[論文レビュー] Efficient generation of rotating workforce schedules

Nysret Musliu, Johannes Gaertner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2000

Scheduling and Timetabling Solutions参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ハード制約、エゴノミー的要因、組織的好みをバランスさせるために、知的なバックトラッキングと人間による介入を組み合わせた、4段階の制約ベースのフレームワークを提示する。段階的フィルタリングにより探索空間を削減し、実世界の問題においてインタラクティブな性能を達成しており、最適化された週末配分とシフトパターンを秒単位で生成する。

ABSTRACT

Generating high-quality schedules for a rotating workforce is a critical task in all settings where a certain staffing level must be guaranteed beyond the capacity of single employees, such as for instance in industrial plants, hospitals, or airline companies. Results from ergonomics \cite{BEST91} indicate that rotating workforce schedules have a profound impact on the health and social life of employees as well as on their performance at work. Moreover, rotating workforce schedules must satisfy legal requirements and should also meet the objectives of the employing organization. We describe our solution to this problem. A basic design decision was to aim at quickly obtaining high-quality schedules for realistically sized problems while maintaining human control. The interaction between the decision maker and the algorithm therefore consists in four steps: (1) choosing a set of lengths of work blocks (a work block is a sequence of consecutive days of work shifts), (2) choosing a particular sequence of work and days-off blocks among those that have optimal weekend characteristics, (3) enumerating possible shift sequences for the chosen work blocks subject to shift change constraints and bounds on sequences of shifts, and (4) assignment of shift sequences to work blocks while fulfilling the staffing requirements. The combination of constraint satisfaction and problem-oriented intelligent backtracking algorithms in each of the four steps allows to find good solutions for real-world problems in acceptable time. Computational results from real-world problems and from benchmark examples found in the literature confirm the viability of our approach. The algorithms are now part of a commercial shift scheduling software package.

研究の動機と目的

• 法律的、エゴノミー的、組織的制約を満たす高品質なローテーション勤務スケジュールを生成する課題に対処すること。
• NP困難な勤務スケジューリングの計算複雑性を、管理可能な部分問題に分解することで低減すること。
• 制約の整合性と品質を保証しながら、制御を維持するインタラクティブで人間主導のスケジューリングを可能にすること。
• 週末配分、シフト順序、連続シフト制限といった重要なソフト制約を最適化すること。
• 実世界の産業および医療現場に適したスケーラブルで能率的なソリューションを提供すること。

提案手法

• スケジューリング問題を4段階の順次的ステップに分解する：作業ブロック長の選定、最適な週末シーケンスの選定、制約下でのシフト順序の列挙、従業員へのシフト割り当て。
• 各ステップで知的なバックトラッキングを用いた制約充足技術を適用し、早期に非整合な解を除外する。
• クラス解法を用いて作業ブロックと休日ブロックをグループ化し、2番目のステップで最適な週末特性に焦点を当てる。
• 連続シフト数の上限とシフト変更制約を用いてシフト順序の範囲を制限し、探索空間を削減する。
• 人間の意思決定者が、好ましいブロックシーケンスやシフトパターンをインタラクティブに選択することで、プロセスをガイド可能にする。
• 大規模なインスタンスにおいてもスケーラビリティを維持するため、多数の従業員をチームにグループ化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローテーション勤務スケジューリングの探索空間を、インタラクティブでリアルタイムの解生成を可能にするために、どのように効果的に削減できるか？
• RQ2 アルゴリズムの効率性と解の品質を保ちながら、人間の専門知識をスケジューリングプロセスにどの程度統合できるか？
• RQ3 段階的フィルタリングを伴う制約ベースのバックトラッキングは、許容可能な時間制限内で実世界の問題に対して高品質なスケジュールを生成できるか？
• RQ4 週末配分やシフト順序パターンといった非ハード制約の最適化において、このフレームワークはどの程度効果的か？
• RQ5 エゴノミー的および運用的目標をバランスさせる際、解の品質と計算時間の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 実世界のインスタンスにおいて、本フレームワークは5秒未満で高品質なローテーション勤務スケジュールを生成し、最初の解は0.73秒で得られた。
• 本アプローチは、長時間の作業ブロック（例：長さ8のブロックが存在しない）を効果的に回避し、公平性とエゴノミー性を向上させるために長さ5の最適ブロックを好む。
• 最大5週間の休暇を達成でき、作業ブロック長の上限を8に引き上げた場合、週末休暇の分布が顕著に改善された。
• 本手法はインタラクティブな意思決定をサポートしており、ユーザーが好みに応じて長時間の作業ブロックやより良い週末配分を優先できる。
• 従業員をチームにグループ化することで、本フレームワークは大規模な労働力規模においても効率的にスケーリング可能である。
• 計算結果は、本アプローチが実世界の問題および文献に掲載されたベンチマークインスタンスの両方で実用可能であることを確認している。