Accountable flexibility in the reserve site selection problem with exact optimisation methods

La flexibilité dans le problème de sélection de réserve rendue transparente par des méthodes d'optimisation exacte.

Adrien Brunel (1) , Sophie Lanco Bertrand (1) , Jérémy Omer (2)

1 IRD - Institut de Recherche pour le Développement
2 IRMAR - Institut de Recherche Mathématique de Rennes

Marine protected areas are at the heart of current global policies against the erosion of ocean biodiversity. To meet the pressing challenge of covering 30% of the surface of the sea under jurisdiction with a network of marine protected areas by 2030, reserve site selection models are increasingly mobilised. These models address the optimisation problem that seeks to cover biodiversity features with a minimum impact on human activities. Flexibility is a solver ability to provide relevant alternative solutions on the basis of which stakeholders negotiations can be carried out. The widely used Marxan deploys a metaheuristic algorithm which produce alternatives mostly based on repeating random processes. While several works already demonstrated how exact methods outperform metaheuristic approaches both in computation time and optimality, flexibility is still raised as a key feature in favour of metaheuristics. We propose in this work several algorithms to explore the optimal solution space with exact optimisation methods using simple recursive procedures based on explicit criteria. This work shows that the flexibility offered by metaheuristics can be outstripped by an accountable (explicit, transparent and replicable) flexibility of exact solutions. Allowing to understand precisely why and how the result was arrived at, the framework presented here should contribute to a more equitable negotiation process among stakeholders engaged in marine policy.

Les aires marines protégées sont au cœur des politiques mondiales actuelles de lutte contre l'érosion de la biodiversité des océans. Pour répondre au défi pressant de couvrir 30% de la surface de la mer sous juridiction avec un réseau d'aires marines protégées d'ici 2030, les modèles de sélection de réserve sont de plus en plus mobilisés. Ces modèles répondent au problème d'optimisation qui vise à couvrir les éléments de la biodiversité avec un impact minimal sur les activités humaines. La flexibilité est la capacité d'un solveur à fournir des solutions alternatives pertinentes sur la base desquelles des négociations avec les parties prenantes peuvent être menées. L'outil Marxan, largement utilisé, déploie un algorithme métaheuristique qui produit des solutions alternatives principalement basées sur la répétition de processus aléatoires. Bien que plusieurs travaux aient déjà démontré que les méthodes exactes sont plus performantes que les approches métaheuristiques en termes de temps de calcul et d'optimalité, la flexibilité est toujours considérée comme une caractéristique clé en faveur des métaheuristiques. Nous proposons dans ce travail plusieurs algorithmes pour explorer l'espace des solutions optimales avec des méthodes d'optimisation exactes en utilisant des procédures récursives simples basées sur des critères explicites. Ce travail montre que la flexibilité offerte par les métaheuristiques peut être dépassée par une flexibilité transparente (explicite, justifiée et reproductible) des solutions exactes. Permettant de comprendre précisément pourquoi et comment on est arrivé au résultat, le cadre présenté ici devrait contribuer à un processus de négociation plus équitable entre les parties prenantes engagées dans la politique marine.

Mots clés: optimal reserve site selection; marine protected area; marine spatial planning; integer linear programming; Marxan; decision support tool

Domaines: Biodiversité et Ecologie; Optimisation et contrôle [math.OC]

Adrien Brunel, Sophie Lanco Bertrand, Jérémy Omer. Accountable flexibility in the reserve site selection problem with exact optimisation methods. 2022. ⟨hal-03519381v1⟩