Flood Emergency Logistics Management

Abstract

Floods are the most common natural disaster worldwide, and their frequency and number of people affected are increasing. Civil protection authorities are in charge of flood emergency management, providing means to help the affected population and ensuring its safety. Shelter location, warning issuing, and evacuation routings are important operations to minimize flooding consequences. This research presents a four-stage flood planning framework to support civil protection authorities’ decisions. In the first stage, all the necessary data – flood map, flood evolution, water level on the road network, affected areas and respective affected population, location of candidate shelters and yards where emergency vehicles are parked, traveling times between affected areas and shelter, etc. – are collected and processed. In the second stage, a multi-period shelter location-allocation model with evacuation orders is developed. Taking into consideration the evolution of the flood, the model minimizes the traveling times between the affected areas and shelters while determining the location of a fixed number of shelters which become available in different time periods, the issuing time of evacuation orders for each demand area, and the allocation of each demand area to a shelter. The solution obtained is the basis for designing the private car evacuation routes between each demand area and the allocated shelter or other final destinations (super nodes), in line with the respective evacuation order issuing (third stage). In this third stage, possible congested zones can be identified and competent entities can be allocated to these zones to ensure public order. The last stage comprises the evacuation process of those who rely on emergency vehicles to reach a shelter. A dynamic vehicle evacuation model is proposed to optimize the evacuation and waiting time of evacuees while determining the emergency vehicles routes and schedules. Both optimization models – the multi-period shelter location-allocation model with evacuation orders and the dynamic vehicle evacuation model – consider that travel times change over time, demand evacuates according to a pattern, and resources are limited and are not readily available. The multi-period shelter location-allocation model with evacuation orders is solved using a simulated annealing heuristic whereas the dynamic vehicle evacuation model is solved using a time-space network and a rolling horizon approach. Both models and respective solution methodologies are applied to real world-based case studies in the USA and the flood planning framework is applied to a real world-based case study in Portugal. The solutions highlight the importance of using a dynamic approach and of considering the resources availability over time.

As inundações são os desastres naturais mais comuns a nível mundial e a sua frequência e a população afetada estão a aumentar. As Autoridades de Proteção Civil estão a cargo da gestão de inundações, proporcionando os meios e recursos para ajudar a população afetada e garantir a sua segurança e proteção. A localização de abrigos, a emissão de alertas e as rotas de evacuação são operações importantes para minimizar as consequências das inundações. Este trabalho de investigação apresenta uma estrutura de planeamento de inundações com quatro fases, para apoiar as decisões das Autoridades de Proteção Civil. Na primeira fase, todos os dados – mapa de cheia, evolução da inundação, níveis de água na rede viária, áreas afetadas e respetiva população afetada, localização dos possíveis abrigos e garagem onde os veículos de emergência estão estacionados, tempos de viagens entre as áreas afetadas e os abrigos, etc. – são recolhidos e tratados. Na segunda fase, um modelo multi-período para a localização e alocação de abrigos com ordens de evacuação é desenvolvido. Tendo em conta a evolução da cheia, enquanto minimiza os tempos de viagem entre as áreas afetadas e os abrigos, o modelo determina a localização de um número fixo de abrigos que estão disponíveis em diferentes períodos de tempo, o período de tempo em que são emitidas as ordens de evacuação para cada área afetada e aloca cada uma destas áreas a um abrigo. A solução obtida serve de base para a definição das rotas de evacuação em veículos privados entre as áreas afetadas e os respetivos abrigos e de acordo com emissão das ordens de evacuação (fase três). Nesta terceira fase, é possível identificar as áreas congestionadas e consequentemente alocar as entidades competentes a estas zonas para garantir a manutenção da ordem pública. A última fase inclui o processo de evacuação para a população que não tem meios próprios para chegar até um abrigo. Um modelo dinâmico de evacuação é proposto para determinar as rotas e horários dos veículos de emergência enquanto os tempos de evacuação e de espera são minimizados. Ambos os modelos de otimização consideram que os tempos de viagens variam ao longo do tempo, que a população afetada evacua de acordo com um padrão e que os recursos, para além de limitados, não estão prontamente disponíveis. O modelo multi-período de localização e alocação com ordens de evacuação é solucionado através da heurística simulated anneling. Para o modelo dinâmico de evacuação é proposto um time-space network e é solucionado através de uma abordagem rolling horizon. Ambos os modelos são aplicados a estudos de caso no EUA e a estrutura de planeamento de inundações é aplicada a um estudo de caso em Portugal. As soluções destacam a importância de considerar abordagens dinâmicas e de considerar a disponibilidade dos recursos existentes.