Optimal Capital Requirements in Financial Networks with Fire Sales

I explore and analyze a problem of finding the socially optimal capital requirements for financial institutions considering two distinct channels of contagion: direct exposures among the institutions, as represented by a network and fire sales externalities, which reflect the negative price impact of massive liquidation of assets.These two channels amplify shocks from individual financial institutions to the financial system as a whole and thus increase the risk of joint defaults amongst the interconnected financial institutions; this is often referred to as systemic risk. In the model, there is a trade-off between reducing systemic risk and raising the capital requirements of the financial institutions. The policymaker considers this trade-off and determines the optimal capital requirements for individual financial institutions. I provide a method for finding and analyzing the optimal capital requirements that can be applied to arbitrary network structures and arbitrary distributions of investment returns.

In particular, I first consider a network model consisting only of direct exposures and show that the optimal capital requirements can be found by solving a stochastic linear programming problem. I then extend the analysis to financial networks with default costs and show the optimal capital requirements can be found by solving a stochastic mixed integer programming problem. The computational complexity of this problem poses a challenge, and I develop an iterative algorithm that can be efficiently executed. I show that the iterative algorithm leads to solutions that are nearly optimal by comparing it with lower bounds based on a dual approach. I also show that the iterative algorithm converges to the optimal solution.

Finally, I incorporate fire sales externalities into the model. In particular, I am able to extend the analysis of systemic risk and the optimal capital requirements with a single illiquid asset to a model with multiple illiquid assets. The model with multiple illiquid assets incorporates liquidation rules used by the banks. I provide an optimization formulation whose solution provides the equilibrium payments for a given liquidation rule.

I further show that the socially optimal capital problem using the ``socially optimal liquidation" and prioritized liquidation rules can be formulated as a convex and convex mixed integer problem, respectively. Finally, I illustrate the results of the methodology on numerical examples and

discuss some implications for capital regulation policy and stress testing.

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

Joint Analysis of Multiple Algorithms and Performance Measures

There has been an increasing interest in the development of new methods using Pareto optimality to deal with multi-objective criteria (for example, accuracy and time complexity). Once one has developed an approach to a problem of interest, the problem is then how to compare it with the state of art. In machine learning, algorithms are typically evaluated by comparing their performance on different data sets by means of statistical tests. Standard tests used for this purpose are able to consider jointly neither performance measures nor multiple competitors at once. The aim of this paper is to resolve these issues by developing statistical procedures that are able to account for multiple competing measures at the same time and to compare multiple algorithms altogether. In particular, we develop two tests: a frequentist procedure based on the generalized likelihood-ratio test and a Bayesian procedure based on a multinomial-Dirichlet conjugate model. We further extend them by discovering conditional independences among measures to reduce the number of parameters of such models, as usually the number of studied cases is very reduced in such comparisons. Data from a comparison among general purpose classifiers is used to show a practical application of our tests.

Shift Scheduling in Services When Employees Have Limited Availability: An L. P. Approach

This paper compares two linear programming (LP) models for shift scheduling in services where homogeneously-skilled employees are available at limited times. Although both models are based on set covering approaches, one explicitly matches employees to shifts, while the other imposes this matching implicitly. Each model is used in three forms—one with complete, another with very limited meal break placement flexibility, and a third without meal breaks—to provide initial schedules to a completion/improvement heuristic. The term completion/improvement heuristic is used to describe a construction/ improvement heuristic operating on a starting schedule. On 80 test problems varying widely in scheduling flexibility, employee staffing requirements, and employee availability characteristics, all six LP-based procedures generated lower cost schedules than a comparison from-scratch construction/improvement heuristic. This heuristic, which perpetually maintains an explicit matching of employees to shifts, consists of three phases which add, drop, and modify shifts. In terms of schedule cost, schedule generation time, and model size, the procedures based on the implicit model performed better, as a group, than those based on the explicit model. The LP model with complete break placement flexibility and implicitly matching employees to shifts generated schedules costing 6.7% less than those developed by the from-scratch heuristic.

Improving the Utilization of Front-Line Service Delivery System Personnel

There are two types of work typically performed in services which differ in the degree of control management has over when the work must be done. Serving customers, an activity that can occur only when customers are in the system is, by its nature, uncontrollable work. In contrast, the execution of controllable work does not require the presence of customers, and is work over which management has some degree of temporal control. This paper presents two integer programming models for optimally scheduling controllable work simultaneously with shifts. One model explicitly defines variables for the times at which controllable work may be started, while the other uses implicit modeling to reduce the number of variables. In an initial experiment of 864 test problems, the latter model yielded optimal solutions in approximately 81 percent of the time required by the former model. To evaluate the impact on customer service of having front-line employees perform controllable work, a second experiment was conducted simulating 5,832 service delivery systems. The results show that controllable work offers a useful means of improving labor utilization. Perhaps more important, it was found that having front-line employees perform controllable work did not degrade the desired level of customer service.

Predictive Analytics and Decision Support for Heart Failure patients

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Schedulazione delle rotte marittime nel settore ortofrutticolo. Modelli e Metodi

Il trasporto marittimo è una delle modalità più utilizzate soprattutto per la movimentazione di grandi volumi di prodotti tra i continenti in quanto è a basso costo, sicuro e meno inquinante rispetto ad altri mezzi di movimentazione. Ai giorni nostri è responsabile di circa l’80% del commercio globale (in volume di carichi trasportati). Il settore del trasporto marittimo ha avuto una lunga tradizione di pianificazione manuale effettuata da progettisti esperti.
 L’obiettivo principale di questa trattazione è stato quello di implementare un modello matematico lineare (MILP, Mixed-Integer Linear Programming Model) per l’ottimizzazione delle rotte marittime nell’ambito del mercato orto-frutticolo che si sviluppa nel bacino del Mediterraneo (problema di Ship-Scheduling). Il modello fornito in questa trattazione è un valido strumento di supporto alle decisioni che può utilizzare uno spedizioniere nell’ambito della pianificazione delle rotte marittime della flotta di navi in suo possesso. Consente di determinare l’insieme delle rotte ottimali che devono essere svolte da un insieme di vettori al fine di massimizzare il profitto complessivo dello spedizioniere, generato nell’arco di tempo considerato. Inoltre, permette di ottenere, per ogni nave considerata, la ripartizione ottimale della merce (carico ottimale).

Discrete-time positive periodic systems with state and control constraints

The aim of this paper is to provide an efficient control design technique for discrete-time positive periodic systems. In particular, stability, positivity and periodic invariance of such systems are studied. Moreover, the concept of periodic invariance with respect to a collection of boxes is introduced and investigated with connection to stability. It is shown how such concept can be used for deriving a stabilizing state-feedback control that maintains the positivity of the closed-loop system and respects states and control signals constraints. In addition, all the proposed results can be efficiently solved in terms of linear programming.

Convex Optimization Algorithms and Statistical Bounds for Learning Structured Models

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Application of battery energy storage in the Québec interconnection

Le Système Stockage de l’Énergie par Batterie ou Batterie de Stockage d’Énergie (BSE) offre de formidables atouts dans les domaines de la production, du transport, de la distribution et de la consommation d’énergie électrique. Cette technologie est notamment considérée par plusieurs opérateurs à travers le monde entier, comme un nouveau dispositif permettant d’injecter d’importantes quantités d’énergie renouvelable d’une part et d’autre part, en tant que composante essentielle aux grands réseaux électriques. De plus, d’énormes avantages peuvent être associés au déploiement de la technologie du BSE aussi bien dans les réseaux intelligents que pour la réduction de l’émission des gaz à effet de serre, la réduction des pertes marginales, l’alimentation de certains consommateurs en source d’énergie d’urgence, l’amélioration de la gestion de l’énergie, et l’accroissement de l’efficacité énergétique dans les réseaux. Cette présente thèse comprend trois étapes à savoir : l’Étape 1 - est relative à l’utilisation de la BSE en guise de réduction des pertes électriques ; l’Étape 2 - utilise la BSE comme élément de réserve tournante en vue de l’atténuation de la vulnérabilité du réseau ; et l’Étape 3 - introduit une nouvelle méthode d’amélioration des oscillations de fréquence par modulation de la puissance réactive, et l’utilisation de la BSE pour satisfaire la réserve primaire de fréquence. La première Étape, relative à l’utilisation de la BSE en vue de la réduction des pertes, est elle-même subdivisée en deux sous-étapes dont la première est consacrée à l’allocation optimale et le seconde, à l’utilisation optimale. Dans la première sous-étape, l’Algorithme génétique NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) a été programmé dans CASIR, le Super-Ordinateur de l’IREQ, en tant qu’algorithme évolutionniste multiobjectifs, permettant d’extraire un ensemble de solutions pour un dimensionnement optimal et un emplacement adéquat des multiple unités de BSE, tout en minimisant les pertes de puissance, et en considérant en même temps la capacité totale des puissances des unités de BSE installées comme des fonctions objectives. La première sous-étape donne une réponse satisfaisante à l’allocation et résout aussi la question de la programmation/scheduling dans l’interconnexion du Québec. Dans le but de réaliser l’objectif de la seconde sous-étape, un certain nombre de solutions ont été retenues et développées/implantées durant un intervalle de temps d’une année, tout en tenant compte des paramètres (heure, capacité, rendement/efficacité, facteur de puissance) associés aux cycles de charge et de décharge de la BSE, alors que la réduction des pertes marginales et l’efficacité énergétique constituent les principaux objectifs. Quant à la seconde Étape, un nouvel indice de vulnérabilité a été introduit, formalisé et étudié ; indice qui est bien adapté aux réseaux modernes équipés de BES. L’algorithme génétique NSGA-II est de nouveau exécuté (ré-exécuté) alors que la minimisation de l’indice de vulnérabilité proposé et l’efficacité énergétique représentent les principaux objectifs. Les résultats obtenus prouvent que l’utilisation de la BSE peut, dans certains cas, éviter des pannes majeures du réseau. La troisième Étape expose un nouveau concept d’ajout d’une inertie virtuelle aux réseaux électriques, par le procédé de modulation de la puissance réactive. Il a ensuite été présenté l’utilisation de la BSE en guise de réserve primaire de fréquence. Un modèle générique de BSE, associé à l’interconnexion du Québec, a enfin été proposé dans un environnement MATLAB. Les résultats de simulations confirment la possibilité de l’utilisation des puissances active et réactive du système de la BSE en vue de la régulation de fréquence.

Metodologia de otimização estocástica para coordenação eólico-fotovoltaica

Esta dissertação incide sobre o tema da coordenação entre sistemas eólicos e fotovoltaicos que participam no mercado de eletricidade. A incerteza da potência eólica e fotovoltaica é uma caraterística predominante nesta coordenação, devendo ser considerada no planeamento ótimo de sistemas eólico-fotovoltaicos. A fim de modelizar a incerteza é apresentada uma metodologia de otimização estocástica baseada em programação linear para maximizar o lucro esperado de uma empresa produtora de energia elétrica que participa no mercado diário. A coordenação entre sistemas eólicos e fotovoltaicos visa mitigar os desequilíbrios de energia, resultantes das ofertas horárias submetidas no mercado diário e, consequentemente, reduzir as penalizações financeiras. Os resultados da coordenação entre um sistema eólico e um sistema fotovoltaico são comparados com os resultados obtidos para a operação não coordenada. Estes resultados permitem concluir que a metodologia desenvolvida aplicada à coordenação apresenta um lucro esperado superior ao lucro obtido para a operação não coordenada; Abstract Stochastic Optimization Methodology for Wind-Photovoltaic Coordination This dissertation focuses on the issue of coordination between wind and photovoltaic systems participating in electricity markets. The uncertainty of wind and photovoltaic power is a main characteristic of these systems, which must be included in the optimal scheduling of the coordination of wind with photovoltaic systems. In order to model the uncertainty is presented a stochastic approach based on linear programming to maximize the profit of a wind photovoltaic power producer which participates in electricity markets. The coordination of wind with photovoltaic systems aims to mitigate the energy deviations, as a result of the participation in day-ahead market and therefore reducing economic penalties. The results obtained by the coordination are compared to results obtained by the separated operation of wind and photovoltaic systems. The results allow concluding that the proposed approach applied to the coordination presents an expected profit higher than the expected profit without coordination.

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

The suppliers selection problem: a case study

The effective supplier evaluation and purchasing processes are of vital importance to business organizations, making the suppliers selection problem a fundamental key issue to their success. We consider a complex supplier selection problem with multiple products where minimum package quantities, minimum order values related to delivery costs, and discounted pricing schemes are taken into account. Our main contribution is to present a mixed integer linear programming (MILP) model for this supplier selection problem. The model is used to solve several examples including three real case studies from an electronic equipment assembly company.