Decision-making models to structure and support urban water supply problems

CNPqWater supply systems in urban areas may become deficient due to increasing demand, which accompanies population growth but is further jeopardized by equipment aging and problems related to maintenance management as well as water rationing. Moreover, operating the system involves a huge number of issues which a decision-maker must address simultaneously. Therefore, the use of tools to aid the decision process is quite relevant in providing a better grasp of the problem and to generate a recommendation that better meets the wishes of decision-makers. This thesis demonstrates such situations in two cases, treating a water system management and a maintenance management of equipment for water distribution. The first case deals with individual decision-making and a model is developed based on Value-Focused Thinking for problem structuring phase, but requiring only partial information in the multi-attribute analysis by FITradeoff, entailing less effort to achieve the ideal alternative according the manager preferences. It yielded a deep analysis of his reasoning, which was transcribed through the objective’s hierarchy, and reached a solution to the problems of the local water supply system. However, as water resource management problems involve more than one decision-maker, and in the second case this thesis deals with group decision making, particularly Social Choice Theory. In traditional voting procedures, individuals are required to inform their preferences into a single choice or a ranking of alternatives. In this respect, the second case analyze the management of preventive maintenance of water pumps, developing a voting model which individuals’ preferences were described through reliability engineering models and aggregated through quartile-based voting, which had its properties demonstrated. Collected information from individuals may not be enough to represent their real individual wishes. Consequently, the result of the aggregation of preferences may be distorted, and not representative of group preferences. A social choice function considering the intensity of preference over the alternatives has been developed to meet this need. Therefore, this thesis also presents a new voting method in which individuals’ preferences are elicited based on an adaptation of the Simos procedure aiming to evaluate the alternatives and generate scores that are additively aggregated. Simulation and sensitivity analysis are performed, proving easy and intuitive for application to any group decision environment. Moreover, the model is axiomatically characterized and has its limitations presented in terms of Arrovian social choice theory.Em áreas urbanas, os sistemas de abastecimento de água podem se tornar deficientes no atendimento aos consumidores por diversas razões, dentre elas o aumento da demanda devido ao crescimento populacional dos grandes centros, bem como o envelhecimento dos equipamentos utilizados no sistema causado por uma gestão da manutenção inadequada. A operação desses sistemas envolve uma grande quantidade de assunto que o gestor deve avaliar concomitantemente. Portanto, o uso de ferramentas que apoiem o processo decisório nesses ambientes é importante, pois promovem uma melhor compreensão do problema e podem sugerir uma alternativa que melhor atenda às preferencias dos decisores. Esta tese demonstra essas situações em dois casos, lidando com a gestão de um sistema de abastecimento de água e com a gestão da manutenção de equipamentos para esta finalidade. O primeiro caso trata um ambiente para um decisor, para o qual é desenvolvido um modelo baseado no Value-Focused Thinking para a fase de estruturação do problema e na fase de avaliação multiatributo requer do decisor apenas informação parcial a partir do FITradeoff, fazendo com que menos esforço seja despendido para encontrar a melhor alternativa de acordo com suas preferências. É exibido para este caso todo o raciocínio do decisor, descrito em termos da hierarquia de objetivos, a partir da qual se cria alternativas para solucionar os problemas de abastecimento de água. No entanto, como problemas de gestão de recursos hídricos envolvem mais de um decisor, no segundo caso, esta tese lida com decisão em grupo, particularmente com a Teoria da Escolha Social. Em procedimentos de votação tradicionais, geralmente requerem-se dos indivíduos que informem suas preferências em termos de uma única escolha ou um ranking de alternativas. Dessa forma, o segundo caso analisa o planejamento das manutenções preventivas para bombas utilizadas na distribuição de água, desenvolvendo um modelo de votação onde as preferências dos indivíduos são descritas a partir de modelos de engenharia de confiabilidade e posteriormente agregadas pela votação baseada em quartis, o qual tem suas propriedades demonstradas. Percebe-se que a informação coletada dos decisores pode não ser suficiente para descrever as suas reais preferencias e consequentemente o resultado da agregação dessas preferencias pode ser destorcido, de forma que não representa de fato os anseios do grupo. Portanto, esta tese desenvolve um procedimento de votação que considera intensidade de preferencia entre as alternativas com um modelo baseado numa adaptação do procedimento de Simos para avaliação de alternativas, o qual gera as pontuações para as alternativas que são somadas para obtenção do desempenho global. São realizadas simulações e análise de sensibilidade, mostrando a facilidade de se aplicar esse modelo sendo possível para quaisquer situações de decisão em grupo. Além disso, o modelo é caracterizado axiomaticamente e tem suas limitações apresentadas em termos das condições de Arrow da Teoria da Escolha Social