Ambulance routing problems with rich constraints and multiple objectives

Humanitäre non-profit Organisationen im Bereich des Patiententransports sehen sich dazu verpflichtet alle möglichen Einsparungs- und Optimierungspotentiale auszuloten um ihre Ausgaben zu reduzieren. Im Gegensatz zu Notfalleinsatzfahrten, bei denen ein Zusammenlegen mehrerer Transportaufträge normalerweise nicht möglich ist, besteht bei regulären Patiententransporten durchaus Einsparungspotential. Diese Tatsache gibt Anlass zur wissenschaftlichen Analyse jener Problemstellung, welche die täglich notwendige Planung regulärer Patiententransportaufträge umfasst. Solche Aufgabenstellungen werden als Dial-A-Ride-Probleme modelliert. Eine angemessene Service-Qualität kann entweder durch entsprechende Nebenbedingungen gewährleistet oder durch eine zusätzliche Zielfunktion minimiert werden. Beide Herangehensweisen werden hier untersucht. Zuerst wird eine vereinfachte Problemstellung aus der Literatur behandelt und ein kompetitives heuristisches Lösungsverfahren entwickelt. Diese vereinfachte Problemstellung wird in zwei Richtungen erweitert. Einerseits wird, zusätzlich zur Minimierung der Gesamtkosten, eine zweite benutzerorientierte Zielfunktion eingeführt. Andererseits werden eine heterogene Fahrzeugflotte und unterschiedliche Patiententypen in die Standardproblemstellung integriert. Letztendlich wird das reale Patiententransportproblem, basierend auf Informationen des Roten Kreuzes, definiert und gelöst. Neben heterogenen Fahrzeugen und unterschiedlichen Patienten, werden nun auch die Zuordnung von Fahrern und sonstigem Personal zu den verschiedenen Fahrzeugen, Mittagspausen und weitere Aufenthalte am Depot berücksichtigt. Alle eingesetzten exakten Methoden, obwohl sie auf neuesten Erkenntnissen aus der Literatur aufbauen, können Instanzen von realistischer Größe nicht lösen. Dieser Umstand macht die Entwicklung von passenden heuristischen Verfahren nach wie vor unumgänglich. In der vorliegenden Arbeit wird ein relativ generisches System basierend auf der Variable Neighborhood Search Idee entwickelt, das auf alle behandelten Einzielproblemversionen angewandt werden kann; auch für die bi-kriterielle Problemstellung, in Kombination mit Path Relinking, werden gute Ergebnisse erzielt.Humanitarian non-profit ambulance dispatching organizations are committed to look at cost reduction potentials in order to decrease their expenses. While in the context of emergency transportation cost reduction cannot be achieved by means of combined passenger routes, this can be done when dealing with regular patients. This research work is motivated by the problem situation faced by ambulance dispatchers in the field of patient transportation. Problems of this kind are modeled as dial-a-ride problems. In the field of patient transportation, the provision of a certain quality of service is necessary; the term “user inconvenience” is used in this context. User inconvenience can either be considered in terms of additional constraints or in terms of additional objectives. Both approaches are investigated in this book. The aim is to model and solve the real world problem based on available information from the Austrian Red Cross. In a first step, a competitive heuristic solution method for a simplified problem version is developed. This problem version is extended in two ways. On the one hand, besides routing costs, a user-oriented objective, minimizing user inconvenience, in terms of mean user ride time, is introduced. On the other hand, heterogeneous patient types and a heterogeneous vehicle fleet are integrated into the standard dial-a-ride model. In a final step, in addition to heterogeneous patients and vehicles, the assignment of drivers and other staff members to vehicles, the scheduling of lunch breaks, and additional stops at the depot are considered. All exact methods employed, although based on state of the art concepts, are not capable of solving instances of realistic size. This fact makes the development of according heuristic solution methods necessary. In this book a rather generic variable neighborhood search framework is proposed. It is able to accommodate all single objective problem versions and also proves to work well when applied to the bi-objective problem in combination with path relinking