Issues of sustainability in engineering decision analysis

Abstract

Sustainable societal development has become a subject of increased and widespread societal attention especially during the last two decades. The tremendous economic development of former developing nations such as China and India and the general impact of globalization have put even larger pressures on our limited natural resources and fragile environment. Faced with an ever increasing amount of evidence that the activities of our own generation might actually impair the possibilities for future generations to meet their needs, it has become a major political concern that societal development must be sustainable. The issuing of the famous Brundtland report “Our Common Future” (1987) formed a political milestone. This important event has enhanced the public awareness that substantial changes of consumption patterns are called for and has further significantly influenced research agendas worldwide. The realization of a sustainable development of society necessitates that a holistic perspective is taken in operational and strategic societal decision-making. In principle, a joint consideration of the preferences, needs and capabilities of the present and future generations across all nations, industrial and public sectors is required if we are to fully succeed in achieving sustainable societal development. It may be realized that decisions made to enhance sustainability of societal development not only concern reduced emissions of pollutants but also directly and indirectly involve a redistribution of globally available resources and not least a reassessment of the societal affordability of lifestyle and quality of life. So far, the available research literature in this field has mainly reported on results relating to individual aspects of sustainable development; as of yet a general framework that facilitates the joint consideration of the many dimensions of sustainability in supporting decision-making for sustainable societal development is still missing. Whereas the development of a general framework for sustainable decision-making is one of the most relevant tasks in the research agenda, it is unlikely that this task could be accomplished in the foreseeable future. However, at the same time, there is an urgent need for methods that enable societal decision-makers to identify "sustainable" policies in different sectors of society. Here, the "sustainable" policies imply policies that conform to current preventive measures, regulations, principles, ethics and whatever else is regarded as best practice for the realization of the sustainable development of society. Motivated by this and focusing on the civil engineering sector, the present thesis has two aims. The first aim is to reformulate the classical life-cycle cost optimization concept, which has been advocated in civil engineering as the decision principle, in such a way that relevant aspects of sustainability can be incorporated into engineering decision-making. The aspects of sustainability considered in depth in this reformulation are intergenerational equity and allocation of limited resources. Furthermore, for the purpose of facilitating the applications in practical decision situations, a platform is proposed for the modelling and optimization of decision problems based on Bayesian probabilistic networks. Thereby, it is possible with the proposed platform to consider the constraints relating to societal sustainability posed by present society in the decision problems. The second aim is to present a fundamental approach for incorporating the reliability of civil infrastructure in general economic models so that the sustainable policies on design and maintenance of civil infrastructure can be identified from a macroeconomic perspective. In the present thesis, two types of engineering decision analyses are differentiated in order to clarify the extent of the consequence of decisions; marginal engineering decision analysis and non-marginal engineering decision analysis. In marginal engineering decision analysis, it is assumed that the economic growth path is exogenously given and the consequence of decisions does not affect the economic growth; the life-cycle cost optimization concept corresponds to the marginal engineering decision analysis; the first aim of the present thesis can be regarded as the formulation of engineering decision problems from a sustainability perspective in the context of the marginal decision analysis. In contrast, non-marginal decision analysis considers the change of economic growth as a consequence of decisions; the second aim of the present thesis can be regarded as a proposal for a decision framework for the non-marginal engineering decision analysis. The present thesis consists of eight chapters. Chapter 1 introduces the background, aim, scope and outline of the thesis. A literature survey is also provided in the fields of economics and civil engineering, where the formulation and optimization of sustainable decision making in civil engineering is dealt with. The core of the present thesis consists of six chapters (Chapters 2 to 7). Each of the chapters, except Chapter 7, represents a part of my research work published during the PhD study. Chapter 2 considers the general treatment of uncertainties in engineering decision analysis, which is the philosophical basis for decision-making subject to uncertainties. Chapters 3 to 5, respectively, investigate the modelling and optimization of sustainable decision problems, the issue of intergenerational equity and the issue of allocation of limited resources in the context of marginal engineering decision analysis. In Chapter 6 the approach for incorporating the reliability of civil infrastructure in general economic models is proposed based on economic growth theory. This approach corresponds to non-marginal engineering decision analysis. The proposed approach is then applied to a simplistic economic model in Chapter 7 in order to show how the optimal reliability of civil infrastructure can be identified and the sustainable policy on the design and maintenance of civil infrastructure can be examined. Thereby, an objective function is derived in the context of non-marginal decision analysis that is different from the objective function employed in the classical life-cycle cost optimization concept. The reason for this is provided by looking at the differences in the formulation of the decision problems in marginal and non-marginal decision analysis. In this chapter the assumptions of the derivation of the classical life-cycle cost optimization and its limitations are also introduced in order to emphasize the difference between non-marginal decision analysis and marginal decision analysis. Chapter 8 concludes the present work. In the reformulation of the classical life-cycle cost optimization, its practical applicability is emphasized. Hence, the proposed methods in the corresponding chapters (Chapters 3 to 5) can be readily applied to practical decision situations. Practical examples are provided in these chapters. On the other hand, the approach presented in Chapters 6 and 7 serves as a relevant building block for further development of the general framework for sustainable decision-making, whereby scientific insights are provided on how sustainable design and maintenance policies on infrastructure can be investigated in a macroeconomic context. Die Frage nach einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung hat insbesondere in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Im Fokus stehen dabei die begrenzten natürlichen Ressourcen und die fragile Umwelt, die durch die enorme wirtschaftliche Entwicklung von Schwellenländern wie China und Indien noch stärker unter Druck geraten. Da es immer offensichtlicher wird, dass die Aktivitäten unserer eigenen Generation die Entwicklungsmöglichkeiten der folgenden Generationen beeinträchtigen könnten, wurde die Forderung nach einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung ein wesentliches politisches Ziel. Ein politischer Meilenstein wurde 1987 durch den Brundtland Report "Unsere gemeinsame Zukunft" gesetzt. Dieses entscheidende Ereignis verstärkte das öffentliche Bewusstsein, dass substantielle Änderungen im Konsumverhalten zukünftig notwendig sind. Seit der Veröffentlichung des Brundlandt Reports beeinflusst das Thema der Nachhaltigkeit weltweit viele Agenden von Forschergruppen. Die Umsetzung einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung erfordert eine Einnahme einer holistischen Perspektive sowohl für die operationelle als auch für die strategische Entscheidungsfindung in der Gesellschaft. Prinzipiell ist eine integrale Berücksichtigung der Präferenzen, Bedürfnisse und Fähigkeiten der heutigen und der zukünftigen Generationen über alle Nationen und alle Sektoren hinweg notwendig, wenn eine Steuerung hin zu einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung erfolgreich sein will. Es muss erreicht werden, dass Entscheidungen zur Förderung der nachhaltigen Entwicklung einer Gesellschaft nicht nur unter Berücksichtigung monokausaler Zusammenhängegetroffen werden, z.B. die Verringerung von schädlichen Emissionen, sondern auch unter Berücksichtigung der direkten und indirekten Umverteilung globaler Ressourcen, der Neubewertung von Lebensstilen und nicht zuletzt der Qualität des Lebens in der globalen Welt. Der Grossteil der verfügbaren wissenschaftlichen Literatur zum Thema Nachhaltigkeit fokussiert auf einzelne Aspekte, die für eine nachhaltige Entwicklung notwendig sind. Ein genereller Rahmen, der die gemeinsame Betrachtung des mehrdimensionalen Problems der Nachhaltigkeit erlaubt und gesellschaftliche Entscheidungsträger unterstützen kann, fehlt bisher noch. Die Entwicklung eines solchen Rahmens ist die relevanteste Aufgabe, die die Forscher im Bereich der nachhaltigen Entscheidungsfindung zu bewältigen haben. Es ist nicht abzusehen, dass in naher Zukunft in diesem Bereich eine Lösung gefunden wird. Dennoch ist derzeit der Druck gross, Methoden zur Verfügung zu haben, die es Entscheidungsträgern aus allen Bereichen ermöglicht, die "nachhaltigste" Handlungsalternative zu identifizieren. Der Ausdruck " nachhaltigste" impliziert, dass die Handlungsalternativen konform sind zu den Massnahmen, Regulierungen, Prinzipien, Ethiken und allen anderen Gegebenheiten in einer Gesellschaft, die als "beste Praxis" für die Umsetzung der nachhaltigen Entwicklung in einer Gesellschaft gelten. Diese vielschichtigen Aspekte waren die Motivation für diese Arbeit, die sich auf den Bereich des Bauingenieurwesens bezieht. Zwei wesentliche Ziele werden in dieser Arbeit verfolgt. Das Erste ist, den klassischen Ansatz des Konzeptes zur Optimierung der Lebenszykluskosten, der im Bereich des Bauingenieurwesens als das Entscheidungsprinzip betrachtet wird, so umzuformulieren, dass Aspekte der Nachhaltigkeit im Entscheidungsprozess Berücksichtigung finden können. Die Aspekte der Nachhaltigkeit, die insbesondere Berücksichtigung in der Neuformulierung finden sind das Prinzip der intergenerationellen Gleichheit und der Allozierung von beschränkten Ressourcen. Für die Anwendbarkeit in realen Entscheidungssituationen wird eine Plattform für die Modellierung und Optimierung von Entscheidungsproblemen vorgeschlagen, die auf Bayes'schen Probabilistischen Netzen basiert. Dies ermöglicht es, die Einschränkungen, die durch die Aspekte der Nachhaltigkeit gegeben sind, im Entscheidungsprozess zu berücksichtigen. Das zweite Ziel ist, einen fundamentalen Ansatz vorzustellen, der es ermöglicht, strukturelle Zuverlässigkeit von baulichen Infrastrukturen in allgemeinen ökonomischen Modellen zu berücksichtigen, so dass nachhaltige Entscheidungen in Bezug auf den Entwurf und den Unterhalt solcher Anlagen von einer makroökonomischen Perspektive aus identifiziert werden können. Zwei Typen von Entscheidungsanalysen im Ingenieurwesen wurden in dieser Arbeit unterschieden, um das Ausmass der Konsequenzen aus Entscheidungen klar herauszustellen; es werden sowohl marginale Entscheidungsanalysen als auch nicht-marginale Entscheidungsanalysen beleuchtet. In der marginalen Entscheidungsanalyse im Ingenieurwesen wird angenommen, dass das wirtschaftliche Wachstum exogen gegeben ist und die Konsequenzen, die aus Entscheidungen resultieren, keinen Einfluss auf das wirtschaftliche Wachstum haben. Das Konzept der Optimierung der Lebenszykluskosten von baulichen Infrastrukturen ist ein Beispiel für eine marginale Entscheidungsanalyse. Damit kann das zuvor genannte erste Ziel dieser Arbeit als Formulierung von Entscheidungsproblemen im Hinblick auf Nachhaltigkeit im Kontext der marginalen Entscheidungsanalyse gesehen werden. Im Gegensatz dazu kann das zweite formulierte Ziel als ein Rahmen für Entscheidungen gesehen werden, die einen nicht-marginalen Einfluss auf das Wirtschaftswachstum haben. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in acht Kapitel. Kapitel 1 stellt die Ziele der Arbeit vor, grenzt die Arbeit ab und erläutert die Hintergründe zu dieser Arbeit. Im ersten Teil wird ein Überblick über die Literatur in den relevanten Gebieten der Wirtschaftswissenschaften und des Bauingenieurwesens, insbesondere in den Bereichen Formulierung und Optimierung von nachhaltigen Entscheidungsproblemen, gegeben. Der Kern dieser Arbeit besteht aus sechs Kapiteln (Kapitel 2 bis 7). Jedes dieser Kapitel (mit Ausnahme von Kapitel 7) repräsentiert einen Teil meiner Forschungsarbeiten während des Doktorats, die bereits veröffentlicht sind oder zur Veröffentlichung akzeptiert sind. Kapitel 2 behandelt den allgemeinen Umgang mit Unsicherheiten in der Entscheidungsanalyse im Ingenieurwesen und stellt die philosophische Basis für die Entscheidungsfindung im Ingenieurwesen unter Unsicherheit dar. Kapitel 3 bis 5 untersucht die Modellierung und Optimierung von Entscheidungsproblemen unter Berücksichtigung der zuvor genannten Aspekte der Nachhaltigkeit. Kapitel 6 stellt einen Ansatz vor, mit dem die strukturelle Zuverlässigkeit baulicher Infrastrukturen in allgemeinen wirtschaftswissenschaftlichen Modellen und Modellen zur Beschreibung des Wirtschaftswachstums berücksichtigt werden kann. Dieser Ansatz korrespondiert zu nicht-marginalen Entscheidungsanalysen. In Kapitel 7 wird dieser Ansatz an einem einfachen wirtschaftswissenschaftlichen Modell angewendet, um zu zeigen, wie die optimale Zuverlässigkeit baulicher Infrastrukturen identifiziert werden kann, und eine nachhaltige Strategie in Bezug auf den Entwurf und den Unterhalt verfolgt werden kann. Dazu wird eine Zielfunktion in einem nicht-marginalen Kontext hergeleitet, die grosse Unterschiede zur Zielfunktion aufweist, die im klassischen Ansatz zur Optimierung der Lebenszykluskosten verwendet wird. Der Grund für diese Unterschiede liegt in der Formulierung des Problems im marginalen und im nicht-marginalen Entscheidungsraum. In diesem Kapitel wird auch auf die klassischen Annahmen und Einschränkungen eingegangen, um die Unterschiede in diesen beiden Ansätzen beleuchten zu können. Kapitel 8 schliesst die Arbeit. In der Neuformulierung des klassischen Lebenszyklusansatzes wird die praktische Anwendbarkeit unterstrichen. Daher können die Methoden, die in den Kapiteln 3 bis 5 vorgestellt werden, direkt in praktischen Problemen angewendet werden. Hierzu werden in diesen Kapiteln praktische Beispiele gegeben. Auf der anderen Seite ist der Ansatz, der in Kapitel 6 und 7 vorgestellt wird, ein relevanter Baustein für die weitere Entwicklung eines allgemeinen Rahmenwerks für die nachhaltige Entscheidungsfindung, wobei wissenschaftliche Einblicke gegeben werden, wie nachhaltige Entwurfs- und Unterhaltsstrategien an baulichen Anlagen in einem makroökonomischen Kontext untersucht werden können.