Model development for the optimization of network operation in the aftermath of a catastrophic event

Abstract

Although not at the forefront of emergency management rationale, in cases of catastrophes, transportation networks prove their role as vital lifelines, ensuring network connectivity and providing the necessary, underlying ways for the execution of a series of emergency operations. At the same time, transportation networks are themselves vulnerable to structural and functional degradation, which, combined with the stochasticity involved in the travelers' behavior and the diverse needs arising under emergency conditions, mount the pressure for the need of effective network management; this will, most probably than not, require a re-structuring of network functioning, often in the form of network re-configuration, along with the employment of other operational strategies. In this context, the development of appropriate management tools that can account for the network's operational state and the individuals' behavioral aspects and optimally re-structure them to the benefit of overall network functionality are of significant practical importance. In such settings, these tools can help facilitate the related emergency operations and provide critical added value to the whole disaster management process.In this context, the present thesis endeavors to advance the state-of-the-art in disaster management by providing a framework that supports and promotes the enhancement of network functionality in an integrated manner. The thesis distances itself from the consideration of specific network operations and examines network functioning from a wider perspective, that of generalized network management. In order to do so, the framework explicitly considers the operational state of the network and users' behavioral patterns and attempts a system re-organization on the basis of defined objectives; this is achieved through the use of appropriate strategies, the development of a multi-aspect performance measure, the formulation of suitable hypotheses regarding route construction and route choice and the selection of an appropriate analysis concept. The dissertation ultimately provides a sound conceptual and mathematical framework for efficiently handling the various needs arising in the period following a catastrophe. The framework can be used as a planning tool by transportation professionals and stakeholders and adds a higher degree of realism in the decision-making process by explicitly accounting for some of the stochasticities that are either way present in transportation management, but possibly exacerbated in a post-disaster setting.

Παρότι δεν βρίσκονται στο επίκεντρο του σχεδιασμού διαχείρισης έκτακτων καταστάσεων, σε περίπτωση καταστροφικών γεγονότων, ο ρόλος των μεταφορικών δικτύων είναι ζωτικής σημασίας καθώς εξασφαλίζουν συνδεσιμότητα μεταξύ των γεωγραφικών περιοχών και παρέχουν το απαραίτητο, υποκείμενο υπόβαθρο για την εκτέλεση έκτακτων επιχειρήσεων. Ταυτόχρονα, τα μεταφορικά δίκτυα είναι και τα ίδια τους ευάλωτα σε δομική και λειτουργική υποβάθμιση, ενώ η στοχαστικότητα που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των χρηστών και οι διαφορετικές ανάγκες που προκύπτουν ως απόρροια των καταστροφικών γεγονότων αυξάνουν την ανάγκη για αποτελεσματική διαχείρισή τους. Κάτι τέτοιο, σε γενικές γραμμές, προϋποθέτει την αναδιαμόρφωση της λειτουργίας του δικτύου, συχνά με τη μορφή του επανασχεδιασμού αυτού, σε συνδυασμό με την αξιοποίηση άλλων στρατηγικών διαχείρισης. Κατά συνέπεια, η διαμόρφωση κατάλληλων εργαλείων διαχείρισης που θα μπορούν να συνυπολογίσουν τη λειτουργική κατάσταση του δικτύου και τις διαφορετικές συμπεριφορές των χρηστών και να τις αναδιοργανώσουν με βέλτιστο τρόπο προς όφελος της συνολικής λειτουργικότητας του δικτύου κρίνεται ως μεγάλης πρακτικής σημασίας. Υπό τέτοιες συνθήκες, τα εργαλεία αυτά θα μπορούν να διευκολύνουν τις σχετικές έκτακτες επιχειρήσεις και να προσδώσουν προστιθέμενη αξία στην όλη διαδικασία διαχείρισης καταστροφών.Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην εξέλιξη της έως τώρα έρευνας στο αντικείμενο της διαχείρισης καταστροφικών γεγονότων υιοθετώντας μία ολοκληρωμένη προσέγγιση για την ενίσχυση της λειτουργικότητας του δικτύου με εξέταση του ευρύτερου φάσματος της λειτουργίας αυτού. Το πλαίσιο που διαμορφώνεται με αυτόν τον τρόπο λαμβάνει υπ' όψιν του τόσο τη λειτουργική κατάσταση του δικτύου όσο και τα πρότυπα συμπεριφοράς των χρηστών και επιχειρεί μία αναδιοργάνωση του συστήματος στη βάση συγκεκριμένων στόχων: αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης κατάλληλων στρατηγικών διαχείρισης, της ανάπτυξης ενός πολυ-παραγοντικού μέτρου απόδοσης, της διαμόρφωσης κατάλληλων υποθέσεων σε σχέση με την αντίληψη των πιθανών διαδρομών και της επιλογής αυτών από τους μετακινούμενους και της χρήσης του κατάλληλου είδους ανάλυσης. Η διδακτορική διατριβή εν τέλει εισηγείται ένα ολοκληρωμένο εννοιολογικό και μαθηματικό πλαίσιο για την αποτελεσματική διαχείριση των αναγκών που προκύπτουν σε ένα μεταφορικό δίκτυο στην περίοδο που έπεται ενός καταστροφικού γεγονότος. Το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέθοδος σχεδιασμού από τους εμπλεκόμενους φορείς και υποδεικνύει μία ρεαλιστικότερη προσέγγιση επί του προβλήματος, με ρητή θεώρηση ορισμένων από τις στοχαστικότητες που εκ των πραγμάτων υπάρχουν στη διαχείριση μεταφορικών δικτύων αλλά συχνά εντείνονται στο μετα-καταστροφικό περιβάλλον.