Distributionally robust optimization for fire station location under uncertainties
- 1. University of Science and Technology of China
- 2. University of Minnesota
Description
Abstract Emergency fire service (EFS) systems provide rescue operations for emergencies and accidents. If properly designed, they can decrease property loss and mortality. This paper proposes a distributionally robust model (DRM) for optimizing the location of fire stations, the number of fire trucks, and demand assignment for long term planning in an EFS system. This is achieved by minimizing the worst-case expected total cost, including fire station construction cost, purchase cost for fire trucks, transportation cost, and penalty cost for not providing adequate service. The ambiguity in demands and travel durations distributions are captured through moment information and mean absolute deviation. A cutting plane method is used to solve the problem. Due to fact that it is computationally intensive for larger problems, two approximate methods are introduced; one that uses linear decision rules (LDRs), and another that adopts three-point approximations of the distributions. The results show that the heuristic method is especially useful for solving large instances of DRM. Extensive numerical experiments are conducted to analyze the model's performance with respect to different parameters. Finally, data obtained from Hefei (China) demonstrates the practical applicability and value of the model in designing an EFS system in a large metropolitan setting.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
توفر أنظمة خدمة الإطفاء في حالات الطوارئ المجردة عمليات الإنقاذ لحالات الطوارئ والحوادث. إذا تم تصميمها بشكل صحيح، يمكن أن تقلل من فقدان الممتلكات والوفيات. تقترح هذه الورقة نموذجًا قويًا من حيث التوزيع (DRM) لتحسين موقع محطات الإطفاء، وعدد شاحنات الإطفاء، وتخصيص الطلب للتخطيط طويل الأجل في نظام EFS. ويتحقق ذلك من خلال تقليل التكلفة الإجمالية المتوقعة في أسوأ الحالات، بما في ذلك تكلفة بناء محطة الإطفاء، وتكلفة شراء شاحنات الإطفاء، وتكلفة النقل، وتكلفة الغرامة لعدم تقديم الخدمة الكافية. يتم التقاط الغموض في توزيعات المطالب وفترات السفر من خلال معلومات اللحظة ومتوسط الانحراف المطلق. يتم استخدام طريقة مستوى القطع لحل المشكلة. نظرًا لحقيقة أنه مكثف حسابيًا للمشاكل الأكبر، يتم تقديم طريقتين تقريبيتين ؛ واحدة تستخدم قواعد القرار الخطي (LDRs)، والأخرى تعتمد تقريبات من ثلاث نقاط للتوزيعات. تظهر النتائج أن طريقة الاستدلال مفيدة بشكل خاص لحل الحالات الكبيرة من إدارة مخاطر الكوارث. يتم إجراء تجارب رقمية واسعة النطاق لتحليل أداء النموذج فيما يتعلق بالمعلمات المختلفة. أخيرًا، توضح البيانات التي تم الحصول عليها من خفي (الصين) قابلية التطبيق العملي والقيمة للنموذج في تصميم نظام EFS في بيئة حضرية كبيرة.Translated Description (French)
Les systèmes de service d'incendie d'urgence (EFS) fournissent des opérations de sauvetage en cas d'urgence et d'accident. S'ils sont correctement conçus, ils peuvent réduire la perte de propriété et la mortalité. Cet article propose un modèle robuste sur le plan de la distribution (DRM) pour optimiser l'emplacement des casernes de pompiers, le nombre de camions de pompiers et l'affectation de la demande pour la planification à long terme dans un système EFS. Ceci est réalisé en minimisant le coût total prévu dans le pire des cas, y compris le coût de construction de la caserne de pompiers, le coût d'achat des camions de pompiers, le coût du transport et le coût des pénalités pour ne pas fournir un service adéquat. L'ambiguïté dans les demandes et les distributions des durées de voyage est capturée à travers les informations de moment et l'écart absolu moyen. Une méthode de plan de coupe est utilisée pour résoudre le problème. En raison du fait qu'il est computationnellement intensif pour les problèmes plus importants, deux méthodes approximatives sont introduites ; l'une qui utilise des règles de décision linéaire (LDR), et une autre qui adopte des approximations en trois points des distributions. Les résultats montrent que la méthode heuristique est particulièrement utile pour résoudre de grandes instances de DRM. Des expériences numériques approfondies sont menées pour analyser les performances du modèle par rapport à différents paramètres. Enfin, les données obtenues auprès de Hefei (Chine) démontrent l'applicabilité pratique et la valeur du modèle dans la conception d'un système EFS dans un grand contexte métropolitain.Translated Description (Spanish)
Resumen Los sistemas del servicio de bomberos de emergencia (EFS) proporcionan operaciones de rescate para emergencias y accidentes. Si se diseñan adecuadamente, pueden disminuir la pérdida de propiedad y la mortalidad. Este documento propone un modelo distribucionalmente robusto (DRM) para optimizar la ubicación de las estaciones de bomberos, el número de camiones de bomberos y la asignación de la demanda para la planificación a largo plazo en un sistema EFS. Esto se logra minimizando el coste total esperado en el peor de los casos, incluido el coste de construcción de la estación de bomberos, el coste de compra de los camiones de bomberos, el coste de transporte y el coste de penalización por no proporcionar un servicio adecuado. La ambigüedad en las distribuciones de demandas y duraciones de viaje se captura a través de la información del momento y la desviación absoluta media. Se utiliza un método de plano de corte para resolver el problema. Debido al hecho de que es computacionalmente intensivo para problemas más grandes, se introducen dos métodos aproximados; uno que utiliza reglas de decisión lineal (LDR) y otro que adopta aproximaciones de tres puntos de las distribuciones. Los resultados muestran que el método heurístico es especialmente útil para resolver grandes instancias de DRM. Se realizan extensos experimentos numéricos para analizar el rendimiento del modelo con respecto a diferentes parámetros. Finalmente, los datos obtenidos de Hefei (China) demuestran la aplicabilidad práctica y el valor del modelo en el diseño de un sistema EFS en un entorno metropolitano grande.Files
      
        s41598-022-08887-6.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (3.6 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:f5d061ef1f080b34aa6bca7ad6aa53e5 | 3.6 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحسين قوي من الناحية التوزيعية لموقع محطة الإطفاء في ظل عدم اليقين
- Translated title (French)
- Optimisation robuste sur le plan de la distribution pour l'emplacement de la caserne de pompiers dans des
- Translated title (Spanish)
- Optimización distribucionalmente robusta para la ubicación de la estación de bomberos bajo incertidumbres
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4220866432
- DOI
- 10.1038/s41598-022-08887-6
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1036579647
- https://openalex.org/W1968355947
- https://openalex.org/W1985336741
- https://openalex.org/W1989289718
- https://openalex.org/W2004288636
- https://openalex.org/W2018853720
- https://openalex.org/W2031279008
- https://openalex.org/W2043219147
- https://openalex.org/W2045425104
- https://openalex.org/W2055845715
- https://openalex.org/W2055847938
- https://openalex.org/W2067136151
- https://openalex.org/W2103491696
- https://openalex.org/W2125417745
- https://openalex.org/W2297053650
- https://openalex.org/W2464136010
- https://openalex.org/W2732165990
- https://openalex.org/W2772594275
- https://openalex.org/W2800812001
- https://openalex.org/W2808100825
- https://openalex.org/W2887799784
- https://openalex.org/W2888917752
- https://openalex.org/W2898630711
- https://openalex.org/W2902323712
- https://openalex.org/W2904111984
- https://openalex.org/W2922182602
- https://openalex.org/W3005429608
- https://openalex.org/W3011372875
- https://openalex.org/W3017736765
- https://openalex.org/W3032406176
- https://openalex.org/W3045127338
- https://openalex.org/W3080293454
- https://openalex.org/W3128857967
- https://openalex.org/W3156556650
- https://openalex.org/W3161652179
- https://openalex.org/W3176272885
- https://openalex.org/W4255952132