Doubly Stochastic Generative Arrivals Modeling

We propose a new framework named DS-WGAN that integrates the doubly stochastic (DS) structure and the Wasserstein generative adversarial networks (WGAN) to model, estimate, and simulate a wide class of arrival processes with general non-stationary and random arrival rates. Regarding statistical properties, we prove consistency and convergence rate for the estimator solved by the DS-WGAN framework under a non-parametric smoothness condition. Regarding computational efficiency and tractability, we address a challenge in gradient evaluation and model estimation, arised from the discontinuity in the simulator. We then show that the DS-WGAN framework can conveniently facilitate what-if simulation and predictive simulation for future scenarios that are different from the history. Numerical experiments with synthetic and real data sets are implemented to demonstrate the performance of DS-WGAN. The performance is measured from both a statistical perspective and an operational performance evaluation perspective. Numerical experiments suggest that, in terms of performance, the successful model estimation for DS-WGAN only requires a moderate size of representative data, which can be appealing in many contexts of operational management.Comment: updated version with more explanatory figure

Staffing under Taylor's Law: A Unifying Framework for Bridging Square-root and Linear Safety Rules

Staffing rules serve as an essential management tool in service industries to attain target service levels. Traditionally, the square-root safety rule, based on the Poisson arrival assumption, has been commonly used. However, empirical findings suggest that arrival processes often exhibit an ``over-dispersion'' phenomenon, in which the variance of the arrival exceeds the mean. In this paper, we develop a new doubly stochastic Poisson process model to capture a significant dispersion scaling law, known as Taylor's law, showing that the variance is a power function of the mean. We further examine how over-dispersion affects staffing, providing a closed-form staffing formula to ensure a desired service level. Interestingly, the additional staffing level beyond the nominal load is a power function of the nominal load, with the power exponent lying between $1/2$ (the square-root safety rule) and $1$ (the linear safety rule), depending on the degree of over-dispersion. Simulation studies and a large-scale call center case study indicate that our staffing rule outperforms classical alternatives.Comment: 55 page

Programación de agentes de un call center con prestación del servicio de asignación de citas

Se desarrolla una metodología que permita programar los agentes necesarios para cubrir los requerimientos de la demanda de llamadas que ingresan a un Call Center encargado de la prestación del servicio de asignación de citas de una EPS con presencia en Colombia.MaestríaMAGISTER EN INGENIERÍA ÉNFASIS INGENIERÍA INDUSTRIA

Optimisation stochastique de problèmes d’ordonnancement en santé

RÉSUMÉ : Les problèmes d'ordonnancement en santé sont complexes, car ils portent sur la fabrication d'ordonnancements qui absorbent les perturbations survenant dans le futur. Par exemple, les nouveaux patients urgents ont besoin d’être intégrés rapidement dans le planning courant. Cette thèse s'attaque à ces problèmes d'ordonnancement en santé avec de l'optimisation stochastique afin de construire des ordonnancements flexibles. Nous étudions en premier lieu la fabrication d'horaires pour deux types d’équipes d’infirmières: l’équipe régulière qui s'occupe des unités de soins et l’équipe volante qui couvre les pénuries d’infirmières à l’hôpital. Quand les gestionnaires considèrent ce problème, soit ils utilisent une approche manuelle, soit ils investissent dans un logiciel commercial. Nous proposons une approche heuristique simple, flexible et suffisamment facile à utiliser pour être implémentée dans un tableur et qui ne requiert presque aucun investissement. Cette approche permet de simplifier le processus de fabrication et d'obtenir des horaires de grande qualité pour les infirmières. Nous présentons un modèle multi-objectif, des heuristiques, ainsi que des analyses pour comparer les performances de toutes ces méthodes. Nous montrons enfin que notre approche se compare très bien avec un logiciel commercial (CPLEX), peut être implémentée à moindre coût, et comble finalement le manque de choix entre les solutions manuelles et les logiciels commerciaux qui coûtent extrêmement cher. Cette thèse s'attaque aussi à l'ordonnancement des chirurgies dans un bloc opératoire, fonctionnant avec un maximum de deux chirurgiens et de deux salles, en tenant compte de l'incertitude des durées d'opérations. Nous résolvons en premier lieu une version déterministe, qui utilise la programmation par contraintes, puis une version stochastique, qui encapsule le programme précédent dans un schéma de type ``sample average approximation''. Ce schéma produit des plannings plus robustes qui s’adaptent mieux aux variations des durées de chirurgies. Cette thèse présente le problème de prise de rendez-vous en temps réel dans un centre de radiothérapie. La gestion efficace d'un tel centre dépend principalement de l'optimisation de l'utilisation des machines de traitement. En collaboration avec le Centre Intégré de Cancérologie de Laval, nous faisons la planification des rendez-vous patients en tenant compte de leur priorité, du temps d'attente maximale et de la durée de traitement, le tout en intégrant l'incertitude reliée à l'arrivée des patients au centre. Nous développons une méthode hybride alliant optimisation stochastique et optimisation en temps réel pour mieux répondre aux besoins de planification du centre. Nous utilisons donc l'information des arrivées futures de patients pour dresser le portrait le plus fidèle possible de l'utilisation attendue des ressources. Des résultats sur des données réelles montrent que notre méthode dépasse les stratégies typiquement utilisées dans les centres. Par la suite, afin de proposer un algorithme stochastique et en temps réel pour des problèmes d'allocation de ressources, nous généralisons et étendons la méthode hybride précédente. Ces problèmes sont naturellement très complexes, car un opérateur doit prendre dans un temps très limité des décisions irrévocables avec peu d'information sur les futures requêtes. Nous proposons un cadre théorique, basé sur la programmation mathématique, pour tenir compte de toutes les prévisions disponibles sur les futures requêtes et utilisant peu de temps de calcul. Nous combinons la décomposition de Benders, qui permet de mesurer l'impact futur de chaque décision, et celle de Dantzig-Wolfe, qui permet de s'attaquer à des problèmes combinatoires. Nous illustrons le processus de modélisation et démontrons l’efficacité d'un tel cadre théorique sur des données réelles pour deux applications: la prise de rendez-vous et l'ordonnancement d'un centre de radiothérapie, puis l'assignation de tâches à des employés et leur routage à travers l’entrepôt.----------ABSTRACT : Scheduling problems are very challenging in healthcare as they must involve the production of plannings that absorb perturbations which arise in the future. For example, new high-priority patients needs to be quickly added in the computed plannings. This thesis tackles these scheduling problems in healthcare with stochastic optimization such as to build flexible plannings. We first study the scheduling process for two types of nursing teams, regular teams from care units and the float team that covers for shortages in the hospital. When managers address this problem, they either use a manual approach or have to invest in expensive commercial tool. We propose a simple heuristic approach, flexible and easy enough to be implemented on spreadsheets, and requiring almost no investment. The approach leads to streamlined process and higher-quality schedules for nurses. %improves both the process and the quality of the resulting schedule. The multi-objective model and heuristics are presented, and additional analysis is performed to compare the performance of the approach. We show that our approach compares very well with an optimization software (CPLEX solver) and may be implemented at no cost. It addresses the lack of choice between either manual solution method or a commercial package at a high cost. This thesis tackles also the scheduling of surgical procedures in an operating theatre containing up to two operating rooms and two surgeons. We first solve a deterministic version that uses the constraint programming paradigm and then a stochastic version which embeds the former in a sample average approximation scheme. The latter produces more robust schedules that cope better with the surgeries' time variability. This thesis presents an online appointment booking problem for a radiotherapy center. The effective management of such facility depends mainly on optimizing the use of the linear accelerators. We schedule patients on these machines taking into account their priority for treatment, the maximum waiting time before the first treatment, and the treatment duration. We collaborate with the Centre Intégré de Cancérologie de Laval to determine the best scheduling policy. Furthermore, we integrate the uncertainty related to the arrival of patients at the center. We develop a hybrid method combining stochastic optimization and online optimization to better meet the needs of central planning. We use information on the future arrivals of patients to provide an accurate picture of the expected utilization of resources. Results based on real data show that our method outperforms the policies typically used in treatment centers. We generalize and extend the previous hybrid method to propose a general online stochastic algorithm for resource allocation problems. These problems are very difficult in their nature as one operator should take irrevocable decisions with a limited (or inexistent) information on future requests and under a very restricted computational time. We propose a mathematical programming-based framework taking advantage of all available forecasts of future requests and limited computational time. We combine Benders decomposition, which allows to measure the expected future impact of each decision, and Dantzig-Wolfe decomposition, which can tackle a wide range of combinatorial problems. We illustrate the modelling process and demonstrate the efficiency of this framework on real data sets for two applications: the appointment booking and scheduling problem in a radiotherapy center and the task assignment and routing problem in a warehouse