Χωρικά συστήματα στήριξης αποφάσεων στον περιβαλλοντικό σχεδιασμό: εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης με εξειδίκευση στην παράκτια ζώνη

Abstract

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την δημιουργία Χωρικών Συστημάτων Στήριξης Αποφάσεων (ΧΣΣΑ) εστιασμένων στις ανάγκες του περιβαλλοντικού σχεδιασμού με έμφαση στον ελληνικό παράκτιο χώρο. Οι παράκτιες περιοχές της χώρας, αντιμετωπίζουν ιδιαίτερα προβλήματα εξαιτίας των πιέσεων που υφίστανται από την άσκηση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων οι οποίες οδηγούν συχνά σε υποβάθμιση των παράκτιων οικοσυστημάτων και των φυσικών πόρων. Ένα άλλο στοιχείο είναι οι συγκρούσεις μεταξύ των οικονομικών δραστηριοτήτων και ο μεταξύ τους ανταγωνισμός για χρήση των πόρων του παράκτιου χώρου. Η αντιμετώπιση των προβλημάτων επιβάλλει την ανάγκη για μια ολοκληρωμένη διαχείριση του παράκτιου χώρου στην Ελλάδα με την προοπτική μιας πολιτικής βιώσιμης ανάπτυξης. Η ολοκληρωμένη διαχείριση των παράκτιων περιοχών επιβάλλει την εμπλοκή και συμμετοχή φορέων, τόσο του δημοσίου όσο και του ιδιωτικού τομέα. Ωστόσο, διαπιστώνονται προβλήματα στον συντονισμό των επί μέρους πολιτικών και δράσεων και στην ουσιαστική διαχείριση της παράκτιας ζώνης. Οι πολύπλοκες δομές και αλληλεπιδράσεις, που εντοπίζονται στον παράκτιο χώρο απαιτούν σύνθετες αλλά και ολοκληρωμένες προσεγγίσεις. Σε αυτή την κατεύθυνση η εφαρμογή των ΧΣΣΑ αποτελεί την λύση για την δημιουργία φιλικών, προς τους λαμβάνοντες τις αποφάσεις, αλλά και ισχυρών, ως προς την αντιμετώπιση των προβλημάτων, εφαρμογών υποβοήθησης των διαδικασιών σχεδιασμού. Η διαδικασία περιβαλλοντικού σχεδιασμού της παράκτιας ζώνης είναι μία διαδικασία που αφορά τόσο στη διαχείριση των φυσικών πόρων και οικοσυστημάτων αναγνωρίζοντας την αλληλοεπίδραση και αλληλεξάρτηση τους όσο και στο διατομεακό σχεδιασμό και συντονισμό δραστηριοτήτων που αναγνωρίζει την αλληλεπίδραση και αλληλεξάρτηση τόσο μεταξύ τους όσο και με το φυσικό περιβάλλον. Παράλληλα δίνει ιδιαίτερη έμφαση στη συνολική χωρική θεώρηση της παράκτιας ζώνης. Στο πλαίσιο της αντιμετώπισης των προβλημάτων της παράκτιας ζώνης και της αναζήτησης εργαλείων υποβοήθησης της διαδικασίας σχεδιασμού, αναπτύχθηκε ένα ΧΣΣΑ που αποτελείται από ένα σύνολο εργαλείων τα οποία δρουν συμπληρωματικά και σε ορισμένες περιπτώσεις επικαλύπτονται. Από την αρχική φάση της διερεύνησης της αρχιτεκτονικής του συστήματος, ως κύριος παράγοντας επιτυχίας καθορίστηκε η παροχή στήριξης πρωτίστως σε ερευνητικό επίπεδο. Αρχικά η ευκολία χρήσης και η φιλικότητα δεν αποτέλεσαν παράγοντες που ελήφθησαν υπόψη, αντίθετα στο τέλος αυτά εξασφαλίσθηκαν μέσω της εκτεταμένης χρησιμοποίησης "έξυπνων" λύσεων. Το σύστημα ακολουθεί την λογική της επεκτασιμότητας και της αυξομειώσιμης και κλιμακωτής αρχιτεκτονικής. Ουσιαστικά το ΧΣΣΑ στηρίζεται στην ικανότητα διαβάθμισης του εξοπλισμού και του λογισμικού για την υποστήριξη μεγαλύτερου ή μικρότερου όγκου δεδομένων και περισσότερων ή λιγότερων χρηστών. Έτσι μπορεί ανάλογα με τον βαθμό πολυπλοκότητας και της ιδιαιτερότητας του θέματος που αντιμετωπίζεται να ακολουθηθούν αρχιτεκτονικά απλές ή πολύπλοκες συνθέσεις με μικρές αυξομειώσεις στο κόστος μετατροπής. Η πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής μπορεί να αναλυθεί στην: • Ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού εργαλείου υποστήριξης των εμπλεκομένων στον περιβαλλοντικό σχεδιασμό, το οποίο αξιοποιεί τεχνολογία αιχμής. • Δημιουργία ενός μεθοδολογικού πλαισίου σύνδεσης της τεχνητής νοημοσύνης, των ΓΣΠ (Γεωγραφικών συστημάτων Πληροφοριών) και των ΣΣΑ (Συστημάτων Στήριξης Αποφάσεων) με στόχο την διευκόλυνση των διαδικασιών που σχετίζονται με τον περιβαλλοντικό σχεδιασμό. • Εφαρμογή σε εθνικό επίπεδο ενός ΧΣΣΑ για τις παράκτιες περιοχές. Στην παρούσα διατριβή, αναλύονται δύο περιπτώσεις μελέτης με αρκετά κοινά σημεία αλλά και πολλές και σημαντικές διαφορές τόσο ως προς την κλίμακα σχεδιασμού όσο και προς τις απαιτήσεις του σχεδιασμού από τα ΣΣΑ. Α. Στην πρώτη περίπτωση το ΧΣΣΑ χρησιμοποιείται σε εθνικό επίπεδο για την υποβοήθηση των υπευθύνων σε δυο θέματα που άπτονται της παράκτιας διαχείρισης: • Στην οριοθέτηση της παράκτιας ζώνης ως χώρου διαχείρισης και στην κατάτμηση της σε παράλληλες, με την ακτογραμμή, ζώνες διαχείρισης, όπου το ΧΣΣΑ χρησιμοποιείται με επιτυχία δίνοντας στον χρήστη την δυνατότητα κρίσιμων συγκρίσεων μεταξύ πολλαπλών επιλογών. • Στην ταξινόμηση των παρακτίων περιοχών βάσει κάποιων κριτηρίων σε επίπεδο ΟΤΑ (Οργανισμού Τοπικής Αυτοδιοίκησης), όπου το προτεινόμενο ΧΣΣΑ χρησιμοποιείται σε δύο διαμορφώσεις λειτουργίας (i) Στην πρώτη χρησιμοποιείται η τεχνολογία των νευρωνικών δικτύων. Στο ΧΣΣΑ ενσωματώθηκαν δύο διαφορετικά νευρωνικά δίκτυα ταξινόμησης με πολύ καλές ικανότητες ταξινόμησης. Και τα δύο αναπτύχθηκαν στο λογισμικό Neuroshell 2 και αφού εκπαιδεύτηκαν εφαρμόσθηκαν σε εθνικό επίπεδο. • Αρχικά, επιλέχθηκε η χρησιμοποίηση ενός δικτύου αυτοοργάνωσης (Kohonen Self Organizing Map) που εξασφαλίζει την ταξινόμηση σε επιλεγμένο αριθμό ομάδων (clusters) χωρίς να απαιτείται η παρουσίαση στο δίκτυο "σωστών" τιμών εξόδου. Η χρησιμοποίηση μιας μη επιβλεπόμενης μεθόδου ταξινόμησης κρίθηκε αρχικά αναγκαία για την λήψη αποτελεσμάτων που δεν επηρεάζονται, σε σημαντικό βαθμό, από τον χρήστη και για την δημιουργία μιας πρώτης εικόνας. • Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ένα πιθανοκρατικό Νευρωνικό δίκτυο που διαχωρίζει τα δεδομένα σε ένα προκαθορισμένο αριθμό κατηγοριών. (ii) Στην δεύτερη, χρησιμοποιείται η ασαφής λογική. Η επιλογή της ασαφούς λογικής σε συστήματα ταξινόμησης δίνει πολύ καλά αποτελέσματα ενώ παράλληλα διευκολύνει το τελικό χρήστη στην διατύπωση των κριτηρίων που επιθυμεί. Στο ΧΣΣΑ ενσωματώθηκαν δύο διαφορετικά υποσυστήματα ασαφούς λογικής με διαφορετικό προσανατολισμό και τρόπο χρήσης. • Το πρώτο, εστιάζεται στην αναζήτηση, μέσω συνδυασμού σαφών και ασαφών κριτηρίων, σε μεγάλες βάσεις δεδομένων. • Το δεύτερο, είναι ένα έμπειρο σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί κανόνες και ασαφή σύνολα. Η χρησιμοποίηση βαθμίδων σχέσεων μεταξύ στοιχείων και συνόλων, αντί άκαμπτων προσδιορισμών σχέσεων προσδίδει επιπλέον ευελιξία στο ΧΣΣΑ και προσομοιώνει καλύτερα τον τρόπο της ανθρώπινης λογικής. Β. Στην δεύτερη περίπτωση το ΧΣΣΑ μπορεί να χρησιμοποιηθεί από την Τοπική Αυτοδιοίκηση με στόχο την επιλογή ορθής χωροταξικής και περιβαλλοντικής πολιτικής, τον έλεγχο των οικονομικών δραστηριοτήτων και την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος. Με γνώμονα τα παραπάνω παρουσιάζονται τρεις περιπτώσεις εφαρμογής του ΧΣΣΑ σε επίπεδο νησιού (τοπικό επίπεδο). Στόχος των εφαρμογών που παρουσιάζονται είναι η υποστήριξη των διαδικασιών περιβαλλοντικού σχεδιασμού σε τοπικό επίπεδο, και ειδικότερα στην Θάσο. 1. Στην πρώτη διαμόρφωση λειτουργίας, το ΧΣΣΑ χρησιμοποιείται για την εκτέλεση λειτουργιών ΓΣΠ ακόμη και από μη εξειδικευμένο προσωπικό. Επιλέγονται κάποιες συγκεκριμένες λειτουργίες που έχουν ιδιαίτερη αξία για την βιώσιμη διαχείριση της νήσου Θάσου οι οποίες και εκτελούνται μέσω του ΧΣΣΑ με απλό τρόπο. Κύριος στόχος εφαρμογής του ΧΣΣΑ σε αυτήν την περίπτωση είναι η ευκολία χρήσης. 2. Στην δεύτερη διαμόρφωση λειτουργίας, χρησιμοποιείται το ΧΣΣΑ για την ταυτόχρονη αξιολόγηση διαφόρων επιπέδων πληροφορίας (παραγόντων), σύμφωνα με κριτήρια που καθορίζει ο λήπτης των αποφάσεων. Ο τελικός χρήστης μπορεί να εκμεταλλευτεί την συγκεκριμένη διαμόρφωση του ΧΣΣΑ για την ανάπτυξη σεναρίων. 3. Τέλος, στην τρίτη διαμόρφωση λειτουργίας, γίνεται ενσωμάτωση στο ΧΣΣΑ κανόνων λογικής, που δίνουν την δυνατότητα παροχής, στον λήπτη των αποφάσεων, λογικών συμβουλών, αποσαφηνίσεων και εξηγήσεων σχετικά με την προτεινόμενη συμβουλή. Από όλες τις παραπάνω εφαρμογές, προέκυψε ότι ένα ευφυές ΧΣΣΑ θα πρέπει να έχει την ικανότητα να χειρίζεται διαδραστικά και αποτελεσματικά την γνώση (δομημένη και μη δομημένη), την πληροφορία (χωρική ή μη) και την αλληλεπίδραση μεταξύ ανθρώπου και ηλεκτρονικού υπολογιστή. Θα πρέπει να βοηθά στην λήψη των αποφάσεων μέσω της αποτελεσματικής επεξεργασίας της γνώσης και της πληροφορίας σε ένα σύνθετο περιβάλλον. Το σύστημα θα πρέπει να είναι συμπαγές και ευλύγιστο στην διαχείριση της αβεβαιότητας διαφόρων ειδών. Επίσης, θα πρέπει να αποκρίνεται στις εκάστοτε απαιτήσεις του χρήστη. Διαπιστώνεται επίσης ότι ένα ΧΣΣΑ χωρίς γνώση είναι ένα εργαλείο χωρίς ευφυΐα με ελάχιστη χρηστική αξία. Η επιτυχία ενός ΧΣΣΑ, γενικά και ειδικότερα ενός χωρικού πληροφοριακού συστήματος που βασίζεται στην γνώση, βρίσκεται στο επίπεδο της ευφυίας. Προφανώς τα συμβατικά ΓΣΠ δεν έχουν αυτήν την ικανότητα αφού είναι περισσότερο συστήματα επεξεργασίας της πληροφορίας παρά συστήματα βασισμένα στην γνώση. Δεν μπορούν να επιλύσουν σύνθετα προβλήματα λήψης αποφάσεων, στο χώρο και στο χρόνο.