Parametrización de ecoeficiencia en análisis SIG en redes para el transporte intermodal

Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 439 Fernández Latorre, F. y Pérez Mira, D. (2010): Parametrización de ecoeficiencia en análisis SIG de redes para el transporte intermodal. En: Ojeda, J., Pita, M.F. y Vallejo, I. (Eds.), Tecnologías de la Información Geográfica: La Información Geográfica al servicio de los ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla. Pp. 439-452. ISBN: 978-84-472-1294-1 PARAMETRIZACIÓN DE ECOEFICIENCIA EN ANÁLISIS SIG DE REDES PARA EL TRANSPORTE INTERMODAL Francisco Fernández Latorre 1 y Domingo Pérez Mira 2 (1) Universidad de Sevilla, Departamento de Geografía Física y Análisis Geográfico Regional. Facultad de Geografía e Historia. C/ Doña María de Padilla s/n. 41004. Sevilla. [email protected] (2) Universidad de Málaga. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Calle Doctor Ortiz Ramos (Teatinos) 29071. Málaga. [email protected] RESUMEN En la comunicación se presenta un desarrollo metodológico aplicado en un proyecto I+D en el área de transportes con el título “Bases para la inserción del estrecho de Gibraltar en los corredores de transporte intermodal a través de la modelización con SIG” (TRA 2008). Partiendo de un SIG dinámico para la optimización de rutas intermodales incluyendo parámetros logísticos como tiempo en ruta, tiempo en transferencia de modo o distancias, se propone una actualización con la inclusión de parámetros de ecoeficiencia, tales como la emisión de CO2, zonas sensibles, y otros parámetros ambientales, de modo que permita evaluar y generar diferentes alternativas de transporte. Estos parámetros derivan de indicadores diferentes de los empleados en la logística tradicional. Aunque la plataforma utilizada es ArcGis, el método es aplicable a otras plataformas empleadas en el análisis de redes. El método expuesto se basa en la experiencia de otros proyectos SIG y en la elaboración de indicadores de sostenibilidad propios, en los que los autores han participado teniendo en cuenta parámetros de ecoeficiencia. Palabras Clave: Análisis de redes, SIG, ecoeficiencia, transporte intermodal, indicador ABSTRACT This paper explains the method applied in a R+D transport project with the title “Basis for the integration of the Strait of Gibraltar in the multimodal transport corridors” (TRA2008). A dynamical GIS tool has been used to assess intermodal choices including eco-efficiency parameters, such as CO2 emissions, environmentally sensitive areas, and other environmental parameters. In this way the GIS can also assess about mean of transport choice. These parameters are based on indicators that are not used in current logistic patterns. Even though ArcGis has been the main GIS framework, this method is applicable to other frameworks implied in network analysis. It is based on other GIS projects and sustainability indicators that were elaborated by the authors using eco-efficiency parameters. Key Words: network analysis, GIS, ecoefficiency, intermodal transport, indicator 1. INTRODUCCIÓN El desarrollo propuesto pretende actualizar y perfeccionar un modelo de Sistema de Información Geográfica (SIG intermodal) aplicado en un proyecto I+D en el área de transportes con el título “Bases para la inserción del estrecho de Gibraltar en los corredores de transporte intermodal a través de la modelización con SIG” (TRA 2008). En la base de datos de este nuevo SIG intermodal se incluyen no sólo parámetros de rutas óptimas relacionando distancia y tiempo, sino también todos aquellos factores que concurren en la naturaleza competitiva de la red intermodal de transportes: economía, coste ecológico, descongestión del tráfico, reglamentación europea del descanso en Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 440 carretera y estrategias de planificación. El siguiente bloque de datos es de naturaleza medioambiental y está constituido por parámetros de ecoeficiencia que se añadirán a los ya experimentados de logística, y cuya definición, desarrollo algorítmico y aplicación constituye la esencia del proyecto. El calibrado del sistema es esencial y se fundamenta en la sustentación de un modelo de ecointermodalidad en transportes (INTERMODAL -ECOTRANSP) desarrollado en el proyecto que se presenta. Una vez desarrollado se realizan ensayos iterativos y análisis de sensibilidad de resultados para identificar algoritmos óptimos para el desempeño funcional del sistema. 2. METODOLOGÍA La decisión de ruta depende de nuevos factores al incluir demandas de eficiencia logística y ecológica. Destaca como antecedente metodológico el diseño y validación del Sistema de Información Geográfica como sistema experto para la generación y evaluación de caminos óptimos para líneas eléctricas en Canarias (INERCO, 1996), que sirvió de base a investigaciones para la determinación de corredores de transporte de energía en los planes especiales de corredores de transporte de energía eléctrica de Tenerife y de Gran Canaria (INERCO, 1999). El método de cálculo de costes ambientales a aplicar en el proyecto de SIG para el diseño y análisis de redes intermodales de transporte consiste en vincular a cada trayecto una función de transformación que agregue las principales variables ambientales que determinan su impacto medioambiental agregado, según el modo de transporte, valor ambiental y receptores afectables, condiciones operacionales y tipo de vehículo en cuestión, con el objetivo de generar una ruta óptima. La hipótesis de partida es que los elementos que definen la competitividad de las distintas combinaciones de transporte intermodal son susceptibles de ser transformados en parámetros y algoritmos que permiten el cálculo de rutas óptimas y áreas de influencia con un SIG intermodal. La implementación completa una herramienta dinámica para la evaluación ex – ante y ex - post, asesoramiento y toma de decisiones de redes actuales o futuras. Esta investigación operativa ayuda a minimizar costes económicos y de tiempo, impactos ambientales, maximizar eco-eficiencia y competitividad de transporte intermodal, para usuarios, compañías de transporte y logística, concesionarios, nodos de transporte y administraciones. Los parámetros logísticos son interpretados por el SIG a través de un módulo de análisis de redes. Los parámetros son traducidos en atributos de la base de datos permiten evaluar la competitividad de unos corredores frente a otros, establecimiento de líneas de isocronas para detectar los puntos estratégicos de descanso y trasbordo de unidades. Los tiempos que definen a éstas son los reglamentados en la normativa vigente e intersectan pr ejemplo en el litoral en zonas próximas e incluso coincidente con puertos incluidos (o candidatos a serlo) en autopistas del mar. Sobre la competitividad con las rutas terrestres, hay que señalar que existe un margen muy estrecho entre corredores en tiempo de ruta cuando se trata de destinos entre el sur y en el norte de Europa. Por ejemplo las opciones desde el Estrecho de Gibraltar hacia Hamburgo o Munich varían en apenas una hora entre la opción de la autovía del Mediterráneo o la N-IV (Moreno Navarro, J.G., 2008). El modelo estudia preliminarmente la viabilidad y validación ulterior de aplicación con los siguientes factores: 1. Emisiones a la atmósfera: Gases de efecto invernadero (GEI, expresados en CO2 equivalentes), gases acidificantes (SO2, NOX), partículas, COV´s (compuestos orgánicos volátiles), CO, ruido. 2. Riesgo de vertidos: en función de su probabilidad y consecuencias ambientales 3. Riesgo de accidentes sobre la población 4. Congestión del tráfico 5. Riesgo de colisión con fauna vertebrada de interés: en trayectos marinos y en trayectos terrestres. 6. Valor ambiental de las zonas que atraviesan cada vector del SIG que compone el trayecto (áreas de especial valor ecológico). La herramienta SIG es la empleada en un proyecto del Plan Nacional I+D cuya funcionalidad viene expresada en la obra de Moreno Navarro (2006). El modelo final tiene más de 100.000 arcos conteniendo todas las posibilidades de ruta entre Marruecos y la Unión Europea, a excepción de las líneas aéreas. La cartografía parte de la Digital Chart of the World a la que se han añadido las líneas de transporte marítimo en un proceso de digitalización y actualización de la base de datos. Posteriormente los arcos se han actualizado con las correspondientes prestaciones, comenzando por distancia y tiempo de trazado. Se actualizó con puntos de transferencia con su correspondiente tiempo de espera, cuyos valores fueron obtenidos en trabajo de campo, siendo estos puntos los más sensibles a la hora de la actualización, ya que los tiempos han mejorado en la mayoría de los casos. Dichos cambios se han debido fundamentalmente a avances en logística y administración. La figura 1 muestra la arquitectura básica con el ejemplo de un punto de transferencia donde se encuentran representados todos los medios de transporte implicados. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 441 Figura 3. Arquitectura de puntos de transferencia Fuente: Elaboración propia 3. RESULTADOS La aplicación del modelo para el trayecto Casablanca-Munich, analizando tiempo y distancias; y utilizando como ejemplo de variable de ecoeficiencia el consumo de CO2 , arroja los resultados que se reflejan a continuación. Para ello, en primer lugar se ha elaborado el mapa y los datos relativos a la ruta intermodal con menor consumo de CO2 (figura 2 y tabla, 1 respectivamente). Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 442 Figura 2. Trayecto con menor consumo de CO 2 Fuente: Elaboración propia Tabla 1. Datos logísticos del trayecto con menor consumo de CO2. MEDIO TRAMOS HORAS METROS CO2 (gr) Transbordos 4,0 4,0 1.119,0 0,0 Ferry 12,0 13,8 366.470,0 339.717,7 Ferrocarril 241,0 36,1 2.749.973,0 1.880.981,5 Carretera 1,0 0,0 811,0 2.238,4 TOTAL 258,0 53,8 3.118.373,0 2.222.937,6 Fuente: Elaboración propia. Factor de emisión ECMT (2007) y TRENDS (2003 En segundo lugar, se muestra el mapa y los datos asociados a la ruta intermodal que emplea menor tiempo para unir los puntos origen y destinos citados (figura 3 y tabla 2 siguientes). Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 443 Figura 3. Trayecto con menor tiempo Fuente: Elaboración propia Tabla 2. Datos logísticos del trayecto con menor tiempo. MODO DE TRANSPORTE TRAMOS HORAS METROS CO2 (gr) Transbordos 1,0 1,0 1.389,0 0,0 Autopista 214,0 22,7 2.270.611,0 6.266.886,4 Ferry 7,0 3,3 73.729,0 68.346,8 Ferrocarril 2,0 0,2 7.089,0 4.848,9 Carretera 106,0 7,2 475.017,0 1.311.046,9 Total 330 34,4 2.827.835,0 7.651.128,9 Fuente: Elaboración propia. Factor de emisión ECMT (2007) y TRENDS (2003). Por último, se ha confeccionado el mapa y los datos asociados a la ruta intermodal más corta espacialmente , que se corresponden con la figura 4 y la tabla 3, respectivamente. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 444 Figura 4. Trayecto más corto en distancia Fuente: Elaboración propia Tabla 3. Datos logísticos del trayecto más corto en distancia. MODO TRAMOS HORAS METROS CO2 (gr) Transbordo 1,0 1,0 1.389,0 0,0 Autopista 22,0 2,3 229.264,0 632.768,6 Ferry 37,0 69,6 1.923.534,0 1.783.116,0 Ferrocarril 2,0 0,2 7.089,0 4.848,9 Carretera 33,0 5,5 376.478,0 1.039.079,3 Total 95,0 78,5 2.537.754,0 3.459.812,8 Fuente: Elaboración propia. Factor de emisión ECMT (2007) y TRENDS (2003). Otra aproximación más detallada que se propone en el modelo consiste en el empleo del algoritmo del cálculo del consumo de combustible sin tener en cuenta factores de emisión promedio como en el caso anteriormente expuesto. Esto es aplicable cuando se disponen de datos de consumo, a partir de la potencia ideal de un vehículo en movimiento, que se define como el trabajo desarrollado por el mismo en la unidad de tiempo, esto es: t W Tiempo Trabajo Potencia idealideal ideal == Donde la potencia ideal se expresa en vatios (W), el trabajo en julios (J) y el tiempo en segundos (s). Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 445 El trabajo ideal desarrollado por el vehículo es igual al incremento de energía cinética más el incremento de energía potencial (expresadas en julios), tal como se define en la siguiente ecuación: PCideal EEW ∆+∆= El incremento de energía cinética (∆Ec ) en x e y se define como: 2 )(2/1 yxvehículoc vvME ∆+∆⋅⋅=∆ de donde ∆v es el incremento de velocidad (m/s) en los ejes x e y, y Mvehículo es la masa del vehículo (Kg). El incremento de velocidad en las coordenadas x e y en el tramo definido, puede calcularse como: tytxvvv yx ∆ ∆ + ∆∆=∆+∆=∆ // )/()()/()( 11111111 −+−+−+−+ −−+−−=∆ iiiiiiii ttyyttxxv Los incrementos de x e y se expresan en metros y el tiempo en segundos. El incremento de energía potencial se define como: )( 11 −+ −⋅⋅=∆ iivehículop zzgME , donde Mvehículo es la masa del vehículo (Kg), g es la gravedad (m/s2) y el incremento de z representa la altura que se expresa en metros. Los incrementos de energía cinética y potencial representan el trabajo ideal, y la potencia ideal se puede calcular como el trabajo ideal por unidad de tiempo. Hay que considerar que el motor tiene un rendimiento que hace que la potencia real que tiene que generar el motor sea mayor a la ideal. Se define como: real ideal Potencia Potencia = η La potencia real necesaria que tiene que generar el motor para producir el desplazamiento tiene que ser igual a la energía producida por el combustible: realecombustiblecombustibl e combustibl PotenciaPCIMEnergía = ⋅= La energía producida por el combustible se expresa en J/s (W), la masa del combustible en Kg/s y el poder calorífico inferior del combustible (PCI) en J/Kg. La expresión para calcular entonces la potencia real del motor, es decir su consumo, se obtiene a partir de las siguientes variables: η )()()(2/1 11 2 )1()1( )1()1( )1()1( )1()1( −+ −+ −+ −+ −+ −⋅⋅+ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − + − − ⋅⋅ = ii iyiy iyiy ixix ixix vehículo real zzgM tt vv tt vv M Potencia de donde las vx(i+1), vx(i-1), vy(i+1), vy(i-1) se expresan como: ii ii ix tt xx v− − = + + + 1 1 )1( 1 1 )1( − − − − − = ii ii ix tt xx v ii ii iy tt yy v− − = + + + 1 1 )1( 1 1 )1( − − + − − = ii ii iy tt yy v Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 446 Es decir, el consumo de combustible se expresa como: ecombustibl ii iyiy iyiy ixix ixix vehículo ecombustibl PCI zzgM tt vv tt vv M M η )(2/1 11 2 )1()1( )1()1( )1()1( )1()1( −+ −+ −+ −+ −+ −⋅⋅+ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − ⋅⋅ = Conocido el coste del combustible (c) en €/l y la densidad del combustible (ρ) expresada en Kg/l, puede obtenerse finalmente el coste total del consumo del motor (Ct), expresado en €, como: c M C ecombustibl ⋅= ρ ρη ⋅⋅ −⋅⋅+ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − ⋅⋅⋅ = −+ −+ −+ −+ −+ PCI zzgM tt vv tt vv Mc C ii iyiy iyiy ixix ixix vehículo t )(2/1 11 2 )1()1( )1()1( )1()1( )1()1( 4. DISCUSIÓN La aplicación de la reglamentación de descanso en carretera se basa en el trazado de isocronas desde los puntos de interés. Los algoritmos para su aplicación en la decisión de ruta entre dos puntos contemplando el beneficio del descanso para el uso de alternativas intermodales están aún en desarrollo. Para el cálculo del valor de cada factor y variable implicada se realiza un estudio para seleccionar los valores mejor fundamentados científicamente y aplicables según la calidad y cobertura de los datos. Para ello se identifican y seleccionan factores de emisión representativos para cada contaminante, modalidad de transporte, tipología de vehículo, combustible, antigüedad, grado de ocupación del vehículo y condiciones meteorológicas velocidad y régimen de funcionamiento de la vía de comunicación y nodos de transporte. El modelo contempla un estudio de las bases de datos disponibles, como estudios de costes de externalidades ambientales, análisis de ciclos de vida de productos y servicios, bases de datos y estadísticas de accidentabilidad y datos ambientales relevantes para distintos modos y condiciones de transporte. Además se disponen de factores de emisión para distintos modos de transporte de la EPA (United States Environmental Agency), y a nivel europeo EMEP/CORINAIR 1996, y estadísticas de Eurostat, entre otras. El sistema de cálculo de costes ambientales (costes externos negativos) del trayecto y combinación de transportes se integra mediante un algoritmo general de determinación de pasillos óptimos intermodales, que considera aspectos de costes internos en materia de tiempo y costes operacionales del trayecto, que refleja los costes totales del itinerario. La implementación completa de la herramienta informática permite la generación y evaluación de alternativas bajo distintos escenarios y objetivos cambiante según los objetivos que se persiga optimizar. Tal como se aprecia en el ejemplo de la conexión Casablanca-Munich para la variable CO2 los resultados logísticos y de ecoeficiencia son manifiestamente distintos según el criterio que prevalezca. En el caso de primar la función de ecoeficiencia para esta variable, el trayecto que optimiza esa función opta por el transporte mayoritariamente por ferrocarril. El trayecto más breve en tiempo se resuelve básicamente vía autopista, mientras que el más corto en distancia es vía marítima, pero con parámetros de tiempo y distancia diferenciales. Todo ello posibilita grados de integración crecientes de diferentes funciones de transformación correspondientes a las variables con mayor significancia desde una óptica “eco-logística”. Seguidamente se señala la sistemática a utilizar para el desarrollo de un algoritmo e implementación del software según el modelo establecido. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 447 a) Definición de la estructura del problema a resolver. Análisis de requerimientos. En primer lugar, descripción de la estructura del problema que se va a resolver con el algoritmo. En esta descripción se deben identificar los distintos elementos involucrados y sus características. Existen diversas técnicas para la consecución de este objetivo: el análisis de dominio, la descripción informal de Abbot o el análisis estructurado. En el análisis de requerimientos se debe hacer un estudio detallado del problema con el fin de obtener una serie de especificaciones en las cuales quede totalmente definido el proceso a seguir en la automatización. b) Investigación y generación de los parámetros necesarios para dar respuesta a los requerimientos anteriores. Se deben investigar y generar los datos de entrada, de salida e internos, que se van a utilizar para la creación del algoritmo, así como los errores que puedan ocasionarse. Asimismo hay que especificar las siguientes acciones: - Acciones de Entrada: Recogen los datos para el trabajo. - Acciones de Proceso: Ejecutan los cálculos. - Acciones de Salida: Ofrecen los resultados. La interfaz del algoritmo está constituida por: Acciones de Entrada + Acciones de Salida + Datos de Entrada + Datos de Salida. c) Desarrollo del modelo y diseño del algoritmo. El desarrollo del modelo consiste en la obtención del algoritmo para la resolución del problema, de acuerdo a las especificaciones dadas en la fase anterior. El algoritmo puede ser un modelo abstracto, esquemático, iconográfico o pictográfico. Ejemplos de desarrollo de un modelo-tipo pueden ser: 1. Diagrama de flujo. Es quizás la forma de representación más antigua. Algunos autores suelen llamarlos también como flujogramas o diagramas de caja. Un diagrama de flujo utiliza cajas estándar tales como las que se muestran: