A Two-Stage Stochastic Integer Programming Approach to Integrated Staffing and Scheduling with Application to Nurse Management

数学优化 舍入 人员配备 整数规划 调度(生产过程) 随机规划 整数(计算机科学) 计算机科学 凸壳 正多边形 数学 运筹学 经济 几何学 操作系统 程序设计语言 管理
作者
Kibaek Kim,Sanjay Mehrotra
出处
期刊:Operations Research [Institute for Operations Research and the Management Sciences]
卷期号:63 (6): 1431-1451 被引量:137
标识
DOI:10.1287/opre.2015.1421
摘要

We study the problem of integrated staffing and scheduling under demand uncertainty. This problem is formulated as a two-stage stochastic integer program with mixed-integer recourse. The here-and-now decision is to find initial staffing levels and schedules. The wait-and-see decision is to adjust these schedules at a time closer to the actual date of demand realization. We show that the mixed-integer rounding inequalities for the second-stage problem convexify the recourse function. As a result, we present a tight formulation that describes the convex hull of feasible solutions in the second stage. We develop a modified multicut approach in an integer L-shaped algorithm with a prioritized branching strategy. We generate 20 instances (each with more than 1.3 million integer and 4 billion continuous variables) of the staffing and scheduling problem using 3.5 years of patient volume data from Northwestern Memorial Hospital. Computational results show that the efficiency gained from the convexification of the recourse function is further enhanced by our modifications to the L-shaped method. The results also show that compared with a deterministic model, the two-stage stochastic model leads to a significant cost savings. The cost savings increase with mean absolute percentage errors in the patient volume forecast.
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