I två nya tidningar, civilingenjörer utforskar hur man fattar beslut med hjälp av kvantifierbara sociala, ekonomiska och miljömässiga riktlinjer.

Det kallas en hållbarhetsbaserad optimerad algoritm. Den är utformad för att hjälpa markförvaltare, stadsplanerare, ingenjörer och beslutsfattare fattar beslut om anläggningsprojekt. Ny bro? Gammal bro som behöver repareras? Vad sägs om skoltaket eller utvecklingen vid vattnet? Varje projekt har ekonomiska, miljömässiga och sociala faktorer att beakta.

"Det är datadrivet beslutsfattande - det hjälper oss att sätta ett antal på olika aspekter av ett projekt så att vi tillsammans kan fatta mer välgrundade beslut, sa Brian Barkdoll, professor i civil- och miljöteknik vid Michigan Technological University. "Vi kan argumentera om hur man sätter en siffra på det men det finns sätt, och när det väl finns ett nummer, det går att jämföra. Det handlar om transparens i beslut."

Barkdoll arbetade med Hossein Tavakoli, Ph.D. kandidat i civil- och miljöteknik vid Michigan Tech, att lägga ut en hållbarhetsbaserad optimeringsalgoritm. Algoritmen och en algbaserad fallstudie av biobränslen är i fokus för deras papper som publiceras i International Journal of Environmental Science and Technology .

"Det handlar om att vi måste bry oss, "Barkdoll sa, och tillägger att hans team i en andra artikel – publicerad i River Research and Applications – dök djupt in i ett särskilt exempel där beslutsfattandet är svårt:höjning av havsnivån. "Vi vet att kuststäder riskerar översvämningar, och det är också förvånande hur det påverkar floder och broar uppströms."

Från energi till vatten till mat, anläggningsprojekt påverkar naturresurserna i hög grad. Barkdoll hoppas att ingenjörer kan ta sig an utmaningen för att göra besluten tydligare, om inte lättare:"Ingenjörer och forskare får information och kommer med förslag. Vi fattar inte besluten, men om vi kan presentera idéer som hjälper beslutsfattare att fatta bättre beslut, då borde vi göra det."

Algoritmisk hållbarhet

Till Barkdoll, det svåraste är inte siffrorna, även om han säger att det finns gott om nyanser och utrymme för förbättringar. Istället, utmaningen är en grundläggande förändring i hur ingenjörer ser på projekt.

Vanligtvis, säkerhet och kostnad är högsta prioritet för anläggningsprojekt. Vad Barkdoll väver in i den hållbarhetsbaserade optimeringsalgoritmen är att ta hänsyn till kostnaderna för ett projekt under en livstid.

"Som ingenjörer, vi tillhandahåller ett antal alternativ och vi kan fortfarande tillhandahålla vad folk tror att de vill ha – det billigaste och säkraste alternativet – och presentera alternativ som inte bara tittar på den initiala kostnaden utan ett projekts kostnad under dess livslängd och de kostnader som externiseras, sa Barkdoll.

Ett vanligt exempel han pekar på är parkeringsplatser:Det verkar lätt att täcka ett utrymme och låta det vara, men efter att ha redovisat underhållskostnader, risk för avrinning och översvämning, koldioxidutsläpp, då ser standardrännorna och asfalten mindre tilltalande ut med siffrorna jämfört med att placera i en regnträdgård, infiltrationsdiken och bioretentionsdammar.

Idén är övertygande och som ingenjör ville Barkdoll säkerställa att algoritmen faktiskt fungerade. Så han och Tavakoli tittade noga på biobränslen gjorda av alger.

Fallstudie:Alger biobränslen

Genom att använda en hållbarhetsbaserad optimeringsalgoritm, nyckeln är att titta på hela livscykeln för ett projekt eller en process i termer av teknisk, miljömässiga och sociala faktorer.

"Resultaten av denna algoritm visar hur att överväga alla aspekter av hållbarhet tillsammans inte nödvändigtvis är detsamma som ett beslut som fattas baserat på något av dessa tre kriterier individuellt, " sa Tavakoli. "Till exempel, om studien är i en region med vattenbrist, vattenförbrukningen kan anses vara den viktigaste faktorn. Eller, om studien är i en region med höga luftföroreningar, utsläppen av luftföroreningar kan anses vara viktigare."

När det gäller algbiobränslen, det bästa svaret varierar beroende på plats, källan till algerna, ekonomi och många andra viktade faktorer. Att komma till ett beslut med hjälp av algoritmen är civilingenjörens motsvarighet till personlig medicin – precis som en persons genetik, vanor och mediciner gör skillnad, det gör också nyanserna i ett energiprojekt.

Fallstudie:Broar och havsnivåhöjning

Skala upp från ett enda projekt, hållbarhetsbaserade optimeringsalgoritmer kan hjälpa beslutsfattare att bryta ner komplexiteten i elaka problem som klimatförändringar.

I deras artikel om flodforskning och tillämpningar, Barkdolls team fokuserar på den tekniska sidan av havsnivåhöjningen. Förutom kusteffekter, floder och bäckar skulle också flöda med stigande hav. I synnerhet, som laget fann, detta påverkar hur mycket sediment floder bär, som påverkar fisket, översvämningskontroll, bankerosion och broskur. Hav stiger, floder fylls upp, och nedförsbacken minskar – så mindre sediment kan röra sig nedströms.

Även om detta kan vara till hjälp i vissa fall, som att hantera mindre sediment som byggs upp mot dammar, förändringarna kan också göra vissa processer oförutsägbara. Brosökning är viktig och fylligare floder från stigande hav skulle kunna skrapa bort baserna för redan försvagad infrastruktur.

"Det är här beslutsfattandet är viktigt, " Sa Barkdoll. "Dessa två papper kan hjälpa till att använda en bredare beslutsprocess för att fatta beslut om vattendelar, floder, vad vi bygger på dem och vad vi inte gör, om vi behöver högre vallar eller inte."

Det är en process som kan tillämpas ännu bredare. Barkdolls framtida studier tittar på att analysera andra civilingenjörs- och miljöutmaningar som vattenrening, vattendistribution och vattenlagring med hjälp av hållbarhetsbaserade optimeringsalgoritmer. Vid slutet av dagen, data är stor, påverkan är stor, besluten är monumentala – och Barkdoll vill att ingenjörer ska hjälpa till.