Melanie Reuter-Oppermann

University of Twente | UT · Center for Healthcare Operations Improvement & Research (CHOIR)

The EURO Working Group on Operational Research Applied to Health Services (ORAHS) provides a network for researchers involved in the application of systematic and quantitative analysis in the planning and management of the health services sector.KeywordsOperational researchHealth-careOptimizationDecision scienceMachine learning

In case of a mass-casualty incident with several hundred or even thousands of patients, providing fast medical treatments is one of the main goals. If close-by hospitals cannot provide sufficient capacities to treat all victims, they need to be transported to more remote hospitals. In these cases, mass transportation modes such as trains or ships c...

Efficient planning of scarce resources in hospitals is a challenging task for which a large variety of Operations Research and Management Science approaches have been developed since the 1950s. While efficient planning of single resources such as operating rooms, beds, or specific types of staff can already lead to enormous efficiency gains, integr...

The two African countries South Africa and Ghana both suffer from low recruitment and retention of blood donors and daily face the challenge of matching supply and demand of blood products. When addressing this challenge, it is important to note that the blood donation cultures of both countries differ, with South Africa representing an individuali...

Shortage of general practitioners (GP) is a challenge worldwide, not only in Europe, but also in countries like New Zealand. Providing primary care in rural areas is especially challenging. In order to support decision makers, it is necessary to first assess the current GP coverage and then to determine different scenarios and plans for the future....

Artificial intelligence (AI) has become an important topic in research as well as industry since its birth in the 1950s. Research on early approaches of machine learning has actually been going on since the 1940s. Still, the question often arises what is actually meant by AI, especially in practice. In this chapter, we give a brief introduction int...

Melanie Reuter-Oppermann, Luisa Pumplun, Helena Müller und Peter Buxmann untersuchen in ihrem Aufsatz „Künstliche Intelligenz im Rettungsdienst – Wege in die Zukunft“ zum einen die Möglichkeiten, die der Einsatz von KI im Rettungsdienst eröffnen könnte . Sie arbeiten aber ebenfalls sehr ausführlich heraus, dass dabei zahlreiche Anforderungen zu erf...

The performance of Emergency Departments (EDs) is of great importance for any health care system, as they serve as the entry point for many patients. However, among other factors, the variability of patient acuity levels and corresponding treatment requirements of patients visiting EDs imposes significant challenges on decision makers. Balancing wa...

The COVID-19 pandemic has put additional pressure on the healthcare systems worldwide. It also led to a significant shortage of blood products. Delaying surgeries resulted in an increased demand at peak times that aligned with a decrease in blood donations at the same time. While being crucial for many surgeries and also certain types of treatments...

Healthcare systems worldwide depend on volunteer blood donations to secure surgeries and treatments for patients. Stochastic demands and donations as well as a short shelf-life of blood products impose additional challenges. In order to adequately match demand and supply, it is crucial for blood donation centres to call in donors at the right time,...

Handling emergency calls and dispatching ambulances and other resources are the most important tasks of the 232 integrated coordination centres in Germany. This often happens under great time pres- sure, on the basis of incomplete or unclear informati- on and with only limited available resources. Current developments, not least intensified by the...

This articles provides a short summary of the research topics and latest research results of the European Working Group “Operations Research Applied to Health Services” (ORAHS) organized as an e-conference in Juli 2020 at the University of Vienna, Austria (https://orahs2020.univie.ac.at/). Furthermore, challenges for OR in health care including app...

We make the case for treating high-level synthesis as a mathematical optimisation problem, and discuss why the CIRCT project could be the ideal incubator to bring this methodology into future high-level hardware design tools.

Emergency services worldwide face increasing cost pressure that potentially limits their existing resources. In many countries, emergency services also face the issues of staff shortage–creating extra challenges and constraints, especially during crisis times such as the COVID-19 pandemic–as well as long distances to sparsely populated areas result...

Blood supply chains are a specialized type of supply chain dealing with several legally independent actors that cooperate to facilitate the demand of a resource with limited availability and shelf life. In this setting, adequate decision support tools are needed to ensure good design choi1ces are made, as any interruption in the blood supply chain...

Blood supply chains are complex networks of independent actors comprising the collection, separation, testing and transfusion of blood products. A limited availability of blood donors and a mismatch of the available and required blood products combined with the complexity of the network make planning and controlling a blood supply chain difficult....

Blood supply chains are complex networks of independent actors comprising the collection, separation, testing and transfusion of blood products. A limited availability of blood donors and a mismatch of the available and required blood products combined with the complexity of the network make planning and controlling a blood supply chain difficult....

The business continuity of radiotherapy practice is of utmost importance for a safe, effective and efficient fight against cancer. Patients rely on uninterrupted therapies even under adverse conditions. The COVID-19 pandemic has caught many radio- therapy institutions unprepared. Centers worldwide had to find ways to master the extraordinary challe...

In recent years, an increase in data availability and computation power led to the "rise of Artificial Intelligence (AI)". In many different domains, AI-based methods and more specifically intelligent decision support systems (DSS) are studied in research and already implemented in practice, but not yet so in emergency medical services (EMS). This...

Die von RideEasy produzierten Fahrräder werden in speziell auf diesen Zweck zugeschnittenen Containern zwischen den verschiedenen Produktions- und Kundenstandorten in Nordamerika transportiert. Da Angebot und Nachfrage der einzelnen Standorte nicht ausgeglichen sind, müssen die leeren Container regelmäßig umplatziert werden, was sehr teuer ist. Zwi...

RideEasy plant eine Änderung der Tarifstruktur für seine Bike-Sharing-Stationen in San Francisco und hat hierfür die Daten der Anmietungen in den vergangenen Monaten ausgewertet. Die Zahlen belegen, dass die Kunden vermehrt Fahrräder für ein komplettes Wochenende – Samstag und Sonntag – ausleihen. Da außerdem die Nachfrage nach Leihrädern am Sonnta...

Um die Fahrräder von RideEasy bekannter zu machen, möchte der Nordamerika-Leiter Mr. Rent in der „Fahrradstadt“ San Francisco ein stationsgebundenes Bike Sharing- System errichten. Er hat dazu die Innenstadt in 6 Stadtviertel, die grundsätzlich für die Errichtung von Stationen in Frage kommen, unterteilt (maximal eine Station pro Viertel, siehe Abb...

In den Kapiteln 5 und 9 wurde ausgeführt, wie ILOG Script innerhalb von Modell-Dateien eingesetzt werden kann, insbesondere um Aufgaben der Datenvor- und -nachbereitung durchzuführen. Doch die Einsatzmöglichkeiten von ILOG Script gehen erheblich darüber hinaus. So kann es verwendet werden, um komplexe Abläufe zu steuern und dabei ggf. mehrmals auto...

Wie bereits in Kapitel 2 beschrieben, erfolgt die Formulierung eines Optimierungsmodells in einer sogenannten Modell-Datei (Dateiendung .mod). In dieser wird das zu lösende Optimierungsproblem durch ein mathematisches Modell beschrieben. Zur Modellbeschreibung dient die ILOG-eigene Programmiersprache OPL. Dabei werden entsprechende OPL-Anweisungen...

Aufbauend auf den Grundlagen der imperativen Programmierung mit ILOG Script aus Kapitel 5 wird in diesem Kapitel im Sinne von „Best Practices“ eine Auswahl weiterer fortgeschrittener Anwendungen von ILOG Script behandelt. Diese betreffen zum einen Möglichkeiten zur Ein- und Ausgabe von Daten – etwa zum Lesen und Schreiben von Dateien. Dabei wird in...

Die Firma Lamp’n’Bulb stellt Lampen für verschiedene Anwendungsbereiche her und beliefert täglich ihre Kunden in der Region, unter denen sich auch RideEasy befindet. Im Rahmen von Kostensenkungsprojekten hinterfragt Lamp’n’Bulb die Größe der eigenen Lieferwagenflotte. Die Logistik-Abteilung hat hierfür folgenden Distributionsplan aus Tabelle 12.1 a...

Dieses Kapitel liefert eine Einführung in die grafische Entwicklungsumgebung (engl. Integrated Development Environment), welche die zentrale Komponente zur Modellentwicklung darstellt und im Folgenden auch als Studio (im engeren Sinne) bezeichnet wird. Es wird erläutert, wie CPLEX Optimization Studio auf einem Computer installiert und das Studio ge...

In den bisherigen Kapiteln wurden alle Datenelemente (bzw. Modellparameter) in der jeweiligen Modell-Datei zunächst deklariert und anschließend mit konkreten Werten initialisiert. Ein Modell kann dadurch generisch angelegt und mit unterschiedlichen Eingabedaten ausgeführt werden, ohne jede Zeile des Modells einzeln abändern zu müssen (siehe Modular...

OPL ist eine deklarative Modellierungssprache zur Definition von Optimierungsmodellen. Wie in den bisherigen Kapiteln dargestellt, werden hierfür etwa Datentypen, Einund Ausgabedaten und Entscheidungsvariablen definiert und beispielsweise durch Entscheidungsausdrücke, die Zielfunktion oder Nebenbedingungen zueinander in Beziehung gesetzt. Es werden...

RideEasy hat im vergangenen Jahr in Manhattan vier Verkaufsfilialen für den Direktvertrieb eröffnet. Da sich die Belieferung dieser Filialen aus dem weiter entfernten Brooklyn als sehr kostenintensiv herausgestellt hat, möchte das Unternehmen nun ein eigenes Auslieferungslager in Manhattan einrichten und sucht nach einem geeigneten Standort. Von do...

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln die grundlegenden Sprachelemente von OPL eingeführt wurden, stehen nun drei weiterführende, spezifische Funktionalitäten von OPL bzw. dem CPLEX Optimization Studio im Fokus: das Arbeiten mit logischen Operatoren, die Umsetzung von abschnittsweise definierten Funktionen sowie die Ursachenforschung bei unlösbar...

Die Nachfrage nach Fahrrädern in den vier Verkaufsfilialen in Manhattan ist so stark angestiegen, dass RideEasy sich entschlossen hat, eine besonders hochwertige, speziell auf den New Yorker Markt bezogene Sonderedition CycleMe auf den Markt zu bringen. Die CycleMe-Räder werden in einer eigenen Werkstatt am Stadtrand ausschließlich auf Bestellung g...

Mit den in den bisherigen Kapiteln beschriebenen Sprachelementen können kleine bis mittelgroße OPL-Modelle aufgebaut werden, die auch eine generische Parametrisierung erlauben. Häufig müssen in praktischen Anwendungen jedoch sehr große Datenmengen verarbeitet werden, die durch zusammenhängende und komplexe Datentypen gekennzeichnet sind. Mit den Sp...

Häufig liegen bei einer Problemstellung viele gleichartige Modellparameter vor. Durch deren Zusammenfassung mithilfe von zusammengesetzten Datentypen kann der Programmieraufwand deutlich reduziert und die Lesbarkeit des Programmcodes verbessert werden. Darüber hinaus lassen sich mit diesen fortgeschrittenen Datentypen leicht generische Formulierung...

Das Buch führt anwendungsorientiert in die Optimization Programming Language (OPL) zur Modellierung linearer und ganzzahliger linearer Optimierungsprobleme im Rahmen des IBM ILOG CPLEX Optimization Studio ein. Es beinhaltet zehn aufeinander aufbauende Lektionen, ergänzt um zahlreiche Aufgaben und Anwendungsstudien. Das Buch richtet sich an Lehrende...

Helicopters play an important role in emergency medical service systems worldwide. In sparsely populated countries like New Zealand with long distances between hospitals, helicopters are often the best way to help critically injured patients. As helicopters are extremely costly, they should only be dispatched when really necessary. In this paper, w...

: Blood logistics in South Africa is a challenging topic, during a crisis like the current COVID-19 pandemic, but also already in everyday life. Robust optimization approaches can help setting up and managing the blood supply chain including the decision about facility locations and transportation routes that are accessible, cost-efficient and can...

Increasing efficiency and reducing risk in radiotherapy cancer treatment is of high importance. User assistance systems within a digitally connected radiotherapy environment can support all involved professionals to perform their individual tasks faster and better. This paper presents a qualitative analysis of radiotherapy workflows and a correspon...

Emergency services in countries like Germany are defined by a complex service network and a multitude of planning problems and necessary decisions. In case of an emergency, emergency medical service (EMS) providers send an ambulance to the patient, perform first treatment and then transport most patients to a hospital. Often, more than one hospital...

Mit den in den bisherigen Kapiteln beschriebenen Sprachelementen können kleine bis mittelgroße OPL-Modelle aufgebaut werden, die auch eine generische Parametrisierung erlauben. Häufig müssen in praktischen Anwendungen jedoch sehr große Datenmengen verarbeitet werden, die durch zusammenhängende und komplexe Datentypen gekennzeichnet sind. Mit den Sp...

OPL ist eine deklarative Modellierungssprache zur Definition von Optimierungsmodellen. Wie in den bisherigen Kapiteln dargestellt, werden hierfür etwa Datentypen, Einund Ausgabedaten und Entscheidungsvariablen definiert und beispielsweise durch Entscheidungsausdrücke, die Zielfunktion oder Nebenbedingungen zueinander in Beziehung gesetzt. Es werden...

Häufig liegen bei einer Problemstellung viele gleichartige Modellparameter vor. Durch deren Zusammenfassung mithilfe von zusammengesetzten Datentypen kann der Programmieraufwand deutlich reduziert und die Lesbarkeit des Programmcodes verbessert werden. Darüber hinaus lassen sich mit diesen fortgeschrittenen Datentypen leicht generische Formulierung...

In den Kapiteln 5 und 9 wurde ausgeführt, wie ILOG Script innerhalb von Modell-Dateien eingesetzt werden kann, insbesondere um Aufgaben der Datenvor- und -nachbereitung durchzuführen. Doch die Einsatzmöglichkeiten von ILOG Script gehen erheblich darüber hinaus. So kann es verwendet werden, um komplexe Abläufe zu steuern und dabei ggf. mehrmals auto...

Dieses Kapitel liefert eine Einführung in die grafische Entwicklungsumgebung (engl. Integrated Development Environment), welche die zentrale Komponente zur Modellentwicklung darstellt und im Folgenden auch als Studio (im engeren Sinne) bezeichnet wird. Es wird erläutert, wie CPLEX Optimization Studio auf einem Computer installiert und das Studio ge...

Aufbauend auf den Grundlagen der imperativen Programmierung mit ILOG Script aus Kapitel 5 wird in diesem Kapitel im Sinne von „Best Practices“ eine Auswahl weiterer fortgeschrittener Anwendungen von ILOG Script behandelt. Diese betreffen zum einen Möglichkeiten zur Ein- und Ausgabe von Daten – etwa zum Lesen und Schreiben von Dateien. Dabei wird in...

In den bisherigen Kapiteln wurden alle Datenelemente (bzw. Modellparameter) in der jeweiligen Modell-Datei zunächst deklariert und anschließend mit konkreten Werten initialisiert. Ein Modell kann dadurch generisch angelegt und mit unterschiedlichen Eingabedaten ausgeführt werden, ohne jede Zeile des Modells einzeln abändern zu müssen (siehe Modular...

Wie bereits in Kapitel 2 beschrieben, erfolgt die Formulierung eines Optimierungsmodells in einer sogenannten Modell-Datei (Dateiendung .mod). In dieser wird das zu lösende Optimierungsproblem durch ein mathematisches Modell beschrieben. Zur Modellbeschreibung dient die ILOG-eigene Programmiersprache OPL.

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln die grundlegenden Sprachelemente von OPL eingeführt wurden, stehen nun drei weiterführende, spezifische Funktionalitäten von OPL bzw. dem CPLEX Optimization Studio im Fokus: das Arbeiten mit logischen Operatoren, die Umsetzung von abschnittsweise definierten Funktionen sowie die Ursachenforschung bei unlösbar...

Background The COVID-19 pandemic has already changed our globalised world and its long-term impact is not yet known. It is apparent that businesses and institutions are increasingly affected. COVID-19 discussions often focus on intensive care units in hospitals. However, COVID-19 also effects life-saving and -prolonging radiotherapy for patients su...

In this chapter we present the existing literature on machine learning approaches and artificial intelligence for logistical problems arising for designing, providing and improving healthcare services. As a basis, we provide a framework for the classifocation of artificial intelligence. For the analysis we distinguish between the care level (primar...

In unserem täglichen Leben sind Chatbots bereits weit verbreitet und es lassen sich viele Beispiele in der Literatur finden, in denen Chatbots für den Einsatz im Gesundheitswesen angedacht und zum Teil auch bereits eingesetzt werden. Auch für den Rettungsdienst ist der Einsatz von Chatbots gut denkbar, zum Beispiel um für Mitarbeiter der Leitstelle...

A potential solution to reduce greenhouse gas (GHG) emissions in the transport sector is the use of alternative fuel vehicles (AFV). As global GHG emission standards have been in place for passenger cars for several years, infrastructure modelling for new AFV is an established topic. However, as the regulatory focus shifts towards heavy-duty vehicl...

Time-critical medical emergencies challenge emergency medical service (EMS) systems worldwide every day. In order to respond to these incidents as soon as possible, EMS logistics' approaches can help locating and dispatching ambulances. Many of these approaches use estimates for the demand as well as the driving, service and turnaround times. In or...

Das Buch führt anwendungsorientiert in die Optimization Programming Language (OPL) zur Modellierung linearer und ganzzahliger linearer Optimierungsprobleme im Rahmen des IBM ILOG CPLEX Optimization Studio ein. Es beinhaltet zehn aufeinander aufbauende Lektionen, ergänzt um zahlreiche Aufgaben und Anwendungsstudien. Das Buch richtet sich an Lehrende...

A common optimisation problem in the high-level synthesis (HLS) of FPGA-based accelerators is to find a microarchitecture that maximises the performance while keeping the utilisation of the device's low-level resources below certain limits. We propose to tackle it directly as part of the HLS scheduler. To that end, we formalise a general, integrat...

In Analogie zur Industrie 4.0 schreitet die Digitalisierung des Gesundheitswesens unter dem Begriff Krankenhaus 4.0 voran [1,2]. Die digitale Transformation zur Strahlentherapie 4.0 verspricht eine Steigerung der Effizienz und umfassende Kontrolle der Risiken. Dabei steht die Strahlentherapie 4.0 für integrierte Systeme und Dienste in digitalisiert...

For a successful market take-up of plug-in electric vehicles, fast-charging stations along the highway network play a significant role. This paper provides results from a first study on estimating the minimum number of fast-charging stations along the European highway network of selected countries (i.e., France, Germany, the Benelux countries, Swit...

Many of today's applications in parallel and concurrent computing are deployed using reconfigurable hardware, in particular field-programmable gate arrays (FPGAs). Due to the complexity of modern applications and the wide spectrum of possible implementations, manual design of modern custom hardware is not feasible. Computer-aided design tools enabl...

Improving emergency medical services (EMS) is a very challenging task. High availability of ambulances and short response times are favourable for emergency patients. However, cost pressures in the health care system demand for an efficient use and high utilisation of resources. In practice, clear policies are needed that can be followed. Some of t...

In this paper, we investigate how social media can be utilised to support the integration of emergency medical services (EMS) and crisis management activities. We explore the literature both on social media in crisis management and on EMS logistics to elaborate on their potential to support EMS logistics planning based on the experiences from crisi...

Die Digitalisierung des Gesundheitswesens bietet die außerordentliche Chance einer besseren Patientenversorgung, effizienterer Krankenhäuser und medizinischer Hightech- Produkte (Kaltenbach et al. 2018). Allerdings gibt es im deutschen Gesundheitswesen erheblichen Nachholbedarf beim Thema Digitalisierung. Deutschland belegt im Ländervergleich ledig...

Loop pipelining is an essential technique in high-level synthesis to increase the throughput and resource utilisation of field-programmable gate array--based accelerators. It relies on modulo schedulers to compute an operator schedule that allows subsequent loop iterations to overlap partially when executed while still honouring all precedence and...

Im Rettungsdienst lässt sich seit einigen Jahren ein steigender Bedarf, bedingt durch den demographischen Wandel, die rückläufige Anzahl von Ärzten und Krankenhäusern sowie den steigenden Versorgungsanspruch, erkennen. Dies erhöht stetig den Druck auf Leitstellen, Hilfsorganisationen, Kostenträger und Ministerien, Ressourcen möglichst effizient zu...

Background In most western countries a shortage of general practitioners (GP) exists. Newly qualified GPs often prefer to work in teams rather than in single-handed practices. Therefore, new practices offering these kinds of working conditions will be attractive in the future. From a health care point of view, the location planning of new practices...

The admission process is the first part of a hospital stay for all in- and outpatients. For the hospital, it is a critical part as all the necessary data must be stored in the hospital information system and all legal documents have to be signed in order to guarantee the best possible treatment and efficient logistics. In this paper, we focus on th...

GeMS is a customisable, open-source toolkit for generating random, yet constrained, modulo scheduling problems with a known optimal initiation interval. These can then be used to evaluate the behavior of different scheduling algorithms under controlled conditions.

Modulo scheduling is a key throughput optimisation when compiling for VLIW architectures, which has been applied successfully to high-level synthesis (HLS) of hardware accelerators in the past. However, problem instances in the HLS context usually have larger and denser dependence graphs and may contain many simple operations that are not subject t...

User assistance systems can help practitioners making decision for logistical problems, for example those arising in healthcare. Optimisation approaches included in such a system to determine an (optimal) solution often need to address more than one and often conflicting objectives leading to a number of alternative solutions of similar quality. Th...

This chapter presents our innovative approach to teach Industrial Engineering and Management Master students how to apply Operations Research to health care problems. We, the Chair of Discrete Optimization and Logistics (DOL) at the Karlsruhe Institute of Technology, offer the course “Operations Research in Health Care Management” where we give an...

Health care is a domain characterized by low and slow adoption of IS compared to other domains, such as manufacturing or avionics. It seems to be promising to transfer existing (design) knowledge and solutions from these domains to the HIS context to increase effectiveness of HIS by, for example, improving usability of HIS and accessibility to assi...

The market share of plug-in electric vehicles (PEVs) has been increasing in the last years which comes along with a raising demand for public charging stations. While the operation of low-power charging stations (Mode-3) is far from being profitable, prospects for fast charging stations indicate attractive revenues. This is mainly based on a higher...

The number of fast charging stations along highways and their concrete allocation has a strong impact on the reliability and profitability of these systems. We provide a comparison of two applied approaches-one coverage oriented approach and an optimization based method-which can be easily transferred to other regions due to comparably low data req...

Keeping up a high level of primary care services for a whole country or even a federal state is a very challenging task due to the demographic change and many other reasons, also for Germany. In the future it is expected that even more general practitioners (GP) are necessary to cover close to come healthcare. Therefore, an efficient use of resourc...

Emergency Medical Service (EMS) systems worldwide are complex systems, characterized by significant variation in service providers, care pathways, patient case-mix and quality care indicators. Analysing and improving them is therefore challenging. Since EMS systems differ between countries, it is difficult to provide generic rules and approaches fo...

This thesis presents Operations Research (OR) models and approaches for Emergency Medical Service (EMS) logistics. Its focus is on location planning for ambulances and bases as well as on patient transportation planning. Several OR approaches for solving these planning problems are developed and compared. Operations Research is hardly used in today...

Many Emergency Medical Service (EMS) systems worldwide handle emergency rescues as well as patient transports and dispatchers need to assign ambulances to incidents manually throughout the day. The management of the complex system together with the manual assignments can easily create stress for and pressure on the dispatchers. Mathematical algorit...

We analyze daily charging demand patterns of electric vehicles at DC fast charging stations along the German autobahn for an average week in 2020. For this we develop an agent based simulation tool based on current empirical mobility data. Our results show that already in 2020 about 1,000 charging processes per charging location and day might be re...

In high-level synthesis, loop pipelining is a technique to improve the throughput and utilisation of hardware datapaths by starting new loop iterations after a fixed amount of time, called the initiation interval (II), allowing to overlap subsequent iterations. The problem is to find the smallest II and corresponding operation schedule that fulfils...

The allocation of fast charging stations is a severe investment for the future mobility system with electric vehicles. The allocation of the first charging stations influences the profitability of all other fast charging stations and should therefore be perfectly arranged. Hence, we applied and extended the flow-refueling location model (FRLM) deve...

The combination of a windfarm with a battery storage allows to schedule the system in a more balanced way, alleviating natural wind power fluctuations. We present a mathematical model that optimizes the contribution margin (CM) of a system that consists of a wind farm and a lithium-ion battery storage from an operator’s perspective. We consider the...