Solving Challenging Real-World Scheduling Problems

This work contains a series of studies on the optimization of three real-world scheduling problems, school timetabling, sports scheduling and staff scheduling. These challenging problems are solved to customer satisfaction using the proposed PEAST algorithm. The customer satisfaction refers to the fact that implementations of the algorithm are in industry use. The PEAST algorithm is a product of long-term research and development. The first version of it was introduced in 1998. This thesis is a result of a five-year development of the algorithm. One of the most valuable characteristics of the algorithm has proven to be the ability to solve a wide range of scheduling problems. It is likely that it can be tuned to tackle also a range of other combinatorial problems. The algorithm uses features from numerous different metaheuristics which is the main reason for its success. In addition, the implementation of the algorithm is fast enough for real-world use.Siirretty Doriast

A flexible iterative improvement heuristic to support creation of feasible shift rosters in self-rostering

Self-rostering is receiving more and more attention in literature and in practice. With self-rostering, employees propose the schedule they prefer to work during a given planning horizon. However, these schedules often do not match with the stang demand as specfied by the organization. We resent an approach to support creating feasible schedules that uses the schedules proposed by the employees as input and that aims to divide the burden of shift reassignments fairly throughout the employees. We discuss computational results and indicate how various model parameters influence scheduling performance indicators. The presented approach is flexible and easily extendable, since labor rule checks are isolated from the actual algorithm, which makes it easy to include additional labor rules in the approach. Moreover, our approach enables the user to make a trade-off between the quality of the resulting roster and the extent to which the planner is able to track the decisions of the algorithm

Fairness aspects in personnel scheduling

In industries like health care, public transport or call centers a shift-based system ensures permanent availability of employees for covering needed services. The resource allocation problem – assigning employees to shifts – is known as personnel scheduling in literature and often aims at minimizing staffing costs. Working in shifts, though, impacts employees’ private lives which adds to the problem of increasing staff shortage in recent years. Therefore, more and more effort is spent on incorporating fairness into scheduling approaches in order to increase employees’ satisfaction. This paper presents a literature review of approaches for personnel scheduling considering fairness aspects. Since fairness is not a quantitative objective, but can be evaluated from different point of views, a large number of fairness measurements exists in the literature. Furthermore, perspective (group vs individual fairness) or time horizon (short-term vs long-term fairness) are often considered very differently. To conclude, we show that a uniform definition and approach for considering fairness in personnel scheduling is challenging and point out gaps for future research

Artificial Immune Algorithm for exams timetable

The Artificial Immune System is a novel optimization algorithm designed on the resilient behavior of the immune system of vertebrates. In this paper, this algorithm is used to solve the constrained optimization problem of creating a university exam schedule and assigning students and examiners to each of the sessions. Penalties are imposed on the violation of the constraints. Abolition of the penalties on the hard constraints in the first stage leads to feasible solutions. In the second stage, the algorithm further refines the search in obtaining optimal solutions, where the exam schedule matches the preferences of the examiners

A genetic algorithm with composite chromosome for shift assignment of part-time employees

Personnel scheduling problems involve multiple tasks, including assigning shifts to workers. The purpose is usually to satisfy objectives and constraints arising from management, labour unions and employee preferences. The shift assignment problem is usually highly constrained and difficult to solve. The problem can be further complicated (i) if workers have mixed skills; (ii) if the start/end times of shifts are flexible; and (iii) if multiple criteria are considered when evaluating the quality of the assignment. This paper proposes a genetic algorithm using composite chromosome encoding to tackle the shift assignment problem that typically arises in retail stores, where most employees work part-time, have mixed-skills and require flexible shifts. Experiments on a number of problem instances extracted from a real-world retail store, show the effectiveness of the proposed approach in finding good-quality solutions. The computational results presented here also include a comparison with results obtained by formulating the problem as a mixed-integer linear programming model and then solving it with a commercial solver. Results show that the proposed genetic algorithm exhibits an effective and efficient performance in solving this difficult optimisation problem

What is the impact of self-scheduling on the patient, employee and organisation? A systematic review

Aims: To evaluate the current evidence base and provide a systematic overview of this evidence on the relationship between self-scheduling and patient, employee- and organisation-related outcomes. Background: The ongoing shortage of qualified nursing staff together with the detrimental effects of shift work have resulted in a search for the perfect schedule for healthcare personnel. Self-scheduling is one method to enhance flexibility and give more control to the employee. At first sight, self-scheduling appears to be successful in some organisations and not in others. This inconsistency is confusing for policymakers and prevents further implementation of self-scheduling in practice. Evaluation: Twenty three studies were identified, and subdivided into exploratory and descriptive studies because of their distinct features. Following outcomes were analysed: patient- and employee-reported quality of care, job satisfaction, satisfaction with scheduling, work/life balance, planning involvement, interaction with colleagues, health and well-being, psychosocial factors, professional development, nurse manager's time on scheduling, general working conditions, turnover, agency utilization and absenteeism, recruitment and retention. Conclusion: Several studies confirmed that self-scheduling can have a positive impact (e.g. on work/life balance). However, negative impact on certain outcomes, opposite results or no statistically significant results have also been revealed. The evidence base is too thin and insufficient to make strong statements. Future research should use multimethod longitudinal studies, include patient-centred outcomes and employ a theoretical framework that gives attention to the concept of fairness or justice. Implications for management: The implementation and sustainability of the self-scheduling system is a major challenge for healthcare management. This review summarizes practical tips for a successful implementation in order that future policy can be adjusted according to lessons learned in the past

Bridging the Digital Divide: Telephone Tutoring at the Center

As many academic support centers transitioned from in-person to online from March 2020 onward, center professionals were looking for technology that would assist them to do the job right. In one Midwest, private, comprehensive university, students had already self-selected the phone as their answer to seeking writing assistance before the pandemic arrived. This essay will share findings from that study in the writing center as well as theorize why phone conversations make good sense in academic support centers. Writing centers and communication centers should adopt phone tutoring with online formats as a means to fully and justly connect with students, ensuring that diverse voices are heard and included and to enable all students to have an equitable experience amidst the digital divide

Towards Scalable Design of Future Wireless Networks

Wireless operators face an ever-growing challenge to meet the throughput and processing requirements of billions of devices that are getting connected. In current wireless networks, such as LTE and WiFi, these requirements are addressed by provisioning more resources: spectrum, transmitters, and baseband processors. However, this simple add-on approach to scale system performance is expensive and often results in resource underutilization. What are, then, the ways to efficiently scale the throughput and operational efficiency of these wireless networks? To answer this question, this thesis explores several potential designs: utilizing unlicensed spectrum to augment the bandwidth of a licensed network; coordinating transmitters to increase system throughput; and finally, centralizing wireless processing to reduce computing costs. First, we propose a solution that allows LTE, a licensed wireless standard, to co-exist with WiFi in the unlicensed spectrum. The proposed solution bridges the incompatibility between the fixed access of LTE, and the random access of WiFi, through channel reservation. It achieves a fair LTE-WiFi co-existence despite the transmission gaps and unequal frame durations. Second, we consider a system where different MIMO transmitters coordinate to transmit data of multiple users. We present an adaptive design of the channel feedback protocol that mitigates interference resulting from the imperfect channel information. Finally, we consider a Cloud-RAN architecture where a datacenter or a cloud resource processes wireless frames. We introduce a tree-based design for real-time transport of baseband samples and provide its end-to-end schedulability and capacity analysis. We also present a processing framework that combines real-time scheduling with fine-grained parallelism. The framework reduces processing times by migrating parallelizable tasks to idle compute resources, and thus, decreases the processing deadline-misses at no additional cost. We implement and evaluate the above solutions using software-radio platforms and off-the-shelf radios, and confirm their applicability in real-world settings.PhDElectrical Engineering: SystemsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133358/1/gkchai_1.pd

Multi-mode resource-constrained project schedule problem: metaheuristic solution procedures and extensions

Operations research (OR) heeft als doel processen binnen organisaties te verbeteren of te optimaliseren met behulp van hiervoor ontwikkelde technieken en modellen. De discipline kende zijn oorsprong tijdens WOII, toen aan de hand van wiskundige modellen de logistieke bevoorrading van militair materiaal en goederen werd gepland. In de jaren na de oorlog ontwikkelde OR zich ten volle en tot op vandaag worden technieken en procedures ontwikkeld om complexe problemen in de bedrijfswereld, de maatschappij en de industrie te analyseren en te optimaliseren. Een van de onderzoeksdomeinen waarbinnen OR actief is, is project management. Project management kan omschreven worden als het geheel van kennis, vaardigheden, tools en technieken om een project te plannen, teneinde aan alle projecteisen te voldoen. Een project kan gedefinieerd worden als een tijdelijke inspanning met als doel het cre¨eren van een uniek product of een unieke service (PMBOK). De bouw van piramides in Egypte, de ontwikkeling van een iPhoneapplicatie, het schrijven van een doctoraat, de organisatie van een verkiezingscampagne of het bouwen van een huis, het zijn allen typische voorbeelden van projecten. De voorbije jaren is het belang van project management enorm toegenomen. Tientallen boeken over project management zijn verschenen en project software pakketten zijn ontwikkeld of uitgebreid met nieuwe planningsmogelijkheden. Bovendien zijn verschillende planningsproblemen reeds uitvoerig bestudeerd in de academische literatuur en zijn talloze exacte, heuristische of metaheuristische oplossingsmethodes voorgesteld. Een van die planningsproblemen is het zogenaamde ’multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem’, waarbij getracht wordt een project in een zo kort mogelijke duurtijd te plannen, rekening houdend met de volgorderelaties tussen de verschillende activiteiten ´en met de beschikbare hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. Voor elk van de activiteiten zijn er bovendien meerdere uitvoeringsmogelijkheden. Dit doctoraat is opgedeeld in twee delen. In een eerste deel worden drie metaheuristische oplossingsprocedures en een nieuwe dataset voorgesteld, terwijl in het tweede deel verschillende meer praktische concepten worden ge¨ıntroduceerd. Dit werk wordt afgesloten met een algemene conclusie en enkele suggesties voor verder onderzoek. Deel I van dit doctoraat start met een introductie van het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem en een overzicht van de beschikbare literatuur. Aan de hand van een voorbeeld worden enkele veelgebruikte termen in de project planning literatuur voorgesteld. Vervolgens worden drie oplossingsmethodes ontwikkeld: een genetisch algoritme (GA), een artificiel immune system algoritme (AIS) en een scatter search algoritme (SS). Het voorgestelde genetisch algoritme verschilt van andere genetische oplossingsmethodes aangezien het gebruik maakt van twee populaties, ´e´en met leftjustified schedules (waarbij alle activiteiten zo vroeg mogelijk gepland worden) en ´e´en met right-justified schedules (waarbij alle activiteiten zo laat mogelijk gepland worden). Het algoritme maakt ook gebruik van een generatieschema dat is uitgebreid met een methode die de gekozen mode van een activiteit tracht te optimaliseren door te kiezen voor de mode die resulteert in de laagst mogelijke eindtijd voor die activiteit. De artificial immune system procedure is gebaseerd op de principes van het menselijke immuun systeem. Wanneer ziektekiemen het menselijke lichaam binnendringen zullen de antigenen die in staat zijn om de ziektekiemen te bestrijden, zich vermenigvuldigen om op die manier zo snel mogelijk de ziekte te doen verdwijnen. Ditzelfde principe wordt toegepast in deze oplossingsmethode, die bovendien een procedure bevat om op een gecontroleerde manier de initi¨ele populatie te genereren. Deze procedure is gebaseerd op experimentele resultaten die een link aantonen tussen bepaalde karakteristieken van de gekozen modes en de uiteindelijke duurtijd van het project. Een laatste algoritme is een scatter search procedure. Deze procedure maakt gebruik van verschillende verbeteringsmethodes die elk aangepast zijn aan de specifieke karakteristieken van de verschillende hernieuwbare en niet-hernieuwbare middelen. De procedure wordt aan de hand van parameters die de beperktheid van de middelen aangeeft, gestuurd in de richting van de meest effici¨ente verbeteringsmethode en op die manier wordt een zo optimaal mogelijke oplossing gezocht. Elk van de voorgestelde procedures behaalde uitstekende resultaten op de bestaande benchmark datasets. Deze sets vertonen evenwel enkele beperkingen gezien de huidige evolutie in de ontwikkeling van metaheuristische oplossingsmethodes. Om die reden werd een nieuwe, verbeterde dataset ontwikkeld, die onderzoekers in staat moet stellen om hun oplossingen te vergelijken met andere procedures. Om een vergelijking te kunnen maken tussen alle bestaande oplossingsmethodes hebben we elk algoritme dat beschikbaar is in de literatuur gecodeerd en getest op de bestaande en nieuwe datasets. Door alle testen uit te voeren op eenzelfde computer en met eenzelfde stopcriterium zijn we in staat geweest een duidelijke en faire vergelijking te maken. Onze voorgestelde algoritmes performeren bovendien uitstekend. In het tweede deel van dit doctoraat worden een aantal uitbreidingen onder de loep genomen. Zo wordt in het eerste hoofdstuk van dit tweede deel de invloed nagegaan van het onderbreken van activiteiten: activiteiten kunnen dan op elke tijdstip stopgezet worden om later, zonder bijkomende kost, herstart te worden. De introductie van deze uitbreiding leidt tot een significante daling van de gemiddelde duurtijd van een project vergeleken met de situatie waarin geen onderbrekingen toegelaten worden. Een andere uitbreiding is de introductie van leereffecten in een projectomgeving. Hierbij wordt verondersteld dat een persoon effici¨enter wordt naarmate hij of zij langer aan een activiteit werkt. Dit leerconcept wordt vanuit drie verschillende zijdes bekeken. Ten eerste wordt nagegaan wat de invloed is van de introductie van het leerconcept op de totale duurtijd van een project en worden de verschillende parameters die hierop een invloed hebben geanalyseerd. Ten tweede bekijken we welke foutenmarge er moet aangenomen worden wanneer men geen rekening houdt met het leerconcept en tot slot achterhalen we dat door het tijdig incorporeren van de leereffecten significante verbeteringen kunnen gerealiseerd worden. In het laatste deel van dit doctoraat wordt het genetisch algoritme uit deel I gebruikt om de planning van een audit kantoor te optimaliseren. In deze planning dienen audit teams toegewezen te worden aan verschillende audit taken. Er kan duidelijk aangetoond worden dat met het gebruik van optimalisatietechnieken significante verbeteringen kunnen gemaakt worden in de planning van de audit teams. De bijdrage van dit doctoraat is drievoudig. Ten eerste werden drie stateof-the-art algoritmes gepresenteerd die in staat zijn om het multi-mode resourceconstrained project scheduling probleem op een heel effici¨ente manier op te lossen. Bovendien werd telkens specifieke project informatie gebruikt om de effici¨entie van de procedure te verhogen. Ten tweede werden verschillende stappen ondernomen om dit probleem uit te breiden naar meer realistische planningsproblemen. Het toelaten van het onderbreken van activiteiten en de introductie van leereffecten leidden tot nieuwe inzichten in het onderzoek van project planning. Tot slot wordt met de ontwikkeling van een nieuwe dataset onderzoekers aangemoedigd om hun resultaten te vergelijken met die van andere procedures. Met deze nieuwe dataset is tevens de basis gelegd voor verder onderzoek van dit interessante planning

Deploying mobile computer classroom as a catalyst for more parental involvement via technology as well as bridging digital divide: a feasibility study

The purpose of this paper is to explore the feasibility of using the mobile computer classroom for increasing the parental involvement via technology with the intent of alleviating both the problems of downward trending performance of students as well as bridging the digital divide among parents and other adults