A decision making system for operating theater design : application of facility layout problem

Outils d’aide à la décision pour la conception des blocs opératoires

• Auteur / Autrice : Abdelahad Chraibi
• Direction : Ibrahim Hassan Osman, Said Kharraja
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie industriel. Informatique industrielle
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'analyse des signaux et des processus industriels (Roanne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Laetitia Jourdan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ibrahim Hassan Osman, Said Kharraja, Christophe Corbier, Omar El Beqqali, Saïd Hanafi, Farouk Yalaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Salles d'opération

Prise de décision

Métaheuristiques

Mots clés libres

Bloc opératoire

Optimisation

Recherche opérationnelle

Programmation Mathématique

Méthodes Exactes

Heuristiques

Intelligence Artificielle

Métaheuristiques

Operating theater

Optimization

Operational research

Mathematical programming

Exact methods

Heuristics

Artificial intelligence

Métaheuristics

Résumé

Dans les dernières décennies, l'augmentation de la consommation des services de soins et la croissance de la population ont fait de l'élimination du gaspillage et l'amélioration continue de la productivité de plus en plus cruciale pour les hôpitaux. La productivité et l'efficacité d'un hôpital dépendent des conditions de travail des soignants qui sont influencés fortement par l'organisation des lieux de travail et des installations [Dares (2013)]. L’agencement des installations consiste à ''déterminer l'organisation physique d'un système de production et de trouver l’arrangement le plus efficace de ‘n’ installations dans ‘n’ positions'' [Singh et Sharma (2006)]. L’agencement des installations a un grand impact sur la productivité et l'efficacité du fonctionnement d'un hôpital. Etant conscient de ce besoin, le travail que nous présentons vise à trouver une solution à l’agencement des salles du Bloc Opératoire ''le coeur de l'hôpital'', ainsi que les salles annexes en proposant un outil intelligent que nous mettons à la disposition des maitres d’ouvrages pour optimiser leur conception du bloc opératoire. Les méthodes que nous avons explorées pour la réalisation de ce travail sont les méthodes exactes, les heuristiques, les métaheuristiques et les méthodes intelligentes, ce qui nous a permis de comparer les différentes approches afin de fournir la meilleure solution pour différents scénarios de problèmes. Nous présentons les contributions majeures de notre travail, à commencer par l'application de la programmation mathématique en nombres entiers mixtes (Mixed Integer Programming (MIP)) pour résoudre le problème d’agencement du bloc opératoire (Operating Theater Layout Problem (OTLP)) comme la première contribution scientifique. Ce travail considère trois structures différentes (multi-section, multi-étage et multi-rangé) dans deux types d'environnement différents, tout en optimisant deux fonctions objectifs différents. La combinaison de ces différentes composantes donne lieu à neuf modèles MIP pour résoudre l’OTLP pour lesquels une solution optimale a été atteinte pour des problèmes avec jusqu'à quarante salles. L'utilisation de Systèmes Multi-Agents (MAS) pour résoudre le problème d’agencement des installations est la deuxième contribution scientifique que nous présentons dans le cinquième chapitre. Dans la littérature, on retrouve un seul travail [Tarkesh et al., (2009)] ayant appliqué le MAS pour résoudre des problèmes de petites tailles, ce qui rend notre travail, le premier adoptant MAS pour répondre à la fois le FLP sous environnement statique et dynamique pour des problèmes de grande taille en utilisant un algorithme en trois étapes pour résoudre OTLP. La plate-forme multi-agents développée exploite les trois différents protocoles de communication d’agents, à savoir la coordination, la coopération et la négociation pour concevoir différentes architectures d’agents afin de faire face à l’OTLP statique et dynamique. La dernière contribution consistant en l'utilisation de l’optimisation par essaim de particules (Particle Swarm Optimization (PSO)) sous une représentation continue de l’espace de recherche pour résoudre le problème d’agencement multi-rangée est présentée dans le sixième chapitre. Puisque la PSO est généralement utilisé pour résoudre les problèmes d’affectation ou les FLP avec une représentation discrète, la formulation actuelle est parmi les rares travaux traitant la représentation continue du FLP. Nous avons conçu une nouvelle technique de codage des particules et des heuristiques appropriées pour générer des solutions initiales et pour effectuer la procédure de recherche locale. Une autre nouveauté est liée à l'application de la PSO à un problème de structure multi-rangé, qui n'a pas été abordé auparavant car à notre connaissance, les travaux avec la PSO ont formulé le FLP comme une structure d’une seule rangée ou dans le meilleur des scénarios, comme une structure à deux rangées

In the last decades, the important increasing consumption of health care and the growing of population make elimination of waste and continuous productivity improvement more and more critical for hospitals to provide their care services effectively and efficiently. The productivity and efficiency of a hospital depends on the caregivers working conditions, which are impacted greatly by the work place and the facilities organization [Dares (2013)]. Facilities planning “determines the physical organization of a production system and finding the most efficient arrangement of ‘n’ indivisible facilities in ‘n’ locations” [Singh & Sharma (2006)]. Thus, facilities planning has a great impact on the productivity and efficiency of running a hospital. Being aware of this need, the work we present aims to find a solution to facilities planning for the Operating Theater “the heart of hospital” by proposing an intelligent tool we make available to decision makers for optimizing their operating theater design. Our research work focuses on the use of operational research methods in order to find a solution for this optimization problem. Methods we explored for the realization of this work were variant, namely exact algorithm, heuristics, metaheuristics and intelligent methods, which allow us to compare different issues in order to provide the best solution to different scenarios of problems. Thus, in this dissertation we present the major contribution of our work, starting with the application of Mixed Integer Programming (MIP) to solve Operating Theater Layout Problem (OTLP) as the first scientific contribution. This work considers three different formulations (i.e. the multi-sections, the multi-floors and the multi-rows) in two different environment types (i.e. static and dynamic) while optimizing two different objective functions (i.e. to minimize the total traveling cost and to maximize the total adjacency rate). The combination of these different components gives rise to nine MIP models to solve the OTLP for which optimal solution was provided to problems with until forty facilities. These contributions are presented in the third and fourth chapters. The use of Multi-Agent System (MAS) to solve Facility Layout Problem (FLP) is the second scientific contribution we present in chapter five. In literature, only one work [Tarkesh et al., (2009)] applied the MAS to solve small sized problems, which makes our work the first one adopting MAS to address both the static and dynamic FLP for large sized problems using a novel algorithm running in three steps to solve OTLP. The developed multi-agent platform exploit the three different agents’ protocols of communication, namely coordination, cooperation and negotiation to conceive different agents’ architectures to deal with the static and dynamic OTLP. The last contribution consisting on the use of Particle Swarm Optimization (PSO) under continuous layout representation to solve multi-rows FLP is presented in chapter six. Since the PSO is generally used to solve assignment problems or discrete FLP, the actual formulation is among the few works dealing with the continuous one. This leads us to conceive a novel encoding technique and the appropriate heuristics to generate initial solutions and to perform the local search procedure. Another novelty is related to the application of PSO to a multi-rows layout problem, which was not addressed before. To the best of our knowledge, PSO works usually formulate the FLP as a single row or in the best of scenarios, as a double-rows problem