Team Bern Unicorns, die Gewinner der 14. AIMMS-MOPTA Optimization Modeling Competition

Text von Nicklas Klein und Mara Baer

Nicklas, du und dein Team Bern Unicorns seid die Gewinner einer internationalen Optimization Modeling Competition. Herzliche Gratulation hierfür.

Kannst du uns kurz erklären, um was für eine Competition es sich hier handelt?

Die «MOPTA Optimization Modeling Competition» ist ein Wettbewerb, bei dem Teams von Studierenden und Doktorierenden ein mathematisches Modell und einen Lösungsalgorithmus für eine praxisnahe Problemstellung aus dem Bereich Operations Research entwickeln. Sie wurde in diesem Jahr schon zum 14. Mal von der Lehigh University aus Bethlehem, Pennsylvania ausgerichtet. In diesem Jahr stand die Competition zudem in Zusammenhang mit der «International Conference on Continuous Optimization», welche von über 500 Teilnehmerinnen und Teilnehmern aus der ganzen Welt besucht wurde. Unterstützt wurde die Competition durch die Softwarefirma AIMMS.

Was war die diesjährige Problemstellung?

Es ging um die kostenoptimale Planung der Belegung von Operationssälen in Spitälern. Dabei wurde zwischen zwei Kategorien von Operationen unterschieden: Planbare Operationen und Notfalloperationen. Während planbare Operationen meist mehrere Wochen im Voraus terminiert werden können, treten Notfalloperationen ungeplant auf und müssen sehr zeitnah durchgeführt werden. Dies kann dazu führen, dass es bei den geplanten Operationen zu Wartezeiten kommt, oder diese sogar kurzfristig auf einen anderen Tag verschoben werden müssen. Ein weiterer Grund für Verzögerungen sind die Dauern der Operationen. Für diese gibt es zwar Erfahrungswerte; die genaue Dauer einer Operation ist im Voraus jedoch nicht bekannt.

Das Ziel ist, einen Operationsplan zu erstellen, bei dem möglichst wenige Operationen verschoben werden müssen und die Wartezeiten der Patienten sowie Leerzeiten und Überstunden des Personals minimal sind. Dabei werden Erfahrungswerte über das Auftreten von Notfalloperationen und die Dauer der planbaren Operationen einbezogen.

Mit was für einer Lösung habt ihr die Competition schlussendlich gewonnen?

Wir haben Methoden der Kombinatorischen Optimierung angewendet, deren Grundlagen in der Masterveranstaltung «Combinatorial Optimization» von Prof. Norbert Trautmann vermittelt werden. In einem ersten Schritt haben wir die Problemstellung als mathematisches Programm modelliert. Dabei haben wir für die unsicheren Parameter wie z.B. die Dauer der Operationen verschiedene Szenarien angenommen, die wir basierend auf realen Daten generiert haben. Bei der Lösung des Modells haben wir zunächst eine einfache Startlösung generiert und diese mithilfe der mathematischen Programmierung verbessert. So konnten wir in relativ kurzer Rechenzeit näherungsweise optimale Operationspläne erstellen.

Wie habt ihr die ganze Competition als Team erlebt?

Meine beiden Teamkollegen Robin Hauenstein und Nicola Travaglini haben ihre Masterarbeit über die Themenstellung der Challenge geschrieben. In einer ersten Phase von Februar bis Mai haben wir unseren Lösungsansatz erarbeitet. Wir haben uns regelmässig an der Universität Bern getroffen, um unsere Ideen und auftretende Probleme zu besprechen. Es hat Spass gemacht, im Team an einer solch praxisnahen Problemstellung zu arbeiten. Als Abschluss der ersten Phase haben wir einen Report über unseren Lösungsansatz geschrieben und diesen zusammen mit unseren Programmierungen eingereicht. Eine Jury hat die Einsendungen aller Teams bewertet, und Feedback und Ideen für weitere Verbesserungen gegeben. Wir wurden als eines von drei Teams für die Finalrunde im Juli ausgewählt und haben uns sehr darüber gefreut. Ich durfte unseren Lösungsansatz an der Konferenz in Pennsylvania vorstellen und konnte mich vor Ort mit den anderen Teams und der Jury über die verschiedenen Ansätze austauschen. Das war eine tolle und spannende Erfahrung.

Was passiert nun als nächstes? Wird eure Lösung jetzt auch in der Praxis bei der Planung von Operationen angewendet?

Wir haben bei der Competition ein grafisches Interface entworfen, das für Anwenderinnen und Anwender aus der Praxis leicht zu bedienen ist. Die Competition an sich war jedoch rein akademischer Natur, ein Praxispartner war also nicht beteiligt. Für eine konkrete Anwendung in der Praxis wären weitere Tests und eine detaillierte Datenerhebung notwendig. In unserem Team planen wir in einem nächsten Schritt, den Ansatz leicht zu erweitern und in einem wissenschaftlichen Journal zu veröffentlichen.

Habt ihr als Team noch weitere Projekte in Zukunft geplant oder geht ihr jetzt wieder getrennte Wege?

Da das Masterstudium meiner beiden Kollegen dem Ende zugeht, haben wir diesbezüglich noch keine konkreten Pläne. Da uns die Teilnahme an der Competition allerdings viel Freude bereitet hat, werden wir von der Professur für Quantitative Methoden weiterhin Ausschau nach solchen Wettbewerben halten und bei Gelegenheit gerne wieder eine Teilnahme im Rahmen einer Masterarbeit anstreben.