Katastropheneinsatzplanung

Der effiziente Einsatz von Hilfsmassnahmen nach Naturkatastrophen wie Erdbeben, Überschwemmungen, Lawinen, Wirbelstürme, Vulkanausbrüche, Waldbrände, Terroranschläge, etc. ist außerordentlich wichtig für die Sicherheit und das Überleben der betroffenen Bevölkerung. Daher ist es überraschend, dass die Zahl der wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit dem Thema der Katastrophenhilfslogistik befassen, gering ist. Dies trifft insbesondere für modell-basierende Entscheidungsunterstützungssysteme zu. Ein Grund dafür, dass es nur sehr wenige Modelle und Lösungsmethoden für diese Problemstellung gibt, ist die methodische Herausforderung: die erforderlichen Daten sind bislang sehr häufig nicht genau verfügbar, die aktuelle Situation ist ständigen Änderungen unterworfen, und es ist notwendig schnelle Entscheidungen auf Basis unvollständiger Information zu treffen. Darüber hinaus spielen auch soziale, psychologische und kulturelle Faktoren eine wichtige Rolle. Katastropheneinsätze werden üblicherweise von nichtstaatlichen non-profit Organisationen durchgeführt. Die sogenannten NGOs (Non Governmental Organizations) werden häufig von Militär oder Polizei unterstützt. Hilfsorganisationen unterscheiden verschiedene Phasen des Katastropheneinsatzes in den Prozessmodellen. Die Hilfe in der ersten Phase, unmittelbar nach der Katastrophe, muss in der Regel von den NGOs vor Ort und der überlebenden Bevölkerung übernommen werden. In den nachfolgenden Phasen ist bei größeren Katastrophen in den meisten Fällen internationale Hilfe möglich und vor allem notwendig. Wenn sich Katastrophen in armen Ländern ereignen, ist die internationale Hilfe besonders gefordert. In diesem Zusammenhang spielt das Internationale Rote Kreuz mit den nationalen Gesellschaften eine überaus wichtige Rolle. In unserem beantragten Projekt betrachten wir nicht die erste Phase - unmittelbar nach der Katastrophe, wo lokale Hilfsorganisationen, Rettungsdienste und Feuerwehren notwendig sind. Wir betrachten die Phasen ab dem Zeitpunkt ab dem die verschiedenen internationalen Hilfsorganisationen in den Katastrophengebieten eintreffen. Die Hauptaufgabe für die internationalen Hilfsorganisationen ist die Wiederherstellung der Versorgung der Bevölkerung mit den Gütern des täglichen Bedarfes. Daher ist es besonders wichtig, schnell ein provisorisches Versorgungsnetzwerk aufzubauen. Die Versorgung der betroffenen Bevölkerung mit sauberem Trinkwasser, Nahrungsmitteln, Medikamenten, Kleidung, Decken und Zelten sollte rasch wiederhergestellt werden. Nach Naturkatastrophen ist sehr häufig das Strassennetz teilweise zerstört und die Infrastruktur vor Ort wie z. B. Lagerhäuser sind nicht verfügbar. Dennoch muss rasch sichergestellt werden, dass die lebensnotwendigen Güter zu der betroffenen Bevölkerung gelangen. Das kann nur erreicht werden, wenn ein Versorgungsnetzwerk schnell wieder aufgebaut wird und fix geplante Routen für die Güterverteilung festgelegt werden. Für die Verteilung der Güter müssen Zwischenlager und Regionallager aufgebaut werden. Die Feinverteilung der Güter wird von diesen Zwischenlagern ausgehend geplant. Die Verteilung der Hilfslieferungen in Streusiedlungen erfolgt in der Regel nach fixierten Fahrplänen, welche besonders aus psychologischen Gründen wichtig sind. Durch die Katastrophe sind die betroffenen Personen verunsichert, daher ist es für sie von großer Notwendigkeit, dass die Hilfslieferungen zu fixierten Zeitpunkten in regelmäßigen Zeitabständen eintreffen. Für das beantragte Projekt sind drei Problemtypen aus der transportlogistischen Literatur relevant: Warehouse Location Routing Probleme, Covering Tour Probleme, und Periodic Routing Probleme. Darüberhinaus ist es ein besonderes Merkmal der Katastropheneinsatzplanung, dass es sich um stochastische Probleme handelt, da in der Regel manche Daten nicht verfügbar sind. Daher legen wir auch besonderen Wert, neben der deterministischen Betrachtung, auf die Berücksichtigung von stochastischen Aspekten in der Modellierung und bei der Entwicklung der Lösungsmethoden. Durch die Problemcharakteristika haben wir bei unseren Modellen des Weiteren mehrfache Zielsetzungen zu berücksichtigen. In der Katastropheneinsatzplanung ist es nicht sinnvoll die Ziele einfach zu aggregieren und mit verschiedenen Faktoren zu gewichten, da es sich dabei um ganz andere Zielgrößen handelt. Einige Ziele sind monetäre Größen, andere sind Sicherheit oder Risiko. Daher erscheint es sinnvoll, Optimierungstechniken für mehrfache Zielsetzungen einzusetzen, bei denen der Entscheidungsträger nicht a priori gezwungen wird, Zielgewichtungen festzulegen. Es wird dem Entscheidungsträger eine Menge von geeigneten Lösungen vorgeschlagen und er kann erst in einem nachgelagerten Schritt entscheiden (auch gemeinschaftlich mit anderen Entscheidungsträgern), welche der Lösungen, die von dem computergestützten Entscheidungsunterstützungssystem vorgeschlagen wurden, für das aktuelle Problem umgesetzt werden soll.

Das Projekt "Katastropheneinsatzplanung" befasst sich mit Katastropheneinsatzlogistik in Entwicklungsländern. Naturkatastrophen, wie Erdbeben, Fluten oder Tsunamis, zerstören die Infrastruktur in den betroffenen Regionen und führen dadurch zu unterschiedlichen Problemszenarien. Viele Entwicklungsländer besitzen nicht die nötigen Ressourcen, um die Konsequenzen einer Katastrophe mit den eigenen Mitteln zu bewältigen. Dieses Projekt behandelt strategische, taktische und operative Planungsebenen als Teil der internationalen Katastrophenhilfe. Auf strategischer Ebene erfolgt die Entwicklung eines Modells zur Mehrziel-Entscheidungsfindung im Bezug auf die Standortplanung von öffentlichen Einrichtungen, wie z.B. Schulen, unter Berücksichtigung des Katastrophenrisikos. Die taktische Planungsebene behandelt zum einen die simultane Planung der Lagerhäuser für die Hilfsgüter inklusive der Auslieferungsplanung und zum anderen ein Mehrziel-Tourenplanungsproblem (Covering Tour) Problem für die Verteilung von Hilfsgütern. In einem ersten Schritt wird der Transport der Hilfsgüter, wie etwa Trinkwasser, mit einer homogenen Fahrzeugflotte modelliert. Im zweiten Schritt wird eine realistischere Problemstellung behandelt, welche (teilweise) zerstörte Straßennetzwerke berücksichtigt. Heterogene Transportmittel, von denen jedes einzelne für eine spezifische Straßenkategorie geeignet ist, befördern die Hilfsgüter zu Verteilungspunkten für die betroffene Bevölkerung. Die operative Planungsebene beinhaltet die Entwicklung und Evaluierung fünf alternativer Risikomaßzahlen. Diese erfassen das Ausfallsrisiko geplanter Touren, z.B. aufgrund eines Nachbebens. Zu diesem Zweck wird Risiko als zusätzliche Zielfunktion berücksichtigt und der Optimierungsprozess um eine Phase erweitert, welche das Finden effizienter Kompromisslösungen ermöglicht. Die genannten Katastropheneinsatzlogistikszenarien unter mehrfacher Zielsetzung erfordern zwei vergleichbare Lösungsmethoden zu ihrer Bewertung. In diesem Projekt werden jeweils angemessene Modelle entwickelt und mit exakten Softwaresystemen für die unterschiedlichen Problemstellungen entwickelt und gelöst. Da es sich um nicht effizient lösbare Probleme handelt und daher nur kleine Probleme exakt gelöst werden können werden Metaheuristiken entwickelt. Die metaheuristischen Lösungsansätze basieren auf Genetische Algorithmen, welcher entsprechend der spezifischen Eigenschaften der einzelnen Problemformulierungen modifiziert und erweitert werden. Die beschriebenen Lösungsmethoden können die Entscheidungsträger in der Planung von Katastrophenhilfseinsätzen z. B. in ineraktiven Systemen unterstützen.