

Koszt wykupu terenu [106 PLN]

Koszt wykupu obiektów i odszkodowań [106 PLN]

Kryteria ochrony środowiska

przyrodniczego

Naruszenie obszarów chronionych (MPK) [ha]

Naruszenie otulin obszarów chronionych [ha]

Naruszenie projektowanych obszarów chronionych [km]

Długość przebiegu drogi przez tereny leśne [km]

Przecięcia szlaków migracji zwierząt dziko żyjących [szt]

Przecięcia terenów preferowanych przez płazy [km]

Przecięcia cieków wodnych [szt]

Kryteria przestrzenne i ochrony

środowiska społecznego

Liczba domów do wyburzenia [szt]

Liczba budynków mieszkalnych w odległości 0-50 m od

drogi[szt]

Liczba budynków mieszkalnych w odległości 0-100 m od

drogi[szt]

Powierzchnia gruntów do wywłaszczenia [ha]

Przecięcie struktur przestrzennych [km]

Przecięte nieodbudowane powiązania poprzeczne [szt]

Długość ekranów akustycznych [km]

Liczba naruszonych stref ochronnych wody pitnej [szt]

Bezp. Kolizje ze stan. Archeologicznymi [szt]

Kolizje z obowiązującym zagospodarowaniem

przestrzennym[szt]

Kolizje z planowanym zagospodarowaniem przestrzennym [szt]

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW

12/28

Scenariusze preferencyjne obejmują trzy wybrane profile preferencyjne:

Transportowcy, Samorządowcy i Ekolodzy

20.00

40.0030.00 30.00

20.00

20.00 40.00

26.67

20.00

15.00

10.00

15.00

40.00

25.00 20.0028.33

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Transportowcy Samorządowcy Ekolodzy Średnio

Transport Ekonomia Środow. przyrodn. Środow. społ.

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW – METODA ELECTRE 1SGraf finalny dla preferencji

Transportowców

Graf finalny dla preferencji Ekologów

Graf finalny dla preferencji Samorządowców

Graf finalny dla średnich preferencjiWierzchołki w grafach

• 1 – wariant W1

• 2 – wariant WIIIA

• 3 – wariant W2

• 4 – wariant W3

• 5 – warianty W1 + WIIIA

Macierz zgodności

13/28

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW – METODA PROMETHEE

14/28

Ranking końcowy dla preferencji Transportowców

Ranking końcowy dla preferencji Samorządowców

Ranking końcowy dla preferencji Ekologów Ranking końcowy dla średnich preferencji

W1 WIIIA

W2

W3

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW – ANALIZA WRAŻLIWOŚCI

PROMETHEE

15/28

Ruchome wagi

Graf GAIA

Przedziały stabilności

WYBÓR WARIANTU TRASY OBWODNICY

MIEJSKIEJ WOW – METODA AHP

16/28

Skala ocen Saaty’egoWartość Znaczenie oceny

9 Ekstremalna preferencja

7 Bardzo silna preferencja

5 Silna preferencja

3 Słaba preferencja

1 Równoważność

warianty W1 WIIIA W2 W3

W1 x 1 2 4

WIIIA x 1 5

W2 x 9

W3 x

Ranking końcowy dla preferencji Transportowców

Ranking końcowy dla preferencji Samorządowców

Ranking końcowy dla preferencji Ekologów

Ranking końcowy dla średnich preferencji

ZASTOSOWANIE SWD MACBETH PRZY WYBORZE

SCENARIUSZA POSTĘPOWANIA Z ODPADAMI

KOMUNALNYMI NA TERENIE BYDGOSKO-

TORUŃSKIEGO OBSZARU METR.

17/28

Scenariusz (1) - „Status quo”

Scenariusz (3) inwestycyjny

z termiczną obróbką

odpadów oraz

wykorzystaniem istniejącego

systemu

Scenariusz (2) inwestycyjny z

mechaniczno-biologicznym

przetwarzaniem odpadów,

termicznym wykorzystaniem frakcji

energetycznej oraz wykorzystaniem

istniejącego systemu

Etap 1 – Ustrukturyzowanie problemu decyzyjnego: warianty i kryteria

oceny

ZASTOSOWANIE SWD MACBETH PRZY WYBORZE

SCENARIUSZA POSTĘPOWANIA Z ODPADAMI

KOMUNALNYMI NA TERENIE BTOM

18/28

Etap 1 – Ustrukturyzowanie problemu decyzyjnego: warianty i kryteria

oceny

ZASTOSOWANIE SWD MACBETH PRZY WYBORZE

SCENARIUSZA POSTĘPOWANIA Z ODPADAMI

KOMUNALNYMI NA TERENIE BTOM

19/28

Etap 2 – Określenie ważności kryteriów oraz różnic między wartościami w

pojedynczym kryterium wg skali porządkowej i obliczenie tzw. wag

Macbetha oraz skali liczbowej w wyniku rozwiązania zadania

programowania liniowego.

ZASTOSOWANIE SWD MACBETH PRZY WYBORZE

SCENARIUSZA POSTĘPOWANIA Z ODPADAMI

KOMUNALNYMI NA TERENIE BTOM

20/28

Etap 3 – Atrakcyjność wariantów względem poszczególnych kryteriów Kryterium Scenariusz 1 Scenariusz 2 Scenariusz 3

K1Redukcja ilości

składowanych odpadów54,92 tys. 218,4tys. Mg 192,8tys. Mg

K2Redukcja ilości

składowanych odpadów

ulegających biodegradacji

17,5tys. Mg 85,7tys. Mg 62,2tys. Mg

K3Odzysk surowców

wtórnych29,2 tys. Mg 47,6 tys. Mg 46,2 tys. Mg

K4 Odzysk energii 115 tys. GJ 803 tys. GJ 832 tys. GJ

K5Oddziaływanie na

środowisko22 16 21

K6Zgodność z polityką

państwa i dyrektywami Unii

Europejskiej

0 1 1

K7Perspektywiczność

wybranego systemu0 1 1

K8 Akceptacja społeczna 18,70% 64,40% 62,90%

K9

Miesięczny koszt

przypadający na 1

mieszkańca za korzystanie

z systemu w Bydgoszczy i

jej gminach

12,52 14,39 16,12

K10

Miesięczny koszt

przypadający na 1

mieszkańca za korzystanie

z systemu w Toruniu i jego

gminach

17,34 20,13 20,56

K11

Opłata za

unieszkodliwienie 1 Mg

odpadów z uwzględnieniem

kar za niedotrzymanie

standardów w BTOM

456,06 528,29 567,71

Skala Macbeth

(porządkowa)

ZASTOSOWANIE SWD MACBETH PRZY WYBORZE

SCENARIUSZA POSTĘPOWANIA Z ODPADAMI

KOMUNALNYMI NA TERENIE BTOM

21/28

Etap 4 – Rozwiązanie i analiza wrażliwości

Analiza wrażliwości

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU

LOKALIZACYJNO – TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK

22/28

Warianty lokalizacyjne ZTPOK

4. - ZUOK Toruń – Zakład

Unieszkodliwiania

Odpadów Komunalnych,

ul. Kociewska

1. - KUO – Kompleks Utylizacji

Odpadów, ul. Prądocińska

2. - BPP – Bydgoski Park

Przemysłowy w Łęgnowie

3. - EC II – Elektrociepłownia EC II, ul.

Energetyczna

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU

LOKALIZACYJNO – TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK

23/28

Kryteria oceny wariantów lokalizacyjnych („Studium Wykonalności dla

ZTPOK dla BTOM” wykonane przez ProNatura Sp. z o.o.)

Uwarunkowania nr Kryterium

Lokalizacja

KUO BPP EC IIZUOK

Toruń

Te

ch

nic

zno

-p

raw

ne K1 Aktualne użytkowanie terenu 6 6 6 6

K2 Stan prawny działki 6 6 6 6

K3 Możliwość wyprowadzenia energii 2 4 4 4

K4

Dostęp do mediów (woda,

kanalizacja, gaz, energia) 2 4 4 2

K5 Dostępność komunikacyjna 6 4 2 2

Sp

ołe

czn

o -

po

lityczn

e K6

Obecność zabudowy

mieszkaniowej 6 6 6 6

K7 Możliwość protestów społecznych 4 4 2 6

K8

Wsparcie aktualnego użytkownika

terenu 6 6 4 4

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU

LOKALIZACYJNO – TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK

24/28

Kryteria oceny wariantów lokalizacyjnych („Studium Wykonalności dla

ZTPOK dla BTOM” wykonane przez ProNatura Sp. z o.o.)

Eko

log

iczn

e

K9Obszary podlegające ochronie

przyrody4 6 6 6

K10Warunki preparowania żużli i

magazynowania6 6 6 6

K11

Warunki zmniejszenia ładunku

zanieczyszczeń do powietrza

poprzez częściowe zastąpienie

obecnego źródła energii przez

ZTPOK

2 2 6 2

K12Warunki geologiczne- inżynierskie i

hydrologiczne6 6 6 0

Eko

no

mic

zne

K13 Nakłady na wykup gruntu 6 6 6 2

K14Nakłady na brakującą infrastrukturę

wewnętrzną4 4 4 4

K15Nakłady na brakująca infrastrukturę

zewnętrzną4 4 2 2

K16 Koszty kompromisu społecznego 4 6 4 4

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU

LOKALIZACYJNO – TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK

25/28

Analizie poddano też wybór systemu oczyszczania spalin.

System

mokrego

oczyszczania

spalin

System

półsuchego

oczyszczania

spalin

System suchego

oczyszczania

spalin

Pa

ram

etr

y t

ec

hn

iczn

e

wyb

ran

ej m

eto

dy

oc

zys

zc

za

nia

sp

ali

n K17

Wymagania dotyczące

energii

K18 Konsumpcja reagentów

K19 Stechiometria reagentów

K20 Pozostałości - typ

K21 Pozostałości - ilość

K22 Konsumpcja wody

K23 Produkcja odcieków

K24 Widoczność pióropusza

K25 Koszt systemu

Em

isje

su

bs

tan

cji d

o

po

wie

trza

K26

HCl - osiągnięty poziom

emisji, stężenie średnie

dzienne (mg/Nm3)

K27

HF - osiągnięty poziom

emisji, stężenie średnie

dzienne (mg/Nm3)

K28

SO2 - osiągnięty poziom

emisji, stężenie średnie

dzienne (mg/Nm3)

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU

LOKALIZACYJNO – TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK

26/28

A1 - KUO – Kompleks Utylizacji Odpadów + metoda mokra oczyszczania spalin

A2 - KUO – Kompleks Utylizacji Odpadów + metoda półsucha oczyszczania spalin

A3 - KUO – Kompleks Utylizacji Odpadów + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - NaHCO3

A4 - KUO – Kompleks Utylizacji Odpadów + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - Ca(OH)2

A5 - BPP – Bydgoski Park Przemysłowy + metoda mokra oczyszczania spalin

A6 - BPP – Bydgoski Park Przemysłowy + metoda półsucha oczyszczania spalin

A7 - BPP – Bydgoski Park Przemysłowy + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - NaHCO3

A8 - BPP – Bydgoski Park Przemysłowy + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - Ca(OH)2

A9 – EC II – Elektrociepłownia EC II + metoda mokra oczyszczania spalin

A10 - EC II – Elektrociepłownia EC II + metoda półsucha oczyszczania spalin

A11 - EC II – Elektrociepłownia EC II + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - NaHCO3

A12 - EC II – Elektrociepłownia EC II + metoda sucha oczyszczania spalin, substrat - Ca(OH)2

A13 - ZUOK Toruń – Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych + metoda mokra

oczyszczania spalin

A14 - ZUOK Toruń – Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych + metoda półsucha

oczyszczania spalin

A15 - ZUOK Toruń – Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych + metoda sucha

oczyszczania spalin, substrat - NaHCO3

A16 - ZUOK Toruń – Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych + metoda sucha

oczyszczania spalin, substrat - Ca(OH)2

Warianty lokalizacyjno-technologiczne

WYBÓR NAJLEPSZEGO WARIANTU LOKALIZACYJNO –

TECHNOLOGICZNEGO ZTPOK – METODA ELECTRE

III

27/28

ranga

obliczenia z uwzględnieniem progówobliczenia bez uwzględnieniem

progów

Final PreorderMedian

PreorderFinal Preorder

Median

Preorder

1 A1, A5, A8 A1, A5 A7, A8 A7, A8

2 A7, A9, A13 A8 A6 A6

Najlepszym wariantem lokalizacyjnym jest Bydgoski Park

Przemysłowy – BPP, który obejmuje rodzinę wariantów

A5,A6,A7,A8. Wszystkie wymienione alternatywy

znajdują się w rankingu końcowym i średnim zajmując

pierwszą bądź drugą pozycję.

PODSUMOWANIE I WNIOSKI

28/28

Analiza wielokryterialna i SWD stanowią ustrukturyzowane i solidne ramy

metodologiczne dla procesu decyzyjnego w OOŚ

Analiza wielokryterialna umożliwia porównanie wariantów i dostarcza

niezbędnych informacji o ich możliwym oddziaływaniu w kontekście różnych

istotnych punktów widzenia (z uwagi na różne kryteria oceny)

Analiza wielokryterialna umożliwia integrację ilościowych oraz jakościowych

ocen dla określenia oddziaływania poszczególnych wariantów decyzyjnych

SWD umożliwia włączenie interesariuszy do procesu decyzyjnego, co jest

gwarantem jego transparentności

Wybór rozwiązania kompromisowego odbywa się z uwzględnieniem

informacji preferencyjnej decydenta oraz wszystkich istotnych uczestników

procesu decyzyjnego (interesariuszy)

SWD umożliwiają przeprowadzenie systematycznej analizy wrażliwości i

stabilności uzyskanego rozwiązania kompromisowego;

SWD jest efektywnym narzędziem do negocjacji i konsultacji wyników

analizy z interesariuszami.