Emergency response facilities allocation in a transportation network involving hazardous materials (HAZMAT)

Abstract

Enormous volumes of hazardous materials are moving every day all over the world. Some are distributed to people’s homes, while others are transported only between major industries and factories. Nonetheless, their presence within global transport networks is intense, and in the meantime, an accident involving any of them can be serious or even deadly. Theirmanagement, thus, is crucial. This diploma thesis seeks to formulate and solve a bi-objective mixed integer problem location-allocation problem; it also aims to provide the locations in which an operator should place emergency response stations that could deal with an incident involving some hazardous material in a given road segment. The optimal allocation of Emergency Response Facilities is vital; it can prevent accidents before their consequences become dangerous and catastrophic. This model raises three questions; where Emergency Response Facilities shall be located, with which emergency vehicles each of them must be equipped, and to what extent this allocation covers the potential demand, expressed in terms of non-coverage cost. The appropriate parameters, decision variables, objective functions, and constraints are defined. A simple case study of this problem is, later, solved in CPLEX Optimization Studio. Two widely used methods of bi-objective optimization, namely Weighted Sum Method and Epsilon-Constraint Method, are the computational tools of this study, and a Pareto front of non-dominated optimal solutions, is produced by each of these methods. Afterwards, the model’s behavior on alterations of one of its parameters is investigated by examining various scenarios. In the scenarios discussed in the Sensitivity analysis chapter, we decrease or increase a facility's capacity and coverage ratio, alter lower acceptable demand coverage, and examine regions with uneven population distribution. Results for all different methods and scenarios are discussed, and ideas for further future research in this extremely interesting inter-disciplinary field are proposed.

Τεράστιες ποσότητες επικίνδυνων υλικών μεταφέρονται παγκοσμίως, καθημερινά, από διανομές σε οικίες έως μεταφορές σε βιομηχανικές ζώνες. Τα ατυχήματα στα οποία εμπλέκονται τέτοιου είδους ουσίες συνήθως είναι σοβαρά ή και θανατηφόρα, κι επομένως η διαχείριση τους είναι ζωτικής σημασίας. Στην παρούσα, λοιπόν, εργασία, μοντελοποιείται και επιλύεται ένα δι-κριτηριακό πρόβλημα χωροθέτησης, μεικτού ακέραιου προγραμματισμού. Σκοπός είναι ο εντοπισμός των βέλτιστων θέσεων όπου πρέπει να τοποθετηθούν σταθμοί άμεσης επέμβασης που θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν ένα ατύχημα στο οποίο εμπλέκονται επικίνδυνα υλικά (hazmat). Με τον τρόπο αυτό, .μπορούν να αποφευχθούν ατυχήματα προτού οι συνέπειές τους γίνουν καταστροφικές. Αυτό το μοντέλο εγείρει τρία ερωτήματα: πού θα τοποθετηθούν οι Σταθμοί Αντιμετώπισης Έκτακτης Ανάγκης, τι είδους οχήματα πρέπει να βρίσκονται σε κάθε σταθμό, και σε ποιο βαθμό αυτή η κατανομή και χωροθέτηση καλύπτει τη δυνητική ζήτηση, η οποία εκφράζεται ως κόστος μη κάλυψης. Ορίζονται οι κατάλληλες παράμετροι, μεταβλητές απόφασης, αντικειμενικές συναρτήσεις και περιορισμοί. Μια απλή μελέτη περίπτωσης αυτού του προβλήματος επιλύεται εν συνεχεία στο λογισιμικό CPLEX Optimization Studio. Δύο ευρέως χρησιμοποιούμενες ευρετικές ευρετικές μέθοδοι στο χώρο της δι-κριτηριακής βελτιστοποίησης, συγκεκριμένα η Μέθοδος Σταθμισμένου Αθροίσματος (Weighted Sum Method) και η Μέθοδος Περιορισμού Έψιλον (Epsilon-constraint Method), είναι τα υπολογιστικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται. Οι μέθοδοι αυτές παράγουν μέτωπα Pareto μη κυριαρχούμενων βέλτιστων λύσεων. Επιπλέον, διερευνάται η συμπεριφορά του μοντέλου σε αλλαγές μιας από τις παραμέτρους του εξετάζοντας διάφορα σενάρια. Στα σενάρια που διαρθρώνονται στο κεφάλαιο Ανάλυση Ευαισθησίας, εξετάζεται η απόδοση του μοντέλου σε αυξομείωση τόσο της χωρητικότητας (capacity) των σταθμών όσο και της έκτασης της περιοχής κάλυψης γύρω από κάθε σταθμό, καθώς και στην μεταβολή του ελάχιστου επιπέδου κάλυψης. Ταυτόχρονα ερευνάται και η περίπτωση της άνισης κατανομής πληθυσμού. Τέλος, γίνεται εξαγωγή και ανάλυση των αποτελεσμάτων για όλες τις προαναφερθείσες περιπτώσεις και προτείνονται ιδέες για μελλοντική έρευνα σε αυτό το εξαιρετικά ενδιαφέρον διεπιστημονικό πεδίο.