MULTI-UNIT ACCIDENT CONTRIBUTIONS TO U.S. NUCLEAR REGULATORY COMMISSION QUANTITATIVE HEALTH OBJECTIVES: A SAFETY GOAL POLICY ANALYSIS USING MODELS FROM STATE-OF-THE-ART REACTOR CONSEQUENCE ANALYSES

The U.S. Nuclear Regulatory Commission implemented a safety goal policy in response to the 1979 Three Mile Island accident. This policy addresses the question “How safe is safe enough?” by specifying quantitative health objectives (QHOs) for comparison with results from nuclear power plant (NPP) probabilistic risk analyses (PRAs) to determine whether proposed regulatory actions are justified based on potential safety benefit. Lessons learned from recent operating experience—including the 2011 Fukushima accident—indicate that accidents involving multiple units at a shared site can occur with non-negligible frequency. Yet risk contributions from such scenarios are excluded by policy from safety goal evaluations—even for the nearly 60% of U.S. NPP sites that include multiple units. This research develops and applies methods for estimating risk metrics for comparison with safety goal QHOs using models from state-of-the-art consequence analyses to evaluate the effect of including multi-unit accident risk contributions in safety goal evaluations.

Design of evacuation plans for densely urbanised city centres

The high population density and tightly packed nature of some city centres make emergency planning for these urban spaces especially important, given the potential for human loss in case of disaster. Historic and recent events have made emergency service planners particularly conscious of the need for preparing evacuation plans in advance. This paper discusses a methodological approach for assisting decision-makers in designing urban evacuation plans. The approach aims at quickly and safely moving the population away from the danger zone into shelters. The plans include determining the number and location of rescue facilities, as well as the paths that people should take from their building to their assigned shelter in case of an occurrence requiring evacuation. The approach is thus of the location–allocation–routing type, through the existing streets network, and takes into account the trade-offs among different aspects of evacuation actions that inevitably come up during the planning stage. All the steps of the procedure are discussed and systematised, along with computational and practical implementation issues, in the context of a case study – the design of evacuation plans for the historical centre of an old European city.

A unified mixed-integer programming model for simultaneous fluence weight and aperture optimization in VMAT, tomotherapy, and cyberknife

All rights reserved. In this paper, we propose and study a unified mixed-integer programming model that simultaneously optimizes fluence weights and multi-leaf collimator (MLC) apertures in the treatment planning optimization of VMAT, Tomotherapy, and CyberKnife. The contribution of our model is threefold: (i) Our model optimizes the fluence and MLC apertures simultaneously for a given set of control points. (ii) Our model can incorporate all volume limits or dose upper bounds for organs at risk (OAR) and dose lower bound limits for planning target volumes (PTV) as hard constraints, but it can also relax either of these constraint sets in a Lagrangian fashion and keep the other set as hard constraints. (iii) For faster solutions, we propose several heuristic methods based on the MIP model, as well as a meta-heuristic approach. The meta-heuristic is very efficient in practice, being able to generate dose- and machinery-feasible solutions for problem instances of clinical scale, e.g., obtaining feasible treatment plans to cases with 180 control points, 6750 sample voxels and 18,000 beamlets in 470 seconds, or cases with 72 control points, 8000 sample voxels and 28,800 beamlets in 352 seconds. With discretization and down-sampling of voxels, our method is capable of tackling a treatment field of 8000-64,000cm3, depending on the ratio of critical structure versus unspecified tissues.

Output and labor productivity in organized manufacturing: a panel cointegration analysis for India

One of the policy puzzles faced in India during the last two and half decades has been the weak association between output and labor markets, particularly in the manufacturing sector. In this research, we investigate the long-run relationship between output, labor productivity and real wages in the case of organized manufacturing. We adjust the measure of labor productivity incorporating bottlenecks, such as lack of infrastructure, access to external finance, and labor regulations, which all may influence labor market outcomes. Using panel data from seventeen manufacturing industries, we establish long-run dynamics for the output-labor productivity-real wages series over a period of nearly three decades. We employ recently developed panel unit root and cointegration tests for cross-sectional dependence to incorporate heterogeneity across industries. Long-run elasticities are generally found to be low for labor productivity compared to real wages due to the changes in manufacturing output. There are variations across industries within the manufacturing sector for the effects of the labor market on manufacturing output. In some industries, lower wages are associated with higher output, and the reason for the positive relationship in other industries could be due to workers' bargaining power.

Méthode de recherche à grand voisinage pour un problème de tournées de véhicules avec flotte privée et transporteur externe

Dans ce mémoire, nous étudions un problème de tournées de véhicules dans lequel une flotte privée de véhicules n’a pas la capacité suffisante pour desservir les demandes des clients. Dans un tel cas, on fait appel à un transporteur externe. Ce dernier n’a aucune contrainte de capacité, mais un coût est encouru lorsqu’un client lui est affecté. Il n’est pas nécessaire de mettre tous les véhicules de la flotte privée en service si cette approche se révèle plus économique. L’objectif consiste à minimiser le coût fixe des véhicules, puis le coût variable de transport et le coût chargé par le transporteur externe. Notre travail consiste à appliquer la métaheuristique de recherche adaptative à grand voisinage sur ce problème. Nous comparons nos résultats avec ceux obtenus précédemment avec différentes techniques connues sur les instances de Christofides et celles de Golden.

Une heuristique de recherche à voisinage variable pour le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps

Nous adaptons une heuristique de recherche à voisinage variable pour traiter le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps (TSPTW) lorsque l'objectif est la minimisation du temps d'arrivée au dépôt de destination. Nous utilisons des méthodes efficientes pour la vérification de la réalisabilité et de la rentabilité d'un mouvement. Nous explorons les voisinages dans des ordres permettant de réduire l'espace de recherche. La méthode résultante est compétitive avec l'état de l'art. Nous améliorons les meilleures solutions connues pour deux classes d'instances et nous fournissons les résultats de plusieurs instances du TSPTW pour la première fois.

Development of new scenario decomposition techniques for linear and nonlinear stochastic programming

Une approche classique pour traiter les problèmes d’optimisation avec incertitude à deux- et multi-étapes est d’utiliser l’analyse par scénario. Pour ce faire, l’incertitude de certaines données du problème est modélisée par vecteurs aléatoires avec des supports finis spécifiques aux étapes. Chacune de ces réalisations représente un scénario. En utilisant des scénarios, il est possible d’étudier des versions plus simples (sous-problèmes) du problème original. Comme technique de décomposition par scénario, l’algorithme de recouvrement progressif est une des méthodes les plus populaires pour résoudre les problèmes de programmation stochastique multi-étapes. Malgré la décomposition complète par scénario, l’efficacité de la méthode du recouvrement progressif est très sensible à certains aspects pratiques, tels que le choix du paramètre de pénalisation et la manipulation du terme quadratique dans la fonction objectif du lagrangien augmenté. Pour le choix du paramètre de pénalisation, nous examinons quelques-unes des méthodes populaires, et nous proposons une nouvelle stratégie adaptive qui vise à mieux suivre le processus de l’algorithme. Des expériences numériques sur des exemples de problèmes stochastiques linéaires multi-étapes suggèrent que la plupart des techniques existantes peuvent présenter une convergence prématurée à une solution sous-optimale ou converger vers la solution optimale, mais avec un taux très lent. En revanche, la nouvelle stratégie paraît robuste et efficace. Elle a convergé vers l’optimalité dans toutes nos expériences et a été la plus rapide dans la plupart des cas. Pour la question de la manipulation du terme quadratique, nous faisons une revue des techniques existantes et nous proposons l’idée de remplacer le terme quadratique par un terme linéaire. Bien que qu’il nous reste encore à tester notre méthode, nous avons l’intuition qu’elle réduira certaines difficultés numériques et théoriques de la méthode de recouvrement progressif.

Interrelated product design activities sequencing with efficient tabu search algorithms

This paper proposes and investigates a metaheuristic tabu search algorithm (TSA) that generates optimal or near optimal solutions sequences for the feedback length minimization problem (FLMP) associated to a design structure matrix (DSM). The FLMP is a non-linear combinatorial optimization problem, belonging to the NP-hard class, and therefore finding an exact optimal solution is very hard and time consuming, especially on medium and large problem instances. First, we introduce the subject and provide a review of the related literature and problem definitions. Using the tabu search method (TSM) paradigm, this paper presents a new tabu search algorithm that generates optimal or sub-optimal solutions for the feedback length minimization problem, using two different neighborhoods based on swaps of two activities and shifting an activity to a different position. Furthermore, this paper includes numerical results for analyzing the performance of the proposed TSA and for fixing the proper values of its parameters. Then we compare our results on benchmarked problems with those already published in the literature. We conclude that the proposed tabu search algorithm is very promising because it outperforms the existing methods, and because no other tabu search method for the FLMP is reported in the literature. The proposed tabu search algorithm applied to the process layer of the multidimensional design structure matrices proves to be a key optimization method for an optimal product development.

An adaptive neighborhood search algorithm for optimizing stochastic mining complexes

Les métaheuristiques sont très utilisées dans le domaine de l'optimisation discrète. Elles permettent d’obtenir une solution de bonne qualité en un temps raisonnable, pour des problèmes qui sont de grande taille, complexes, et difficiles à résoudre. Souvent, les métaheuristiques ont beaucoup de paramètres que l’utilisateur doit ajuster manuellement pour un problème donné. L'objectif d'une métaheuristique adaptative est de permettre l'ajustement automatique de certains paramètres par la méthode, en se basant sur l’instance à résoudre. La métaheuristique adaptative, en utilisant les connaissances préalables dans la compréhension du problème, des notions de l'apprentissage machine et des domaines associés, crée une méthode plus générale et automatique pour résoudre des problèmes. L’optimisation globale des complexes miniers vise à établir les mouvements des matériaux dans les mines et les flux de traitement afin de maximiser la valeur économique du système. Souvent, en raison du grand nombre de variables entières dans le modèle, de la présence de contraintes complexes et de contraintes non-linéaires, il devient prohibitif de résoudre ces modèles en utilisant les optimiseurs disponibles dans l’industrie. Par conséquent, les métaheuristiques sont souvent utilisées pour l’optimisation de complexes miniers. Ce mémoire améliore un procédé de recuit simulé développé par Goodfellow & Dimitrakopoulos (2016) pour l’optimisation stochastique des complexes miniers stochastiques. La méthode développée par les auteurs nécessite beaucoup de paramètres pour fonctionner. Un de ceux-ci est de savoir comment la méthode de recuit simulé cherche dans le voisinage local de solutions. Ce mémoire implémente une méthode adaptative de recherche dans le voisinage pour améliorer la qualité d'une solution. Les résultats numériques montrent une augmentation jusqu'à 10% de la valeur de la fonction économique.

A NATURALISTIC COMPUTATIONAL MODEL OF HUMAN BEHAVIOR IN NAVIGATION AND SEARCH TASKS

Planning, navigation, and search are fundamental human cognitive abilities central to spatial problem solving in search and rescue, law enforcement, and military operations. Despite a wealth of literature concerning naturalistic spatial problem solving in animals, literature on naturalistic spatial problem solving in humans is comparatively lacking and generally conducted by separate camps among which there is little crosstalk. Addressing this deficiency will allow us to predict spatial decision making in operational environments, and understand the factors leading to those decisions. The present dissertation is comprised of two related efforts, (1) a set of empirical research studies intended to identify characteristics of planning, execution, and memory in naturalistic spatial problem solving tasks, and (2) a computational modeling effort to develop a model of naturalistic spatial problem solving. The results of the behavioral studies indicate that problem space hierarchical representations are linear in shape, and that human solutions are produced according to multiple optimization criteria. The Mixed Criteria Model presented in this dissertation accounts for global and local human performance in a traditional and naturalistic Traveling Salesman Problem. The results of the empirical and modeling efforts hold implications for basic and applied science in domains such as problem solving, operations research, human-computer interaction, and artificial intelligence.

A Multi-Criteria GIS-Based Route Selection Tool for Hazardous Material Transport: Consideration of Environmental Consequence, Traffic Congestions and Costs

Hazardous materials are substances that, if not regulated, can pose a threat to human populations and their environmental health, safety or property when transported in commerce. About 1.5 million tons of hazardous material shipments are transported by truck in the US annually, with a steady increase of approximately 5% per year. The objective of this study was to develop a routing tool for hazardous material transport in order to facilitate reduced environmental impacts and less transportation difficulties, yet would also find paths that were still compelling for the shipping carriers as a matter of trucking cost. The study started with identification of inhalation hazard impact zones and explosion protective areas around the location of hypothetical hazardous material releases, considering different parameters (i.e., chemicals characteristics, release quantities, atmospheric condition, etc.). Results showed that depending on the quantity of release, chemical, and atmospheric stability (a function of wind speed, meteorology, sky cover, time and location of accidents, etc.) the consequence of these incidents can differ. The study was extended by selection of other evaluation criteria for further investigation because health risk as an evaluation criterion would not be the only concern in selection of routes. Transportation difficulties (i.e., road blockage and congestion) were incorporated as important factor due to their indirect impact/cost on the users of transportation networks. Trucking costs were also considered as one of the primary criteria in selection of hazardous material paths; otherwise the suggested routes would have not been convincing for the shipping companies. The last but not least criterion was proximity of public places to the routes. The approach evolved from a simple framework to a complicated and efficient GIS-based tool able to investigate transportation networks of any given study area, and capable of generating best routing options for cargos. The suggested tool uses a multi-criteria-decision-making method, which considers the priorities of the decision makers in choosing the cargo routes. Comparison of the routing options based on each criterion and also the overall suitableness of the path in regards to all the criteria (using a multi-criteria-decision-making method) showed that using similar tools as the one proposed by this study can provide decision makers insights in the area of hazardous material transport. This tool shows the probable consequences of considering each path in a very easily understandable way; in the formats of maps and tables, which makes the tradeoffs of costs and risks considerably simpler, as in some cases slightly compromising on trucking cost may drastically decrease the probable health risk and/or traffic difficulties. This will not only be rewarding to the community by making cities safer places to live, but also can be beneficial to shipping companies by allowing them to advertise as environmental friendly conveyors.

Méthode de recherche à grand voisinage pour un problème de tournées de véhicules avec flotte privée et transporteur externe

Dans ce mémoire, nous étudions un problème de tournées de véhicules dans lequel une flotte privée de véhicules n’a pas la capacité suffisante pour desservir les demandes des clients. Dans un tel cas, on fait appel à un transporteur externe. Ce dernier n’a aucune contrainte de capacité, mais un coût est encouru lorsqu’un client lui est affecté. Il n’est pas nécessaire de mettre tous les véhicules de la flotte privée en service si cette approche se révèle plus économique. L’objectif consiste à minimiser le coût fixe des véhicules, puis le coût variable de transport et le coût chargé par le transporteur externe. Notre travail consiste à appliquer la métaheuristique de recherche adaptative à grand voisinage sur ce problème. Nous comparons nos résultats avec ceux obtenus précédemment avec différentes techniques connues sur les instances de Christofides et celles de Golden.

Une heuristique de recherche à voisinage variable pour le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps

Nous adaptons une heuristique de recherche à voisinage variable pour traiter le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps (TSPTW) lorsque l'objectif est la minimisation du temps d'arrivée au dépôt de destination. Nous utilisons des méthodes efficientes pour la vérification de la réalisabilité et de la rentabilité d'un mouvement. Nous explorons les voisinages dans des ordres permettant de réduire l'espace de recherche. La méthode résultante est compétitive avec l'état de l'art. Nous améliorons les meilleures solutions connues pour deux classes d'instances et nous fournissons les résultats de plusieurs instances du TSPTW pour la première fois.

Development of new scenario decomposition techniques for linear and nonlinear stochastic programming

Une approche classique pour traiter les problèmes d’optimisation avec incertitude à deux- et multi-étapes est d’utiliser l’analyse par scénario. Pour ce faire, l’incertitude de certaines données du problème est modélisée par vecteurs aléatoires avec des supports finis spécifiques aux étapes. Chacune de ces réalisations représente un scénario. En utilisant des scénarios, il est possible d’étudier des versions plus simples (sous-problèmes) du problème original. Comme technique de décomposition par scénario, l’algorithme de recouvrement progressif est une des méthodes les plus populaires pour résoudre les problèmes de programmation stochastique multi-étapes. Malgré la décomposition complète par scénario, l’efficacité de la méthode du recouvrement progressif est très sensible à certains aspects pratiques, tels que le choix du paramètre de pénalisation et la manipulation du terme quadratique dans la fonction objectif du lagrangien augmenté. Pour le choix du paramètre de pénalisation, nous examinons quelques-unes des méthodes populaires, et nous proposons une nouvelle stratégie adaptive qui vise à mieux suivre le processus de l’algorithme. Des expériences numériques sur des exemples de problèmes stochastiques linéaires multi-étapes suggèrent que la plupart des techniques existantes peuvent présenter une convergence prématurée à une solution sous-optimale ou converger vers la solution optimale, mais avec un taux très lent. En revanche, la nouvelle stratégie paraît robuste et efficace. Elle a convergé vers l’optimalité dans toutes nos expériences et a été la plus rapide dans la plupart des cas. Pour la question de la manipulation du terme quadratique, nous faisons une revue des techniques existantes et nous proposons l’idée de remplacer le terme quadratique par un terme linéaire. Bien que qu’il nous reste encore à tester notre méthode, nous avons l’intuition qu’elle réduira certaines difficultés numériques et théoriques de la méthode de recouvrement progressif.