Using Multi-Objective Optimization To Maximize Multiple Benefits For Sustainable Drainage Design

For many years, drainage design was mainly about providing sufficient network capacity. This traditional approach had been successful with the aid of computer software and technical guidance. However, the drainage design criteria had been evolving due to rapid population growth, urbanisation, climate change and increasing sustainability awareness. Sustainable drainage systems that bring benefits in addition to water management have been recommended as better alternatives to conventional pipes and storages. Although the concepts and good practice guidance had already been communicated to decision makers and public for years, network capacity still remains a key design focus in many circumstances while the additional benefits are generally considered secondary only. Yet, the picture is changing. The industry begins to realise that delivering multiple benefits should be given the top priority while the drainage service can be considered a secondary benefit instead. The shift in focus means the industry has to adapt to new design challenges. New guidance and computer software are needed to assist decision makers. For this purpose, we developed a new decision support system. The system consists of two main components ��� a multi-criteria evaluation framework for drainage systems and a multi-objective optimisation tool. Users can systematically quantify the performance, life-cycle costs and benefits of different drainage systems using the evaluation framework. The optimisation tool can assist users to determine combinations of design parameters such as the sizes, order and type of drainage components that maximise multiple benefits. In this paper, we will focus on the optimisation component of the decision support framework. The optimisation problem formation, parameters and general configuration will be discussed. We will also look at the sensitivity of individual variables and the benchmark results obtained using common multi-objective optimisation algorithms. The work described here is the output of an EngD project funded by EPSRC and XP Solutions.

Multi-criteria spatial decision analysis for demarcation of greenway: A case study of the city of Rio Claro, S��o Paulo, Brazil

Concern regarding hydrological resources has been a theme of growing importance in Brazil, associating the development of new management policies and maintenance of natural areas related to rivers. An efficient way to maintain natural areas around rivers has been the development of greenways, and some cites have already adopted specific legislation in this respect. Following this growing evolution in the treatment of hydrological resources, this study was carried out to demarcate a greenway along the Corumbatai River in the state of S��o Paulo, Using multi-criteria analysis in a GIS environment. First, thematic maps were elaborated based on Landsat 7 satellite, aerial photographs and digital topographic base, Supported by field activities. With the use of multi-criteria analysis, for which ad hoe consultations were conducted to attribute weights to the thematic maps, a suitability map was elaborated for the allocation of the greenway. Sites that should be included in the greenway were also selected, such as areas appropriate for leisure activities, and ecologically important areas. Based on the suitability map, a pathway analysis was done, connecting the relevant points of interest, thus generating a greenway that runs along the Corumbatai River, with the aim of contributing to the conservation of this important hydrological resource. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

A multi-objective evaluation of the impact of the penetration of Distributed Generation

This paper proposes a methodology to consider the effects of the integration of DG on planning. Since DG has potential to defer investments in networks, the impact of DG on grid capacity is evaluated. A multi-objective optimization tool based on the meta-heuristic MEPSO is used, supporting an alternative approach to exploiting the Pareto front features. Tests were performed in distinct conditions with two well-known distribution networks: IEEE-34 and IEEE-123. The results combined minimization and maximization in order to produce different Pareto fronts and determine the extent of the impact caused by DG. The analysis provides useful information, such as the identification of futures that should be considered in planning. A future means a set of realizations of all uncertainties. MEPSO also presented a satisfactory performance in obtaining the Pareto fronts. �� 2011 IEEE.

Multi-criteria analysis in the strategic environmental assessment of the sugar and alcohol sector

The Strategic Environmental Assessment (SEA) of the sugar and alcohol sector guides a territorial and sectoral planning that benefits most of the local society and supports this economic activity in all its stages. In this way, the present work aims to determine an index of aggregation of the indicators generated in the baseline of the SEA process, called Index of Sustainability of Expansion of the Sugar and Alcohol Sector (IScana). For this, it was used the normalization of the indicators of each city by the fuzzy logic and attribution of weights by the Analytic Hierarchy Process (AHP). Then, the IScana values had been spatialized in the region of 'Grande Dourados'-Mato Grosso do Sul State. The northern portion concentrated the highest values of IScana, 0.48 and 0.55, referring to the cities of Nova Alvorada do Sul and Rio Brilhante, while, in the central portion, the city of Dourados presented the lowest value, 0.10. The selection of the set of indicators forming the IScana, and their relative importance, was satisfactory for the application of fuzzy logic and AHP techniques. The IScana index supplies objective information regarding the diagnosis of the region for the application of SEA.

Evolving decision trees with beam search-based initialization and lexicographic multi-objective evaluation

Decision tree induction algorithms represent one of the most popular techniques for dealing with classification problems. However, traditional decision-tree induction algorithms implement a greedy approach for node splitting that is inherently susceptible to local optima convergence. Evolutionary algorithms can avoid the problems associated with a greedy search and have been successfully employed to the induction of decision trees. Previously, we proposed a lexicographic multi-objective genetic algorithm for decision-tree induction, named LEGAL-Tree. In this work, we propose extending this approach substantially, particularly w.r.t. two important evolutionary aspects: the initialization of the population and the fitness function. We carry out a comprehensive set of experiments to validate our extended algorithm. The experimental results suggest that it is able to outperform both traditional algorithms for decision-tree induction and another evolutionary algorithm in a variety of application domains.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povert�� e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma pi�� del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si �� affermato il forte legame tra tutela dell���ambiente e riduzione della povert��, ed �� anche stata riconosciuta l���importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell���Africa, dell���Asia e dell���America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi �� anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse pi�� velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di ���metabolizzare��� i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povert��: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa met�� della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povert�� ed ambiente non dipende solamente dalla scarsit�� di risorse che rende pi�� difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione pi�� povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l���impronta ecologica con una misura riconosciuta dello ���sviluppo umano���, l���Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ci�� che noi accettiamo generalmente come ���alto sviluppo��� �� molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti ���sviluppati��� sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo ���sviluppo��� mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell���uomo, allora vuol dire che il concetto di ���sviluppo��� deve essere rivisitato, perch�� ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l���accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi �� la ���societ�� occidentale���, che promuove l���avanzamento della tecnologia e dell���industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre pi�� stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l���ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall���altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i ���moradores��� delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i ���waste pickers��� delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povert��, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell���ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell���ecosistema e l���accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti pi�� efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una societ�� pi�� equa, in quanto le merci ed i servizi dell���ecosistema fungono da beni per le comunit��. La corretta gestione dell���ambiente e delle risorse quindi �� di estrema importanza per la lotta alla povert�� ed in questo caso il ruolo e la responsabilit�� dei tecnici ambientali �� cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall���analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povert��, rivisitando il concetto tradizionale di ���sviluppo��� secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni pi�� povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie pi�� adeguate al contesto di intervento. Dopo l���analisi dello ���stato del Pianeta��� (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povert��, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di ���sviluppo sostenibile��� e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall���analisi dello stato dell���ambiente, della povert�� e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell���economia della crescita (oggi visibile pi�� che mai) si pu�� comprendere che la soluzione per sconfiggere la povert��, il degrado dell���ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non �� il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l���industrializzazione; ma il ���piccolo e bello��� (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le ���tecnologie appropriate���. Ed �� proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunit��, tecnologie che permettono alle popolazioni pi�� povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell���ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunit�� locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilit�� ambientale, contribuendo all���affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell���ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all���approvvigionamento idrico e alla depurazione dell���acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l���approvvigionamento idrico, - la raccolta dell���acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell���acqua al punto d���uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell���ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povert�� e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunit�� beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All���interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come gi�� detto, la povert�� e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell���ambiente, garantire l���accesso all���acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonch�� l���approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di ���sviluppo���, di condurre una vita sana e produttiva. �� importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l���adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l���ambiente e a tutelare la salute della comunit��. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti �� l���utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realt�� svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cio�� che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l���individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale pi�� appropriato ad ogni contesto specifico. Dall���analisi dei vari strumenti valutativi si �� scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull���Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L���oggetto di questa ricerca �� stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell���Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l���appropriatezza, la sostenibilit�� degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all���interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l���utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - ���Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi���, Algeria, - ���Programa 1 milh��o de Cisternas, P1MC��� e - ���Programa Uma Terra e Duas ��guas, P1+2���, Semi Arido brasiliano.

Elaborazione di un indicatore multi criteria di virtuosita nella gestione dei rifiuti, destinato agli enti locali

Essendo la percentuale di raccolta differenziata un indicatore che preso singolarmente risulta insufficiente a misurare la virtuosit�� di un Comune nella gestione dei rifiuti, si �� elaborato un indicatore multi criteria che amplia l'orizzonte dell'analisi agli altri aspetti inerenti la gestione dei rifiuti. I criteri individuati sono otto: -Percentuale di raccolta differenziata -Produzione pro capite di rifiuti indifferenziati -Produzione pro capite di rifiuti totali -Impatto ambientale del sistema di raccolta e trattamento dei rifiuti -Costi del servizio -Tracciabilit�� dei rifiuti domestici -Coinvolgimento della popolazione -Comodit�� per il cittadino. Ad ogni Comune analizzato (il caso di studio �� l'Unione Terre di Castelli) viene attribuito un punteggio per ogni criterio, in seguito moltiplicato per il peso attribuito al criterio stesso. I punteggi dati da ciascun criterio sono stati poi normalizzati in una scala da 0 a 1 con l'intervento di figure di esperti di ciascun ambito; i pesi sono stati determinati con la metodologia della Pairwise Comparison (T.Saaty, 1980) dai Sindaci e dagli Amministratori di tutti i Comuni del caso di studio. L'indicatore cos�� costruito �� stato poi applicato ai Comuni del caso di studio mostrando risultati, in termini di virtuosit��, differenti da quelli prodotti dal solo indicatore di raccolta differenziata, evidenziando cos�� l'importanza di un approccio multi disciplinare al tema dei rifiuti. L'indicatore, mostrando i punteggi ed il margine di miglioramento relativo a ciascun criterio, si �� poi rivelato un efficace strumento di supporto alle decisioni per i Comuni nell'indirizzo degli investimenti in materia di gestione dei rifiuti.

Teoria dei giochi e Multi-criteria decision-making per reti mobili Ad-hoc: un protocollo di routing

Nell'elaborato si analizzano aspetti della teoria dei giochi e della multi-criteria decision-making. La riflessione serve a proporre le basi per un nuovo modello di protocollo di routing in ambito Mobile Ad-hoc Networks. Questo prototipo mira a generare una rete che riesca a gestirsi in maniera ottimale grazie ad un'acuta tecnica di clusterizzazione. Allo stesso tempo si propone come obiettivo il risparmio energetico e la partecipazione collaborativa di tutti i componenti.

Risk assessment for invasive exotic plants using multi-criteria risk models

Invasive exotic plants have altered natural ecosystems across much of North America. In the Midwest, the presence of invasive plants is increasing rapidly, causing changes in ecosystem patterns and processes. Early detection has become a key component in invasive plant management and in the detection of ecosystem change. Risk assessment through predictive modeling has been a useful resource for monitoring and assisting with treatment decisions for invasive plants. Predictive models were developed to assist with early detection of ten target invasive plants in the Great Lakes Network of the National Park Service and for garlic mustard throughout the Upper Peninsula of Michigan. These multi-criteria risk models utilize geographic information system (GIS) data to predict the areas at highest risk for three phases of invasion: introduction, establishment, and spread. An accuracy assessment of the models for the ten target plants in the Great Lakes Network showed an average overall accuracy of 86.3%. The model developed for garlic mustard in the Upper Peninsula resulted in an accuracy of 99.0%. Used as one of many resources, the risk maps created from the model outputs will assist with the detection of ecosystem change, the monitoring of plant invasions, and the management of invasive plants through prioritized control efforts.

Statistical methods for multi-marker testing in genetic association studies

As the development of genotyping and next-generation sequencing technologies, multi-marker testing in genome-wide association study and rare variant association study became active research areas in statistical genetics. This dissertation contains three methodologies for association study by exploring different genetic data features and demonstrates how to use those methods to test genetic association hypothesis. The methods can be categorized into in three scenarios: 1) multi-marker testing for strong Linkage Disequilibrium regions, 2) multi-marker testing for family-based association studies, 3) multi-marker testing for rare variant association study. I also discussed the advantage of using these methods and demonstrated its power by simulation studies and applications to real genetic data.

Efficient Monte Carlo methods for multi-dimensional learning with classifier chains

Multi-dimensional classification (MDC) is the supervised learning problem where an instance is associated with multiple classes, rather than with a single class, as in traditional classification problems. Since these classes are often strongly correlated, modeling the dependencies between them allows MDC methods to improve their performance ��� at the expense of an increased computational cost. In this paper we focus on the classifier chains (CC) approach for modeling dependencies, one of the most popular and highest-performing methods for multi-label classification (MLC), a particular case of MDC which involves only binary classes (i.e., labels). The original CC algorithm makes a greedy approximation, and is fast but tends to propagate errors along the chain. Here we present novel Monte Carlo schemes, both for finding a good chain sequence and performing efficient inference. Our algorithms remain tractable for high-dimensional data sets and obtain the best predictive performance across several real data sets.

Is building renovation truly sustainable? The need for applying a multi-criteria assessment through life cycle approach

The aim of the present research is to characterise the international scene in the field of building refurbishment, by thoroughly reviewing the literature relating to building renovation and systematising the results according to the different aspects considered by the authors. Even though there is certain consensus with respect to the criteria for the selection of energy efficiency measures, the assessment criteria differ broadly and widely. The present work highlights the lack of consensus on the assessment criteria and the need of harmonization. A holistic view is required in order to identify the most sustainable strategies in each particular case, considering social, environmental and economic impacts from a life cycle perspective.

How should the sustainability of the location of dry ports be measured? A proposed methodology using Bayesian networks and multi-criteria decision analysis

The global economic structure, with its decentralized production and the consequent increase in freight traffic all over the world, creates considerable problems and challenges for the freight transport sector. This situation has led shipping to become the most suitable and cheapest way to transport goods. Thus, ports are configured as nodes with critical importance in the logistics supply chain as a link between two transport systems, sea and land. Increase in activity at seaports is producing three undesirable effects: increasing road congestion, lack of open space in port installations and a significant environmental impact on seaports. These adverse effects can be mitigated by moving part of the activity inland. Implementation of dry ports is a possible solution and would also provide an opportunity to strengthen intermodal solutions as part of an integrated and more sustainable transport chain, acting as a link between road and railway networks. In this sense, implementation of dry ports allows the separation of the links of the transport chain, thus facilitating the shortest possible routes for the lowest capacity and most polluting means of transport. Thus, the decision of where to locate a dry port demands a thorough analysis of the whole logistics supply chain, with the objective of transferring the largest volume of goods possible from road to more energy efficient means of transport, like rail or short-sea shipping, that are less harmful to the environment. However, the decision of where to locate a dry port must also ensure the sustainability of the site. Thus, the main goal of this article is to research the variables influencing the sustainability of dry port location and how this sustainability can be evaluated. With this objective, in this paper we present a methodology for assessing the sustainability of locations by the use of Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) and Bayesian Networks (BNs). MCDA is used as a way to establish a scoring, whilst BNs were chosen to eliminate arbitrariness in setting the weightings using a technique that allows us to prioritize each variable according to the relationships established in the set of variables. In order to determine the relationships between all the variables involved in the decision, giving us the importance of each factor and variable, we built a K2 BN algorithm. To obtain the scores of each variable, we used a complete cartography analysed by ArcGIS. Recognising that setting the most appropriate location to place a dry port is a geographical multidisciplinary problem, with significant economic, social and environmental implications, we consider 41 variables (grouped into 17 factors) which respond to this need. As a case of study, the sustainability of all of the 10 existing dry ports in Spain has been evaluated. In this set of logistics platforms, we found that the most important variables for achieving sustainability are those related to environmental protection, so the sustainability of the locations requires a great respect for the natural environment and the urban environment in which they are framed.

Sustainability assessment of energy saving measures: A multi-criteria approach for residential buildings retrofitting���A case study of the Spanish housing stock

The building sector is well known to be one of the key energy consumers worldwide. The renovation of existing buildings provides excellent opportunities for an effective reduction of energy consumption and greenhouse gas emissions but it is essential to identify the optimal strategies. In this paper a multi-criteria methodology is proposed for the comparative analysis of retrofitting solutions. Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost (LCC) are combined by expressing environmental impacts in monetary values. A Pareto optimization is used to select the preferred strategies. The methodology is exemplified by a case study: the renovation of a representative housing block from the 1960s located in Madrid. Eight scenarios have been proposed, from the Business as Usual scenario (BAU), through Spanish Building Regulation requirements (for new buildings) up to the Passive House standard. Results show how current renovation strategies that are being applied in Madrid are far from being optimal solutions. The required additional investment, which is needed to obtain an overall performance improvement of the envelope compared with the common practice to date, is relatively low (8%) considering the obtained life cycle environmental and financial savings (43% and 45%, respectively).