Stochastic optimization of staffing for multiskill call centers

Dans cette thèse, nous étudions le problème d’optimisation des effectifs dans les centres d’appels, dans lequel nous visons à minimiser les coûts d’exploitation tout en offrant aux clients une qualité de service (QoS) élevée. Nous introduisons également l'utilisation de contraintes probabilistes qui exigent que la qualité de service soit satisfaite avec une probabilité donnée. Ces contraintes sont adéquates dans le cas où la performance est mesurée sur un court intervalle de temps, car les mesures de QoS sont des variables aléatoires sur une période donnée. Les problèmes de personnel proposés sont difficiles en raison de l'absence de forme analytique pour les contraintes probabilistes et doivent être approximées par simulation. En outre, les fonctions QoS sont généralement non linéaires et non convexes. Nous considérons les problèmes d’affectation personnel dans différents contextes et étudions les modèles proposés tant du point de vue théorique que pratique. Les méthodologies développées sont générales, en ce sens qu'elles peuvent être adaptées et appliquées à d'autres problèmes de décision dans les systèmes de files d'attente. La thèse comprend trois articles traitant de différents défis en matière de modélisation et de résolution de problèmes d'optimisation d’affectation personnel dans les centres d'appels à compétences multiples. Les premier et deuxième article concernent un problème d'optimisation d'affectation de personnel en deux étapes sous l'incertitude. Alors que dans le second, nous étudions un modèle général de programmation stochastique discrète en deux étapes pour fournir une garantie théorique de la consistance de l'approximation par moyenne échantillonnale (SAA) lorsque la taille des échantillons tend vers l'infini, le troisième applique l'approche du SAA pour résoudre le problème d’optimisation d'affectation de personnel en deux étapes avec les taux d’arrivée incertain. Les deux articles indiquent la viabilité de l'approche SAA dans notre contexte, tant du point de vue théorique que pratique. Pour être plus précis, dans le premier article, nous considérons un problème stochastique discret général en deux étapes avec des contraintes en espérance. Nous formulons un problème SAA avec échantillonnage imbriqué et nous montrons que, sous certaines hypothèses satisfaites dans les exemples de centres d'appels, il est possible d'obtenir les solutions optimales du problème initial en résolvant son SAA avec des échantillons suffisamment grands. De plus, nous montrons que la probabilité que la solution optimale du problème de l’échantillon soit une solution optimale du problème initial tend vers un de manière exponentielle au fur et à mesure que nous augmentons la taille des échantillons. Ces résultats théoriques sont importants, non seulement pour les applications de centre d'appels, mais également pour d'autres problèmes de prise de décision avec des variables de décision discrètes. Le deuxième article concerne les méthodes de résolution d'un problème d'affectation en personnel en deux étapes sous incertitude du taux d'arrivée. Le problème SAA étant coûteux à résoudre lorsque le nombre de scénarios est important. En effet, pour chaque scénario, il est nécessaire d'effectuer une simulation pour estimer les contraintes de QoS. Nous développons un algorithme combinant simulation, génération de coupes, renforcement de coupes et décomposition de Benders pour résoudre le problème SAA. Nous montrons l'efficacité de l'approche, en particulier lorsque le nombre de scénarios est grand. Dans le dernier article, nous examinons les problèmes de contraintes en probabilité sur les mesures de niveau de service. Notre méthodologie proposée dans cet article est motivée par le fait que les fonctions de QoS affichent généralement des courbes en S et peuvent être bien approximées par des fonctions sigmoïdes appropriées. Sur la base de cette idée, nous avons développé une nouvelle approche combinant la régression non linéaire, la simulation et la recherche locale par région de confiance pour résoudre efficacement les problèmes de personnel à grande échelle de manière viable. L’avantage principal de cette approche est que la procédure d’optimisation peut être formulée comme une séquence de simulations et de résolutions de problèmes de programmation linéaire. Les résultats numériques basés sur des exemples réels de centres d'appels montrent l'efficacité pratique de notre approche. Les méthodologies développées dans cette thèse peuvent être appliquées dans de nombreux autres contextes, par exemple les problèmes de personnel et de planification dans d'autres systèmes basés sur des files d'attente avec d'autres types de contraintes de QoS. Celles-ci soulèvent également plusieurs axes de recherche qu'il pourrait être intéressant d'étudier. Par exemple, une approche de regroupement de scénarios pour atténuer le coût des modèles d'affectation en deux étapes, ou une version d'optimisation robuste en distribution pour mieux gérer l'incertitude des données.In this thesis, we study the staffing optimization problem in multiskill call centers, in which we aim at minimizing the operating cost while delivering a high quality of service (QoS) to customers. We also introduce the use of chance constraints which require that the QoSs are met with a given probability. These constraints are adequate in the case when the performance is measured over a short time interval as QoS measures are random variables in a given time period. The proposed staffing problems are challenging in the sense that the stochastic constraints have no-closed forms and need to be approximated by simulation. In addition, the QoS functions are typically non-linear and non-convex. We consider staffing optimization problems in different settings and study the proposed models in both theoretical and practical aspects. The methodologies developed are general, in the sense that they can be adapted and applied to other staffing/scheduling problems in queuing-based systems. The thesis consists of three articles dealing with different challenges in modeling and solving staffing optimization problems in multiskill call centers. The first and second articles concern a two-stage staffing optimization problem under uncertainty. While in the first one, we study a general two-stage discrete stochastic programming model to provide a theoretical guarantee for the consistency of the sample average approximation (SAA) when the sample sizes go to infinity, the second one applies the SAA approach to solve the two-stage staffing optimization problem under arrival rate uncertainty. Both papers indicate the viability of the SAA approach in our context, in both theoretical and practical aspects. To be more precise, in the first article, we consider a general two-stage discrete stochastic problem with expected value constraints. We formulate its SAA with nested sampling. We show that under some assumptions that hold in call center examples, one can obtain the optimal solutions of the original problem by solving its SAA with large enough sample sizes. Moreover, we show that the probability that the optimal solution of the sample problem is an optimal solution of the original problem, approaches one exponentially fast as we increase the sample sizes. These theoretical findings are important, not only for call center applications, but also for other decision-making problems with discrete decision variables. The second article concerns solution methods to solve a two-stage staffing problem under arrival rate uncertainty. It is motivated by the fact that the SAA version of the two-stage staffing problem becomes expensive to solve with a large number of scenarios, as for each scenario, one needs to use simulation to approximate the QoS constraints. We develop an algorithm that combines simulation, cut generation, cut strengthening and Benders decomposition to solve the SAA problem. We show the efficiency of the approach, especially when the number of scenarios is large. In the last article, we consider problems with chance constraints on the service level measures. Our methodology proposed in this article is motivated by the fact that the QoS functions generally display ``S-shape'' curves and might be well approximated by appropriate sigmoid functions. Based on this idea, we develop a novel approach that combines non-linear regression, simulation and trust region local search to efficiently solve large-scale staffing problems in a viable way. The main advantage of the approach is that the optimization procedure can be formulated as a sequence of steps of performing simulation and solving linear programming models. Numerical results based on real-life call center examples show the practical viability of our approach. The methodologies developed in this thesis can be applied in many other settings, e.g., staffing and scheduling problems in other queuing-based systems with other types of QoS constraints. These also raise several research directions that might be interesting to investigate. For examples, a clustering approach to mitigate the expensiveness of the two-stage staffing models, or a distributionally robust optimization version to better deal with data uncertainty

On a multistage discrete stochastic optimization problem with stochastic constraints and nested sampling

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An Integrated Approach for Shift Scheduling and Rostering Problems with Break Times for Inbound Call Centers

It may be very difficult to achieve the optimal shift schedule in call centers which have highly uncertain and peaked demand during short time periods. Overlapping shift systems are usually designed for such cases. This paper studies shift scheduling and rostering problems for in bound call centers where overlapping shift systems are used. An integer programming model that determines which shifts to be opened and how many operators to be assigned to these shifts is proposed for the shift scheduling problem. For the rostering problem both integer programming and constraint programming models are developed to determine assignments of operators to all shifts, weekly days-off, and meal and relief break times of the operators. The proposed models are tested on real data supplied by an outsource call center and optimal results are found in an acceptable computation time. An improvement of 15% in the objective function compared to the current situation is observed with the proposed model for the shift scheduling problem. The computational performances of the proposed integer and constraint programming models for the rostering problem are compared using real data observed at a call center and simulated test instances. In addition, benchmark instances are used to compare our Constraint Programming (CP) approach with the existing models. The results of the comprehensive computational study indicate that the constraint programming model runs more efficiently than the integer programming model for the rostering problem. The originality of this research can be attributed to two contributions: (a) a model for shift scheduling problem and two models for rostering problem are presented in detail and compared using real data and (b) the rostering problem is considered as a task-resource allocation and considerably shorter computation times are obtained by modeling this new problem via CP

Staffing optimization with chance constraints in call centers

Les centres d’appels sont des éléments clés de presque n’importe quelle grande organisation. Le problème de gestion du travail a reçu beaucoup d’attention dans la littérature. Une formulation typique se base sur des mesures de performance sur un horizon infini, et le problème d’affectation d’agents est habituellement résolu en combinant des méthodes d’optimisation et de simulation. Dans cette thèse, nous considérons un problème d’affection d’agents pour des centres d’appels soumis a des contraintes en probabilité. Nous introduisons une formulation qui exige que les contraintes de qualité de service (QoS) soient satisfaites avec une forte probabilité, et définissons une approximation de ce problème par moyenne échantillonnale dans un cadre de compétences multiples. Nous établissons la convergence de la solution du problème approximatif vers celle du problème initial quand la taille de l’échantillon croit. Pour le cas particulier où tous les agents ont toutes les compétences (un seul groupe d’agents), nous concevons trois méthodes d’optimisation basées sur la simulation pour le problème de moyenne échantillonnale. Étant donné un niveau initial de personnel, nous augmentons le nombre d’agents pour les périodes où les contraintes sont violées, et nous diminuons le nombre d’agents pour les périodes telles que les contraintes soient toujours satisfaites après cette réduction. Des expériences numériques sont menées sur plusieurs modèles de centre d’appels à faible occupation, au cours desquelles les algorithmes donnent de bonnes solutions, i.e. la plupart des contraintes en probabilité sont satisfaites, et nous ne pouvons pas réduire le personnel dans une période donnée sont introduire de violation de contraintes. Un avantage de ces algorithmes, par rapport à d’autres méthodes, est la facilité d’implémentation.Call centers are key components of almost any large organization. The problem of labor management has received a great deal of attention in the literature. A typical formulation of the staffing problem is in terms of infinite-horizon performance measures. The method of combining simulation and optimization is used to solve this staffing problem. In this thesis, we consider a problem of staffing call centers with respect to chance constraints. We introduce chance-constrained formulations of the scheduling problem which requires that the quality of service (QoS) constraints are met with high probability. We define a sample average approximation of this problem in a multiskill setting. We prove the convergence of the optimal solution of the sample-average problem to that of the original problem when the sample size increases. For the special case where we consider the staffing problem and all agents have all skills (a single group of agents), we design three simulation-based optimization methods for the sample problem. Given a starting solution, we increase the staffings in periods where the constraints are violated, and decrease the number of agents in several periods where decrease is acceptable, as much as possible, provided that the constraints are still satisfied. For the call center models in our numerical experiment, these algorithms give good solutions, i.e., most constraints are satisfied, and we cannot decrease any agent in any period to obtain better results. One advantage of these algorithms, compared with other methods, that they are very easy to implement

Modelización, Simulación y Optimización del personal operativo en la administración de Call/Contact Center

El presente trabajo expone una descripción del proceso de la estimación óptima de los requerimientos de agentes, y se analiza a través de la simulación el problema de la programación de turnos de trabajos, desde la perspectiva de la programación matemática no lineal, para la administración efectiva y eficiente del recurso humano en los Centros de Llamadas o Contactos Telefónicos (Telephone Call/Contact Centers). La simulación que se implementa lleva a cabo dos procesos de optimización: 1) La determinación óptima de los recursos humanos necesarios para la atención de los clientes, que se materializa con la resolución de un modelo de programación lineal. 2) La determinación de la política más adecuada para la asignación de turnos, bajo la restricción de mantener un cierto nivel de servicio. Para éste último, se utiliza el método de las Combinaciones Lineales basadas en función objetivo no lineal y restricciones lineales convexas. El software de simulación que se implementó, está basado en la técnica de simulación de eventos discretos permitiendo un diseño visual de los modelos de análisis. El aporte significativo y novedoso del trabajo, se orienta hacia la utilización de técnicas sencillas de la Programación Matemática No Lineal en la programación de turnos, y el uso de la herramienta de simulación para hacer una predicción precisa de los requerimientos de personal y la asignación de turnos.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Constrained Optimization in Simulation:A Novel Approach

This paper presents a novel heuristic for constrained optimization of random computer simula-tion models, in which one of the simulation outputs is selected as the objective to be minimized while the other outputs need to satisfy prespecified target values. Besides the simulation out-puts, the simulation inputs must meet prespecified constraints including the constraint that the inputs be integer. The proposed heuristic combines (i) experimental design to specify the simu-lation input combinations, (ii) Kriging (also called spatial correlation modeling) to analyze the global simulation input/output data that result from this experimental design, and (iii) integer nonlinear programming to estimate the optimal solution from the Kriging metamodels. The heuristic is applied to an (s, S) inventory system and a realistic call-center simulation model, and compared with the popular commercial heuristic OptQuest embedded in the ARENA ver-sions 11 and 12. These two applications show that the novel heuristic outperforms OptQuest in terms of search speed (it moves faster towards high-quality solutions) and consistency of the solution quality

An exact optimization approach for personnel scheduling problems in the call center industry

Dissertação de mestrado em Engenharia de SistemasNowadays, the importance of the call center industry is increasing because they are a major mean of communication between organizations and their costumers. So, ensuring good and optimized personnel schedules in call centers is crucial and has several advantages: reduction of total labor costs, reducing overstaffing, employees’ satisfaction, meeting their preferences, and costumers’ satisfaction, presenting acceptable waiting times. The considered problem concerns personnel scheduling in a 24/7 call center where the scheduling process is done manually. So, the main goal is to explore exact solution approaches in order to obtain solutions whose quality is preferable to the manually achieved ones and to reduce the processing time. The proposed optimization model is an Integer Programming model. The purpose of this model is to assign shifts to workers, while minimizing the total penalization that are associated to employees’ time preferences. The model is implemented on ILOG CPLEX Optimization Studio 12.7.0.0, using OPL, and tested with various instances, including randomly generated and real-world data instances. In order to analyze the quality of the model, a computational study of its linear relaxation was carried out, concluding that the model presents null integrality gaps in all the tested instances. So, the proposed model has a strong formulation, that is, a good quality model. Additionally, to evaluate the performance of the model when running large instances, several randomly generated instances were tested using ILOG CPLEX Optimization Studio 12.10.0.0, achieving good computational results.Hoje em dia, a importância da indústria dos call centers tem vindo a aumentar, uma vez que estes são um grande meio de comunicação entre as empresas e os respetivos clientes. Nesse sentido, garantir um bom e otimizado escalonamento de pessoal é crucial e traz consigo bastantes vantagens: redução dos custos totais de trabalho, reduzindo excesso de trabalhadores, aumento da satisfação dos empregados, atendendo às suas preferências, e ainda aumento da satisfação dos clientes, apresentando tempos de espera aceitáveis. O problema considerado envolve escalonamento de pessoal num call center que opera 24 horas por dia, 7 dias por semana. Atualmente, o processo de escalonamento é feito manualmente. Assim, o principal objetivo é explorar abordagens de resolução exata para obter soluções que apresentam qualidade preferível às das soluções obtidas até ao momento e para reduzir o tempo gasto em todo o processo. O modelo de otimização proposto é um modelo de Programação Inteira, cujo objectivo é associar turnos de trabalho aos trabalhadores, minimizando o total das penalizações associadas às preferências horárias dos mesmos. O modelo é implementado no ILOG CPLEX Optimization Studio 12.7.0.0, utilizando linguagem OPL, e testado com várias instâncias, incluindo instâncias geradas aleatoriamente e instâncias com dados reais. A análise da qualidade do modelo passou pelo estudo computacional da sua relaxação linear, podendo concluir-se que o modelo apresenta um intervalo de integralidade nulo em todas as instâncias testadas. Assim, o modelo proposto é um modelo forte, isto é, um modelo de boa qualidade. De forma a avaliar o desempenho do modelo a resolver instâncias grandes, várias instâncias geradas aletoriamente são testadas utilizando o software ILOG CPLEX Optimization Studio 12.10.0.0., apresentando bons resultados computacionais

Optimal selection of contracts and work shifts in multi-skill call centers

This paper deals with the problem of finding the most suitable contracts to be used when hiring the operators of a call center and deciding their optimal working schedule, to optimize the trade-off between the service level provided to the customers and the cost of the personnel. In a previous paper (Cordone et al. 2011), we proposed a heuristic method to quickly build an integer solution from the solution of the continuous relaxation of an integer linear programming model. In this paper, we generalize that model to take into account a much wider class of working contracts, allowing heterogeneous shift patterns, as well as legal constraints related to continuously active working environments. Since our original rounding heuristic cannot be extended to the new model, due to its huge size and to the involved correlations between different sets of integer variables, we introduce a more sophisticated heuristic based on decomposition and on a multi-level iterative structure. We compare the results of this heuristic with those of a Greedy Randomized Adaptive Search Procedure, both on real-world instances and on realistic random instances