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实时大规模救灾行动中综合供应链物建模
摘要
这项研究的目标是开发一个综合模型，描述响应自然灾害的综合逻辑运算。我们提出了一个数学模型，通过供应链控制从源头流出的几种救济物品，直到它们被运送到接收者的手中。网络结构符合FEMA的复杂物流结构。拟议的模型不仅考虑车辆外出和接送或交付计划等细节;但也考虑为几层临时设施寻找最佳位置，并考虑每个设施和运输系统的若干容量限制。这种集成模型为集中式操作计划提供了机会，可以消除延迟并将有限的资源分配给最佳使用。
我们同时设计了一组数值实验来测试所提出的公式并评估优化问题的性能。数值分析显示了模型处理大规模救援行动的能力，并提供了足够的细节。然而，通过延长操作的长度或考虑接收者之间的公平性，问题的规模和难度迅速增长。在这些情况下，建议在未来的研究中寻找快速求解算法和启发式方法
1.简介
在今天的灾难似乎正在全球各个角落发生的社会中，应急管理的重要性是无法企及的。通过更多的远见和具体规划，可以避免大量的人员损失和不必要的基础设施破坏。应急管理（或灾害管理）是避免风险和应对风险的学科[1]。任何国家和任何社区都不会免受灾害风险的影响。但是，可以准备，响应和从灾难中恢复，并在一定程度上限制破坏。应急管理是一门学科，它涉及在灾害发生之前做好准备，在发生自然灾害或人为灾害后立即应对灾害，以及支持和重建社会。应急管理是一个持续的过程。必须制定全面的应急计划，不断评估和改进计划。相关活动通常分为准备，响应，恢复和缓解四个阶段。在周期的每个阶段采取适当的行动，可以在下一轮周期中提供更好的准备，更好的预警，减少脆弱性或预防灾害。
在紧急情况下，各种援助组织经常面临着将大量不同商品（包括食品，衣服，药品，医疗用品，机械和人员）从不同的原产地运送到灾区不同目的地的重大问题。 必须迅速有效地运送物资和救济人员，以最大限度地提高受影响人口的生存率，并最大限度地降低此类行动的成本。
联邦紧急事务管理局（FEMA）是负责准备和应对美国联邦级灾难的主要组织。 联邦紧急事务管理局的主要任务是通过以风险为基础领导和支持国家，减少生命和财产损失，保护国家免受一切危害，包括自然灾害，恐怖主义行为和其他人为灾害， 全面的应急管理系统，包括准备，保护，响应，恢复和缓解。
FEMA拥有非常复杂的物流结构，可以在灾难发生后为灾民提供关键物品，涉及多个组织并在全国范围内传播。 供应链中有七个主要组成部分，为灾民提供救济物资，这里简要介绍一下：
FEMA后勤中心（LC）是接收，储存，运输和回收灾害商品和设备的永久性设施。 FEMA共有9个物流中心。
商业存储站点（CSS）是由私营企业拥有和运营的永久性设施，用于FEMA的商品。冰柜的冰柜储存空间就是一个例子。
其他联邦机构网站（VEN）代表从中购买和管理商品的供应商。考试文件是国防后勤局（DLA）和总务管理局（GSA）。
动员中心（MOB）在战区的临时联邦设施，可以接收商品，设备和人员，并根据需要预先安置部署。在MOB中，商品仍然在FEMA物流总部的控制之下，可以部署到多个州。通常预计MOB有能力持有3天的供应商品。
联邦作战集结区（FOSA）是接收商品，设备和人员的临时设施，并根据需要预先安置在一个指定的州内部署。商品由联合外地办事处（JFO）或区域办事处控制
响应协调中心（RRCC）。商品通常由MOB中心，物流中心或供应商的直接货物提供。通常预计FOSA将持有1-2天的商品。
国家集结区（SSA）受影响国家的临时设施，在该临时设施接收商品，设备和人员并预先安置在该州内部署。交付的联邦商品和成本分摊的所有权转移在SSA中启动。
分配点（POD）站点灾区的临时当地设施，商品直接分发给灾民。 POD由受影响的州运营。
图1 FEMA供应链结构
图1更好地说明了这种结构。 在金字塔的顶部有3种类型的设施：FEMA物流中心，商业存储站点和其他联邦机构或供应商。 这些永久性设施储存和运输商品和设备，并被视为链中的“来源”。 动员中心，联邦作战中转区和州立中区是3种类型的设施，主要起到“转运”点的作用。 这些是临时设施，在这些设施中接收和预先安置商品，设备和人员，以便部署到较低级别。 最后，分发点是临时的当地设施，在这些设施中，商品被接收并直接分发给灾民，可被视为“需求”点。 POD可以是受影响地区内的当地学校，教堂或大型停车场。
即使是FEMA物流供应链的简化表述也表明了该系统的复杂结构。 找到4级临时设施的最佳位置是一个复杂的定位问题。 向灾难受害者提供多种类型的商品是一种多商品容量的网络流量问题。 优化网络中车辆的移动是一种动态的车辆路径问题，具有混合的拾取和传送操作。 通常在灾害响应操作中使用多于一种运输模式，这使得该问题成为多模式运输问题。 使问题独特的其他特征包括但不限于快速响应和快速交付的重要性，供应短缺与压倒性需求，设施和运输系统的容量不足以及紧急情况的动态环境。
这项研究的目标是开发一个综合模型，描述响应自然灾害的综合供应链运作。 捕获供应链不同组件之间的内容的集成模型是一个非常有价值的工具。 理想的情况是拥有一个模型来控制从源头到链条的救济商品的流动，直到它们被送到收件人的手中。 这项研究将提供一个模型，不仅要考虑车辆路线和提货或交货时间表等细节; 但也考虑找到临时设施的最佳位置，并考虑每个设施和运输系统的容量限制。 这种模型为集中式运营计划提供了机会，可以消除延迟并以对整个系统最佳的方式分配有限的资源。
文献评论
Altay和Green调查了现有的紧急灾害管理文献。 他们得出结论，大多数灾害管理研究都与社会科学和人文科学有关。 然而，他们认识到近年来更多研究关注OR / MS技术的文献趋势，并强调未来需要进行更多的研究。 在下文中，介绍了使用OR / MS技术建模和优化紧急灾害管理活动的研究摘要。 这不是该领域的独家出版物清单，仅用于关注过去成功使用与本研究主题相关的技术的关键研究。
Haghani和Oh提出了一种用于救灾行动的多商品，多模式网络流量模型的制定和解决方案。 他们的模型可以确定多种运输方式的详细路线和调度计划，这些运输方式将各种救援物资从多个供应点运送到灾区的需求点。 他们制定了具有时间窗的多仓库混合拣货和运输车辆路线问题，作为时空网络上的特殊网络流量问题。 目标是在所有时间段内最小化车辆流量成本，商品流量成本，供应/需求存储成本和模式转移成本之和。
Barbarosoglu等，侧重于救灾行动中直升机活动的战术和作战调度。他们提出了一个双层建模框架，以静态方式解决灾害管理初始响应阶段的机组人员分配，路线和运输问题。 最高级别主要涉及确定直升机机队的战术决策，飞行员任务以及每架直升机执行的旅行总数。 基层解决了运营决策，例如直升机的车辆路线从操作基地到紧急区域的灾难点，给出了顶级解决方案。
Barbarosoglu和Arda 为灾害响应中的交通规划开发了一个两阶段随机规划模型。 他们通过包括供应，路线容量和需求要求的不确定性，扩展了Haghani和Oh [3]的确定性模型。 作者设计了8个地震场景来测试他们在实际问题实例中的方法。 它是一种规划模型，不涉及战略或运营层面可能需要的重要细节。 它没有解决设施位置问题或车辆路径问题。
Ozdamar等，解决了从多个供应中心分发多种商品的紧急物流问题到受影响地区附近的配送中心。 他们制定了一个多期多商品网络流量模型，以确定车辆的提货和交货时间表以及在这些路线上交付的货物数量，目的是最大限度地减少不满足的需求量。 拟议配方的结构使他们能够根据不断变化的需求，供应数量和车队规模重新制定计划。
Yi和Ozdamar 提出了一个模型，将供应交付与灾民的疏散结合起来活动。 他们考虑在灾区建立应急设施，以便在灾后立即满足受害者的医疗需求。 他们利用车辆的能力移动受伤人员和救援物资。 他们的模型产生了更紧凑的配方，但需要后处理来提取详细的车辆路线和提货或交货时间表。
在最近的一项研究中，Balcik和Beamon 提出了一个模型来确定救援行动中配送中心的数量和位置。 他们将定位问题定义为一组可能情景的最大覆盖问题的变体。 它们的目标函数最大化了已建立的配送中心所涵盖的总预期需求。 他们还解决了每个配送中心库存的救济物资数量，以满足需求。 他们的研究是解决救援行动定位问题的首批研究之一; 但是，他们不认为位置问题是供应链网络的一部分。
根据我们的文献综述，没有很多出版物直接在灾害响应中应用网络建模和优化技术。 在这些研究中，没有模型集成了大规模多商品多模态网络流量问题，车辆路径问题与拆分混合拣货和交付以及多层次优化定位问题等相互关联的问题。 同样据我们所知，没有数学模型描述FEMA供应链系统的特殊结构。
问题描述
紧急情况下的物流规划涉及通过具有一些中间转移节点的链式结构将多种救济物品（例如药品，水，食品，设备等）从多个来源发送到受影响区域中的多个分配点。 耗材可能无法立即提供，但会随着时间的推移而到达。 决定救济物品的正确类型和数量，生产的来源和目的地，以及如何向受援者派遣救济物品以减少灾民的痛苦和痛苦是一项艰巨的任务。
有必要在初始响应时间内快速估计需求。 必须了解所需商品的类型，每个人或每个家庭的每种商品的数量，受害者人数的估计以及需求的地理位置。 商品清单包括但不限于水，食物，住所，电子发电机，医疗用品，婴儿床，毯子，防水布和衣服。 一些需求项目是一次性需求，而其他需求项目是重复发生的（例如帐篷与水），一些需求可能会过期，而其他需求可能会被结转（例如食物与衣服）。 需求通常压倒了分销网络的容量。 需求信息在开始时可能不完整和准确，但预计会随着时间的推移而改善。
不同的援助组织可以采用其独特的供应链结构来管理所使用的设施类型以及链条组成部分之间的关系。 例如，FEMA拥有自己的灾害响应供应链结构，此前已在第2节中介绍.FEMA在其物流链中区分了7层设施。 前3层是储存和运送救济物品的永久设施，而接下来的4层是临时转运设施，在响应阶段将选择其数量和位置。
在初始响应时间期间，还需要建立临时转移设施以通过分配网络接收，安排和运送救济物品。 在灾害风险缓解研究中，规定了可能存在这些设施的可能地点。 灾害中的后勤协调涉及选择能够最大限度地覆盖受影响区域的场地以及供应交付操作的最小延迟。 由于设备和人员的限制，这些临时设施的数量通常是有限的。
链中的每个设施都受到一些容量限制。 容量是为诸如发送，接收和存储商品之类的操作定义的。 每个设施的这些能力是不同的，并且是根据该设施的类型，大小和布局确定的。 此外，人员和设备的可用性可能会影响能力。 通常，容量限制可以根据商品的重量或体积来定义，或者它们可以根据在特定时间在设施处发送，接收或停放的车辆的数量来定义。 这是两个不同的方面，建议考虑每个设施的两个容量。
在灾难发生后的早些时候或几天内，运输能力通常非常有限。 在任何时候为可用的车队分配最佳可能性非常关键。 在紧急行动中通常缺少车辆，因此模型必须跟踪空卡车，以便在每次交付后将它们分配给新的任务。 可以雇用一种以上的运输方式来促进应急物流。 因此，协调运输方式之间的协调和合作对于管理响应操作和向救援接受者提供救援商品的无缝流动是必要的。 预计商品的多式联运将在特定设施中进行，但可能会受到一些能力限制和转移延误的影响。
灾害响应期间的车辆路由和调度也非常重要。 可能会使用大量车辆来应对大规模灾害。 该模型应该能够跟踪每辆车的路线。 此外，在每种运输方式中，每辆车都需要有详细的时间表来提取和运送救济物品。 尽管如此，灾难情况下的车辆路线与传统的车辆路线完全不同。 这些车辆不需要组建巡视路线并返回初始车辆段，但可以随时将它们分配到新路径。 随着时间的推移，随着供应和需求的出现，预计它们将在网络的不同节点之间执行混合拾取和多个项目的递送。
灾区是一个动态的环境，应急物流是非常时间敏感的操作。 响应操作开始时，灾难可能仍在不断发展。 此外，在灾难发生后的初始阶段缺乏关于可用基础设施，供应和需求的重要信息可能会使这一动态环境更加复杂化。 灾难受害者生死攸关的重要因素促使人们需要更高的准确性和易处理性。 尽管在战略层面上做了所有必要的准备和计划，但在操作层面处理问题非常重要。 操作级别的建模和优化是捕获时间敏感的紧急响应操作的现实的必要方法。
另一个重要问题是考虑到受援者的公平和公平。 根据受害者的地理分布和资源在时间和空间上的可用性，很容易满足一组受害者对另一组受害者的要求。 即使某些变化是不可避免的，理想的模式是在受害者之间均匀公平地分配帮助项目。 具有一般目标函数的模型和程序容易忽略公平性和服务水平要求，以便获得更好的数值解。 非常重要的是要认识到尽可能防止受害者之间存在任何歧视的程序和制约因素。
人口之间的公平约束可以随着时间的推移和商品的定义。 在早期阶段满足一个群体的所有要求是不合适的，而另一群受害者直到很晚才得到任何帮助。 在所有收件人之间公平分配可用的救济物品更为可接受，即使对于当前实例的每个人来说可能还不够。 随着预计将有更多资源可用，救济行动将持续一段时间。 商品的权益也很重要。 例如，将所有可用的水发送给一组受害者并将所有可用的膳食发送给另一组是不可接受的。 预计将公平分享运输能力和救灾物资的有限资源。
建模方法的一些主要特征可归纳如下：
操作级别：捕获紧急响应操作的时间敏感细节，该问题在操作级别制定。
FEMA结构：拟议的模型符合FEMA的7层供应链结构。时空网络：考虑到动态决策过程，物理网络必须转换为时间空间网络。该网络的节点代表FEMA结构中的设备。链接由现有的物理组成链接，延迟或存储链接以及模态间转移链接。
设施位置：从一组潜在地点中选择建立临时设施的最佳位置。每个设施类型的最大数量及其位置是动态的，并且随着救援操作的进行可以随时间变化
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