Πολυπαραμετρική αποτίμηση των επιπτώσεων των ευφυών λύσεων στην επανατακτικότητα αστικών συστημάτων με τη χρήση μοντέλων πρακτόρων

Abstract

Urban systems face various forces expressed both in the form of continuous stresses and in the form of sudden shocks. The property of the systems to respond to the adversities and to adapt to the changing conditions of their environment is broadly described with the concept of resilience. Simultaneously, the advancements in the Information and Communication technologies provide to the contemporary cities more smart solutions that essentially contribute to the response to the urban challenges. However, despite the extensive investigations on the urban systems’ resilience and the realizations of numerous plans for smart cities, a holistic and thorough theoretical and methodological framework to integrate these two approaches is still missing. Therefore, the objective of this doctoral thesis is the emergence of an integrated framework for the systematic examination and mainly, the practical evaluation of the smart solutions’ impacts on the resilience of present-day urban systems.The extensive literature review of the theoretic approaches and the operational applications of resilience and smart city reveals the integration framework and the areas of convergence between the two approaches, which both correspond to the sustainable development of the complex urban structures. Resilience is identified as an emergent property of the urban systems and according to the relevant theoretic approaches and the current research trends, is investigated with regard to the measure of entropy and the agent-based modeling applications. The meticulous experimental exploration of diverse entropic measures and modeling approaches highlighted that Shannon’s entropy is the most appropriate measure to reflect the functional state of the systems, while the structure of the networks of agents is suitable for the modeling of the urban systems. The connectivity between the model’s agents is key for the assessment of the system’s functional levels both in terms of performance and in terms of information entropy. Moreover, a more generic approach of the smart readiness approach is introduced as an index for the assessment of the level of smartness of the urban systems, exclusively for the functions that cope with the adversities. Additionally, the integration of the aspect of the end users’ needs is experimentally examined by the introduction of a novel utility measure for the urban infrastructure systems.The final agent-based model simulates urban system of the city of Thessaloniki, Greece and assesses the respective performance, entropy and utility levels. Procedures of the initial response and recovery of different levels of smartness are integrated into strategies, which are investigated under different scenarios of disturbance. The analyses’ results suggest that the strategies’ smartness is not linearly associated with the enhancement of the system’s resilience. The examined strategies also respond differently in terms of the diverse aspects of the functional state, while they are unevenly affected by the magnitude and the type of the disturbance. Finally, the validation process allows the comparison of the proposed model with a similar valid tool, highlights the accuracy of the modeling of urban resilience and underlines the additional potential for the exploration of the effectiveness of the different smart solutions.

Τα αστικά συστήματα δέχονται ποικίλες φορτίσεις που εκφράζονται τόσο με την μορφή των συνεχών πιέσεων, όσο και ως ξαφνικά πλήγματα. Η ιδιότητα των συστημάτων να ανταποκρίνονται στις αντιξοότητες και να προσαρμόζονται στη διαταραχή των συνθηκών του περιβάλλοντός τους περιγράφεται γενικότερα με την έννοια της επανατακτικότητας. Ταυτόχρονα, οι εξελίξεις των τεχνολογιών Πληροφορικής και Επικοινωνίας προσφέρουν στις σύγχρονες πόλεις ολοένα και περισσότερες ευφυείς λύσεις που συμβάλλουν ουσιαστικά στην αντιμετώπιση των αστικών προκλήσεων. Ωστόσο, παρότι τα αστικά συστήματα μελετώνται εκτενώς στο πλαίσιο της επανατακτικότητας και τα σχέδια για τις ευφυείς πόλεις είναι πλέον πραγματικότητα, δεν υπάρχει ένα ολοκληρωμένο, αναλυτικό θεωρητικό και μεθοδολογικό πλαίσιο που να ενσωματώνει αυτές τις δύο προσεγγίσεις. Συνεπώς, ο σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάδειξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για τη συστηματική μελέτη και κυρίως την πρακτική αξιολόγηση των επιπτώσεων των ευφυών λύσεων στην επανατακτικότητα των σύγχρονων αστικών συστημάτων.Μέσα από μία εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση των θεωρητικών προσεγγίσεων, αλλά και των επιχειρησιακών εφαρμογών για την επανατακτικότητα και για την ευφυή πόλη, γίνεται η αναγνώριση του πλαισίου ενοποίησης και φανερώνονται οι περιοχές σύγκλισης των δύο προσεγγίσεων, οι οποίες συμβαδίζουν στον άξονα της βιώσιμης ανάπτυξης των πολύπλοκων αστικών δομών. Η επανατακτικότητα διακρίνεται ως μία αναδυόμενη ιδιότητα των αστικών συστημάτων και σύμφωνα με τις σχετικές θεωρητικές προσεγγίσεις και τις τρέχουσες ερευνητικές τάσεις, διερευνάται μέσω του μεγέθους της εντροπίας και μέσω των εφαρμογών της μοντελοποίησης βάσει πρακτόρων. Η ενδελεχής πειραματική μελέτη των διαφόρων εντροπικών μέτρων και προσεγγίσεων μοντελοποίησης απέδειξε ότι η εντροπία του Shannon αποτελεί το καταλληλότερο μέγεθος για την αποτύπωση της λειτουργικής κατάστασης των συστημάτων, ενώ η δομή των δικτύων πρακτόρων είναι κατάλληλη για την μοντελοποίηση των αστικών συστημάτων υποδομών. Η συνδεσιμότητα μεταξύ των πρακτόρων του μοντέλου αποτέλεσε το κλειδί για την εκτίμηση της λειτουργικότητας του συστήματος τόσο με το μέτρο της απόδοσης, όσο και της εντροπίας της πληροφορίας. Παράλληλα, μία γενικευμένη εκδοχή της προσέγγισης της ευφυούς ετοιμότητας εισάγεται ως δείκτης αποτίμησης του επιπέδου ευφυίας των αστικών συστημάτων, αποκλειστικά για τις λειτουργίες αντιμετώπισης αντίξοες καταστάσεων. Επιπρόσθετα, διερευνάται πειραματικά η ενσωμάτωση της διάστασης της ικανοποίησης των χρηστών, μέσω της εισαγωγής ενός πρωτότυπου μέτρου χρησιμότητας για τα συστήματα των αστικών υποδομών.Το τελικό μοντέλο πρακτόρων προσομοιώνει το αστικό σύστημα της Θεσσαλονίκης και αποτιμά τα μεγέθη της απόδοσης, της εντροπίας και της χρησιμότητας. Επιμέρους διαδικασίες αρχικής απόκρισης και αποκατάστασης διαφορετικών επιπέδων ευφυίας συνδυάζονται σε ολοκληρωμένες στρατηγικές, οι οποίες εξετάζονται σε διαφορετικά σενάρια προσομοιώσεων διαταραχών. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αποκαλύπτουν ότι η ευφυία των στρατηγικών δεν συνδέεται γραμμικά με την ενίσχυση της επανατακτικότητας του αστικού συστήματος. Επίσης, οι εξεταζόμενες στρατηγικές ανταποκρίνονται διαφορετικά ως προς τις διάφορες πτυχές της λειτουργικής κατάστασης, ενώ επηρεάζονται ανομοιόμορφα και από την ένταση και το είδος του πλήγματος. Τέλος, η δοκιμασία επικύρωσης επέτρεψε την σύγκριση του προτεινόμενου μοντέλου με ένα αντίστοιχο έγκυρο εργαλείο, αναδεικνύοντας πέρα από την ευστοχία στην μοντελοποίηση της αστικής επανατακτικότητας, τις πρόσθετες δυνατότητες για τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των διαφορετικών ευφυών στρατηγικών.