Decisiones en los sistemas de saneamiento: Un poco de ayuda. Parte 4

2.7 Interacciones y retroalimentaciones

Podría pensarse que la consideración de los tres niveles en el diseño y en la operación de los sistemas de saneamiento, y su presentación en forma lineal que la toma de decisiones en cada uno de los niveles se realiza de forma independiente, únicamente condicionada por las decisiones del nivel precedente. Es decir, como un proceso lineal en el que cada decisión tiene unos antecedentes y produce unos resultados.

Nada más lejos de la realidad. Como ya se ha ido repitiendo a lo largo del texto, las problemáticas abordadas en los sistemas de sanemiento son complejas y una de las características de la complejidad
es la existencia de interacciones entre los diferentes elementos. Cada decisión no sólo produce resultados (mejores o peores) en relación con el problema que pretende resolver, sinó que también produce efectos colaterales, afectando a otros elementos del sistema.

Como ayudar en cada una de las etapas y a cada uno de los agentes que toma decisiones, es el objetivo de este libro.

El sistema no sólo funciona como topdown (de arriba abajo), también como bottom-up
(de abajo arriba), dentro del propio ciclo y entre ciclos. Existe también un flujo de retroalimentación
de los impactos de las decisiones entre los niveles inferiores y los niveles superiores

3 Sistemas de ayuda a la decisión

En los capítulos anteriores se ha podido constatar la complejidad que afecta a la toma de decisiones en
los sistemas de saneamiento. Este problema, que no afecta únicamente a estos sistemas sino que puede
extenderse a un número amplio de sistemas complejos, ha llevado al desarrollo de un conjunto de herramientas que, bajo el nombre genérico de sistemas de ayuda a la decisión (DSS, Decision Support Systems,en inglés), se han ido proponiendo para mejorar la toma de decisiones. Pero las particularidades de cada caso han llevado a desarrollar herramientas más específicas y más adaptadas. Esta es la situación de los procesos ambientales, donde a lo largo de estos últimos años diferentes grupos de todo el mundo
han propuesto herramientas que pueden catalogarse bajo el epígrafe de SAD (o EDSS, correspondiente
a Environmental Decision Support Systems). En este capítulo se presenta la propuesta realizada por los
autores del libro de una metodología propia de construcción y operación de los SAD para sistemas de
saneamiento. El capítulo empieza con la propia definición de lo que se entiende por un SAD, haciendo especial hincapié en una definición operativa de los elementos que lo constituyen y cuáles son los objetivosque, a nuestro juicio, el sistema debe cumplir. Después de la definición se presentan las características que capacitan a los SAD para abordar la complejidad de los sistemas de saneamiento, y se hace una pequeña referencia a cómo ha ido evolucionando este tipo de sistemas a medida que se han ido aplicando y mejorando sus capacidades.

En los dos últimos apartados se presenta de forma esquemática nuestra propuesta de construcción y
operación de SAD aplicados a sistemas de saneamiento. Queremos remarcar que esta no es la única
propuesta posible, y que es una propuesta flexible. No es un “receta”, en la medida que el seguimiento
de unas etapas pautadas permite obtener el producto deseado, sino que la entendemos como una guía,
como una hoja de ruta que puede ser de ayuda a la personas que deban tomar decisiones en sistemas de
saneamiento y consideren que este tipo de herramientas le puede ser útil. Esta guía es la que nosotros
hemos utilizado a lo largo de los años y hemos ido depurando a través de la construcción de los SAD que
se presentan en el segundo bloque del libro.

3.1 ¿Qué es un sistema de ayuda a la decisión?

Los sistemas de ayuda a la decisión (SAD) aplicados a sistemas ambientales nacieron en la década de los 80 con el objetivo de proporcionar ayuda en la toma de decisiones, una ayuda que fuera simultáneamente más allá de la que ofrecían los modelos matemáticos que presentaban restricciones para incorporar conocimiento cualitativo y más allá de lo que sería una simple acumulación de experiencia difícil de gestionar. Ya desde su inicio son sistemas que agrupan diferentes herramientas procedentes de diferentes ámbitos. Esta versatilidad, y su reciente desarrollo, hace que no exista una
definición única de los mismos.

Así, Fox y Dax, en su libro Safe and Sound consideran un sistema de ayuda a la decisión como un sistema computacional que ayuda a quien tenga la responsabilidad en la toma de decisiones, en el proceso de decidir entre alternativas o acciones, aplicando conocimiento acerca del dominio, para llegar a ecomendaciones respecto a las diferentes opciones. El sistema incorpora un procedimiento de decisión explícito basado en un conjunto de principios teóricos que justifican la “racionalidad” del proceso. En este caso, los autores centran su atención en la necesidad de incorporar la justificación de la propuesta
como elemento significativo, pero sin hacer referencia a aspectos como el tiempo de respuesta del SAD, que puede ser importante en el caso de aplicación a la gestión de procesos en línea.

Este segundo aspecto, sin embargo, focaliza la propuesta de Cortés, que define un SAD como un sistema de información inteligente, que ayuda a reducir el tiempo necesario para tomar decisiones y mejora
la consistencia y calidad de las mismas.

Las decisiones se toman cuando se observa (o predice) una desviación del estado del sistema respecto al esperado o deseado. Esto implica una conciencia del problema que, a su vez, debe estar basada en información, experiencia y conocimiento del proceso. En este caso se refuerza asimismo la capacidad de integrar diferentes tipos de conocimiento que debe presentar un SAD.

Desde un punto de vista más operativo, podríamos definir un SAD como un sistema interactivo, flexible y adaptable que puede vincular métodos numéricos y algorítmicos con técnicas de inteligencia artificial, sistemas de información geográfica y ontologias ambientales.

Esta definición, cuya visualización se presenta en la figura que centra este apartado, refuerza la idea de los SAD como herramientas integradoras que incorporan metodologías procedentes de diferentes ámbitos y como elementos capaces de describir la complejidad de los sistemas que estudian –en nuestro caso, los
sistemas de saneamiento–, por cuanto gestionan simultáneamente datos numéricos, conocimiento cualitativo y ontologías, además de incorporar las dimensiones espaciales (con los Sistemas de Información Geográfica) y las temporales (con los modelos matemáticos).

Ello no quiere decir que todos los SAD deban integrar todas estas herramientas, ya que sus constructores elegirán en cada caso las más adecuadas, pero en nuestra opinión hay algunos elementos que deben cumplirse necesariamente:

• Tienen que permitir gestionar datos, pero también, y muy importante, conocimiento adquirido a base de experiencia,
• Tienen que permitir incorporar resultados y conocimiento de diferentes ámbitos, diferentes expertos, diferentes niveles de descripción, etc.
• Tienen que permitir la recuperación de datos y de conocimiento de forma fácil y útil para el usuario.
• Tienen que ser capaces de justificar las propuestas, indicando qué y quien las apoya, es decir, qué fiabilidad se merecen los resultados proporcionados por el SAD.

3.2 ¿Por qué utilizar SAD?

Desde los inicios de propuestas de SAD a lo largo de los ochenta, éstos se han aplicado a diferentes problemas ambientales, especialmente a los relacionados con la gestión del agua. Queda lejos de los objetivos de este libro hacer una revisión exhaustiva de los SAD aplicados a la gestión ambiental, pero se pueden establecer diferentes criterios de clasificación que nos pueden ayudar a identificar cuáles son sus potencialidades.

• Por un lado, los SAD se han aplicado a tareas de planificación, donde han demostrado su capacidad para incorporar conocimiento cualitativo procedente de diferentes agentes que pueden intervenir en esta etapa. En este sentido, el progresivo incremento de la incorporación de procesos de articipación
  en la toma de decisiones provoca la existencia de un conjunto de información y de detalles de la
  información cada vez más amplio. La consideración de diferentes tipos de experiencia e intereses que aparecen en estos procesos, muchas veces explicitados de forma no concreta, hace que exista un conocimiento disperso que hace difícil el uso de técnicas numéricas tradicionales. Por ello el uso
  de ontologías y técnicas de inteligencia artificial especializadas en la emulación del comportamiento humano han permitido que los SAD hayan sido utilizados como sistemas capaces de integrar todo este conocimiento y de ofrecer –de una manera fácilmente comprensible por los usuarios– propuestas razonadas que son utilizadas como elementos de discusión para alcanzar soluciones de consenso.
• Simultáneamente, se ha producido una evolución para la incorporación de los SAD a la gestión en línea de los sistemas. Ello ha implicado la incorporación de tecnologías de monitorización, incluyendo la adquisición de datos, su validación y su uso en tiempo real, para así ser capaces de ofrecer respuestas y actuaciones de acuerdo con las necesidades operativas. La incorporación
  de conocimiento experto para complementar los sistemas de control clásicos puede considerarse
  uno de los retos importantes en la utilización de los SAD.
  

De la aplicación de los SAD se ha podido constatar:

• Su capacidad para adquirir, representar y estructurar el conocimiento, siendo capaces de procesar incertidumbre tanto en datos como en conocimiento.
• La capacidad de separar datos de modelos, y por lo tanto la posibilidad de trabajar en espectros más generales y amplios.
• La capacidad de trabajar con las dimensiones espaciales y temporales.
• La capacidad de proporcionar conocimiento experto, incorporando bases de conocimiento específico.
• La capacidad de proporcionar respuestas objetivas tanto off-line como on-line.
• La capacidad de ser utilizados para diagnosis, planificación, gestión y optimización.
• La capacidad de ayuda al usuario durante la formulación del problema y la selección de métodos y modelos para su solución, permitiendo evaluar diferentes alternativas.

A lo largo de los años, y a medida que su uso permitía ir adquiriendo experiencia, los SAD han ido evolucionando para adaptarse a los problemas a que debían hacer frente. En la figura se ha esquematizado esta evolución centrándose en tres aspectos:

• El tipo de conocimiento utilizado
• La aplicación a situaciones reales
• La capacidad de integración respecto a losproblemas estudiados
• En el primer caso, en sus inicios los SAD
  incorporaban conocimiento muy genérico, por lo que su capacidad de abordar problemas concretos se encontraba limitada, ya que para ello era necesario incorporar conocimiento específico del problema en estudio. Esta evolución ha estado muy relacionada con el desarrollo de herramientas
  de adquisición del conocimiento, que son las que han permitido pasar de la utilización de procedimientos aplicables a situaciones generales a las situaciones concretas requeridas por los usuarios. Es de destacar que en esta evolución han habido aportaciones integradoras desde ámbitos como la inteligencia artificial o las matemáticas para ser capaces de desarrollar herramientas para la adquisición de conocimiento tanto a partir de entrevistas a expertos, como del uso de grandes bases de datos, cada vez más frecuentes.
• En el segundo caso, es interesante estudiar como los SAD se han ido incorporando al mundo real de una forma significativa.
  Aunque desde sus inicios ya eran una herramienta nacida con la voluntad de ser útil en la resolución de problemas ambientales complejos, la mayoría de los sistemas desarrollados en los primeros años lo fueron por parte de universidades y centros de investigación, en muchos casos –y aquí a los autores de este libro también les toca entonar un mea culpa– más preocupados por el estudio de la propia herramienta que de su aplicación. Hay que tener en cuenta que se trataba de una nueva metodología, que era compleja y, quizá como excusa, puede aducirse que no era fácil su desarrollo.
  Pero no ha sido hasta que se ha cambiado este paradigma y el foco se ha centrado en el planteamiento del problema ambiental cuando los SAD se han ido aplicando de forma cada vez más amplia. Un proceso en el que es importante destacar la incorporación, en forma de círculo virtuoso, de los responsables de las empresas o administraciones, que a medida que han ido constatando las virtudes de los SAD los han ido incorporando a su arsenal de herramientas.
• En el tercer caso, teniendo en cuenta la complejidad de los sistemas ambientales en general y de los sistemas de saneamiento en particular, los primeros esfuerzos se centraron en intentar abordar problemas focalizados que pudieran ser afrontados de forma eficiente con la capacidad de los SAD
  desarrollados inicialmente. A medida que lasherramie ntas que integran los SAD se han ido perfeccionando y los resultados obtenidos en su aplicación práctica han ido siendo más satisfactorios, la ambición de su aplicación ha ido aumentando, de manera que se han ido integrando nuevos elementos del sistema ambiental a ser considerados. En este contexto, entendemos que este libro es un buen ejemplo de esta evolución, por cuanto se presentan SAD desarrollados por los autores con diferentes niveles de integración, tanto en el diseño como en la operación de sistemas de saneamiento, con lo que se obtiene una perspectiva razonablemente
  amplia de las potencialidades de la herramienta.

Ello ha llevado a que se haya pasado de una situación inicial de sistemas muy estáticos, en que se establecían largos diálogos entre el usuario y el SAD –como los originales sistemas expertos parecidos a los utilizados en medicina para diagnosticar pacientes– a la existencia actual de sistemas de ayuda a
la decisión dinámicos, que son capaces de:

• adquirir información en línea del sistema que están estudiando; -procesar esta información numérica;
• adquirir conocimiento a partir de ella;
• procesarlo conjuntamente con conocimiento adquirido previamente; -establecer un proceso de aprendizaje y automejora del propio SAD; todo ello para proponer soluciones, a implementar en forma de planes y acciones para sistemas cada vez más complejos que contemplen integralmente todo un sistema de saneamiento

3.3 ¿Cómo construir un SAD?

Teniendo en cuenta que hay diferentes propuestas de lo que se puede considerar un sistema de ayuda a la decisión, también es posible encontrar diferentes propuestas de cómo pueden construirse.
En este capítulo presentamos la que es nuestra propuesta y que hemos utilizado a lo largo de estos años, para construir los SAD que se presentan en el segundo bloque del libro. Aunque pueden haber diferentes matices de un caso a otro, en función de las características de cada problema, proponemos la realización
de cinco etapas que se desarrollan secuencialmente. Éstas se inician con el planteamiento del problema que ha de permitir definir qué se espera del SAD y cuáles son los elementos que se ponen en juego para su construcción, incluyendo los aspectos materiales, pero sobretodo la definición de las relaciones entre
los agentes que intervienen (quién coordina, a quién se pide información, cómo será el flujo de la misma o quién podrá acceder a qué partes del sistema). En la segunda etapa, creemos que es importante remarcar la complementariedad entre la obtención de datos y la adquisición de conocimiento. Por nuestra experiencia entendemos que es importante extraer conocimiento de los expertos, pero también el uso de herramientas que permitan extraer conocimiento a partir de los datos. Será un conocimiento
específico del sistema en estudio, pero importante para complementar el conocimiento teórico que se puede obtener de la bibliografía o de la experiencia de los expertos entrevistados. La tercera etapa de analizar los resultados obtenidos en el análisis cognitivo es importante, ya que suele ser un punto de inflexión en la construcción del sistema. Un punto en el que se pueden replantear algunos de los objetivos iniciales, a partir de la realidad constatada en estas etapas.

La quarta etapa de selección de modelos se encuentra muy condicionada por el tipo de conocimiento adquirido y por la experiencia previa de los desarrolladores, pero en cualquier caso es donde se
constata una de las potencialidades de los SAD, su capacidad de integrar aspectos cuantitativos y cualitativos. Creemos esta etapa es clave y diferencia a los SAD de otras herramientas, también muy
útiles, pero más condicionadas en este aspecto. La última etapa de integración e implementación es más técnica. Si en las anteriores el liderazgo lo pueden llevar personas con más experiencia en el área de los sistemas de saneamiento o del agua en general, en este apartados el liderazgo corresponde a los técnicos
o científicos con experiencia en sistemas de computación.

Una vez finalizadas estas etapas, cuando parece que el SAD ya está a punto de ser utilizado, restan dos tareas que son decisivas, y de las que esperemos puedan aprender de nuestros errores. Porque corresponden a un trabajo que no debe realizarse al final, como desgraciadamente se hace a veces, sino que debe desarrollarse en paralelo. Por un lado, la validación de cada una de las tareas que se van realizando. No hay que esperar al final para replantearse algunos objetivos o evaluar la fiabilidad de algunos resultados. Por otro lado, la necesaria transferencia al usuario final del producto construido. Un SAD es un producto que normalmente se ha construido con la aportación de mucha gente, pero que
será utilizado seguramente por un número más reducido de personas y que debe ir participando en el proyecto desde el inicio para que se lo sienta suyo, sobre todo desde el punto de vista de implicación.

Queremos recordar, finalmente, que esta propuesta se presenta como ayuda a la decisión en la construcción de un SAD para sistemas de saneamiento, y que puede ser tomada como guía general,
pero que será el lector, cuando quiera construir uno, quien podrá (y deberá) ir modificando la misma en función de las condiciones de cada caso en particular.

3.4 ¿Cómo opera un SAD?

De la misma manera que hay diferentes maneras de construir un sistema de ayuda a la decisión, también hay diferentes maneras de operación. En este apartado se presenta la arquitectura utilizada en los SAD que se incluyen en el segundo bloque del libro. El esquema que se presenta en este apartado corresponde al caso más general, que incluye cinco niveles de operación, aunque no todos son utilizados en cada caso.

El SAD inicia su operación a partir de unos datos de entrada, que pueden ser proporcionados por el usuario u obtenidos directamente del sistema de saneamiento, cuando el SAD trabaja en línea.

El esquema que se presenta en este apartado corresponde al caso más general, que incluye cinco niveles
de operación, aunque no todos son utilizados en cada caso

Autores:
Manel Poch
Ulises Cortés
Joaquim Comas
Ignasi Rodriguez-Roda
Miquel Sànchez-Marrè

Decisiones en los sistemas de saneamiento : un poco de ayuda / Manel Poch … [et al.]. – Girona : Laboratory of Chemical and Environment Engineering (LEQUIA-UdG), Knowledge Engineering and Machine Learning Group (KEMLG), Novedar :
Universitat de Girona. Servei de Publicacions, 2012.
— p. ; cm
ISBN 978-84-8458-382-0
I. Poch Espallargas, Manuel II. Universitat de Girona.
Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental 1. Sanejament
Aigua — Depuració
CIP 628.16 DEC