Aplicación de las técnicas AHP, ANP-BC y ANP-BOCR de análisis multicriterio de decisiones a la selección de carteras de proyectos de mantenimiento, rehabilitación y mejora en infraestructuras ferroviarias

Abstract

[EN] The construction of railway infrastructure networks requires heavy investment, long planning and execution times and extended life cycles. An important family of projects in Railway Engineering are the Maintenance, Renewal and Improvement (MR&I) projects. They are critical to maintaining railway infrastructures in good condition and to adapt them to environmental changes and new operating conditions and needs. MR&I action plans have a great impact in the short term because they affect the performance of operating facilities A critical issue for public infrastructure managers and planners is the effective allocation of the scarce resources available for maintenance and repair of railway infrastructures. Obsolescence and lack of adequate maintenance and repair of the railway network affect productivity and lead to increased costs over time. Every year the Manager of a rail network area is faced with different MR&I needs. This involves different projects to be executed with different levels of urgency, different levels of investment and different improvement measures and action plans on the railway network. Therefore, the Manager has a portfolio of MR&I projects and a limited budget. The main problem that the manager faces is setting priorities among the projects to decide which ones will be executed first. It is a complex problem due to the number of different projects and criteria to be considered. Classical approaches are based upon the Cost Benefit analysis (CBA) but there are great uncertainties and variations between the economic values used in different models and the results are heavily dependent on the specific methodology adopted. Methods based upon Multiple Criteria Decision Analysis (MCDA) allow mixing quantitative and qualitative criteria, aggregate multiple experts evaluations and, in general, obtain more robust project rankings than CBA. There is little evidence in the scientific literature of the use of MCDA to similar cases. Research conducted in this thesis studies the decision-making process to choose MR&I projects in a railway network. Technicians and managers are given a methodological tool to help them establish a priority between all the projects in the MR&I portfolio. The problem is addressed as a Multi criteria decision making (MCDM) problem in which thee different ANP models have been used, comparing the results obtained with all of them: Analytic Hierarchical Process (AHP), Analytic Network Process with subnetworks for Benefits and Costs (ANP-BC) and the Analytic Network Process with subnetworks for Costs, Benefits, Opportunities and Risks (ANP-BOCR) The main contributions of this works are: - Deep analysis of the decision criteria. - Design of a procedure for evaluating many different alternative projects. - A decision making process which is both systematic and strict has been obtained. It can be generalized to other areas of the railway infrastructure management company.

Thanks to the results the budget can be used in the best-valued projects according to the criteria established by the decision maker. The priorization is then obtained in a transparent and documented way.

[ES] La construcción de infraestructuras ferroviarias requiere de grandes inversiones, largos plazos de planificación y ejecución y los ciclos de vida totales son muy largos también. Dentro de los proyectos que se realizan en este tipo de infraestructuras, una parte muy importante son las actuaciones sobre líneas en servicio, que se denominan actuaciones de mantenimiento, rehabilitación y mejora (MR&I por sus siglas en ingles de Maintenance, Renewal and Improvement). Las actuaciones de MR&I tienen un gran efecto a corto plazo al afectar al rendimiento de instalaciones que ya están en servicio en el momento de la actuación . La asignación eficaz de los escasos recursos disponibles para MR&I por parte de los gestores de infraestructuras es clave para mantener y mejorar el desempeño general de la red. Cada año el gestor de una zona de la red se enfrenta a diferentes necesidades de mantenimiento, rehabilitación y mejora de la red, por tanto, tiene conjunto muy grande de proyectos de MR&I y un presupuesto limitado para ejecutarlos. El problema que se plantea es seleccionar qué proyectos tienen prioridad a la hora de su ejecución y qué criterios ha de considerar para establecer esa prioridad. Es un problema complejo debido al amplio número de proyectos posibles y de criterios a considerar. Los métodos clásicos más utilizados se basan en el enfoque de análisis coste-beneficio, pero existen grandes variaciones e incertidumbres a la hora de obtener los valores económicos y los resultados del análisis dependen mucho de la metodología específica adoptada. Los métodos basados en el Análisis Multicriterio de Decisiones (Multiple Criteria Decision Analysis MCDA) permitan integrar valoraciones cuantitativas y cualitativas, agregar las preferencias de varios expertos y, en general, obtener ordenaciones de proyectos más robustas que el CBA. No existe apenas evidencia de la aplicación de MCDA al problema planteado en la literatura científica. La investigación presentada en esta tesis estudia el proceso de toma de decisiones para la selección de proyectos de MR&I en una red ferroviaria. Se dota a los técnicos responsables y a los gestores del mantenimiento de los administradores ferroviarios de una herramienta metodológica que les ayude a establecer una prioridad entre la cartera de proyectos de MR&I. El problema se afronta como una toma de decisión multicriterio (MCDM) en la que se han utilizado tres modelos del método ANP, comparando los resultados entre sí: el modelo jerárquico basado en el Proceso Analítico Jerárquico (AHP) , el proceso analítico en red con una subred de costes y otra de beneficios (ANP-BC) y el proceso analítico en red con cuatro subredes: beneficios, oportunidades, costes y riesgos (ANP-BOCR). Las principales contribuciones de este trabajo son: - El profundo análisis realizado sobre los criterios de decisión. - Se ha diseñado un procedimiento para evaluar un conjunto muy numeroso de actuaciones alternativas. - Se ha obtenido un proceso de toma de decisiones riguroso y sistemático que se puede generalizar para otras zonas de gestión de la Compañía Gestora de las Infraestructuras ferroviarias El resultado permite utilizar el presupuesto en los proyectos mejor valorados de acuerdo a los criterios establecidos por el decisor. Obteniéndose la priorización de forma transparente y documentada.

[CA] La construcció d'infraestructures ferroviàries requereix de grans inversions, llargs terminis de planificació i execució i els cicles de vida totals són molt llargs també.

Dins dels projectes que es realitzen en aquest tipus d'infraestructures, una part molt important són les actuacions sobre línies en servei, que es denominen actuacions de manteniment, rehabilitació i millora (MR&I per les seues sigles en angles de Maintenance, Renewal and Improvement). Les actuacions de MR&I tenen un gran efecte a curt termini en afectar al rendiment d'instal·lacions que ja estan en servei en el moment de l'actuació . L'assignació eficaç dels escassos recursos disponibles per a MR&I per part dels gestors d'infraestructures és clau per a mantenir i millorar l'acompliment general de la xarxa.

Cada any el gestor d'una zona de la xarxa s'enfronta a diferents necessitats de manteniment, rehabilitació i millora de la xarxa, per tant, té un conjunt molt gran de projectes de MR&I i un pressupost limitat per a executar-los. El problema que es planteja és seleccionar quins projectes tenen prioritat a l'hora de la seua execució i quins criteris ha de considerar per a establir aqueixa prioritat. És un problema complex a causa de l'ampli nombre de projectes possibles i de criteris a considerar.

Els mètodes clàssics més utilitzats es basen en l'enfocament d'anàlisi cost-beneficie, però existeixen grans variacions i incerteses a l'hora d'obtenir els valors econòmics i els resultats de l'anàlisi depenen molt de la metodologia específica adoptada. Els mètodes basats en l'Anàlisi Multicriteri de Decisions (Multiple Criteria Decision Analysis MCDA) permeten integrar valoracions quantitatives i qualitatives, agregar les preferències de diversos experts i, en general, obtenir ordenacions de projectes més robustes que el CBA. No existeix apenes evidencia de l'aplicació de *MCDA al problema plantejat en la literatura científica.

La recerca presentada en aquesta tesi estudia el procés de presa de decisions per a la selecció de projectes de MR&I en una xarxa ferroviària. Es dota als tècnics responsables i als gestors del manteniment dels administradors ferroviaris d'una eina metodològica que els ajude a establir una prioritat entre la cartera de projectes de MR&I. El problema s'afronta com una presa de decisió multicriteri (MCDM) en la qual s'han utilitzat tres models del mètode ANP, comparant els resultats entre si: el model jeràrquic basat en el Procés Analític Jeràrquic (AHP) , el procés analític en xarxa amb una subxarxa de costos i una altra de beneficis (ANP-BC), i el procés analític en xarxa amb quatre subxarxes: beneficis, oportunitats, costos i riscos (ANP-BOCR).

Les principals contribucions d'aquest treball són: - La profunda anàlisi realitzada sobre els criteris de decisió. - S'ha dissenyat un procediment per a avaluar un conjunt molt nombrós d'actuacions alternatives. - S'ha obtingut un procés de presa de decisions rigorós i sistemàtic que es pot generalitzar per a altres zones de gestió de la Companyia Gestora de les Infraestructures ferroviàries

El resultat permet utilitzar el pressupost en els projectes millor valorats d'acord als criteris establits pel decisor. Obtenint-se la priorització de forma transparent i documentada.