Ανάπτυξη συστήματος υποστήριξης αποφάσεων σε περιβάλλον γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών με χρήση ασαφών πολυκριτήριων μεθόδων

Abstract

Η διδακτορική διατριβή επιδιώκει να αναπτύξει μεθοδολογικές προσεγγίσεις και υπολογιστικά εργαλεία που να επιτρέπουν, αφενός τη διαχείριση της αβεβαιότητας του αποφασίζοντος ενσωματώνοντας προσεγγίσεις της ασαφούς λογικής και, αφετέρου τον συνυπολογισμό τόσο κριτηρίων απο- κλεισμού όσο και κριτηρίων απόφασης σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Η διατριβή οργανώνεται σε επτά κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1, παρουσιάζονται οι βασικοί ορισμοί και η αρχιτεκτονική των Γεωγραφικών Συ- στημάτων Πληροφοριών, υποστηρίζεται η αναγκαιότητα για την ανάπτυξη συνεργειών με τις μεθόδους πολυκριτήριας ανάλυσης των αποφάσεων και αναλύεται το πλαίσιο λήψης αποφάσεων στα Πολυκριτήρια Χωρικά Συστήματα Απόφασης. Τέλος, η επισκόπηση της βιβλιογραφίας επιτρέπει α/ τον προσδιορισμό των κυριότερων πηγών δημοσίευσης ερευνητικού έργου, β/ τη διαχρονική εξέλιξη της αρθρογραφίας, και γ/ την κατανομή ανά πεδίο εφαρμογής και χρησιμοποιούμενο κανόνα απόφασης. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν τις διαδικασίες μοντελοποίησης των προτιμήσεων, περιγράφονται οι κυριότερες δομές προτίμησης και οι ιδιότητές τους, και καταγράφονται οι σημαντικότερες διαδικασίες προτυποποίησης των χαρτών-κριτηρίου και στάθμισης των κριτηρίων στις αναλύσεις καταλληλότητας περιοχών. Στο Κεφάλαιο 3, εξετάζονται διεξοδικά οι σημαντικότεροι κανόνες απόφασης στα πλαίσια της υποστήριξης πολυκριτήριων χωρικών αποφάσεων. Αναλύονται οι εκδοχές του σταθμισμένου γραμμικού συνδυασμού και τα μοντέλα αξιολόγησης περιοχών στα πλαίσια του συμβιβαστικού προ- γραμματισμού και του σταθμισμένου μέσου κατάταξης. Το Κεφάλαιο 4, εστιάζει στην Αναλυτική Ιεραρχική Διαδικασία και τη χρήση της σε χωρικά προ- βλήματα απόφασης. Αναπτύσσεται η SF-AHP η οποία επιτρέπει την ενσωμάτωση της αβεβαιότητας που ενυπάρχει στις διαδικασίες συγκρίσεων σε ζεύγη των παραμέτρων της ιεραρχίας σε χωρι- κά προβλήματα απόφασης. Στο προτεινόμενο πλαίσιο, τα ασαφή διανύσματα της βαρύτητας των κριτηρίων απόφασης στην SF-AHP προκύπτουν από την Extent Analysis Method και τις δύο πα- ραλλαγές της Constrained Fuzzy AHP. Στο Κεφάλαιο 5, αναλύονται οι δομές προτίμησης και η μοντελοποίηση των προτιμήσεων στις μεθόδους των σχέσεων υπεροχής. Κατόπιν περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των μεθόδων PROMETHEE και επιχειρείται η συγκριτική της παρουσίαση με την Πολυκριτήρια Θεωρία Χρη- σιμότητας. Διαμορφώνεται η SF-PROMETHEE, η οποία επιτρέπει τον ανά κριτήριο υπολογισμό των καθαρών ροών προτίμησης μέσω ασαφούς βαθμονόμησης. Επιπροσθέτως, προτείνεται η συνέργεια με την Ασαφή ΑΗΡ λαμβάνοντας ως κανόνα απόφασης τον ασαφή σταθμισμένο γραμμικό συνδυασμό. Στο Κεφάλαιο 6, προτείνονται μοντέλα και διαδικασίες για την υποστήριξη διαδικασιών λήψης απόφασης στα πλαίσια του προβλήματος της διαχείρισης των υγρών αποβλήτων. Υπό το πρίσμα της φιλοσοφίας για την αποκεντρωμένη διαχείριση των υγρών αποβλήτων προτείνονται, αφενός ένα μοντέλο απόφασης για την αξιολόγηση εναλλακτικών μεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλή- των με τη χρήση ποσοτικών και ποιοτικών κριτηρίων και, αφετέρου ένα μοντέλο πολυκριτήριας ανάλυσης καταλληλότητας περιοχών για τη χωροθέτηση φυσικών συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Ο Δείκτης Καταλληλότητας Περιοχών υπολογίζεται με τη χρήση δέκα διαφορετικών υπολογιστικών μοντέλων μεταξύ των οποίων η SF-AHP και οι δύο εκδοχές της SFPROMETHEE. Ακολούθως αναλύονται οι κατατάξεις και διερευνώνται οι συσχετίσεις για κάθε ένα από τα υπολογιστικά μοντέλα. Το Κεφάλαιο 7 περιέχει τα συμπεράσματα και ζητήματα-προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Στο Παράρτημα Α περιγράφεται το Πολυκριτήριο Χωρικό Σύστημα Υποστήριξης Αποφάσεων SIEMCE, το οποίο αναπτύχθηκε σε περιβάλλον ArcGIS, και στο Παράρτημα Β δίνεται το υπολο γιστικό μέρος του μοντέλου πολυκριτήριας αξιολόγησης συστημάτων επεξεργασίας υγρών απο βλήτων.

In land management issues, decision makers are often dealing with complex and multifaceted problems. They must ensure both the sustainable usage of natural resources and economic development. They have to balance conflicting objectives. They also face the ‘Never In My BackYard’ (NIMBY) phenomenon ?the citizens rising opposition when undesirable but indispensable interventions are concretized and touch upon their local societies. The combined use of Geographical Information Systems (GIS) based tools and decision analysis methods can help to overcome these difficulties. This approach provides a consistent framework for dealing with conflicting objectives, in structured or semi-structured problems, and at the same time, allows the analysis to take account of the stakeholders’ preferences. Recent developments in both fields expand the abilities of the Boolean overlay procedures, which are supported by the commercial GIS software packages, to the consideration of decision criteria as well. To maximize the efficiency of the whole analysis, particular interest presents the combined use of Multiple Criteria Decision Analysis Methods with GIS based tools, forming the so called MultiCriteria Spatial Decision Support Systems (MC-SDSS), in order to rank the acceptable locations according to their relative importance in satisfying the objectives of the analysis. Moreover, the development of methodological frameworks and tools that allow suitability analysis performance to deal with the decision makers vagueness is considered, proposing synergies with the fuzzy extensions of the multiattribute decision making methods. The present thesis is organized in seven chapters. Analytically: The first chapter provides an introduction to current GIS capabilities and their restrictions in supporting suitability analysis procedures. After a sort review in multiattribute decision analysis, the main features of the decision flowchart in MultiCriteria Spatial Decision Support Systems (MCSDSS) is presented, followed by an extended bibliographical survey. The second chapter provides the basic principles of preference modeling in multiattribute utility theory. Moreover the major procedures that are used in criterion maps weights estimation and standardization are presented. The above procedures are discussed in detail since they are components of the proposed decision support system. The third chapter consists of the decision rules that are used in raster based MC-SDSS, such as WLC, Compromise Programming, TOPSIS, OWA. Considering that decision rules provide the basis for alternatives ordering, this chapter aims to describe, on the one hand, the assumptions that underling each approach and, on the other hand, to provide explanations about the choice behavior for each one separately. Fourth chapter, focuses on the Analytic Hierarchy Process and its use in spatial related decision problems. The procedures that are followed in the standard version of the method for deriving local priorities are discussed in detail as well as the method’s fuzzy extensions. As a result, SF-AHP is proposed that enables suitability analysis implementation using fuzzy variables for the decision parameters evaluation. In the fifth chapter, the main features of the PROMETHEE methods are described and a comparative analysis with the multiattribute utility theory is provided. Considering the large number of evaluation alternatives in raster based multicriteria suitability analysis computational limitations in methods implementation arise. The proposed here methodological framework entitled “SFPROMETHEE” allows the complete ranking of alternatives through the combined use of method’s fuzzy extension and the by criterion net flows estimations. Moreover it is noticed that SFPROMETHEE can be further combined with SF-AHP using fuzzy additive weighting as decision rule. Chapter six consists of a case study regarding the wastewater treatment problem. Considering issues of the decentralized treatment strategy, two hierarchical decision models are formed. The first enables different treatment options evaluation considering both quantitative and qualitative data, while the second is used for performing GIS based suitability analysis for natural systems site selection. Suitability index is estimated using ten different evaluation options considering SF-AHP and the two versions of SF-PROMETHEE. Results interpretation is achieved through spatial correlation performance of alternatives rankings derived by each one of the evaluation options implementation. Chapter seven provides thesis conclusions and highlights various issues for further research. Appendix A presents the major features and the rational behind the MC-SDSS use that has been developed in ArcGIS environment. The proposed SDSS supports hierarchical decision structures with a variety of WLC options and SF-AHP. Appendix B consists of the pairwise comparison matrices and the corresponding priorities estimation of the examined wastewater treatment options evaluation.