[論文レビュー] Food Redistribution as Optimization

Caleb Phillips, Rhonda Hoenigman+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2011

Food Waste Reduction and Sustainability参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、コロラド州の食品バンクから得た実証データを用いて、食品寄付を最適化問題として定式化し、食品供給を極値プロセスとしてモデル化している。モンテカルロシミュレーションにより、食品救済がスケールアップ可能であることを示しており、寄付者参加度に比例して供給量が線形に増加し、戦略的な寄付者獲得と効率的な物流によりコストを削減可能である。

ABSTRACT

In this paper we study the simultaneous problems of food waste and hunger in the context of the possible solution of food (waste) rescue and redistribution. To this end, we develop an empirical model that can be used in Monte Carlo simulations to study the dynamics of the underlying problem. Our model's parameters are derived from a unique data set provided by a large food bank and food rescue organization in north central Colorado. We find that food supply is a non-parametric heavy-tailed process that is well-modeled with an extreme value peaks-over-threshold model. Although the underlying process is stochastic, the basic approach of food rescue and redistribution appears to be feasible both at small and large scales. The ultimate efficacy of this model is intimately tied to the rate at which food expires and hence the ability to preserve and quickly transport and redistribute food. The cost of the redistribution is tied to the number and density of participating suppliers, and costs can be reduced (and supply increased) simply by recruiting additional donors to participate. Our results show that with sufficient funding and manpower, a significant amount of food can be rescued from the waste stream and used to feed the hungry.

研究の動機と目的

• 食品再配分を形式的な最適化問題としてモデル化し、スケールでの実現可能性とコストを評価すること。
• 地域の食品バンクから得た現実の食品救済データを分析し、供給と需要のダイナミクスを理解すること。
• 寄付者密度、輸送物流、食品の賞味期限が再配分効率に与える影響を評価すること。
• 現実的な資金調達および運用制約のもとで、食品救済が廃棄と飢餓を顕著に削減できるかどうかを検証すること。
• 本モデルをより大きな地理的領域およびレストランなど異なる種類の寄付者にスケーラブルに適用できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 90人の寄付者から得た230万ポンドの寄付データを用いて、極値理論（ピークオーバースラッシュ）を適用し、食品供給の統計モデルを構築した。
• 地理情報システム（GIS）を統合し、寄付者の位置をマップ化し、近接する寄付者をクラスタリングし、寄付者間の移動距離を計算した。
• モンテカルロ法を用いた確率的シミュレーションフレームワークを構築し、時間経過に伴う日次食品回収と再配分をモデル化した。
• 混合整数プログラミングを用いて、需要を満たす一方で総移動距離（コスト）を最小化する最適化目的関数を定式化した。
• 寄付者規模（面積）と食品の賞味期限レートを含む実証データを用いて、供給および需要モデルをキャリブレーションした。
• 寄付者参加度や物流条件の変動に応じた複数のシナリオをシミュレートし、平均的・最良・最悪のパフォーマンスを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なコストおよび供給制約のもとで、食品再配分をスケーラブルな最適化問題としてモデル化できるか？
• RQ2 食品供給イベントの重尾的性質が、再配分システムの実現可能性およびロバストネスにどのように影響するか？
• RQ3 寄付者の数を増やすことで、再配分コストをどれほど低減でき、食品回収量をどれほど増加できるか？
• RQ4 食品の賞味期限レートと輸送物流の制約が、食品救済作業の効果性にどのように影響するか？
• RQ5 レストランなどの小規模な寄付者を含めることで、全体のシステムパフォーマンスおよびスケーラビリティにどのような影響があるか？

主な発見

• 本研究地域における食品供給は、重尾的かつ非パラメトリックな分布を示しており、極値理論（ピークオーバースラッシュ）によって良好にモデル化できる。
• 小規模および大規模の両スケールでシステムは実現可能であり、供給量は寄付者参加度に比例して線形に増加する——寄付者を2倍にすると回収可能な食品量もほぼ2倍になる。
• 再配分コストは主に寄付者の数と空間的密度に依存しており、より多くの寄付者を獲得することで顕著に削減可能である。
• 食品救済の成功は、とりわけ易腐性食品の場合は、回収までの時間最小化と賞味期限までの保存期間の延長に強く依存する。
• 供給の確率的かつ重尾的性質にもかかわらず、現在のインfraストラクチャと資金レベルでも、基本的な食品需要は信頼性高く満たせる。
• レストランなどの小規模な寄付者の参加は、まだほとんど活用されていない大きな潜在的ニーズであり、供給量を顕著に増加させ得るが、現行のシステム（例：Feeding Americaのパッケージング規則）がその参加を制限している。