Planning the delivery of home social services: a mathematical programming-based approach to support routing and scheduling assignments

Abstract

The increased average lifespan, together with low birth rates, are transforming the European Union's age pyramid. Currently, we are experiencing a transition towards a much older population structure. Given that the institutions that provide care to these population groups are limited by budgetary constraints, it is imperative to optimize several processes, among which route planning and staff scheduling stand out. This dissertation aims to develop a mathematical programming model to support the planning of routes and human resources for providers of Home Social Services. Beyond general Vehicle Routing Problems assumptions, the proposed model also considers the following features: i) working time regulations, ii) mandatory breaks, iii) users' autonomy, and iii) meals' distribution. The present model, implemented using GAMS software, focuses simultaneously on two objective functions: minimization of operating costs, and maximization of equity through the minimization of differences in teams' working times. Chebyshev's method was chosen to solve the developed multiobjective model. The model was built based on a Portuguese Private Institution of Social Solidarity. Through the application of the model, significant improvements are obtained when compared to the current planning of the partner institution, such as it is the case of an improved workload distribution between caregivers and routes that will result in lower costs for the institution. This model is fully enforceable to other institutions that provide services similar or equal to the institution used as a reference.

O aumento da esperança média de vida, juntamente com baixas taxas de natalidade, estão a transformar a pirâmide etária da União Europeia. Atualmente, estamos a vivenciar uma transição direcionada para uma estrutura populacional muito mais envelhecida. Dado que as instituições que prestam cuidados a esta fração se encontram limitadas por restrições orçamentais, torna-se imperativo otimizar vários processos, dos quais se destacam planeamento de rotas e escalonamento de funcionárias. Esta dissertação visa introduzir um modelo de programação matemática com a finalidade de apoiar o planeamento de rotas e recursos humanos para prestadores de Serviços de Apoio Domiciliário. O modelo assenta, além dos pressupostos de um "Vehicle Routing Problem", nos seguintes: i) regulações de tempo de trabalho, ii) pausas obrigatórias, iii) autonomia dos utentes, e iv) distribuição de refeições. O modelo, desenvolvido através de software GAMS, foca-se em duas funções objetivo, simultaneamente: minimização dos custos operacionais, e maximização da equidade, através da minimização das diferenças nos tempos de trabalho das equipas. O método de Chebyshev foi o escolhido para desenvolver o modelo multiobjetivo. O modelo foi construído tendo por base uma Instituição Particular de Solidariedade Social em Portugal. Através da aplicação do modelo, obtêm-se melhorias significativas, quando comparado com o atual planeamento da instituição parceira, como é o caso de uma melhor distribuição da carga de trabalho entre as funcionárias e das rotas que resultam da redução dos custos operacionais da instituição. Este modelo é totalmente extensível a outras instituições que prestem serviços semelhantes ou iguais à instituição utilizada como referência.