Tesis Doctorales UPM: Consulta online

Autor: ORTEGA PEREZ, Emilio

Título: Diseño de un sistema experto para la evaluación ambiental, social y económica de planes de infraestructuras implementado en SIG. Aplicación al estudio de los efectos del plan de infraestructuras 2005-2020 (PEIT)

Fecha: 2009

Materia: Sin materia definida

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS

Departamentos: CONSTRUCCION Y VIAS RURALES

Acceso electrónico:

Director/a 1º: OTERO PASTOR, Isabel
Director/a 2º: MANCEBO QUINTANA, Santiago

Resumen: El objetivo de la tesis es aportar una metodología para la evaluación de efectos ambientales, sociales y económicos de planes de infraestructuras de transporte, basada en el empleo de Sistemas de Información Geográfica. Para ello, se va a tratar de crear una herramienta implementada en un Sistema de Información Geográfica, que pueda ser utilizada en las fases iniciales del proceso de toma de decisiones a nivel estratégico. Esta herramienta permitirá determinar qué combinaciones de alternativas son las mejores (mayor beneficio socio económico y menor impacto ambiental). En este texto se resumen las labores que se han desarrollado durante la investigación llevada a cabo para la realización de la tesis doctoral. Por motivos de falta de espacio, en ocasiones, es necesario hacer referencia al texto completo de la tesis. El resumen se ha estructurado en cinco apartados, incluida esta introducción. En el apartado 2, se incluyen los aspectos principales de la revisión de la literatura realizada, centrada en la necesidad de realizar una planificación sostenible, los aspectos territoriales más importantes a tener en cuenta para lograrlo y que herramientas pueden ser usadas para ello. A continuación, en el apartado 3, se desarrolla la metodología planteada para el cálculo de las variables seleccionadas mediante el uso de Sistemas de Información Geográfica y la creación de sistema experto. Con el fin de validar la metodología y la utilidad de la herramienta, éste se ha aplicado a un caso de estudio, el Plan Estratégico de Infraestructuras y Transportes español (PEIT). Dicha aplicación y resultados se resumen en el apartado 4. Por último, en el apartado 5 se incluyen las principales conclusiones, aportaciones y posibles líneas de investigación futuras. 2 PLANIFICACIÓN SOSTENIBLE DE INFRAESTRUCTURAS DE TRANSPORTE: Según la Brundtland Commision (1987), el desarrollo sostenible es aquel que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades. Esas necesidades incluyen desarrollo económico, desarrollo social y conservación del medio ambiente (Goldman y Gorham, 2006). Un sistema de transporte sostenible requiere de una dinámica balanza entre los tres pilares principales del desarrollo sostenible (Litman, 2006). La rápida evolución del transporte en los últimos 50 años ha provocado una dependencia de él y un cambio social muy importante (Hine, 2000). Las infraestructuras de transporte son un recurso social y económico vital, ya que estructuran el espacio y determinan la movilidad (Short y Kopp, 2005), proporcionando acceso a las oportunidades económicas y sociales actuales (Richardson, 2005). La inversión en construcción y mantenimiento de infraestructuras de transporte es muy importante y tiene repercusión en toda la sociedad (Hildén et al., 2004; Short y Kopp, 2005). Por ello, la necesidad de una correcta planificación de los sistemas de transporte es esencial (Hildén et al., 2004). El incremento en el uso de los sistemas de transporte ha ido acompañado de un incremento por la sensibilidad por los impactos que éste provoca (RCEP, 1994; Hine, 1998). De este modo, surge la necesidad de que este desarrollo sea sostenible e integrado (EC, 1998; US Department of Transportation, 2000). Cada vez más, las autoridades son conscientes de estos problemas y necesitan herramientas que identifiquen y evalúen aspectos ambientales, sociales y económicos afectados por las decisiones (Boulanger y Bréchet, 2005; Abaza y Baranzini, 2002). La Evaluación Ambiental Estratégica es el marco idóneo para poder realizar un proceso de planificación ordenado, transparente y en el que puedan participar todos los implicados, permitiendo introducir criterios de sostenibilidad en la fase inicial de la toma de decisiones permitiendo elegir las mejores alternativas en base a criterios objetivos (Arce y Gullón, 2000; Dalal Clayton y Sadler, 1999). La gran mayoría de los autores coinciden en que se deben tener en cuenta los aspectos sociales y económicos junto a los ambientales, desde el punto de vista ambiental, las infraestructuras de transporte se caracterizan, sobretodo, por dividir ecosistemas provocando una pérdida de hábitat y aumentando la fragmentación de ellos (Reed et al., 1996; McGarigal et al., 2001). La fragmentación es un proceso por el cual una entidad, ya sea un ecosistema, una unidad vegetal o un hábitat continuo, se divide en áreas de menor tamaño llamadas teselas (Forman, 1995). Las infraestructuras de transporte actúan como barreras o filtros para algunos movimientos de materia y energía (Forman y Alexander, 1998), lo que implica una pérdida de conectividad entre ecosistemas, con multitud de efectos espaciales y ecológicos, cuya consecuencia final resulta la pérdida de biodiversidad. Las infraestructuras de transporte también modifican el paisaje, que cada vez más es contemplado como recurso y patrimonio cultural del hombre. Aparte del impacto negativo sobre el medio ambiente de las infraestructuras de transporte, su mejora implica un impacto positivo sobre el desarrollo regional, al ejercer funcionalmente un efecto vertebrador del territorio. Algunos de los enfoques existentes para medir este efecto se basan en la medida de la mejora de la accesibilidad. La accesibilidad se puede considerar como el beneficio que obtiene la población de una determinada localización del uso del sistema de transporte (López, 2007). Según Miller (1999), la distribución espacial de la accesibilidad, particularmente los cambios en la accesibilidad pueden proporcionar al planificador quienes son los más beneficiados (y menos) como consecuencia de la implantación de medidas destinadas a la mejora del transporte. Hay una creencia generalizada de que el desarrollo de las redes de transporte juega un papel fundamental, reforzando el crecimiento económico al bajar los costes de producción y de distribución, al tiempo que mejora la productividad laboral, estimula las inversiones privadas y las innovaciones tecnológicas. Esta convicción se basa en la teoría de que la disponibilidad de un transporte rápido, fiable y económico ha sido históricamente la base sobre la cual ciudades y regiones se han desarrollado y florecido. Hoy todavía persiste la justificación de que parte de las ventajas económicas relativas entre regiones y países se deben a la capacidad de desplazar personas y mercancías de forma fácil y económica (Álvarez, 2009). El crecimiento económico se puede definir como el proceso continúo de aumentos anuales en el ingreso per cápita, medido por el PIB per cápita. Una vez establecidos los criterios a tener en cuenta en la evaluación de los efectos de planes de infraestructuras, se plantea la necesidad de encontrar una herramienta capaz de manejar la gran cantidad de información geográfica, cuantitativa y cualitativa necesaria. 2.1 HERRAMIENTAS PARA LA EVALUACIÓN DE IMPACTOS TERRITORIALES: Según Witlox (2005), la cantidad de información requerida y las complejas relaciones existentes provocan que los planificadores no sean capaces de solucionar correctamente el problema planteado y se requiera de la ayuda de ordenadores y programas informáticos capaces de analizar toda la información por ellos. La característica más importante de los Sistemas de Información Geográfica es su capacidad para analizar datos espaciales y la información cuantitativa y cualitativa asociada. El procedimiento seguido en los SIG para el análisis de la información geográfica se basa en la estructura de capas (Longley et al., 1999). Al disponer de una capa para cada unidad del territorio es posible basar el análisis en la superposición de las mismas con el propósito de combinar la información que contienen, así cómo, establecer relaciones entre las tablas asociadas a la información espacial. Los sistemas expertos implementados en un SIG son capaces de gestionar la información de una forma más automática, permitiendo la comparación de alternativas a la hora de la toma de decisiones de forma sencilla. Un sistema experto es un programa informático que contiene suficiente conocimiento sobre situaciones o procesos y que imita el proceso de razonamiento humano dentro de un ámbito definido (Hayes Roth et al., 1983; Laudon y Laudon, 2002). La estructura de un sistema experto varía en función del propósito para el que esté diseñado. En general, un sistema experto está formado como mínimo por cuatro módulos: una base de datos, un conjunto de modelos matemáticos, un motor de inferencia y una interfaz de usuario (Arampatzis et al., 2004; Filis et al., 2003; Sikder, 2009). Según los distintos autores, a estos elementos básicos se les añadirían otros para diseñar el sistema experto. 3 METODOLOGÍA PROPUESTA: La metodología se basa en la comparación de escenarios. La comparación de los efectos provocados por cada uno de ellos, permitirá conocer la magnitud de los mismos. En primer lugar, se han seleccionado un conjunto de variables e indicadores que expliquen los efectos de las infraestructuras y se ha desarrollado una metodología, basada en el uso de los Sistemas de Información Geográfica, para evaluar cada una de ellas. Una vez estudiados los efectos sobre cada una de las variables consideradas, se realiza la integración de las mismas, con el objetivo de obtener un valor (o conjunto de valores) que permita la identificación del escenario o alternativa más favorable. 3.1 HORIZONTE TEMPORAL: La ejecución de un plan de infraestructuras de transporte requiere de un periodo de tiempo más o menos amplio, por lo que es necesario introducir este hecho al estudiar sus efectos. Para ello, es necesario realizar una estimación de qué situación tendrán las variables estudiadas en el horizonte del plan. Por tanto, el escenario cero o de referencia estará formado por la red de infraestructuras previa al plan, pero con la situación que presentarán las variables socioeconómicas consideradas en el año horizonte del plan. Sobre este escenario, se estudiará el efecto de las nuevas infraestructuras (Figura 3.1). 3.2 CALCULO DE LAS VARIABLES. 3.2.1 CÁLCULO DE LA ACCESIBILIDAD. El cálculo de los indicadores de accesibilidad se basa en conocer el tiempo de desplazamiento a través de una red de transporte. Es imprescindible que dicha red sea correcta topológicamente, es decir, que no existan errores de conectividad entre los distintos arcos que la forman, no exista duplicidad de elementos y no haya tramos sin destino; y tipológicamente, es decir, que en cada tramo de la red se conozca alguna característica que lo defina y lo diferencie del resto. Se calcula el camino de mínimo tiempo de desplazamiento entre los municipios. El tiempo de viaje es igual a la suma de los tiempos de los arcos recorridos, por el camino por el cual el tiempo de desplazamiento es el menor de todos los posibles, según el algoritmo de Dijkstra (1959). Sobre la base de datos, que contiene los tiempos (reales e ideales) para todas las relaciones y, teniendo en cuenta las oportunidades de destino (atrayente que resulta para los individuos alcanzar el destino, que permitirá satisfacer sus necesidades), se hace el cálculo del valor de accesibilidad de cada nodo de la red. 3.2.2 CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CONECTIVIDAD Con el objetivo de poder ofrecer un valor de conectividad a cada celdilla de hábitat del territorio, se ha utilizado un índice de conectividad (CI) (Martín Ramos, Ortega Pérez et al., 2008; Mancebo Quintana et al., 2009) que es inversamente proporcional a las distancias de coste de desplazamiento que existen entre cada origen y sus destinos. Para poder estimar la pérdida de conectividad es necesario disponer de un mapa de impedancia, que trata de representar la resistencia que el territorio opone al movimiento de los organismos. La fricción que ofrece cada celdilla es función de la clase de hábitat, el uso del territorio y el tipo de infraestructura de transporte. Cada uno de ellos, multiplica la distancia euclidiana por un coeficiente, para poder establecer el coste que supone atravesar estos elementos. 3.2.3 BIODIVERSIDAD, PAISAJE Y USO DEL SUELO La construcción de infraestructuras de transporte conlleva una ocupación del territorio y un cambio en el uso del suelo. Estas modificaciones causan un mayor o menor impacto dependiendo de la calidad de los valores naturales presentes en el territorio donde se va a construir la infraestructura. El análisis de estos impactos implica la creación de unos mapas que valoren estas tres variables, y que permitan medir cómo les afectarán las infraestructuras planificadas. La metodología se basa en determinar la superficie afectada por las nuevas infraestructuras planeadas, mediante la determinación de una zona de influencia (Geneletti, 2006) y ponderada por el valor asignado (Haaf, 1996; Geneletti, 2006) a la calidad del paisaje, del uso del suelo y de la biodiversidad existente. 3.2.4 POTENCIAL DE CRECIMIENTO ECONÓMICO. La metodología utilizada ha sido extraida de Álvarez (2009). La metodología econométrica que se ha desarrollado es la de datos de panel, que combinan datos de series de tiempo con datos de corte transversal. Las ecuaciones planteadas permiten conocer el impacto sobre el PIBpm que van a tener las inversiones en infraestructuras de transporte, a través de la variación que provocaran en los indicadores de accesibilidad. 3.3 INTEGRACIÓN El objetivo es poder comparar diversas alternativas o escenarios entre sí, para poder evaluar los efectos de las infraestructuras planteadas en un plan. Esto requiere una integración de las distintas variables analizadas, que dependa del método de toma de decisiones.). En este estudio se ha utilizado una función multiatributo (Malczewski, 1999). La agregación se realiza en varias fases, integrándose en las primeras fases aquellas variables que son complementarias y que tratan de explicar fenómenos relacionados entre sí, para posteriormente hacerlo con aquellas variables que no lo están tan directamente (Figura 3.2). 4 CREACIÓN DEL SISTEMA EXPERTO . Para el desarrollo del sistema experto se han utilizado los SIG ArcInfo Workstation y ArcGis Desktop (ArcMap), ambos desarrollados por la compañía estadounidense ESRI. El esquema general del sistema experto se basa en varios módulos independientes, que se deben ejecutar sucesivamente y que calculan cada uno de los indicadores. De esta forma, el esquema general del sistema experto es el mostrado en la Figura 3.3. Generador de escenarios Este módulo permite crear todas las combinaciones posibles de los distintos escenarios que se puedan considerar a estudiar, ya sea para analizar diferentes alternativas de trazado de nuevas infraestructuras o para la comparación entre varios corredores y poder determinar cuáles son los que más aportan al conjunto (más beneficio social y económico y menos impacto ambiental). Módulos de cálculo de impactos. Se ha creado un módulo para cada uno de los impactos considerados. Éstos analizan el impacto para un escenario. Lanzadores de módulos. Con el fin de poder comparar alternativas, se ha generado un programa asociado a cada módulo de cálculo de impacto, que permite el cálculo del impacto en todos los escenarios y previamente creados por el módulo generador de escenarios. También realiza una agregación del resultado obtenido, con el fin de obtener un único valor de impacto y poder comparar los diferentes escenarios. Módulo de integración. Por último se tiene un módulo que realiza el cálculo del impacto respecto del escenario de referencia de todos los escenarios, y mediante un método de análisis multicriterio combina todos los valores obtenidos, obteniéndose un valor único de impacto social, ambiental y económico. 3.4.1 PROCESO DEL CREACIÓN DEL SISTEMA EXPERTO. Cada uno de los módulos descritos se ha programado utilizando el lenguaje AML, propio de ArcInfo Workstation. Este lenguaje se basa en utilizar los comandos propios de ArcInfo Workstation, utilizando su misma nomenclatura y procedimiento, y permite combinarlos con las órdenes básicas de programación. Una vez se tiene cada uno de los scripts, éstos son incorporados a la herramienta ArcToolbox de ArcMap. Esta herramienta lee los scripts y permite definir las variables de entrada y de salida de cada uno de los módulos, generando una herramienta similar a la de los comandos habituales de ArcToolbox (Figura 3.4). 4 APLICACION AL CASO DE ESTUDIO El caso de estudio es el Plan Estratégico de Infraestructuras y Transporte (PEIT) (Ministerio de Fomento, 2005) aprobado en julio de 2005. El Plan, de carácter nacional, prevé dotar al territorio español de las infraestructuras de transporte necesarias para lograr la completa vertebración del territorio, principalmente a las zonas más desfavorecidas en este sentido de España, logrando alcanzar una mayor equidad territorial. El PEIT plantea una serie de infraestructuras a realizar hasta el año 2020, horizonte del Plan. Sin embargo no establece una serie de alternativas que puedan ser seleccionadas en función de los efectos que éstas provoquen. Por este motivo, aparte de analizar el Plan en su conjunto se ha realizado una evaluación del mismo por corredores, lo que nos permite realizar las comparaciones propias del proceso de planificación dentro de la evaluación estratégica necesarias para poder realizar la toma de decisiones de una forma correcta. 4.1 ESCENARIOS DE EVALUACIÓN Las actuaciones previstas en el PEIT suponen ampliar la red, en 2020, hasta los 15.000 km de vías de alta capacidad para el transporte por carretera, reduciendo así su marcada radialidad hasta dotarla de una estructura mallada. En el caso del ferrocarril, las actuaciones previstas en el PEIT se centran en la creación de nuevas infraestructuras de altas prestaciones, llegando a acercarse la longitud total a la actual red de ancho ibérico. Así, la longitud de la red ferroviaria de altas prestaciones alcanzará los 9.000 km en 2020 aproximadamente. Con el fin de comprobar la utilidad del sistema experto, se han considerado varios escenarios para analizar el efecto provocado por la realización de las infraestructuras propuestas en el PEIT. Para la creación del resto de los escenarios se han seleccionado varios corredores, tanto de carreteras como de ferrocarriles, de entre todos los planteados en el PEIT (Figuras 4.4 y 4.5). El sistema experto creará todas las combinaciones posibles de ellos, los cuales serán los escenarios reales de análisis (Figura 4.3). 4.2 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA AL CASO DE ESTUDIO. Para aplicar la metodología al caso de estudio es necesario crear previamente toda la cartografía necesaria en cada caso. En el capítulo 5 de la tesis se describe detalladamente el proceso seguido para este caso de estudio y que es aplicable a cualquier otro. Básicamente, es necesario: 1.- Preparar las redes de carreteras y ferrocarriles, arreglando errores topológicos y actualizando las tipologías de los arcos a los años considerados e identificando las infraestructuras existentes en cada escenario. 2.- Crear los mapas necesarios para cada caso: Mapa de resistencia al desplazamiento entre hábitats para el cálculo de la conectividad del territorio, Mapa de calidad del paisaje, Mapa de biodiversidad y Mapa de naturalidad. Una vez creada, mediante el uso del sistema experto, se calculan todas las variables necesarias para la aplicación de los indicadores seleccionados, y se agrega todos los valores obtenidos para cada unidad territorial, con el fin de tener un valor único para cada escenario y poder compararlos entre sí. 4.3 RESULTADOS: El sistema experto es un resultado en sí mismo. Sin embargo, en el capítulo 6 de la tesis se muestran los resultados obtenidos tras su aplicación y de este modo, poder comprobar su utilidad. Como resultado se ha obtenido el impacto ambiental, social y económico para cada escenario resultante de todas las combinaciones posibles de los corredores seleccionados. Debido a la gran cantidad de combinaciones resultantes, en este resumen se muestra únicamente el resultado final y el escenario más beneficioso para cada combinación de ferrocarriles y carreteras (Tablas 4.1 y 4.2). 5 CONCLUSIONES, APORTACIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN: En el Capítulo 7 de la tesis se incluyen las conclusiones y aportaciones de la investigación realizada, así como de las posibles futuras líneas de investigación. En este apartado se incluye tan sólo una selección de ellas. 5.1 CONCLUSIONES: 1.- En el proceso de toma de decisiones se han de tener en cuenta aspectos ambientales, sociales y económicos, íntimamente relacionados. Sin embargo, no existe consenso acerca de qué criterios se han de tener en cuenta para cada uno de ellos y cómo han de aplicarse. 2.- La Evaluación Ambiental Estratégica es el marco idóneo para poder realizar un proceso de planificación ordenado, transparente y en el que puedan participar todos los implicados, permitiendo introducir criterios de sostenibilidad en la fase inicial de la toma de decisiones permitiendo elegir las mejores alternativas en base a criterios objetivos. 3.- Las implicaciones ambientales del transporte más destacables, a nivel territorial y en grandes superficies (nivel regional o nacional), son la fragmentación del territorio y por consiguiente la pérdida de conectividad de los hábitats naturales (teniendo como última consecuencia la pérdida de biodiversidad) y la afección al paisaje provocada por la presencia de infraestructuras. 4.- El mejor acceso a todo tipo de destinos (oportunidades) supone un beneficio que recae en el conjunto de la sociedad. Esta mejora social tiene importantes implicaciones sobre el bienestar permitiendo un mejor acceso a los bienes y servicios, y sobre la economía al bajar los costes de producción y de distribución entre otros. 5.- La aplicación al caso de estudio ha permitido comprobar que la herramienta resulta muy útil en planificación debido a que: o Permite generar una gran combinación de alternativas de evaluación. o Realiza el cálculo de las variables seleccionadas en todas las alternativas de una forma rápida y automática. o Permite la comparación de alternativas. o Facilita establecer un orden de prioridad en función del beneficio obtenido o de los recursos disponibles. 6.- Existen variables que únicamente evalúan el impacto directo de una determinada infraestructura, sin medir las posibles sinergias que se pueden producir con la existencia de otras infraestructuras. Este es el caso de la afección al paisaje, de la naturalidad o de la biodiversidad. En cambio, la mejora de la accesibilidad, la pérdida de conectividad o el incremento en el crecimiento económico, sí tienen en cuenta la existencia de otras infraestructuras. 7.- A nivel de plan, la afección al uso del suelo es despreciable frente al resto. 8.- La pérdida de conectividad provocada por todas las infraestructuras de ferrocarril y carreteras del PEIT podrían generar una pérdida del 11,5% y 13,5% respectivamente, siendo del 4,1% y 5,3% para el conjunto de los corredores seleccionados. 9.- La red de carreteras actual presenta un elevado desarrollo, esto provoca que las mejoras en la accesibilidad a nivel nacional sean muy reducidas, limitándose los efectos de mejora a las zonas próximas a los corredores. Por el contrario, la red de ferrocarril de altas prestaciones supone una mejora en las comunicaciones en este modo muy importantes, de un 60%, siendo el corredor noroeste el corredor que mayor beneficio genera de los estudiados. 5.2 APORTACIONES: 1.- La primera aportación es una metodología para la evaluación de efectos ambientales, sociales y económicos de planes de infraestructuras de transporte. La metodología de basa en el uso de Sistemas de Información Geográfica. 2.- Se ha creado una herramienta sencilla de utilizar por un técnico SIG, sin necesidad de gran experiencia en su manejo, que puede ser utilizada en el proceso de Evaluación Ambiental Estratégica. El programa permite determinar qué alternativas (corredores) y combinaciones de alternativas (corredores) son las mejores (mayor beneficio socioeconómico y menor impacto ambiental). 3.- También se aportan el Mapa de Calidad del Paisaje y el Mapa de Biodiversidad, elaborados en fases intermedias de la tesis, ambos han sido publicados y se encuentran disponibles en http://topografia.montes.upm.es. Así como, las redes de carreteras y ferrocarriles corregidas topológicamente y actualizadas para varios años. 5.3 LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN: 1.- Perfeccionar el sistema experto para que resulte más flexible, disminuyendo las condiciones que ha de cumplir la información de partida, dentro de las limitaciones propias del SIG. 2.- Desarrollo de otros métodos de integración de las variables, incorporándolos al sistema experto. 3.- Realizar un análisis multimodal de los modos ferrocarril y carretera para poder evaluar sinergias entre ambos. 4.- Adaptación de la metodología a una escala más detallada, propia del nivel de proyecto, resultando útil en la Evaluación de Impacto Ambiental.

Tesis:

Diseño de un sistema experto para la evaluación ambiental, social y económica de planes de infraestructuras implementado en SIG. Aplicación al estudio de los efectos del plan de infraestructuras 2005-2020 (PEIT)