SIRUS: Un sistema de ayuda a la decisión para la recogida selectiva de residuos urbanos

Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 327 SIRUS: Un sistema de ayuda a la decisión para la recogida selectiva de residuos urbanos* Joaquín Bautista Valhondo, Ramón Companys Pascual Laboratorio de Organización Industrial Departamento de Organitzación de Empresas Universidad Politécnica de Cataluña e-mail:[email protected] Resumen SIRUS, abreviatura de “Sistema Integrado de Recogida Urbana Selectiva”, es un software que surge y se desarrolla bajo la actividad de transferencia de tecnología denominada Proyecto integral de gestión de residuos urbanos en el municipio de Sant Boi de Llobregat: convenio de colaboración establecido entre el Ajuntament y la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). La función del sistema es ayudar a la toma de decisiones de diseño y de dirección de operaciones relativas a la recogida de residuos urbanos en un municipio. SIRUS facilita las labores periódicas de localización de áreas de aportación y contenedores, así como el diseño de rutas ante cambios de las condiciones del municipio. Palabras clave: Residuos urbanos, recogida selectiva, Sistemas GIS. 1. Introducción La unificación de los programas de recogida de residuos urbanos desarrollados en las comunidades autónomas ya es una realidad y recibe el nombre de Plan Nacional de Residuos Urbanos (PNRU). El tratamiento de residuos urbanos se encuentra en una fase de cambio e innovación necesarios para respetar el medio ambiente (Figura 1). La ejecución de una recogida selectiva de la basura en los municipios ha dejado de ser un privilegio, pues el PNRU obliga a las poblaciones con más de 5000 habitantes a disponer de la infraestructura indispensable para desarrollar una separación correcta. El PNRU abarca un horizonte temporal de siete años comprendidos entre el 2000 y el 2006 (ambos inclusive). Dentro del período contemplado, los objetivos y las metas se fijan en etapas bianuales, creando una dinámica de evolución continua con evaluaciones constantes. La inmediatez del corto plazo (2001) es el primer paso para afianzar el camino a seguir en los posteriores objetivos a medio (2003) y largo plazo (2006) dentro del horizontes del Plan. Sant Boi de Llobregat es uno de los 120 municipios catalanes afectados por la normativa referente a la obligatoriedad en la separación de los residuos. Además de Sant Boi, el Área Metropolitana de Barcelona engloba a 28 municipios más en estas condiciones. Las poblaciones catalanas del Área Metropolitana de Barcelona parten con una relativa ventaja respecto a otros municipios, como consecuencia del plan que rige su * Investigación subvencionada a través de convenio de colaboración UPC – Ayto. Sant Boi de Llobregat. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 334 3.4. Evaluación de una distribución de áreas de aportación Los resultados globales significativos de una solución (Figura 7) son: (1) las distancias máxima y media recorrida por los ciudadanos hasta el área de aportación más cercana según su posición7 en la red, (2) la cobertura total, medida en metros, asociada a la distribución de baterías y (3) la población total asignada a los tramos seleccionados. A partir de este punto, se puede proceder al cálculo y reparto de contenedores o a la consulta de resultados en detalle8. Figura 7. Resultados generales de la distribución de áreas de aportación SIRUS ofrece una información valiosa para medir la calidad de servicio ofrecida (Figura 8). Figura 8. Valoración, por tramos, del recorrido máximo y medio de los habitantes al área de aportación más próxima y situación de ésta en su tramo. Distribución de la población en función de la distancia recorrida por los ciudadanos al área de aportación más cercana En efecto, dada una disposición de puntos de recogida, se determina, para cada tramo, la distancia que separa al ciudadano más perjudicado de la(s) batería(s) más próxima(s), se identifica(n) esta(s) batería(s) y se indica la posición exacta de dicho ciudadano respecto a la distancia del vértice de partida (Fnode) del tramo; también se mide el recorrido medio de los habitantes en cada tramo. Asimismo, se ofrece la curva de distribución de la población en función de la distancia recorrida por los 7 La población asignada a un tramo se ha supuesto homogéneamente distribuida a lo largo del tramo: densidad de población lineal constante en un tramo, con esta hipótesis, cada habitante se asigna a la batería más próxima teniendo en cuenta su desplazamiento a través de la red. 8 Se ofrece la posibilidad de consultar información detallada sobre tramos, baterías y habitantes. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 335 ciudadanos al área de aportación más cercana; esta herramienta sirve para detectar deficiencias en el nivel de servicio asociado al desplazamiento ciudadano: el exceso de carga de población en los últimos intervalos del diagrama es síntoma de una baja calidad del servicio. Otro bloque de información interesante está constituido por la asignación de la población a las áreas de aportación9; el cálculo se realiza a partir de la población censada en los tramos bajo los supuestos de distribución homogénea de habitantes en los tramos y que todo ciudadano se dirige al punto de recogida más próximo a él, con ello se determina el número de usuarios de cada área de aportación; también se calcula, para cada área, su cobertura en metros y su vecina más próxima con la distancia que las separa10. Para cada cruce de la red, se determina además el área de aportación más cercana a él y la distancia que los separa (Figura 9). Figura 9. Asignación de la población a áreas de aportación, cobertura de cada área y separación entre cruces y puntos de recogida más próximos. 3.5. Distribución de contenedores en áreas de aportación Tras decidir qué solución relativa a la distribución de áreas de aportación es la más apropiada, el proceso de diseño del sistema físico de recogida continúa con el cálculo de necesidades de contenedores o el reparto de un número fijo de éstos. Los datos solicitados para el cálculo de necesidades de contenedores son: el volumen de un contenedor, el plazo de recogida, la densidad del residuo objeto de estudio, la masa media de residuo generada por un ciudadano al día y el factor máximo de llenado aconsejable para un contenedor. Con estos datos se estima el número de contenedores mínimo, en cada área de aportación, para satisfacer el servicio (Figura 10). En caso de optar por el reparto de un número fijo de contenedores11, se solicita adicionalmente, el número, el porcentaje de la población participativa12 y un procedimiento de reparto13. 9 Una batería se identifica con el código del tramo a que está asignada y el número de orden, desde el Fnode, en dicho tramo. La posición de una batería se indica con la distancia que la separa del Fnode del tramo a que pertenece. 10 Obviamente SIRUS detecta las baterías que presentan máxima o mínima población, cobertura y máximo o mínimo aislamiento respecto a sus vecinas más próximas. 11 Opción pensada para repartir contenedores de las principales fracciones separables: papel y cartón, vidrio, envases ligeros y materia orgánica, por no disponer de suficientes unidades o no sea necesario recoger toda la masa potencial de residuo. 12 Para el rechazo se considera que el grado de participación ciudadana es del 100%; sin embargo, para las fracciones selectivas y según las zonas de un municipio este valor puede reducirse considerablemente, ya que Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 336 Figura 10. Determinación de las necesidades de contenedores y procedimientos de reparto. 3.6. Captura de una distribución de contenedores consolidada Tras seleccionar una zona geográfica, se fija, el volumen y factor máximo de llenado de un contenedor, el plazo de recogida; y, para el residuo, su tipo, densidad y masa media generada por ciudadano y día (Figura 11). Figura 11. Captura de distribución de contenedores en áreas de aportación Si los contenedores seleccionados no son de rechazo, éstos se consideran de fuga o pérdida, salvo que la distancia que los separa de los de fracción no sea superior a la distancia de solapamiento que establece el usuario. 3.7. Evaluación de una distribución de contenedores sobre el territorio Los resultados relativos al cálculo de necesidades de contenedores o al reparto de un número fijo de éstos (Figura 12) son de dos tipos: agregados por sector y detallados por batería o área de aportación. Los resultados principales agregados por sector son: depende de varios factores: concienciación social sobre el medio ambiente, posibilidades de separar el residuo en casa, etc. 13 Se han incorporado 7 procedimientos de reparto: 6 métodos clásicos de reparto de escaños en una cámara de representantes y uno de distribución espacial con mayor alejamiento entre contenedores. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 337 • Población total: suma de las poblaciones censadas en los tramos que constituyen la zona seleccionada. • Población potencial: se obtiene a partir de la población total y el grado de participación de los ciudadanos que tiene en cuenta la separación de residuo en casa. • Población activa: se determina a partir de la población potencial teniendo en cuenta las pérdidas de residuo que se producen en el servicio de recogida al adoptar la hipótesis de que un ciudadano verterá la fracción en un contenedor adecuado si no encuentra mucho más cerca un contenedor de rechazo (la cercanía la establece el usuario del sistema). • Volumen total: volumen de residuo asociado a la población total. • Volumen de servicio: volumen de residuo asociado a la población activa; este volumen puede estar o no ubicado adecuadamente en los contenedores en función de su número y de la capacidad de los mismos. • Número medio y máximo de ciudadanos por contenedor en función de las poblaciones total y activa. • Número medio y máximo de contenedores por área de aportación. • Factor de llenado medio y máximo de los contenedores. En cuanto a los resultados detallados por área de aportación o batería cabe destacar: • Volumen total de residuo. • Volumen de servicio. • Número de contenedores. • Factor de llenado de los contenedores. • Población total. • Número medio de ciudadanos por contenedor considerando las poblaciones total y activa. Figura 12. Resultados del cálculo de necesidades de contenedores o del reparto de un número fijo de éstos. La distinción entre poblaciones responde a un punto de vista industrial del servicio de recogida, pues es conveniente distinguir entre la capacidad que tiene un sector de la población para generar residuo de una cierta fracción (vidrio, papel-cartón, etc.) y la masa que efectivamente puede y/o desea recogerse a través del servicio. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 338 3.8. Diseño de rutas de recogida a través de SIRUS Para efectuar el diseño de rutas a través de SIRUS se deben ejecutar las siguientes acciones: • Selección de zona de circulación • Selección de tramos de entrada y salida • Salvar tramos de entrada y salida • Captura de baterías y contenedores • Selección de un procedimiento de resolución • Visualización de resultados En primer lugar se selecciona una zona geográfica constituida por el conjunto de tramos donde está permitida la circulación de los vehículos. Dicha selección debe ser coherente con el conjunto de tramos, que posteriormente se selecciona, continente de las baterías y contenedores que participan en el diseño de los itinerarios de recogida (ver Figura 13). Figura 13. Selección de una zona geográfica de circulación y tramos de entrada y de salida a la zona objeto de estudio. Posteriormente, es necesario seleccionar un conjunto de tramos de entrada a la zona, así como un conjunto de tramos de salida de la zona. Para cada tramo seleccionado (ver Figura 13), se indica si es de entrada o de salida, y además se fija el sentido de circulación del vehículo; por convenio, se adopta con sentido positivo el que va desde el Fnode del tramo hasta el Tnode del tramo. Los procedimientos para establecer rutas de recogida exploran la mejor alternativa entrada y salida a la zona de circulación en función de los tramos elegibles al respecto y considerando sus orientaciones; esto significa que cada ruta puede presentar un origen y destino distinto. Por supuesto, toda la información relativa a la zona de circulación: tramos y orígenes y destinos se guarda en ficheros para posteriores sesiones de trabajo (ver Figura 14). Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 339 Figura 14. Salvaguarda y recuperación de la información relativa a la zona de circulación para el posterior diseño de itinerarios de recogida. El paso siguiente es la captura de la información correspondiente a baterías y contenedores: la zona de recogida. Esta zona de recogida debe estar contenida en la zona de circulación, SIRUS comprueba la coherencia de estos datos determinando al menos un camino entre un tramo de entrada y otro de salida, entre los candidatos, que pase por cada batería de contenedores. Tras ello, SIRUS solicita los valores de los parámetros siguientes: factor de penalización de giros, tiempo adicional por giro, velocidad media en tramos, capacidad volumétrica del camión (teniendo en cuenta el coeficiente de compactación del residuo según el vehículo) y el tiempo de carga por contenedor (Figura 15). Figura 15. Captura de información de la zona de recogida y solicitud de parámetros y procedimiento de resolución. Tras fijar los valores de los parámetros solicitados se selecciona un método de resolución (Figura 15) entre los 36 algoritmos incorporados14. Finalmente, se muestran los principales resultados (Figura 16) generales: longitud total, tiempo de operaciones, nivel de molestia15 ciudadana, volumen total y 14 La selección de un algoritmo se realiza fijando una opción en cada uno de los tres módulos de clasificación: (1) procedimiento greedy general de solución, (2) tipo de optimización local y (3) tipo de distancia o indicador del objetivo. 15 La molestia se mide a partir del número de habitantes localizados en los tramos a través de los cuales concurren las rutas de recogida. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 340 coeficientes de sinuosidad16 de los recorridos. También se muestran en detalle las trayectorias a través de los tramos de cada ruta, la localización definitiva de cada batería de contenedores y el volumen de servicio recogido en cada parada del vehículo. Figura 16. Visualización de resultados relativos al diseño de itinerarios de recogida. 4. Aspectos relevantes del proyecto SIRUS ha sido construido para integrarse en el sistema de información geográfica (ARCInfo) disponible actualmente en el Ajuntament de Sant Boi de Llobregat. ARCInfo es un sistema de información, desarrollado por la empresa ESRI, que permite manipular datos geográficos CAD y enlazarlos con bases de datos de sistemas de gestión del propio municipio tales como el padrón de habitantes, impuesto de actividades económicas y datos relativos a tráfico. Dadas sus cualidades como herramienta integradora de información, ARCInfo está ampliamente extendido en los sistemas de gestión municipales. Las ventajas que ofrece SIRUS, además de su alto grado de compatibilidad en plataforma y sistemas operativos, están en su capacidad de diseño y evaluación de sistemas de recogida urbana selectiva de manera ágil. La gestión del servicio de recogida se hace más compleja con la aplicación del PNRU por las repercusiones que comporta la separación de fracciones. Con el propósito de subrayar el alcance del Proyecto relacionado con el sistema desarrollado, a continuación se detallan aspectos relevantes del mismo clasificados en dos categorías: (1) Científico-técnica y (2) Económico-social. 4.1. Aspectos científico - técnicos Distinguiremos en este apartado tres vertientes asociadas a los aspectos científicos y técnicos relativos al alcance del Proyecto: • Vertiente informática • Vertiente algorítmica • Incidencia de SIRUS en posteriores actividades de investigación 16 Se define SINUOSIDAD de una magnitud como la razón entre el valor real de la misma y su valor mínimo teórico. Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 341 Atendiendo a la vertiente informática, las aplicaciones requeridas y utilizadas son: • ARCInfo: pieza básica del sistema, que permite introducir datos y gestionar los tipos de datos con los que se trabajará. Permite la conversión con sistemas de CAD estándar como Autocad® y Microstation®. • ARCView: herramienta que permite gestionar los datos introducidos con el anterior de una forma intuitiva. Permite trabajar con bases de datos enlazadas y realizar cálculos estadísticos. • MapObjects: librería de programación que permite trabajar con datos que posteriormente se pueden tratar con ARCView y enlazar con lenguajes de programación visual como Visual Basic, Visual C, Delphi, etc. Con el apoyo en las herramientas anteriormente descritas, SIRUS es un producto construido mediante librerías MapObjects y el lenguaje de programación Visual Basic. SIRUS posee interficies intuitivas de aspecto parecido (Figura 17) a las del sistema ARCView que permite capturar un conjunto de tramos de calle y sus respectivos datos reales del padrón de habitantes. Esta información sirve de base para la realización de los cálculos y aplicación de algoritmos de optimización. Tras los cálculos, el usuario puede visualizar resultados tales como la localización de áreas de aportación en los tramos, hacer modificaciones y exportar nuevas soluciones al formato de datos ARCView para actualizar la base consolidada. Figura 17. Aspecto de las interficies de SIRUS El tratamiento interno de todos estos datos se realiza mediante archivos temporales de forma que el usuario tiene un histórico de resultados que puede recuperar para comparar situaciones. Asimismo puede añadir comentarios a los resultados para tener referencias de los cálculos efectuados. Una de las características de SIRUS es su alto grado de compatibilidad, ya que su ejecución requiere plataformas Intel x86 o compatibles y sistemas operativos Microsoft Windows 95/98 o NT 4. En cuanto a la vertiente algorítmica, los procedimientos de resolución empleados se clasifican aquí en función del problema abordado: Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 342 (a) Algoritmos para la ubicación de áreas de aportación (b) Algoritmos para el reparto de contenedores (c) Algoritmos para el diseño de itinerarios Para la ubicación de áreas de aportación de residuo o puntos de recogida, de forma que se garantice que los ciudadanos no recorran una distancia superior a una prefijada hasta la batería más cercana, se han programado 100 procedimientos. Los cien algoritmos para ubicar puntos de recogida sobre una red se pueden incluir en la categoría de heurísticos con una primera fase de algoritmo greedy determinista o generación aleatoria, más una segunda que corresponde a una optimización local. Los procedimientos de ubicación de áreas de aportación (Figura 18) resultan al combinar: • Cinco criterios de prioridad en la elección de tramos para satisfacer su cobertura, de manera que un tramo se cubre antes que otro, si el valor del índice del primero es mejor que el del segundo. La aplicación de cada criterio ofrece soluciones distintas. Los criterios para ordenar los tramos son: mayor longitud, mayor población, mayor densidad de población, menor densidad de áreas de aportación y ordenación al azar (MultiStart); esta última opción permite generar tantas soluciones, en función del tiempo disponible, como indique el usuario y el sistema retiene la mejor. • Cuatro formas de alcanzar óptimos locales a partir de una solución inicial con el empleo de algoritmos de descenso exhaustivo y no exhaustivo y con tamaño de vecindario lineal y cuadrático. También se ha tenido en cuenta como posible resultado la solución inicial (sin optimización). • Cuatro formas distintas de ubicar baterías en los tramos: forzando la simetría en cada tramo o en la parte de la solución construida, y sin respetar la simetría en la colocación de baterías con garantía de cobertura total (caso Asimétrico) en función de la máxima distancia que puede recorrer un ciudadano, o ubicar menos baterías sacrificando parte de cobertura. Figura 18. Procedimientos para la ubicación de áreas de aportación garantizando al ciudadano una distancia máxima de desplazamiento. Para la ubicación de un número fijo de baterías sobre la red se ha programado un procedimiento heurístico basado en una analogía física, donde las baterías se Congreso sobre Técnicas de Ayuda a la Decisión en la Defensa (Madrid 12-15 diciembre 2000) 343 asimilan a partículas bajo la influencia de un campo de fuerzas central repulsivo. La función objetivo propuesta es minimizar la energía interna del sistema. Los parámetros (Figura 19) para el modelo correspondiente son: • Número fijo de baterías a ubicar. • Índice de repulsión: es directamente proporcional al exponente de la distancia entre dos partículas cualesquiera en un campo central repulsivo. • Calibre: se emplea para generar una malla de emplazamientos posibles equidistantes: amplificación de la malla. Estos emplazamientos son los únicos puntos de la red que pueden albergar una batería. La densidad de la malla aumenta con el valor del calibre. • Distancia mínima entre baterías: genera una restricción para evitar la concentración de baterías en algunas zonas de la red. Figura 19. Parámetros para localizar un número fijo de áreas de aportación. Para el reparto de un número fijo de contenedores en las áreas de aportación se han programado seis procedimientos clásicos de reparto de escaños en una cámara de representantes y una analogía física similar a la empleada para ubicar un número fijo de baterías. Ciertamente, el problema de reparto proporcional ha sido ampliamente estudiado, no obstante es en el terreno político hacia donde principalmente se ha enfocado este estudio. Entre los infinitos métodos de divisor existentes hay cinco que se consideran tradicionalmente históricos: Adams, Dean, Hill, Webster y Jefferson, este último conocido también por método de d’Hondt. El sexto método de reparto proporcional seleccionado es el Hamilton (elecciones sindicales). Cada método tiene sus ventajas e inconvenientes, por ejemplo el de d’Hondt beneficia a las mayorías, por tanto su aplicación servirá para concentrar más contenedores en aquellas baterías que tengan más población asignada (válido desde el punto de vista industrial). En el otro extremo, el de Adams beneficia a las minorías, por lo que se puede garantizar servicio a todos los ciudadanos en cuanto a recorridos. Los procedimientos de resolución empleados en el diseño de rutas (Figura 20) resultan de combinar: