Humanitarian Logistics: Optimization Techniques for Emergency Preparedness and Post-Earthquake Response

Abstract

The most crowded cities in the world are located in high risk seismic areas. For humanitarian logistics system structure in highly populated cities we must search for fast and reliable monitoring and transportation methods with a futuristic mind. It is desirable to have a pre-planned immediate and automated post-disaster mapping, and transporting system. Due to roads blockage and time limits in the disaster response phase, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) can be utilized for relief distribution and rapid damage assessment. Also for medium to long-term ground response phase more complex but realistic models are needed. In this study we present relief distribution and damage assessment systems alongside mathematical linear programming formulations and heuristics. In an applied sense the research improves the emergency preparedness and post-earthquake response activities. A relief distribution system by medium-scale UAV helicopters is investigated and the outcomes reveal that the system has efficient capability for urban areas with high population density. Moreover, a rapid damage assessment system is presented in which multiple UAVs are deployed to collect the images from the earthquake site and create a response map for extracting useful information. Furthermore the covering tour location routing problem with replenishment at intermediate depots (CLRPR) is developed. The investigation represents a new bi-objective integer linear programming model that minimizes the total weighted waiting time and the total amount of lost demands. Among the different applications of the problem, this study concentrates on the post-earthquake relief distribution system. The mathematical models are coded in GAMS and solved by Cplex solver. Furthermore, some meta-heuristic algorithms are presented for CLRPR in order to find the near optimal solutions of large scale problems. Keywords: Post-earthquake response, relief distribution system, Coverage path problem, Covering tour problem, UAV

ÖZ: Dünyadaki en kalabalık şehirler yüksek riskli sismik bölgelerde bulunmaktadır. Böyle şehirlerde insancıl lojistik sistemler geliştirirken geleceği de gözeten hızlı ve güvenilir takip ve taşıma yöntemleri gözönüne alınmalıdır. Afet sonrası önceden planlanmış anında ve otomatikleştirilmiş haritalama ve ulaştırma sistemleri kurulmalıdır. Afet sonrası yolların kapalı ve zamanın da önemli olduğu düşünüldüğünde İnsansız Hava Araçlarının (İHA) yardımların dağıtımı ve hızlı zarar tespitinde kullanılabileceği açıktır. Ayrıca orta ve uzun vadeli müdahale aşamasında karmaşık ancak gerçekçi modellere de ihtiyaç vardır. Bu çalışmada matematiksel doğrusal programlama ve sezgisel yöntemlerle yardım dağıtımı ve hasar değerlendirme sistemleri sunulmuştur. Çalışma ayrıca acil durumlara hazırlıklılık ve deprem sonrası faaliyetleri ugulama anlamında geliştirmektedir. Orta boyutlu insansız helikopterler kullanarak yapılacak yardım dağıtım sistemi incelenmiş ve bulgular bu sistemin kalabalık kentsel yerleşkelerde etkin yeteneklere sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca İHA’lar marifeti ile, önemli bilgilere ulaşılmasını sağlayacak deprem bölgesinden toplanmış görüntülerle bir müdahale haritası hazırlanması ve böylece hızlı bir hasar tespit sistemi elde edilmesi de gösterilmiştir. Çalışmada ayrıca ara yardım istasyonlarında ikmal edilebilir konum-güzergah kapsayıcı tur problemi (CLRPR) de geliştirilmiştir. Araştırma toplam ağırlıklı bekleme süresi ve toplam talep kaybını minimize eden yeni bir çift amaçlı tamsayılı doğrusal programlama modelini göstermektedir. Problemin diğer uygulamaları mümkün olmakla birlikte, bu çalışmanın odağı, deprem sonrası yardım dağıtım sistemidir. Matematiksel modeler GAMS ile kodlanmış ve Cplex ile çözülmüştür. Ayrıca büyük ölçekli CLRPR probleminin optimale yakın çözümlerini bulacak üst-sezgisel algoritmalar da gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Deprem sonrası müdahale, Yardım Dağıtım sistemi, Kapsayıcı Güzergah problemi, Kapsayan Tur problem, İHA