Prise en compte de l'incertitude dans l'expertise des risques naturels en montagne par analyse multicritères et fusion d'information - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Considering uncertainty in the natural risks expertise process using multicriteria decision analysis and information fusion

Prise en compte de l'incertitude dans l'expertise des risques naturels en montagne par analyse multicritères et fusion d'information

J.M. Tacnet

Résumé

Rapid mass movements hazards such as mountain rivers (torrents) and snow avalanches put humans and material assets at risk with dramatic consequences. Risk reduction is reached through structural and non-structural measures such as zoning control, preventive information. In a context of lacking knowledge about the natural phenomena, expertise is required to provide analyses for decision and risk management purposes using multi-disciplinary quantitative or qualitative approaches. Expert judgements depend on the availability, quality and uncertainty of the available information that may result from measures, historical analysis, testimonies but also subjective, possibly conflicting, assessments done by the experts themselves. At the end, phenomenon scenarios and decisions may very well rely on very uncertain and conflicting information without being able to really know what was completely true, imprecise, conflicting or simply unknown in the hypotheses leading to the result. At the same moment, traceability and shared decision-aid tools are expected from the stakeholders for better understanding and use of expertise results in an integrated risk management framework able to consider both technical, environmental and social aspects of decision. In that context, this work analyses relations between information and decision including the integration of results in information systems. On one hand, it contributes to improve traceability and quality description of the expertise process and, on the other hand, it provides and analyzes multi-criteria aid-decision tools able to consider information imperfection (uncertainty, imprecision) resulting from conflicting sources. Firstly, we analyze the ability of multi-criteria decision analysis to help risk assessment, including a diagnosis of existing empirical approaches developed to combine the risk components evaluations. A methodology is proposed to transform those existing models mainly related to lists of criteria (one-level hierarchy, meaning no hierarchy) in real hierarchical decision models. This allows to elicit in a clearer way the relative preferences chosen by the analysts between individual or grouped criteria. On this basis, any hierarchical model can be transformed in an another one, keeping the same decision results and highlighting some new preferences views on the problem such as role and importance of scenarios based on aggravated criteria in the decision. Secondly, a framework mixing evidential reasoning and multi-criteria decision analysis ER-MCDA) combines qualitative and quantitative criteria on which more or less reliable and conflicting sources provide uncertain and imprecise evaluations. The Analytic Hierarchy Process (AHP) is used both to model the problem in a conceptual way and to elicit preferences between key criteria. Fuzzy Sets and Possibilities theories are used to transform quantitative and qualitative criteria into a common frame for Dempster-Shafer Theory (DST) and Dezert-Smarandache Theory (DSmT). In that context, DSmT proposes more valuable modeling principles for vague, imprecise and uncertain information and conflict management. As an example, information fusion allows merging different uncertain and imperfect pieces of information to identify the sensitivity of an avalanche prone area. A simplified decision sorting problem based on a snow-avalanche risk management problem shows how the use of multi-criteria decision analysis principles and information fusion can be used to characterize and take information quality or imperfection into account for decision purposes. This methodology can be extended to spatial applications such as hazard and risk zoning maps. Mixing information fusion and multi-criteria decision points out some important issues such as basic belief assignments elicitation, conflict identification and management, fusion rule choices, validation of results but also specific needs to make a difference between importance and uncertainty in the fusion process. At the end, multi-criteria decision-aid methods can be viewed as a valuable and alternative support for risk components evaluation. Traceability through easily understandable methodologies (hierarchical approaches, fuzzy numbers) and information imperfection assessments can be viewed not only as ways to improve the global quality of the expertise and decision processes but also as creating a new space for interaction between expertise and society. In addition to their technical interest, they may become unexpected but valuable support to an integrated risk management approach.
Les phénomènes naturels gravitaires rapides tels que les avalanches ou les crues torrentielles constituent une menace importante pour les biens et les personnes en zones de montagne mais restent mal connus. Pour assurer la sécurité et préserver la vie économique, l'identification et la réduction du risque sont des objectifs majeurs de l'Etat, des collectivités locales et de leurs équipes techniques. Déterminer, évaluer et localiser les priorités d'intervention constituent autant de décisions devant intégrer les contraintes non seulement techniques, économiques, sociales mais aussi environnementales. Dans un contexte de connaissance partielle et imparfaite de l'occurrence et de la physique des phénomènes, l'expertise contribue, par des approches pluridisciplinaires à la fois qualitatives et quantitatives, à identifier les phénomènes, analyser les risques qu'ils induisent sur les enjeux et proposer des mesures structurelles et/ou non-structurelles pour la réduction des risques. Les jugements d'experts dépendent de la disponibilité, de la qualité et de l'incertitude de l'information disponible en provenance de mesures, d'enquêtes historiques, de témoignages mais aussi d'analyses personnelles pouvant être subjectives, contradictoires faites par les experts eux-mêmes. En fin de compte, les scénarios de phénomènes et les décisions peuvent ainsi reposer sur des informations incertaines et contradictoires sans qu'il soit possible de vraiment identifier la part du vrai, de l'imprécis, du contradictoire ou simplement de l'inconnu dans les hypothèses ayant conduit au résultat. Dans ce contexte, ce travail analyse les relations entre l'information au travers de ses différentes formes d'imperfection telle que l'incertitude avec la décision dans la perspective de son intégration dans des systèmes d'information. Il vise d'une part à améliorer la traçabilité, l'explicitation et la qualité des composants du processus d'expertise et, d'autre part, à fournir et analyser des outils d'aide multicritères à la décision capables de considérer l'information imparfaite (incertaine, imprécise) provenant de sources de fiabilité variable et potentiellement conflictuelles. Dans un premier temps, l'analyse porte à la fois sur la capacité des méthodes d'aide multi-critères à la décision à produire une analyse ou une évaluation des composantes du risque et sur le diagnostic de méthodes existantes parfois développées de manière empirique. Une méthodologie est proposée pour transformer ces modèles existants correspondants à des listes de critères (donc sans notion de hiérarchie) en véritables modèles de décision hiérarchiques. Ceci permet notamment d'expliciter plus clairement les préférences relatives choisies par les analystes pour comparer les critères individuels ou regroupés dans des critères de synthèse. Sur cette base, un modèle hiérarchique quelconque peut ainsi être transformé dans un autre modèle du même type tout en conservant le même résultat global. Cette reconfiguration permet par contre de mettre en évidence des vues différentes et nouvelles des préférences entre critères liées par exemple à l'importance et au rôle de scénarios basés sur une aggravation de critères dans la décision. Dans un second temps, la méthodologie ER-MCDA associant la fusion d'information et l'aide multicritères à la décision permet de combiner des critères qualitatifs et quantitatifs évalués de manière incertaine, imprécise par des sources plus ou moins fiables et conflictuelles. L'aide multicritères hiérarchique à la décision (AHP) permet de formuler conceptuellement le problème de décision mais aussi d'expliciter les préférences entre les critères. Les théories des ensembles flous et des possibilités sont utilisées pour transformer des critères quantitatifs et qualitatifs dans un cadre de discernement commun associé à la décision et à la théorie des fonctions de croyance via d'une part, la théorie de Dempster-Shafer (DST) et, d'autre part, la théorie de Dezert-Smarandache (DSmT). Dans ce contexte, la théorie DSmT présente l'avantage de pouvoir modéliser de manière native et naturelle des informations vagues, imprécises et conflictuelles. A titre d'exemple, des informations incertaines et imparfaites sont fusionnées pour identifier la sensibilité d'un site d'avalanche au travers d'une évaluation des composantes du risque. Ce problème simplifié de classement de sites avalancheux montre comment la méthode d'aide multicritères hiérarchique à la décision et la fusion d'information peuvent être combinées pour faire apparaître la qualité et l'imperfection de l'information dans la décision. Cette méthodologie peut être étendue à des applications spatiales telles que le zonage des aléas et des risques résultant d'une évaluation de nombreuses sources à la fois qualitatives et quantitatives. Cette association de la fusion d'information et l'aide multi-critères à la décision soulève un certain nombre de verrous tels que l'explicitation et la définition (subjective) des masses de croyance, la prise en compte du conflit, le choix des règles et la définition du processus de fusion, la validation des résultats mais aussi, de manière plus spécifique, la nécessité de prendre en compte de manière différenciée l'importance et l'incertitude dans le processus de fusion. Finalement, l'aide multicritères à la décision peut être vue comme une alternative pour l'évaluation des composantes du risque. La traçabilité des critères est caractérisée au travers de méthodologies accessibles (formulation hiérarchique, nombres flous) et de la description de l'imperfection de l'information. Elle peut ainsi être vue non seulement comme un moyen d'améliorer la qualité globale de l'expertise et du processus de décision mais aussi comme créatrice d'un nouvel espace d'interaction entre l'expertise et les décideurs publics. Au-delà d'un strict intérêt technique, ces méthodes pourraient bien apparaître comme des soutiens aussi inattendus que pertinents dans le cadre d'approches intégrées de la gestion du risque.
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Citer

J.M. Tacnet. Prise en compte de l'incertitude dans l'expertise des risques naturels en montagne par analyse multicritères et fusion d'information. Sciences de l'environnement. Doctorat Sciences et Genie de l'Environnement Ecole des Mines de Saint-Etienne, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02592979⟩

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